電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)對電網(wǎng)安全的作用探究

張延琪，朱文迪

（1.山東格瑞德設(shè)計(jì)咨詢有限公司章丘分公司，山東 濟(jì)南 250200；2.山東天祥電力設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

電網(wǎng)規(guī)劃涉及資源布局、設(shè)施選址、技術(shù)路線選擇等多個層面，旨在構(gòu)建一個既能滿足負(fù)荷增長需求，又能有效防范運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的高效可靠電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。而電力設(shè)計(jì)則聚焦于具體電氣設(shè)備和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，以最大限度地降低各類安全事故發(fā)生的可能性。因此，研究電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)如何協(xié)同發(fā)力，提升電網(wǎng)安全性能，不僅具有重要的理論價(jià)值，而且對指導(dǎo)未來電網(wǎng)建設(shè)和改造實(shí)踐具有實(shí)際的意義。

1 電網(wǎng)規(guī)劃和電力設(shè)計(jì)的概念

1.1 電網(wǎng)規(guī)劃

電網(wǎng)規(guī)劃是電力系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即根據(jù)國家能源政策、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、電力需求預(yù)測、電源建設(shè)布局以及地理環(huán)境等因素，對未來一段時間內(nèi)的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體布局和設(shè)計(jì)的過程。電網(wǎng)規(guī)劃涵蓋輸電網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)及變電站等設(shè)施的選址、規(guī)模確定、線路走向、電壓等級選擇等方面，其目標(biāo)在于確保電能從發(fā)電端到負(fù)荷端的有效傳輸與分配，并滿足未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對電力的需求。

1.2 電力設(shè)計(jì)

電力設(shè)計(jì)則是電網(wǎng)規(guī)劃的具體化實(shí)施階段，更側(cè)重于工程技術(shù)層面的詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。在這一階段，需要根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃方案來確定具體電氣設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、選型、安裝布置、運(yùn)行方式以及保護(hù)配置等細(xì)節(jié)。電力設(shè)計(jì)不僅要滿足當(dāng)前和未來的供電需求，還要確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，預(yù)防并有效處理各種運(yùn)行工況下的故障風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2 電網(wǎng)規(guī)劃和電力設(shè)計(jì)中的主要問題

2.1 導(dǎo)線斷裂

2.1.1 設(shè)計(jì)與施工缺陷

一是導(dǎo)線材料選用不當(dāng)，若選用的導(dǎo)線材料質(zhì)量不佳，含有過多雜質(zhì)，會導(dǎo)致導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性降低；二是設(shè)計(jì)裕度不足，在設(shè)計(jì)階段未充分考慮環(huán)境變化、機(jī)械應(yīng)力變化、最大允許電流等因素，導(dǎo)致導(dǎo)線在極端條件下承載能力不足，從而發(fā)生斷裂；三是施工安裝不規(guī)范，如張力調(diào)整不合理、附件連接處理不當(dāng)?shù)?，均會增加?dǎo)線斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 運(yùn)行維護(hù)問題

一是過載運(yùn)行，長期超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱嚴(yán)重，加速導(dǎo)線老化，甚至直接因熱膨脹超出極限而斷線；二是外力破壞，如風(fēng)振、雷擊、異物撞擊等外力作用，可能使導(dǎo)線承受超出設(shè)計(jì)能力的應(yīng)力，從而引發(fā)斷裂。

2.2 用電穩(wěn)定性

在規(guī)劃階段，若未能準(zhǔn)確預(yù)測區(qū)域負(fù)荷增長趨勢，可能導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)滯后于實(shí)際需求，或者過度投資導(dǎo)致資源浪費(fèi)，進(jìn)而影響供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。如果電源分布不均衡，將導(dǎo)致局部電網(wǎng)供需矛盾突出，尤其是在負(fù)荷中心與電源距離較遠(yuǎn)的情況下，輸電損耗增大，傳輸容量受限，影響供電可靠性。

3 電網(wǎng)規(guī)劃對于電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要影響

3.1 科學(xué)規(guī)劃電壓規(guī)劃等級

科學(xué)的電壓等級規(guī)劃對電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響主要體現(xiàn)在負(fù)荷匹配、傳輸效率、電壓穩(wěn)定性以及系統(tǒng)可靠性等方面。依據(jù)長期負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)，合理確定各級電壓網(wǎng)絡(luò)的供電范圍和容量。通過對比不同電壓等級下的負(fù)荷增長率與供電能力增長幅度，保證供電能力始終適度超前于負(fù)荷需求，對比結(jié)果如表1 所示。

表1 不同電壓等級下的負(fù)荷增長率與供電能力增長幅度

對于110 kV 電壓等級的電網(wǎng)，其年均負(fù)荷增長率約為3%，為應(yīng)對這一負(fù)荷增長趨勢，網(wǎng)絡(luò)供電能力的增長幅度設(shè)計(jì)為5%；同樣，在220 kV 電壓等級上，負(fù)荷年均增長率為4%，電網(wǎng)規(guī)劃中供電能力的增長率則設(shè)定為6%；對于330 kV 電壓等級，負(fù)荷增速達(dá)到了5%，供電能力計(jì)劃增長7%，以保證供需平衡和安全性。

可見，負(fù)荷增長率與網(wǎng)絡(luò)供電能力增長率之間的差值在不同電壓等級下保持相對穩(wěn)定。這意味著電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)在保障供電能力的同時，需要充分考慮負(fù)荷增長的需求，確保電網(wǎng)的供電能力與負(fù)荷增長相匹配。

對于較高電壓等級（如330 kV），負(fù)荷增長率和供電能力增長率均較高。在高壓電網(wǎng)中，電力傳輸距離更遠(yuǎn)、容量更大，因此對電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性要求更高。在電網(wǎng)規(guī)劃和電力設(shè)計(jì)過程中，需要更加注重提高高壓電網(wǎng)的可靠性和適應(yīng)性，以滿足日益增長的電力需求。

3.2 確保電網(wǎng)規(guī)劃安全

電網(wǎng)規(guī)劃對于電網(wǎng)安全運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的影響，其中確保電網(wǎng)規(guī)劃安全是至關(guān)重要的一環(huán)。電網(wǎng)規(guī)劃安全性的保障直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。

首先，電網(wǎng)規(guī)劃必須充分考慮電網(wǎng)的整體布局和結(jié)構(gòu)。一個科學(xué)合理的電網(wǎng)布局可以有效降低線路故障和電能損耗的風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。在規(guī)劃過程中，需要綜合考慮電源分布、負(fù)荷需求、地形地貌等因素，確保電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化且合理。

其次，電壓等級的選擇也是電網(wǎng)規(guī)劃中確保安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電壓等級的選擇直接影響電網(wǎng)的輸電能力、電能質(zhì)量以及設(shè)備安全。因此，在規(guī)劃過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況和用電需求，選擇合適的電壓等級，避免出現(xiàn)過高或過低的電壓導(dǎo)致電網(wǎng)故障或設(shè)備損壞。

再次，電網(wǎng)規(guī)劃需要注重設(shè)備選擇和配置。設(shè)備是電網(wǎng)安全運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，選擇合適的設(shè)備類型和配置方案可以有效降低電網(wǎng)故障率，提高電網(wǎng)的供電可靠性。在規(guī)劃過程中，需要充分考慮設(shè)備的性能、可靠性、壽命以及維護(hù)成本等因素，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

最后，電網(wǎng)規(guī)劃還需要考慮電網(wǎng)的擴(kuò)展性和靈活性。隨著電力需求的不斷增長和新能源的接入，電網(wǎng)需要具備足夠的擴(kuò)展空間和靈活性，以適應(yīng)未來發(fā)展的需要。因此，在規(guī)劃過程中，需要預(yù)留一定的擴(kuò)展余地，為電網(wǎng)的未來發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 加強(qiáng)電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力

在電網(wǎng)規(guī)劃中，加強(qiáng)電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力是一個核心的技術(shù)要點(diǎn)，對于確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或異常情況時，能夠迅速、有效地將負(fù)荷從一個區(qū)域或設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一個正常運(yùn)行的區(qū)域或設(shè)備，從而確保電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。

首先，加強(qiáng)電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力有助于提高電網(wǎng)的供電可靠性。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，不可避免地會出現(xiàn)設(shè)備故障、線路損壞等突發(fā)情況。如果電網(wǎng)具備強(qiáng)大的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，就可以在故障發(fā)生時迅速將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他正常運(yùn)行的設(shè)備或線路，避免發(fā)生停電事故。

其次，加強(qiáng)電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力有助于優(yōu)化電網(wǎng)資源配置。在電網(wǎng)規(guī)劃中，通過合理的布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使電網(wǎng)在正常運(yùn)行時能夠充分利用設(shè)備資源，提高設(shè)備利用率。而在故障發(fā)生時，通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移可以將閑置的設(shè)備或線路充分利用起來，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

最后，加強(qiáng)電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力還要注重技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，新的負(fù)荷轉(zhuǎn)移技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn)。例如，通過應(yīng)用智能調(diào)度系統(tǒng)、自動化控制技術(shù)等手段，可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)負(fù)荷的實(shí)時監(jiān)測和精準(zhǔn)控制，提高負(fù)荷轉(zhuǎn)移的效率和準(zhǔn)確性。同時，借助大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，對電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化調(diào)度，進(jìn)一步提高電網(wǎng)的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

在電網(wǎng)規(guī)劃實(shí)踐中，加強(qiáng)電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力需要綜合考慮多種因素。例如，充分考慮電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備性能以及運(yùn)行參數(shù)等因素，制定合理的負(fù)荷轉(zhuǎn)移策略。同時，加強(qiáng)電網(wǎng)與其他系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，如與新能源接入系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等的協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的整體優(yōu)化和穩(wěn)定運(yùn)行。

4 電力設(shè)計(jì)對于電網(wǎng)安全的主要影響

4.1 110 kV 電力設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1.1 電氣主接線設(shè)計(jì)與可靠性指標(biāo)

N-1 安全性驗(yàn)證采用雙電源或多重電源進(jìn)線設(shè)計(jì)，經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算和仿真驗(yàn)證，確保在失去任意一條供電線路時，其余線路能滿足全部負(fù)荷需求。例如，110 kV 變電站經(jīng)N-1 校核后，故障后剩余線路容量與總負(fù)荷的需求比為1.2，表明系統(tǒng)在單一線路故障情況下仍有20%的容量裕度。

采用電氣主接線設(shè)計(jì)方案后，能確保110 kV 電力系統(tǒng)在遭遇單個元件故障時，仍能維持供電連續(xù)性和服務(wù)質(zhì)量，這對于提高整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平具有重要意義。同時，這種設(shè)計(jì)兼顧經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)安全的原則，既滿足負(fù)荷增長的需求，又能確保在各種異常工況下電網(wǎng)具備足夠的彈性與韌性。

4.1.2 設(shè)備選型與性能指標(biāo)

在110 kV 電力設(shè)計(jì)中，設(shè)備選型與性能指標(biāo)對電網(wǎng)安全至關(guān)重要。選擇具有較高制造質(zhì)量和良好運(yùn)行記錄的品牌與型號，確保變壓器、斷路器、開關(guān)柜以及避雷器等主要設(shè)備的使用壽命長、故障率低，能夠在嚴(yán)苛環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備的額定電壓、額定電流、短路開斷能力、熱穩(wěn)定性以及動穩(wěn)定性等技術(shù)參數(shù)應(yīng)與系統(tǒng)需求相匹配，確保設(shè)備在滿載和極端工況下不會發(fā)生過熱、損壞或功能失效。在滿足安全要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選用節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品，降低電網(wǎng)運(yùn)行中的能耗損失和環(huán)境污染，提升電網(wǎng)的綠色可持續(xù)性。

4.1.3 繼電保護(hù)配置與動作時間

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)安全的重要防線，其配置合理性直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及故障特性，合理配置繼電保護(hù)裝置，覆蓋所有可能發(fā)生的故障類型，確保保護(hù)的全面性。同時，設(shè)置恰當(dāng)?shù)恼ㄖ担_保保護(hù)在故障發(fā)生時能快速準(zhǔn)確動作，不致誤動或拒動。設(shè)計(jì)時應(yīng)確保保護(hù)的選擇性，即當(dāng)系統(tǒng)某一部位發(fā)生故障時僅切除故障元件，不影響其他正常運(yùn)行部分。同時，動作時間要盡可能快，以限制故障范圍和減少設(shè)備損壞。

4.1.4 負(fù)荷預(yù)測與供電裕度

負(fù)荷預(yù)測與供電能力匹配，基于歷年負(fù)荷增長趨勢和未來發(fā)展規(guī)劃，設(shè)計(jì)變壓器容量滿足未來負(fù)荷需求，并留有一定裕度。例如，當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷為100 MW，預(yù)測5 年后負(fù)荷將達(dá)到120 MW，因此設(shè)計(jì)變壓器容量為150 MW，預(yù)留30%的裕度[2]。

4.2 220 kV 電力設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.2.1 電氣主接線設(shè)計(jì)

在220 kV 電力設(shè)計(jì)中，電氣主接線設(shè)計(jì)扮演著核心角色，致力于確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。設(shè)計(jì)時強(qiáng)調(diào)冗余性和靈活性，采用雙母線、多回路進(jìn)線或其他高級接線方式，以滿足N-1 及以上級別的可靠性要求。主接線不僅要適應(yīng)當(dāng)前負(fù)荷需求，還要預(yù)見未來電網(wǎng)擴(kuò)容和接入新能源的情況，確保在單個元件故障時，其他元件能夠無縫接手負(fù)荷，避免大面積停電[3]。

4.2.2 繼電保護(hù)與自動化系統(tǒng)

繼電保護(hù)和自動化系統(tǒng)構(gòu)成了電網(wǎng)安全的重要防線。在220 kV 電力設(shè)計(jì)中，繼電保護(hù)配置須細(xì)致入微，確保各類故障能夠被迅速、準(zhǔn)確識別并切除，同時保持高度的選擇性和靈敏性，避免越級跳閘和拒動，有效阻止故障擴(kuò)散。此外，高度集成的自動化系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、能源管理系統(tǒng)（Energy management system，EMS）等，實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)并快速響應(yīng)故障，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性。智能變電站技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多種功能的高度整合，增強(qiáng)了電網(wǎng)管理的智能化程度，提升了整體安全性能[4]。

4.2.3 過電壓防護(hù)與接地系統(tǒng)

在220 kV 電力設(shè)計(jì)中，過電壓防護(hù)與接地系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)同樣至關(guān)重要。過電壓防護(hù)旨在防止雷擊、操作過電壓、暫態(tài)過電壓等對電網(wǎng)設(shè)備造成損害，通過合理配置避雷器、阻波器及其他防護(hù)設(shè)備，確保在過電壓事件中設(shè)備能夠得到有效保護(hù)。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是為了提供安全的故障電流通道，降低接地故障時的接觸電壓和跨步電壓，減少觸電危險(xiǎn)，同時保證電網(wǎng)在故障狀態(tài)下的快速切除與恢復(fù)正常運(yùn)行[5]。

4.3 合理選擇電力設(shè)備

4.3.1 設(shè)備性能匹配電網(wǎng)需求

設(shè)備容量應(yīng)與電網(wǎng)的預(yù)期負(fù)荷相匹配，既要滿足當(dāng)前負(fù)荷需求，又要預(yù)留一定裕量來應(yīng)對未來的負(fù)荷增長，防止設(shè)備過載運(yùn)行導(dǎo)致故障或壽命縮短。正確選擇電壓等級是確保電網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，不同級別的電力設(shè)備應(yīng)用于相應(yīng)等級的電網(wǎng)，避免壓降過大或過小造成電網(wǎng)失穩(wěn)或設(shè)備損壞[6]。

4.3.2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)與安全標(biāo)準(zhǔn)相符

設(shè)備的絕緣性能必須滿足相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，確保在運(yùn)行中不會因絕緣擊穿而導(dǎo)致短路或人身傷害。電力設(shè)備如斷路器、變壓器等應(yīng)具有足夠的短路承受能力，能夠在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時及時切斷故障電流，避免故障范圍擴(kuò)大。

4.3.3 設(shè)備兼容性與可擴(kuò)展性

電力設(shè)備應(yīng)與現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)無縫對接，包括通信協(xié)議、接口標(biāo)準(zhǔn)等方面的兼容，確保設(shè)備能夠順利融入電網(wǎng)并有效協(xié)同工作。隨著電網(wǎng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)的變化，所選設(shè)備應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，便于在未來電網(wǎng)升級和擴(kuò)容時進(jìn)行調(diào)整[7]。

5 提高電網(wǎng)規(guī)劃與電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全性的措施

5.1 電網(wǎng)規(guī)劃階段

5.1.1 合理選擇電壓等級

在電網(wǎng)規(guī)劃階段，合理選擇和配置各級電壓等級是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。技術(shù)人員需要根據(jù)負(fù)荷需求、供電距離、經(jīng)濟(jì)性以及未來發(fā)展趨勢等因素來確定最優(yōu)的電壓等級。適當(dāng)?shù)倪x擇能夠避免過高的電壓造成設(shè)備投資過大或運(yùn)行維護(hù)困難，也能防止出現(xiàn)因電壓過低而引起的電能質(zhì)量下降、損耗增大等問題[8]。

5.1.2 提升電網(wǎng)供電效果

構(gòu)建多環(huán)網(wǎng)、雙回路或多電源供電方式，增加供電路徑的冗余度，確保在局部故障時仍能提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。準(zhǔn)確預(yù)測未來負(fù)荷發(fā)展情況，合理布局變電站和線路，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡分配，降低過載風(fēng)險(xiǎn)，減少因負(fù)荷不平衡導(dǎo)致的電網(wǎng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

5.2 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段

5.2.1 電力設(shè)備的選型

嚴(yán)格遵守國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇符合高可靠性和長壽命要求的電氣設(shè)備，確保設(shè)備在各種工況下都能穩(wěn)定、高效運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，選用具有較高耐腐蝕性、抗老化及耐高溫低溫等特性的設(shè)備材料，降低環(huán)境因素導(dǎo)致的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

5.2.2 優(yōu)化變電站設(shè)計(jì)

按照N-1 原則（或更高標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備冗余設(shè)計(jì)，防止單一設(shè)備失效導(dǎo)致變電站整體功能喪失。采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的變電站設(shè)計(jì)，便于維護(hù)與更新，并結(jié)合智能監(jiān)控、自診斷以及遠(yuǎn)程操控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站的高效管理和運(yùn)維。

6 結(jié) 論

電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)是確保電網(wǎng)安全、高效和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，不僅影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且對于提升電力供應(yīng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境友好性都具有重要作用。因此，需要通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和管理優(yōu)化，不斷提高電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，為社會提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)保的電力支持。