基于最大供電能力的智能配電網(wǎng)規劃與運行新思路

配電網(wǎng)是城市的基礎設施，對城市供電安全具有重大影響。從投資規模上看，配電網(wǎng)投資增幅最快，未來(lái)趨勢將逐步與發(fā)電、輸電看齊;從可靠性角度，大部分影響可靠性的停電事故都在配電網(wǎng);損耗最大的環(huán)節也在配電網(wǎng)。未來(lái)分布式能源和微電網(wǎng)的大量接入也在配電網(wǎng)，智能電網(wǎng)相對傳統電網(wǎng)變革最大的環(huán)節也在配用電[1]。因此，配電的地位將逐步上升到與發(fā)輸電相當的高度。中國經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)大規模的城市電網(wǎng)建設，很多城市配電網(wǎng)得到了跨越式的發(fā)展，一些新的問(wèn)題和挑戰也逐步凸顯出來(lái)。

1)是否還需要繼續大規模地建設電網(wǎng)及建設數量問(wèn)題。中國城市配電網(wǎng)的容載比普遍較高(高于2.0)，但可靠性水平并不高，而東京、香港、新加坡等城市的配電網(wǎng)在較低容載比(低于1.6)下實(shí)現了高可靠性，應該探究其原因。

2)國家電網(wǎng)公司新規劃導則指出下級配電網(wǎng)較強時(shí)容載比可取低，但未提供量化計算依據。如何計算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍、如何實(shí)現上下級電網(wǎng)的協(xié)調、除容載比外有無(wú)其他衡量電網(wǎng)建設水平更好的指標等問(wèn)題仍需進(jìn)一步探討。

3)城市中很多區域的站點(diǎn)和線(xiàn)路通道資源已經(jīng)非常緊張，能否在不新建變電站和配電網(wǎng)的情況下通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)架結構和運行方式消納新增的負荷，需進(jìn)一步研究。

4)目前配電網(wǎng)呈現聯(lián)絡(luò )日益增多、結構日益復雜的趨勢。特別是城市電纜網(wǎng)大片區域相互聯(lián)絡(luò )，甚至有的地區整個(gè)中壓配電網(wǎng)都“粘連”在一起。網(wǎng)絡(luò )結構的復雜性在提高可靠性和靈活性的同時(shí)是否帶來(lái)了新的運行維護問(wèn)題、是否所有聯(lián)絡(luò )都是必要的、可否在不降低安全可靠和負載率水平的前提下簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )結構等問(wèn)題值得深思。

5)一個(gè)地區的配電網(wǎng)是否都應采取幾種標準接線(xiàn)模式、網(wǎng)絡(luò )接線(xiàn)模式選擇與變電站主變壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)主變，下同)配置是否存在一定關(guān)系、是否在配電網(wǎng)改造中所有導線(xiàn)都需采用幾種標準型號改造等問(wèn)題值得進(jìn)一步探討。

6)在智能電網(wǎng)背景下，配電自動(dòng)化在中國正獲得新一次大規模發(fā)展的機會(huì )，除了提高可靠性和自動(dòng)化水平外，配電自動(dòng)化巨額投資的經(jīng)濟效益在哪里、是否能收回投資等問(wèn)題都有必要加以研究。

7)按現狀分析、負荷預測、變電站及網(wǎng)絡(luò )規劃等主要步驟進(jìn)行的傳統規劃方式在中國十幾年來(lái)的大規模城鄉電網(wǎng)規劃建設中發(fā)揮了重要作用。對于目前大量的建成區配電網(wǎng)規劃能否照搬，是否需要存在新的、更好的規劃方式需要深思。供電能力是近年來(lái)在配電網(wǎng)規劃建設領(lǐng)域出現的一個(gè)非常重要的新指標，已在中國多個(gè)城市配電網(wǎng)建設改造實(shí)踐中得到應用，近年來(lái)供電能力理論研究也取得了進(jìn)展。本文基于供電能力理論，針對上述配電網(wǎng)規劃建設和運行中的問(wèn)題和挑戰，從一個(gè)新的角度探討配電網(wǎng)規劃和運行的新思路。

1智能配電網(wǎng)的快速網(wǎng)絡(luò )轉供能力

智能電網(wǎng)對配電網(wǎng)的改變將是非常顯著(zhù)的，本文認為，快速網(wǎng)絡(luò )轉供能力是未來(lái)智能配電網(wǎng)的一個(gè)非常重要的新邊界條件。以下詳細討論。

雖然中國城市配電網(wǎng)普遍實(shí)現了聯(lián)絡(luò )，互聯(lián)網(wǎng)架結構已能提供負荷在變電站間轉移的通道，但是長(cháng)期以來(lái)大部分中壓配電網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)化程度仍然很低，配電網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)關(guān)操作需要派操作隊到現場(chǎng)人工完成，耗時(shí)往往超過(guò)30min，甚至更多，如此長(cháng)時(shí)間的操作停電是用戶(hù)無(wú)法接受的;而變電站內普遍都具有綜合自動(dòng)化系統，一旦發(fā)生變電站主變N-1故障，負荷應能夠快速切換到同一變電站內的其他主變，使用戶(hù)連續供電能夠得到保證?？梢?jiàn)，目前中壓配電網(wǎng)絡(luò )轉帶負荷與變電站內轉帶負荷在時(shí)間上是無(wú)法比擬的。因此在實(shí)際電網(wǎng)運行中，當發(fā)生主變故障時(shí)只考慮變電站內主變間的負荷切換，并不通過(guò)中壓配電網(wǎng)在變電站間轉帶負荷。變電站主變負載率的安全控制指標也由N-1安全性導則來(lái)簡(jiǎn)單確定，例如在考慮主變1.3倍短時(shí)過(guò)負荷能力條件下，2臺主變的變電站最大負載率應控制為0.65。此時(shí)，N-1安全問(wèn)題退化為單個(gè)變電站站內主變互帶的簡(jiǎn)單問(wèn)題，即最大負荷應不超過(guò)單臺主變退出時(shí)的其他主變總的最大負載能力。這種變電站“各自為戰”的結果限制了整個(gè)區域配電網(wǎng)的供電能力。

目前中國少數實(shí)現配電自動(dòng)化試點(diǎn)的中壓配電網(wǎng)，由于其涉及范圍較小，因此，它的功能一般體現在饋線(xiàn)自動(dòng)化上，即重點(diǎn)在饋線(xiàn)上發(fā)生故障后的故障隔離和停電恢復策略上，相關(guān)理論研究也集中在該問(wèn)題上。隨著(zhù)智能電網(wǎng)背景下配電自動(dòng)化的重新啟動(dòng)，配電系統的安全性與系統利用率正逐步開(kāi)始成為研究者的關(guān)注點(diǎn)。

但是，目前中國配電系統運行中還一直沒(méi)有能真正實(shí)現變電站供電能力與配電網(wǎng)負荷轉移供電能力的相互支撐，未來(lái)智能配電網(wǎng)中是否能夠實(shí)現，以及主變滿(mǎn)足N-1的負載率標準是否能夠突破導則規定，將成為發(fā)掘配電網(wǎng)供電潛力的關(guān)鍵。未來(lái)的智能電網(wǎng)將發(fā)展高級配電網(wǎng)運行(ADO)系統，實(shí)現配用電系統較充分的信息化和自動(dòng)化，可以通過(guò)新型傳感器和通信手段獲取廣大中低壓配電網(wǎng)的大量實(shí)時(shí)信息，具有遙控功能的智能開(kāi)關(guān)設備將廣泛使用，配電自動(dòng)化使得網(wǎng)絡(luò )轉供操作能夠在短時(shí)間(分鐘級或更短時(shí)間)內完成。這為

配電網(wǎng)的安全高效運行提供了新的邊界條件。本文認為，在此新邊界條件下，負荷可以被配電網(wǎng)快速轉帶，變電站主變發(fā)生N-1故障時(shí)，不但可以通過(guò)站內其他主變轉帶負荷，而且可以通過(guò)下一級配電網(wǎng)轉移負荷到其他變電站。已較普遍實(shí)現配電自動(dòng)化的日本已有這樣的操作運行方式。因此，未來(lái)變電站最大負載率可以超越傳統導則規定，在滿(mǎn)足安全邊界前提下得到顯著(zhù)提高。新版國家電網(wǎng)規劃導則中新增“下級電網(wǎng)強時(shí)容載比可取低”的指導性意見(jiàn)完全可以變成現實(shí)。

總之，這種高級配電自動(dòng)化下快速的負荷網(wǎng)絡(luò )轉供能力是智能電網(wǎng)背景下的配電網(wǎng)運行的新邊界條件，為智能配電網(wǎng)的資產(chǎn)效率提高奠定了基礎。近年來(lái)出現的配電系統供電能力理論能夠有效地計及該邊界條件。

2智能配電網(wǎng)的供電能力理論

配電系統的最大供電能力(totalsupplycapability，TSC)是與輸電系統中的最大傳輸能力(TTC)類(lèi)似的概念。最大供電能力是指在一定供電區域內配電網(wǎng)滿(mǎn)足N-1準則條件下，同時(shí)計及變電站站內主變與配電網(wǎng)絡(luò )轉供能力，以及實(shí)際運行約束情況下的最大的負荷供應能力。

配電網(wǎng)供電能力的理論研究經(jīng)歷了3個(gè)階段。

階段1是以變電容量評估配電系統供電能力階段，如容載比法，該階段沒(méi)有詳細考慮變電站下級配電網(wǎng)絡(luò )對供電能力的作用。

階段2是計算網(wǎng)絡(luò )供電能力階段，如最大負荷倍數法、負荷能力法(loadability)。該階段方法在考查變電站變電容量的同時(shí)，也提出了網(wǎng)絡(luò )轉供能力的思想。負荷能力法基于配電網(wǎng)輻射運行，計算滿(mǎn)足支路潮流和節點(diǎn)電壓約束時(shí)的最大負荷能力，以及大規模聯(lián)絡(luò )配電網(wǎng)中N-1故障發(fā)生后的網(wǎng)絡(luò )負荷轉供。

階段3是供電能力精確理論建模階段，能夠在N-1準則下同時(shí)計及變電站與網(wǎng)絡(luò )轉供能力計算供電能力。近2年來(lái)，供電能力的理論研究進(jìn)展初步解決了配電網(wǎng)供電能力的指標族定義、建模和求解問(wèn)題，能夠在負荷未知的條件下，量化計算滿(mǎn)足運行約束的配電網(wǎng)最大供電負荷。

供電能力理論能夠有效地將網(wǎng)絡(luò )的負荷轉移能力和變電站站內的供電能力結合起來(lái)，利用其概念和指標，能夠從整個(gè)配電網(wǎng)角度對配電網(wǎng)進(jìn)行分析評估，為更精細的規劃提供新的指標和方法。供電能力對于配電網(wǎng)的重要作用將逐步等同于輸電能力對于輸電網(wǎng)的作用。供電能力理論研究為未來(lái)的配電網(wǎng)規劃建設發(fā)展和運行提供了新的理論工具，以下將對目前中國配電網(wǎng)規劃建設和運行面臨的一些問(wèn)題進(jìn)行探討。

3問(wèn)題探討與新理念

3.1配電網(wǎng)規劃建設的效率及容載比問(wèn)題

中國很多城市電網(wǎng)經(jīng)歷了大規模建設改造，對于是否還需要大規模地建設電網(wǎng)以及建多少的問(wèn)題，本文認為負荷已結束快速發(fā)展階段、容載比已達到2.0及以上的區域、已形成互聯(lián)網(wǎng)架結構的配電網(wǎng)不應再大規模建設。

目前配電網(wǎng)中廣泛存在負載不均衡的問(wèn)題，即部分電網(wǎng)負載率過(guò)高，而其他很多區域電網(wǎng)負載率過(guò)低的情況。本文認為負荷在地理位置上的分布很難改變，但是負荷在配電網(wǎng)絡(luò )結構中接入的位置是可以在相當大程度上再調整和優(yōu)化的。配電網(wǎng)負荷可以通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò )開(kāi)關(guān)的運行方式改變、架空線(xiàn)分段聯(lián)絡(luò )設置位置的改變、新用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò )位置的選擇等，改變其在變電站、主變、饋線(xiàn)間的分配。通過(guò)上述措施能夠進(jìn)一步優(yōu)化變電站及主變供電范圍，解決負載不均衡的問(wèn)題。當上述負荷重新分配的措施不能完全達到效果時(shí)，才考慮新增出線(xiàn)、變電站增容，最后考慮新建變電站。

對于容載比與配電網(wǎng)網(wǎng)架結構存在何種本質(zhì)關(guān)系的問(wèn)題，國家電網(wǎng)新規劃導則(2006年版)的修訂版指出下級電網(wǎng)強時(shí)容載比可取低，但未提供量化計算依據。對于如何計算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍的問(wèn)題，本文認為當變電站主變容量資源和下一級配電網(wǎng)絡(luò )負荷轉移資源能充分結合、相互支撐時(shí)，保證N-1安全的容載比就能夠降低到2.0以下。供電能力理論為容載比分析提供了量化計算手段，本文初步研究結果認為容載比理論值能夠降低到1.3左右，考慮一定裕量后的實(shí)際值應該控制在1.5到1.6。

城市建成區用地緊張，變電站和饋線(xiàn)占地成本高，有些中心區域站點(diǎn)和線(xiàn)路通道資源已經(jīng)非常緊張，獲得新變電站的站址和新出饋線(xiàn)的地下通道已變得非常困難。因此，對于現有電網(wǎng)的供電能力和能夠優(yōu)化后的潛力到底有多大，能否在不新建或少建變電站和饋線(xiàn)的情況下，通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)架結構和運行方式消納新增的負荷等問(wèn)題，本文認為，采用負荷再分配技術(shù)和聯(lián)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)能在不新建變電站和新出饋線(xiàn)的情況下消納新增負荷，并且消納負荷的潛力非?？捎^(guān)。例如：網(wǎng)絡(luò )聯(lián)絡(luò )是影響TSC的一個(gè)關(guān)鍵因素，聯(lián)絡(luò )優(yōu)化是在不增加變電容量的條件下挖掘網(wǎng)絡(luò )供電潛力的有效手段[13]。研究表明，聯(lián)絡(luò )對電網(wǎng)供電能力的貢獻理論上能夠達到30%～50%。近年來(lái)，電網(wǎng)規劃中普遍關(guān)心的上下級電網(wǎng)的協(xié)調配合也是提高電網(wǎng)效率的一個(gè)有效手段。由于變電站是上下級電網(wǎng)的樞紐，因此上下級電網(wǎng)的協(xié)調首先是變電站與下一級網(wǎng)絡(luò )的相互協(xié)調配合，在此基礎上再進(jìn)一步做到上一級電網(wǎng)與下一級電網(wǎng)的相互協(xié)調配合，從而實(shí)現跨電壓等級的N-1校驗和相互支撐。