關(guān)于配電網(wǎng)規(guī)劃提升配網(wǎng)可靠性的研究

福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 何維鋒

在全球資源短缺、環(huán)境遭受嚴(yán)重污染的大背景下，發(fā)展綠色、環(huán)保、可再生資源是電力系統(tǒng)主要的發(fā)展趨勢(shì)，其中分布式電源是可再生資源使用的重要形式之一，大多數(shù)分布式電源在連接配電網(wǎng)后，其自身的波動(dòng)性、間接性、可控性弱等問題在一定程度上影響了配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也會(huì)給配電網(wǎng)的規(guī)劃帶來了復(fù)雜性和不明確性[1]。

一直以來我國(guó)電力企業(yè)還沒有一套系統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性規(guī)劃，通常只是做些簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)，且原有電網(wǎng)規(guī)劃主要以滿足符合增加需要為主，近年各行各業(yè)對(duì)電量需求的持續(xù)加大以及大量分布式電源的接入，對(duì)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求，因此亟需構(gòu)建一套完整可靠精準(zhǔn)的配電網(wǎng)規(guī)劃方式，以滿足新時(shí)期社會(huì)對(duì)電網(wǎng)提出的需要。

1 配電網(wǎng)規(guī)劃的需求及整體思路

原有配電網(wǎng)規(guī)劃最主要是以實(shí)現(xiàn)符合增加需要為目標(biāo)，從大部分分布式電源被連接到電網(wǎng)中后，對(duì)電網(wǎng)可靠性也提出了更高要求，同時(shí)也加大了配電網(wǎng)規(guī)劃的難度。提出主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃最主要是調(diào)整和應(yīng)對(duì)分布式電源引入后而產(chǎn)生的一系列問題，從而解決好規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)之間存在的矛盾[2]。

現(xiàn)階段，配電網(wǎng)規(guī)劃中面臨的重要問題是負(fù)荷日益增長(zhǎng)、分布式電源的消納及設(shè)備利用率方面的問題，此外，多數(shù)地區(qū)存在的負(fù)荷峰谷差大現(xiàn)象也是問題的關(guān)鍵，特別是在夏季，從江蘇某地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃可知，全年負(fù)荷峰谷差大于2000kW，高負(fù)荷主要在夏季中午12:00~14:00，低谷負(fù)荷集中在夜間，其中空調(diào)負(fù)荷是高峰負(fù)荷的重要因素。我國(guó)對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃整體思路是以達(dá)到負(fù)荷增加需要為主要目標(biāo)，在電網(wǎng)投資建設(shè)上“重輸、輕配”現(xiàn)象突出，導(dǎo)致配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、技術(shù)水平低下等問題日益凸顯，難以滿足社會(huì)對(duì)高可靠連續(xù)供電的需求。今后配電網(wǎng)規(guī)劃要重視同時(shí)解決“源”和“荷”的問題，解決的關(guān)鍵在于充分挖掘負(fù)荷側(cè)資源的調(diào)控能力，納入規(guī)劃中，全面協(xié)調(diào)互動(dòng)解決“峰谷”問題。

配電網(wǎng)規(guī)劃整體的發(fā)展構(gòu)思主要蘊(yùn)含：現(xiàn)狀調(diào)研。主要調(diào)研供電企業(yè)及供電區(qū)域地理環(huán)境、氣候條件和經(jīng)濟(jì)情況、供電區(qū)域配電網(wǎng)可靠性現(xiàn)狀，對(duì)停電原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備水平、技術(shù)水平及管理水平等方面進(jìn)行綜合考慮；規(guī)劃柔性負(fù)荷資源。充分有效的找出負(fù)荷測(cè)柔性資源，根據(jù)分布式的存儲(chǔ)、中低壓配電網(wǎng)的需要運(yùn)用相應(yīng)設(shè)施對(duì)相關(guān)資源進(jìn)行合理有效的規(guī)劃；制定實(shí)施方案。從投資建設(shè)和維護(hù)成本、降損增益、環(huán)境效益等方面考慮進(jìn)行分布式光伏定容分析；方案評(píng)估。

前期的調(diào)研工作十分關(guān)鍵，可以為配電網(wǎng)可靠平穩(wěn)性層面的分析提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在方案制定時(shí)需要合理有效的將分布式電源的具體投資金額、最大程度的運(yùn)用可再生資源、各種種類的電源間的差異、供電的平穩(wěn)性、調(diào)節(jié)及備用。利用對(duì)配電網(wǎng)平穩(wěn)可靠性對(duì)其薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的分析，制定改進(jìn)措施，在方案驗(yàn)證階段要充分論證能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[3]。

2 配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

配電系統(tǒng)處在電網(wǎng)直接和用戶聯(lián)系的核心位置，供電可靠性規(guī)劃目的就是為高供電服務(wù)質(zhì)量，配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)包括規(guī)劃模型、規(guī)劃方法、求解算法等。

2.1 規(guī)劃模型

依據(jù)規(guī)劃的具體需要及優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字模型，包含電源規(guī)劃模型、網(wǎng)架規(guī)劃模型、電源與網(wǎng)架綜合規(guī)劃模型和實(shí)行主動(dòng)管理的模型規(guī)劃。隨著大量分布式電源的接入，促使配電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)發(fā)生了一定性的轉(zhuǎn)變，為積極有效發(fā)揮分布式電源連接配電網(wǎng)的有效作用，優(yōu)化系統(tǒng)綜合性能，施行主動(dòng)的管理規(guī)劃隨即產(chǎn)生。利用在變電站中規(guī)劃相應(yīng)的模型，保證在目標(biāo)函數(shù)中增加負(fù)荷管制的費(fèi)用，由于負(fù)荷和分布式電源的時(shí)序特征，實(shí)行主動(dòng)管理在一定程度上將變電站的綜合負(fù)荷的波動(dòng)性降低，減少了容量浪費(fèi)情況，其經(jīng)濟(jì)效益也在不斷增加。同時(shí)，主動(dòng)管理規(guī)劃在提升分布式電源的消除、降低購(gòu)電成本、提高方案規(guī)劃經(jīng)濟(jì)性和可靠性，與當(dāng)下配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)相吻合。

2.2 規(guī)劃方法

常用配電網(wǎng)規(guī)劃方法有多目標(biāo)規(guī)劃方法、雙層規(guī)劃方法、多階段規(guī)劃方法和不確定性規(guī)劃方法等。多目標(biāo)規(guī)劃方法可得到一組Pareto最優(yōu)解供決策者選擇，但存在求解量大、耗時(shí)長(zhǎng)的問題，主要應(yīng)用于對(duì)多個(gè)子目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)的場(chǎng)合；雙層規(guī)劃方法上下層模型間關(guān)系明確，且規(guī)劃結(jié)果相互影響、需反復(fù)傳遞，目前多用于規(guī)劃方案和運(yùn)行方式的同時(shí)優(yōu)化及分布式電源與網(wǎng)架的同時(shí)規(guī)劃；多階段規(guī)劃方法能考慮時(shí)間的動(dòng)態(tài)因素，但各階段決策變量之間的邏輯關(guān)系復(fù)雜、求解難，更適用于建設(shè)周期較長(zhǎng)的規(guī)劃項(xiàng)目；不確定性規(guī)劃方法模型更加復(fù)雜，主要應(yīng)用于雜考慮分布式電源出力、負(fù)荷、電價(jià)等因素變化的場(chǎng)合?？梢姡谶x擇規(guī)劃方法時(shí)要結(jié)合建立的具體模型及應(yīng)用場(chǎng)景來合理選擇。

2.3 求解算法

配電網(wǎng)規(guī)劃模型中存在大量決策變量及各種線性條件、求解復(fù)雜，在配電網(wǎng)規(guī)劃研究中求解算法一直是重點(diǎn)容。目前應(yīng)用較多的是人工智能優(yōu)化算法和數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，數(shù)學(xué)優(yōu)化算法搜索精度高，但主要適用小規(guī)模的規(guī)劃問題，對(duì)規(guī)模較大時(shí)存在求解難度大的問題；人工智能優(yōu)化算法具有速度快、計(jì)算效率高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，多用于大規(guī)模、非線性、多目標(biāo)、多層級(jí)的規(guī)劃問題，但存在著易陷入局部最優(yōu)解，難以保證最終解的最優(yōu)性。

3 配電網(wǎng)供電可靠性影響因素分析及規(guī)劃措施

3.1 供電能力不足

供電能力是指在一定區(qū)域內(nèi)，供電設(shè)備滿足N-1準(zhǔn)則下最大負(fù)荷供應(yīng)能力。近年國(guó)家對(duì)配電網(wǎng)投資不斷加大，配電不足的問題得到有效緩解，但隨著負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)，線路負(fù)載過高問題日益凸顯，特別是在發(fā)生線路故障導(dǎo)致停電時(shí)電網(wǎng)無法轉(zhuǎn)供負(fù)荷，促使停電的范圍和區(qū)域不斷擴(kuò)大，其供電的可靠性不斷下降。

3.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理

中壓架空網(wǎng)的典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有三種類型即輻射式、多分段單聯(lián)絡(luò)、多分段多聯(lián)絡(luò)；中壓電纜網(wǎng)的典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有單射式、雙射式、單環(huán)式、雙環(huán)式、N供一備5種類型。通過對(duì)這幾種典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析得出，架空網(wǎng)中三分段三聯(lián)絡(luò)可靠性最強(qiáng)，而電纜網(wǎng)中N供一備可靠性最高，且電纜網(wǎng)的可靠性高于架空網(wǎng)[4]?，F(xiàn)階段我國(guó)配電網(wǎng)建設(shè)還不夠系統(tǒng)，在電力配網(wǎng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)未按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中短路、斷線等故障。

3.3 分布式電源接入的影響

大量分布式電源接入配電網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)帶來重大變化，形成多電源點(diǎn)供電，波動(dòng)性、間歇性、低可控性等問題，這些給配電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也給配電網(wǎng)規(guī)劃帶來復(fù)雜性與不確定性。主要體現(xiàn)在：可靠性評(píng)估的難度加大。分布式電源接入后，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致評(píng)估模型建立難度加大；供電設(shè)備利用率低。如分布式電源在供電充足的地區(qū)，導(dǎo)致分布式電源未能充分利用；不可控因素增多。分布式電源主要為風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，且都會(huì)受到環(huán)境因素和自然條件的影響，因此加大了不可控性，導(dǎo)致對(duì)預(yù)測(cè)負(fù)荷難度加大。此外，一旦分布式電源接入方式、并網(wǎng)方式及運(yùn)行方式不合理，都會(huì)嚴(yán)重降低配電網(wǎng)的供電可靠性。

3.4 設(shè)備水平不足

線路和設(shè)備是配電網(wǎng)的重要組成部分。對(duì)于架空線路，由于長(zhǎng)時(shí)間暴露于室外極易受惡劣氣候條件的影響，發(fā)生老化、破損、絕緣水平不足等，特別是還易受到雷擊干擾，嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)供電可靠性；同時(shí)設(shè)備方面由于未按照規(guī)范操作、日常維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)，沒加強(qiáng)巡視，導(dǎo)致設(shè)備本身對(duì)故障的防御能力降低。對(duì)于一些運(yùn)行年限較長(zhǎng)的設(shè)備，對(duì)面臨淘汰的設(shè)備沒有及時(shí)更新，都降低了配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性；設(shè)備陳舊、功能落后，如一些早年投運(yùn)的設(shè)備進(jìn)出線電纜間無分段開關(guān)，是利用相同的母線進(jìn)行連接，如果任一個(gè)分支出現(xiàn)故障或停電檢修則全線都需停電，其供電的可靠性較弱。

3.5 技術(shù)水平不高

目前在技術(shù)層面最主要出現(xiàn)的問題，有配電設(shè)備缺少在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及配電自動(dòng)化水平不高，不能實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行信息等。運(yùn)營(yíng)配電自動(dòng)化的形式能及時(shí)有效的了解和知曉相關(guān)電網(wǎng)的具體運(yùn)營(yíng)情況，如發(fā)生相應(yīng)的安全故障則會(huì)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的定位、隔離故障區(qū)域，同時(shí)配電自動(dòng)化還能減少線路損耗、提升供電質(zhì)量、提高配電網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)僅有一百多個(gè)城市建設(shè)了配電自動(dòng)化，且許多還沒有進(jìn)入工程應(yīng)用階段，一旦線路出現(xiàn)故障，還是以憑借經(jīng)驗(yàn)為主、采用傳統(tǒng)的人工巡線方式查找故障，耗時(shí)較長(zhǎng)；還有許多地區(qū)依舊采用人工操作開關(guān)，在進(jìn)行故障隔離和恢復(fù)非故障區(qū)域時(shí)需花費(fèi)過多時(shí)間，影響了供電可靠性。

3.6 運(yùn)營(yíng)管理水平低下

科學(xué)的運(yùn)營(yíng)管理是提高配電網(wǎng)的供電可靠性的基礎(chǔ)，但目前大配網(wǎng)供電制度不夠完善，運(yùn)營(yíng)管理方面薄弱，在基礎(chǔ)管理、轉(zhuǎn)供電管理、需求側(cè)管理方面都有所缺失；在基礎(chǔ)管理方面沒有建立相關(guān)的信息平臺(tái)和責(zé)任機(jī)制；轉(zhuǎn)供電管理方面方案的制定和考核不當(dāng)；需求側(cè)管理方面在預(yù)控措施、緊急措施和事故措施等方面也不健全，導(dǎo)致配電網(wǎng)可靠性降低。

3.7 優(yōu)化電力配網(wǎng)結(jié)構(gòu)

清晰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可快速排除故障、提高修復(fù)效率。一方面優(yōu)化電力負(fù)荷設(shè)計(jì)，做好前期調(diào)研，準(zhǔn)確掌握當(dāng)?shù)氐牡乩硇畔?、?jīng)濟(jì)狀況，以及配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，通過搜集以往地區(qū)實(shí)際用電量數(shù)據(jù)科學(xué)設(shè)定電力負(fù)荷，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；另一方面優(yōu)化線路分段數(shù)，用戶較多的線路可增加安裝線路分段設(shè)備的數(shù)量，縮小線路停電范圍。

3.8 加強(qiáng)電力設(shè)備的維護(hù)

提升電力設(shè)備的使用性能是提升配電網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵：淘汰老設(shè)備。對(duì)于運(yùn)行年限長(zhǎng)、故障率高的設(shè)備進(jìn)行維修或更換，優(yōu)選先進(jìn)設(shè)備，降低設(shè)備故障率，延長(zhǎng)設(shè)備檢修周期；利用信息技術(shù)。動(dòng)態(tài)掌握設(shè)備的在線運(yùn)行狀況，發(fā)生故障時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別、及時(shí)修復(fù)，可通過安裝具有報(bào)警功能的電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置，一旦運(yùn)行出現(xiàn)異常發(fā)出警報(bào)，快速做出響應(yīng)；提升設(shè)備抗災(zāi)害能力。雷害重災(zāi)區(qū)可通過安裝高性能避雷器來降低雷擊故障，保證配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

3.9 加快引進(jìn)高新技術(shù)

借助信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力配網(wǎng)的智能化，建設(shè)智能化信息交流平臺(tái)，各部門之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。特別是近年越來越多分布式電源接入配電網(wǎng)，為適應(yīng)柔性負(fù)荷的不確定性，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的相關(guān)方法難以滿足未來配電網(wǎng)發(fā)展的實(shí)際需求，亟需將柔性負(fù)荷建模、配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用及人工智能技術(shù)等新型技術(shù)應(yīng)用到配電網(wǎng)規(guī)劃中來，這些關(guān)鍵技術(shù)的突破與提升是保證配電網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵[5]。

3.10 強(qiáng)化運(yùn)營(yíng)管理、抓好基礎(chǔ)管理

建立信息平臺(tái)，準(zhǔn)確掌握客戶停電次數(shù)和停電時(shí)間。落實(shí)好各部門崗位職責(zé)，統(tǒng)一工作標(biāo)準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)；重視轉(zhuǎn)供電管理。制定相應(yīng)的轉(zhuǎn)供電方案，并將具體工作內(nèi)容落實(shí)到位，進(jìn)行指標(biāo)考核；加強(qiáng)需求側(cè)管理。根據(jù)不同程度的電力缺口制定緊急措施、事故措施等管理方案，加強(qiáng)用電檢查、降低故障率，及時(shí)發(fā)布錯(cuò)峰預(yù)警信號(hào)，做好宣導(dǎo)、實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰，保證有序用電。

綜上，近年來，智能配電網(wǎng)、分布式電源和需求側(cè)響應(yīng)等新技術(shù)的快速發(fā)展使配電網(wǎng)發(fā)生了一定的改變，今后的配電網(wǎng)將會(huì)涵蓋多種電源系統(tǒng)的具體發(fā)展方向，在基于新形勢(shì)下，配電網(wǎng)規(guī)劃中配電網(wǎng)模型應(yīng)重視不同類型電源以及網(wǎng)架的協(xié)調(diào)和規(guī)劃發(fā)展，未來分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率會(huì)持續(xù)升高，應(yīng)構(gòu)建在人工智能基礎(chǔ)下主動(dòng)配電網(wǎng)管理機(jī)制，以此達(dá)到統(tǒng)籌協(xié)調(diào)資源的目標(biāo)。