基于容載比色帶的區(qū)域配電網(wǎng)充裕性分析

劉文霞， 劉其達(dá)， 鄧詩(shī)語(yǔ)， 郝 東， 劉耕銘， 劉其輝， 劉宗歧

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

0 引 言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)發(fā)、變、輸、配環(huán)節(jié)的最后一環(huán)直接與用戶相連，其充裕性直接關(guān)系到用戶的用電質(zhì)量。近年來(lái)，為滿足快速增長(zhǎng)的負(fù)荷和大量電動(dòng)汽車及分布式電源接入的需求[1]，國(guó)家投入大量資金對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造以提高供電能力和可靠性。然而部分改造后的配電網(wǎng)設(shè)備利用率和投資效率明顯下降，而可靠性提升并不顯著，主要原因在于配電網(wǎng)規(guī)劃和改造過(guò)程中，通常根據(jù)多個(gè)指標(biāo)現(xiàn)狀值與理想值之間差距的并集，設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，由于忽略了各指標(biāo)之間的關(guān)系，最終導(dǎo)致設(shè)備利用率偏低[2]。因此，如何科學(xué)評(píng)估供電充裕性成為配電網(wǎng)亟待解決的問(wèn)題。

容載比作為表征電網(wǎng)充裕性的重要指標(biāo)，是城網(wǎng)規(guī)劃時(shí)宏觀控制變電總?cè)萘?，滿足電力平衡，控制電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模和資金投入的重要依據(jù)[3，4]。在《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》(下文簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》)中規(guī)定了容載比的合理范圍[5]，但對(duì)于容載比的準(zhǔn)確取值無(wú)明確參考依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)城市配電網(wǎng)的容載比普遍高于2.0(部分地區(qū)達(dá)到2.5-2.6)，而東京、香港、新加坡等城市的容載比均低于1.6，可靠性水平卻更高，由此可見(jiàn)容載比與可靠性并非同步提高，因此在確定容載比的合理取值時(shí)，應(yīng)考慮配電網(wǎng)相關(guān)因素與容載比之間的聯(lián)系，并以此為依據(jù)對(duì)容載比進(jìn)行合理量化。

當(dāng)前容載比取值的相關(guān)研究主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是通過(guò)含參公式確定供電區(qū)域容載比合理取值。在容載比計(jì)算公式中，主要包含4個(gè)主要參數(shù)，分別為負(fù)荷發(fā)展儲(chǔ)備系數(shù)、負(fù)荷分散系數(shù)、變壓器平均功率因數(shù)和變壓器安全運(yùn)行率[6，7]。第二個(gè)階段為利用供電區(qū)域主變總?cè)萘颗c區(qū)域最大負(fù)荷的比值計(jì)算配電網(wǎng)容載比[17]，相比利用含參公式計(jì)算容載比，該方法所需參數(shù)少，參數(shù)獲取難度低，更加適合于工程應(yīng)用，但由于該方法無(wú)法體現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負(fù)荷特性的影響，因此其取值的合理性與精確度難以保證。

近年來(lái)，大量學(xué)者從容載比含參公式的參數(shù)出發(fā)開(kāi)展了容載比影響因素和優(yōu)化取值的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]考慮負(fù)荷發(fā)展儲(chǔ)備系數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、負(fù)荷特性及電網(wǎng)發(fā)展要求的關(guān)系，依據(jù)各影響因素灰色關(guān)聯(lián)度設(shè)置權(quán)重，對(duì)原有計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)負(fù)荷發(fā)展不平衡地區(qū)提出分區(qū)計(jì)算容載比的方法。文獻(xiàn)[7]針對(duì)負(fù)荷發(fā)展及電網(wǎng)建設(shè)的不確定性，首次提出了以負(fù)荷不確定系數(shù)和電網(wǎng)建設(shè)速度不確定系數(shù)為基礎(chǔ)的負(fù)荷發(fā)展儲(chǔ)備系數(shù)計(jì)算模型。文獻(xiàn)[10]基于我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)負(fù)荷分散且不均勻，主變常年輕載的狀況，對(duì)容載比計(jì)算參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。引入綜合調(diào)整系數(shù)、人口分散因子及變電站供電區(qū)域面積對(duì)負(fù)荷分散系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)；利用有功功率及變電站視在功率全年累加值之比作為變壓器平均功率因數(shù)；考慮節(jié)點(diǎn)電壓偏差及網(wǎng)絡(luò)損耗對(duì)變壓器安全運(yùn)行率進(jìn)行修正；引入負(fù)荷變化系數(shù)和電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)速度系數(shù)確定負(fù)荷發(fā)展儲(chǔ)備系數(shù)?；谝陨闲拚齾?shù)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)容載比進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[11]針對(duì)負(fù)荷分布不均衡的地區(qū)，提出了結(jié)合負(fù)荷分布特點(diǎn)分區(qū)計(jì)算容載比的方法，首先將整個(gè)供電大區(qū)域按負(fù)荷密度劃分為多個(gè)小區(qū)，再通過(guò)文獻(xiàn)[6]中容載比改進(jìn)公式計(jì)算各小區(qū)容載比，最后根據(jù)專家系統(tǒng)設(shè)置權(quán)重并對(duì)各分區(qū)容載比進(jìn)行整合從而得到整個(gè)區(qū)域容載比。文獻(xiàn)[12]考慮變電站建設(shè)經(jīng)濟(jì)性對(duì)負(fù)荷發(fā)展儲(chǔ)備系數(shù)的影響，提出了變電站擴(kuò)建容量和經(jīng)濟(jì)成本數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上提出負(fù)荷發(fā)展儲(chǔ)備系數(shù)計(jì)算模型。文獻(xiàn)[14]針對(duì)多電壓等級(jí)配電網(wǎng)各電壓等級(jí)容載比整體合理性問(wèn)題，提出包含六項(xiàng)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)體系用于多電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)性分析，并利用離散系數(shù)對(duì)負(fù)荷分散系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，最后基于以上方法建立多電壓等級(jí)配電網(wǎng)最優(yōu)容載比優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為供電區(qū)域總體容載比無(wú)法反映單個(gè)變電站供電裕度的問(wèn)題，因此提出了基于單個(gè)變電站的容載比概念。

在利用工程計(jì)算方法計(jì)算供電區(qū)域容載比方面，天津大學(xué)學(xué)者在文獻(xiàn)[17]中利用主變“N-1”原則與饋線“N-1”原則計(jì)算配電網(wǎng)最大供電能力表示容載比計(jì)算模型中最大負(fù)荷，并通過(guò)尋找聯(lián)絡(luò)規(guī)模和聯(lián)絡(luò)位置與容載比的關(guān)系，對(duì)配網(wǎng)容載比進(jìn)行優(yōu)化。該文獻(xiàn)認(rèn)為當(dāng)主變?nèi)萘?、出線間隔、接線模式及線路容量的等相關(guān)因素確定之后，通過(guò)改變供電區(qū)域網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)度及聯(lián)絡(luò)位置便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)容載比的優(yōu)化，為容載比的影響因素分析提供了新的思路。

然而，此前關(guān)于容載比的影響因素研究大多為定性分析或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行取值，并無(wú)具體量化標(biāo)準(zhǔn)。其原因在于過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致部分地區(qū)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各影響因素差異性較大，而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電網(wǎng)基本依據(jù)規(guī)劃導(dǎo)則進(jìn)行建設(shè)，并且由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備使用年限短，老舊電網(wǎng)經(jīng)改造后基本符合《導(dǎo)則》規(guī)范，因此在特定區(qū)域容載比的影響因素相對(duì)穩(wěn)定，這便為容載比的量化奠定了基礎(chǔ)。

本文基于《導(dǎo)則》對(duì)配電網(wǎng)主要參數(shù)的規(guī)定，將其與容載比主要影響因素相結(jié)合，提出了容載比量化分析的基本原理，并引入多元組概念，提出了基于十一元組的容載比色帶模型以及色帶計(jì)算流程，為供電區(qū)域容載比的合理范圍提供一種量化標(biāo)尺，并以此為基礎(chǔ)衡量電網(wǎng)規(guī)劃和改造區(qū)域的充裕性，用于指導(dǎo)配電網(wǎng)的建設(shè)和改造。

1 配電區(qū)域容載比色帶建模方法

1.1 容載比影響因素分析

容載比是指在某一供電區(qū)域內(nèi)，主變總?cè)萘颗c最大供電負(fù)荷的比值。在當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃改造中，容載比取值依據(jù)為《導(dǎo)則》所提供的參考范圍及供電區(qū)域負(fù)荷發(fā)展情況，但在配電網(wǎng)實(shí)際規(guī)劃運(yùn)行中，容載比量化計(jì)算與配電網(wǎng)多種因素有關(guān)，若僅通過(guò)負(fù)荷發(fā)展速度確定容載比難以保證取值的合理性。而《導(dǎo)則》對(duì)配電網(wǎng)供電區(qū)域類別進(jìn)行了準(zhǔn)確劃分，并對(duì)不同類別的供電區(qū)域設(shè)備選型和可靠性要求做出了明確規(guī)定，因此，為了精準(zhǔn)量化容載比，本文提取了《導(dǎo)則》中與容載比相關(guān)的主要影響因素，并建立了影響因素關(guān)聯(lián)關(guān)系，見(jiàn)圖1。

圖1 容載比影響因素層次圖Fig. 1 Hierarchical diagram of influencing factors of capacity-load ratio

《導(dǎo)則》中依據(jù)負(fù)荷重要程度及負(fù)荷密度將供電區(qū)域分為A+、A、B、C、D和E類區(qū)域，并根據(jù)供電區(qū)域類別劃分對(duì)電網(wǎng)的主要參數(shù)做出了明確規(guī)定，例如接線模式、主變?nèi)萘考皵?shù)量和供電半徑等。此外，不同區(qū)域?qū)τ诠╇娍煽啃砸蟛煌?，而可靠性作為電力系統(tǒng)的重要指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格滿足要求。因此，當(dāng)電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)及可靠性要求確定之后，供電區(qū)域主變?nèi)萘?、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也基本確定，結(jié)合供電區(qū)域不同可靠性要求下系統(tǒng)最大負(fù)荷，容載比便成為一個(gè)可以具體量化的值，與根據(jù)負(fù)荷發(fā)展情況憑經(jīng)驗(yàn)確定容載比取值不同，將配電網(wǎng)主要參數(shù)作為容載比量化分析的依據(jù)將使其取值更加準(zhǔn)確且能真實(shí)反映供電區(qū)域充裕性。

負(fù)荷作為容載比量化計(jì)算的重要參數(shù)，其取值直接影響容載比的最終結(jié)果，當(dāng)前容載比計(jì)算方法中，供電區(qū)域負(fù)荷通常選取系統(tǒng)最大負(fù)荷，但由于最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間短無(wú)法全面反映地區(qū)負(fù)荷特性，因此該方法計(jì)算得到的容載比過(guò)于保守，設(shè)備利用率較低。相比之下，年負(fù)荷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映供電區(qū)域負(fù)荷水平，其峰谷特性與可靠性指標(biāo)相結(jié)合，將使容載比取值更加合理，從而兼顧配電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。并且隨著年負(fù)荷預(yù)測(cè)及負(fù)荷曲線辨別方法的迅速發(fā)展，年負(fù)荷數(shù)據(jù)的獲取將更加便捷精準(zhǔn)[18，19]，從而為容載比計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

1.2 容載比量化原理

容載比主要影響因素根據(jù)《導(dǎo)則》要求確定之后，便可以依據(jù)以上因素對(duì)容載比進(jìn)行量化分析。以《導(dǎo)則》中B類地區(qū)為例，根據(jù)《導(dǎo)則》要求，B類地區(qū)饋線必須滿足“N-1”原則，在此約束下，可以得到各類接線模式下的最大負(fù)荷。如單環(huán)網(wǎng)接線，在滿足“N-1”原則下的最大負(fù)載率為50%，其最大負(fù)荷計(jì)算如式(1)所示，其它接線模式亦然。

(1)

式中：PL max為線路j的最大負(fù)荷；CL為線路最大負(fù)載率；SL為線路額定容量；cosφ為功率因數(shù)。

《導(dǎo)則》要求B類地區(qū)主變也應(yīng)滿足“N-1”準(zhǔn)則，考慮到主變可以在短時(shí)間內(nèi)過(guò)載運(yùn)行，因此取短時(shí)過(guò)載系數(shù)為1.3。此時(shí)變電站可以供應(yīng)的最大負(fù)荷計(jì)算公式為

(2)

式中：Rj為變電站站內(nèi)主變總?cè)萘?；Rmax為變電站內(nèi)最大的主變?nèi)萘浚籧osφ為功率因數(shù)；t為變電站內(nèi)主變數(shù)量。

綜合主變和線路在“N-1”原則下的最大負(fù)荷，供電區(qū)域在滿足“N-1”原則下的系統(tǒng)最大負(fù)荷計(jì)算公式為

(3)

在“N-1”原則下系統(tǒng)容載比可以表示為

(4)

除“N-1”原則外，《導(dǎo)則》中對(duì)各供電區(qū)域概率可靠性也給出了要求，概率可靠性原則通過(guò)統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)可靠性指標(biāo)反映系統(tǒng)可靠性水平，相比于“N-1”原則要求主變或線路負(fù)荷值必須低于某一具體數(shù)值，概率可靠性原則僅要求可靠性指標(biāo)滿足《導(dǎo)則》要求，而對(duì)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)負(fù)荷具體值并無(wú)要求，因此概率可靠性原則下，系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的硬性約束要求更低，可供應(yīng)的負(fù)荷峰值更大，設(shè)備利用率和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)更好。

線路或變電站的供電負(fù)荷，隨著種類和占比的不同，其年負(fù)荷曲線具有較為明顯的差異和規(guī)律。當(dāng)負(fù)荷曲線形狀明確的條件下，可以采用序貫蒙特卡洛算法通過(guò)不斷變化最大負(fù)荷求得概率可靠性指標(biāo)，獲得滿足規(guī)定可靠性要求下的供電區(qū)域的最大負(fù)荷PS max，該值通常情況下要大于PN max，其具體差異取決于負(fù)荷曲線的形狀，此時(shí)容載比為

(5)

為了更加清楚地說(shuō)明不同可靠性原則下最大負(fù)荷及容載比的關(guān)系，以圖2為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 不同可靠性原則下最大負(fù)荷關(guān)系圖Fig. 2 Maximum load relationship diagram based on different reliability principles

圖2中曲線1為滿足“N-1”原則負(fù)荷曲線，曲線2為滿足概率可靠性要求負(fù)荷曲線，陰影部分為不同可靠性原則下負(fù)荷差值。在“N-1”原則下，供電區(qū)域最大負(fù)荷不應(yīng)超過(guò)PN max，此時(shí)負(fù)荷取值較小，系統(tǒng)發(fā)生單一故障時(shí)供電可靠性高，但經(jīng)濟(jì)性較差；概率可靠性原則下，當(dāng)可靠性指標(biāo)滿足要求時(shí)，負(fù)荷曲線峰值負(fù)荷便可以滿足系統(tǒng)可靠性要求，此時(shí)峰值負(fù)荷不應(yīng)超過(guò)PSmax，高于此負(fù)荷值系統(tǒng)將無(wú)法滿足概率可靠性要求。

可見(jiàn)，在可靠性參數(shù)一致的區(qū)域，由于不同可靠性要求將得到不同負(fù)荷值，進(jìn)而影響容載比取值，如圖3所示。因此，可以從理論上優(yōu)先獲取容載比量化的理想值，再以此為參考結(jié)合實(shí)際負(fù)荷信息判斷區(qū)域容載比的合理性。

圖3 容載比合理范圍示意圖Fig. 3 Schematic diagram of reasonable range of capacity-load ratio

如果再考慮配電自動(dòng)化覆蓋程度、供電半徑差異等因素，圖3中容載比標(biāo)度值也將發(fā)生變化。

1.3 基于多元組的容載比色帶參數(shù)建模

為了給電網(wǎng)滾動(dòng)規(guī)劃提供有效的充裕性判斷依據(jù)，本文提出了容載比色帶的概念，以表征不同電網(wǎng)參數(shù)(取值依據(jù)為《導(dǎo)則》要求和實(shí)際電網(wǎng)參數(shù))和可靠性約束下容載比理想?yún)⒖挤秶?。首先根?jù)《導(dǎo)則》要求和實(shí)際電網(wǎng)參數(shù)，建立各類供電區(qū)域容載比求解模型并求解相應(yīng)的RN-1與RS, 而后將不同配電自動(dòng)化占比情況下的容載比合理范圍進(jìn)行組合，從而形成容載比合理范圍參考色帶，如圖4所示。

圖4 容載比色帶Fig. 4 Color band of capacity-load ratio

圖4中，RN-1為滿足“N-1”原則時(shí)供電區(qū)域容載比色帶上限，此時(shí)供電區(qū)域可靠性最高，容載比最大；RS為供電區(qū)域在不同配電自動(dòng)化占比情況下滿足概率可靠性要求時(shí)的容載比色帶下限，此時(shí)供電區(qū)域可靠性滿足《導(dǎo)則》要求，供電負(fù)荷最大，容載比最小；Rx為供電區(qū)域容載比色帶取值橫軸，a1、a2…a15為容載比取值橫軸具體刻度；Da為配電自動(dòng)化占比。

為了更加清楚地表達(dá)容載比色帶建模需要的信息，本文采用多元組理論建立計(jì)算參數(shù)模型。多元組由三部分組成：邊界符、分隔符和元素，邊界符通常選用小括號(hào)，分隔符選用逗號(hào)。以二元組為例，其具體形式如式(6)所示：

Z=(V,E)

(6)

式中：Z為二元組描述目標(biāo)；V和E均為二元組元素。

對(duì)于容載比色帶來(lái)說(shuō)，不同影響因素下的色帶可以由多元組表示為D，即多元組描述目標(biāo)，將影響容載比取值的主要計(jì)算參數(shù)視為多元組元素，則色帶可通過(guò)十一元組進(jìn)行表示，即：

D=(A,Te,Le,LSeh,Ceh,R,Seeh,F,Da,Peh,N)

(7)

式中：A為供電區(qū)域類型；Te為供電區(qū)域變電站主變e的容量；Le為主變e的10 kV側(cè)出線數(shù)量；LSeh為主變e出線h的線路容量；Ceh為主變e出線h的典型接線模式，主要包括4種典型接線，分別為單輻射接線、多分段多聯(lián)絡(luò)接線、單環(huán)網(wǎng)接線和“N供一備”接線；R為10kV線路平均供電半徑；Seeh為主變e出線h的分段數(shù)及各段線路長(zhǎng)度，F(xiàn)為主變、線路及開(kāi)關(guān)等設(shè)備的故障率；Da為供電區(qū)域各出線配電自動(dòng)化占比；Peh為主變e出線h的年負(fù)荷數(shù)據(jù)；N為供電區(qū)域線路平均用戶數(shù)。

2 基于多元組的容載比色帶求解方法

依據(jù)《導(dǎo)則》中的供電分區(qū)和主變數(shù)量及容量要求，可獲得該區(qū)域Te值，十一元組其余元素Le、LSeh、Ceh、R、Seeh、F、Da、Peh和N也可依據(jù)導(dǎo)則和實(shí)際情況確定。在此條件下，求得變電站在不同可靠性要求下可以供應(yīng)的最大負(fù)荷即可求得容載比，結(jié)合不同配電自動(dòng)化占比Da即可實(shí)現(xiàn)色帶建立，具體過(guò)程分為4步：

(1)多元組中各元素的確定；

(2)“N-1”原則下供電區(qū)域最大負(fù)荷求解；

(3)概率可靠性原則下供電區(qū)域最大負(fù)荷求解；

(4)容載比合理區(qū)間的確定與參考色帶的繪制。

2.1 “N-1”原則下供電區(qū)域最大負(fù)荷求解

以圖5為例介紹基于十一元組的容載比色帶求解流程，首先對(duì)“N-1”原則下供電區(qū)域求解過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

圖5 供電區(qū)域示意圖Fig. 5 Schematic diagram of power supply area

假設(shè)該供電區(qū)域?yàn)锽類區(qū)域，則十一元組中元素A確定；主變高壓側(cè)電壓等級(jí)為110 kV，低壓側(cè)為10 kV，根據(jù)《導(dǎo)則》要求，變電站應(yīng)有2～3臺(tái)主變，單臺(tái)主變?nèi)萘靠梢詾?3 MVA、50 MVA或40 MVA，因此元素Te可以確定；容量為63 MVA的主變10 kV出線間隔數(shù)應(yīng)為12及以上，50 MVA和40 MVA主變出線間隔數(shù)應(yīng)為8～14，根據(jù)此要求元素Le可以確定；在此三種主變?nèi)萘肯碌募芸站€路截面積的選擇包括240 mm2、185 mm2和150 mm2，電纜線路截面積選擇為400 mm2、300 mm2或240 mm2，根據(jù)線路截面積并結(jié)合線路型號(hào)便可以確定線路容量LSeh；此外《導(dǎo)則》對(duì)B類地區(qū)推薦的接線方式為多分段適度聯(lián)絡(luò)接線和單環(huán)網(wǎng)或“N供一備”接線，根據(jù)供電區(qū)域?qū)嶋H需求可以確定元素Ceh，當(dāng)十一元組中上述參數(shù)依據(jù)《導(dǎo)則》確定之后，便可以對(duì)容載比在“N-1”原則及概率可靠性原則下的最大負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

基于“N-1”原則，結(jié)合《導(dǎo)則》中不同供電分區(qū)推薦接線模式，利用式(1)可以得到各典型接線在滿足“N-1”原則時(shí)的最大負(fù)荷，記為PLmax。其余各典型接線在“N-1”原則下的最大利用率及最大負(fù)荷如表1所示。

表1 “N-1”原則下各接線模式最大負(fù)荷

將各接線的最大負(fù)荷PLmax相加即可得到供電區(qū)域在滿足“N-1”原則下的線路最大負(fù)荷。同時(shí)考慮主變“N-1”原則，結(jié)合十一元組元素，由式(2)計(jì)算得到主變最大負(fù)荷PTmax，并通過(guò)式(3)計(jì)算得到供電區(qū)域在“N-1”原則下的最大負(fù)荷PNmax。

2.2 概率可靠性約束下供電區(qū)域最大負(fù)荷求解

對(duì)于概率可靠性要求下供電區(qū)域最大負(fù)荷求解，關(guān)鍵在于可靠性指標(biāo)的選取和計(jì)算。本文選取的可靠性指標(biāo)為系統(tǒng)平均供電可用率ASAI(Average service availability index)，該指標(biāo)由于能夠綜合的反映系統(tǒng)實(shí)際可靠性水平，因此應(yīng)用廣泛，其具體計(jì)算方式如下：

(8)

式中：8 760為單位年度總小時(shí)數(shù)；Uij為變電站i的出線j上的負(fù)荷點(diǎn)年停電時(shí)間；nij為變電站i的出線j上的負(fù)荷點(diǎn)用戶數(shù)；B為供電區(qū)域變電站集合；X為變電站i低壓側(cè)出線集合；G為變電站i低壓側(cè)故障線路集合。

《導(dǎo)則》中對(duì)不同區(qū)域平均供電可用率具體要求如表2所示。本文通過(guò)序貫蒙特卡洛模擬法結(jié)合供電區(qū)域負(fù)荷曲線計(jì)算供電區(qū)域的ASAI，并通過(guò)改變負(fù)荷曲線整體負(fù)荷來(lái)推算供電區(qū)域在達(dá)到可靠性指標(biāo)要求下的最終負(fù)荷。

表2 不同供電分區(qū)ASAI要求Tab.2 ASAI requirements for different power supply areas

與“N-1”原則不同，可靠性指標(biāo)的計(jì)算不僅與電網(wǎng)設(shè)備故障率、修復(fù)時(shí)間等元件特性有關(guān)，還涉及到供電區(qū)域負(fù)荷特性及用戶數(shù)量，因此概率可靠性原則下配電網(wǎng)最大負(fù)荷的計(jì)算需要獲取十一元組中的R、Seeh、F、Peh和N元素。

同樣以圖5為例，《導(dǎo)則》要求B類地區(qū)10 kV線路供電半徑不宜超過(guò)3 km，因此元素R可以確定，并且為了使色帶與配電網(wǎng)實(shí)際條件更加接近，本文在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大了平均供電半徑范圍；線路分段數(shù)及各段長(zhǎng)度可根據(jù)供電區(qū)域?qū)嶋H情況確定，本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)所有接線模式均為兩分段，且各分段長(zhǎng)度相同，元素Seeh確定，以上元素確定之后結(jié)合配電網(wǎng)設(shè)備故障率F、年負(fù)荷數(shù)據(jù)Peh及各線路平均用戶數(shù)N，便可對(duì)供電區(qū)域概率可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

利用序貫蒙特卡洛模擬法計(jì)算ASAI[20]，并推算可靠性指標(biāo)要求下系統(tǒng)最大負(fù)荷的具體流程如下：

步驟1：設(shè)置模擬時(shí)鐘總仿真時(shí)常為T，假設(shè)共有n個(gè)元件，則隨機(jī)產(chǎn)生n個(gè)0至1之間的隨機(jī)數(shù)，根據(jù)每個(gè)元件狀態(tài)模型的故障轉(zhuǎn)移率λ及修復(fù)轉(zhuǎn)移率μ求得第i個(gè)元件的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間TTFi和故障修復(fù)時(shí)間TTRi，將各元件TTFi與TTRi進(jìn)行累加得到元件故障時(shí)間點(diǎn)TTFRi計(jì)入鏈表，并進(jìn)行下一次元件TTFi與TTRi抽樣，直到TTFRi大于等于總仿真時(shí)常T時(shí)結(jié)束抽樣；

步驟2：找出最小的TTFRi，確定元件i在此時(shí)對(duì)應(yīng)的故障修復(fù)時(shí)間TTRi，并確定元件i所在位置，判斷負(fù)荷點(diǎn)故障狀態(tài)并計(jì)算故障時(shí)間，若故障處負(fù)荷無(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)供或隔離故障恢復(fù)供電則故障時(shí)間為TTRi，若故障處負(fù)荷可以通過(guò)轉(zhuǎn)供或隔離故障恢復(fù)供電則故障時(shí)間為轉(zhuǎn)供或隔離恢復(fù)時(shí)間，將模擬時(shí)鐘推進(jìn)到 TTFR=TTFRi+TTRi；

步驟3：判斷模擬時(shí)鐘是否跨年，如跨年則采用式(8)計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，未跨年則將負(fù)荷點(diǎn)停電時(shí)間進(jìn)行累加并執(zhí)行步驟4；

步驟4：尋找元件故障時(shí)間點(diǎn)鏈表中與TTFR相同的值，若存在則確定為新的故障元件故障時(shí)間起始值，并找到對(duì)應(yīng)的TTRi，確定元件i所在位置，判斷負(fù)荷點(diǎn)故障狀態(tài)并累加故障時(shí)間，將模擬時(shí)鐘推進(jìn)到 TTFR=TTFRi+TTRi。若不存在此TTFR則進(jìn)行步驟5；

步驟5：將模擬時(shí)鐘向前推進(jìn)，令TTFR=TTFR+1；

步驟6：判斷模擬時(shí)鐘是否達(dá)到模擬時(shí)間長(zhǎng)度或可靠性指標(biāo)滿足收斂條件，若達(dá)到則執(zhí)行步驟7，未達(dá)到則返回步驟3；

步驟7：仿真結(jié)束，計(jì)算得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)ASAI；

步驟8：將仿真結(jié)果ASAI與《導(dǎo)則》要求進(jìn)行對(duì)比，若ASAI高于(低于)《導(dǎo)則》要求，則增加(降低)負(fù)荷曲線整體負(fù)荷，并重復(fù)步驟1～7，直到仿真計(jì)算結(jié)果中ASAI不再滿足《導(dǎo)則》要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，記錄負(fù)荷增加(降低)前負(fù)荷曲線最大負(fù)荷作為概率可靠性原則下的最大負(fù)荷PSmax，若負(fù)荷達(dá)到供電區(qū)域設(shè)備滿載負(fù)荷值時(shí)，ASAI仍然滿足《導(dǎo)則》要求，則記錄此時(shí)負(fù)荷曲線的最大負(fù)荷，作為容載比概率可靠性原則下的最大負(fù)荷PSmax。

由于配電自動(dòng)化對(duì)概率可靠性指標(biāo)影響較大，且不同地區(qū)配電自動(dòng)化水平不同，為了使色帶能夠給自動(dòng)化水平不同的各類地區(qū)容載比提供參考，本文通過(guò)改變配電自動(dòng)化的占比，重復(fù)可靠性指標(biāo)計(jì)算步驟，得到不同配電自動(dòng)化水平下的最大負(fù)荷PSmax，并通過(guò)式(5)計(jì)算得到概率可靠性原則下容載比色帶下限。為了加快計(jì)算速度，使最終結(jié)果與配電網(wǎng)實(shí)際情況更加接近，令配電網(wǎng)負(fù)荷曲線每次增加0.1 MW，配電自動(dòng)化占比從0%開(kāi)始，每次提升10%至100%停止。

2.3 容載比色帶求解流程

根據(jù)2.1與2.2節(jié)所述內(nèi)容，容載比色帶的建立過(guò)程如圖6所示。

圖6 容載比色帶求解流程圖Fig. 6 Flowchart of color band of capacity-load ratio solution

3 算 例

假設(shè)算例配網(wǎng)為B類供電區(qū)域，其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖7所示，以《導(dǎo)則》對(duì)B類地區(qū)相關(guān)設(shè)備及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)要求為依據(jù)，變電站1至3的主變?nèi)萘縏e均為100 MVA(2×50 MVA)，10 kV側(cè)母線均為單母線兩分段結(jié)構(gòu)；各變電站10 kV側(cè)出線數(shù)量Le均為10條，電網(wǎng)接線模式Ceh主要包括兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線、單環(huán)網(wǎng)接線、兩供一備接線和三供一備接線模式，各線路均由分段開(kāi)關(guān)均勻分為兩段；架空線路型號(hào)為JKLYJ/Q-185容量LSeh為7.2 MVA，電纜線路型號(hào)為YJY22-3*300，容量LSeh為9.4 MVA；供電區(qū)域平均供電半徑R為2.8 km；供電區(qū)域各線路負(fù)荷Peh選用5種負(fù)荷曲線代表區(qū)域負(fù)荷。

圖7 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 7 Illustration of test system

3.1 “N-1”原則下供電區(qū)域容載比計(jì)算

當(dāng)十一元組中元素A、Te、Le、LSeh和Ceh確定以后，便可以對(duì)“N-1”原則下供電區(qū)域容載比進(jìn)行計(jì)算。

基于線路“N-1”原則，結(jié)合10 kV線路接線模式Ceh、變壓器出線數(shù)量Le和線路容量LSeh，通過(guò)式(1)可以得到算例電網(wǎng)在“N-1”原則下的線路最大負(fù)荷，其中功率因數(shù)取0.9，具體結(jié)果如表3所示。

表3 “N-1”原則下線路最大負(fù)荷Tab.3 Maximum load of line based on "N-1" principle

基于主變“N-1”原則結(jié)合式(2)可以計(jì)算得到各變電站最大負(fù)荷，功率因數(shù)取0.9，具體結(jié)果如表4所示。

表4 “N-1”原則下變電站最大負(fù)荷Tab.4 Maximum load of substation based on"N-1" principle

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)可以計(jì)算得到該配電網(wǎng)在滿足“N-1”原則時(shí)的最大負(fù)荷PNmax為175.5 MW，此時(shí)電網(wǎng)容載比為1.71。

3.2 概率可靠性原則下供電區(qū)域容載比計(jì)算

在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行概率可靠性計(jì)算時(shí)主要考慮的元件故障包括：主變故障、母線故障、10kV線路故障、斷路器故障、分段開(kāi)關(guān)故障及配電變壓器故障等。B類地區(qū)ASAI要求為99.965%。假設(shè)各線路負(fù)荷均勻分布，且線路平均用戶數(shù)N為1 000戶。

根據(jù)以上條件可以確定十一元組中元素R、Seeh、F、Peh和N，假設(shè)該區(qū)域配電自動(dòng)化占比Da為0%，根據(jù)十一元組中已知元素，采用2.2節(jié)所述方法，可以計(jì)算配系統(tǒng)最大負(fù)荷與ASAI及容載比的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 最大負(fù)荷與ASAI、容載比關(guān)系Fig. 8 Relationship between maximum load and ASAI

由圖8可知，配電網(wǎng)ASAI隨著負(fù)荷的增大首先呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，在最大負(fù)荷超過(guò)175.504后ASAI下降趨勢(shì)增大，當(dāng)最大負(fù)荷超過(guò)220.304 MW時(shí)突然驟降，其主要原因?yàn)椋寒?dāng)負(fù)荷未超過(guò)175.504 MW時(shí)，供電區(qū)域負(fù)荷較小，最大負(fù)荷滿足“N-1”原則，此時(shí)停電時(shí)間主要受故障隔離及負(fù)荷恢復(fù)、轉(zhuǎn)供時(shí)間影響，由于故障導(dǎo)致削負(fù)荷的用戶停電時(shí)間占比極小，因此隨著負(fù)荷的增大，配電網(wǎng)故障后果變化并不明顯；當(dāng)負(fù)荷位于175.504 MW與220.304 MW之間時(shí)，供電區(qū)域負(fù)荷相對(duì)較小，由于負(fù)荷曲線的峰谷特性，曲線峰值及其附近少量負(fù)荷超出“N-1”原則時(shí)的最大負(fù)荷，不再滿足“N-1”原則，故障導(dǎo)致削負(fù)荷的用戶數(shù)增多，停電時(shí)間占比增大，隨著負(fù)荷的增大，配電網(wǎng)故障后果變化相對(duì)明顯，ASAI呈現(xiàn)加速下降趨勢(shì)；當(dāng)最大負(fù)荷超出220.304 MW時(shí)，此時(shí)區(qū)域整體負(fù)荷較大，負(fù)荷曲線多數(shù)負(fù)荷不再滿足“N-1”原則，且每次負(fù)荷增加都會(huì)產(chǎn)生大量不滿足“N-1”原則的“新負(fù)荷”，并進(jìn)一步增大之前不滿足“N-1”原則的負(fù)荷削減量，因此每次負(fù)荷增大都會(huì)導(dǎo)致ASAI急劇下降。

當(dāng)負(fù)荷增大到253.904 MW，此時(shí)ASAI約為99.969 4%滿足《導(dǎo)則》要求的B類區(qū)域最低標(biāo)準(zhǔn)99.965%，但若繼續(xù)增加負(fù)荷則會(huì)導(dǎo)致主變或供電線路在正常運(yùn)行狀態(tài)下過(guò)載，因此將此時(shí)系統(tǒng)最大負(fù)荷視為概率可靠性要求下的配電網(wǎng)最大負(fù)荷，即PS max，則配電網(wǎng)在滿足概率可靠性要求下的容載比最小值為1.18。

由于平均供電半徑對(duì)線路故障次數(shù)具有重要影響，直接影響概率可靠性原則下系統(tǒng)容載比取值，并且在實(shí)際電網(wǎng)中，供電區(qū)域供電半徑與導(dǎo)則要求有一定差異，為了使容載比色帶與電網(wǎng)實(shí)際情況更加接近，因此通過(guò)改變算例網(wǎng)架平均供電半徑R，得到不同平均供電半徑下最大負(fù)荷與ASAI的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 不同R與ASAI關(guān)系Fig. 9 Relationship between different R and ASAI

除了平均供電半徑R影響供電區(qū)域ASAI，配電自動(dòng)化占比Da同樣影響系統(tǒng)供電可靠性，當(dāng)算例網(wǎng)架R為3.8 km時(shí)為例，Da與ASAI的關(guān)系如圖10所示，因此同一地區(qū)在不同的配電自動(dòng)化水平下，容載比色帶也會(huì)有所區(qū)別。

圖10 不同Da下最大負(fù)荷與ASAI關(guān)系Fig. 10 Relationship between maximum load and ASAI at different Da

由圖10可知，在十一元組其他元素相同的情況下，當(dāng)供電區(qū)域Da較高(Da=100%)時(shí)ASAI同樣較高，滿足《導(dǎo)則》要求時(shí)供電區(qū)域最大負(fù)荷可以使變電設(shè)備或線路達(dá)到滿載狀態(tài)，因此RS較小，容載比合理范圍較大；而當(dāng)區(qū)域內(nèi)Da相對(duì)較高(Da=60%～90%)時(shí)，ASAI在部分負(fù)荷水平下滿足《導(dǎo)則》要求，此時(shí)供電區(qū)域最大負(fù)荷無(wú)法達(dá)到滿載水平，因此RS較大，容載比合理范圍較小；由于R過(guò)大或線路故障率過(guò)高，當(dāng)區(qū)域內(nèi)Da較小(Da=0%～50%)時(shí)，供電區(qū)域ASAI無(wú)法滿足《導(dǎo)則》要求，因此不再考慮此類配電自動(dòng)化占比情況下容載比合理范圍。而當(dāng)供電區(qū)域R較小或線路故障率較低，例如本算例R=2.8 km時(shí)，即使配電自動(dòng)化占比為0%，供電區(qū)域達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)的ASAI為99.969 4%，高于《導(dǎo)則》最低要求，若繼續(xù)提升配電自動(dòng)化覆蓋率只會(huì)提升系統(tǒng)可靠性而不會(huì)對(duì)容載比取值產(chǎn)生影響，因此在此類情況下認(rèn)為容載比合理范圍在Da為0%～100%時(shí)相同。

3.3 容載比色帶建立

根據(jù)3.1節(jié)與3.2節(jié)所得結(jié)果，可以建立B類區(qū)域容載比色帶，考慮到實(shí)際區(qū)域平均供電半徑R具有一定差異，因此考慮不同R下容載比色帶并建立容載比色帶參考表，如表5所示，將此表作為B類區(qū)域容載比參考標(biāo)準(zhǔn)，為同類或相似供電區(qū)域容載比合理取值提供指導(dǎo)與參考。

表5 容載比色帶參考表Tab.5 Reference table of capacity-to-load ratio color band

3.4 容載比色帶應(yīng)用

容載比色帶表建立之后，可在電網(wǎng)升級(jí)改造中利用該表判斷區(qū)域配網(wǎng)充裕程度，根據(jù)實(shí)際容載比與色帶偏差采取相應(yīng)措施對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行投資改造。容載比色帶能夠有效解決現(xiàn)有《導(dǎo)則》對(duì)容載比取值規(guī)定比較粗糙的問(wèn)題，為規(guī)劃人員在進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃改造時(shí)提供更詳細(xì)的理論支撐，提高投資效率。

本文以某市B類地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)為例，用于說(shuō)明容載比色帶使用方法。該地區(qū)十一元組元素與色帶十一元組元素對(duì)比如表6所示。

表6 供電區(qū)域與色帶差異元素

在該供電區(qū)域中，系統(tǒng)年最大負(fù)荷為147.6 MW，變電容量為300 MVA，容載比為2.03。該供電區(qū)域的十一元組元素與典型供電區(qū)域色帶十一元組元素有7種元素相同，僅4種元素存在較小差異，分別為L(zhǎng)e、Ceh、R及Neh，因此采用此色帶參考表確定該區(qū)域容載比合理范圍具有較強(qiáng)的參考意義。

該供電區(qū)域平均供電半徑為3.86 km，選用平均供電半徑為3.8 km的色帶作為參考，配電自動(dòng)化覆蓋率為60%。由表5可知，在此供電半徑下，當(dāng)配電自動(dòng)化覆蓋率為60%時(shí)，容載比合理范圍為1.30～1.71，但由于十一元組中Le、Ceh、R及Neh與色帶元素不同，且元素差異均對(duì)可靠性存在負(fù)面影響，因此相比容載比色帶提供的合理范圍，應(yīng)適當(dāng)增加容載比取值，以修正元素差異對(duì)容載比的影響，因此最終認(rèn)定該區(qū)域合理取值范圍為1.33～1.75。

與容載比合理范圍相比，供電區(qū)域容載比遠(yuǎn)大于色帶參考范圍，說(shuō)明該區(qū)域供電充裕性過(guò)剩，設(shè)備容量配置較大，考慮到電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性及設(shè)備的高效利用，該區(qū)域在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中不宜繼續(xù)增大變電容量。而通過(guò)進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)5類負(fù)荷曲線中最大負(fù)荷偏差為1.096 MW，負(fù)荷分布不均勻，從而導(dǎo)致供電區(qū)域整體負(fù)荷雖然滿足“N-1”原則但部分線路負(fù)荷較大難以滿足“N-1”原則，降低區(qū)域可靠性水平，因此應(yīng)加大投入進(jìn)行線路改造并切改負(fù)荷，使線路負(fù)荷趨于平衡；此外，與該區(qū)域近年來(lái)實(shí)際故障數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)人工維修故障時(shí)間遠(yuǎn)超同類地區(qū)平均值約1.2小時(shí)，主要原因在于部分未實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的線路故障檢測(cè)定位時(shí)間較長(zhǎng)，約占故障恢復(fù)時(shí)間的60%，嚴(yán)重影響供電可靠性，因此建議該地區(qū)進(jìn)一步提高配電自動(dòng)化，降低故障檢測(cè)定位時(shí)間；除提高配電自動(dòng)化占比以外，在對(duì)負(fù)荷未達(dá)到PN max時(shí)的故障后果進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然主變及線路非故障段發(fā)生故障時(shí)，負(fù)荷能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)供，停電時(shí)間較短，但線路故障段負(fù)荷及故障配變所帶負(fù)荷仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，因此若供電區(qū)域內(nèi)存在重要負(fù)荷應(yīng)提高線路分段數(shù)或增加臺(tái)區(qū)配變數(shù)量，從而保證重要負(fù)荷的不間斷供電，并提高區(qū)域供電可靠性。綜上所述，該供電區(qū)域可將投資重心放到線路改造建設(shè)及配電自動(dòng)化占比提升方面，選取合理的接線模式及線路分段數(shù)，在保證供電區(qū)域可靠性滿足《導(dǎo)則》要求的基礎(chǔ)上切改負(fù)荷，并為重要負(fù)荷增設(shè)備用配變，提高供電可靠性，使容載比達(dá)到或更加接近色帶合理范圍，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的合理配置。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)當(dāng)前《導(dǎo)則》對(duì)容載比量化取值依據(jù)不足，取值范圍過(guò)于粗略的問(wèn)題提出了容載比色帶概念?；诙嘣M建立了容載比色帶十一元組模型，并結(jié)合“N-1”原則和概率可靠性要求，提出了容載比合理范圍求解方法及色帶建立流程；最后通過(guò)B類區(qū)域典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立容載比色帶，并以某市實(shí)際供電區(qū)域?yàn)槔f(shuō)明了容載比色帶使用方法。算例結(jié)果表明：(1)相比《導(dǎo)則》規(guī)定容載比合理范圍，本文結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)及供電可靠性要求，所得容載比范圍通常小于導(dǎo)則規(guī)定，表明當(dāng)前電網(wǎng)充裕度仍有較大改進(jìn)空間，可結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)特性進(jìn)行針對(duì)性改造，如提升配電自動(dòng)化占比等，進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備利用率；(2)十一元組元素來(lái)源于《導(dǎo)則》規(guī)定及實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可以形成清晰的查找列表，取值方便且真實(shí)反映地區(qū)特性，在電網(wǎng)實(shí)際建設(shè)中有較好的實(shí)用性；(3)接線模式、平均供電半徑及配電自動(dòng)化占比是影響容載比色帶取值重要因素，在容載比色帶實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)元素差異性適當(dāng)調(diào)整容載比范圍。

因篇幅及電網(wǎng)相關(guān)資料限制，本文未給出容載比與電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)投資的量化關(guān)系模型，后續(xù)將加強(qiáng)容載比色帶與經(jīng)濟(jì)投資的研究，進(jìn)一步細(xì)化容載比色帶與經(jīng)濟(jì)投資的數(shù)學(xué)關(guān)系，為配電網(wǎng)充裕性與經(jīng)濟(jì)性的合理結(jié)合提供精準(zhǔn)可靠的理論支撐。