面向工業大用戶接網的電網規劃新方法研究

李 華，金世鑫，蘆思晨，張曉天，趙 琳

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015； 2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

遼寧是我國的工業大省，冶金業、石化業、裝備制造業等各個行業在“十三五”期間將面臨新的發展。工業大用戶的發展方向體現了宏觀經濟的發展趨勢、國家和地區的經濟政策、地區經濟的產業結構特點、地區階段性的資源優勢等，并且工業大用戶具有負荷特性復雜、用電可靠性要求高、對電網的沖擊大等特點[1]，當某一時期，地區某工業用戶受經濟政策等影響負荷發展較快甚至已經大大超過原地區負荷預測值時，用戶的接入系統工作會面臨嚴峻考驗，需要計算系統在當前方式、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供電后，系統依然能安全、可靠、經濟運行。 這類用戶的接入，會對電網規劃方案帶來巨大的影響，甚至給地區網架發展趨勢帶來顛覆性變化。因此研究面向工業大用戶接網的電網規劃新方法具有重要意義。

目前，對工業大用戶接網給電網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測方法；文獻[3]提出了結合使用小波變換與BP神經網絡對鋼鐵企業進行短期負荷預測的算法；文獻[4]提出一種基于變權綜合模糊推理的多模型綜合預測方法，對大用戶的短期電力負荷進行預測；文獻[5]針對220 kV 分區電網的兩種典型結構模式利用基本電路理論建立短路電流模型，在此基礎上論述電網結構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預想事故分析方法，并采用差異進化算法來求取地區電力系統最大供電能力；文獻[7]提出一種精確求解區間負荷下系統最小切負荷量區間數表示的區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。目前關于面向工業大用戶接網的電網規劃方法研究的文獻尚不多見，本文將結合實際案例重點研究大用戶接網面臨的主要問題，提出解決問題的方法，并在此基礎上總結出便于大用戶接網新的電網規劃方法，提高地區電網的適應性，為科學、全面、規范、合理地做好大負荷用戶系統接入工作提供支持。

1 基于大用戶報裝的地區負荷預測

1.1 大用戶特性分析

根據電網運行規定，各行各業的大用戶是電力系統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之前需要向有關部門進行計劃報裝，為準確預測大用戶負荷，需要通過對大用戶的報裝、建設及投產等多個階段進行有效的數據分析，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 考慮大負荷的地區負荷預測模型

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負荷增長量，所以本文的負荷預測模型根據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

中小負荷數量龐大，增長規律復雜，無法進行單項數據統計和分析。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；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供電能力分析

2.1 地區供電能力分析

供電能力可以反映電網安全性和可靠性裕度，為電網規劃提供參考和依據。本文中地區指電力系統的分區，分區電網負荷由500 kV主變和接入220 kV分區電網的地方電源共同供電，一個地區中可能同時包含多個500 kV供電片區。

分區電網受電能力取決于與該地區聯系的500 kV輸電線路、500 kV變電站的配置情況、500 kV變電站的開關遮斷容量、該地區內的220 kV輸電線路、分區電網的電源容量和分區電網結構等多個因素。提高地區供電能力過程就是在分區內之間對系統可用資源進行最優分配的過程。

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

(5)

式中：Ci為地區第i年供電能力；N為地區500 kV主變臺數；l為主變編號；TCl為第l臺主變容量；Ml為第l臺500 kV變電站的開關遮斷容量;M為地區220 kV裝機臺數；g為機組編號；UCg為第g臺機組容量；K為地區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，求得地區第i年的供電能力，為了保證地區大負荷用戶的安全可靠接入，第i年地區供電能力滿足Ci≥Di的條件，在這個前提下繼續開展地區大負荷用戶接網方案的研究。

2.2 最優工業大用戶接網規劃方法

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

在實際用戶接網方案設計中需要考慮用戶用電特性、路徑長短、成本約束等問題，比較復雜。本文不局限于對某個具體用戶接網方案的研究，著重點在于從地區電網規劃角度考慮地區供電能力發展，研究一種普遍適用各類工業大用戶的接網方法，加強地區規劃電網在規劃年對大用戶接網的適應性，及時可靠滿足用戶的接網需求。

對于220 kV直供工業大用戶，本文主要考慮地區500 kV變電站供電能力，直供大用戶接入系統需要對用戶周邊500 kV變電站供電能力進行評估，選取適當的接入點，并且在此基礎上根據用戶負荷的增長預測適當考慮電網供電裕度，以便未來網架的規劃建設對大用戶的接入有更好的適應性。

最優工業大用戶接網規劃方法模型如式(6)所示，某地區接網能力優化的目標函數設置為最大化該地區各個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重。

(6)

式中:t為該地區中500 kV變電站數量；ωc為第c個變電站的供電能力權值；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；TClc為第c個變電站第l臺主變容量，其他參數說明與式(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，其供電裕度權值也不同。

按此模型，對于地區規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，得到地區第i年考慮大用戶負荷接網的規劃方案。

3 規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需求，往往需要加大地區電網建設，新建或擴建500 kV及220 kV變電站，加強地區網架結構，使地區網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新的短路電流水平過高的問題，需要對地區規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. 電網分層分區運行

主網聯系加強后，將次級電網解環運行，實現電網分層分區運行，可以有效地限制地區短路電流。兩相鄰地區通過500 kV和220 kV線路互聯形成的高低壓電磁環網綜合阻抗小，短路容量大，容易帶來220 kV系統的短路電流過高的危險，造成系統安全隱患。500 kV主網加強后，通過電磁環網的解環實現220 kV電網分區運行，可以降低220 kV電網的短路電流水平。

如圖2 所示，兩個500 kV系統電磁環網解環后，分區1變電站的220 kV 母線短路時，分區2的電源不再提供短路電流，分區1 的短路電流水平將降低，提高了地區受電能力。

b. 變電站母線分列運行

(a)電磁環網解環前

(b)電磁環網解環后圖2 分區電網結構模式

500 kV主變較多時, 系統通過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，母線分列運行，可以增大系統阻抗，分區電網內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設備

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

4 面向工業大用戶接網的電網規劃流程

根據上述分析，對于規劃的各階段的方法進行了詳細研究，下面利用前幾節的方法，對地區電網進行規劃，具體流程如圖4所示。

圖4 電網規劃流程圖

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

5 實例分析

遼寧(營口)沿海產業基地總規劃面積180 km2，建設中國制造和中國創造基地，促進高端產業集聚，強化高端裝備制造、新材料、電子信息三大主導產業，樂器、印刷包裝兩大特色產業，打造高端工業鋁材及精深加工、特種鋼及制品、新型建材、工程塑料、民用商務衛星及衛星應用五大產業集群。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外知名企業入駐園區。

營口忠旺鋁業有限公司高精鋁及加工材項目廠址位于遼寧(營口)沿海產業基地二期地域內，一期項目已于2014年10月投產， 建設規模為年產88萬t精鋁、50萬t陽極生產系統和必要的生產輔助系統及生活設施，二期項目建設規模與一期項目相同，投產后，兩期項目達產后用戶負荷達到158萬kW，對營口電網規劃建設帶來巨大的影響。根據上文描述方法結合營口地區電網規劃和新增用電情況，研究營口市考慮忠旺二期項目接網的規劃方案。

5.1 負荷預測

首先對營口地區負荷特性進行分析，應用第2節的負荷預測方法對營口地區負荷進行預測。

忠旺二期項目最大有功功率75萬kW，年耗電量59.55×108kWh。

根據營口地域特點及電網電氣聯系將營口電網分為南北兩個供電區域，分別進行預測，營口地區負荷預測結果如表1所示。

表1 營口地區負荷預測 萬kW

5.2 地區短路水平分析

為滿足地區負荷增長的需求，2016年營口北部地區將新建500 kV歷林變，地區電網發生較大的變化，需要對地區短路水平進行校核。

歷林變投運后，渤海變220 kV側三相、單相短路電流分別達到50.21 kA、52.08 kA，超過其開關遮斷電流值，采取500 kV渤海變220 kV母線分列的措施，來限制短路電流，此時營口電網南北分區運行。

5.3 地區供電能力分析

歷林變投運后，屆時營口北部電網包括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)。根據式(5)營口北部地區供電能力約為300萬kW，正常方式下可以滿足地區供電能力，但檢修方式下地區供電能力為180萬kW，供電能力不足；營口北部地區供電能力約為290萬kW，正常方式下可以滿足地區供電能力，但檢修方式下地區供電能力為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220網架，釋放北部網架供電壓力。

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，經過計算供電能力和短路電流水平均在合理范圍內。

圖5 忠旺三期項目接網方案

6 結論

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

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

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