國(guó)網(wǎng)張家口供電公司 李國(guó)武 周 毅 劉德坤 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 李貝貝 張屹然
在信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下,以配電網(wǎng)數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化為特征的智能配電網(wǎng)快速興起,在提高配電網(wǎng)運(yùn)行效率,提升配電網(wǎng)自愈能力,容納分布式電源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等分布式能源,保障配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行,提高電力資產(chǎn)利用效率[1]等方面,發(fā)揮了一定的作用。
但當(dāng)前的智能配電網(wǎng)規(guī)劃方案仍大量沿用傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)原則,根據(jù)配電網(wǎng)最大負(fù)荷等最嚴(yán)重運(yùn)行狀況,依照配電網(wǎng)所需達(dá)到的運(yùn)行水平,通過預(yù)留一定容量裕度的方法開展規(guī)劃。隨著分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車、用戶側(cè)儲(chǔ)能等新業(yè)態(tài)在配電網(wǎng)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,配電網(wǎng)運(yùn)行中的隨機(jī)性和不確定性越來越顯著,傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法由于未能考慮到智能技術(shù)在配電網(wǎng)運(yùn)行中的調(diào)控能力,未將智能技術(shù)與配電網(wǎng)運(yùn)行形成有機(jī)整體,在實(shí)際工程中存在濫用及誤用智能技術(shù)的問題。如何評(píng)估智能配電網(wǎng)規(guī)劃中智能技術(shù)應(yīng)用的有效性,提高配電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃面臨的重要課題。
本文依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,分析提出智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估指標(biāo),量化智能技術(shù)應(yīng)用所帶來的成效,構(gòu)建智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估體系。該評(píng)估方法綜合配電網(wǎng)網(wǎng)架水平、新業(yè)態(tài)發(fā)展及智能技術(shù)應(yīng)用成效等三方面內(nèi)容,按照配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)上量化智能技術(shù)應(yīng)用所帶來的效益,直觀地表現(xiàn)配電網(wǎng)在智能化提升上的必要性,為智能配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)[2]。
為適應(yīng)配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì),明確配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性,本文提出了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估體系,以配網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行能力為重點(diǎn),分析配電網(wǎng)存在的風(fēng)險(xiǎn)及規(guī)劃的有效性,具體思路如下:結(jié)合配電網(wǎng)發(fā)展所面臨的新形勢(shì),明確配電網(wǎng)存在的主要風(fēng)險(xiǎn),指出典型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估范圍,并選取關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),初步形成配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系總體框架,并指明各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方法;根據(jù)配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所考慮的技術(shù)范圍,按照驗(yàn)證智能技術(shù)在配電網(wǎng)應(yīng)用的可行性與必要性的思路,對(duì)評(píng)估范圍內(nèi)的配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí),從配電網(wǎng)本體的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、新業(yè)態(tài)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響、智能技術(shù)應(yīng)用帶來的成效等三方面完善配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系;按照配電網(wǎng)內(nèi)各因素的復(fù)雜程度,選用合適的計(jì)算方法,對(duì)完善后的指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算,對(duì)配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行整體評(píng)估,得到電網(wǎng)整體或局部的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),相應(yīng)提出配電網(wǎng)規(guī)劃補(bǔ)充舉措。
按照當(dāng)前的配電網(wǎng)規(guī)劃原則及面臨的新業(yè)態(tài)、新技術(shù)發(fā)展情況,可以將智能配電網(wǎng)規(guī)劃內(nèi)容整理為配電網(wǎng)運(yùn)行水平、新業(yè)態(tài)發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)、智能技術(shù)應(yīng)用成效,分別從配電網(wǎng)自身的運(yùn)行能力、新業(yè)態(tài)對(duì)配電網(wǎng)造成的影響、智能技術(shù)應(yīng)用帶來的效益等三方面描述當(dāng)前配電網(wǎng)在發(fā)展中遇到的問題及技術(shù)應(yīng)用的有效性[3],從而為當(dāng)前規(guī)劃開展評(píng)估參考。
在典型的配電網(wǎng)內(nèi),需要考慮分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、交直流混合配電網(wǎng)、高電能質(zhì)量配電網(wǎng)、不停電作業(yè)、狀態(tài)檢修等多種新技術(shù)、新業(yè)態(tài)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響??傮w來看,在新技術(shù)新業(yè)態(tài)下,配電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)仍然主要存在于靜態(tài)方面,可以從失負(fù)荷、過負(fù)荷、電壓越限等三個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)類型來全面衡量。
失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)是指由永久性故障導(dǎo)致的負(fù)荷損失,與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估類似,以系統(tǒng)缺供電量表征,其計(jì)算公式為ENS=Σi∈FΣj∈ST(j|i)Poj,式中T(j|i)為在系統(tǒng)故障狀態(tài)下i第j個(gè)故障的故障持續(xù)時(shí)間,h;Poj是第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的平均負(fù)荷,kW。
過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)(Rol)反映了配電網(wǎng)在運(yùn)行過程中發(fā)生設(shè)備傳輸功率過載的可能性和危害程度,其計(jì)算公式為Rol=Σi∈FΣj∈SP(j|i)Sol,其中P(j|i)為在系統(tǒng)故障狀態(tài)i下第j個(gè)系統(tǒng)元件發(fā)生過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)的概率,Sol為單一設(shè)備過負(fù)荷嚴(yán)重程度。
對(duì)于過負(fù)荷嚴(yán)重程度,Sol引入效用理論定義嚴(yán)重度函數(shù)為:
其中P為設(shè)備運(yùn)行功率kW;Pmax為設(shè)備額定最大功率kW。
電壓越限風(fēng)險(xiǎn)是指在系統(tǒng)內(nèi)元件失效,由于負(fù)荷損失或者負(fù)荷轉(zhuǎn)供導(dǎo)致部分線路負(fù)荷過重等因素而產(chǎn)生各支路電壓越限的風(fēng)險(xiǎn),計(jì)算公式為Rov=Σi∈FΣj∈SP(j|i)Sov,j,其中P(j|i)為在系統(tǒng)故障狀態(tài)i下第j個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的電壓越限概率;Sov,j為系統(tǒng)故障狀態(tài)i下第j個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的電壓越限嚴(yán)重程度。
采用效用函數(shù)定義電壓越限嚴(yán)重度,即:
其中V為節(jié)點(diǎn)電壓,V;Vmax為節(jié)點(diǎn)最大限定電壓,V;Vmax為節(jié)點(diǎn)最小限定電壓,V。
配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)包括網(wǎng)架、配電自動(dòng)化、預(yù)安排停電等多種因素導(dǎo)致的配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),也即由配電網(wǎng)元件故障、檢修停電等情況導(dǎo)致失負(fù)荷、過負(fù)荷、電壓越限等風(fēng)險(xiǎn)的期望,來評(píng)估規(guī)劃網(wǎng)架的運(yùn)行能力。在計(jì)算過程上,可將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及配電自動(dòng)化兩者認(rèn)為是共同輸入條件,統(tǒng)一計(jì)算。預(yù)安排停電管理水平主要由預(yù)安排停電概率與預(yù)安排停電平均持續(xù)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)表征。預(yù)安排停電與系統(tǒng)故障停電共同構(gòu)成了總體的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于不同類型的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),可以計(jì)算為RDN=ΣNΣi∈FΣj∈SP(i)SDN,式中N為系統(tǒng)故障、預(yù)安排停電等配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)空間,SDN為第j個(gè)指標(biāo)的故障嚴(yán)重程度。
分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等新業(yè)態(tài)是配電網(wǎng)發(fā)展面臨的必要內(nèi)容。配電網(wǎng)新業(yè)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是上述新業(yè)態(tài)隨機(jī)性及無序性對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響[4,5]。 在計(jì)算時(shí)可將分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車與負(fù)荷點(diǎn)打包形成同一負(fù)荷曲線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,將隨機(jī)性納入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,即P=P0+PDP+PEC+PST,P其中為負(fù)荷點(diǎn)的總功率,kW;P0為未計(jì)入新業(yè)態(tài)時(shí)的負(fù)荷功率,kW;PDP為分布式發(fā)電功率,kW;PEC為電動(dòng)汽車功率,kW;PST為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率,kW。
配電網(wǎng)智能技術(shù)涵蓋綜合能源調(diào)控、狀態(tài)檢修、不停電作業(yè)、柔性直流合環(huán)運(yùn)行等技術(shù)。總體來看,智能技術(shù)以增加對(duì)區(qū)域內(nèi)部各類資源控制手段為主要途徑,優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行方式,提升配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和經(jīng)濟(jì)性,保障安全可靠供電。其成效可以表征為對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)頻率及風(fēng)險(xiǎn)程度的影響,可計(jì)算為:ΔRN=Σi∈F[P(i)ΔS(i)+ΔP(i)S(i)],式中N為失負(fù)荷、過負(fù)荷、電壓越限等風(fēng)險(xiǎn)類型,F(xiàn)為風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)空間,S(i)為i所對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)程度。
其中,柔性直流合環(huán)是基于柔性直流技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)裝置,實(shí)現(xiàn)饋線間常態(tài)化柔性“軟連接”,提供靈活、快速、精確的功率交換控制與潮流優(yōu)化能力,降低線路切換對(duì)負(fù)荷的影響,進(jìn)一步提高裝置兩端負(fù)荷點(diǎn)的供電可靠性。
綜合來看,針對(duì)不同的智能技術(shù),可以在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及新業(yè)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率及影響程度的改變得到智能技術(shù)的成效指標(biāo),分別研判不同技術(shù)的適用性。
以上從失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)及電壓越限風(fēng)險(xiǎn)等四個(gè)領(lǐng)域構(gòu)建了配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估整體框架,并分開闡述了配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、新業(yè)態(tài)發(fā)展及智能技術(shù)應(yīng)用上的評(píng)估指標(biāo),構(gòu)建基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估指標(biāo)體系(表1)。
本節(jié)應(yīng)用提出的基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估體系,選取冀北電網(wǎng)某智能配電網(wǎng)示范區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,論證示范區(qū)內(nèi)的規(guī)劃成果及智能技術(shù)應(yīng)用成效,并提出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)充措施。到2022年示范區(qū)預(yù)測(cè)總負(fù)荷為42.7MW,由13個(gè)環(huán)網(wǎng)柜共同供電。示范區(qū)開展了配電網(wǎng)網(wǎng)架、綜合能源、智能配電網(wǎng)等三部分規(guī)劃(圖1)。配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃部分構(gòu)建3個(gè)雙環(huán)網(wǎng),配電自動(dòng)化“三遙”功能配置,總體可靠性要達(dá)到99.999%,關(guān)鍵區(qū)域可靠性要達(dá)到99.9999%。在綜合能源規(guī)劃中大力開發(fā)綠色清潔能源,開發(fā)分布式光伏4MW,電動(dòng)汽車充電負(fù)荷達(dá)到22.72MW。智能配電網(wǎng)規(guī)劃提出構(gòu)建綜合能源管理系統(tǒng),建設(shè)交直流混合配電網(wǎng),推行不停電作業(yè),落實(shí)狀態(tài)檢修體系,著力提升配電網(wǎng)供電能力。
表1 基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)
圖1 示范區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
為驗(yàn)證智能配電網(wǎng)規(guī)劃對(duì)配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行能力的影響,借助規(guī)劃評(píng)估體系對(duì)示范區(qū)配電網(wǎng)從配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃、新業(yè)態(tài)發(fā)展、智能技術(shù)應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)失負(fù)荷、過負(fù)荷、電壓越限風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
由表2計(jì)算結(jié)果可見,示范區(qū)配電網(wǎng)采用了堅(jiān)強(qiáng)的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及完善的配電自動(dòng)化方式,配電網(wǎng)運(yùn)行具有較大的裕度,風(fēng)險(xiǎn)總體處于較低水平。配電網(wǎng)總失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)為2091.19kWh,供電可靠性在99.999%之上,過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)及電壓越限風(fēng)險(xiǎn)幾乎不存在。
表2 配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表
示范區(qū)配置了分布式光伏、電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能系統(tǒng)等分布式能源。如表3所示,由于分布式光伏、電動(dòng)汽車充電、儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性,示范區(qū)的失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)少量增長(zhǎng)到2119.27kWh,過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)也有微小增長(zhǎng)。
表3 新業(yè)態(tài)發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表
為提高配電網(wǎng)供電可靠性,差異化滿足區(qū)域內(nèi)供電能力需求,示范區(qū)規(guī)劃開展綜合能源管理、狀態(tài)檢修、不停電作業(yè)、交直流混合配電網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用。由于示范區(qū)配電網(wǎng)過負(fù)荷及電壓越限風(fēng)險(xiǎn)都非常小,在此中不再考慮對(duì)過負(fù)荷及電壓越限風(fēng)險(xiǎn)的影響。
綜合能源管理系統(tǒng)。綜合能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)能源的協(xié)調(diào)管控,從時(shí)間、空間上依照配電網(wǎng)運(yùn)行能力和經(jīng)濟(jì)性調(diào)控可控資源。對(duì)于示范區(qū)配電網(wǎng)而言,綜合能源管理系統(tǒng)在配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行上存在一定的作用,總體失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)減少到1904.85kWh,供電可靠性提升到99.99946%。
表4 綜合能源管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表
狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修通過狀態(tài)分析預(yù)測(cè)合理制定檢修計(jì)劃,降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn),減少預(yù)安排停電次數(shù)。按狀態(tài)檢修開展后設(shè)備故障概率降低20%、計(jì)劃?rùn)z修次數(shù)減少40%預(yù)估,如表4所示,配電網(wǎng)總體失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)減少到1166.57kWh,供電可靠性進(jìn)一步提升到99.9996%。
不停電作業(yè)。由于示范區(qū)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng),負(fù)荷點(diǎn)故障停電風(fēng)險(xiǎn)可能小,基本能通過負(fù)荷轉(zhuǎn)供的方式完成持續(xù)供電,不停電作業(yè)不具有充足的推廣應(yīng)用空間。
交直流混合配電網(wǎng)。交直流混合配電網(wǎng)在關(guān)鍵負(fù)荷點(diǎn)形成柔性合環(huán)運(yùn)行能力,避免了轉(zhuǎn)供中造成的負(fù)荷損失。如表5所示,對(duì)于需要超高可靠性(99.9999%)的區(qū)域,交直流混合配電網(wǎng)作用非常明顯。
算例中示范區(qū)配電網(wǎng)按照既定規(guī)劃采用了高冗余的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng),配電自動(dòng)化配置充分,使得配電網(wǎng)具備良好的運(yùn)行可靠性和充裕性,除關(guān)鍵區(qū)域外效果并不明顯。在各項(xiàng)智能技術(shù)中交直流混合配電網(wǎng)對(duì)于可靠性要求達(dá)到99.9999%的關(guān)鍵負(fù)荷點(diǎn)仍然是必須的。
由表6可見,由于算例配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)主要為負(fù)荷轉(zhuǎn)供引起的失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn),狀態(tài)檢修是各項(xiàng)智能技術(shù)中降低失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)最為明顯的技術(shù),綜合能源系統(tǒng)能夠有效控制新業(yè)態(tài)引入的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),而負(fù)荷點(diǎn)故障停電風(fēng)險(xiǎn)很小,不停電作業(yè)不具有充足的推廣應(yīng)用空間。
表5 交直流混合配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表
表6 基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)結(jié)果表
隨著分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車等新業(yè)態(tài)的不斷發(fā)展,配電網(wǎng)對(duì)于智能技術(shù)的需求日益迫切。當(dāng)前智能配電網(wǎng)規(guī)劃方法仍不成熟,智能技術(shù)濫用及誤用現(xiàn)象愈加突出,配電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性受到影響,如何評(píng)估規(guī)劃方案中智能技術(shù)應(yīng)用有效性是當(dāng)前智能配電網(wǎng)規(guī)劃面臨的重要問題。本文構(gòu)建了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估體系,在此基礎(chǔ)上以冀北電網(wǎng)某示范區(qū)為典型進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估。針對(duì)分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、交直流混合配電網(wǎng)和狀態(tài)檢修等新業(yè)態(tài)、智能化技術(shù),從配電網(wǎng)網(wǎng)架水平、新業(yè)態(tài)發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)及智能技術(shù)應(yīng)用成效等三方面內(nèi)容,在配電網(wǎng)失負(fù)荷、過負(fù)荷、電壓越限等配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)上量化新業(yè)態(tài)、智能技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行能力的影響,為智能配電網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。
從智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)結(jié)果的角度看,配電網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用仍然需要從實(shí)際情況出發(fā),針對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)情況及發(fā)展需求,相應(yīng)的選取合適智能技術(shù)應(yīng)用,保證智能技術(shù)有效可靠。此外,如何保證配電網(wǎng)網(wǎng)架及配電自動(dòng)化建設(shè)與智能技術(shù)應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)性上的平衡,是下一步指導(dǎo)智能配電網(wǎng)規(guī)劃研究的關(guān)鍵問題。