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基于最大供电能力的智能配电网规划与运行新思路

发布时间:2020-07-21 17:23:47 阅读: 来源:木质纤维厂家

配电网是城市的基础设施,对城市供电安全具有重大影响。从投资规模上看,配电网投资增幅最快,未来趋势将逐步与发电、输电看齐;从可靠性角度,大部分影响可靠性的停电事故都在配电网;损耗最大的环节也在配电网。未来分布式能源和微电网的大量接入也在配电网,智能电网相对传统电网变革最大的环节也在配用电[1]。因此,配电的地位将逐步上升到与发输电相当的高度。中国经过十几年来大规模的城市电网建设,很多城市配电网得到了跨越式的发展,一些新的问题和挑战也逐步凸显出来。

本文引用地址:是否还需要继续大规模地建设电网及建设数量问题。中国城市配电网的容载比普遍较高(高于2.0),但可靠性水平并不高,而东京、香港、新加坡等城市的配电网在较低容载比(低于1.6)下实现了高可靠性,应该探究其原因。

2)国家电网公司新规划导则指出下级配电网较强时容载比可取低,但未提供量化计算依据。如何计算不同配电网的合理容载比范围、如何实现上下级电网的协调、除容载比外有无其他衡量电网建设水平更好的指标等问题仍需进一步探讨。

3)城市中很多区域的站点和线路通道资源已经非常紧张,能否在不新建变电站和配电网的情况下通过优化网架结构和运行方式消纳新增的负荷,需进一步研究。

4)目前配电网呈现联络日益增多、结构日益复杂的趋势。特别是城市电缆网大片区域相互联络,甚至有的地区整个中压配电网都“粘连”在一起。网络结构的复杂性在提高可靠性和灵活性的同时是否带来了新的运行维护问题、是否所有联络都是必要的、可否在不降低安全可靠和负载率水平的前提下简化网络结构等问题值得深思。

5)一个地区的配电网是否都应采取几种标准接线模式、网络接线模式选择与变电站主变压器(简称主变,下同)配置是否存在一定关系、是否在配电网改造中所有导线都需采用几种标准型号改造等问题值得进一步探讨。

6)在智能电网背景下,配电自动化在中国正获得新一次大规模发展的机会,除了提高可靠性和自动化水平外,配电自动化巨额投资的经济效益在哪里、是否能收回投资等问题都有必要加以研究。

7)按现状分析、负荷预测、变电站及网络规划等主要步骤进行的传统规划方式在中国十几年来的大规模城乡电网规划建设中发挥了重要作用。对于目前大量的建成区配电网规划能否照搬,是否需要存在新的、更好的规划方式需要深思。供电能力是近年来在配电网规划建设领域出现的一个非常重要的新指标,已在中国多个城市配电网建设改造实践中得到应用,近年来供电能力理论研究也取得了进展。本文基于供电能力理论,针对上述配电网规划建设和运行中的问题和挑战,从一个新的角度探讨配电网规划和运行的新思路。

1智能配电网的快速网络转供能力

智能电网对配电网的改变将是非常显著的,本文认为,快速网络转供能力是未来智能配电网的一个非常重要的新边界条件。以下详细讨论。

虽然中国城市配电网普遍实现了联络,互联网架结构已能提供负荷在变电站间转移的通道,但是长期以来大部分中压配电网络的自动化程度仍然很低,配电网络的开关操作需要派操作队到现场人工完成,耗时往往超过30min,甚至更多,如此长时间的操作停电是用户无法接受的;而变电站内普遍都具有综合自动化系统,一旦发生变电站主变N-1故障,负荷应能够快速切换到同一变电站内的其他主变,使用户连续供电能够得到保证。可见,目前中压配电网络转带负荷与变电站内转带负荷在时间上是无法比拟的。因此在实际电网运行中,当发生主变故障时只考虑变电站内主变间的负荷切换,并不通过中压配电网在变电站间转带负荷。变电站主变负载率的安全控制指标也由N-1安全性导则来简单确定,例如在考虑主变1.3倍短时过负荷能力条件下,2台主变的变电站最大负载率应控制为0.65。此时,N-1安全问题退化为单个变电站站内主变互带的简单问题,即最大负荷应不超过单台主变退出时的其他主变总的最大负载能力。这种变电站“各自为战”的结果限制了整个区域配电网的供电能力。

目前中国少数实现配电自动化试点的中压配电网,由于其涉及范围较小,因此,它的功能一般体现在馈线自动化上,即重点在馈线上发生故障后的故障隔离和停电恢复策略上,相关理论研究也集中在该问题上。随着智能电网背景下配电自动化的重新启动,配电系统的安全性与系统利用率正逐步开始成为研究者的关注点。

但是,目前中国配电系统运行中还一直没有能真正实现变电站供电能力与配电网负荷转移供电能力的相互支撑,未来智能配电网中是否能够实现,以及主变满足N-1的负载率标准是否能够突破导则规定,将成为发掘配电网供电潜力的关键。未来的智能电网将发展高级配电网运行(ADO)系统,实现配用电系统较充分的信息化和自动化,可以通过新型传感器和通信手段获取广大中低压配电网的大量实时信息,具有遥控功能的智能开关设备将广泛使用,配电自动化使得网络转供操作能够在短时间(分钟级或更短时间)内完成。这为

配电网的安全高效运行提供了新的边界条件。本文认为,在此新边界条件下,负荷可以被配电网快速转带,变电站主变发生N-1故障时,不但可以通过站内其他主变转带负荷,而且可以通过下一级配电网转移负荷到其他变电站。已较普遍实现配电自动化的日本已有这样的操作运行方式。因此,未来变电站最大负载率可以超越传统导则规定,在满足安全边界前提下得到显著提高。新版国家电网规划导则中新增“下级电网强时容载比可取低”的指导性意见完全可以变成现实。

总之,这种高级配电自动化下快速的负荷网络转供能力是智能电网背景下的配电网运行的新边界条件,为智能配电网的资产效率提高奠定了基础。近年来出现的配电系统供电能力理论能够有效地计及该边界条件。

2智能配电网的供电能力理论

配电系统的最大供电能力(totalsupplycapability,TSC)是与输电系统中的最大传输能力(TTC)类似的概念。最大供电能力是指在一定供电区域内配电网满足N-1准则条件下,同时计及变电站站内主变与配电网络转供能力,以及实际运行约束情况下的最大的负荷供应能力。

配电网供电能力的理论研究经历了3个阶段。

阶段1是以变电容量评估配电系统供电能力阶段,如容载比法,该阶段没有详细考虑变电站下级配电网络对供电能力的作用。

阶段2是计算网络供电能力阶段,如最大负荷倍数法、负荷能力法(loadability)。该阶段方法在考查变电站变电容量的同时,也提出了网络转供能力的思想。负荷能力法基于配电网辐射运行,计算满足支路潮流和节点电压约束时的最大负荷能力,以及大规模联络配电网中N-1故障发生后的网络负荷转供。

阶段3是供电能力精确理论建模阶段,能够在N-1准则下同时计及变电站与网络转供能力计算供电能力。近2年来,供电能力的理论研究进展初步解决了配电网供电能力的指标族定义、建模和求解问题,能够在负荷未知的条件下,量化计算满足运行约束的配电网最大供电负荷。

供电能力理论能够有效地将网络的负荷转移能力和变电站站内的供电能力结合起来,利用其概念和指标,能够从整个配电网角度对配电网进行分析评估,为更精细的规划提供新的指标和方法。供电能力对于配电网的重要作用将逐步等同于输电能力对于输电网的作用。供电能力理论研究为未来的配电网规划建设发展和运行提供了新的理论工具,以下将对目前中国配电网规划建设和运行面临的一些问题进行探讨。

3问题探讨与新理念

3.1配电网规划建设的效率及容载比问题

中国很多城市电网经历了大规模建设改造,对于是否还需要大规模地建设电网以及建多少的问题,本文认为负荷已结束快速发展阶段、容载比已达到2.0及以上的区域、已形成互联网架结构的配电网不应再大规模建设。

目前配电网中广泛存在负载不均衡的问题,即部分电网负载率过高,而其他很多区域电网负载率过低的情况。本文认为负荷在地理位置上的分布很难改变,但是负荷在配电网络结构中接入的位置是可以在相当大程度上再调整和优化的。配电网负荷可以通过配电网络开关的运行方式改变、架空线分段联络设置位置的改变、新用户接入网络位置的选择等,改变其在变电站、主变、馈线间的分配。通过上述措施能够进一步优化变电站及主变供电范围,解决负载不均衡的问题。当上述负荷重新分配的措施不能完全达到效果时,才考虑新增出线、变电站增容,最后考虑新建变电站。

对于容载比与配电网网架结构存在何种本质关系的问题,国家电网新规划导则(2006年版)的修订版指出下级电网强时容载比可取低,但未提供量化计算依据。对于如何计算不同配电网的合理容载比范围的问题,本文认为当变电站主变容量资源和下一级配电网络负荷转移资源能充分结合、相互支撑时,保证N-1安全的容载比就能够降低到2.0以下。供电能力理论为容载比分析提供了量化计算手段,本文初步研究结果认为容载比理论值能够降低到1.3左右,考虑一定裕量后的实际值应该控制在1.5到1.6。

城市建成区用地紧张,变电站和馈线占地成本高,有些中心区域站点和线路通道资源已经非常紧张,获得新变电站的站址和新出馈线的地下通道已变得非常困难。因此,对于现有电网的供电能力和能够优化后的潜力到底有多大,能否在不新建或少建变电站和馈线的情况下,通过优化网架结构和运行方式消纳新增的负荷等问题,本文认为,采用负荷再分配技术和联络优化技术能在不新建变电站和新出馈线的情况下消纳新增负荷,并且消纳负荷的潜力非常可观。例如:网络联络是影响TSC的一个关键因素,联络优化是在不增加变电容量的条件下挖掘网络供电潜力的有效手段[13]。研究表明,联络对电网供电能力的贡献理论上能够达到30%~50%。近年来,电网规划中普遍关心的上下级电网的协调配合也是提高电网效率的一个有效手段。由于变电站是上下级电网的枢纽,因此上下级电网的协调首先是变电站与下一级网络的相互协调配合,在此基础上再进一步做到上一级电网与下一级电网的相互协调配合,从而实现跨电压等级的N-1校验和相互支撑。

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