電力系統(tǒng)規(guī)劃設計研究

許成哲，回俊龍

(國網吉林省電力有限公司長春供電公司，長春 130000)

合理的電力系統(tǒng)規(guī)劃設計對于城市電力系統(tǒng)建設和穩(wěn)定運營具有重要意義。電力負荷分配、電力網絡構建于電力企業(yè)而言都要在規(guī)劃設計方面進行深入研究，確保智能化電網的可靠建設，為社會各行業(yè)的發(fā)展提供動力。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)劃設計融合了更多的智能化算法，通過搭建數(shù)學模型加速計算，獲得了質量更好的規(guī)劃設計方案。

1 電力系統(tǒng)規(guī)劃設計原則

在進行電力系統(tǒng)規(guī)劃設計時，電力企業(yè)應遵循周期性原則、成本合理性原則及安全性原則。周期性原則的關鍵是為規(guī)劃設計限定一定的周期，通過合理的計劃安排確保各項設計工作順利開展，避免出現(xiàn)工程無法按時完成的情況[1]。在成本方面，電力企業(yè)需結合資金預算對規(guī)劃設計中的結構類型、線路安排、設備選型等進行全面評估，在確保工程滿足用電要求的情況下減少不必要的成本支出，同時將后續(xù)的維修保養(yǎng)、升級換代支出考慮在內，盡可能提升規(guī)劃設計結果的性價比。在安全方面，系統(tǒng)規(guī)劃設計人員要通過嚴密的計算確定系統(tǒng)運行過程中對各類故障情況的應對能力，盡可能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，避免出現(xiàn)安全隱患，導致電網運行事故。

2 電力系統(tǒng)規(guī)劃組成

電力系統(tǒng)規(guī)劃可分為擴展規(guī)劃和運行規(guī)劃兩類，規(guī)劃工作的有序開展需要借助最優(yōu)化求解、預測等技術方法來實現(xiàn)。在擴展規(guī)劃過程中，要針對負荷等發(fā)展情況開展規(guī)劃，而相關數(shù)據(jù)結果則要依靠預測，在掌握負荷發(fā)展趨勢的基礎上，對輸配電系統(tǒng)、發(fā)電機組相關項目進行更精準地規(guī)劃和建設。擴展規(guī)劃主要分為兩個階段，即發(fā)電規(guī)劃和電網規(guī)劃。在發(fā)電規(guī)劃方面，要從發(fā)電廠的擴建方面入手，在目標廠址做好發(fā)電廠容量、使用年限、設備選型、發(fā)電類型等各項內容的確定工作。在明確發(fā)電規(guī)劃的情況下，開展電網規(guī)劃，針對性地開展線路回路、電壓等級、輸電方式、線路起止點等各項內容的規(guī)劃。擴展規(guī)劃可以采用單一目標優(yōu)化策略，如線性規(guī)劃方法，在確保負荷增長需求得到滿足的情況下，對環(huán)境、技術、系統(tǒng)可靠性、能源等方面進行約束，基于控制系統(tǒng)投資及運行成本方式開展線性規(guī)劃。多目標規(guī)劃相對復雜，但在眾多算法技術的支持下，能夠更精確地做好預測、規(guī)劃，實際操作中，可以借助仿真模擬等方式對規(guī)劃結構進行評估驗證。一般而言，發(fā)電規(guī)劃工作具有18～19年的規(guī)劃周期，電網規(guī)劃則多為5～14年的規(guī)劃周期，在規(guī)劃的同時，要通過財政分析法對規(guī)劃方案進行可行性分析。要確保規(guī)劃方案符合電力系統(tǒng)未來發(fā)展需求，利用各種算法做好負荷未來增長、能源資源需求、投資可能性等預測工作。

電力能源已深入各行各業(yè)，市場對電力資源的需求也在不斷增長，電網電壓、電網規(guī)模和容量持續(xù)擴大。為了應對市場環(huán)境變化，要重視電力系統(tǒng)運行規(guī)劃。設計、技術研究尤為重要，設計單位要將規(guī)劃作為一項重點工作，循序漸進有序開展，做好電力系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計，對各區(qū)域電網運行需求進行分析，要從多方面入手為規(guī)劃工作提供精準可靠的一手資料，提升電力技術水平，為系統(tǒng)規(guī)劃設計提供精準的預測結構，確保后續(xù)各項工程有序開展。運行規(guī)劃工作目標是為電力系統(tǒng)運行提供最優(yōu)方案，在確保供電可靠的情況下，實現(xiàn)對運維成本的最優(yōu)控制，其規(guī)劃類型包括短期和中期規(guī)劃。在中期規(guī)劃中，電力公司要針對發(fā)電廠設備制定相應的停電維修計劃，避免停機計劃制定不合理而影響電能的持續(xù)供應。要做好水庫季節(jié)性調度，充分考慮不同季節(jié)的發(fā)電成本，做好水庫水量的優(yōu)化控制，實現(xiàn)發(fā)電效益的最大化。要對核電、火電燃料的穩(wěn)定供應制定相應的計劃，對燃料利用率做好控制，基于可持續(xù)發(fā)展目標，實現(xiàn)資源利用率的進一步優(yōu)化提升。運行規(guī)劃的目標是降低系統(tǒng)運行成本，短期規(guī)劃是在中期規(guī)劃基礎上為運行調度模式的精細化管控提供指引。

3 電力系統(tǒng)規(guī)劃設計步驟

電力系統(tǒng)規(guī)劃設計過程中，設計人員要分析負荷情況，通過計算來預估區(qū)域內的負荷需求，通過調查研究確定區(qū)域內的能源分布，記錄電站的供電區(qū)域，結合實際情況設計電網結構布局。要準確獲取能源分布、電站供電范圍、運輸情況、負荷情況等信息數(shù)據(jù)，提取有效的信息數(shù)據(jù)，與預測結果進行對比分析，確認電源設計、負荷安排方式，制定相應的電網布局方案，通過優(yōu)化設計、可行性分析確定最終的規(guī)劃設計方案。

4 電力系統(tǒng)規(guī)劃設計的應用

4.1 電源規(guī)劃

在規(guī)劃設計前，要明確電源情況，確定電源的具體分布，為電力系統(tǒng)規(guī)劃奠定基礎。具體操作過程中，要先明確工程范圍，結合區(qū)域內的發(fā)電機、發(fā)電廠等情況進行系統(tǒng)性管理，確定各電站發(fā)電機的數(shù)量、運行狀態(tài)、運行參數(shù)等信息，對運行過程中可能出現(xiàn)的問題進行分析，避免因起始端的發(fā)電異常導致輸配電網及用戶受到嚴重影響[2]。設計人員要重點考慮系統(tǒng)各運行環(huán)節(jié)的電源穩(wěn)定性、可靠性，盡可能通過合理的設計保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.2 負荷規(guī)劃

負荷規(guī)劃設計要充分預測區(qū)域內用戶負荷的實際情況，從后續(xù)發(fā)展、季節(jié)性、高峰低谷等方面入手，設計滿足需求的高效的電力系統(tǒng)，提升工程的可靠性和系統(tǒng)運行效率。設計人員應展開10年以上周期的預測分析，從歷年負荷數(shù)據(jù)、經濟發(fā)展趨勢等多方面入手，更精準地確定后續(xù)負荷需求，避免所建設的電力系統(tǒng)無法滿足城市發(fā)展需求[3]。要為工程擴建、改建項目預留接口，確保電網有改進空間，避免造成不必要的經濟損失。此外，對于樞紐變電站、大容量發(fā)電機組等重要工程項目，要對電力負荷進行多維度、多層次的預測，盡可能確保工程設計的合理性。

規(guī)劃設計人員要結合區(qū)域內電力負荷質量要求、人口集中情況、經濟政治發(fā)展情況等進行區(qū)域規(guī)劃，合理分配電力資源。例如，在進行覆蓋區(qū)域規(guī)劃時，可以按負荷標準將其劃分為不同等級的4個區(qū)域，分別為A、B、C、D。其中，A區(qū)主要用于經濟中心區(qū)、政治中心區(qū)、高新技術區(qū)等GDP高(8萬/人)、負荷密度高(25 MW/km2)的區(qū)域。B區(qū)為一般的工業(yè)區(qū)、生產生活用電需求較高的集中區(qū)域，其GDP相對較高(3～8萬/人)，負荷密度(8～25 MW/km2)相對較高。C區(qū)為GDP較低(1～3萬/人)，負荷密度(3～8 MW/km2)較低的區(qū)域，多處于相對集中的生產生活區(qū)域、高耗能園區(qū)。D區(qū)多為農業(yè)活動區(qū)域或GDP低且負荷密度極低的區(qū)域。

4.3 電源電量規(guī)劃

電力系統(tǒng)規(guī)劃的關鍵是電源電量規(guī)劃，設計人員需要在確定負荷預測、電源分布等情況的基礎上，確定電力系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的電量情況，對其進行計算，確保規(guī)劃結果與工程布局規(guī)模一致[4]?？梢愿鶕?jù)負荷預測數(shù)據(jù)進行年度最多負荷預估，結合各電站發(fā)電情況對設備容量進行確定，避免出現(xiàn)電量供給不足、設備超負荷運行等情況。

4.4 電網發(fā)展規(guī)劃

電網規(guī)劃設計需要考慮原有電網的實際情況，盡可能在原有電網的基礎上進行擴建改造，以滿足預測的電力負荷需求。電網設計中，設計人員需出具多個電網結構布局規(guī)劃設計方案，組織相關單位進行分析討論，從節(jié)能降耗、土地占有、技術合理性、用電便利性等方面入手，進行綜合對比分析，以獲得最優(yōu)的電網規(guī)劃方案。

4.5 規(guī)劃設計方案合理性計算

設計人員要通過一定的計算對規(guī)劃設計的合理性進行評估，為一次、二次設備的選型提供依據(jù)。電力計算主要包括潮流、穩(wěn)定、短路電流、無功補償?shù)确矫娴挠嬎恪Ｆ渲?，潮流計算是?guī)劃設計計算的基礎環(huán)境，是繼電保護設計、穩(wěn)定計算的重要前提，能夠確保電力系統(tǒng)運行的可靠性。在潮流計算中，要從電壓、功率等方面入手，確定電網、電力系統(tǒng)的整體運行情況，避免出現(xiàn)電網運行失序、供電需求無法滿足等情況。穩(wěn)定計算的關鍵是通過計算分析系統(tǒng)運行情況，規(guī)避設計方案中的故障隱患。短路電流計算可以對繼電保護各部件的整定數(shù)值進行確定，如時間繼電器的動作時間等，確保短路故障發(fā)生后電力系統(tǒng)能夠以最小的影響將故障暫時切除，避免擴大停電范圍。通過短路計算，設計人員可以確認電力系統(tǒng)各節(jié)點出現(xiàn)故障時的電流情況，能夠確認系統(tǒng)節(jié)點的短路電流等數(shù)值。無功補償計算的關鍵是消除電力系統(tǒng)無功功率對系統(tǒng)電能損耗的影響，基于一定的電力系統(tǒng)運行效率，確定無功補償?shù)木唧w數(shù)值，進而開展相關無功補償設備的選型和結構設計，提升電力系統(tǒng)運行效率。

通過各方面的電力計算，對規(guī)劃設計方案的合理性進行界定，更準確地評估系統(tǒng)設計方案的成本支出、安全可靠性、運行效率等，為后續(xù)的優(yōu)化設計、隱患排除提供依據(jù)。此外，要充分考慮電力系統(tǒng)的具體規(guī)模及建設周期，避免因設計過于復雜而影響工程設計的合理性[5-7]。

5 電力系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化策略

市場電力需求的高速增長為電力公司的快速發(fā)展提供了動力，在取得電力銷售效益的同時，要保障電力系統(tǒng)設備運行的可靠性。在配送電需求大幅度增長的情況下，原本的電力系統(tǒng)規(guī)劃已無法滿足現(xiàn)實需要，設備出現(xiàn)了運轉負荷過大等問題，影響了設備使用壽命。目前，電力系統(tǒng)規(guī)劃建設水平有待提升，無法為系統(tǒng)的可靠運行提供充足的保障。應從以下幾方面入手提升電力系統(tǒng)規(guī)劃水平。

5.1 強化對設備運行可靠性的重視，積極推進運行規(guī)劃建設

對于線路老化等設備問題，要結合區(qū)域內電力供應負荷情況，基于經濟性和可靠性目標，制定相應的線路更新維護計劃。在運維管理方面，電力公司要積極推進系統(tǒng)更新?lián)Q代，加速推進智能電網建設，利用智能化、自動化技術實現(xiàn)電力系統(tǒng)運維管理水平的提升，有效解決負荷調控、故障處理等難題。此外，電力公司要針對運行規(guī)劃加快人才培養(yǎng)和引進力度，一方面，借助高水平的專業(yè)人才滿足工作需要，另一方面，通過專家授課、內部經驗分享等方式增強人員技能水平，滿足系統(tǒng)規(guī)劃建設需求。

5.2 優(yōu)化電力系統(tǒng)規(guī)劃體制

在市場供給側改革不斷推行的過程中，原本的利益分配、市場結構將會產生較大變化，電力系統(tǒng)要充分考慮市場環(huán)境規(guī)劃、流程、體制改革，用協(xié)調配合的模式替代一體化運行模式。在發(fā)電與輸電分離的情況下，電力生產利益主體趨于多元化，在過度分散的規(guī)劃決策中，電力系統(tǒng)的優(yōu)化效果將受到影響。為此，電力公司要充分做好輸電與發(fā)電兩方面的協(xié)調規(guī)劃，將多種決策方式相互結合，將規(guī)劃重心放在優(yōu)化協(xié)調整體結構、布局和總量方面。實際操作中，要做好牽頭組織管理，通過配電、電力負荷、電源的協(xié)調配合，推進規(guī)劃工作有效開展。做好數(shù)據(jù)信息共享，必要時可以成立一個專門的顧問機構，負責評估討論電力系統(tǒng)規(guī)劃方法和參數(shù)。在顧問機構運行過程中，要做好市場監(jiān)督和權威指引，從發(fā)電、輸電等規(guī)劃的起始階段入手，參與評估和討論，確保所制定規(guī)劃設計方案符合電力系統(tǒng)的中長期發(fā)展，避免因規(guī)劃決策過度分散而影響規(guī)劃結果的系統(tǒng)性，確保發(fā)電、輸電等規(guī)劃工作能夠協(xié)調并進，滿足市場不斷增長的電力能源需求，有效規(guī)避設備長期過負荷運行或電能利用率嚴重不足等規(guī)劃缺陷。

6 結語

在進行電力系統(tǒng)規(guī)劃設計時，要充分考慮設計周期，遵循周期性原則、成本合理性原則、安全性原則，從電源、負荷、電量、電網等方面入手，進行合理規(guī)劃，通過潮流、無功補償、短路電流、穩(wěn)定性等計算進行設備選型，做好設計合理性評估，以獲得更優(yōu)質的規(guī)劃設計方案。