大型城市電網(wǎng)主配協(xié)同規(guī)劃方法研究

郭 挺，郭子軒，董 紅，朱志芳，高艷娜，程 志

(廣東電網(wǎng)有限責任公司 廣州供電局，廣州 510620)

0 引言

協(xié)同規(guī)劃的思想起源于20世紀70年代的協(xié)同論，主要研究不同事物的共同特征及協(xié)同機理，著重探討各種系統(tǒng)從無序變?yōu)橛行虻南嗨菩訹1]。隨后，我國學者陸續(xù)將協(xié)同規(guī)劃的相關理論引入并應用于城市規(guī)劃學科領域[2-3]。在電力行業(yè)領域，文獻[4]基于計算機支持的協(xié)同工作理論框架，開發(fā)了城市電網(wǎng)上下級協(xié)同負荷預測系統(tǒng)。文獻[5]提出了配網(wǎng)一次網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型和方法。文獻[6]提出了主動配電網(wǎng)拓撲結構和配電網(wǎng)主動元素協(xié)同規(guī)劃的方法。近年來，協(xié)同規(guī)劃的思想和方法逐步被應用于綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃和運行[7-8]。本文側重于研究主配網(wǎng)不同電壓層級之間，涵蓋規(guī)劃建設過程中“自下而上”負荷預測、規(guī)劃項目方案優(yōu)先、工程項目前期評審三個階段的協(xié)同規(guī)劃方法。

參照《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設計導則》(Q/GDW 156—2006)規(guī)定：“輸電電壓為220 kV及以上，高壓配電電壓為110 kV，63 kV，35 kV，中壓配電電壓為20 kV，10 kV，低壓配電電壓為380/220 V”。根據(jù)廣州供電局目前規(guī)劃工作管理界面劃分，主網(wǎng)規(guī)劃管理范圍包含110 kV及以上電網(wǎng)，配網(wǎng)規(guī)劃管理范圍包含20 kV及以下電網(wǎng)。本文提到的“主配協(xié)同規(guī)劃”范疇包含220 kV輸電網(wǎng)與110 kV高壓配電網(wǎng)、110 kV高壓配電網(wǎng)與10 kV中壓配電網(wǎng)、220 kV輸電網(wǎng)與20 kV中壓配電網(wǎng)之間的協(xié)同。

本文以廣州電網(wǎng)規(guī)劃實際工作為基礎，提出了主配協(xié)同開展“自下而上”負荷預測的方法；為提高110 kV，220 kV站點規(guī)劃水平年負荷預測精度，提出了10 kV出線調(diào)整負荷項目決策方法，提出110 kV電網(wǎng)“3T”接線運行方式安排優(yōu)化模型；針對擬解決問題的程度、可實施性、工期、投資規(guī)模、近遠期適應性等不同因素，提出不同電壓層級規(guī)劃項目優(yōu)選和決策方法；在項目方案工程審查階段，提出主網(wǎng)專業(yè)之間、主網(wǎng)與配網(wǎng)專業(yè)之間協(xié)同聯(lián)動的要素和方法，提升項目方案技術經(jīng)濟合理性。

1 研究背景

2013年以來，廣州電網(wǎng)負荷保持年均6.5%的高速增長，其中，受氣溫偏高等因素影響，2017年和2019年供電負荷增長率更是分別達到11.7%和14.1%。隨著廣州建設“粵港澳大灣區(qū)核心引擎”“國家中心城市”進程的不斷深化推進，電網(wǎng)建設難度不斷增大，特別是中心城區(qū)輸變電項目從開展前期工作到項目投產(chǎn)周期不斷增長，110 kV輸變電項目一般3～5年，220 kV輸變電項目一般6～10年。在有限的電網(wǎng)投資建設能力約束下，廣州電網(wǎng)負荷高速發(fā)展,建設難度不斷增大，導致過渡年份局部電網(wǎng)重過載、不滿足“N-1”等風險點存量和增量問題化解困難，且重過載和輕載問題交織并存。如何在有限的資源條件下，科學合理地開展規(guī)劃年負荷預測、優(yōu)選規(guī)劃方案、高質(zhì)高效組織項目評審，給廣州電網(wǎng)規(guī)劃工作提出更高要求。

目前，廣州電網(wǎng)規(guī)劃工作的組織和開展存在以下幾個方面的問題。

1)負荷預測主配網(wǎng)協(xié)同不足，導致站點預測結果精度不高，直接影響規(guī)劃決策的合理性。在宏觀層面，結合經(jīng)濟發(fā)展趨勢，全市最高負荷預測誤差一般可控制在2%～3%左右，但是在微觀層面，各110 kV主變和220 kV站點負荷預測誤差較難控制，容易導致不滿足“N-1”站點和線路預判不足。其主要原因：一是配網(wǎng)規(guī)劃單位(各區(qū)局)對10 kV(含20 kV)及以下負荷報裝信息的實用系數(shù)和釋放過程較難把控，缺乏有效指引；二是配網(wǎng)規(guī)劃單位(各區(qū)局)難以站在主網(wǎng)角度對新建和擴建110 kV項目10 kV出線調(diào)整近區(qū)負荷方案進行統(tǒng)籌優(yōu)化，導致不滿足“N-1”(含重載)和輕載問題并存，且站間10 kV出線調(diào)整負荷規(guī)模規(guī)劃統(tǒng)籌不足；三是規(guī)劃水平年考慮新增輸變電工程接入對110 kV“3T”網(wǎng)架結構影響較大，同時“3T”接線模式運行方式安排存在多樣性，使運行方式安排預判不足導致上級220 kV站點負荷準確性受影響。

2)不同電壓層級規(guī)劃項目統(tǒng)籌考慮不足，可能導致電網(wǎng)問題解決不及時或者資源浪費。對于解決某項電網(wǎng)問題，是從本電壓層級通過新建或者擴建解決，還是從低一電壓層級通過出線優(yōu)化調(diào)整負荷解決，目前尚無相關規(guī)劃技術原則供參考。不同電壓層級項目實施難度、項目工期、投資規(guī)模及解決問題的程度均各有自身特點，需要針對具體問題統(tǒng)籌決策、協(xié)同考慮。另外由于主配網(wǎng)工程實施和管理主體不同，管理層面統(tǒng)籌決策難度較大。

3)主配網(wǎng)工程項目前期審查聯(lián)動不足，次優(yōu)方案可能導致資源浪費。輸變電工程建設難度日趨成為規(guī)劃方案落地的重要制約因素，工程項目前期可研方案審查充分融合了變電、輸電線路、調(diào)度運行、造價等各專業(yè)的反饋意見，是對規(guī)劃方案的進一步細化和確認。在該階段容易出現(xiàn)以下幾個方面的問題：一是對于出線走廊資源緊張的站點，由于不同電壓等級出線工程方案審查時間先后不同以及參與方不同，可能造成因協(xié)同不足導致后續(xù)工程出線受阻情況；二是規(guī)劃方案未能充分根據(jù)線路實際路徑走向信息、實施難度信息，以及投資造價反饋信息進行優(yōu)化調(diào)整，可能導致投資和工期的浪費。

本文將針對以上問題，從規(guī)劃源頭的負荷預測組織和開展、規(guī)劃方案制定和優(yōu)選、工程項目方案審查落實這三個重要過程階段在主配協(xié)同規(guī)劃方面進行探索和論述。

2 主配協(xié)同開展“自下而上”負荷預測

2.1 存量和增量負荷預測

對于存量負荷部分，主要考慮負荷自然釋放因素導致的增長。建議參照該站所在行政區(qū)負荷發(fā)展較為成熟區(qū)域近3～5年負荷平均增長率取值。

對于增量負荷部分，主要考慮負荷報裝因素導致的增長。根據(jù)報裝負荷的容量和不同類型，參照對廣州市近3～5年不同類別報裝負荷實用系數(shù)和釋放系數(shù)統(tǒng)計分析值確定。廣州地區(qū)典型負荷實用系數(shù)和釋放系數(shù)[9]如表1、表2所示。

存量負荷預測值=上一年最高負荷值×(1+自然增長率)，

增量負荷預測值=報裝容量×實用系數(shù)×負荷釋放系數(shù).

考慮到各區(qū)局市場營銷口徑掌握的報裝負荷多為近期報裝信息，一般展望至未來1～3年。對于規(guī)劃水平年4～10年期間，可在全市負荷發(fā)展宏觀增長趨勢的基礎上，結合站點近區(qū)發(fā)展規(guī)劃情況，通過適當增加各站點負荷自然增長率預測得出。

表1 廣州地區(qū)典型負荷實用系數(shù)

表2 廣州地區(qū)典型負荷釋放系數(shù)

注：廣州地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)占比小，本研究主要針對第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)以及居民用戶。

2.2 10 kV出線調(diào)整近區(qū)負荷項目決策方法

在110 kV主變存量和增量負荷預測結果的基礎上，對各主變下送負載率情況進行評估。對于110 kV變電站存在不滿足“N-1”問題，充分考慮10 kV配網(wǎng)項目與110 kV主網(wǎng)項目的協(xié)同，同時兼顧解決主變輕載、負載不均衡問題。本文提出的10 kV出線調(diào)整近區(qū)負荷項目的決策流程方法如下：對于不滿足“N-1”控制要求的，參照已有規(guī)劃項目庫，若近期2年內(nèi)有擴建計劃的，可暫不考慮新增10 kV出線調(diào)整該站負荷；若擴建計劃超過3年或者無擴建計劃的，需考慮近區(qū)現(xiàn)狀站點或規(guī)劃站點工程新增10 kV出線調(diào)整該站負荷，若近區(qū)站點無調(diào)整空間，需要考慮增加新建或擴建項目納入規(guī)劃項目庫。在規(guī)劃階段，需要參照中壓配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃的相關要求，對新增10 kV出線調(diào)整負荷的中壓配電網(wǎng)項目的可實施性、調(diào)整負荷規(guī)模、投資估算等進行必要摸查，并在負荷預測結果中對于“調(diào)入”“調(diào)出”負荷后的效果進行評估。對于調(diào)整負荷后仍然不滿足“N-1”控制要求的站點，需要統(tǒng)籌考慮增加新建或者擴建項目納入規(guī)劃項目庫。

根據(jù)廣州電網(wǎng)規(guī)劃實際經(jīng)驗，10 kV出線調(diào)整近區(qū)負荷一般參照以下原則：

1)對調(diào)整負荷規(guī)模需精細評估，具體落實到10 kV饋線，總體要求做到“不過調(diào)、不欠調(diào)、及時調(diào)”。

2)遠近結合，能與被調(diào)站點近區(qū)110 kV電網(wǎng)新建/擴建工程相銜接，確保解決110 kV站點問題的同時不導致措施反復。

3)在解決重過載、不滿足“N-1”問題的同時，統(tǒng)籌考慮解決輕載、主變負載不均衡問題，互濟余缺、充分挖潛，提升電網(wǎng)設備利用效率。

2.3 建立110 kV“3T”接線運行方式安排優(yōu)化模型

規(guī)劃年110 kV電網(wǎng)“3T”接線運行方式安排主要參照以下基本原則：

1)上一級220 kV變電站主變負載率盡量均衡。220 kV變電站不滿足“N-1”、輕載數(shù)量和程度均盡可能控制在較低水平；

2)每座110 kV變電站不同主變電源線宜盡量來自不同的220 kV變電站，降低110 kV變電站由于上級電源故障導致全停的風險。

3)110 kV線路負載率應滿足正常方式和線路“N-1”方式下不過載。

4)對于含母線的非典型“3T”接線的結構，宜讓每條110 kV電源線所帶主變數(shù)量(一般不超過3臺)、負荷規(guī)模盡量均衡(滿足線路“N-1”)。

(1)

式中：NH，NL分別為220 kV變電站不滿足“N-1”、輕載座數(shù)；NS220為220 kV變電站座數(shù)；NS110，NL110分別為110 kV變電站座數(shù)、110 kV線路條數(shù)；NL3，NL2分別為具備3路、2路電源的110 kV變電站座數(shù)；Sk為按此方式安排后第k座110 kV變電站不同上級電源數(shù)；LLn，LLf分別為110 kV線路正常方式、“N-1”方式下的負載率；LS，LSH，LSL，LSf分別為220 kV變電站正常方式下負載率、“N-1”負載率控制值、輕載負載率控制值、“N-1”故障下剩余主變實際負載率；K為220 kV主變過載倍數(shù)(一般取1.2)；λ1至λ6為權重系數(shù)，一般λ1>λ2，λ3>λ4，不滿足“N-1”的安全性指標高于表征輕載的效率性指標，可靠性指標權重λ5，λ6表征110 kV變電站全停的風險，在電網(wǎng)優(yōu)化營商環(huán)境要求越來越高的背景下，一般建議適當取高值。

3 不同電壓層級規(guī)劃項目優(yōu)選方法

3.1 擬解決問題分類

針對主配網(wǎng)項目解決問題屬性進行分類，并針對問題制定主、配網(wǎng)規(guī)劃項目，對各類別項目開展重要程度評估，得到重點項目排序清單，形成不同電壓層級規(guī)劃項目庫，具體擬解決問題分類和重要程度評估情況如表3所示。

表3 主、配網(wǎng)項目分類表

3.2 不同電壓層級項目優(yōu)選方法

在重點規(guī)劃項目庫的基礎上，需要對主網(wǎng)項目和配網(wǎng)項目進行統(tǒng)籌考慮、科學優(yōu)選決策，達到整體提升電網(wǎng)解決問題效率的目的。根據(jù)實際，高一電壓層級電網(wǎng)問題，若急迫性高短期內(nèi)不易解決，或者投資大導致實施后整體效率不高，則需要考慮啟動低一電壓層級規(guī)劃措施研究，并根據(jù)不同電壓層級項目解決問題的程度、可實施性、工期、投資規(guī)模、近遠期適應性等方面進行綜合對比判斷決策。低一電壓層級電網(wǎng)問題需要高一電壓層級電網(wǎng)規(guī)劃項目解決的情況較少，暫不討論。不同電壓層級規(guī)劃項目比選和決策流程方法如圖2所示。

不同電壓層級項目優(yōu)選的總體思路和原則為：若本電壓層級難以找到滿足工期和投資要求的項目，則需要啟動低電壓層級規(guī)劃項目的研究；若低電壓層級同樣難以找到滿足工期和投資要求的項目，則需要考慮根據(jù)實際情況適當調(diào)整工期要求和投資標準(該類項目一般為中心城區(qū)項目，實施難度和投資均較大)；若本電壓和低電壓層級項目均能滿足工期和投資要求，則需要從解決問題的程度、可實施性、工期、投資規(guī)模、近遠期適應性等方面進行綜合考量，近期一般選擇“易實施、工期短、低成本”的解決方案，中長期一般選擇“成效顯著、適應性強”的根本性解決方案。

4 專業(yè)聯(lián)動高效組織主配網(wǎng)項目評審

4.1 主網(wǎng)不同專業(yè)間協(xié)同聯(lián)動

主網(wǎng)工程項目評審是對規(guī)劃項目方案進一步優(yōu)化確認的關鍵環(huán)節(jié)，是對規(guī)劃方案前期階段未考慮到的各種影響因素的進一步完善和細化。規(guī)劃方案制定過程中雖然對網(wǎng)架結構、潮流及短路電流、近遠期適應性、總體可實施性及經(jīng)濟性等宏觀層面有較好的決策判斷，但是在工程具體實施細節(jié)、變電及線路方案的不確定性等方面的把控深度存在一定不足，需要在工程項目評審階段進行確認。在大型城市電網(wǎng)規(guī)劃建設過程中，由于項目可實施性、變電及線路方案的不確定性等因素影響規(guī)劃方案的情況時有發(fā)生，因此，在工程項目評審階段根據(jù)各個專業(yè)的意見反饋重新審視規(guī)劃方案的科學合理性顯得尤為重要。其中輸電線路專業(yè)、變電專業(yè)、造價專業(yè)的意見反饋是重點。主網(wǎng)工程項目評審階段，系統(tǒng)規(guī)劃專業(yè)關注的重點如下。

(1)輸電線路專業(yè)方面：線路路徑、敷設方式、線路載流量、電纜終端塔(場)設置、可實施性及工期等。

(2)變電專業(yè)方面：站址位置和條件、出線間隔數(shù)量和排列、T節(jié)點位置設置、無功補償設備布置、設備參數(shù)選型等。

(3)造價專業(yè)方面：不同技術方案的投資對比，特別是新技術、新設備的投資造價情況。

4.2 主配網(wǎng)之間協(xié)同聯(lián)動

由于主、配網(wǎng)項目工程審查的管理單位、實施單位、設計單位的不同，審查會議安排的時間和空間均存在差異，因此，主、配網(wǎng)工程的銜接容易因聯(lián)動不足而導致資源浪費。為避免主配網(wǎng)專業(yè)聯(lián)動不足情況的發(fā)生，廣州電網(wǎng)主配網(wǎng)工程審查協(xié)同在以下幾個方面進行了探索：

(1)在主網(wǎng)輸變電工程可研中考慮10 kV方案。應結合項目投產(chǎn)前后的供電分區(qū)調(diào)整情況，對優(yōu)化近區(qū)上一電壓等級站點負載率的10 kV出線調(diào)整負荷的供電方案等進行校核。

(2)主網(wǎng)工程中關注10 kV出線走廊。在主網(wǎng)工程評審階段，結合出線走廊資源條件，必要時通過技術優(yōu)化調(diào)整，為10 kV出線提供預留空間。

(3)區(qū)局配網(wǎng)規(guī)劃人員需參與主網(wǎng)可研評審。在主網(wǎng)評審階段，區(qū)局配網(wǎng)規(guī)劃人員需提前規(guī)劃配套10 kV出線供電方案及線路路徑方案。

(4)主網(wǎng)規(guī)劃人員需參與配網(wǎng)規(guī)劃、可研評審。主網(wǎng)規(guī)劃相關人員要充分發(fā)揮主觀能動性，加強主配網(wǎng)規(guī)劃統(tǒng)籌，充分關注變電站配套10 kV出線調(diào)荷項目，以及同一站點主配網(wǎng)出線工程建設時序一致性。

(5)設計單位需主動協(xié)調(diào)好主配網(wǎng)專業(yè)接口。主網(wǎng)設計單位應將該站的10 kV出線廊道方案征詢各區(qū)局配網(wǎng)規(guī)劃人員意見，在設計階段主動做好銜接。

5 結論與展望

本文以廣州電網(wǎng)規(guī)劃實際工作為基礎，針對電網(wǎng)規(guī)劃開展過程中遇到的主配網(wǎng)協(xié)同不足的問題，提出了主配協(xié)同開展“自下而上”負荷預測的方法，不同電壓層級規(guī)劃項目優(yōu)選方法，專業(yè)聯(lián)動高效組織主配網(wǎng)項目評審的方法，并在編制廣州電網(wǎng)規(guī)劃工作中實際開展運用，結果表明：

(1)負荷密集的大型城市電網(wǎng)，電網(wǎng)建設難度不斷增大，統(tǒng)籌主配網(wǎng)不同電壓等級之間的規(guī)劃協(xié)同，對于高效解決近遠期電網(wǎng)面臨的問題是有效手段之一。

(2)考慮存量和增量負荷的合理預測值、10 kV出線調(diào)整近區(qū)負荷決策方法、110 kV電網(wǎng)“3T”接線運行方案安排優(yōu)化模型，為提高110 kV，220 kV站點規(guī)劃水平年負荷預測精度，為規(guī)劃決策的合理性提供基礎保證。

(3)從解決問題的程度、可實施性、工期、投資規(guī)模、近遠期適應性等方面進行綜合考量，近期一般選擇“易實施、工期短、低成本”的解決方案，中長期一般選擇“成效顯著、適應性強”的根本解決方案，能夠有效提升不同時期、不同階段解決電網(wǎng)問題的整體效率。

(4)關注工程項目評審中主網(wǎng)不同專業(yè)之間、主配網(wǎng)專業(yè)之間的協(xié)同，可有效防止由于協(xié)同聯(lián)動不足導致資源浪費，是對規(guī)劃項目方案進一步優(yōu)化確認的關鍵環(huán)節(jié)。

負荷密集的大型城市電網(wǎng)，電網(wǎng)建設難度不斷增大，在滿足負荷增長和電網(wǎng)安全要求的前提下，如何協(xié)調(diào)不同電壓層級的資源優(yōu)勢，提升電網(wǎng)整體效益是電網(wǎng)規(guī)劃需要研究的重要方向。本文提出的方法和措施的實施效果，主要還是依賴于規(guī)劃人員的水平和經(jīng)驗進行判斷和決策，如何推進主配協(xié)同規(guī)劃關鍵方法的自動化、智能化決策，是下一步需要深入研究的方向。