李 華,金世鑫,蘆思晨,張曉天,趙 琳
(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110015; 2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110006)
遼寧是我國(guó)的工業(yè)大省,冶金業(yè)、石化業(yè)、裝備制造業(yè)等各個(gè)行業(yè)在“十三五”期間將面臨新的發(fā)展。工業(yè)大用戶的發(fā)展方向體現(xiàn)了宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)政策、地區(qū)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地區(qū)階段性的資源優(yōu)勢(shì)等,并且工業(yè)大用戶具有負(fù)荷特性復(fù)雜、用電可靠性要求高、對(duì)電網(wǎng)的沖擊大等特點(diǎn)[1],當(dāng)某一時(shí)期,地區(qū)某工業(yè)用戶受經(jīng)濟(jì)政策等影響負(fù)荷發(fā)展較快甚至已經(jīng)大大超過(guò)原地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)值時(shí),用戶的接入系統(tǒng)工作會(huì)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn),需要計(jì)算系統(tǒng)在當(dāng)前方式、負(fù)荷水平下,還能承受供電能力的大小,確保該用戶接入系統(tǒng)供電后,系統(tǒng)依然能安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 這類用戶的接入,會(huì)對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃方案帶來(lái)巨大的影響,甚至給地區(qū)網(wǎng)架發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)顛覆性變化。因此研究面向工業(yè)大用戶接網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃新方法具有重要意義。
目前,對(duì)工業(yè)大用戶接網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)的多方面的影響已得到了一定的研究。文獻(xiàn)[2]提出了基于大用戶報(bào)裝的一種中長(zhǎng)期城市負(fù)荷預(yù)測(cè)方法;文獻(xiàn)[3]提出了結(jié)合使用小波變換與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋼鐵企業(yè)進(jìn)行短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的算法;文獻(xiàn)[4]提出一種基于變權(quán)綜合模糊推理的多模型綜合預(yù)測(cè)方法,對(duì)大用戶的短期電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[5]針對(duì)220 kV 分區(qū)電網(wǎng)的兩種典型結(jié)構(gòu)模式利用基本電路理論建立短路電流模型,在此基礎(chǔ)上論述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)短路電流水平及受電能力的影響;文獻(xiàn)[6]引入了基于支路開(kāi)斷分布因子的N-1預(yù)想事故分析方法,并采用差異進(jìn)化算法來(lái)求取地區(qū)電力系統(tǒng)最大供電能力;文獻(xiàn)[7]提出一種精確求解區(qū)間負(fù)荷下系統(tǒng)最小切負(fù)荷量區(qū)間數(shù)表示的區(qū)間最小切負(fù)荷計(jì)算方法。文獻(xiàn)[8]提出了短路電流限制措施,對(duì)其限流效果和所引起的供電能力問(wèn)題進(jìn)行了研究。目前關(guān)于面向工業(yè)大用戶接網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃方法研究的文獻(xiàn)尚不多見(jiàn),本文將結(jié)合實(shí)際案例重點(diǎn)研究大用戶接網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題,提出解決問(wèn)題的方法,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出便于大用戶接網(wǎng)新的電網(wǎng)規(guī)劃方法,提高地區(qū)電網(wǎng)的適應(yīng)性,為科學(xué)、全面、規(guī)范、合理地做好大負(fù)荷用戶系統(tǒng)接入工作提供支持。
根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)定,各行各業(yè)的大用戶是電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期負(fù)荷增長(zhǎng)的主要組成部分,容量超過(guò)一定范圍的大用戶在建設(shè)之前需要向有關(guān)部門進(jìn)行計(jì)劃報(bào)裝,為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大用戶負(fù)荷,需要通過(guò)對(duì)大用戶的報(bào)裝、建設(shè)及投產(chǎn)等多個(gè)階段進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)分析,具體方法流程如圖1所示。
圖1 大用戶特性分析流程圖
大用戶負(fù)荷增長(zhǎng)量和其他中小負(fù)荷增長(zhǎng)量共同組成城市電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)量,所以本文的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型根據(jù)兩種負(fù)荷類型各自特點(diǎn)分別考慮。
a. 大用戶負(fù)荷增長(zhǎng)量
式(1)為第k種類型中第j個(gè)階段所有大用戶負(fù)荷增長(zhǎng)量。
(1)
(2)
式中:BLj為城市m類大用戶負(fù)荷第j個(gè)階段的增長(zhǎng)量。
b. 中小負(fù)荷增長(zhǎng)量
中小負(fù)荷數(shù)量龐大,增長(zhǎng)規(guī)律復(fù)雜,無(wú)法進(jìn)行單項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。因此,建議采用自然增長(zhǎng)率的方法,從總體上對(duì)中小負(fù)荷增長(zhǎng)量建模。
MLi=μ·Di-1
(3)
式中:MLi為未來(lái)第i年城市中小負(fù)荷增長(zhǎng)量;μ為城市中小負(fù)荷自然增長(zhǎng)系數(shù);Di-1為第i-1年城市負(fù)荷總量。
基于大用戶報(bào)裝的中長(zhǎng)期城市負(fù)荷預(yù)測(cè)模型如式(4)所示:
Di=BLj+MLi
(4)
供電能力可以反映電網(wǎng)安全性和可靠性裕度,為電網(wǎng)規(guī)劃提供參考和依據(jù)。本文中地區(qū)指電力系統(tǒng)的分區(qū),分區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷由500 kV主變和接入220 kV分區(qū)電網(wǎng)的地方電源共同供電,一個(gè)地區(qū)中可能同時(shí)包含多個(gè)500 kV供電片區(qū)。
分區(qū)電網(wǎng)受電能力取決于與該地區(qū)聯(lián)系的500 kV輸電線路、500 kV變電站的配置情況、500 kV變電站的開(kāi)關(guān)遮斷容量、該地區(qū)內(nèi)的220 kV輸電線路、分區(qū)電網(wǎng)的電源容量和分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素。提高地區(qū)供電能力過(guò)程就是在分區(qū)內(nèi)之間對(duì)系統(tǒng)可用資源進(jìn)行最優(yōu)分配的過(guò)程。
500 kV主變N-1后其余主變按過(guò)載1.3倍考慮,發(fā)電機(jī)備用容量按20%考慮,分區(qū)供電能力可按式(5)表示:
(5)
式中:Ci為地區(qū)第i年供電能力;N為地區(qū)500 kV主變臺(tái)數(shù);l為主變編號(hào);TCl為第l臺(tái)主變?nèi)萘?;Ml為第l臺(tái)500 kV變電站的開(kāi)關(guān)遮斷容量;M為地區(qū)220 kV裝機(jī)臺(tái)數(shù);g為機(jī)組編號(hào);UCg為第g臺(tái)機(jī)組容量;K為地區(qū)500 kV線路編號(hào);Lk為第k條500 kV輸變電線路潮流;Lkmax為第k條500 kV輸變電線路潮流輸送極限;k為地區(qū)220 kV線路編號(hào);lk為第k條220 kV輸變電線路潮流;lkmax為第k條220 kV輸變電線路潮流輸送極限。
按此模型,求得地區(qū)第i年的供電能力,為了保證地區(qū)大負(fù)荷用戶的安全可靠接入,第i年地區(qū)供電能力滿足Ci≥Di的條件,在這個(gè)前提下繼續(xù)開(kāi)展地區(qū)大負(fù)荷用戶接網(wǎng)方案的研究。
工業(yè)大用戶接網(wǎng)能力不僅要考慮地區(qū)總體的供電能力,受用戶地理位置的限制及接網(wǎng)方案的可實(shí)施性,還要重點(diǎn)研究工業(yè)大用戶周邊500 kV變電站供電裕度和周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu),為了滿足工業(yè)大用戶接網(wǎng)是否需要規(guī)劃變電站新建及擴(kuò)建工程,是否需要加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu),并將這些項(xiàng)目及時(shí)列入地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃方案中,滿足工業(yè)大用戶的按時(shí)接網(wǎng)。
在實(shí)際用戶接網(wǎng)方案設(shè)計(jì)中需要考慮用戶用電特性、路徑長(zhǎng)短、成本約束等問(wèn)題,比較復(fù)雜。本文不局限于對(duì)某個(gè)具體用戶接網(wǎng)方案的研究,著重點(diǎn)在于從地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃角度考慮地區(qū)供電能力發(fā)展,研究一種普遍適用各類工業(yè)大用戶的接網(wǎng)方法,加強(qiáng)地區(qū)規(guī)劃電網(wǎng)在規(guī)劃年對(duì)大用戶接網(wǎng)的適應(yīng)性,及時(shí)可靠滿足用戶的接網(wǎng)需求。
對(duì)于220 kV直供工業(yè)大用戶,本文主要考慮地區(qū)500 kV變電站供電能力,直供大用戶接入系統(tǒng)需要對(duì)用戶周邊500 kV變電站供電能力進(jìn)行評(píng)估,選取適當(dāng)?shù)慕尤朦c(diǎn),并且在此基礎(chǔ)上根據(jù)用戶負(fù)荷的增長(zhǎng)預(yù)測(cè)適當(dāng)考慮電網(wǎng)供電裕度,以便未來(lái)網(wǎng)架的規(guī)劃建設(shè)對(duì)大用戶的接入有更好的適應(yīng)性。
最優(yōu)工業(yè)大用戶接網(wǎng)規(guī)劃方法模型如式(6)所示,某地區(qū)接網(wǎng)能力優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為最大化該地區(qū)各個(gè)500 kV變電站的負(fù)荷母線供電裕度的總和,并可對(duì)不同站點(diǎn)按照其對(duì)大用戶提供電力能力賦予不同的權(quán)重。
(6)
式中:t為該地區(qū)中500 kV變電站數(shù)量;ωc為第c個(gè)變電站的供電能力權(quán)值;λL,c為第c個(gè)變電站供電裕度;N為第c個(gè)變電站的主變臺(tái)數(shù);TClc為第c個(gè)變電站第l臺(tái)主變?nèi)萘?,其他參?shù)說(shuō)明與式(5)相同。某個(gè)變電站負(fù)荷裕度較大,說(shuō)明該站點(diǎn)可以增加的負(fù)荷較大。然而,一個(gè)變電站的實(shí)際供電范圍有限,對(duì)大用戶的供電能力不同,其供電裕度權(quán)值也不同。
按此模型,對(duì)于地區(qū)規(guī)劃每個(gè)大用戶負(fù)荷從周圍第一個(gè)500 kV變電站開(kāi)始計(jì)算供電裕度λL,1,以第i年始主變負(fù)荷為計(jì)算值,不考慮當(dāng)年的負(fù)荷增長(zhǎng);再通過(guò)500 kV變電站周圍大用戶負(fù)荷和中小負(fù)荷增長(zhǎng)比率確定變電站供電裕度的權(quán)值ωc,以此類推,得到其他變電站值,利用式(6)得到滿足該用戶供電的最優(yōu)方案。以此方法得到其他大用戶的供電方案,直到maxF(x)?BLj時(shí)停止,得到地區(qū)第i年考慮大用戶負(fù)荷接網(wǎng)的規(guī)劃方案。
為了滿足大負(fù)荷用戶的接網(wǎng)需求,往往需要加大地區(qū)電網(wǎng)建設(shè),新建或擴(kuò)建500 kV及220 kV變電站,加強(qiáng)地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),使地區(qū)網(wǎng)架達(dá)到負(fù)荷接入的供電能力水平,但是這個(gè)過(guò)程往往會(huì)帶來(lái)地區(qū)新的短路電流水平過(guò)高的問(wèn)題,需要對(duì)地區(qū)規(guī)劃方案進(jìn)行短路水平校驗(yàn),如存在短路水平較高的問(wèn)題需要采取合適的限制措施。
a. 電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行
主網(wǎng)聯(lián)系加強(qiáng)后,將次級(jí)電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行,可以有效地限制地區(qū)短路電流。兩相鄰地區(qū)通過(guò)500 kV和220 kV線路互聯(lián)形成的高低壓電磁環(huán)網(wǎng)綜合阻抗小,短路容量大,容易帶來(lái)220 kV系統(tǒng)的短路電流過(guò)高的危險(xiǎn),造成系統(tǒng)安全隱患。500 kV主網(wǎng)加強(qiáng)后,通過(guò)電磁環(huán)網(wǎng)的解環(huán)實(shí)現(xiàn)220 kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行,可以降低220 kV電網(wǎng)的短路電流水平。
如圖2 所示,兩個(gè)500 kV系統(tǒng)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后,分區(qū)1變電站的220 kV 母線短路時(shí),分區(qū)2的電源不再提供短路電流,分區(qū)1 的短路電流水平將降低,提高了地區(qū)受電能力。
b. 變電站母線分列運(yùn)行
(a)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)前
(b)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后圖2 分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式
500 kV主變較多時(shí), 系統(tǒng)通過(guò)500 kV主變提供的短路電流占了主要的部分,最大220 kV短路電流的短路點(diǎn)出現(xiàn)在500 kV變電站220 kV母線,通過(guò)將500 kV變電站220 kV母線分列運(yùn)行的方式來(lái)限制短路電流水平,具有非常明顯的效果。
如圖3所示,打開(kāi)變電站220 kV母線分段開(kāi)關(guān),母線分列運(yùn)行,可以增大系統(tǒng)阻抗,分區(qū)電網(wǎng)內(nèi)的電源分散接到母線A和B上,當(dāng)母線A短路時(shí),接到母線B上的電源在母線A上的短路電流很小,從而控制了短路電流水平。
圖3 500 kV 變電站220 kV 母線分列運(yùn)行模式
c. 采用高遮斷容量的開(kāi)關(guān)設(shè)備
除了以上所提到的兩種限制方式之外,將現(xiàn)有斷路器及配套的電氣設(shè)備更換為遮斷容量更大的設(shè)備是應(yīng)對(duì)短路電流過(guò)大比較直接的方法。利用設(shè)備所具有的電流限制功能對(duì)短路電流的產(chǎn)生進(jìn)行限制,并且避免了上述2種方法帶來(lái)的降低電網(wǎng)可靠性及靈活性的缺點(diǎn)。目前,我國(guó)已經(jīng)在220 kV以及550 kV電網(wǎng)中大量推行、應(yīng)用該方式,并獲得了較好的應(yīng)用效果。在我國(guó)500 kV或220 kV采用50 kA 的設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)普遍,63 kA的設(shè)備也不少見(jiàn)。
根據(jù)上述分析,對(duì)于規(guī)劃的各階段的方法進(jìn)行了詳細(xì)研究,下面利用前幾節(jié)的方法,對(duì)地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃,具體流程如圖4所示。
圖4 電網(wǎng)規(guī)劃流程圖
首先,用基于大用戶報(bào)裝的地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法對(duì)地區(qū)負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)(包括工業(yè)大用戶負(fù)荷和地區(qū)中小負(fù)荷)。根據(jù)地區(qū)規(guī)劃年電網(wǎng)結(jié)構(gòu),綜合考慮各種約束條件前提下,計(jì)算地區(qū)供電能力,以地區(qū)負(fù)荷和供電能力判定規(guī)劃網(wǎng)架是否滿足大用戶接網(wǎng)條件,如不滿足修訂地區(qū)規(guī)劃項(xiàng)目增加地區(qū)供電能力。對(duì)于某一工業(yè)大用戶,用最優(yōu)工業(yè)大用戶接網(wǎng)規(guī)劃方法求得接網(wǎng)方案,用同樣流程方法得到地區(qū)各個(gè)工業(yè)大用戶接網(wǎng)方案,直到滿足所有大用戶供電需求,確定地區(qū)用戶接網(wǎng)方案和地區(qū)規(guī)劃庫(kù),最后,對(duì)地區(qū)規(guī)劃網(wǎng)架計(jì)算短路水平,校驗(yàn)是否存在短路電流超標(biāo)的問(wèn)題,如果存在采取相應(yīng)的限制措施,得到地區(qū)最終的規(guī)劃方案。
遼寧(營(yíng)口)沿海產(chǎn)業(yè)基地總規(guī)劃面積180 km2,建設(shè)中國(guó)制造和中國(guó)創(chuàng)造基地,促進(jìn)高端產(chǎn)業(yè)集聚,強(qiáng)化高端裝備制造、新材料、電子信息三大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),樂(lè)器、印刷包裝兩大特色產(chǎn)業(yè),打造高端工業(yè)鋁材及精深加工、特種鋼及制品、新型建材、工程塑料、民用商務(wù)衛(wèi)星及衛(wèi)星應(yīng)用五大產(chǎn)業(yè)集群。目前,中冶京誠(chéng)、五礦集團(tuán)、遼寧特鋼、忠旺集團(tuán)、東旭集團(tuán)、富士康、可口可樂(lè)、百威啤酒等一批國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)入駐園區(qū)。
營(yíng)口忠旺鋁業(yè)有限公司高精鋁及加工材項(xiàng)目廠址位于遼寧(營(yíng)口)沿海產(chǎn)業(yè)基地二期地域內(nèi),一期項(xiàng)目已于2014年10月投產(chǎn), 建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)88萬(wàn)t精鋁、50萬(wàn)t陽(yáng)極生產(chǎn)系統(tǒng)和必要的生產(chǎn)輔助系統(tǒng)及生活設(shè)施,二期項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模與一期項(xiàng)目相同,投產(chǎn)后,兩期項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后用戶負(fù)荷達(dá)到158萬(wàn)kW,對(duì)營(yíng)口電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)帶來(lái)巨大的影響。根據(jù)上文描述方法結(jié)合營(yíng)口地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃和新增用電情況,研究營(yíng)口市考慮忠旺二期項(xiàng)目接網(wǎng)的規(guī)劃方案。
首先對(duì)營(yíng)口地區(qū)負(fù)荷特性進(jìn)行分析,應(yīng)用第2節(jié)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法對(duì)營(yíng)口地區(qū)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。
忠旺二期項(xiàng)目最大有功功率75萬(wàn)kW,年耗電量59.55×108kWh。
根據(jù)營(yíng)口地域特點(diǎn)及電網(wǎng)電氣聯(lián)系將營(yíng)口電網(wǎng)分為南北兩個(gè)供電區(qū)域,分別進(jìn)行預(yù)測(cè),營(yíng)口地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。
表1 營(yíng)口地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè) 萬(wàn)kW
為滿足地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)的需求,2016年?duì)I口北部地區(qū)將新建500 kV歷林變,地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生較大的變化,需要對(duì)地區(qū)短路水平進(jìn)行校核。
歷林變投運(yùn)后,渤海變220 kV側(cè)三相、單相短路電流分別達(dá)到50.21 kA、52.08 kA,超過(guò)其開(kāi)關(guān)遮斷電流值,采取500 kV渤海變220 kV母線分列的措施,來(lái)限制短路電流,此時(shí)營(yíng)口電網(wǎng)南北分區(qū)運(yùn)行。
歷林變投運(yùn)后,屆時(shí)營(yíng)口北部電網(wǎng)包括500 kV歷林變(2×1 002 MVA)渤海變1臺(tái)主變(1 002 MVA),營(yíng)口熱電廠2臺(tái)機(jī)組(2×330 MW);營(yíng)口南部電網(wǎng)包括500 kV南海變(2×1 002 MVA)渤海變1臺(tái)主變(1 002 MVA),營(yíng)口電廠2臺(tái)機(jī)組(2×300 MW)。根據(jù)式(5)營(yíng)口北部地區(qū)供電能力約為300萬(wàn)kW,正常方式下可以滿足地區(qū)供電能力,但檢修方式下地區(qū)供電能力為180萬(wàn)kW,供電能力不足;營(yíng)口北部地區(qū)供電能力約為290萬(wàn)kW,正常方式下可以滿足地區(qū)供電能力,但檢修方式下地區(qū)供電能力為175萬(wàn) kW,供電能力不足。建議渤海南部母線擴(kuò)建1臺(tái)500 kV主變,并梳理地區(qū)220網(wǎng)架,釋放北部網(wǎng)架供電壓力。
如圖5所示,500 kV渤海變擴(kuò)建1臺(tái)主變,一期項(xiàng)目轉(zhuǎn)接到渤海北部母線供電,新建220 kV忠旺2號(hào)用戶變,新建兩回220 kV線路至500 kV渤海變南母線為用戶供電,經(jīng)過(guò)計(jì)算供電能力和短路電流水平均在合理范圍內(nèi)。
圖5 忠旺三期項(xiàng)目接網(wǎng)方案
a. 本文提出了一種基于大用戶報(bào)裝的地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)新方法,對(duì)大用戶負(fù)荷和中小負(fù)荷進(jìn)行分別分析,建立了負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。
b. 本文建立了計(jì)及大用戶供電裕度的地區(qū)供電能力模型,將變電站供電裕度作為優(yōu)化變量,并根據(jù)變電站對(duì)大用戶供電能力施加了適當(dāng)約束。
c. 對(duì)大負(fù)荷用戶接網(wǎng)后存在電網(wǎng)短路電流超過(guò)開(kāi)關(guān)遮斷容量的風(fēng)險(xiǎn),本文提出了可以有效控制系統(tǒng)短路水平的方法,達(dá)到提升大負(fù)荷用戶接入能力的目的,并給出模型圖。