電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

許成哲，回俊龍

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，長春 130000)

合理的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)于城市電力系統(tǒng)建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)營具有重要意義。電力負(fù)荷分配、電力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建于電力企業(yè)而言都要在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面進(jìn)行深入研究，確保智能化電網(wǎng)的可靠建設(shè)，為社會(huì)各行業(yè)的發(fā)展提供動(dòng)力。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)融合了更多的智能化算法，通過搭建數(shù)學(xué)模型加速計(jì)算，獲得了質(zhì)量更好的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。

1 電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，電力企業(yè)應(yīng)遵循周期性原則、成本合理性原則及安全性原則。周期性原則的關(guān)鍵是為規(guī)劃設(shè)計(jì)限定一定的周期，通過合理的計(jì)劃安排確保各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作順利開展，避免出現(xiàn)工程無法按時(shí)完成的情況[1]。在成本方面，電力企業(yè)需結(jié)合資金預(yù)算對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)類型、線路安排、設(shè)備選型等進(jìn)行全面評(píng)估，在確保工程滿足用電要求的情況下減少不必要的成本支出，同時(shí)將后續(xù)的維修保養(yǎng)、升級(jí)換代支出考慮在內(nèi)，盡可能提升規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)果的性價(jià)比。在安全方面，系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員要通過嚴(yán)密的計(jì)算確定系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)各類故障情況的應(yīng)對(duì)能力，盡可能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，避免出現(xiàn)安全隱患，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行事故。

2 電力系統(tǒng)規(guī)劃組成

電力系統(tǒng)規(guī)劃可分為擴(kuò)展規(guī)劃和運(yùn)行規(guī)劃兩類，規(guī)劃工作的有序開展需要借助最優(yōu)化求解、預(yù)測(cè)等技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)。在擴(kuò)展規(guī)劃過程中，要針對(duì)負(fù)荷等發(fā)展情況開展規(guī)劃，而相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果則要依靠預(yù)測(cè)，在掌握負(fù)荷發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)輸配電系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行更精準(zhǔn)地規(guī)劃和建設(shè)。擴(kuò)展規(guī)劃主要分為兩個(gè)階段，即發(fā)電規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃。在發(fā)電規(guī)劃方面，要從發(fā)電廠的擴(kuò)建方面入手，在目標(biāo)廠址做好發(fā)電廠容量、使用年限、設(shè)備選型、發(fā)電類型等各項(xiàng)內(nèi)容的確定工作。在明確發(fā)電規(guī)劃的情況下，開展電網(wǎng)規(guī)劃，針對(duì)性地開展線路回路、電壓等級(jí)、輸電方式、線路起止點(diǎn)等各項(xiàng)內(nèi)容的規(guī)劃。擴(kuò)展規(guī)劃可以采用單一目標(biāo)優(yōu)化策略，如線性規(guī)劃方法，在確保負(fù)荷增長需求得到滿足的情況下，對(duì)環(huán)境、技術(shù)、系統(tǒng)可靠性、能源等方面進(jìn)行約束，基于控制系統(tǒng)投資及運(yùn)行成本方式開展線性規(guī)劃。多目標(biāo)規(guī)劃相對(duì)復(fù)雜，但在眾多算法技術(shù)的支持下，能夠更精確地做好預(yù)測(cè)、規(guī)劃，實(shí)際操作中，可以借助仿真模擬等方式對(duì)規(guī)劃結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。一般而言，發(fā)電規(guī)劃工作具有18～19年的規(guī)劃周期，電網(wǎng)規(guī)劃則多為5～14年的規(guī)劃周期，在規(guī)劃的同時(shí)，要通過財(cái)政分析法對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行可行性分析。要確保規(guī)劃方案符合電力系統(tǒng)未來發(fā)展需求，利用各種算法做好負(fù)荷未來增長、能源資源需求、投資可能性等預(yù)測(cè)工作。

電力能源已深入各行各業(yè)，市場(chǎng)對(duì)電力資源的需求也在不斷增長，電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)規(guī)模和容量持續(xù)擴(kuò)大。為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)環(huán)境變化，要重視電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃。設(shè)計(jì)、技術(shù)研究尤為重要，設(shè)計(jì)單位要將規(guī)劃作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作，循序漸進(jìn)有序開展，做好電力系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)，對(duì)各區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行需求進(jìn)行分析，要從多方面入手為規(guī)劃工作提供精準(zhǔn)可靠的一手資料，提升電力技術(shù)水平，為系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，確保后續(xù)各項(xiàng)工程有序開展。運(yùn)行規(guī)劃工作目標(biāo)是為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供最優(yōu)方案，在確保供電可靠的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)維成本的最優(yōu)控制，其規(guī)劃類型包括短期和中期規(guī)劃。在中期規(guī)劃中，電力公司要針對(duì)發(fā)電廠設(shè)備制定相應(yīng)的停電維修計(jì)劃，避免停機(jī)計(jì)劃制定不合理而影響電能的持續(xù)供應(yīng)。要做好水庫季節(jié)性調(diào)度，充分考慮不同季節(jié)的發(fā)電成本，做好水庫水量的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益的最大化。要對(duì)核電、火電燃料的穩(wěn)定供應(yīng)制定相應(yīng)的計(jì)劃，對(duì)燃料利用率做好控制，基于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)資源利用率的進(jìn)一步優(yōu)化提升。運(yùn)行規(guī)劃的目標(biāo)是降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，短期規(guī)劃是在中期規(guī)劃基礎(chǔ)上為運(yùn)行調(diào)度模式的精細(xì)化管控提供指引。

3 電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)步驟

電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要分析負(fù)荷情況，通過計(jì)算來預(yù)估區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷需求，通過調(diào)查研究確定區(qū)域內(nèi)的能源分布，記錄電站的供電區(qū)域，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局。要準(zhǔn)確獲取能源分布、電站供電范圍、運(yùn)輸情況、負(fù)荷情況等信息數(shù)據(jù)，提取有效的信息數(shù)據(jù)，與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)電源設(shè)計(jì)、負(fù)荷安排方式，制定相應(yīng)的電網(wǎng)布局方案，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、可行性分析確定最終的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。

4 電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的應(yīng)用

4.1 電源規(guī)劃

在規(guī)劃設(shè)計(jì)前，要明確電源情況，確定電源的具體分布，為電力系統(tǒng)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。具體操作過程中，要先明確工程范圍，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)、發(fā)電廠等情況進(jìn)行系統(tǒng)性管理，確定各電站發(fā)電機(jī)的數(shù)量、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息，對(duì)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，避免因起始端的發(fā)電異常導(dǎo)致輸配電網(wǎng)及用戶受到嚴(yán)重影響[2]。設(shè)計(jì)人員要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)各運(yùn)行環(huán)節(jié)的電源穩(wěn)定性、可靠性，盡可能通過合理的設(shè)計(jì)保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 負(fù)荷規(guī)劃

負(fù)荷規(guī)劃設(shè)計(jì)要充分預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)用戶負(fù)荷的實(shí)際情況，從后續(xù)發(fā)展、季節(jié)性、高峰低谷等方面入手，設(shè)計(jì)滿足需求的高效的電力系統(tǒng)，提升工程的可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行效率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)展開10年以上周期的預(yù)測(cè)分析，從歷年負(fù)荷數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)等多方面入手，更精準(zhǔn)地確定后續(xù)負(fù)荷需求，避免所建設(shè)的電力系統(tǒng)無法滿足城市發(fā)展需求[3]。要為工程擴(kuò)建、改建項(xiàng)目預(yù)留接口，確保電網(wǎng)有改進(jìn)空間，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。此外，對(duì)于樞紐變電站、大容量發(fā)電機(jī)組等重要工程項(xiàng)目，要對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行多維度、多層次的預(yù)測(cè)，盡可能確保工程設(shè)計(jì)的合理性。

規(guī)劃設(shè)計(jì)人員要結(jié)合區(qū)域內(nèi)電力負(fù)荷質(zhì)量要求、人口集中情況、經(jīng)濟(jì)政治發(fā)展情況等進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃，合理分配電力資源。例如，在進(jìn)行覆蓋區(qū)域規(guī)劃時(shí)，可以按負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為不同等級(jí)的4個(gè)區(qū)域，分別為A、B、C、D。其中，A區(qū)主要用于經(jīng)濟(jì)中心區(qū)、政治中心區(qū)、高新技術(shù)區(qū)等GDP高(8萬/人)、負(fù)荷密度高(25 MW/km2)的區(qū)域。B區(qū)為一般的工業(yè)區(qū)、生產(chǎn)生活用電需求較高的集中區(qū)域，其GDP相對(duì)較高(3～8萬/人)，負(fù)荷密度(8～25 MW/km2)相對(duì)較高。C區(qū)為GDP較低(1～3萬/人)，負(fù)荷密度(3～8 MW/km2)較低的區(qū)域，多處于相對(duì)集中的生產(chǎn)生活區(qū)域、高耗能園區(qū)。D區(qū)多為農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)域或GDP低且負(fù)荷密度極低的區(qū)域。

4.3 電源電量規(guī)劃

電力系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵是電源電量規(guī)劃，設(shè)計(jì)人員需要在確定負(fù)荷預(yù)測(cè)、電源分布等情況的基礎(chǔ)上，確定電力系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的電量情況，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，確保規(guī)劃結(jié)果與工程布局規(guī)模一致[4]。可以根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行年度最多負(fù)荷預(yù)估，結(jié)合各電站發(fā)電情況對(duì)設(shè)備容量進(jìn)行確定，避免出現(xiàn)電量供給不足、設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行等情況。

4.4 電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃

電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)需要考慮原有電網(wǎng)的實(shí)際情況，盡可能在原有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建改造，以滿足預(yù)測(cè)的電力負(fù)荷需求。電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需出具多個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，組織相關(guān)單位進(jìn)行分析討論，從節(jié)能降耗、土地占有、技術(shù)合理性、用電便利性等方面入手，進(jìn)行綜合對(duì)比分析，以獲得最優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方案。

4.5 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案合理性計(jì)算

設(shè)計(jì)人員要通過一定的計(jì)算對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，為一次、二次設(shè)備的選型提供依據(jù)。電力計(jì)算主要包括潮流、穩(wěn)定、短路電流、無功補(bǔ)償?shù)确矫娴挠?jì)算。其中，潮流計(jì)算是規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)環(huán)境，是繼電保護(hù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定計(jì)算的重要前提，能夠確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在潮流計(jì)算中，要從電壓、功率等方面入手，確定電網(wǎng)、電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，避免出現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行失序、供電需求無法滿足等情況。穩(wěn)定計(jì)算的關(guān)鍵是通過計(jì)算分析系統(tǒng)運(yùn)行情況，規(guī)避設(shè)計(jì)方案中的故障隱患。短路電流計(jì)算可以對(duì)繼電保護(hù)各部件的整定數(shù)值進(jìn)行確定，如時(shí)間繼電器的動(dòng)作時(shí)間等，確保短路故障發(fā)生后電力系統(tǒng)能夠以最小的影響將故障暫時(shí)切除，避免擴(kuò)大停電范圍。通過短路計(jì)算，設(shè)計(jì)人員可以確認(rèn)電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)的電流情況，能夠確認(rèn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的短路電流等數(shù)值。無功補(bǔ)償計(jì)算的關(guān)鍵是消除電力系統(tǒng)無功功率對(duì)系統(tǒng)電能損耗的影響，基于一定的電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，確定無功補(bǔ)償?shù)木唧w數(shù)值，進(jìn)而開展相關(guān)無功補(bǔ)償設(shè)備的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。

通過各方面的電力計(jì)算，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行界定，更準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的成本支出、安全可靠性、運(yùn)行效率等，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、隱患排除提供依據(jù)。此外，要充分考慮電力系統(tǒng)的具體規(guī)模及建設(shè)周期，避免因設(shè)計(jì)過于復(fù)雜而影響工程設(shè)計(jì)的合理性[5-7]。

5 電力系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化策略

市場(chǎng)電力需求的高速增長為電力公司的快速發(fā)展提供了動(dòng)力，在取得電力銷售效益的同時(shí)，要保障電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的可靠性。在配送電需求大幅度增長的情況下，原本的電力系統(tǒng)規(guī)劃已無法滿足現(xiàn)實(shí)需要，設(shè)備出現(xiàn)了運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷過大等問題，影響了設(shè)備使用壽命。目前，電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)水平有待提升，無法為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供充足的保障。應(yīng)從以下幾方面入手提升電力系統(tǒng)規(guī)劃水平。

5.1 強(qiáng)化對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性的重視，積極推進(jìn)運(yùn)行規(guī)劃建設(shè)

對(duì)于線路老化等設(shè)備問題，要結(jié)合區(qū)域內(nèi)電力供應(yīng)負(fù)荷情況，基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性目標(biāo)，制定相應(yīng)的線路更新維護(hù)計(jì)劃。在運(yùn)維管理方面，電力公司要積極推進(jìn)系統(tǒng)更新?lián)Q代，加速推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，利用智能化、自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)維管理水平的提升，有效解決負(fù)荷調(diào)控、故障處理等難題。此外，電力公司要針對(duì)運(yùn)行規(guī)劃加快人才培養(yǎng)和引進(jìn)力度，一方面，借助高水平的專業(yè)人才滿足工作需要，另一方面，通過專家授課、內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)分享等方式增強(qiáng)人員技能水平，滿足系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)需求。

5.2 優(yōu)化電力系統(tǒng)規(guī)劃體制

在市場(chǎng)供給側(cè)改革不斷推行的過程中，原本的利益分配、市場(chǎng)結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生較大變化，電力系統(tǒng)要充分考慮市場(chǎng)環(huán)境規(guī)劃、流程、體制改革，用協(xié)調(diào)配合的模式替代一體化運(yùn)行模式。在發(fā)電與輸電分離的情況下，電力生產(chǎn)利益主體趨于多元化，在過度分散的規(guī)劃決策中，電力系統(tǒng)的優(yōu)化效果將受到影響。為此，電力公司要充分做好輸電與發(fā)電兩方面的協(xié)調(diào)規(guī)劃，將多種決策方式相互結(jié)合，將規(guī)劃重心放在優(yōu)化協(xié)調(diào)整體結(jié)構(gòu)、布局和總量方面。實(shí)際操作中，要做好牽頭組織管理，通過配電、電力負(fù)荷、電源的協(xié)調(diào)配合，推進(jìn)規(guī)劃工作有效開展。做好數(shù)據(jù)信息共享，必要時(shí)可以成立一個(gè)專門的顧問機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)評(píng)估討論電力系統(tǒng)規(guī)劃方法和參數(shù)。在顧問機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，要做好市場(chǎng)監(jiān)督和權(quán)威指引，從發(fā)電、輸電等規(guī)劃的起始階段入手，參與評(píng)估和討論，確保所制定規(guī)劃設(shè)計(jì)方案符合電力系統(tǒng)的中長期發(fā)展，避免因規(guī)劃決策過度分散而影響規(guī)劃結(jié)果的系統(tǒng)性，確保發(fā)電、輸電等規(guī)劃工作能夠協(xié)調(diào)并進(jìn)，滿足市場(chǎng)不斷增長的電力能源需求，有效規(guī)避設(shè)備長期過負(fù)荷運(yùn)行或電能利用率嚴(yán)重不足等規(guī)劃缺陷。

6 結(jié)語

在進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮設(shè)計(jì)周期，遵循周期性原則、成本合理性原則、安全性原則，從電源、負(fù)荷、電量、電網(wǎng)等方面入手，進(jìn)行合理規(guī)劃，通過潮流、無功補(bǔ)償、短路電流、穩(wěn)定性等計(jì)算進(jìn)行設(shè)備選型，做好設(shè)計(jì)合理性評(píng)估，以獲得更優(yōu)質(zhì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。