大電網建設適應性評價內容與評價指標

劉連光，陳艷偉，王智冬，2，馬成廉

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市102206;2.國網北京經濟技術研究院，北京市102209)

0 引言

隨著電力工業市場化改革的深入、電網規模的不斷擴大以及電網外部環境約束條件的增加，電網與外部環境的相互協調發展問題日益突出［1-2］。隨著經濟與社會的快速發展，我國電網建設進入特高壓、大電網時代，超特高壓骨干網架的建設關系到未來數十年甚至上百年電網結構與規模的合理性。仍按照傳統的主要考慮安全性和電網自身經濟性評價指標［3-5］，對電網與能源資源、社會經濟發展以及環境保護等外部環境之間的適應性考慮甚少的電網規劃思路，將會使電網發展與電源發展、社會經濟發展等外部環境協調性差，進而影響經濟社會的發展。因此，研究建立大電網建設適應性的評價理論和方法體系，并與經濟性、安全性共同構成大電網規劃評價理論體系，對我國建設超特高壓大規模電網(簡稱“大電網”)具有非常重要的意義。本文從“適應性”概念出發，在分析大電網自身特點及其影響因素的基礎上，提出研究大電網建設適應性評價理論，旨在研究電網與能源、自然、技術等外部環境之間，以及包括超特高壓電壓等級在內的各電壓等級內部之間的協調適應性。提出大電網建設適應性的評價內容體系，主要包括國民經濟適應性、能源結構適應性、電網結構適應性和技術發展適應性。

1 評價內容構建依據

將國民經濟適應性、能源結構適應性、電網結構適應性以及技術發展適應性作為大電網建設適應性評價體系的依據如下:

(1)國民經濟發展的需要。由于電力工業是國民經濟建設與發展的基礎，一方面，如果電網的發展滯后于負荷的發展將嚴重制約國民經濟的發展;另一方面，國民經濟的發展也對大電網的建設產生很大的影響。電力需求與國民經濟之間具有很強的正相關關系，相關系數達0.98以上［6］。大電網的建設在客觀上要與國民經濟的發展相適應，二者協調發展，才能保證國民經濟的良好健康發展。因此，國民經濟適應性應該被列入大電網建設適應性評價體系中。

(2)資源優化配置的需要。我國能源資源和負荷需求呈逆向分布，如圖1所示，發電資源主要分布在西部，而負荷主要分布在東部沿海。為提高能源利用效率，保證國家能源安全，需要建設合適的電網以實現發電能源在全國范圍內的優化配置［7-8］。

圖1 我國能源資源和負荷分布圖Fig.1 Energy resources and load distribution in China

(3)環境保護與節能減排的需要。隨著社會對環保的要求日益增高，環境保護與節能減排成為未來電網建設中必須考慮和研究的問題。目前我國火力發電在電源構成上占主體地位，燃煤發電造成環境污染的問題日益突出。在未來社會發展中，需降低火力發電機組在電源結構中的占比，大力開發太陽能、風能等清潔能源，以解決目前污染嚴重的問題。太陽能、風能等清潔能源的布局與開發，對大電網的建設有很重要的作用。

綜合(2)和(3)節所述，需要將能源結構適應性列入大電網適應性評價體系中。

(4)電網發展的需要。根據我國能源分布的特點以及未來能源發展的趨勢，我國未來新增電源布局將會以西部、北部地區為主，而中東部地區為主要電力負荷區，導致我國電力輸送距離進一步增加，跨省、跨區電力流需求進一步增大，需要構建堅強的、靈活的、合適的骨干網架，以解決電力流增大引起的輸電通道潮流過重與短路電流水平超標問題。因此，電網結構適應性也是大電網建設中需要考慮的問題之一。

另外，在電網的發展歷程中，科學技術始終起著支撐電網建設的作用，技術的發展對電網具有深遠的影響，大電網的建設需要與當前科學技術相適應，技術要求達不到，則不能構建出安全、可靠的電網。例如，我國西北地區330kV電網的建設就是由于當時技術水平達不到，克服不了500kV電網設備的技術難題，而選擇建立330kV等級電網，現在看來，330kV的電網建設給我國電網的管理以及電網互聯帶來了不利的影響。因此，技術發展適應性也是大電網建設適應性評價的重要內容之一。

2 大電網建設適應性評價指標

2.1 國民經濟適應性評價指標

1980—2050年我國GDP增長趨勢和用電量增長趨勢如圖2、3所示［9］，可見GDP增長率和用電量增長率變化趨勢基本保持一致。另外，電力負荷的增加對大電網建設的變電容量也有直接影響。因此提出國民經濟發展適應性的二級評價指標有電力平衡系數、電力生產彈性系數、容載比和容載增速比。

圖2 我國經濟總量及其增長率變化Fig.2 Economic aggregate and its growth rate in China

圖3 我國用電量及其增長率變化Fig.3 Power consumption and its growth rate in China

電力平衡系數是指電力供給量與電力需求量之間的比值，表征電力供給與電力需求的適應程度，即電網是否出現缺電和窩電現象;電力生產彈性系數是指發電量的平均增長率與GDP平均增長率的比值，表征電網建設的發展速度與經濟發展速度的適應程度;容載比是指某一區域、某一電壓等級的變電總容量(kVA)與對應總負荷(kW)的比值，表征電網變電容量與負荷之間的匹配程度。容載增速比是指電網發展期間某一電壓等級主變容量增長率與負荷增長率的比值，反映主變容量年均增長率與負荷年均增長率的相對快慢關系，該指標一定程度上可以反映變電容量與負荷增長的協調性。

2.2 能源結構適應性評價指標

在未來的幾十年間，火力發電將仍然是我國能源的主力，只是占比有所下降［7］，需對煤炭資源進行優化配置，實現煤炭資源的高效、清潔、最優化利用。同時，由于各城市環境容量不同以及環境治理費用的差異，使得環境容許排放量成為各城市內火力發電廠建設的制約因素，對各城市的電源結構具有一定的影響［10-11］。再者，為保證能源安全和解決環境保護問題，提高新能源在電源結構中的比例也是大電網建設需要考慮的課題。由此提出能源結構適應性的二級評價指標有環境容許排放量、煤炭資源使用效率、新能源接納能力、清潔能源占比和清潔能源跨區消納占比。

其中，環境容許排放量是指某個地區環境所能允許排放污染物的最高限制，其決定了該地區新建火力發電廠的最大容量。

文獻［12-14］指出，對煤炭資源的使用可以將西、北部的煤炭資源通過鐵路、公路等運輸至中、東部負荷區，并在負荷區就地建設火力發電廠，再通過發電廠發電運送到用戶的方式;也可以通過在西、北部煤炭資源豐富區建設大型煤電基地，并通過特高壓電網將電能運送到中、東部負荷區的方式。以鐵路為主的煤炭運輸方式不能實現煤炭大范圍的優化配置，煤炭使用效率得不到保障，因此，電網與能源結構的適應性評價指標體系中也需包括煤炭資源使用效率評價指標。

新能源接納能力［15］是指電網允許接納新能源的裝機容量，具體講，是指包括新能源在內的所有電源與負荷保持電力平衡，所有運行電源均合理參與調峰，且滿足電網安全可靠運行、變壓器和線路不過載等約束條件下，此時電網能接納新能源的最大裝機容量，則為電網的新能源接納能力，該指標可反映出規劃電網對新能源接入的適應能力。

清潔能源占比是指太陽能、風能等清潔能源裝機容量與總裝機容量的比值，主要衡量清潔能源容量接入電網的情況。

清潔能源跨區消納占比是指太陽能、風能等清潔能源通過特高壓直流或交流通道外送容量與總裝機容量的比值，反映大電網優化配置清潔能源的能力。

2.3 電網結構適應性評價指標

電網結構適應性包括電網與電源、電網內各電壓等級間、電源與負荷3個方面的協調發展，其中，電網結構與電源之間的適應性表現為某一電網結構能夠滿足電源的接入和電力的送出;電網內部之間的適應性主要體現為各電壓等級間的協調適應，各個電壓等級變電能力相互匹配，可減輕電網的卡脖子現象，有利于電網的可持續發展;電網結構與負荷的適應性表現為電網最大限度地為用戶提供優質、可靠的電能，并能夠適應負荷在不同時段的波動。具體主要包括變機比、線機比、各電壓等級供電能力配比適應程度、平均失電比率、電網所能承受的峰谷差等5個二級指標。

其中，變機比是指某電壓等級公用降壓變電容量與統調電源裝機容量的比值，線機比是指某電壓等級的輸電線路長度與接入該電壓等級的裝機容量之比，二者結合起來反映電網與電源之間的協調程度。

不同電壓等級間的適應協調程度可以利用各電壓等級間的供電能力配比的適應程度來反映，各電壓等級間的供電能力配比是指上級和下級變電站的總體實際變電容量的比值。

電網互聯是構建大電網的重要表現，電網互聯的可靠性可用失電比率來反映，失電比率是指某電壓等級變電站發生故障后，不能被轉帶的總負荷與該電壓等級變電站線路所帶總負荷的比值，其反映電網轉供負荷的能力，體現上下級電網間的互聯緊密程度和協調適應程度［16］。

隨著空調等用電設備的迅速增長，負荷峰谷差增大，需提高電網對負荷的適應能力，承受不同條件下的負荷峰谷差。電網所能承受的峰谷差是指電網所能承受的最大負荷和最小負荷之差，電網所能承受的峰谷差越大，說明電網的靈活性越強，適應負荷波動的能力越強［17］。

2.4 技術發展適應性評價指標

大電網的發展離不開科技創新，利用科技創新可以提高新能源上網比例，優化能源結構，同時也能促進電網節能減排，進一步提升電網安全穩定運行能力，對保障國家能源安全和國民經濟穩定快速發展具有非常重要的意義。技術發展適應性評價指標主要包括特高壓交/直流輸電技術、大容量變壓器技術、新能源并網控制技術、大容量儲能技術等4個二級指標。

3 評價指標計算方法

3.1 國民經濟適應性評價指標計算

3.1.1 電力平衡系數計算

電力平衡系數是指電力供給量與電力需求量之間的比值，其計算公式為

式中:λ表示電力平衡系數;D表示電力供給量，可以利用變電容量或者發電量表示;S表示電力需求量。我國電網電力平衡系數可以參照美國等發達國家電力平衡系數。

3.1.2 電力生產彈性系數計算

電力生產彈性系數是指發電量的平均增長率與GDP平均增長率的比值，其計算公式為

式中:P表示電力生產彈性系數;E表示發電量的年平均增長率;G表示GDP的年平均增長率。

3.1.3 容載比計算

容載比是指某一區域、某一電壓等級的變電總容量與對應總負荷的比值，其計算公式為

式中:R表示容載比;K1表示負荷同時率;K2表示變電站的平均功率因數，在電網規劃中一般要求變壓器一次側的功率因數達到0.95以上;K3表示變壓器的安全運行率，一般取80% ～85%;K4表示負荷發展儲備系數，其取值與負荷增長率直接相關。

3.1.4 容載增速比計算

容載增速比是指電網發展期間某一電壓等級主變容量增長率與負荷增長率的比值，其計算公式為

式中:q表示容載增速比;S'表示某一電壓等級主變容量年均增長率;D'表示統調最大負荷年均增長率。

3.2 能源結構適應性評價指標計算

3.2.1 環境容許排放量計算

環境容許排放量可按某城市單位國土面積1年允許排放污染物數量來衡量，其中，污染物主要以二氧化硫、二氧化碳為主。其計算公式如下:

式中:WA表示某城市單位面積污染物年容許排放量;WS表示該城市環境標準規定的污染物最大容許量;B表示環境背景值;K表示年凈化率。

3.2.2 煤炭資源使用效率計算

文獻［14］指出，煤炭資源使用效率可以通過生產單位電量消耗的熱值來表示，對于鐵路運輸方式，其計算公式為

對于輸電方式，其計算公式為

式中:h或he表示單位電量消耗熱值;H表示煤炭的單位發熱量;w表示鐵路運輸途耗率;c表示每km運輸耗能;r0表示單位距離輸電損耗率;L表示運輸距離;f表示單位供電量煤炭損耗，指火電廠向系統供1 kW·h的電量所需要的煤炭量(折算后)。

3.2.3 新能源接納能力計算

文獻［17－18］指出，電網的新能源接納能力主要由電網網架適應性和電網的調峰能力決定，并得出電網新能源接納能力計算步驟如下:

(1)收集全網所有發電機組的運行工況、調峰特性及能力，找出典型日的最小開機方式及最小出力，計算出最大調峰量;

(2)考慮調度要求、調峰情況等邊界條件，在保證電網安全約束、線路不過載等條件下，確定調峰裕度，校核最小開機方式和最小出力滿足要求;

(3)以調峰裕度為基礎，考慮新能源的反調峰作用和同時率，計算得出電網接納新能源的能力。

3.2.4 清潔能源占比計算

清潔能源占比是指清潔能源裝機容量占總裝機容量的比值，其計算公式為

式中:F表示清潔能源占比;C表示太陽能、風能等清潔能源裝機容量;Z表示總裝機容量。

3.2.5 清潔能源跨區消納比重計算

建設大電網能夠有效提升清潔能源跨區域的優化配置，清潔能源跨區消納比重能夠很好地反映大電網優化配置清潔能源的能力，其計算模型如下

式中:P'表示清潔能源跨區消納占比;Y表示受端電網消納清潔能源的容量;Y總表示清潔能源總裝機容量。

3.3 電網結構適應性評價指標計算

3.3.1 變機比、線機比計算

變機比、線機比的計算可通過各自定義計算得出，在此不再贅述。

3.3.2 各電壓等級供電能力配比計算

各電壓等級供電能力配比適應程度可反映各電壓等級的變電容量的協調適應程度，其計算公式為

式中:R上表示上一電壓等級的容載比;R下表示下一電壓等級的容載比;Si表示上一電壓等級變電站主變容量，m為該等級變電站主變數量;Sj表示上一電壓等級變電站主變容量，n為該等級變電站主變數量。將計算所得的容載比與電力導則容載比推薦值進行比較，可分析出上、下電壓等級的供電能力的協調適應程度。

3.3.3 平均失電比率計算

平均失電比率是指在統計期間某電壓等級變電站故障后，不能被轉帶的平均負荷與該變電站線路所帶總負荷的比值，其計算公式為

3.3.4 電網所能承受的峰谷差計算

電網所能承受的峰谷差是指電網所能承受的最大負荷和最小負荷之差。

(1)最大負荷模型。其目標函數為電網的最大供電負荷，約束條件為滿足網絡潮流方程，電源出力不越限和線路不過載。

式中:kmax表示電網的最大負荷倍數，即最大供電負荷與實際供電負荷之比;d表示實際供電負荷;g'、g、g″分別表示電源的出力下限、出力和出力上限;B表示節點導納矩陣;θ表示節點電壓相角;A表示節點支路關聯矩陣;表示支路最大允許電壓相角差。

對于一個正常電力系統，kmax滿足kmax≥1，kmax越大，電網越能適應高的負荷水平，供電能力越強。

(2)最小負荷模型:

式中kmin表示電網的最小負荷倍數，即最小供電負荷與實際供電負荷之比。

顯然，kmin滿足 kmin≤1，kmin越小，對低谷負荷適應能力越強。

電網所能承受的峰谷差為

3.4 技術發展適應性評價指標計算

技術指標難以采用技術方法進行定量分析，可以采用專家打分法進行分析計算。對于每一個技術發展指標，通過匿名方式征詢有關專家的意見，并對專家意見進行統計、處理、分析和歸納，客觀地綜合多數專家經驗與主觀判斷，經過多輪意見征詢、反饋和調整后，對這些指標進行分析。

4 結論

(1)在社會經濟高速發展、常規能源日漸枯竭和電網互聯的新形勢下，完善電網建設安全性評價指標、擴展經濟性評價指標以及提出電網建設適應性評價指標是我國大電網建設的現實需求。其中，在適應性評價方面，本文提出將國民經濟適應性、能源結構適應性、電網結構適應性、技術發展適應性作為評價大電網建設的適應性的評價內容，完善了大電網建設評價內容體系。

(2)給出了構建電網建設適應性評價內容及指標的理論與實踐依據，提出了電力平衡系數、電力生產彈性系數等18個評價指標作為評價大電網建設適應性的指標體系，給出了適應性評價指標的計算方法。適應性評價指標體系的研究工作完善了大電網建設評價指標體系。

(3)在電力規劃領域，首次將電網建設適應性評價提升到與安全性、經濟性評價工作同等重要的高度，本文只提出了部分評價指標及評價指標的計算方法，大電網建設適應性評價的理論與算法涉及能源與電力系統，以及經濟學、社會學等學科的很多基礎理論，建立大電網建設適應性評價理論與評價方法的學術意義和實用價值巨大，后續將繼續深入研究。

［1］劉振亞，張啟平.國家電網發展模式研究［J］.中國電機工程學報，2013，33(7):1-11.

［2］Liu C C，Vittal V.The strategic power infrastructure defense system［J］.Control Systems，IEEE.2000，13(8):40-52.

［3］孫昕，劉澤洪，印永華，等.中國特高壓同步電網的構建以及經濟性和安全性分析［J］.電力建設，2007，28(10):7-11.

［4］印永華，郭強，張運洲，等.特高壓同步電網構建方案論證及安全性分析［J］.電力建設，2007，28(2):1-4.

［5］王仲鴻.交流特高壓在中國應用的經濟和安全分析研究［J］.電力自動化設備，2007，27(10):1-5.

［6］陳銀峰.電力需求與經濟發展的關聯關系研究［D］.上海:上海交通大學，2010.

［7］劉振亞.中國電力與能源［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［8］張運洲.我國跨區域電力資源配置前景分析［J］.中國電力，2004，37(9):5-7.

［9］胡兆光，譚顯東，許召元，等.2050中國經濟發展與電力需求探索［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［10］舒印彪，張運洲.優化我國能源輸送方式研究［J］.中國電力，2007，40(11):4-8.

［11］黃美麗.優化能源結構，改善環境質量［J］.能源與環境，2004(3):51-52.

［12］潘家錚.淺議輸煤與輸電問題［J］.電網與清潔能源，2011，27(2):1-3.

［13］林伯強，姚昕.電力布局優化與能源綜合運輸體系［J］.經濟研究，2009(6):105-115.

［14］丁偉，胡兆光.特高壓輸電經濟性比較研究［J］.電網技術，2006，30(19):7-13.

［15］魏磊，姜寧，于廣亮，等.寧夏電力系統接納新能源能力研究［J］.電網技術，2010，34(11):176-181.

［16］傅美平.電網協調程度評估及協調規劃方法研究［D］.鄭州:鄭州大學，2010.

［17］郭象容.關于電網接納大規模風電能力的思考［J］.廣東電力，2011，24(5):20-23.

［18］劉德偉，黃越輝，王偉勝，等.考慮調峰和電網輸送約束的省級系統風電消納能力分析［J］.電力系統自動化，2011，35(22):77-81.