考虑容灾能力的电网规划方法PPT(共-32张)

LOGO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LOGO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。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。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。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: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。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~10MVA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。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”。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110kV变电站（或有10kV出线的220kV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110kV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。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。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110kV和220kV基本瘫痪、部分500kV线路可用的情况，导致有电送不出。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。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110kV高标准站或10kV地方电源。用户接入不同的110kV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110kV高标准站和电源的总最优路径。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: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。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: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。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。从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。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）建议区县供电企业按照本文所述方法，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。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220kV高标准站规划高标准进线；制定500kV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。算例分析图3为广东省中山市一个供电区域，选择了110kV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10kV特级负荷，通过10kV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1390MVA，提高设计标准的容量550MVA。考虑以下几方面以决策提高哪些110kV线路和220kV变电站设计标准：①从220kV站到110kV站输电线路提高设计标准的成本；②220kV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300MVA。3个220kV变电站的容量构成均为3X220MVA，因此，选择一个220kV变电站提高设计标准。成本如表1所示。表1中成本为各110kV变电站从220kV变电站进线提高设计标准、220kV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30m/s提高到35m/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.从表1数据可以看到，菊城站作为220kV变电站中的高标准站，差异化规划的总成本将最低，因此，选择菊城站提高设计