面向工業(yè)大用戶接網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃新方法研究

李 華，金世鑫，蘆思晨，張曉天，趙 琳

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015； 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

遼寧是我國的工業(yè)大省，冶金業(yè)、石化業(yè)、裝備制造業(yè)等各個行業(yè)在“十三五”期間將面臨新的發(fā)展。工業(yè)大用戶的發(fā)展方向體現(xiàn)了宏觀經(jīng)濟的發(fā)展趨勢、國家和地區(qū)的經(jīng)濟政策、地區(qū)經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點、地區(qū)階段性的資源優(yōu)勢等，并且工業(yè)大用戶具有負荷特性復(fù)雜、用電可靠性要求高、對電網(wǎng)的沖擊大等特點[1]，當某一時期，地區(qū)某工業(yè)用戶受經(jīng)濟政策等影響負荷發(fā)展較快甚至已經(jīng)大大超過原地區(qū)負荷預(yù)測值時，用戶的接入系統(tǒng)工作會面臨嚴峻考驗，需要計算系統(tǒng)在當前方式、負荷水平下，還能承受供電能力的大小，確保該用戶接入系統(tǒng)供電后，系統(tǒng)依然能安全、可靠、經(jīng)濟運行。 這類用戶的接入，會對電網(wǎng)規(guī)劃方案帶來巨大的影響，甚至給地區(qū)網(wǎng)架發(fā)展趨勢帶來顛覆性變化。因此研究面向工業(yè)大用戶接網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃新方法具有重要意義。

目前，對工業(yè)大用戶接網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的多方面的影響已得到了一定的研究。文獻[2]提出了基于大用戶報裝的一種中長期城市負荷預(yù)測方法；文獻[3]提出了結(jié)合使用小波變換與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鋼鐵企業(yè)進行短期負荷預(yù)測的算法；文獻[4]提出一種基于變權(quán)綜合模糊推理的多模型綜合預(yù)測方法，對大用戶的短期電力負荷進行預(yù)測；文獻[5]針對220 kV 分區(qū)電網(wǎng)的兩種典型結(jié)構(gòu)模式利用基本電路理論建立短路電流模型，在此基礎(chǔ)上論述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對短路電流水平及受電能力的影響；文獻[6]引入了基于支路開斷分布因子的N-1預(yù)想事故分析方法，并采用差異進化算法來求取地區(qū)電力系統(tǒng)最大供電能力；文獻[7]提出一種精確求解區(qū)間負荷下系統(tǒng)最小切負荷量區(qū)間數(shù)表示的區(qū)間最小切負荷計算方法。文獻[8]提出了短路電流限制措施,對其限流效果和所引起的供電能力問題進行了研究。目前關(guān)于面向工業(yè)大用戶接網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃方法研究的文獻尚不多見，本文將結(jié)合實際案例重點研究大用戶接網(wǎng)面臨的主要問題，提出解決問題的方法，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出便于大用戶接網(wǎng)新的電網(wǎng)規(guī)劃方法，提高地區(qū)電網(wǎng)的適應(yīng)性，為科學(xué)、全面、規(guī)范、合理地做好大負荷用戶系統(tǒng)接入工作提供支持。

1 基于大用戶報裝的地區(qū)負荷預(yù)測

1.1 大用戶特性分析

根據(jù)電網(wǎng)運行規(guī)定，各行各業(yè)的大用戶是電力系統(tǒng)中長期負荷增長的主要組成部分，容量超過一定范圍的大用戶在建設(shè)之前需要向有關(guān)部門進行計劃報裝，為準確預(yù)測大用戶負荷，需要通過對大用戶的報裝、建設(shè)及投產(chǎn)等多個階段進行有效的數(shù)據(jù)分析，具體方法流程如圖1所示。

圖1 大用戶特性分析流程圖

1.2 考慮大負荷的地區(qū)負荷預(yù)測模型

大用戶負荷增長量和其他中小負荷增長量共同組成城市電網(wǎng)負荷增長量，所以本文的負荷預(yù)測模型根據(jù)兩種負荷類型各自特點分別考慮。

a. 大用戶負荷增長量

式(1)為第k種類型中第j個階段所有大用戶負荷增長量。

(1)

(2)

式中：BLj為城市m類大用戶負荷第j個階段的增長量。

b. 中小負荷增長量

中小負荷數(shù)量龐大，增長規(guī)律復(fù)雜，無法進行單項數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。因此，建議采用自然增長率的方法，從總體上對中小負荷增長量建模。

MLi=μ·Di-1

(3)

式中：MLi為未來第i年城市中小負荷增長量；μ為城市中小負荷自然增長系數(shù)；Di-1為第i-1年城市負荷總量。

基于大用戶報裝的中長期城市負荷預(yù)測模型如式(4)所示:

Di=BLj+MLi

(4)

2 計及大用戶供電裕度的地區(qū)供電能力分析

2.1 地區(qū)供電能力分析

供電能力可以反映電網(wǎng)安全性和可靠性裕度，為電網(wǎng)規(guī)劃提供參考和依據(jù)。本文中地區(qū)指電力系統(tǒng)的分區(qū)，分區(qū)電網(wǎng)負荷由500 kV主變和接入220 kV分區(qū)電網(wǎng)的地方電源共同供電，一個地區(qū)中可能同時包含多個500 kV供電片區(qū)。

分區(qū)電網(wǎng)受電能力取決于與該地區(qū)聯(lián)系的500 kV輸電線路、500 kV變電站的配置情況、500 kV變電站的開關(guān)遮斷容量、該地區(qū)內(nèi)的220 kV輸電線路、分區(qū)電網(wǎng)的電源容量和分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多個因素。提高地區(qū)供電能力過程就是在分區(qū)內(nèi)之間對系統(tǒng)可用資源進行最優(yōu)分配的過程。

500 kV主變N-1后其余主變按過載1.3倍考慮，發(fā)電機備用容量按20%考慮，分區(qū)供電能力可按式(5)表示：

(5)

式中：Ci為地區(qū)第i年供電能力；N為地區(qū)500 kV主變臺數(shù)；l為主變編號；TCl為第l臺主變?nèi)萘浚籑l為第l臺500 kV變電站的開關(guān)遮斷容量;M為地區(qū)220 kV裝機臺數(shù)；g為機組編號；UCg為第g臺機組容量；K為地區(qū)500 kV線路編號；Lk為第k條500 kV輸變電線路潮流；Lkmax為第k條500 kV輸變電線路潮流輸送極限；k為地區(qū)220 kV線路編號；lk為第k條220 kV輸變電線路潮流；lkmax為第k條220 kV輸變電線路潮流輸送極限。

按此模型，求得地區(qū)第i年的供電能力，為了保證地區(qū)大負荷用戶的安全可靠接入，第i年地區(qū)供電能力滿足Ci≥Di的條件，在這個前提下繼續(xù)開展地區(qū)大負荷用戶接網(wǎng)方案的研究。

2.2 最優(yōu)工業(yè)大用戶接網(wǎng)規(guī)劃方法

工業(yè)大用戶接網(wǎng)能力不僅要考慮地區(qū)總體的供電能力，受用戶地理位置的限制及接網(wǎng)方案的可實施性，還要重點研究工業(yè)大用戶周邊500 kV變電站供電裕度和周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為了滿足工業(yè)大用戶接網(wǎng)是否需要規(guī)劃變電站新建及擴建工程，是否需要加強電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并將這些項目及時列入地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃方案中，滿足工業(yè)大用戶的按時接網(wǎng)。

在實際用戶接網(wǎng)方案設(shè)計中需要考慮用戶用電特性、路徑長短、成本約束等問題，比較復(fù)雜。本文不局限于對某個具體用戶接網(wǎng)方案的研究，著重點在于從地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃角度考慮地區(qū)供電能力發(fā)展，研究一種普遍適用各類工業(yè)大用戶的接網(wǎng)方法，加強地區(qū)規(guī)劃電網(wǎng)在規(guī)劃年對大用戶接網(wǎng)的適應(yīng)性，及時可靠滿足用戶的接網(wǎng)需求。

對于220 kV直供工業(yè)大用戶，本文主要考慮地區(qū)500 kV變電站供電能力，直供大用戶接入系統(tǒng)需要對用戶周邊500 kV變電站供電能力進行評估，選取適當?shù)慕尤朦c，并且在此基礎(chǔ)上根據(jù)用戶負荷的增長預(yù)測適當考慮電網(wǎng)供電裕度，以便未來網(wǎng)架的規(guī)劃建設(shè)對大用戶的接入有更好的適應(yīng)性。

最優(yōu)工業(yè)大用戶接網(wǎng)規(guī)劃方法模型如式(6)所示，某地區(qū)接網(wǎng)能力優(yōu)化的目標函數(shù)設(shè)置為最大化該地區(qū)各個500 kV變電站的負荷母線供電裕度的總和，并可對不同站點按照其對大用戶提供電力能力賦予不同的權(quán)重。

(6)

式中:t為該地區(qū)中500 kV變電站數(shù)量；ωc為第c個變電站的供電能力權(quán)值；λL，c為第c個變電站供電裕度；N為第c個變電站的主變臺數(shù)；TClc為第c個變電站第l臺主變?nèi)萘浚渌麉?shù)說明與式(5)相同。某個變電站負荷裕度較大，說明該站點可以增加的負荷較大。然而，一個變電站的實際供電范圍有限，對大用戶的供電能力不同，其供電裕度權(quán)值也不同。

按此模型，對于地區(qū)規(guī)劃每個大用戶負荷從周圍第一個500 kV變電站開始計算供電裕度λL，1，以第i年始主變負荷為計算值，不考慮當年的負荷增長；再通過500 kV變電站周圍大用戶負荷和中小負荷增長比率確定變電站供電裕度的權(quán)值ωc，以此類推，得到其他變電站值，利用式(6)得到滿足該用戶供電的最優(yōu)方案。以此方法得到其他大用戶的供電方案，直到maxF(x)?BLj時停止，得到地區(qū)第i年考慮大用戶負荷接網(wǎng)的規(guī)劃方案。

3 規(guī)劃方案短路電流水平限制措施研究

為了滿足大負荷用戶的接網(wǎng)需求，往往需要加大地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)，新建或擴建500 kV及220 kV變電站，加強地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使地區(qū)網(wǎng)架達到負荷接入的供電能力水平，但是這個過程往往會帶來地區(qū)新的短路電流水平過高的問題，需要對地區(qū)規(guī)劃方案進行短路水平校驗，如存在短路水平較高的問題需要采取合適的限制措施。

a. 電網(wǎng)分層分區(qū)運行

主網(wǎng)聯(lián)系加強后，將次級電網(wǎng)解環(huán)運行，實現(xiàn)電網(wǎng)分層分區(qū)運行，可以有效地限制地區(qū)短路電流。兩相鄰地區(qū)通過500 kV和220 kV線路互聯(lián)形成的高低壓電磁環(huán)網(wǎng)綜合阻抗小，短路容量大，容易帶來220 kV系統(tǒng)的短路電流過高的危險，造成系統(tǒng)安全隱患。500 kV主網(wǎng)加強后，通過電磁環(huán)網(wǎng)的解環(huán)實現(xiàn)220 kV電網(wǎng)分區(qū)運行，可以降低220 kV電網(wǎng)的短路電流水平。

如圖2 所示，兩個500 kV系統(tǒng)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后，分區(qū)1變電站的220 kV 母線短路時，分區(qū)2的電源不再提供短路電流，分區(qū)1 的短路電流水平將降低，提高了地區(qū)受電能力。

b. 變電站母線分列運行

(a)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)前

(b)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后圖2 分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式

500 kV主變較多時, 系統(tǒng)通過500 kV主變提供的短路電流占了主要的部分，最大220 kV短路電流的短路點出現(xiàn)在500 kV變電站220 kV母線,通過將500 kV變電站220 kV母線分列運行的方式來限制短路電流水平，具有非常明顯的效果。

如圖3所示，打開變電站220 kV母線分段開關(guān)，母線分列運行，可以增大系統(tǒng)阻抗，分區(qū)電網(wǎng)內(nèi)的電源分散接到母線A和B上，當母線A短路時，接到母線B上的電源在母線A上的短路電流很小，從而控制了短路電流水平。

圖3 500 kV 變電站220 kV 母線分列運行模式

c. 采用高遮斷容量的開關(guān)設(shè)備

除了以上所提到的兩種限制方式之外，將現(xiàn)有斷路器及配套的電氣設(shè)備更換為遮斷容量更大的設(shè)備是應(yīng)對短路電流過大比較直接的方法。利用設(shè)備所具有的電流限制功能對短路電流的產(chǎn)生進行限制，并且避免了上述2種方法帶來的降低電網(wǎng)可靠性及靈活性的缺點。目前，我國已經(jīng)在220 kV以及550 kV電網(wǎng)中大量推行、應(yīng)用該方式，并獲得了較好的應(yīng)用效果。在我國500 kV或220 kV采用50 kA 的設(shè)備已經(jīng)相當普遍，63 kA的設(shè)備也不少見。

4 面向工業(yè)大用戶接網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)劃流程

根據(jù)上述分析，對于規(guī)劃的各階段的方法進行了詳細研究，下面利用前幾節(jié)的方法，對地區(qū)電網(wǎng)進行規(guī)劃，具體流程如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)規(guī)劃流程圖

首先，用基于大用戶報裝的地區(qū)負荷預(yù)測方法對地區(qū)負荷進行負荷預(yù)測(包括工業(yè)大用戶負荷和地區(qū)中小負荷)。根據(jù)地區(qū)規(guī)劃年電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮各種約束條件前提下，計算地區(qū)供電能力，以地區(qū)負荷和供電能力判定規(guī)劃網(wǎng)架是否滿足大用戶接網(wǎng)條件，如不滿足修訂地區(qū)規(guī)劃項目增加地區(qū)供電能力。對于某一工業(yè)大用戶，用最優(yōu)工業(yè)大用戶接網(wǎng)規(guī)劃方法求得接網(wǎng)方案，用同樣流程方法得到地區(qū)各個工業(yè)大用戶接網(wǎng)方案，直到滿足所有大用戶供電需求，確定地區(qū)用戶接網(wǎng)方案和地區(qū)規(guī)劃庫，最后，對地區(qū)規(guī)劃網(wǎng)架計算短路水平，校驗是否存在短路電流超標的問題，如果存在采取相應(yīng)的限制措施，得到地區(qū)最終的規(guī)劃方案。

5 實例分析

遼寧(營口)沿海產(chǎn)業(yè)基地總規(guī)劃面積180 km2，建設(shè)中國制造和中國創(chuàng)造基地，促進高端產(chǎn)業(yè)集聚，強化高端裝備制造、新材料、電子信息三大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，樂器、印刷包裝兩大特色產(chǎn)業(yè)，打造高端工業(yè)鋁材及精深加工、特種鋼及制品、新型建材、工程塑料、民用商務(wù)衛(wèi)星及衛(wèi)星應(yīng)用五大產(chǎn)業(yè)集群。目前，中冶京誠、五礦集團、遼寧特鋼、忠旺集團、東旭集團、富士康、可口可樂、百威啤酒等一批國內(nèi)外知名企業(yè)入駐園區(qū)。

營口忠旺鋁業(yè)有限公司高精鋁及加工材項目廠址位于遼寧(營口)沿海產(chǎn)業(yè)基地二期地域內(nèi)，一期項目已于2014年10月投產(chǎn)， 建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)88萬t精鋁、50萬t陽極生產(chǎn)系統(tǒng)和必要的生產(chǎn)輔助系統(tǒng)及生活設(shè)施，二期項目建設(shè)規(guī)模與一期項目相同，投產(chǎn)后，兩期項目達產(chǎn)后用戶負荷達到158萬kW，對營口電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)帶來巨大的影響。根據(jù)上文描述方法結(jié)合營口地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃和新增用電情況，研究營口市考慮忠旺二期項目接網(wǎng)的規(guī)劃方案。

5.1 負荷預(yù)測

首先對營口地區(qū)負荷特性進行分析，應(yīng)用第2節(jié)的負荷預(yù)測方法對營口地區(qū)負荷進行預(yù)測。

忠旺二期項目最大有功功率75萬kW，年耗電量59.55×108kWh。

根據(jù)營口地域特點及電網(wǎng)電氣聯(lián)系將營口電網(wǎng)分為南北兩個供電區(qū)域，分別進行預(yù)測，營口地區(qū)負荷預(yù)測結(jié)果如表1所示。

表1 營口地區(qū)負荷預(yù)測 萬kW

5.2 地區(qū)短路水平分析

為滿足地區(qū)負荷增長的需求，2016年營口北部地區(qū)將新建500 kV歷林變，地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生較大的變化，需要對地區(qū)短路水平進行校核。

歷林變投運后，渤海變220 kV側(cè)三相、單相短路電流分別達到50.21 kA、52.08 kA，超過其開關(guān)遮斷電流值，采取500 kV渤海變220 kV母線分列的措施，來限制短路電流，此時營口電網(wǎng)南北分區(qū)運行。

5.3 地區(qū)供電能力分析

歷林變投運后，屆時營口北部電網(wǎng)包括500 kV歷林變(2×1 002 MVA)渤海變1臺主變(1 002 MVA)，營口熱電廠2臺機組(2×330 MW)；營口南部電網(wǎng)包括500 kV南海變(2×1 002 MVA)渤海變1臺主變(1 002 MVA)，營口電廠2臺機組(2×300 MW)。根據(jù)式(5)營口北部地區(qū)供電能力約為300萬kW，正常方式下可以滿足地區(qū)供電能力，但檢修方式下地區(qū)供電能力為180萬kW，供電能力不足；營口北部地區(qū)供電能力約為290萬kW，正常方式下可以滿足地區(qū)供電能力，但檢修方式下地區(qū)供電能力為175萬 kW，供電能力不足。建議渤海南部母線擴建1臺500 kV主變，并梳理地區(qū)220網(wǎng)架，釋放北部網(wǎng)架供電壓力。

5.4 供電方案

如圖5所示，500 kV渤海變擴建1臺主變，一期項目轉(zhuǎn)接到渤海北部母線供電，新建220 kV忠旺2號用戶變，新建兩回220 kV線路至500 kV渤海變南母線為用戶供電，經(jīng)過計算供電能力和短路電流水平均在合理范圍內(nèi)。

圖5 忠旺三期項目接網(wǎng)方案

6 結(jié)論

a. 本文提出了一種基于大用戶報裝的地區(qū)負荷預(yù)測新方法，對大用戶負荷和中小負荷進行分別分析，建立了負荷預(yù)測模型。

b. 本文建立了計及大用戶供電裕度的地區(qū)供電能力模型，將變電站供電裕度作為優(yōu)化變量，并根據(jù)變電站對大用戶供電能力施加了適當約束。

c. 對大負荷用戶接網(wǎng)后存在電網(wǎng)短路電流超過開關(guān)遮斷容量的風險，本文提出了可以有效控制系統(tǒng)短路水平的方法，達到提升大負荷用戶接入能力的目的，并給出模型圖。