電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)對電網(wǎng)安全的價(jià)值

王淑玲，劉曉燕，李 鑫

（山東魯中電力工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引 言

電力規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)作為電網(wǎng)運(yùn)行安全的重要影響因素，主要涉及電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃、電壓等級規(guī)劃、電網(wǎng)控制系統(tǒng)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電力設(shè)備選型以及繼電保護(hù)系統(tǒng)等內(nèi)容。在市場用電需求增加的背景下，電力規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的問題逐漸涌現(xiàn)，改進(jìn)電力規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)成為社會各方關(guān)注點(diǎn)。在實(shí)際改進(jìn)階段，部分人員對電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)對電網(wǎng)安全的價(jià)值的認(rèn)知不全面，導(dǎo)致電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的效果不佳。因此，探究電網(wǎng)安全視角下電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的價(jià)值因素、常見問題以及保障措施尤為重要。

1 電網(wǎng)安全下電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的價(jià)值因素

1.1 電網(wǎng)規(guī)劃對電網(wǎng)安全的價(jià)值因素

1.1.1 電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃

電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃主要指以電力需求變化為依據(jù)，合理調(diào)配與分配電力資源，從而滿足不同用戶、不同時(shí)段以及不同地區(qū)的用電需求。電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃的合理性對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有直接影響，能夠有效降低電網(wǎng)事故風(fēng)險(xiǎn)，提高供電質(zhì)量與可靠性。一般而言，電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃需以前瞻性為原則，預(yù)測未來特定時(shí)段內(nèi)的電網(wǎng)負(fù)荷，并以預(yù)測結(jié)果為依據(jù)制定電網(wǎng)建設(shè)、改造以及升級計(jì)劃，以規(guī)避電網(wǎng)設(shè)備欠載或過載運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全性。如果電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃不合理，則會直接影響電網(wǎng)正常運(yùn)行。以某地為例，該地區(qū)夏季電網(wǎng)負(fù)荷可達(dá)1.2×108kW·h，同比增加約8%，但是電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃不合理，電網(wǎng)輸電容量僅為1.1×108kW·h，同比增加約5%。此時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷超輸電容量9%，超出規(guī)定安全范圍，增加電力系統(tǒng)大面積停電風(fēng)險(xiǎn)，無法保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1.1.2 電壓等級規(guī)劃

電壓等級作為電能質(zhì)量的衡量指標(biāo)之一，對電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性以及穩(wěn)定性具有直接影響，因此電壓等級規(guī)劃是電網(wǎng)規(guī)劃的重要工作?，F(xiàn)階段，我國電網(wǎng)電壓等級主要包括500 kV、330 kV、35 kV、110 kV 以及220 kV，各電壓等級線路的輸電能力與輸電距離有明顯差異。合理規(guī)劃電壓等級，保障在某電壓等級線路故障階段，其余電壓等級線路能夠分擔(dān)故障線路負(fù)荷，規(guī)避電壓過快下降問題，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全，是實(shí)現(xiàn)電壓波動降低與電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。此外，從系統(tǒng)保護(hù)的角度出發(fā)，電壓等級越高，相應(yīng)的系統(tǒng)保護(hù)功能越完善。例如，220 kV 以上線路多選擇斷路器展開保護(hù)，能夠達(dá)到快速切斷故障線路的效果；而500 V 以下低壓線路，多選擇漏電保護(hù)器或熔斷器展開保護(hù)。電壓等級規(guī)劃能夠通過規(guī)劃控制電壓等級，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)方法，維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行安全[2]。

1.1.3 電網(wǎng)控制系統(tǒng)

電網(wǎng)控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、自動發(fā)電控制系統(tǒng)以及自動電壓控制系統(tǒng)等，是現(xiàn)階段電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)展開實(shí)時(shí)監(jiān)控，為遠(yuǎn)程控制與調(diào)度電網(wǎng)提供條件。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠采集電網(wǎng)頻率、電流以及電壓等數(shù)據(jù)，并展開信息分析與處理，為調(diào)度工作提供數(shù)據(jù)支持。在電網(wǎng)故障階段，如設(shè)備異常、線路跳閘等，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測異常情況，展開異常預(yù)警，落實(shí)開關(guān)分合、發(fā)電機(jī)出力調(diào)整等操作，提高故障處理或風(fēng)險(xiǎn)處理效率。自動發(fā)電控制系統(tǒng)則能調(diào)整發(fā)電機(jī)出力，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓，保障電力系統(tǒng)電壓與頻率的穩(wěn)定性，維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行安全。自動電壓控制系統(tǒng)能夠調(diào)整無功補(bǔ)償設(shè)備投切，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，保障系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

1.2 電力設(shè)計(jì)對電網(wǎng)安全的價(jià)值因素

1.2.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電網(wǎng)穩(wěn)定性與安全性的重要影響因素?，F(xiàn)階段，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電力系統(tǒng)維護(hù)、運(yùn)行、規(guī)劃以及設(shè)計(jì)層面具有重要價(jià)值，主要指電力系統(tǒng)中輸電線路、發(fā)電機(jī)以及變壓器等電氣設(shè)備間的連接關(guān)系。目前，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要涉及混合結(jié)構(gòu)、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、輻射結(jié)構(gòu)以及環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。其中，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有電網(wǎng)穩(wěn)定性高、故障恢復(fù)快等優(yōu)勢，但建設(shè)成本相對較高。輻射結(jié)構(gòu)與鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)較為簡單，具有建設(shè)成本低的優(yōu)勢，但穩(wěn)定性相對較弱?；旌辖Y(jié)構(gòu)具有輻射結(jié)構(gòu)與環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，但建設(shè)成本偏高。因此，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇需以建設(shè)成本、穩(wěn)定性以及安全性等為指標(biāo)綜合考量。此外，合理優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還能有效增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)對人為風(fēng)險(xiǎn)、自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)以及設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力，提升電網(wǎng)運(yùn)行的適應(yīng)性、靈活性以及安全性。例如，合理設(shè)計(jì)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠優(yōu)化電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)、環(huán)路數(shù)、導(dǎo)線截面以及線路長度等參數(shù)，增強(qiáng)對電網(wǎng)短路電流水平的控制力，減少電網(wǎng)設(shè)備熱穩(wěn)定與過載問題，在保障電網(wǎng)運(yùn)行安全的同時(shí)提高電網(wǎng)輸送效率[3]。

1.2.2 電力設(shè)備選型

電力設(shè)備選型作為電力設(shè)計(jì)的重要工作內(nèi)容，不僅影響電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行效率，而且直接影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。一般而言，在設(shè)備選型階段，工作人員會以設(shè)備額定電流、額定電壓以及短路容量等技術(shù)性能參數(shù)為依據(jù)，同時(shí)參考設(shè)備采購成本和運(yùn)維成本等經(jīng)濟(jì)性元素，選擇最佳電力設(shè)備。如果電力設(shè)備額定電流過大，則會增加設(shè)備過熱風(fēng)險(xiǎn)，易引發(fā)火災(zāi)。如果設(shè)備額定電壓過低，則會影響設(shè)備正常運(yùn)行，從而影響電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)備初期投入雖然大，但是運(yùn)行效率與維護(hù)成本偏低，從長遠(yuǎn)上看能有效縮減后期運(yùn)營維運(yùn)成本。

1.2.3 繼電保護(hù)系統(tǒng)

繼電保護(hù)系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的重要構(gòu)成，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，精準(zhǔn)識別與隔離故障區(qū)域，保障非故障區(qū)域的穩(wěn)定運(yùn)行。相關(guān)人員一般會以設(shè)備特性、短路電流大小以及電網(wǎng)電壓等級為依據(jù)設(shè)計(jì)繼電保護(hù)系統(tǒng)。電壓等級越高，繼電保護(hù)系統(tǒng)越復(fù)雜。此外，繼電保護(hù)系統(tǒng)主要由軟件部分與硬件部分構(gòu)成。其中，軟件部分涉及人機(jī)界面、保護(hù)算法以及通信協(xié)議等，硬件部分涉及開關(guān)設(shè)備、保護(hù)設(shè)備以及合并單元等。合理配置硬軟件能夠加快繼電保護(hù)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，及時(shí)控制風(fēng)險(xiǎn)，保障性能與安全性處于平衡狀態(tài)。

2 電網(wǎng)安全下電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的常見問題

以S 市電網(wǎng)為例，截至2023 年底，S 市電網(wǎng)擁有職工共計(jì)225 名，職能部門10 個(gè)，供電所10 個(gè)，市內(nèi)220 kV 變電站共計(jì)3 座，110 kV 變電站共計(jì)15 座，35 kV 變電站共計(jì)5 座，其中220 kV 變電站變電總?cè)萘考s為700 MVA，110 kV 變電總?cè)萘考s為1 215 MVA，35 kV 變電總?cè)萘考s為100 MVA。從電網(wǎng)安全的角度出發(fā)，S 市電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)與電網(wǎng)規(guī)劃的常見問題主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面。

2.1 電力設(shè)備選型不合理

電力設(shè)備選型不合理是我國部分地區(qū)電網(wǎng)的常見問題，也是S 市電網(wǎng)的突出性問題，主要原因如下。一方面，在電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)階段，S 市電網(wǎng)工作人員未從使用年限、用電變化等角度出發(fā)選擇電力設(shè)備，過度負(fù)荷等因素導(dǎo)致S 市電網(wǎng)部分設(shè)備的實(shí)際使用年限偏短，進(jìn)而對電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全產(chǎn)生影響。另一方面，在城市發(fā)展的環(huán)境下，S 市電力能源的市場需求量明顯提升，而S 市電網(wǎng)受成本等因素限制，并未及時(shí)更換適應(yīng)性更強(qiáng)的電力設(shè)備，導(dǎo)致電力設(shè)備處于長期超負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，增加電力設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，電力設(shè)備的維護(hù)檢查難度也有所增加，給電網(wǎng)帶來較大安全隱患。

2.2 電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃不科學(xué)

S 市電網(wǎng)中的電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，在電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)階段并未合理充分地開展城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查活動，導(dǎo)致S 市電網(wǎng)變電站和變壓器等電力設(shè)備的位置選擇隨意性偏高，存在電力設(shè)備過度集中或松散的情況，電網(wǎng)運(yùn)行面臨負(fù)荷壓力偏大的問題，增加電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是在S 市社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，電力需求提升，電力設(shè)備無法滿足電力需求和電力資源分配不合理問題日益凸顯，部分地區(qū)面臨缺電等問題，不僅影響居民日常生活，還對電力設(shè)備使用年限與電網(wǎng)整體安全產(chǎn)生較大威脅。

2.3 電網(wǎng)控制系統(tǒng)流于形式

現(xiàn)階段，電網(wǎng)控制系統(tǒng)成為電網(wǎng)規(guī)劃的重要內(nèi)容。受建設(shè)時(shí)期技術(shù)等因素影響，S 市的電網(wǎng)控制系統(tǒng)與電網(wǎng)規(guī)劃、電力設(shè)計(jì)的緊密度偏低，導(dǎo)致電力控制系統(tǒng)的實(shí)際效用難以發(fā)揮。S 市電網(wǎng)相關(guān)工作執(zhí)行以人工操作為主，如電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)采集、電流數(shù)據(jù)采集、電壓數(shù)據(jù)采集、開關(guān)分合、發(fā)電機(jī)出力調(diào)整以及故障排查與處理等，無法及時(shí)開展故障處理等工作，給電網(wǎng)安全帶來隱患。

3 電網(wǎng)安全視角下電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的實(shí)踐措施

3.1 電壓等級規(guī)劃優(yōu)化

在電網(wǎng)覆蓋內(nèi)，各區(qū)域的用電需求有所差異，如果供電電壓與實(shí)際需求不符，則會出現(xiàn)電力浪費(fèi)或電力設(shè)備損壞等問題，進(jìn)而影響電網(wǎng)安全。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)階段需要實(shí)施以下流程。首先，調(diào)查電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)各區(qū)域的電壓需求，并以此為依據(jù)劃定各區(qū)域電壓等級；其次，結(jié)合客觀需求，在區(qū)域范圍內(nèi)配置變電站；再次，以用電需求為依據(jù)，調(diào)整各區(qū)域電壓等級，以滿足區(qū)域用電需求，減少電力能源損耗；最后，相關(guān)工作人員需標(biāo)明變電站與次級變電站位置，用電需求偏大的區(qū)域選擇變電站，需求偏少的區(qū)域則選擇次級變電站，保障變電站設(shè)置的合理性，從整體上科學(xué)地劃分電壓等級，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行[4]。

3.2 電力設(shè)備選型調(diào)整

電力設(shè)備是電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的重要工作內(nèi)容，也是S 市電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)與電網(wǎng)規(guī)劃的優(yōu)化重點(diǎn)。在電力設(shè)備選定階段，需要注意兩方面內(nèi)容：一方面，在電力設(shè)備選擇規(guī)劃階段，相關(guān)工作人員需以電力設(shè)備質(zhì)量性能、功耗、實(shí)際用電需求以及采購與運(yùn)維成本等為依據(jù)，選擇性價(jià)比高的電力設(shè)備，以規(guī)避設(shè)備能源消耗過高和成本過大等問題；另一方面，在電力設(shè)備維護(hù)階段，相關(guān)工作人員需制定電力設(shè)備故障預(yù)防與應(yīng)急處理機(jī)制，指導(dǎo)相關(guān)人員依據(jù)監(jiān)測裝置、斷路器等控制電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高電力設(shè)備故障處理效率，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。

3.3 電網(wǎng)控制系統(tǒng)

優(yōu)化電網(wǎng)控制系統(tǒng)是電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)安全控制的智能化，及時(shí)處理電網(wǎng)運(yùn)行隱患和故障。以電力安全為導(dǎo)向，優(yōu)化電力控制系統(tǒng)，主要采取以下措施。一方面，有效使用故障監(jiān)測系統(tǒng)。故障監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。在電網(wǎng)正常運(yùn)行階段，故障監(jiān)測系統(tǒng)會將電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至中心管理平臺；在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障監(jiān)測系統(tǒng)會抓取變動偏大的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并發(fā)出提醒。相關(guān)工作人員以中心管理平臺為媒介，了解電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與異常數(shù)據(jù)，分析故障因素，進(jìn)而采取相應(yīng)的手段排除故障，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。另一方面，有效使用供電管理系統(tǒng)。供電管理系統(tǒng)主要用于監(jiān)測用戶用電需求與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整電力資源，確保電力能源合理有效分配至用戶，在保障電網(wǎng)運(yùn)行效率的同時(shí)，緩解電網(wǎng)負(fù)荷過大等風(fēng)險(xiǎn)[5]。

4 結(jié) 論

為保障電網(wǎng)安全性，在落實(shí)電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)中對電力安全具有影響的價(jià)值因素，包括電力設(shè)備選型、電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃以及電網(wǎng)控制系統(tǒng)等。以電力安全為導(dǎo)向，明確找出電網(wǎng)規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題，并落實(shí)相應(yīng)改進(jìn)措施，從而提升電力規(guī)劃與電力設(shè)計(jì)的科學(xué)性。