電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃5考慮容災(zāi)能力的電網(wǎng)規(guī)劃

思索容災(zāi)才干的電網(wǎng)規(guī)劃方法電網(wǎng)差別化規(guī)劃新方法抗災(zāi)型電網(wǎng)規(guī)劃方式與模型電網(wǎng)差別化規(guī)劃新方法引言當(dāng)前，智能電網(wǎng)研討成為業(yè)界熱點(diǎn)。為抵御艱苦自然災(zāi)禍導(dǎo)致的大面積停電，中國(guó)智能電網(wǎng)建立相比于國(guó)外，更加強(qiáng)調(diào)容災(zāi)才干和可靠性。差別化規(guī)劃是提高電網(wǎng)容災(zāi)才干的重要措施之一。提高部分輸變電設(shè)備和電源的設(shè)計(jì)規(guī)范，使電力系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗災(zāi)才干，以保證災(zāi)禍情況下對(duì)特殊負(fù)荷的供電。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)公司都在不同層面啟動(dòng)了差別化規(guī)劃，并得到國(guó)家發(fā)改委等主管部門的支持。國(guó)內(nèi)外研討人員分2種主要情況對(duì)電力系統(tǒng)防災(zāi)變進(jìn)展了較多研討。一是電力系統(tǒng)本身災(zāi)變。如文獻(xiàn)[8]分析了如何防止偶爾事故演化為電力系統(tǒng)災(zāi)變，文獻(xiàn)[9]引見(jiàn)了國(guó)外大面積停電事故的應(yīng)急處置機(jī)制及對(duì)中國(guó)的啟示。在電力系統(tǒng)預(yù)警、維護(hù)、應(yīng)急控制、缺點(diǎn)恢復(fù)等方面獲得了豐盛的研討成果。二是在外部嚴(yán)重災(zāi)禍發(fā)生后電力系統(tǒng)的應(yīng)急處置，如何盡快恢復(fù)，如何在災(zāi)禍中保證重要負(fù)荷供電，這對(duì)開(kāi)展減災(zāi)、救災(zāi)任務(wù)具有非常重要的意義。文獻(xiàn)[13-14]從電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度，提出了極端外部災(zāi)禍情況下電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)轉(zhuǎn)決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[15-16]總結(jié)了冰雪災(zāi)禍條件下電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)所面臨的問(wèn)題，對(duì)覆冰構(gòu)成緣由、監(jiān)測(cè)、融冰技術(shù)等方面的根底問(wèn)題進(jìn)展了整理。但從規(guī)劃角度，經(jīng)過(guò)構(gòu)建合理網(wǎng)架來(lái)提高電網(wǎng)抗災(zāi)才干的研討還不充分。本文提出差別化規(guī)劃新的指點(diǎn)原那么與模型，以最小的本錢提高電網(wǎng)容災(zāi)、抗災(zāi)才干，保證極端惡劣情況下的根本供電才干和電網(wǎng)自愈才干。差別化規(guī)劃的指點(diǎn)原那么電力系統(tǒng)需堅(jiān)持瞬時(shí)平衡，且負(fù)荷自動(dòng)變化，供電被動(dòng)變化。因此，差別化規(guī)劃首先需求分析關(guān)鍵區(qū)域的關(guān)鍵負(fù)荷。普通情況下，電網(wǎng)負(fù)荷分為一、二、三級(jí)負(fù)荷，在某些地域，除了一級(jí)負(fù)荷外，還有特級(jí)負(fù)荷；在部分地域，特級(jí)負(fù)荷是一級(jí)負(fù)荷的組成部分。根據(jù)日前負(fù)荷分級(jí)的相關(guān)規(guī)范，一級(jí)負(fù)荷的范圍過(guò)廣，在嚴(yán)重災(zāi)禍下難以保證一切一級(jí)負(fù)荷的供電。隨著城市化率的提高，一級(jí)負(fù)荷占總負(fù)荷的比重有逐年提高的趨勢(shì)。因此，有以下幾點(diǎn)建議:1〕建議推行運(yùn)用特級(jí)負(fù)荷的概念。特級(jí)負(fù)荷定義為在艱苦自然災(zāi)禍、戰(zhàn)爭(zhēng)、社會(huì)穩(wěn)定等遭到嚴(yán)重沖擊等非正常形狀下需保證供電的特殊負(fù)荷。要嚴(yán)厲限制特級(jí)負(fù)荷的范圍，例如醫(yī)療衛(wèi)生負(fù)荷以治療、病房、藥品存儲(chǔ)等為主，少量辦公負(fù)荷也可納入，但醫(yī)院大部分辦公負(fù)荷不應(yīng)納入特級(jí)負(fù)荷。文獻(xiàn)[17]將災(zāi)禍情況下需保證的負(fù)荷分為高危用戶(如礦山、有工業(yè))、重要用戶(如政府、指揮中心、地鐵、機(jī)場(chǎng)、通訊、醫(yī)院)、救災(zāi)用戶3類，根本涵蓋了特級(jí)負(fù)荷。2〕特級(jí)負(fù)荷應(yīng)適度集中。建議城市規(guī)劃中將需求保證用電的用戶適度集中，在地域上延續(xù)安排5MVA~10MVA的特級(jí)負(fù)荷為宜〔因10kV線路的供電容量在5MVA~10MVA之間〕。特級(jí)負(fù)荷集中是城市規(guī)劃和城市電網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)的重要方面。假設(shè)特級(jí)負(fù)荷過(guò)于分散，向特級(jí)負(fù)荷供電的各個(gè)配電線路、變電站以及這些變電站的電源進(jìn)線就相應(yīng)比較分散，都要被納入需求保證的范圍。這將使差別化規(guī)劃和建立的本錢過(guò)高。但假設(shè)特級(jí)負(fù)荷過(guò)于集中，一個(gè)變電站缺點(diǎn)能夠?qū)е麓罅刻丶?jí)負(fù)荷停電，加大特級(jí)負(fù)荷在非災(zāi)禍形狀下的停電風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在電網(wǎng)規(guī)劃和業(yè)擴(kuò)報(bào)裝任務(wù)中，采用如下方式實(shí)現(xiàn)特級(jí)負(fù)荷適度集中供電:1〕特級(jí)負(fù)荷原那么上運(yùn)用專線供電。假設(shè)特級(jí)負(fù)荷與普通負(fù)荷同線供電，那么在特殊情況下，使不需求保證供電的用戶“搭順風(fēng)車〞。2〕以經(jīng)過(guò)10kV中壓配電網(wǎng)供電的特級(jí)負(fù)荷為例，相鄰110kV變電站所供特級(jí)負(fù)荷，盡量經(jīng)過(guò)10kV環(huán)網(wǎng)，在110kV變電站層面適度集中。以上可經(jīng)過(guò)劃分110kV變電站〔或有10kV出線的220kV變電站〕在災(zāi)禍情況下的供電范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，一部分變電站不提高設(shè)計(jì)規(guī)范，災(zāi)禍情況下不思索其運(yùn)轉(zhuǎn)；提高設(shè)計(jì)規(guī)范的變電站〔以下簡(jiǎn)稱“高規(guī)范站〞〕，除了承當(dāng)正常情況下供電范圍的供電外，災(zāi)禍情況下周邊其他變電站的部分供電范圍也由該變電站承當(dāng)。根據(jù)目前大部分城市特級(jí)負(fù)荷約占總負(fù)荷比重30%的情況，高規(guī)范站容量將超越110kV供電容量的1/3.3〕建議高規(guī)范站在災(zāi)禍情況下供特級(jí)負(fù)荷容量滿足N-1原那么，當(dāng)一臺(tái)主變壓器缺點(diǎn)時(shí)，仍可以保證對(duì)特級(jí)負(fù)荷的供電。4〕建議采用特級(jí)網(wǎng)絡(luò)概念。在嚴(yán)重災(zāi)禍情況下，構(gòu)成特級(jí)負(fù)荷、少數(shù)輸電線路和變電站、少數(shù)電源組成的特級(jí)網(wǎng)絡(luò)。特級(jí)網(wǎng)絡(luò)是從各特級(jí)負(fù)荷逐漸追蹤到電源的供電通路，在存在適當(dāng)平安裕度前提下，最小化提高設(shè)計(jì)和建立規(guī)范的各電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)。為了保證構(gòu)成特級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通路，每個(gè)110kV高規(guī)范站，至少應(yīng)有1條線引自220kV高規(guī)范變電站出線、高規(guī)范110kV發(fā)電廠、其他110kV高規(guī)范站的進(jìn)線母線引人進(jìn)線。為了最小化特級(jí)網(wǎng)絡(luò)，110kV高規(guī)范站的進(jìn)線也應(yīng)適當(dāng)集中，每3個(gè)或2個(gè)110kV高規(guī)范變電站安排從同一個(gè)220kV高規(guī)范站(或110kV電源)進(jìn)線。同樣的道理繼續(xù)上推到500kV變電站。這樣，從特級(jí)負(fù)荷的適度集中人手，逐漸往上一級(jí)電壓等級(jí)遞推，構(gòu)成完好的、最小化的供電通路。目前，一些網(wǎng)省公司在制定差別化規(guī)劃時(shí)，簡(jiǎn)單按照輸變電設(shè)備電壓等級(jí)確定其重要性和設(shè)計(jì)規(guī)范。按照該原那么確定的差別化規(guī)劃方案，針對(duì)性較差、本錢過(guò)高。在嚴(yán)重災(zāi)禍情況下，能夠不能保證對(duì)特級(jí)負(fù)荷供電。例如，在某些省市，線路覆冰設(shè)防規(guī)范，500kV線路為50年一遇，110kV和220kV線路為30年一遇，能夠出現(xiàn)110kV和220kV根本癱瘓、部分500kV線路可用的情況，導(dǎo)致有電送不出。按構(gòu)成特級(jí)網(wǎng)絡(luò)的思緒，假設(shè)特級(jí)負(fù)荷占總負(fù)荷的比重為3000，那么高規(guī)范的500kV輸變電設(shè)備大致占30%，被大幅度緊縮。5〕建議采用分級(jí)差別規(guī)劃。外部能夠發(fā)生不同嚴(yán)重程度的災(zāi)禍，可分級(jí)制定差別化規(guī)劃，例如：特級(jí)網(wǎng)絡(luò)為保證特級(jí)負(fù)荷供電的網(wǎng)絡(luò)；一級(jí)網(wǎng)絡(luò)為保證一級(jí)負(fù)荷供電的網(wǎng)絡(luò)。由于特級(jí)負(fù)荷是一級(jí)負(fù)荷的組成部分，特級(jí)網(wǎng)絡(luò)也將是一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的一部分。特級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)范高于一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)范高于其他部分。特級(jí)網(wǎng)絡(luò)和一級(jí)網(wǎng)絡(luò)將是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，是電網(wǎng)提高容災(zāi)才干的中心，也是電網(wǎng)自愈的中心支撐。差別化規(guī)劃優(yōu)化模型按照第1節(jié)提出的差別化規(guī)劃原那么，本節(jié)以特級(jí)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為例，分析差別化規(guī)劃的優(yōu)化模型。由于在災(zāi)禍情況下的時(shí)間較短，無(wú)需把災(zāi)禍時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性納入目的，因此差別化規(guī)劃的目的是差別化建立的本錢最低，如下式:式中:f為差別化建立的總本錢，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，追求總本錢最低；N為組件總數(shù)；Si為主要的決策變量，即第i個(gè)組件能否提高設(shè)計(jì)規(guī)范，等于1時(shí)提高，等于0時(shí)不提高。值得留意的是，不同的組件〔電源、線路和變電站〕提高設(shè)計(jì)規(guī)范的本錢差距將非常大，所以選擇不同的組件提高設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)優(yōu)化程度的影響很大。差別化規(guī)劃優(yōu)化模型如圖1所示：從圖1可以看到，差別化規(guī)劃可以了解為一個(gè)求解最短途徑的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題。1〕第1階段是確定10kV特級(jí)負(fù)荷，這種特級(jí)負(fù)荷將占特級(jí)負(fù)荷的絕大多數(shù)。2〕10kV特級(jí)負(fù)荷都應(yīng)接人110kV高規(guī)范站或10kV地方電源。用戶接入不同的110kV高規(guī)范站或地方電源的本錢不同，即線路、變電站提高設(shè)計(jì)規(guī)范的本錢不同。用戶接入不同變電站或電源的本錢，可視為途徑長(zhǎng)度；且每個(gè)途徑和節(jié)點(diǎn)有容量限制。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，獲得一切10kV特級(jí)負(fù)荷接入110kV高規(guī)范站和電源的總最優(yōu)途徑。3〕同樣道理，優(yōu)化第2階段至第3階段的總最短途徑、第3階段至第4階段的最優(yōu)途徑等?？刹捎秒x散的負(fù)荷—電源對(duì)的匹配過(guò)程來(lái)描畫(huà)與求解。特級(jí)負(fù)荷和高規(guī)范電源是電網(wǎng)差別化規(guī)劃的邊境條件，電網(wǎng)銜接負(fù)荷和電源，確定特級(jí)負(fù)荷和高規(guī)范電源后，確定兩者之間的銜接通路。1〕特級(jí)負(fù)荷按照重要性和規(guī)模排序。2〕按照排序逐一尋覓各特級(jí)負(fù)荷到高規(guī)范電源本錢最低的通路。對(duì)特級(jí)負(fù)荷l，優(yōu)化問(wèn)題如下:式中：fl為第l個(gè)特級(jí)負(fù)荷保證供電的邊沿本錢；Sil為保證第l個(gè)特級(jí)負(fù)荷供電、第i個(gè)組件能否是新增的需求提高設(shè)計(jì)規(guī)范的組件。將該特級(jí)負(fù)荷分別與不同的高規(guī)范電源匹配，如圖2所示。將特級(jí)負(fù)荷l與各個(gè)電源匹配，采用最短途徑法，獲得與各電源匹配的最優(yōu)途徑及其邊沿本錢，思索一定的約束條件。1〕途徑中，各變電站容量不越限:為第i個(gè)變電站新增特級(jí)負(fù)荷l與電源g匹配后的負(fù)荷容量；為變電站i的負(fù)荷上限；為從特級(jí)負(fù)荷l到電源g的最優(yōu)途徑中輸配電線路、變電站等所組成的集合。值得留意的是，災(zāi)禍情況是特殊情況，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)，變電站容載比可采用容載比下限。2〕途徑中，各輸電線路容量不越限:為第i條線路新增特級(jí)負(fù)荷j與電源g匹配后的負(fù)荷容量；為線路i的負(fù)荷上限。3〕途徑中的一切變電站和線路都是提高設(shè)計(jì)規(guī)范的組件:為高規(guī)范建立的組件集合。4〕邊沿本錢等于途徑中新增的提高設(shè)計(jì)規(guī)范的組件高規(guī)范設(shè)計(jì)、建立的本錢:為在當(dāng)前曾經(jīng)完成的匹配根底上將特級(jí)負(fù)荷l與電源g匹配的邊沿本錢；為完成該匹配而新增的高規(guī)范線路與變電站的建立本錢。中選擇本錢最低者，完成特級(jí)負(fù)荷l的供電通路優(yōu)化。逐一對(duì)不同特級(jí)負(fù)荷采取上述匹配過(guò)程。從差別化規(guī)劃還有一些其他約束條件，例如：①提高設(shè)計(jì)規(guī)范的電源容量不應(yīng)小于特級(jí)負(fù)荷容量，并留有一定的備用；②各提高設(shè)計(jì)規(guī)范的組件構(gòu)成連通圖，系統(tǒng)中可以構(gòu)成假設(shè)干個(gè)連通圖，對(duì)應(yīng)災(zāi)禍時(shí)假設(shè)干個(gè)孤島電網(wǎng)，每個(gè)孤島應(yīng)具有黑啟動(dòng)電源。差別化規(guī)劃優(yōu)化后，接近負(fù)荷中心〔尤其是接近特級(jí)負(fù)荷〕的電源應(yīng)優(yōu)先提高設(shè)計(jì)規(guī)范，因提高設(shè)計(jì)規(guī)范后送出工程的途徑較短，且使災(zāi)禍中的電網(wǎng)具有較強(qiáng)的調(diào)頻、調(diào)壓才干。特級(jí)負(fù)荷適當(dāng)集中，能極大地提高差別化規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性。差別化規(guī)劃流程本文建議差別化規(guī)劃由下至上逐漸規(guī)劃:1〕由區(qū)縣供電企業(yè)調(diào)研本供電區(qū)域內(nèi)的特級(jí)負(fù)荷，分析當(dāng)前特級(jí)負(fù)荷的數(shù)量、分布，并預(yù)測(cè)程度年的特級(jí)負(fù)荷。日前，國(guó)內(nèi)部分電網(wǎng)企業(yè)制定電網(wǎng)差別化規(guī)劃時(shí)，缺乏對(duì)特級(jí)負(fù)荷的調(diào)查研討，簡(jiǎn)單采用總量負(fù)荷30%左右的負(fù)荷作為特級(jí)負(fù)荷；沒(méi)有明確在災(zāi)禍情況下需求盡量保證供電的用戶。2〕建議區(qū)縣供電企業(yè)按照本文所述方法，采用環(huán)網(wǎng)方式，將特級(jí)負(fù)荷在災(zāi)禍情況下適當(dāng)集中到某些110kV變電站，劃分災(zāi)禍情況下110kV變電站的供電范圍。3〕地市供電企業(yè)對(duì)110kV高規(guī)范站，規(guī)劃高規(guī)范進(jìn)線；選擇適宜的220kV高規(guī)范站；選擇適宜的地方發(fā)電廠及其出線提高設(shè)計(jì)規(guī)范。4〕省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)制定電源的差別化規(guī)劃方案；對(duì)220kV高規(guī)范站規(guī)劃高規(guī)范進(jìn)線；制定500kV變電站的差別化規(guī)劃方案。5〕大區(qū)電網(wǎng)和國(guó)家級(jí)電網(wǎng)對(duì)災(zāi)禍情況下跨省、跨區(qū)電力相互援助，對(duì)跨省、跨區(qū)輸變電設(shè)備制定差別化規(guī)劃方案。算例分析圖3為廣東省中山市一個(gè)供電區(qū)域，選擇了110kV北海站、順成站、水寧站、龍山站提高設(shè)計(jì)規(guī)范。該供電區(qū)域內(nèi)，其他110kV變電站所供10kV特級(jí)負(fù)荷，經(jīng)過(guò)10kV環(huán)網(wǎng)〔手拉手〕，在災(zāi)禍情況下轉(zhuǎn)移到上述變電站。該區(qū)域110kV變電總?cè)萘繛?390MVA，提高設(shè)計(jì)規(guī)范的容量550MVA。思索以下幾方面以決策提高哪些110kV線路和220kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范：①?gòu)?20kV站到110kV站輸電線路提高設(shè)計(jì)規(guī)范的本錢；②220kV站提高設(shè)計(jì)規(guī)范的本錢。思索N-1原那么，4個(gè)110kV變電站實(shí)踐能承當(dāng)?shù)淖罡咛丶?jí)負(fù)荷為300MVA。3個(gè)220kV變電站的容量構(gòu)成均為3X220MVA，因此，選擇一個(gè)220kV變電站提高設(shè)計(jì)規(guī)范。本錢如表1所示。表1中本錢為各110kV變電站從220kV變電站進(jìn)線提高設(shè)計(jì)規(guī)范、220kV變電站本身提高設(shè)計(jì)規(guī)范的本錢。設(shè)計(jì)規(guī)范包括線路覆冰、洪水、架空線設(shè)計(jì)風(fēng)速、抗震烈度，所列本錢均是各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范同步提高的本錢。如將架空線設(shè)計(jì)風(fēng)速?gòu)?0m/s提高到35m/s，按本錢提高20萬(wàn)元/km計(jì)算。同步提高規(guī)范的本錢將比單項(xiàng)提高各項(xiàng)規(guī)范的本錢之和低一些。例如，設(shè)計(jì)風(fēng)速提高將加固線路桿塔，同樣也能在一定程度上提高抗震烈度。日前永寧站沒(méi)有至同益站的線路，780萬(wàn)元為新建永寧站至同益站高規(guī)范線路的本錢。龍山站一條進(jìn)線引自永寧站，而永寧站引自菊城站，永寧站也是高規(guī)范站，因此，龍山站至同益站的高規(guī)范建立邊沿本錢只需龍山站至永寧站.從表1數(shù)據(jù)可以看到，菊城站作為220kV變電站中的高規(guī)范站，差別化規(guī)劃的總本錢將最低，因此，選擇菊城站提高設(shè)計(jì)規(guī)范，各110kV高規(guī)范站有通道保證電力引自該站。采用同樣的方法，可以決議哪些電源及哪些500kV變電站入選差別化規(guī)劃中的高規(guī)范站。差別化規(guī)劃是提高電網(wǎng)容災(zāi)才干的重要手段，也是智能電網(wǎng)建立的重要組成部分。經(jīng)過(guò)差