電力系統規劃設計在電力工程設計中的應用探究

趙珂 牟曉正 劉璟潔

電力系統規劃是確保電力系統得到長遠發展以及安全、穩定運行的關鍵，其規劃結果對電能的使用效率以及使用質量具有直接影響。本文對當前常用的電力系統規劃方法進行論述，分析了電力工程規劃目標，對電力系統規劃的基本內容進行論著，最后總結了電力系統規劃設計的經驗，為合理開展電力系統規劃提供參考。

電網規劃的目標在于尋求最優的電網投資決策，這樣才能保證電力系統得到長期、穩定的發展。電網規劃的基本原則是確保電力能夠可靠、安全地輸送到負荷中心，以此為前提盡可能降低電網建設以及運行的費用。

一、電力系統規劃方法

電力系統的規劃包括近期、中期以及遠期這三種。規劃時要按照“近細遠粗，遠近結合”的思路來進行規劃。第一，近期規劃多為五年，其目的在于應對當前對電網使用的需求，以滿足負荷需求為前提，兼顧供電可靠性以及供電質量來優化、調整輸變電建設項目，在此基礎上來進行年度計劃的編制，提出需要新建以及改造的項目。第二，中期規劃多為5-15 年，近期規劃要與中期規劃銜接，多方案比對來對電力系統的網架進行論證，確定電網結構，有計劃地實現電網結構以及設施過渡為規劃網絡，從而為大型項目的推進奠定基礎。第三，遠期規劃通常在15 年以上，其主要考慮的是電網的長遠發展，開展研究，以確保人們未來對供電的要求得到滿足的基礎上對網絡規劃以及電源布局進行確定，研究并展望主網架的戰略性、框架性以及結構性。實踐證實，對設計方案進行少許優化即可明顯提高經濟效益。早期電網規劃方案的基礎是對不同方案進行比選，從技術、經濟、可行性等方面對設定的待選方案進行比較從而選出推薦方案。但是比較的方案通常都是規劃人員根據自己的經驗來提出的，不可能將所有可行性的方案全部列出，提出的方案中也不一定就包括了客觀上的最優方案，這造成最終推薦方案有一定局限性以及主觀性。當前計算機技術、運籌學以及數學不斷發展，電網規劃的新方法隨之不斷產生，當前主要有智能優化、數學優化方法以及啟發式優化方法等。第一，啟發式優化方法以直觀分析作為依據，基于系統性能指標來對可行路徑的參數進行靈敏度分析，按照一些原則確定需要架設的線路。啟發式方法的優點在于可以很好地與規劃人員的經驗相結合，使用時更加方便，但是這種方法不能保證得到最優方案，不能充分考慮到不同階段不同架線決策之間的影響，當待選線數量比較多、規劃期比較長時，此時這種方法得到的結果與客觀最優方案有較大差異。第二，數學優化方法，這一方法使用運籌學數學模型來描述電網規劃問題，將問題轉變為有約束的極值問題，在最優化理論的指導下求解。這種方法的優點在于能保證得到最優解，但是缺陷是有計算量偏大的問題。除此之外現實中的電網規劃并不像數學題那樣簡單，電網規劃需要考慮眾多因素，建立模型后也難以求解，且許多因素并不能形式化，因此建立模型難度比較高。第三，智能優化方法包括免疫算法、模擬退火算法、蟻群優化算法以及粒子群算法等。

二、電力工程規劃目標

電力工程規劃設計時要考慮配電網規劃的問題。配電網的規劃目標具體如下：第一，配電網與輸電網相互協調，建立適應性強、能力足、安全可靠的電網結構，保證供電可靠，滿足用電需求，提高電網運行效率。進行配電網的規劃時要在資產全壽命周期成本最小的原則指導下，對資產壽命周期成本進行分析來開展方案比選，從而確保電網資產在設計、建設、改造、運維檢修等過程中的成本盡可能低。第二，配電網要有一定自愈能力、應急處理能力、負荷轉移能力以及合理的容量裕度。配電網要能經濟、可靠且安全地向用戶供電，要從整體考慮進行配電網的規劃，從而實現不同層級之間協調配合，空間上要做到優化布局，時間上要做到合理過渡。第三，配電網的規劃要遵循差異化原則，結合項目所在地的經濟社會發展水平、環境要求、用戶性質等確定具有差異的建設標準，從而滿足各類用戶的用電需求，滿足區域的發展需求。配電網的規劃要能迎合未來的發展趨勢，滿足儲能裝置、電動汽車、分布式電源等新型負荷的接入要求。

三、電力系統規劃的基本內容

1.預測分析電力負荷

電力系統規劃的基礎在于對電力工程周圍片區的電力負荷進行預測以及分析。進行電力工程的設計時，以國民經濟的發展以及運行來進行中短期負荷的預測，對歷年的經濟數據進行分析總結，結合社會經濟的發展規劃來逐年預測最大負荷。除此之外還要根據在建、已建以及規劃中的遠期項目的情況來分析負荷特性，明確這些項目對電網供電造成的影響。對大容量發電機組、樞紐變電站等比較重要的電力工程要使用多種方法來對其負荷進行預測，對負荷增長因素以及負荷的發展趨勢進行分析。

2.電源規劃情況以及出力分析

統計擬建工程周圍電網的電源規劃，對電源的處理情況進行分析，這樣才能對工程建設是否有必要進行分析。電力電源有地方電源以及統調電源的區別，前者主要有企業自備發電機組、各種小型水電站等，后者則包括了電網統一調度管理的大型發電產。不同水文期這些電源的出力不盡相同，且規劃期間新建電源機組也會逐漸投入運行使用，為了方便開展下一步工作，首先要對電源的出力情況以及規劃情況進行分析。

3.電力電量平衡

電力電量平衡約束著電力系統規劃設計，依據電源出力分析結果以及電力負荷預測結果對供電區域、項目所在地進行電量以及電力的平衡計算，分析計算結果，這樣才能明確電力工程的規模以及布局。以負荷預測結果為依據來對不同水平年的最大系統負荷進行確定，同時充分考慮到各種電源的出力情況，明確電力電量盈虧之后才能對需要的發電以及變電設備的容量進行確定。確定好的容量不僅要滿足負荷需求，還要充分考慮到備用容量。除此之外，電力電量平衡過程中還要對分區之間的電力電量交換進行充分的考慮，結合這一情況來對備容量進行適當增減。

4.確定接入系統方案

結合項目所在地的負荷分布、原電網特點以及電網的發展規劃等情況將項目在電力系統中的地位以及作用明確闡述，以政府部門審批意見、電網規劃等提出接入系統比較方案。進行項目接入系統方案的論述時，要充分考慮到電網新技術的使用、節能降耗、節約用地以及遠近結合的原則。除此之外還要提出各種方案的規模、布局、投產年等相關內容。

5.電氣計算

潮流計算能很直觀地對電力工程中不同接入方案進行計算，其計算得出的電力潮流分布情況、網絡元件電力損耗以及電網節點電壓等為分析各種方案是否具有經濟性、合理性以及可靠性提供支持。潮流計算要對電力網絡中的電壓分布以及功率進行計算，通過潮流計算來對系統的運行方式進行確定，檢查系統中的各種元件的性能是否足夠，除此之外潮流計算還能為系統穩定計算以及繼電保護提供初值以及依據。短路電流計算能為合理確定電氣設備的型號提供依據。確定系統運行方式以及網架結構后，開展短路電流計算來對電氣設備進行合理選擇以及校驗，使用合適的熔體額定電流以及繼電保護整定值，這樣能確保發生故障時能在最短時間內將短路電流切斷，減少由于短路對系統造成的損失。要將短路電流限制在合適的水平，當短路電流比較大而需要對已有電氣設備進行更換時，此時就要采取措施以對短路電流進行限制。穩定性計算要根據要求來模擬、分析電力系統中不同故障情況，這樣才能明確電力系統不穩定問題的特征。穩定性計算以潮流計算為基礎，常見頻率穩定計算、電壓穩定計算等。通過穩定性計算能讓規劃人員了解到接入系統方案的各種參數是否滿足要求，這樣能方便其提出保障措施以及安穩策略。

無功補償能為感性負荷提供無功功率，能減少網絡元件對無功功率進行傳輸而引起的損耗，根據無功平衡進行無功補償裝置的分組容量以及總容量的確定。

6.方案比選

對各種接入方案進行比選，基于電氣計算結果從經濟性、適用性、可行性以及可靠性等對不同接入方案進行評估，選擇最優方案。

四、電力系統規劃設計的經驗

1.確定服務區域

按照分區規劃的原則來進行電力系統的規劃，對電網服務區域進行劃分，劃分為A、B、C、D 共計4 個區域，按照不同的標準來進行電網的規劃。將人均GPD 超過8萬元的區域、符合密度通常超過25MW/km2的區域以及高新科技工業園區、政治或經濟中心區納入A 類區域；將人均GDP 在3-8 萬元的區域、負荷密度介于8-25MW/km2的區域以及一般工業園區、對供電可靠性有一定要求的生產生活集中區列入B 類區域；將人均GDP 在1-3萬元的區域、負荷密度介于3-8MW/km2的區域以及高耗能園區、生產生活相對集中區列入C 類區域；將人均GDP 低于1 萬元的區域、負荷密度低于3MW/km2的區域以及農業經濟活動區列入D 類區域。劃分分區分級區域后，對供電面積、供電范圍等進行確定。

2.220kV 電網規劃

征地以及市政規劃都會對城市電網的建設帶來影響，因此多數城市變電站的建設均存在一些不確定因素，其建設周期相對更長，為了確保電力體制改革的市場化需要得以滿足，也保證負荷增長需求，進行220kV 電網的規劃時，要考慮適當進行變電容量的超前安排。要結合變電容量平衡以及網供負荷預測結果來進行變電站建設規劃。

3.110kV 電網規劃

當前的220kV 變電站是110kV 電網的依托，主要是采用單鏈、雙聯等網架結構模式來進行堅強的網絡。規劃中將110kV 電網整體做強，形成的目標網架要具有較強的互供能力，其網絡結構要清晰，供電要具有較高的可靠性。整體上看來，進行110kV 電網的電網規劃時，主要是要以新增220kV 變電站作為依托，增加站間110kV 線路通道，對電網結構予以完善，逐漸減少不標準的接線結構，形成的標準接線網絡要以鏈式為主。

4.35kV 電網規劃

近年來城市經濟社會發展迅速，35kV 電網主變容量通常不超過10MVA 每臺，同時10kV 出線間隔比較少，不能滿足城區的新增負荷需求。規劃時要采用異地新建的形式將以往的35kV 變電站代替。到十四五期間，此時110kV 變電站以及220kV 變電站已經建成投產，因此35kV 電壓等級將完全退出。

五、結語

電力體制改革的背景下，為了確保市場機制需要以及供電負荷需求得到滿足，進行電力系統的規劃設計時要結合當地的社會經濟發展需求以及產業結構的變化，迎合電能的市場需求來規劃設計。規劃設計時要以改造為輔，以新建為主，對規劃建設區進行重點配變建設，推進對線路結構形式的改造，與大型用戶、園區以及政府加強溝通，將桿線下地工程落實在城市電纜區，逐步推進電網的標準化建設。