基于最大供電能力的智能配電網(wǎng)規(guī)劃與運行新思路

3.2配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)問題

1)復(fù)雜互聯(lián)配電網(wǎng)的簡化近20年來中國大規(guī)模地建設(shè)、改造配電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)接線從最初的單輻射無聯(lián)絡(luò)到“手拉手”單聯(lián)絡(luò)，發(fā)展到如今的多分段多聯(lián)絡(luò)，呈現(xiàn)出聯(lián)絡(luò)日益增多、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的趨勢。特別是城市電纜網(wǎng)中開閉站、配電站間的聯(lián)絡(luò)通路越來越多，大片區(qū)域的配電網(wǎng)相互聯(lián)絡(luò)，甚至有的地區(qū)整個中壓配電網(wǎng)都“粘連”在一起。聯(lián)絡(luò)的大量建設(shè)在增加負荷轉(zhuǎn)帶路徑、提高運行靈活性的同時，也帶來了新的問題。從運行角度考慮，轉(zhuǎn)帶路徑過多會大大增加運行方式的復(fù)雜性。

本文認為聯(lián)絡(luò)對配電網(wǎng)架的作用是不同的，應(yīng)該評估聯(lián)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶能力的貢獻度并作為依據(jù)對現(xiàn)有聯(lián)絡(luò)區(qū)別對待，找到并明確區(qū)分負荷轉(zhuǎn)帶的主路徑和備用路徑，實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)分級管理。研究表明，多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)中，不同聯(lián)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)負荷轉(zhuǎn)移能力的貢獻確實存在較大差異，很可能存在一定數(shù)量的“無效”聯(lián)絡(luò)。聯(lián)絡(luò)分級管理對運行調(diào)度的好處在于簡化運行，縮減了正常運行時的轉(zhuǎn)帶方式數(shù)量，同時還能提高反應(yīng)速度、降低誤操作的概率;對于維護的好處在于降低工作量，對于備用路徑在維護、巡視、檢修上可降低頻次和等級，將工作重點放到主要轉(zhuǎn)帶路徑上。這種理念還能應(yīng)用到規(guī)劃建設(shè)上，對于規(guī)劃方案也應(yīng)評估所有聯(lián)絡(luò)的作用，刪除無效聯(lián)絡(luò)，按照聯(lián)絡(luò)的有效度來確定建設(shè)的優(yōu)先次序，達到在不降低安全可靠和配電網(wǎng)負載率水平的前提下簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)省投資的效果。

在調(diào)度運行研究領(lǐng)域中，目前對聯(lián)絡(luò)相關(guān)的研究主要集中在N-1故障后的故障隔離和停電恢復(fù)策略上，對于日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和越來越多的可選供電恢復(fù)路徑，一般采用啟發(fā)式規(guī)則來濾掉一些不必要的方案，很少有從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上研究聯(lián)絡(luò)的作用。在規(guī)劃領(lǐng)域，目前配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的規(guī)劃方法以聯(lián)絡(luò)路徑的長短作為衡量投資的標準，追求達到基于某種標準接線模式的最短路徑，但沒有對建設(shè)聯(lián)絡(luò)的必要性進行考察，且未解決聯(lián)絡(luò)數(shù)量巨大時導致的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題。因此，有必要研究聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)負荷轉(zhuǎn)移能力的作用機理。

2)配電網(wǎng)網(wǎng)架的標準化問題規(guī)劃中為達到電網(wǎng)接線方式在一定程度上的統(tǒng)一并簡化運行，往往在同一地區(qū)采用幾種標準化的網(wǎng)架接線模式進行統(tǒng)一規(guī)劃。接線模式的標準化在配電網(wǎng)發(fā)展過程中發(fā)揮了重要的積極作用。中國配電網(wǎng)曾經(jīng)歷了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不清晰的階段，存在接線無序、供電范圍不清晰、交叉供電等諸多問題。近十幾年來的配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)已逐步改變了這一狀況，朝著標準化網(wǎng)絡(luò)接線模式的方向發(fā)展。

標準化的好處在于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰、運行方式明確。但是所有的網(wǎng)絡(luò)接線是否都應(yīng)采取完全一樣的幾種接線仍是值得探討的問題。本文認為，由于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力和變電站供電能力應(yīng)該在未來配電網(wǎng)中統(tǒng)一考慮，因此，網(wǎng)絡(luò)接線結(jié)構(gòu)與變電站的主變配置、主接線結(jié)構(gòu)存在一定的配合關(guān)系。初步研究表明，通過下一級配電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)變電站的主變?nèi)萘亢团_數(shù)不完全對稱時，達到區(qū)域配電網(wǎng)最大供電能力的網(wǎng)絡(luò)接線模式也不是對稱的。而由于負荷分布的不均勻和變電站建設(shè)發(fā)展過程的歷史原因，一個區(qū)域的變電站主變配置在臺數(shù)和容量上往往存在不對稱，而且線路通道的地理限制也增加了形成完全標準接線模式的難度。綜上所述，本文認為一個地區(qū)的配電網(wǎng)不一定完全采取幾種標準接線模式建設(shè)，可以采取標準接線模式的變化模式或不完全的接線模式。接線模式原則上應(yīng)該是標準化和適度特異性的結(jié)合。另外，隨著分布式電源和微電網(wǎng)的接入，一些單輻射線路也不一定必須改造為聯(lián)絡(luò)接線模式。

3)配電網(wǎng)線路導體選擇和改造的標準化問題配電線路的導體選擇是規(guī)劃建設(shè)改造中的一個重要問題，目前的規(guī)劃方法對于導體選擇采取了標準化的方式，如主干線路一律采取某種導線型號，分支線路又采取某種導線型號。這種做法適合新建電網(wǎng)，如果用到已有電網(wǎng)中，就會引起大量的導線改造升級。在很多的電網(wǎng)改造中，只要原有導線不符合標準要求就作為瓶頸線路，即使未過負荷和未到運行年限也進行統(tǒng)一更換，這不但增加了成本和浪費已有的資源，而且增加了大量停電施工的時間。在聯(lián)絡(luò)很多的配電網(wǎng)中，尤其是電纜網(wǎng)中這種問題更為嚴重，此時輻射網(wǎng)的主干分支概念逐漸模糊，凡是不同饋線間的聯(lián)絡(luò)，即使以前是分支線路，都可以認為是主干網(wǎng)架的構(gòu)成部分，因此，需要改造的線路范圍更大。

本文認為，由于負荷分布不均勻、變電站容量配置及配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不完全對稱，對網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)絡(luò)通路的容量要求也并不是完全相等的。應(yīng)該從正常運行方式以及N-1運行方式下能正常發(fā)揮電網(wǎng)供電能力的角度，量化計算每個聯(lián)絡(luò)通路的負荷轉(zhuǎn)移容量需求，做到對電網(wǎng)瓶頸線路的精確定位，從而實現(xiàn)只對真正的瓶頸線路進行導體改造，避免較大范圍的停電改造施工。

目前對于瓶頸聯(lián)絡(luò)線的定位，常用方法還是人為決策，即規(guī)劃人員憑借其知識和經(jīng)驗來定位這些瓶頸線路，這種方法受人為因素的影響較大，也很難考慮N-1后的轉(zhuǎn)供要求，其結(jié)果并不是最優(yōu)和精確的，并且其工作量也非常大。配電網(wǎng)瓶頸線路的自動定位和改造決策方法是一個值得研究的問題。

3.3配電自動化投資效益問題在智能電網(wǎng)背景下，配電自動化在中國正獲得新一次大規(guī)模發(fā)展的機會。智能電網(wǎng)背景下電網(wǎng)被看做是能量網(wǎng)和信息網(wǎng)的結(jié)合，能量網(wǎng)是一次系統(tǒng)，信息網(wǎng)是廣義的二次系統(tǒng)。配電自動化或者高級配電自動化都屬于廣義二次系統(tǒng)的范疇。通過二次系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，讓一次系統(tǒng)實現(xiàn)信息化、智能化是智能電網(wǎng)提供的新型發(fā)展理念。只有具有先進二次系統(tǒng)的一次系統(tǒng)才能夠較充分地發(fā)揮效率。基于上述理念，本文認為大量的配電自動化投資的經(jīng)濟效益首先不在于可靠性，而是在于一次系統(tǒng)效率的提高，即在精確計算并確保安全的前提下提高一次設(shè)備的負載率。一次系統(tǒng)不僅本身投資巨大，其占有的站點和地上、地下通道在城市地區(qū)都屬于珍貴資源。配電自動化是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速負荷轉(zhuǎn)移能力這一智能配電網(wǎng)新邊界條件的基礎(chǔ)設(shè)施。本文認為，配電自動化的大范圍實施將解決中低壓配電網(wǎng)信息化中的數(shù)據(jù)采集、通信、存儲、基本操作等基礎(chǔ)性問題，然后再開發(fā)新一代的安全高效配電調(diào)度系統(tǒng)，就能實現(xiàn)配電系統(tǒng)的高負載率安全運行。配電自動化大量投資的主要經(jīng)濟效益將是通過一次系統(tǒng)的高效運行從而減少電網(wǎng)建設(shè)投資來獲得的。

3.4配電網(wǎng)安全高效運行問題在配電自動化普及的條件下，未來配電系統(tǒng)調(diào)度運行的發(fā)展方向是安全、高效運行。所謂高效就是前面討論智能電網(wǎng)實現(xiàn)配用電信息化，使得互聯(lián)的配電網(wǎng)具備快速負荷轉(zhuǎn)移能力，為變電站提供支撐;而城市區(qū)域電網(wǎng)資源的稀缺讓大規(guī)模的電網(wǎng)建設(shè)很難持續(xù)，更需要在保證安全條件下充分發(fā)掘現(xiàn)有電網(wǎng)一次系統(tǒng)的供電能力，提高資產(chǎn)效率。

供電能力是配電網(wǎng)在滿足安全約束下的最大負荷供應(yīng)能力，這為挖掘電網(wǎng)運行的潛力提供了量化計算工具。實現(xiàn)高效運行的另一個前提是精確計算配電系統(tǒng)滿足N-1運行的安全邊界，在調(diào)度運行中實時計算運行點與安全邊界距離。目前的配電調(diào)度系統(tǒng)尚不具備實時計算運行安全邊界的功能。新一代配電調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展方向是建立起類似輸電系統(tǒng)的DyLiacco安全框架，實現(xiàn)實時的安全監(jiān)視、報警、預(yù)防控制、緊急控制以及優(yōu)化功能。相對輸電系統(tǒng)，目前實際配電調(diào)度運行還較為初級，很多情況下都還停留在人工決策的階段。智能電網(wǎng)下的配電調(diào)度運行將發(fā)生大的變革。

利用配電網(wǎng)絡(luò)進行負荷轉(zhuǎn)帶的一個不利因素是在變電站主變N-1運行時通過配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶負荷可能會大大增加操作的次數(shù)，但實際操作運行中該問題并不一定很嚴重。這是因為在規(guī)劃中采用的是最大負荷，實際電網(wǎng)在很多時候負荷水平并不高，可以僅通過站內(nèi)轉(zhuǎn)帶就完成負荷轉(zhuǎn)移;只有在N-1故障發(fā)生在負荷水平較高的情況下，才會出現(xiàn)變電站內(nèi)轉(zhuǎn)帶容量不足需要網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶的情況。因此，實際運行時操作次數(shù)的增加并不一定很多。

4基于供電能力優(yōu)化的規(guī)劃新方式

4.1基于供電能力的規(guī)劃方式及與傳統(tǒng)方式的比較

按照規(guī)劃導則規(guī)定的現(xiàn)狀分析、負荷預(yù)測、變電站及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等為主要步驟進行的傳統(tǒng)規(guī)劃方式，在中國十幾年來的大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，但目前也正面臨著挑戰(zhàn)。

首先，傳統(tǒng)規(guī)劃流程中總是需要作出負荷預(yù)測，然后在負荷預(yù)測結(jié)果基礎(chǔ)上來形成并校驗規(guī)劃電網(wǎng)方案。其規(guī)劃結(jié)果受負荷預(yù)測準確性的影響很大，而負荷發(fā)展涉及因素非常多，存在不確定性，準確預(yù)測又是非常困難的。其次，在大規(guī)模復(fù)雜配電網(wǎng)規(guī)劃中，通常都將規(guī)劃分解為變電站選址定容和網(wǎng)架布線2個子問題。在變電站選址定容階段，通常采用容載比法來確定需要的變電容量，然后確定變電站主變配置時，在計及N-1安全原則時僅考慮變電站內(nèi)主變的相互支持，而忽略配電網(wǎng)中負荷互供的影響帶來安全性的提升。因此，傳統(tǒng)規(guī)劃方案往往較為保守，經(jīng)常需要新增變電容量來滿足新增負荷，將電網(wǎng)容載比控制在導則推薦范圍內(nèi)，結(jié)果導致設(shè)備利用率偏低。此外，隨著城市的發(fā)展，規(guī)劃用地通道資源日趨緊張，新的變電站和饋線走廊建設(shè)越來越困難，傳統(tǒng)規(guī)劃方法也很難適應(yīng)這種情況?？傊瑐鹘y(tǒng)規(guī)劃方式的著眼點在于中長期規(guī)劃中的目標網(wǎng)架規(guī)劃，適用于新建區(qū)域和快速發(fā)展的電網(wǎng)。而對于已發(fā)展成型的城市建成區(qū)配電網(wǎng)，其重點是如何針對現(xiàn)狀進行優(yōu)化和近期規(guī)劃，需要探索新的、更好的規(guī)劃方式和方法。

供電能力的概念與傳統(tǒng)規(guī)劃方法最大的不同在于能夠在負荷未知的條件下，計算滿足N-1安全約束的配電網(wǎng)最大供電負荷，非常利于基于已知電網(wǎng)的分析和優(yōu)化。在配電自動化條件下，配電網(wǎng)將具備快速的網(wǎng)絡(luò)負荷轉(zhuǎn)供能力。通過合理優(yōu)化，已有電網(wǎng)完全具有在更高負載水平運行的巨大潛力。因此，在進行建成區(qū)配電網(wǎng)改造和規(guī)劃時，不能忽略網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和配電自動化帶來的供電能力的提升?；诖?，應(yīng)該優(yōu)先考慮利用已有網(wǎng)絡(luò)消納新增負荷，具體方法是校驗最大供電能力與負荷的匹配程度，既包括總體上的匹配，又包括各個變電站主變供電能力與負荷的匹配程度，若不能滿足前者則需要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)挖掘供電能力，若不能滿足后者則需調(diào)整負荷在變電站主變間的分布。調(diào)整負荷在變電站主變間分配的手段包括：優(yōu)先通過配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)來調(diào)整，其次通過改變新增負荷接入電網(wǎng)的位置來調(diào)整，最后通過改變饋線連接的母線來調(diào)整。此外，還可以通過新出饋線和線路切改來重新分配負荷。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中改變開關(guān)狀態(tài)將帶來負荷在不同變電站主變間的重新分布，應(yīng)優(yōu)先考慮，其次是裝設(shè)新的分段開關(guān)或改變分段開關(guān)的位置。