基于最大供電能力的智能配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行新思路

3.2配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)問(wèn)題

1)復(fù)雜互聯(lián)配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化近20年來(lái)中國(guó)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(wú)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(shì)。特別是城市電纜網(wǎng)中開(kāi)閉站、配電站間的聯(lián)絡(luò)通路越來(lái)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(gè)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(fù)荷轉(zhuǎn)帶路徑、提高運(yùn)行靈活性的同時(shí)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題。從運(yùn)行角度考慮，轉(zhuǎn)帶路徑過(guò)多會(huì)大大增加運(yùn)行方式的復(fù)雜性。

本文認(rèn)為聯(lián)絡(luò)對(duì)配電網(wǎng)架的作用是不同的，應(yīng)該評(píng)估聯(lián)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶能力的貢獻(xiàn)度并作為依據(jù)對(duì)現(xiàn)有聯(lián)絡(luò)區(qū)別對(duì)待，找到并明確區(qū)分負(fù)荷轉(zhuǎn)帶的主路徑和備用路徑，實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)分級(jí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的貢獻(xiàn)確實(shí)存在較大差異，很可能存在一定數(shù)量的“無(wú)效”聯(lián)絡(luò)。聯(lián)絡(luò)分級(jí)管理對(duì)運(yùn)行調(diào)度的好處在于簡(jiǎn)化運(yùn)行，縮減了正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)帶方式數(shù)量，同時(shí)還能提高反應(yīng)速度、降低誤操作的概率;對(duì)于維護(hù)的好處在于降低工作量，對(duì)于備用路徑在維護(hù)、巡視、檢修上可降低頻次和等級(jí)，將工作重點(diǎn)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(duì)于規(guī)劃方案也應(yīng)評(píng)估所有聯(lián)絡(luò)的作用，刪除無(wú)效聯(lián)絡(luò)，按照聯(lián)絡(luò)的有效度來(lái)確定建設(shè)的優(yōu)先次序，達(dá)到在不降低安全可靠和配電網(wǎng)負(fù)載率水平的前提下簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)省投資的效果。

在調(diào)度運(yùn)行研究領(lǐng)域中，目前對(duì)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(duì)于日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和越來(lái)越多的可選供電恢復(fù)路徑，一般采用啟發(fā)式規(guī)則來(lái)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(zhǎng)短作為衡量投資的標(biāo)準(zhǔn)，追求達(dá)到基于某種標(biāo)準(zhǔn)接線模式的最短路徑，但沒(méi)有對(duì)建設(shè)聯(lián)絡(luò)的必要性進(jìn)行考察，且未解決聯(lián)絡(luò)數(shù)量巨大時(shí)導(dǎo)致的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題。因此，有必要研究聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的作用機(jī)理。

2)配電網(wǎng)網(wǎng)架的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題規(guī)劃中為達(dá)到電網(wǎng)接線方式在一定程度上的統(tǒng)一并簡(jiǎn)化運(yùn)行，往往在同一地區(qū)采用幾種標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)架接線模式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。接線模式的標(biāo)準(zhǔn)化在配電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要的積極作用。中國(guó)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(wú)序、供電范圍不清晰、交叉供電等諸多問(wèn)題。近十幾年來(lái)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(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)接線模式的方向發(fā)展。

標(biāo)準(zhǔn)化的好處在于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰、運(yùn)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(wèn)題。本文認(rèn)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(lái)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(guò)下一級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)變電站的主變?nèi)萘亢团_(tái)數(shù)不完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，達(dá)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(duì)稱(chēng)的。而由于負(fù)荷分布的不均勻和變電站建設(shè)發(fā)展過(guò)程的歷史原因，一個(gè)區(qū)域的變電站主變配置在臺(tái)數(shù)和容量上往往存在不對(duì)稱(chēng)，而且線路通道的地理限制也增加了形成完全標(biāo)準(zhǔn)接線模式的難度。綜上所述，本文認(rèn)為一個(gè)地區(qū)的配電網(wǎng)不一定完全采取幾種標(biāo)準(zhǔn)接線模式建設(shè)，可以采取標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體選擇和改造的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題配電線路的導(dǎo)體選擇是規(guī)劃建設(shè)改造中的一個(gè)重要問(wèn)題，目前的規(guī)劃方法對(duì)于導(dǎo)體選擇采取了標(biāo)準(zhǔn)化的方式，如主干線路一律采取某種導(dǎo)線型號(hào)，分支線路又采取某種導(dǎo)線型號(hào)。這種做法適合新建電網(wǎng)，如果用到已有電網(wǎng)中，就會(huì)引起大量的導(dǎo)線改造升級(jí)。在很多的電網(wǎng)改造中，只要原有導(dǎo)線不符合標(biāo)準(zhǔn)要求就作為瓶頸線路，即使未過(guò)負(fù)荷和未到運(yùn)行年限也進(jìn)行統(tǒng)一更換，這不但增加了成本和浪費(fèi)已有的資源，而且增加了大量停電施工的時(shí)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(wèn)題更為嚴(yán)重，此時(shí)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(rèn)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(rèn)為，由于負(fù)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(duì)稱(chēng)，對(duì)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(yùn)行方式以及N-1運(yùn)行方式下能正常發(fā)揮電網(wǎng)供電能力的角度，量化計(jì)算每個(gè)聯(lián)絡(luò)通路的負(fù)荷轉(zhuǎn)移容量需求，做到對(duì)電網(wǎng)瓶頸線路的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)只對(duì)真正的瓶頸線路進(jìn)行導(dǎo)體改造，避免較大范圍的停電改造施工。

目前對(duì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(dòng)定位和改造決策方法是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

3.3配電自動(dòng)化投資效益問(wèn)題在智能電網(wǎng)背景下，配電自動(dòng)化在中國(guó)正獲得新一次大規(guī)模發(fā)展的機(jī)會(huì)。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(dòng)化或者高級(jí)配電自動(dòng)化都屬于廣義二次系統(tǒng)的范疇。通過(guò)二次系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，讓一次系統(tǒng)實(shí)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(jìn)二次系統(tǒng)的一次系統(tǒng)才能夠較充分地發(fā)揮效率?；谏鲜隼砟?，本文認(rèn)為大量的配電自動(dòng)化投資的經(jīng)濟(jì)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(jì)算并確保安全的前提下提高一次設(shè)備的負(fù)載率。一次系統(tǒng)不僅本身投資巨大，其占有的站點(diǎn)和地上、地下通道在城市地區(qū)都屬于珍貴資源。配電自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速負(fù)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(rèn)為，配電自動(dòng)化的大范圍實(shí)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(chǔ)、基本操作等基礎(chǔ)性問(wèn)題，然后再開(kāi)發(fā)新一代的安全高效配電調(diào)度系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的高負(fù)載率安全運(yùn)行。配電自動(dòng)化大量投資的主要經(jīng)濟(jì)效益將是通過(guò)一次系統(tǒng)的高效運(yùn)行從而減少電網(wǎng)建設(shè)投資來(lái)獲得的。

3.4配電網(wǎng)安全高效運(yùn)行問(wèn)題在配電自動(dòng)化普及的條件下，未來(lái)配電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的發(fā)展方向是安全、高效運(yùn)行。所謂高效就是前面討論智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)配用電信息化，使得互聯(lián)的配電網(wǎng)具備快速負(fù)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(fù)荷供應(yīng)能力，這為挖掘電網(wǎng)運(yùn)行的潛力提供了量化計(jì)算工具。實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的另一個(gè)前提是精確計(jì)算配電系統(tǒng)滿足N-1運(yùn)行的安全邊界，在調(diào)度運(yùn)行中實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行點(diǎn)與安全邊界距離。目前的配電調(diào)度系統(tǒng)尚不具備實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)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(lèi)似輸電系統(tǒng)的DyLiacco安全框架，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的安全監(jiān)視、報(bào)警、預(yù)防控制、緊急控制以及優(yōu)化功能。相對(duì)輸電系統(tǒng)，目前實(shí)際配電調(diào)度運(yùn)行還較為初級(jí)，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(yùn)行將發(fā)生大的變革。

利用配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)帶的一個(gè)不利因素是在變電站主變N-1運(yùn)行時(shí)通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷可能會(huì)大大增加操作的次數(shù)，但實(shí)際操作運(yùn)行中該問(wèn)題并不一定很?chē)?yán)重。這是因?yàn)樵谝?guī)劃中采用的是最大負(fù)荷，實(shí)際電網(wǎng)在很多時(shí)候負(fù)荷水平并不高，可以僅通過(guò)站內(nèi)轉(zhuǎn)帶就完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移;只有在N-1故障發(fā)生在負(fù)荷水平較高的情況下，才會(huì)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(shí)際運(yùn)行時(shí)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(dǎo)則規(guī)定的現(xiàn)狀分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等為主要步驟進(jìn)行的傳統(tǒng)規(guī)劃方式，在中國(guó)十幾年來(lái)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(fù)荷預(yù)測(cè)，然后在負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上來(lái)形成并校驗(yàn)規(guī)劃電網(wǎng)方案。其規(guī)劃結(jié)果受負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響很大，而負(fù)荷發(fā)展涉及因素非常多，存在不確定性，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(gè)子問(wèn)題。在變電站選址定容階段，通常采用容載比法來(lái)確定需要的變電容量，然后確定變電站主變配置時(shí)，在計(jì)及N-1安全原則時(shí)僅考慮變電站內(nèi)主變的相互支持，而忽略配電網(wǎng)中負(fù)荷互供的影響帶來(lái)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(lái)滿足新增負(fù)荷，將電網(wǎng)容載比控制在導(dǎo)則推薦范圍內(nèi)，結(jié)果導(dǎo)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(lái)越困難，傳統(tǒng)規(guī)劃方法也很難適應(yīng)這種情況?？傊?，傳統(tǒng)規(guī)劃方式的著眼點(diǎn)在于中長(zhǎng)期規(guī)劃中的目標(biāo)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(duì)于已發(fā)展成型的城市建成區(qū)配電網(wǎng)，其重點(diǎn)是如何針對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)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(fù)荷未知的條件下，計(jì)算滿足N-1安全約束的配電網(wǎng)最大供電負(fù)荷，非常利于基于已知電網(wǎng)的分析和優(yōu)化。在配電自動(dòng)化條件下，配電網(wǎng)將具備快速的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力。通過(guò)合理優(yōu)化，已有電網(wǎng)完全具有在更高負(fù)載水平運(yùn)行的巨大潛力。因此，在進(jìn)行建成區(qū)配電網(wǎng)改造和規(guī)劃時(shí)，不能忽略網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和配電自動(dòng)化帶來(lái)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(fù)荷，具體方法是校驗(yàn)最大供電能力與負(fù)荷的匹配程度，既包括總體上的匹配，又包括各個(gè)變電站主變供電能力與負(fù)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(fù)荷在變電站主變間的分布。調(diào)整負(fù)荷在變電站主變間分配的手段包括：優(yōu)先通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)來(lái)調(diào)整，其次通過(guò)改變新增負(fù)荷接入電網(wǎng)的位置來(lái)調(diào)整，最后通過(guò)改變饋線連接的母線來(lái)調(diào)整。此外，還可以通過(guò)新出饋線和線路切改來(lái)重新分配負(fù)荷。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)將帶來(lái)負(fù)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(kāi)關(guān)或改變分段開(kāi)關(guān)的位置。