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

配電網(wǎng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，對城市供電安全具有重大影響。從投資規(guī)模上看，配電網(wǎng)投資增幅最快，未來趨勢將逐步與發(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(jié)也在配電網(wǎng)。未來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(tǒng)電網(wǎng)變革最大的環(huán)節(jié)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(dāng)?shù)母叨取Ｖ袊?jīng)過十幾年來大規(guī)模的城市電網(wǎng)建設(shè)，很多城市配電網(wǎng)得到了跨越式的發(fā)展，一些新的問題和挑戰(zhàn)也逐步凸顯出來。

1)是否還需要繼續(xù)大規(guī)模地建設(shè)電網(wǎng)及建設(shè)數(shù)量問題。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(xiàn)了高可靠性，應(yīng)該探究其原因。

2)國家電網(wǎng)公司新規(guī)劃導(dǎo)則指出下級配電網(wǎng)較強(qiáng)時(shí)容載比可取低，但未提供量化計(jì)算依據(jù)。如何計(jì)算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍、如何實(shí)現(xiàn)上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)、除容載比外有無其他衡量電網(wǎng)建設(shè)水平更好的指標(biāo)等問題仍需進(jìn)一步探討。

3)城市中很多區(qū)域的站點(diǎn)和線路通道資源已經(jīng)非常緊張，能否在不新建變電站和配電網(wǎng)的情況下通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式消納新增的負(fù)荷，需進(jìn)一步研究。

4)目前配電網(wǎng)呈現(xiàn)聯(lián)絡(luò)日益增多、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的趨勢。特別是城市電纜網(wǎng)大片區(qū)域相互聯(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。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性在提高可靠性和靈活性的同時(shí)是否帶來了新的運(yùn)行維護(hù)問題、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(fù)載率水平的前提下簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等問題值得深思。

5)一個(gè)地區(qū)的配電網(wǎng)是否都應(yīng)采取幾種標(biāo)準(zhǔn)接線模式、網(wǎng)絡(luò)接線模式選擇與變電站主變壓器(簡稱主變，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(dǎo)線都需采用幾種標(biāo)準(zhǔn)型號改造等問題值得進(jìn)一步探討。

6)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(jī)會，除了提高可靠性和自動化水平外，配電自動化巨額投資的經(jīng)濟(jì)效益在哪里、是否能收回投資等問題都有必要加以研究。

7)按現(xiàn)狀分析、負(fù)荷預(yù)測、變電站及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等主要步驟進(jìn)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。對于目前大量的建成區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃能否照搬，是否需要存在新的、更好的規(guī)劃方式需要深思。供電能力是近年來在配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)非常重要的新指標(biāo)，已在中國多個(gè)城市配電網(wǎng)建設(shè)改造實(shí)踐中得到應(yīng)用，近年來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(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行中的問題和挑戰(zhàn)，從一個(gè)新的角度探討配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的新思路。

1智能配電網(wǎng)的快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力

智能電網(wǎng)對配電網(wǎng)的改變將是非常顯著的，本文認(rèn)為，快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力是未來智能配電網(wǎng)的一個(gè)非常重要的新邊界條件。以下詳細(xì)討論。

雖然中國城市配電網(wǎng)普遍實(shí)現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已能提供負(fù)荷在變電站間轉(zhuǎn)移的通道，但是長期以來大部分中壓配電網(wǎng)絡(luò)的自動化程度仍然很低，配電網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)操作需要派操作隊(duì)到現(xiàn)場人工完成，耗時(shí)往往超過30min，甚至更多，如此長時(shí)間的操作停電是用戶無法接受的;而變電站內(nèi)普遍都具有綜合自動化系統(tǒng)，一旦發(fā)生變電站主變N-1故障，負(fù)荷應(yīng)能夠快速切換到同一變電站內(nèi)的其他主變，使用戶連續(xù)供電能夠得到保證?？梢?，目前中壓配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷與變電站內(nèi)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷在時(shí)間上是無法比擬的。因此在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生主變故障時(shí)只考慮變電站內(nèi)主變間的負(fù)荷切換，并不通過中壓配電網(wǎng)在變電站間轉(zhuǎn)帶負(fù)荷。變電站主變負(fù)載率的安全控制指標(biāo)也由N-1安全性導(dǎo)則來簡單確定，例如在考慮主變1.3倍短時(shí)過負(fù)荷能力條件下，2臺主變的變電站最大負(fù)載率應(yīng)控制為0.65。此時(shí)，N-1安全問題退化為單個(gè)變電站站內(nèi)主變互帶的簡單問題，即最大負(fù)荷應(yīng)不超過單臺主變退出時(shí)的其他主變總的最大負(fù)載能力。這種變電站“各自為戰(zhàn)”的結(jié)果限制了整個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)的供電能力。

目前中國少數(shù)實(shí)現(xiàn)配電自動化試點(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(xiàn)在饋線自動化上，即重點(diǎn)在饋線上發(fā)生故障后的故障隔離和停電恢復(fù)策略上，相關(guān)理論研究也集中在該問題上。隨著智能電網(wǎng)背景下配電自動化的重新啟動，配電系統(tǒng)的安全性與系統(tǒng)利用率正逐步開始成為研究者的關(guān)注點(diǎn)。

但是，目前中國配電系統(tǒng)運(yùn)行中還一直沒有能真正實(shí)現(xiàn)變電站供電能力與配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移供電能力的相互支撐，未來智能配電網(wǎng)中是否能夠?qū)崿F(xiàn)，以及主變滿足N-1的負(fù)載率標(biāo)準(zhǔn)是否能夠突破導(dǎo)則規(guī)定，將成為發(fā)掘配電網(wǎng)供電潛力的關(guān)鍵。未來的智能電網(wǎng)將發(fā)展高級配電網(wǎng)運(yùn)行(ADO)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配用電系統(tǒng)較充分的信息化和自動化，可以通過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關(guān)設(shè)備將廣泛使用，配電自動化使得網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供操作能夠在短時(shí)間(分鐘級或更短時(shí)間)內(nèi)完成。這為

配電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行提供了新的邊界條件。本文認(rèn)為，在此新邊界條件下，負(fù)荷可以被配電網(wǎng)快速轉(zhuǎn)帶，變電站主變發(fā)生N-1故障時(shí)，不但可以通過站內(nèi)其他主變轉(zhuǎn)帶負(fù)荷，而且可以通過下一級配電網(wǎng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷到其他變電站。已較普遍實(shí)現(xiàn)配電自動化的日本已有這樣的操作運(yùn)行方式。因此，未來變電站最大負(fù)載率可以超越傳統(tǒng)導(dǎo)則規(guī)定，在滿足安全邊界前提下得到顯著提高。新版國家電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則中新增“下級電網(wǎng)強(qiáng)時(shí)容載比可取低”的指導(dǎo)性意見完全可以變成現(xiàn)實(shí)。

總之，這種高級配電自動化下快速的負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力是智能電網(wǎng)背景下的配電網(wǎng)運(yùn)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(chǔ)。近年來出現(xiàn)的配電系統(tǒng)供電能力理論能夠有效地計(jì)及該邊界條件。

2智能配電網(wǎng)的供電能力理論

配電系統(tǒng)的最大供電能力(totalsupplycapability，TSC)是與輸電系統(tǒng)中的最大傳輸能力(TTC)類似的概念。最大供電能力是指在一定供電區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)滿足N-1準(zhǔn)則條件下，同時(shí)計(jì)及變電站站內(nèi)主變與配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力，以及實(shí)際運(yùn)行約束情況下的最大的負(fù)荷供應(yīng)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(tǒng)供電能力階段，如容載比法，該階段沒有詳細(xì)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(jì)算網(wǎng)絡(luò)供電能力階段，如最大負(fù)荷倍數(shù)法、負(fù)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(zhuǎn)供能力的思想。負(fù)荷能力法基于配電網(wǎng)輻射運(yùn)行，計(jì)算滿足支路潮流和節(jié)點(diǎn)電壓約束時(shí)的最大負(fù)荷能力，以及大規(guī)模聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)中N-1故障發(fā)生后的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

階段3是供電能力精確理論建模階段，能夠在N-1準(zhǔn)則下同時(shí)計(jì)及變電站與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力計(jì)算供電能力。近2年來，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(biāo)族定義、建模和求解問題，能夠在負(fù)荷未知的條件下，量化計(jì)算滿足運(yùn)行約束的配電網(wǎng)最大供電負(fù)荷。

供電能力理論能夠有效地將網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力和變電站站內(nèi)的供電能力結(jié)合起來，利用其概念和指標(biāo)，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(xì)的規(guī)劃提供新的指標(biāo)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的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)發(fā)展和運(yùn)行提供了新的理論工具，以下將對目前中國配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行面臨的一些問題進(jìn)行探討。

3問題探討與新理念

3.1配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的效率及容載比問題

中國很多城市電網(wǎng)經(jīng)歷了大規(guī)模建設(shè)改造，對于是否還需要大規(guī)模地建設(shè)電網(wǎng)以及建多少的問題，本文認(rèn)為負(fù)荷已結(jié)束快速發(fā)展階段、容載比已達(dá)到2.0及以上的區(qū)域、已形成互聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)不應(yīng)再大規(guī)模建設(shè)。

目前配電網(wǎng)中廣泛存在負(fù)載不均衡的問題，即部分電網(wǎng)負(fù)載率過高，而其他很多區(qū)域電網(wǎng)負(fù)載率過低的情況。本文認(rèn)為負(fù)荷在地理位置上的分布很難改變，但是負(fù)荷在配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中接入的位置是可以在相當(dāng)大程度上再調(diào)整和優(yōu)化的。配電網(wǎng)負(fù)荷可以通過配電網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的運(yùn)行方式改變、架空線分段聯(lián)絡(luò)設(shè)置位置的改變、新用戶接入網(wǎng)絡(luò)位置的選擇等，改變其在變電站、主變、饋線間的分配。通過上述措施能夠進(jìn)一步優(yōu)化變電站及主變供電范圍，解決負(fù)載不均衡的問題。當(dāng)上述負(fù)荷重新分配的措施不能完全達(dá)到效果時(shí)，才考慮新增出線、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(jié)構(gòu)存在何種本質(zhì)關(guān)系的問題，國家電網(wǎng)新規(guī)劃導(dǎo)則(2006年版)的修訂版指出下級電網(wǎng)強(qiáng)時(shí)容載比可取低，但未提供量化計(jì)算依據(jù)。對于如何計(jì)算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍的問題，本文認(rèn)為當(dāng)變電站主變?nèi)萘抠Y源和下一級配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移資源能充分結(jié)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(jì)算手段，本文初步研究結(jié)果認(rèn)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(yīng)該控制在1.5到1.6。

城市建成區(qū)用地緊張，變電站和饋線占地成本高，有些中心區(qū)域站點(diǎn)和線路通道資源已經(jīng)非常緊張，獲得新變電站的站址和新出饋線的地下通道已變得非常困難。因此，對于現(xiàn)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的情況下，通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式消納新增的負(fù)荷等問題，本文認(rèn)為，采用負(fù)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的情況下消納新增負(fù)荷，并且消納負(fù)荷的潛力非常可觀。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(xiàn)理論上能夠達(dá)到30%～50%。近年來，電網(wǎng)規(guī)劃中普遍關(guān)心的上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)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(diào)首先是變電站與下一級網(wǎng)絡(luò)的相互協(xié)調(diào)配合，在此基礎(chǔ)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(diào)配合，從而實(shí)現(xiàn)跨電壓等級的N-1校驗(yàn)和相互支撐。

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(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)，也帶來了新的問題。從運(yùn)行角度考慮，轉(zhuǎn)帶路徑過多會大大增加運(yùn)行方式的復(fù)雜性。

本文認(rèn)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(xiàn)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(fù)荷轉(zhuǎn)帶的主路徑和備用路徑，實(shí)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(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“無效”聯(lián)絡(luò)。聯(lián)絡(luò)分級管理對運(yùn)行調(diào)度的好處在于簡化運(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;對于維護(hù)的好處在于降低工作量，對于備用路徑在維護(hù)、巡視、檢修上可降低頻次和等級，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(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(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，但沒有對建設(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)雜問題。因此，有必要研究聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)對網(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(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(shí)，達(dá)到區(qū)域配電網(wǎng)最大供電能力的網(wǎng)絡(luò)接線模式也不是對稱的。而由于負(fù)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(gè)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(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)重要問題，目前的規(guī)劃方法對于導(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，分支線路又采取某種導(dǎo)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(dǎo)線改造升級。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(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，做到對電網(wǎng)瓶頸線路的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)只對真正的瓶頸線路進(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(yàn)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(gè)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(jī)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(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。基于上述理念，本文認(rèn)為大量的配電自動化投資的經(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、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(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的高負(fù)載率安全運(yùn)行。配電自動化大量投資的主要經(jīng)濟(jì)效益將是通過一次系統(tǒng)的高效運(yùn)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(yùn)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(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。相對輸電系統(tǒng)，目前實(shí)際配電調(diào)度運(yùn)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(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)通過配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷可能會大大增加操作的次數(shù)，但實(shí)際操作運(yùn)行中該問題并不一定很嚴(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、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(fù)荷預(yù)測，然后在負(fù)荷預(yù)測結(jié)果基礎(chǔ)上來形成并校驗(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(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(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(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)先通過配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)來調(diào)整，其次通過改變新增負(fù)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(fù)荷。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中改變開關(guān)狀態(tài)將帶來負(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)新的分段開關(guān)或改變分段開關(guān)的位置。

4.2基于供電能力的規(guī)劃案例

圖1案例配電網(wǎng)基本情況如下：110kV變電站3座(分別記為S1，S2，S3)，總?cè)萘?40MVA，現(xiàn)狀負(fù)荷128MVA，容載比1.875。規(guī)劃總負(fù)荷188MVA。新增負(fù)荷共60MVA，位置見圖中黑點(diǎn)，用L1至L7表示，其中，L1至L4各新增負(fù)荷6MVA，L5至L7各新增負(fù)荷12MVA。

圖1傳統(tǒng)規(guī)劃方案

若采用傳統(tǒng)規(guī)劃方式，則按導(dǎo)則確定規(guī)劃電網(wǎng)容載比達(dá)2.0左右，需新增變電容量120MVA，因此根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)的主變配置情況，需新建1座3×40MVA的變電站(記為S4)。經(jīng)過變電站選址規(guī)劃，并對出線進(jìn)行新建和改造，得到規(guī)劃方案如圖1中虛線所示。

若采用基于供電能力的規(guī)劃，首先計(jì)算得到該配電網(wǎng)當(dāng)前TSC為180MVA，小于規(guī)劃負(fù)荷總量188MVA，但是其達(dá)到充分聯(lián)絡(luò)的TSC為252MVA，大于實(shí)際負(fù)荷總量，即該電網(wǎng)可以通過新出饋線或者切改已有線路來重新分配負(fù)荷以滿足規(guī)劃負(fù)荷要求，而無需新增變電站。由此得到的規(guī)劃方案如圖2所示，其中點(diǎn)線為切改線路;規(guī)劃后該配電網(wǎng)TSC為200MVA，滿足了規(guī)劃負(fù)荷要求。

圖2基于供電能力的規(guī)劃方案

Fig.2ResultsofTSC-basedplanning

傳統(tǒng)規(guī)劃方法與基于供電能力規(guī)劃方法結(jié)果對比如表1所示。

表1傳統(tǒng)規(guī)劃和本文規(guī)劃方案對比

Table1Comparisonsbetweentraditional

methodandproposedmethod

由表1可看出，傳統(tǒng)規(guī)劃方案中新增了1座變電站，同時(shí)新建和改造出線也較多，建設(shè)成本較大。而按照基于供電能力的規(guī)劃方法，在原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，僅通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整和負(fù)荷重新分配，利用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶來的網(wǎng)絡(luò)供電能力，就能夠消納新增負(fù)荷，滿足未來負(fù)荷增長需求。但是，如果新增負(fù)荷量較大，當(dāng)總規(guī)劃負(fù)荷大于252MVA時(shí)，則必須考慮新增1座變電站滿足負(fù)荷需求。

從案例對比可以總結(jié)出基于供電能力的新規(guī)劃方式，其核心在于以下2點(diǎn)：①基于現(xiàn)有電網(wǎng)優(yōu)化其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、發(fā)掘其供電潛力;②通過優(yōu)化負(fù)荷在電網(wǎng)中的分布達(dá)到電網(wǎng)供電能力與負(fù)荷的更好匹配?；诠╇娔芰Φ囊?guī)劃與傳統(tǒng)規(guī)劃的最大區(qū)別在于新的規(guī)劃理念，傳統(tǒng)規(guī)劃立足于優(yōu)先考慮新增變電站容量然后布局網(wǎng)絡(luò);基于供電能力的規(guī)劃則立足于優(yōu)先利用已有網(wǎng)絡(luò)消納新增負(fù)荷，然后再考慮新增變電容量。傳統(tǒng)規(guī)劃更適合于負(fù)荷快速增長、電網(wǎng)快速發(fā)展的場景;基于供電能力的規(guī)劃則更適合于負(fù)荷發(fā)展緩慢、電網(wǎng)相對成熟的場景。這種新的規(guī)劃方式能夠有效推遲電網(wǎng)建設(shè)，解決大部分城區(qū)面臨的站址和線路走廊緊張以及資產(chǎn)利用率低的問題，節(jié)省大量電網(wǎng)建設(shè)投資。

需要指出，最大供電能力方法的應(yīng)用必須建立在配電網(wǎng)絡(luò)能夠快速轉(zhuǎn)移負(fù)荷的基礎(chǔ)上，因此對于網(wǎng)架及自動化設(shè)備配置等都有其要求。首先，從網(wǎng)架上需要具備互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這一條件隨著中國大規(guī)模的城市配電網(wǎng)建設(shè)改造的完成已基本具備;其次，最大供電能力還需建立在普及配電自動化的基礎(chǔ)上，大量的網(wǎng)絡(luò)開關(guān)都需要具備遠(yuǎn)程信息采集和操作功能，未來智能電網(wǎng)的發(fā)展將逐步具備這一條件。最后，新一代配電調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)也是最大供電能力發(fā)揮的一個(gè)必要條件。

5結(jié)語

本文探討了配電系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)乃至運(yùn)行中面臨和即將面臨的諸多重要問題，其要點(diǎn)總結(jié)如下。

1)快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力是未來智能配電系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的新邊界條件，計(jì)及該條件的供電能力理論是挖掘配電系統(tǒng)供電潛力的方法工具。

2)配電網(wǎng)經(jīng)歷大規(guī)模建設(shè)發(fā)展后應(yīng)該精細(xì)化規(guī)劃建設(shè)，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化挖掘其供電潛力。通過合理優(yōu)化，已有電網(wǎng)具有在更高負(fù)載水平運(yùn)行的巨大潛力。改造和規(guī)劃應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和配電自動化帶來的供電能力提升。

3)二次自動化投資效益在于一次系統(tǒng)及其占有的城市資源的能量釋放，這是大規(guī)模配電自動化的一個(gè)主要經(jīng)濟(jì)效益所在。

4)傳統(tǒng)規(guī)劃立足于優(yōu)先考慮新增變電站容量然后布局網(wǎng)絡(luò)，適用于負(fù)荷快速增長、電網(wǎng)快速發(fā)展的場景;基于供電能力的規(guī)劃立足于優(yōu)先利用已有網(wǎng)絡(luò)消納新增負(fù)荷，適用于負(fù)荷發(fā)展緩慢的成熟電網(wǎng)。

5)復(fù)雜互聯(lián)配電網(wǎng)存在簡化的空間，聯(lián)絡(luò)對配電網(wǎng)架的作用不同，應(yīng)區(qū)別對待并明確區(qū)分負(fù)荷轉(zhuǎn)帶主路徑和備用路徑，運(yùn)行維護(hù)中實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)路徑的分級管理。

6)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模式和導(dǎo)體選擇應(yīng)做到標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性特點(diǎn)的折中統(tǒng)一，從而避免過量的改造。

7)新一代面向智能配電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)的發(fā)展方向是建立起安全框架，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，達(dá)到安全、高效運(yùn)行的目標(biāo)。

總之，本文從一個(gè)新的角度給出了目前中國配電網(wǎng)發(fā)展中的問題解答，提出了配電網(wǎng)高效規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行的理念，以及基于供電能力優(yōu)化消納新增負(fù)荷的新型規(guī)劃方式。本文工作是對未來配電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃和運(yùn)行新模式的初步探索，并為相關(guān)研究提供了新方向。