電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)在電力工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究

趙珂 牟曉正 劉璟潔

電力系統(tǒng)規(guī)劃是確保電力系統(tǒng)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展以及安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，其規(guī)劃結(jié)果對(duì)電能的使用效率以及使用質(zhì)量具有直接影響。本文對(duì)當(dāng)前常用的電力系統(tǒng)規(guī)劃方法進(jìn)行論述，分析了電力工程規(guī)劃目標(biāo)，對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃的基本內(nèi)容進(jìn)行論著，最后總結(jié)了電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，為合理開(kāi)展電力系統(tǒng)規(guī)劃提供參考。

電網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)在于尋求最優(yōu)的電網(wǎng)投資決策，這樣才能保證電力系統(tǒng)得到長(zhǎng)期、穩(wěn)定的發(fā)展。電網(wǎng)規(guī)劃的基本原則是確保電力能夠可靠、安全地輸送到負(fù)荷中心，以此為前提盡可能降低電網(wǎng)建設(shè)以及運(yùn)行的費(fèi)用。

一、電力系統(tǒng)規(guī)劃方法

電力系統(tǒng)的規(guī)劃包括近期、中期以及遠(yuǎn)期這三種。規(guī)劃時(shí)要按照“近細(xì)遠(yuǎn)粗，遠(yuǎn)近結(jié)合”的思路來(lái)進(jìn)行規(guī)劃。第一，近期規(guī)劃多為五年，其目的在于應(yīng)對(duì)當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)使用的需求，以滿(mǎn)足負(fù)荷需求為前提，兼顧供電可靠性以及供電質(zhì)量來(lái)優(yōu)化、調(diào)整輸變電建設(shè)項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行年度計(jì)劃的編制，提出需要新建以及改造的項(xiàng)目。第二，中期規(guī)劃多為5-15 年，近期規(guī)劃要與中期規(guī)劃銜接，多方案比對(duì)來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)的網(wǎng)架進(jìn)行論證，確定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有計(jì)劃地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及設(shè)施過(guò)渡為規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，從而為大型項(xiàng)目的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。第三，遠(yuǎn)期規(guī)劃通常在15 年以上，其主要考慮的是電網(wǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，開(kāi)展研究，以確保人們未來(lái)對(duì)供電的要求得到滿(mǎn)足的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及電源布局進(jìn)行確定，研究并展望主網(wǎng)架的戰(zhàn)略性、框架性以及結(jié)構(gòu)性。實(shí)踐證實(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行少許優(yōu)化即可明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。早期電網(wǎng)規(guī)劃方案的基礎(chǔ)是對(duì)不同方案進(jìn)行比選，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、可行性等方面對(duì)設(shè)定的待選方案進(jìn)行比較從而選出推薦方案。但是比較的方案通常都是規(guī)劃人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)提出的，不可能將所有可行性的方案全部列出，提出的方案中也不一定就包括了客觀上的最優(yōu)方案，這造成最終推薦方案有一定局限性以及主觀性。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)以及數(shù)學(xué)不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)劃的新方法隨之不斷產(chǎn)生，當(dāng)前主要有智能優(yōu)化、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法以及啟發(fā)式優(yōu)化方法等。第一，啟發(fā)式優(yōu)化方法以直觀分析作為依據(jù)，基于系統(tǒng)性能指標(biāo)來(lái)對(duì)可行路徑的參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，按照一些原則確定需要架設(shè)的線(xiàn)路。啟發(fā)式方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以很好地與規(guī)劃人員的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，使用時(shí)更加方便，但是這種方法不能保證得到最優(yōu)方案，不能充分考慮到不同階段不同架線(xiàn)決策之間的影響，當(dāng)待選線(xiàn)數(shù)量比較多、規(guī)劃期比較長(zhǎng)時(shí)，此時(shí)這種方法得到的結(jié)果與客觀最優(yōu)方案有較大差異。第二，數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，這一方法使用運(yùn)籌學(xué)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題，將問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橛屑s束的極值問(wèn)題，在最優(yōu)化理論的指導(dǎo)下求解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能保證得到最優(yōu)解，但是缺陷是有計(jì)算量偏大的問(wèn)題。除此之外現(xiàn)實(shí)中的電網(wǎng)規(guī)劃并不像數(shù)學(xué)題那樣簡(jiǎn)單，電網(wǎng)規(guī)劃需要考慮眾多因素，建立模型后也難以求解，且許多因素并不能形式化，因此建立模型難度比較高。第三，智能優(yōu)化方法包括免疫算法、模擬退火算法、蟻群優(yōu)化算法以及粒子群算法等。

二、電力工程規(guī)劃目標(biāo)

電力工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要考慮配電網(wǎng)規(guī)劃的問(wèn)題。配電網(wǎng)的規(guī)劃目標(biāo)具體如下：第一，配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)，建立適應(yīng)性強(qiáng)、能力足、安全可靠的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證供電可靠，滿(mǎn)足用電需求，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。進(jìn)行配電網(wǎng)的規(guī)劃時(shí)要在資產(chǎn)全壽命周期成本最小的原則指導(dǎo)下，對(duì)資產(chǎn)壽命周期成本進(jìn)行分析來(lái)開(kāi)展方案比選，從而確保電網(wǎng)資產(chǎn)在設(shè)計(jì)、建設(shè)、改造、運(yùn)維檢修等過(guò)程中的成本盡可能低。第二，配電網(wǎng)要有一定自愈能力、應(yīng)急處理能力、負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力以及合理的容量裕度。配電網(wǎng)要能經(jīng)濟(jì)、可靠且安全地向用戶(hù)供電，要從整體考慮進(jìn)行配電網(wǎng)的規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)之間協(xié)調(diào)配合，空間上要做到優(yōu)化布局，時(shí)間上要做到合理過(guò)渡。第三，配電網(wǎng)的規(guī)劃要遵循差異化原則，結(jié)合項(xiàng)目所在地的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、環(huán)境要求、用戶(hù)性質(zhì)等確定具有差異的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從而滿(mǎn)足各類(lèi)用戶(hù)的用電需求，滿(mǎn)足區(qū)域的發(fā)展需求。配電網(wǎng)的規(guī)劃要能迎合未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，滿(mǎn)足儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)、分布式電源等新型負(fù)荷的接入要求。

三、電力系統(tǒng)規(guī)劃的基本內(nèi)容

1.預(yù)測(cè)分析電力負(fù)荷

電力系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)在于對(duì)電力工程周?chē)瑓^(qū)的電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)以及分析。進(jìn)行電力工程的設(shè)計(jì)時(shí)，以國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及運(yùn)行來(lái)進(jìn)行中短期負(fù)荷的預(yù)測(cè)，對(duì)歷年的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)劃來(lái)逐年預(yù)測(cè)最大負(fù)荷。除此之外還要根據(jù)在建、已建以及規(guī)劃中的遠(yuǎn)期項(xiàng)目的情況來(lái)分析負(fù)荷特性，明確這些項(xiàng)目對(duì)電網(wǎng)供電造成的影響。對(duì)大容量發(fā)電機(jī)組、樞紐變電站等比較重要的電力工程要使用多種方法來(lái)對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)因素以及負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.電源規(guī)劃情況以及出力分析

統(tǒng)計(jì)擬建工程周?chē)娋W(wǎng)的電源規(guī)劃，對(duì)電源的處理情況進(jìn)行分析，這樣才能對(duì)工程建設(shè)是否有必要進(jìn)行分析。電力電源有地方電源以及統(tǒng)調(diào)電源的區(qū)別，前者主要有企業(yè)自備發(fā)電機(jī)組、各種小型水電站等，后者則包括了電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理的大型發(fā)電產(chǎn)。不同水文期這些電源的出力不盡相同，且規(guī)劃期間新建電源機(jī)組也會(huì)逐漸投入運(yùn)行使用，為了方便開(kāi)展下一步工作，首先要對(duì)電源的出力情況以及規(guī)劃情況進(jìn)行分析。

3.電力電量平衡

電力電量平衡約束著電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，依據(jù)電源出力分析結(jié)果以及電力負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)供電區(qū)域、項(xiàng)目所在地進(jìn)行電量以及電力的平衡計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果，這樣才能明確電力工程的規(guī)模以及布局。以負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果為依據(jù)來(lái)對(duì)不同水平年的最大系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行確定，同時(shí)充分考慮到各種電源的出力情況，明確電力電量盈虧之后才能對(duì)需要的發(fā)電以及變電設(shè)備的容量進(jìn)行確定。確定好的容量不僅要滿(mǎn)足負(fù)荷需求，還要充分考慮到備用容量。除此之外，電力電量平衡過(guò)程中還要對(duì)分區(qū)之間的電力電量交換進(jìn)行充分的考慮，結(jié)合這一情況來(lái)對(duì)備容量進(jìn)行適當(dāng)增減。

4.確定接入系統(tǒng)方案

結(jié)合項(xiàng)目所在地的負(fù)荷分布、原電網(wǎng)特點(diǎn)以及電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃等情況將項(xiàng)目在電力系統(tǒng)中的地位以及作用明確闡述，以政府部門(mén)審批意見(jiàn)、電網(wǎng)規(guī)劃等提出接入系統(tǒng)比較方案。進(jìn)行項(xiàng)目接入系統(tǒng)方案的論述時(shí)，要充分考慮到電網(wǎng)新技術(shù)的使用、節(jié)能降耗、節(jié)約用地以及遠(yuǎn)近結(jié)合的原則。除此之外還要提出各種方案的規(guī)模、布局、投產(chǎn)年等相關(guān)內(nèi)容。

5.電氣計(jì)算

潮流計(jì)算能很直觀地對(duì)電力工程中不同接入方案進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算得出的電力潮流分布情況、網(wǎng)絡(luò)元件電力損耗以及電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓等為分析各種方案是否具有經(jīng)濟(jì)性、合理性以及可靠性提供支持。潮流計(jì)算要對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中的電壓分布以及功率進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)潮流計(jì)算來(lái)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行確定，檢查系統(tǒng)中的各種元件的性能是否足夠，除此之外潮流計(jì)算還能為系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算以及繼電保護(hù)提供初值以及依據(jù)。短路電流計(jì)算能為合理確定電氣設(shè)備的型號(hào)提供依據(jù)。確定系統(tǒng)運(yùn)行方式以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)后，開(kāi)展短路電流計(jì)算來(lái)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行合理選擇以及校驗(yàn)，使用合適的熔體額定電流以及繼電保護(hù)整定值，這樣能確保發(fā)生故障時(shí)能在最短時(shí)間內(nèi)將短路電流切斷，減少由于短路對(duì)系統(tǒng)造成的損失。要將短路電流限制在合適的水平，當(dāng)短路電流比較大而需要對(duì)已有電氣設(shè)備進(jìn)行更換時(shí)，此時(shí)就要采取措施以對(duì)短路電流進(jìn)行限制。穩(wěn)定性計(jì)算要根據(jù)要求來(lái)模擬、分析電力系統(tǒng)中不同故障情況，這樣才能明確電力系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題的特征。穩(wěn)定性計(jì)算以潮流計(jì)算為基礎(chǔ)，常見(jiàn)頻率穩(wěn)定計(jì)算、電壓穩(wěn)定計(jì)算等。通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算能讓規(guī)劃人員了解到接入系統(tǒng)方案的各種參數(shù)是否滿(mǎn)足要求，這樣能方便其提出保障措施以及安穩(wěn)策略。

無(wú)功補(bǔ)償能為感性負(fù)荷提供無(wú)功功率，能減少網(wǎng)絡(luò)元件對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行傳輸而引起的損耗，根據(jù)無(wú)功平衡進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償裝置的分組容量以及總?cè)萘康拇_定。

6.方案比選

對(duì)各種接入方案進(jìn)行比選，基于電氣計(jì)算結(jié)果從經(jīng)濟(jì)性、適用性、可行性以及可靠性等對(duì)不同接入方案進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)方案。

四、電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)

1.確定服務(wù)區(qū)域

按照分區(qū)規(guī)劃的原則來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)的規(guī)劃，對(duì)電網(wǎng)服務(wù)區(qū)域進(jìn)行劃分，劃分為A、B、C、D 共計(jì)4 個(gè)區(qū)域，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)的規(guī)劃。將人均GPD 超過(guò)8萬(wàn)元的區(qū)域、符合密度通常超過(guò)25MW/km2的區(qū)域以及高新科技工業(yè)園區(qū)、政治或經(jīng)濟(jì)中心區(qū)納入A 類(lèi)區(qū)域；將人均GDP 在3-8 萬(wàn)元的區(qū)域、負(fù)荷密度介于8-25MW/km2的區(qū)域以及一般工業(yè)園區(qū)、對(duì)供電可靠性有一定要求的生產(chǎn)生活集中區(qū)列入B 類(lèi)區(qū)域；將人均GDP 在1-3萬(wàn)元的區(qū)域、負(fù)荷密度介于3-8MW/km2的區(qū)域以及高耗能園區(qū)、生產(chǎn)生活相對(duì)集中區(qū)列入C 類(lèi)區(qū)域；將人均GDP 低于1 萬(wàn)元的區(qū)域、負(fù)荷密度低于3MW/km2的區(qū)域以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)列入D 類(lèi)區(qū)域。劃分分區(qū)分級(jí)區(qū)域后，對(duì)供電面積、供電范圍等進(jìn)行確定。

2.220kV 電網(wǎng)規(guī)劃

征地以及市政規(guī)劃都會(huì)對(duì)城市電網(wǎng)的建設(shè)帶來(lái)影響，因此多數(shù)城市變電站的建設(shè)均存在一些不確定因素，其建設(shè)周期相對(duì)更長(zhǎng)，為了確保電力體制改革的市場(chǎng)化需要得以滿(mǎn)足，也保證負(fù)荷增長(zhǎng)需求，進(jìn)行220kV 電網(wǎng)的規(guī)劃時(shí)，要考慮適當(dāng)進(jìn)行變電容量的超前安排。要結(jié)合變電容量平衡以及網(wǎng)供負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)進(jìn)行變電站建設(shè)規(guī)劃。

3.110kV 電網(wǎng)規(guī)劃

當(dāng)前的220kV 變電站是110kV 電網(wǎng)的依托，主要是采用單鏈、雙聯(lián)等網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模式來(lái)進(jìn)行堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。規(guī)劃中將110kV 電網(wǎng)整體做強(qiáng)，形成的目標(biāo)網(wǎng)架要具有較強(qiáng)的互供能力，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要清晰，供電要具有較高的可靠性。整體上看來(lái)，進(jìn)行110kV 電網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，主要是要以新增220kV 變電站作為依托，增加站間110kV 線(xiàn)路通道，對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)予以完善，逐漸減少不標(biāo)準(zhǔn)的接線(xiàn)結(jié)構(gòu)，形成的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)要以鏈?zhǔn)綖橹鳌?/p>

4.35kV 電網(wǎng)規(guī)劃

近年來(lái)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，35kV 電網(wǎng)主變?nèi)萘客ǔ２怀^(guò)10MVA 每臺(tái)，同時(shí)10kV 出線(xiàn)間隔比較少，不能滿(mǎn)足城區(qū)的新增負(fù)荷需求。規(guī)劃時(shí)要采用異地新建的形式將以往的35kV 變電站代替。到十四五期間，此時(shí)110kV 變電站以及220kV 變電站已經(jīng)建成投產(chǎn)，因此35kV 電壓等級(jí)將完全退出。

五、結(jié)語(yǔ)

電力體制改革的背景下，為了確保市場(chǎng)機(jī)制需要以及供電負(fù)荷需求得到滿(mǎn)足，進(jìn)行電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，迎合電能的市場(chǎng)需求來(lái)規(guī)劃設(shè)計(jì)。規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要以改造為輔，以新建為主，對(duì)規(guī)劃建設(shè)區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)配變建設(shè)，推進(jìn)對(duì)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)形式的改造，與大型用戶(hù)、園區(qū)以及政府加強(qiáng)溝通，將桿線(xiàn)下地工程落實(shí)在城市電纜區(qū)，逐步推進(jìn)電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。