陳 武
(國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司,四川 成都 610041)
受極端天氣、巨量的空調(diào)制冷及制熱負(fù)荷、電動汽車滲透率的不斷增加以及工業(yè)的快速發(fā)展等多重因素影響,部分地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷峰值屢創(chuàng)新高,電網(wǎng)尖峰負(fù)荷持續(xù)時間越來越長,電網(wǎng)峰谷差不斷加大,高峰時期的電網(wǎng)供需不平衡程度日益加深,電網(wǎng)運行風(fēng)險愈來愈大[1-5]。在迎峰度夏及迎峰度冬高峰負(fù)荷期間,電網(wǎng)通常面臨輸變電設(shè)備或輸電斷面持續(xù)重載或超限額運行、電網(wǎng)缺陷頻發(fā)、安全穩(wěn)定裕度降低、保供電壓力陡增等嚴(yán)峻供電形勢。在這種特殊時期,即使電網(wǎng)保持全元件、全保護運行,仍然面臨巨大的安全調(diào)度壓力?,F(xiàn)有研究主要從輸電斷面協(xié)同調(diào)控[6-7]、調(diào)峰資源互濟[8]、有序用電及需求響應(yīng)策略優(yōu)化[9-10]、負(fù)荷聚合商優(yōu)化調(diào)度[11-12]等不同層面展開理論研究,關(guān)于系統(tǒng)性、可操作性強、具有顯著實用性、便于推廣的地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法的研究還亟待開展。本文以四川某地區(qū)電網(wǎng)為例,結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)高峰負(fù)荷時期運行特征、調(diào)度運行管理實踐及已有理論研究成果,提出一系列貼近工程實際的地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法,以期提升電網(wǎng)調(diào)度安全水平及優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平。
用電高峰及用電時間段具有明顯的集中性、規(guī)律性和重現(xiàn)性,所以電網(wǎng)負(fù)荷曲線多峰特征明顯,主要表現(xiàn)為電網(wǎng)負(fù)荷集中在早、晚高峰出現(xiàn),并且早、晚高峰負(fù)荷值受溫度累積效應(yīng)影響明顯。
日峰谷差是日最大負(fù)荷與日最小負(fù)荷的差值[13]。在迎峰度夏及迎峰度冬高峰負(fù)荷期間,受空調(diào)用電負(fù)荷激增等的因素影響,日峰谷差相比其他時期具有明顯的變化特性??傮w上,電網(wǎng)峰值負(fù)荷越高,峰谷差也越大,即二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,明顯的日峰谷差給電網(wǎng)調(diào)峰帶來了較大的壓力和挑戰(zhàn)。
電網(wǎng)彈性是指在面對電力供需平衡的大幅波動和電網(wǎng)故障時,電網(wǎng)資源的彈性互動和靈活響應(yīng)的能力[14]。高彈性電網(wǎng)的主要特征是高可靠性、高承載、高互動、高自愈、高效能等。當(dāng)前地區(qū)電網(wǎng)彈性不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1.3.1 供電可靠性裕度較低
(1)在電網(wǎng)高負(fù)荷運行期間,輸變電設(shè)備缺陷頻發(fā)、輸電斷面重載甚至過載等問題突出,網(wǎng)絡(luò)供電能力逼近電網(wǎng)安全承載極限,一旦發(fā)生主變、母線等關(guān)鍵主設(shè)備故障跳閘,就可能造成連鎖事故,引發(fā)大面積停電,觸發(fā)六級以上電網(wǎng)事件。
(2)為防范高負(fù)荷期間電網(wǎng)單一事故引發(fā)潮流大范圍轉(zhuǎn)移造成相關(guān)輸變電設(shè)備連鎖性故障,選擇性地采取停用備用電源自動投入裝置、環(huán)網(wǎng)運行改為解環(huán)運行等特殊運行方式,會使電網(wǎng)可靠性明顯降低。
(3)為使電網(wǎng)經(jīng)受住高峰負(fù)荷考驗,通常采取220 kV 主變分列運行、110 kV 主變并列運行并加裝負(fù)荷聯(lián)切裝置、上旁路母線轉(zhuǎn)供、多級數(shù)串級供電等多種高風(fēng)險負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式及負(fù)荷動態(tài)平衡等方式,以犧牲電網(wǎng)可靠性的方式來換取暫時性的電網(wǎng)供電能力的提升。
(4)為確保新設(shè)備啟動投運期間電網(wǎng)有可靠的總后備保護,在新設(shè)備沖擊合閘前通常需對電網(wǎng)正常運行方式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,進(jìn)而形成單主變、單母線、反充電等特殊方式及保護不完全配合的情況,不可避免會降低電網(wǎng)供電的可靠性。
(5)由于部分電網(wǎng)大型增容改造工程的進(jìn)行,電網(wǎng)長時間非完整結(jié)構(gòu)特征明顯,短期內(nèi)電網(wǎng)運行風(fēng)險無法消除。
1.3.2 供電效能發(fā)揮不足
線路、變壓器容量不匹配問題明顯,主要表現(xiàn)為包含架空線路與電纜線路的混合型線路載流量不匹配、線路與變壓器間的供電能力不匹配等,導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備供電能力不能充分發(fā)揮。
1.3.3 重超載現(xiàn)象普遍
受負(fù)荷分布密度、電流互感器變比、負(fù)荷改接滯后等因素影響,部分配電網(wǎng)線路重滿載及超載現(xiàn)象廣泛存在。
1.3.4 靈活響應(yīng)能力不足
(1)電網(wǎng)智能快速合解環(huán)操作功能單一,目前僅能實現(xiàn)單個變電站之間的快速合解環(huán)操作,尚不能實現(xiàn)相關(guān)聯(lián)變電站之間配合進(jìn)行的合解環(huán)操作。
(2)部分區(qū)、縣公司配電網(wǎng)絡(luò)主干線路聯(lián)絡(luò)率及互供能力較低,配電自動化工程還處于建設(shè)完善過程中,無法滿足負(fù)荷快速轉(zhuǎn)供及精準(zhǔn)、靈活控制要求。
(3)基于安全運行約束考慮,城區(qū)配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供負(fù)荷要求較高,通常需在同一220 kV 站點下進(jìn)行操作,導(dǎo)致高峰負(fù)荷時段負(fù)荷轉(zhuǎn)移平衡困難,極大地限制了運行方式調(diào)整的靈活性,直接影響電網(wǎng)主設(shè)備的運行安全。
由于負(fù)荷受天氣變化、溫度累積效應(yīng)、社會活動、節(jié)日類型、電網(wǎng)故障及運行方式等多種因素影響,負(fù)荷變化所呈現(xiàn)出來的超前性、滯后性及瞬變性特點尤為突出,表現(xiàn)出極強的復(fù)雜性和隨機性[1]。在電網(wǎng)調(diào)度運行管理實踐中,電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測所需的高精準(zhǔn)度問題長期未能得到解決。
(1)地區(qū)電網(wǎng)主要依靠常規(guī)發(fā)電機組,如水電、火電等提供電力電量保障。受天氣、電煤供應(yīng)、水電來水、電網(wǎng)接線、負(fù)荷分布密度、用電時段等因素影響,部分輸電斷面、輸變電設(shè)備重超載現(xiàn)象時有發(fā)生,電網(wǎng)供需矛盾明顯。
(2)受電網(wǎng)安全承載能力、輸電通道限制,各區(qū)域電網(wǎng)無法做到有力支援,局部地區(qū)在部分時段可能出現(xiàn)電力電量“雙缺”的問題。
在迎峰度夏及度冬等高負(fù)荷時期,輸電線路、變電設(shè)備和配電網(wǎng)等各級供電單元均處于重載或近飽和運行狀態(tài)。在多數(shù)情況下,電網(wǎng)已不能滿足“N-1”安全運行要求,系統(tǒng)脆弱性增加。此時,若輸變電設(shè)備突發(fā)缺陷,調(diào)度往往難以立即安排停運進(jìn)行消缺處理。
輸電斷面的安全高效調(diào)控直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[6]。負(fù)荷高峰時期,輸電斷面通常面臨持續(xù)滿載或間隙性過載運行狀態(tài),可調(diào)節(jié)裕度嚴(yán)重缺乏。輸電斷面控制方法主要包括調(diào)整發(fā)電機組出力、負(fù)荷轉(zhuǎn)移和負(fù)荷控制3 種。由于負(fù)荷控制可能會對用戶的持續(xù)可靠供電造成影響,在電網(wǎng)調(diào)度運行管理實踐中主要采用調(diào)整發(fā)電機組出力和負(fù)荷轉(zhuǎn)移兩種方法進(jìn)行斷面控制,但仍存在以下幾方面問題。
(1)相對固定的輸電斷面限額,不利于電網(wǎng)供電能力的釋放。目前,業(yè)界的主要做法是將輸電斷面劃分為3 種典型斷面,分別為冬季斷面(環(huán)境溫度小于等于15 ℃)、春秋季斷面(環(huán)境溫度在15~25 ℃)和夏季斷面(環(huán)境溫度在25~33 ℃),缺乏更加細(xì)分的輸電斷面分類策略,未根據(jù)實時環(huán)境溫度、導(dǎo)線弧垂及溫升變化等實際運行情況動態(tài)修正輸電斷面的安全限額。
(2)部分輸電斷面受制于輸電線路線徑小、電纜通道溫升限制等因素,斷面安全限額校核值較低,影響整體供電能力。
(3)輸電斷面越限后的實時處置依賴于經(jīng)驗調(diào)度,缺乏深入的理論分析計算,大多為“粗放型”“經(jīng)驗型”調(diào)度模式。然而,部分環(huán)網(wǎng)斷面因潮流轉(zhuǎn)移比較復(fù)雜,難以通過常規(guī)的運行方式調(diào)整措施解決重超載問題。
(4)電源和負(fù)荷自然分布不均勻、不同通道的輸電線路參數(shù)不協(xié)調(diào)、受端電網(wǎng)電源較少等因素,均可能導(dǎo)致重要的輸電斷面潮流分布不均衡,出現(xiàn)“既重又輕”的局面,即一些斷面長期重載而另一些斷面長期輕載。加之不同輕、重載斷面之間缺乏足夠的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷通道,導(dǎo)致同一電網(wǎng)間的輕、重載斷面不能做到互濟平衡。
作為一種通過價格激勵等措施引導(dǎo)用戶自愿改變用電行為,實現(xiàn)在無需進(jìn)行額外電網(wǎng)投資建設(shè)的情況下調(diào)節(jié)電力供需平衡的電網(wǎng)調(diào)度運行管理方法,電網(wǎng)需求響應(yīng)得到了廣泛應(yīng)用[10]。然而,受制于以下因素影響,電網(wǎng)需求響應(yīng)效果并不明顯。
(1)由于需求響應(yīng)對負(fù)荷的供電電壓等級、需求響應(yīng)潛力、需求響應(yīng)持續(xù)時間等均存在一定的準(zhǔn)入限制,其主要實施對象為大型工商業(yè)負(fù)荷,負(fù)荷覆蓋面相對較?。患又枨箜憫?yīng)補貼刺激力度不足,導(dǎo)致現(xiàn)有需求響應(yīng)資源無法滿足電網(wǎng)安全運行調(diào)節(jié)需求。
(2)缺乏市場化的負(fù)荷聚合商,需求響應(yīng)的規(guī)?;?yīng)及同時性效應(yīng)無法得到保證,緩解電網(wǎng)供需矛盾的效果還有待持續(xù)提升。
有序用電主要是通過行政措施、經(jīng)濟手段、技術(shù)方法等依法控制部分用電需求,在用于解決季節(jié)性、時段性以及突發(fā)情況下的電力供需矛盾,堅持限電不拉閘,更好地優(yōu)先保障民生、重點企業(yè)、重點行業(yè)、重點場所正常用電等方面發(fā)揮了重要作用[9]。然而,有序用電實施效果受高峰負(fù)荷時段劃分原則、負(fù)荷特性、工商業(yè)負(fù)荷資源是否充足、用戶參與度等因素影響明顯,在實際工作中,難以取得滿意的負(fù)荷控制效果。
(1)深入總結(jié)歷年溫度與用電負(fù)荷的耦合關(guān)系,重點加強對高峰負(fù)荷的幅值、高峰負(fù)荷開始時間和持續(xù)時間的預(yù)測。
(2)加強對具有規(guī)模效應(yīng)的空調(diào)負(fù)荷特性挖掘與溫度敏感性識別,分析大氣濕度、最高溫度、最低溫度、溫度累積效應(yīng)及工作日、節(jié)假日等因素對空調(diào)負(fù)荷的影響。
(3)加強短期母線負(fù)荷預(yù)測,進(jìn)一步提升特定區(qū)域內(nèi)小電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的精準(zhǔn)度。
(1)精益調(diào)度,精細(xì)化開展全網(wǎng)電力電量平衡預(yù)測分析,保障地區(qū)電網(wǎng)電力供應(yīng)穩(wěn)定。密切關(guān)注電煤供應(yīng)、消耗及庫存情況,以及大型水庫蓄水、水電來水、極端天氣變化情況,重點加強小水電管理,提前梳理小水電可調(diào)節(jié)能力等水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并根據(jù)小水電季調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)以及無調(diào)節(jié)等特性分別制定優(yōu)化調(diào)度策略,通過日發(fā)電計劃的方式直接落實,實現(xiàn)水電精準(zhǔn)調(diào)度、頂峰出力。
(2)科學(xué)安排電網(wǎng)運行方式。針對電網(wǎng)接線特點及各輸電斷面、線路、主變、母線負(fù)荷的時間變化特性,積極運用好電網(wǎng)設(shè)備彈性供電能力及互濟平衡裕度空間,及時開展優(yōu)化調(diào)整操作,最大程度挖掘電網(wǎng)的供電能力。
(3)重視能源送出通道中間落點工程建設(shè),做到極端情況下能滿足本地區(qū)電網(wǎng)的供需要求。
(4)結(jié)合電網(wǎng)實際運行情況,提前優(yōu)化電網(wǎng)新設(shè)備啟動投運時序,尤其是加快關(guān)鍵輸變電工程的啟動投運進(jìn)度,有效提升電網(wǎng)的供電能力。
(5)對區(qū)域內(nèi)電源建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃,盡可能縮小地區(qū)內(nèi)發(fā)供電的平衡差,減少或避免大功率、遠(yuǎn)距離傳輸。
(6)加裝臨時主變或主變擴容,或及時進(jìn)行輸配電線路增容改造,有效增強高峰負(fù)荷時期的頂峰供電能力。
(7)全力推進(jìn)配電網(wǎng)負(fù)荷改接工程的實施。定期統(tǒng)計和梳理新投變電站出線間隔利用率及負(fù)載率,形成明細(xì)臺賬;協(xié)同發(fā)展策劃、設(shè)備管理部門,強化負(fù)荷聚類分析,積極采取負(fù)荷重組、負(fù)荷改接等有力手段切實解決負(fù)荷分布不均衡問題。
(8)進(jìn)一步完善配電網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系,增強網(wǎng)絡(luò)互供能力,同時加快配電自動化工程的推廣應(yīng)用,全面提升負(fù)荷快速轉(zhuǎn)供及精準(zhǔn)控制的能力
(9)調(diào)配應(yīng)急發(fā)電車接入配電網(wǎng),切實緩解配電網(wǎng)供電卡脖子問題。
(1)深入開展隱患排查治理,保障設(shè)備供電能力穩(wěn)定。主要包括:拉網(wǎng)式排查電網(wǎng)運行風(fēng)險;加強設(shè)備缺陷管理與消缺處置,避免一般缺陷發(fā)展為嚴(yán)重缺陷或危急缺陷;對于缺陷處置,優(yōu)先安排“零點”作業(yè),減少對用戶的供電影響。
(2)積極推行帶電作業(yè)。堅持“能帶不?!钡娜毕萏幹梅椒ǎU想娋W(wǎng)全元件運行,實現(xiàn)客戶用電“零感知”,為電網(wǎng)可靠供電提供堅實保障。
(1)增加大容量主變壓器故障或過負(fù)荷安全穩(wěn)定控制系統(tǒng),既可保證供電可靠性,又可進(jìn)一步放大主變斷面限額,從而提升電網(wǎng)供電能力。
(2)實施輸電線路動態(tài)增容調(diào)度方案。協(xié)同設(shè)備管理部門,積極開展基于氣候監(jiān)測、輸電線路溫度及輸電線路弧垂等測量的動態(tài)增容技術(shù)。
(3)協(xié)同設(shè)備管理部門,積極推進(jìn)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)升級,彌補電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié),優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù),提升斷面均衡度,改善斷面內(nèi)關(guān)鍵線路的潮流水平,深度挖掘電網(wǎng)供電能力。
(4)做好輸電斷面潮流轉(zhuǎn)移比計算分析工作,充分利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)提升電網(wǎng)的供電能力。
(5)根據(jù)不同斷面的負(fù)荷時空特性,靈活進(jìn)行運行方式調(diào)整。
(6)深化電網(wǎng)智能快速合解環(huán)系統(tǒng)跨變電站操作的功能開發(fā),以多斷面、多站點協(xié)同控制為目標(biāo),及時高效開展運行方式調(diào)整操作。
(7)及時采取特殊運行方式,消除原有斷面過載現(xiàn)象,具體方法如下。
1)負(fù)荷轉(zhuǎn)移法。在不改變原有電網(wǎng)斷面的情況下,通過將斷面內(nèi)的用電負(fù)荷部分轉(zhuǎn)移至該斷面外的輸變電設(shè)備供電的方式,即稱為負(fù)荷轉(zhuǎn)移法。該種方法相對簡單,不再贅述。
2)備自投停用法。通過停用相關(guān)變電站備用電源自動投入裝置的方式來確保主供電源線路發(fā)生“N-1”故障后潮流不會轉(zhuǎn)移至充電備用線路,即為備自投停用法,如圖1 所示。在此背景下,斷面內(nèi)的輸電線路均可按各自的熱穩(wěn)定載流量帶負(fù)載運行,供電能力相比原輸電斷面可得到明顯提升。
圖1 備自投停用法示意
3)斷面變更法。通過運行調(diào)整,改變原有電網(wǎng)斷面內(nèi)輸變電設(shè)備集合,以最大程度發(fā)揮電網(wǎng)設(shè)備的供電能力,即為斷面變更法如圖2 所示。電網(wǎng)原有輸電斷面為220 kV 甲1 線、甲2 線(雙回線同塔架設(shè)、線路參數(shù)一致)及220 kV 辰線3 條輸電線路組成的輸電線路集,運行方式調(diào)整后,將原有斷面變更為220 kV 甲2 線及220 kV 辰線兩條輸電線路組成新的輸電斷面,而將220 kV 甲1 線分離出來給220 kV 變電站A 兩臺主變壓器供電,使得電網(wǎng)整體供電能力得到有效提升。
圖2 斷面變更法示意
4)斷面消除法。改變輸電斷面內(nèi)有關(guān)輸變電設(shè)備的運行方式,以達(dá)到消除斷面、完全發(fā)揮原輸變電設(shè)備供電能力的目的。主變并列斷面消除示意如圖3 所示。在方式調(diào)整前,兩臺主變并列運行斷面通常按單臺主變?nèi)萘康?.5 倍控制。在方式調(diào)整后,可按各自主變額定容量分別進(jìn)行帶載運行。常見220 kV 主變分列運行后帶載能力提升情況如表1 所示。同理,輸電斷面消除示意如圖4 所示。在輸電線路環(huán)網(wǎng)運行時,為確保電網(wǎng),“N-1”運行安全,通常按環(huán)網(wǎng)內(nèi)最小線徑的輸電線路校核輸電斷面限額,當(dāng)將環(huán)網(wǎng)運行方式調(diào)整為解環(huán)運行方式后,輸電線路便可按各自熱穩(wěn)定限額進(jìn)行帶載。
表1 220 kV 主變分列運行后帶載能力提升情況
圖3 主變并列斷面消除示意
圖4 輸電斷面消除示意
(1)強化需求響應(yīng)全過程關(guān)鍵信息監(jiān)測。重點加強對全網(wǎng)用電負(fù)荷、輸變電斷面負(fù)載率、設(shè)備動態(tài)負(fù)載率、主變油溫及負(fù)荷、事故限電序位表可執(zhí)行量及工商業(yè)專線用電等的監(jiān)測,同時做到需求響應(yīng)程度的數(shù)字化、圖形化展示。
(2)協(xié)同營銷部門,加強對需求側(cè)可中斷負(fù)荷、可平移負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷等3 類負(fù)荷的研究,實現(xiàn)精益調(diào)度 ??芍袛嘭?fù)荷啟動后,可短時中斷以響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度,如空調(diào)負(fù)荷;可平移負(fù)荷啟動后,不能中斷但可延遲啟動以響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度,其負(fù)荷量和負(fù)荷曲線不會改變,包括洗衣機、洗碗機等家電負(fù)荷以及錯峰用電的工業(yè)用戶;可轉(zhuǎn)移負(fù)荷啟動后,可靈活調(diào)節(jié)各時段用電量以響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度,其負(fù)荷總量不變但負(fù)荷曲線可能改變,包括電動汽車充電站、電儲能裝置等。
(3)建立基于負(fù)荷聚合商的需求響應(yīng)架構(gòu),實現(xiàn)包括電動汽車、空調(diào)、商業(yè)負(fù)荷、用戶側(cè)大型儲能裝置等具有不同調(diào)控響應(yīng)時間的需求側(cè)可控負(fù)荷資源的靈活聚合和優(yōu)化配置,充分發(fā)揮各類資源響應(yīng)潛力和互補特性。
(1)進(jìn)一步完善電網(wǎng)高峰負(fù)荷電力缺口預(yù)警機制,統(tǒng)籌做好電力缺口預(yù)警、響應(yīng)發(fā)布工作,根據(jù)電網(wǎng)運行趨勢,及時啟動有序用電程序。
(2)注重內(nèi)外聯(lián)動。強化與營銷部門的協(xié)作,積極倡導(dǎo)節(jié)約用電,對外主動宣傳公司保供電舉措和保供電成效;加強“政、企、廠、網(wǎng)”四方協(xié)同聯(lián)動,凝聚電網(wǎng)保供電更大合力。
本文分析了地區(qū)電網(wǎng)的主要運行特征及在調(diào)度運行管理過程中存在的典型問題,從提升負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確度、加大電力電量平衡力度、改進(jìn)設(shè)備消缺方法、動態(tài)調(diào)整輸電斷面安全限額、強化電網(wǎng)需求響應(yīng)及加強有序用電管理等6 個方面,提出了提升地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度水平的具體措施。