电力系统优化规划5-考虑容灾能力的电网规划

❖ 一般情况下，电网负荷分为一、二、三级负荷， 在某些地区，除了一级负荷外，还有特级负荷； 在部分地区，特级负荷是一级负荷的组成部分。
❖ 根据日前负荷分级的相关标准，一级负荷的范围 过广，在严重灾害下难以保证所有一级负荷的供 电。
❖ 随着城市化率的提高，一级负荷占总负荷的比重 有逐年提高的趋势。
❖ 因此，有以下几点建议:
2）以通过10kV中压配电网供电的特级负荷 为例，相邻110kV变电站所供特级负荷，尽量通 过10kV环网，在110kV变电站层面适度集中。
❖以上可通过划分110 kV变电站（或有10kV出 线的220 kV变电站）在灾害情况下的供电范围 来实现。
❖ 其中，一部分变电站不提高设计标准，灾害情况 下不考虑其运行；提高设计标准的变电站（以下 简称“高标准站”），除了承担正常状况下供电 范围的供电外，灾害情况下周边其他变电站的部 分供电范围也由该变电站承担。
❖ 根据目前大部分城市特级负荷约占总负荷比重 30%的情况，高标准站容量将超过110 kV供 电容量的1/3.
❖ 3）建议高标准站在灾害情况下供特级负荷容量 满足N-1原则，当一台主变压器故障时，仍可以 保证对特级负荷的供电。
❖ 4）建议采用特级网络概念。在严重灾害情况下， 形成特级负荷、少数输电线路和变电站、少数电 源组成的特级网络。特级网络是从各特级负荷逐 步追踪到电源的供电通路，在存在适当安全裕度 前提下，最小化提高设计和建设标准的各电压等 级网络。
差异化规划优化模型
❖ 按照第1节提出的差异化规划原则，本节以特级 网络优化为例，分析差异化规划的优化模型。
❖ 由于在灾害情况下的时间较短，无需把灾害时 运行经济性纳入目标，因此差异化规划的目标是 差异化建设的成本最低，如下式:
❖ 式中:f为差异化建设的总成本，通过优化，追求 总成本最低；N为组件总数；Si为主要的决策变 量，即第i个组件是否提高设计标准，等于1时提 高，等于0时不提高。
荷，分析当前特级负荷的数量、分布，并预测水 平年的特级负荷。日前，国内部分电网企业制定 电网差异化规划时，缺乏对特级负荷的调查研究， 简单采用总量负荷30%左右的负荷作为特级负 荷；没有明确在灾害情况下需要尽量保障供电的 用户。
❖ 2）建议区县供电企业来自百度文库照本文所述方法，采用 环网方式，将特级负荷在灾害情况下适当集中到 某些110kV变电站，划分灾害情况下110kV变 电站的供电范围。
为第i条线路新增特级负荷j与电源g匹配后的负荷容量； 为线路i的负荷上限。
❖ 3）路径中的所有变电站和线路都是提高设计标 准的组件:
为高标准建设的组件集合。
❖ 4）边际成本等于路径中新增的提高设计标准的 组件高标准设计、建设的成本:
为在当前已经完成的匹配基础上将特级负荷l与电源g匹配的边际成本；
为完成该匹配而新增的高标准线路与变电站的建设成本。
❖ 成本如表1所示。
❖ 表1中成本为各110 kV变电站从220 kV变电站进线提 高设计标准、220 kV变电站自身提高设计标准的成本。 设计标准包括线路覆冰、洪水、架空线设计风速、抗震烈 度，所列成本均是各项设计标准同步提高的成本。如将架 空线设计风速从30 m/s提高到35 m/s，按成本提高 20万元/km计算。同步提高标准的成本将比单项提高各 项标准的成本之和低一些。例如，设计风速提高将加固线 路杆塔，同样也能在一定程度上提高抗震烈度。日前永宁 站没有至同益站的线路，780万元为新建永宁站至同益站 高标准线路的成本。龙山站一条进线引自永宁站，而永宁 站引自菊城站，永宁站也是高标准站，因此，龙山站至同 益站的高标准建设边际成本只有龙山站至永宁站.
算例分析
❖ 图3为广东省中山市一个供电区域，选择了110 kV北海站、顺成站、水宁站、龙山站提高设计标 准。该供电区域内，其他110kV变电站所供10 kV特级负荷，通过10 kV环网（手拉手），在 灾害情况下转移到上述变电站。该区域110kV变 电总容量为1 390 MVA，提高设计标准的容量 550 MVA。
❖ 1）建议推广应用特级负荷的概念。
❖ 特级负荷定义为在重大自然灾害、战争、社会稳定等受到 严重冲击等非正常状态下需保证供电的特殊负荷。
❖ 要严格限制特级负荷的范围，例如医疗卫生负荷以治疗、 病房、药品存储等为主，少量办公负荷也可纳入，但医院 大部分办公负荷不应纳入特级负荷。
❖ 文献[17]将灾害情况下需保障的负荷分为高危用户(如矿 山、有工业)、重要用户(如政府、指挥中心、地铁、机场、 通信、医院)、救灾用户3类，基本涵盖了特级负荷。
❖ 3）同样道理，优化第2阶段至第3阶段的总最短路径、 第3阶段至第4阶段的最优路径等。
❖ 可采用离散的负荷—电源对的匹配过程来描述与求解。 特级负荷和高标准电源是电网差异化规划的边界条件，电 网连接负荷和电源，确定特级负荷和高标准电源后，确定 两者之间的连接通路。
❖ 1）特级负荷按照重要性和规模排序。 ❖ 2）按照排序逐一寻找各特级负荷到高标准电源 ❖ 成本最低的通路。对特级负荷l，优化问题如下:
❖ 按形成特级网络的思路，假设特级负荷占总负荷 的比重为3000，则高标准的500kV输变电设施 大致占30%，被大幅度压缩。
❖ 5）建议采用分级差异规划。
❖ 外部可能发生不同严重程度的灾害，可分级制定 差异化规划，例如：特级网络为保障特级负荷供 电的网络；一级网络为保障一级负荷供电的网络。 由于特级负荷是一级负荷的组成部分，特级网络 也将是一级网络的一部分。特级网络设计标准高 于一级网络，一级网络设计标准高于其他部分。 特级网络和一级网络将是坚强智能电网的重要组 成部分，是电网提高容灾能力的核心，也是电网 自愈的核心支撑。
❖ 差异化规划优化后，靠近负荷中心（尤其是靠近 特级负荷）的电源应优先提高设计标准，因提高 设计标准后送出工程的路径较短，且使灾害中的 电网具有较强的调频、调压能力。特级负荷适当 集中，能极大地提高差异化规划的经济性。
差异化规划流程
❖ 本文建议差异化规划由下至上逐步规划: ❖ 1）由区县供电企业调研本供电区域内的特级负
❖ 但从规划角度，通过构建合理网架来提高电网抗灾能力的 研究还不充分。
❖ 本文提出差异化规划新的指导原则与模型，以最 小的成本提高电网容灾、抗灾能力，保障极端恶 劣情况下的基本供电能力和电网自愈能力。
差异化规划的指导原则
❖ 电力系统需保持瞬时平衡，且负荷主动变化，供 电被动变化。因此，差异化规划首先需要分析关 键区域的关键负荷。
❖ 2）特级负荷应适度集中。
❖ 建议城市规划中将需要保障用电的用户适度集中，在地域 上连续安排5MVA~10MVA的特级负荷为宜（因10kV 线路的供电容量在5MVA~ 10 MVA之间）。
❖ 特级负荷集中是城市规划和城市电网规划相协调的重要方 面。
❖ 若特级负荷过于分散，向特级负荷供电的各个配电线路、 变电站以及这些变电站的电源进线就相应比较分散，都要 被纳入需要保障的范围。这将使差异化规划和建设的成本 过高。
❖ 1）路径中，各变电站容量不越限:
为第i个变电站新增特级负荷l与电源g匹配后的负荷容量； 为变电站i的负荷上限； 为从特级负荷l到电源g的最优路径中输配电线路、变电站等所组成的集合。 值得注意的是，灾害情况是特殊情况，持续运行时间不长，变电站容载比 可采用容载比下限。
❖ 2）路径中，各输电线路容量不越限:
❖ 3）地市供电企业对110kV高标准站，规划高 标准进线；选择合适的220kV高标准站；选择合 适的地方发电厂及其出线提高设计标准。
❖ 4）省级电网企业制定电源的差异化规划方案； 对220 kV高标准站规划高标准进线；制定500 kV变电站的差异化规划方案。
❖ 5）大区电网和国家级电网对灾害情况下跨省、 跨区电力相互支援，对跨省、跨区输变电设施制 定差异化规划方案。
❖ 值得注意的是，不同的组件（电源、线路和变电 站）提高设计标准的成本差距将非常大，所以选 择不同的组件提高设计标准，对优化程度的影响 很大。
❖ 差异化规划优化模型如图1所示：
❖ 从图1可以看到，差异化规划可以理解为一个求解最短路 径的动态规划问题。
❖ 1）第1阶段是确定10kV特级负荷，这种特级负荷将占 特级负荷的绝大多数。
❖ 2）10kV特级负荷都应接人110 kV高标准站或10 kV 地方电源。用户接入不同的110 kV高标准站或地方电源 的成本不同，即线路、变电站提高设计标准的成本不同。 用户接入不同变电站或电源的成本，可视为路径长度；且 每个路径和节点有容量限制。通过优化，获得所有10kV 特级负荷接入110 kV高标准站和电源的总最优路径。
❖ 这样，从特级负荷的适度集中人手，逐步往上一 级电压等级递推，形成完整的、最小化的供电通 路。
❖ 目前，一些网省公司在制定差异化规划时，简单 按照输变电设施电压等级确定其重要性和设计标 准。按照该原则确定的差异化规划方案，针对性 较差、成本过高。在严重灾害情况下，可能不能 保障对特级负荷供电。
❖ 例如，在某些省市，线路覆冰设防标准，500kV 线路为50年一遇，110kV和220kV线路为30 年一遇，可能出现110 kV和220kV基本瘫痪、 部分500kV线路可用的情况，导致有电送不出。
❖ 国内外研究人员分2种主要情况对电力系统防灾变进行了 较多研究。
❖ 一是电力系统本身灾变。如文献[8]分析了如何防止偶然 事故演化为电力系统灾变，文献[9]介绍了国外大面积停 电事故的应急处理机制及对中国的启示。在电力系统预警、 保护、应急控制、故障恢复等方面取得了丰硕的研究成果。
❖ 二是在外部严重灾害发生后电力系统的应急处理，如何尽 快恢复，如何在灾害中保证重要负荷供电，这对开展减灾、 救灾工作具有十分重要的意义。文献[13-14]从电网运 行的角度，提出了极端外部灾害情况下电网调度运行决策 支持系统的设计。文献[15-16]总结了冰雪灾害条件下 电网运行所面临的问题，对覆冰形成原因、监测、融冰技 术等方面的基础问题进行了整理。
❖考虑以下几方面以决策提高哪些110 kV线路和 220 kV变电站设计标准：①从220 kV站到 110 kV站输电线路提高设计标准的成本；② 220 kV站提高设计标准的成本。
❖ 考虑N-1原则，4个110kV变电站实际能承担 的最高特级负荷为300 MVA。3个220kV变电 站的容量构成均为3 X 220 MVA，因此，选择 一个220 kV变电站提高设计标准。
❖ 但若特级负荷过于集中，一个变电站故障可能导致大量特 级负荷停电，加大特级负荷在非灾害状态下的停电风险。
❖ 同时，在电网规划和业扩报装工作中，采用如下 方式实现特级负荷适度集中供电:
1）特级负荷原则上使用专线供电。若特级负 荷与普通负荷同线供电，则在特殊情况下，使不 需要保障供电的用户“搭顺风车”。
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考虑容灾能力的电网规划方法
❖ 电网差异化规划新方法 ❖ 抗灾型电网规划模式与模型
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电网差异化规划新方法
引言
❖ 当前，智能电网研究成为业界热点。 ❖ 为抵御重大自然灾害导致的大面积停电，中国智
能电网建设相比于国外，更加强调容灾能力和可 靠性。 ❖ 差异化规划是提高电网容灾能力的重要措施之一。 ❖ 提高部分输变电设施和电源的设计标准，使电力 系统具有更强的抗灾能力，以保证灾害情况下对 特殊负荷的供电。 ❖ 中国国家电网和南方电网公司都在不同层面启动 了差异化规划，并得到国家发改委等主管部门的 支持。
从
中选择成本最低者，完成特级负荷l的供电通路优化。
逐一对不同特级负荷采取上述匹配过程。
❖ 差异化规划还有一些其他约束条件，例如：①提 高设计标准的电源容量不应小于特级负荷容量， 并留有一定的备用；②各提高设计标准的组件形 成连通图，系统中可以形成若干个连通图，对应 灾害时若干个孤岛电网，每个孤岛应具有黑启动 电源。
❖ 为了保证形成特级网络的通路，每个110kV高标 准站，至少应有1条线引自220kV高标准变电站 出线、高标准110kV发电厂、其他110kV高标 准站的进线母线引人进线。
❖ 为了最小化特级网络，110kV高标准站的进线也 应适当集中，每3个或2个110kV高标准变电站 安排从同一个220kV高标准站(或110kV电源) 进线。同样的道理继续上推到500kV变电站。
❖ 式中：fl为第l个特级负荷保障供电的边际成本； ❖ Sil为保证第l个特级负荷供电、第i个组件是否是新增的需
要提高设计标准的组件。
❖ 将该特级负荷分别与不同的高标准电源匹配，如 图2所示。
❖ 将特级负荷l与各个电源匹配，采用最短路径法， 获得与各电源匹配的最优路径及其边际成本，考 虑一定的约束条件。