一種基于供電安全標(biāo)準(zhǔn)的配電網(wǎng)擴(kuò)容規(guī)劃方法

袁娟 YUAN Juan；陳蓉 CHEN Rong

（①國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，成都 610000；②成都興通電研電力科技有限公司，成都 610000）

0 引言

近年來，隨著分布式能源的大量接入，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃法已無法滿足當(dāng)前大規(guī)模配電網(wǎng)的需求，但主動(dòng)配電網(wǎng)必須具有可控性、實(shí)時(shí)性和靈活性，因此當(dāng)下的配電網(wǎng)要求給電網(wǎng)規(guī)劃工作帶來了新的挑戰(zhàn)[1，2]。目前，針對(duì)不同的區(qū)域特點(diǎn)和發(fā)展階段，相關(guān)研究人員提出了主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)的方案。然而，主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的供電安全評(píng)價(jià)仍缺乏量化指標(biāo)，難以滿足配電網(wǎng)精益發(fā)展的要求[3，4]。面對(duì)外部社會(huì)環(huán)境壓力，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)配電網(wǎng)要求的提高，如圖1 所示，配電網(wǎng)規(guī)劃面臨著新的更加艱巨的挑戰(zhàn)。

圖1 配電網(wǎng)規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)

針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃存在規(guī)劃質(zhì)量不高、綜合考慮因素不全、供電水平和可靠性較低的問題，特別在目前供電安全標(biāo)準(zhǔn)中的分析包含了不同區(qū)域的供電分區(qū)類型、設(shè)備指標(biāo)、運(yùn)行指標(biāo)等要素，其評(píng)價(jià)方法較傳統(tǒng)的容負(fù)荷比分析方法更為復(fù)雜，而在主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用研究較少。隨著數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，更多新方法、新理論應(yīng)運(yùn)而生，也逐漸被運(yùn)用到配網(wǎng)規(guī)劃當(dāng)中[5-6]。目前，配網(wǎng)架規(guī)劃的研究方法主要有兩種：?jiǎn)l(fā)優(yōu)化方法和數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，具體分類如圖2 所示。與傳統(tǒng)的容荷比分析方法相比，將供電安全標(biāo)準(zhǔn)分析方法應(yīng)用于主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃中，可以加強(qiáng)主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的深度，診斷的力度，系統(tǒng)分析的維度，深刻挖掘電網(wǎng)突出問題，有效提高主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃方案的可操作性。

圖2 電網(wǎng)規(guī)劃的研究方法

1 供電安全標(biāo)準(zhǔn)的分析方法

供電安全標(biāo)準(zhǔn)中明確了單個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的2 個(gè)要素，分別是該負(fù)載故障或停機(jī)后的允許損耗、恢復(fù)供電時(shí)間，設(shè)備運(yùn)行的用電負(fù)荷越大、停電損失越大，進(jìn)而對(duì)供電可靠性的要求越高，對(duì)供電恢復(fù)時(shí)間的要求也越短。根據(jù)用電的大小，配電網(wǎng)的供電安全等級(jí)可分為三個(gè)等級(jí)。如表1 所示。

表1 配電網(wǎng)供電安全標(biāo)準(zhǔn)

如表1 所示，一級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)主要適用于低壓線路故障、配電變壓器故障或具有特殊安全設(shè)計(jì)的中壓線段故障。二次安全標(biāo)準(zhǔn)主要涉及中壓線路故障。根據(jù)飽和負(fù)荷密度的不同，供電區(qū)從A+到E 分為六類。不同的供電區(qū)域故障線路的非故障段供電恢復(fù)時(shí)間都具有不同的嚴(yán)格要求。

2 擴(kuò)容規(guī)劃方法

本文提出的基于供電安全標(biāo)準(zhǔn)分析的配電網(wǎng)擴(kuò)容方法需要首先計(jì)算變電站或線路等電力元件的供電能力。通過從實(shí)際負(fù)載中減去電力供應(yīng)容量，以獲得電力短缺或電力供應(yīng)的裕度，如果出現(xiàn)電力短缺，則意味著不符合供電安全標(biāo)準(zhǔn)；否則，這說明了此處有一個(gè)電力供應(yīng)的裕度。

在傳統(tǒng)的供電容量計(jì)算方法中，將變電容量除以容載比得到供電容量。這種方法既不能反映電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后供電能力的增量、下級(jí)電網(wǎng)轉(zhuǎn)移能力的增量，也不能反映二次系統(tǒng)的差異對(duì)供電能力的影響以及不同供電地區(qū)不同供電安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，這與有源配電網(wǎng)的智能規(guī)劃要求不一致。本文基于供電安全標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)建規(guī)劃方法是通過多維度、多因素共同考慮后的指標(biāo)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，如：供電區(qū)域類型、設(shè)備指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)框架指標(biāo)和運(yùn)營(yíng)指標(biāo)，采用綜合指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)是否滿足要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，使電網(wǎng)規(guī)劃在主動(dòng)配電網(wǎng)中得到更全面和充分的應(yīng)用。

該方法用于規(guī)劃四川省西部某縣35kV 變電站的配電網(wǎng)擴(kuò)建，如圖3 所示。該變電站位于C 供電區(qū)，有兩臺(tái)主變壓器，容量為（10+5）MVA，主變壓器電壓為35/10kV。變電站內(nèi)有兩條電力進(jìn)線，為單鏈結(jié)構(gòu)，LGJ-240 為進(jìn)線1，LGJ-50 為進(jìn)線2。變電站高壓側(cè)為單母線配置，低壓側(cè)主接線為單母線段，母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)為常開。本水平年變電站最大負(fù)荷為12.5MW，下電網(wǎng)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷為3MW。

圖3 變電站的電氣主接線圖

該擴(kuò)容規(guī)劃方法主要分為以下四步。

2.1 計(jì)算N-1 容量SN-1

首先計(jì)算主變N-1 的容量，然后計(jì)算進(jìn)線N-1 的容量，取兩者中較小的值作為變電所N-1 的容量?？鄢畲笾髯儔浩魅萘浚?0MVA）后，剩余變壓器容量之和為5MVA?？紤]功率因數(shù)為0.95，因此，主變壓器N-1 容量為5×0.95=4.75MW。

電源進(jìn)線N-1 的容量為剩余進(jìn)線的電源容量減去變電站最大電源容量的進(jìn)線后的總和。根據(jù)安全電流值，進(jìn)線1 的安全電流為610A，最大供電容量為36.98MVA；進(jìn)線2 的安全電流為220A，最大供電容量為13.34MVA，扣除最大進(jìn)線供電容量，剩余進(jìn)線供電容量之和為13.34MVA，因此N-1 進(jìn)線容量為13.34×0.95=12.67MW。

變電站的N-1 容量計(jì)算公式如下：

變電站N-1 容量為4.75MW。

2.2 計(jì)算變電站供電容量S

首先計(jì)算變電站N-1 在15 分鐘S1內(nèi)的供電能力，然后計(jì)算3h S2內(nèi)的供電容量，取較小的值S 作為變電站的供電能力。

A+和A 供電區(qū)域在15 分鐘內(nèi)的允許損耗負(fù)載為0，B 和C 供電區(qū)域?yàn)樽畲螅?2，組負(fù)載/3），D 供電區(qū)域允許損耗所有負(fù)載。15 分鐘變電站供電容量S1是變電站SN-1的N-1 容量和15 分鐘允許損耗負(fù)載PS的總和。

變電站Pg的組負(fù)荷為12.5MW，位于C 供電區(qū)，該區(qū)15 分鐘PS允許的負(fù)荷損失為：

因此，15 分鐘內(nèi)的允許損耗負(fù)載為12MW，變電站供電容量為4.75+12=16.75MW。

在正常情況下，通過手動(dòng)逆合閘操作，可以在3 小時(shí)內(nèi)完成下級(jí)電網(wǎng)的重新配置，因此，下級(jí)電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換可以在3h 內(nèi)完成。3h 后，A+、A、B、C 和D 供電區(qū)的變電站不允許失去負(fù)載。

3h 變電站的供電容量為變電站N-1 容量與下層電網(wǎng)的轉(zhuǎn)移容量之和。公式如下：

通過10kV 線路轉(zhuǎn)移至其他變電站的負(fù)荷為3MW，變電站3h 供電能力為4.75+3=7.75MW，變電站S 的供電能力取最小值，可得：

因此，變電站的供電容量為7.75MW。

2.3 計(jì)算變電站Pq 的電力短缺

變電站的電力短缺Pq等于運(yùn)行負(fù)載P0減去電源容量S0，公式如下：

2.4 計(jì)算變電站的供電裕度Py

變電站的電力供應(yīng)裕度Py等于電力供應(yīng)容量S 減去操作負(fù)載P0，公式如下：

3 電站容量擴(kuò)容計(jì)劃

綜合電網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、一次與二次系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合、下級(jí)電網(wǎng)的輸電能力，采用供電安全標(biāo)準(zhǔn)的分析方法，綜合分析變電站或線路的供電能力。通過以上計(jì)算分析，可以初步得出制約變電站供電能力的因素是#2變壓器的容量、進(jìn)線2 的導(dǎo)體截面、電網(wǎng)線路的輸電能力，進(jìn)而提出了以下四種電源容量的改進(jìn)方案。

3.1 規(guī)劃方案1

在規(guī)劃方案1 中，#2 主變壓器將從5MVA 擴(kuò)建至10MVA。變電站的供電能力可提高到12.5MW，無電力短缺現(xiàn)象，可基本滿足當(dāng)前水平年的負(fù)荷需求。

3.2 規(guī)劃方案2

在規(guī)劃方案2 中，進(jìn)線2 由LGJ-50 導(dǎo)線轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)GJ-240 導(dǎo)線，由于#2 變壓器的容量限制，即使擴(kuò)大進(jìn)線2 的容量，變電站的供電能力也無法提高，供電能力仍為7.75MW，電力短缺仍為4.75MW。

3.3 規(guī)劃方案3

在規(guī)劃方案3 中，對(duì)10kV 電網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，以提高下級(jí)電網(wǎng)的輸電能力。如果通過優(yōu)化變電站的供電能力可以提高到12.75MW，供電裕度為0.25MW，可以滿足當(dāng)前水平年的負(fù)荷需求。

3.4 規(guī)劃方案4

在規(guī)劃方案4 中，在該地區(qū)增加了一個(gè)新的變電站。如圖4 所示，該區(qū)域新建一座容量為10MVA 的35kV 變電站。供電能力可提高到17.25MW，供電裕度4.75MW，可滿足本水平年的負(fù)荷需求。

圖4 方案4 電氣主接線圖

從上述分析，規(guī)劃方案1、規(guī)劃方案3 和規(guī)劃方案4可以有效提高變電站的供電能力，而規(guī)劃方案2 對(duì)提高變電站的電力供應(yīng)能力沒有作用，故通過技術(shù)和投資經(jīng)濟(jì)性比較可以選擇出最佳方案。

4 總結(jié)

根據(jù)不同供電區(qū)域、不同負(fù)荷規(guī)模對(duì)供電可靠性的不同要求，本文通過綜合考慮供電面積類型、電網(wǎng)指標(biāo)、設(shè)備指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)等因素，更全面、更準(zhǔn)確地評(píng)估了供電區(qū)域的供電能力。可用于配電網(wǎng)規(guī)劃中對(duì)電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行有效地評(píng)估，發(fā)現(xiàn)供電區(qū)域的薄弱環(huán)節(jié)，提升供電能力的評(píng)估效果，為電網(wǎng)公司對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行科學(xué)有效的評(píng)價(jià)具有參考意義。