高可靠性配电网规划
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绪论

配电网是连接电源并向用户分配和供给电能的终端环节,在整个电力供应系统处于承上启下的关键地位。配电网的建设发展是否合理有序,在很大程度上取决于配电网规划方案是否合理可行。理论上,配电网规划就是在一定的约束条件下,为满足特定目标而形成的配电网资源优化配置方案。配电网规划的技术发展是与配电网自身的发展建设息息相关的。

我国的配电网建设在“十一五”之前相对迟滞。进入“十一五”后,随着全社会用电总量与负荷的不断攀升,电力行业进入了第一个快速发展阶段。但是由于发电总量不足,缺电情况较为严重,此时电力系统的发展建设总体呈现“重电源、重主网、轻配网”的格局,以生产、传输电能满足国民生产生活用电总量需求为首要目标。这一时期,配电网处于滞后并跟随用电需求的被动发展阶段,缺少统一的规划思路指导配电网发展建设,高可靠性配电网规划更是无从谈起。

这一情况持续到“十二五”时期才有所改观。进入“十二五”后,我国电力行业开始重视配电网的建设发展,也逐步加大了配电网的投资力度,力图扭转主、配网发展不协调的局面。这一时期,配电网处于相对高速的粗放式发展阶段。此时的配电网规划通常以满足用电需求为单一目标,且分析计算手段相对简单,所形成的规划方案往往关注解决眼前问题、满足当下需求。规划思路局限于单个电压等级的电网规划设计,缺少上下级电网之间的协调配合;同时缺少对分布式能源、多元负荷接入的统筹考虑。上述原因使得规划方案缺乏前瞻性和系统性,导致配电网频繁改造、重复建设的问题日益突出,投资效益下降。规划方案应对配电网持续、多元发展的适应性和拓展性也存在欠缺,难以应对负荷发展不确定性、分布式能源接入等一系列后续问题,陷入较为被动的尴尬局面。综上所述,“十二五”期间,配电网的建设发展仍处于量变阶段,尚未进入质变的阶段。规划理念不合理、规划方法不完善,严重影响到配电网的发展质量。单一目标的狭义规划成为制约配电网可靠性提升的重要短板。

电网企业作为向用户提供电力产品的主要供应商,在保证电力供应总量充足的前提下,也日益重视持续可靠的供电能力以及适应可持续发展的经济效益。因而在“十三五”期间,配电网建设思路从高速发展向高质量发展转变,逐步进入高质量、精益化的发展阶段。与之相对应的配电网规划也从狭义规划逐步过渡到多目标、多阶段、多维度的广义规划。

从规划目标层面来看,不同于单一目标的狭义规划,广义规划为多目标规划,是在满足供电需求的基础上以提高供电可靠性为核心任务,并兼顾配电网建设的经济效益。在时间发展层面上,广义规划更强调以目标网架为引领,综合考虑配电设备全寿命周期内的经济效益,开展以远期目标指导近期过渡方案的多阶段规划。在规划实体对象层面,广义规划考虑上下级电网协调配合、“源—网—荷—储”协调互动和一、二次系统的协调规划。

供电可靠率是衡量电网企业运营管理水平的关键性指标。在配电网的广义规划中,提高供电可靠性以实现高质量供电是需要重点关注的核心任务之一。对于电力系统而言,可靠性是指电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电能的能力量度。而影响供电可靠性的关联因素众多,涉及电网的网架结构、配电设备状态、配电自动化技术水平和电网企业运营管理水平等多个方面。

要实现配电网广义规划的高可靠性目标,首先要理清可靠性目标与影响因素之间的关联程度,即关联因素对于提高供电可靠性的贡献程度,进而才能以此为基础合理地配置各项资源。而在众多关联因素之中,配电网网架结构是决定供电可靠性水平区间的关键基础,即在一定程度上配电网网架结构就限定了供电可靠性的提升上限。如果网架结构不够坚强,那么从其他方面着手提升供电可靠性无异于沙上建塔。

其次,高可靠性的配电网规划适宜采取模块化的分析思路。对于规模庞大的配电网而言,如果开展全域范围内的全电压序列规划,将涉及繁杂的规划对象和诸多规划阶段。这将使得规划模型极其庞大,待规划的决策变量众多,分析计算过程极易陷入维数灾难,造成优化算法收敛困难,甚至无法收敛。而网格化规划的理念,在采用标准接线方式的前提下,可以按照网格划分原则,将大规模的配电网整体对象划分为多个相对独立、规模较小的规划单体。再以规划单体为对象建立规划模型,从而有效降低模型维度,待规划的决策变量也大为减少,进而大幅改善算法的收敛性能。考虑到配电网“闭环结构、简单联络、开环运行”的基本模式,网格内的每组标准接线在运行中将保持相对独立,所以这种化繁为简的分析思路也是符合配电网实际情况的。

再次,在规划边界条件确定的前提下,应该综合考虑网架的联络水平、负荷与主供电源之间的配电环节,以及主供电路径中设备故障后的相互影响等因素,以实现规划单体的可靠性最大化,并在综合考虑规划方案经济性、安全性的约束下实现高可靠性目标。基于模块化的思路,经济性、安全性约束可体现在边界条件的设定。根据规划区域的区域类型及负荷重要等级,区域边界条件可设定为采用4个独立电源或2个独立电源供电;在规划区域内部,接线方式可以根据标准接线方式的理论可靠性水平、供电能力来选择确定。联络位置和数量则根据可靠性提升效费比合理确定,盲目增加联络数量其可靠性提升效果有限,甚至可能出现联络低效、无效的情况。不但造成投资浪费,反而增加了运行风险,也不利于配电自动化系统的实施。

最后,规划方案都是由基本接线方式、一次设备配置方案、配电自动化及二次系统组网方式等基本规划组件构成的。每一类规划组件自身的可靠性水平和对整体可靠性指标的贡献程度都存在一个理论区间,换言之,可以将规划组件的可靠性水平视为其固有的特性。从这个角度出发,可以首先分析规划组件的可靠性水平,然后结合用户对供电可靠性的需求,在满足经济性约束的基础上,合理地选择相应的规划组件,最终得到满足需求的高可靠性规划方案。

总之,配电网的可靠性管控工作是一个系统化工程。电网企业的众多具体业务都可能对供电可靠性产生影响,比如规划设计、工程建设、运维检修、故障抢修等。在《中压配电网可靠性评估导则》中也明确指出:将可靠性评估融入配电网规划、设计、建设、改造、运行、检修等各生产环节,通过定量分析计算有效指导生产,实现配电网安全、效能和成本整体最优。而在配电网规划阶段就把供电可靠性问题计入在内,将为后续阶段的可靠性提升工作创造有利条件,从源头上开展可靠性的管控工作。

展望未来,包括电力电子技术、光电耦合技术、绿色能源应用技术、互联网+信息技术、物联网技术等现代科技的研究成果,将与传统的电力系统技术加速融合,使得传统配电网向现代化的配电系统逐步演变。随着冷热电多能源联供的综合能源系统、主动配电网、能源互联网、电力物联网等新兴事物的涌现,将对配电网的拓扑结构、运行规律等物理特性产生深远的影响。未来面向现代电力系统的高可靠性规划还需要做进一步的深化研究。