電網規劃與電力設計對電網安全的價值

王淑玲，劉曉燕，李 鑫

（山東魯中電力工程設計有限公司，山東 濟南 250100）

0 引 言

電力規劃與電力設計作為電網運行安全的重要影響因素，主要涉及電網負荷規劃、電壓等級規劃、電網控制系統、電網結構設計、電力設備選型以及繼電保護系統等內容。在市場用電需求增加的背景下，電力規劃與電力設計的問題逐漸涌現，改進電力規劃與電力設計成為社會各方關注點。在實際改進階段，部分人員對電網規劃與電力設計對電網安全的價值的認知不全面，導致電網規劃與電力設計的效果不佳。因此，探究電網安全視角下電網規劃與電力設計的價值因素、常見問題以及保障措施尤為重要。

1 電網安全下電網規劃與電力設計的價值因素

1.1 電網規劃對電網安全的價值因素

1.1.1 電網負荷規劃

電網負荷規劃主要指以電力需求變化為依據，合理調配與分配電力資源，從而滿足不同用戶、不同時段以及不同地區的用電需求。電網負荷規劃的合理性對電網的穩定運行具有直接影響，能夠有效降低電網事故風險，提高供電質量與可靠性。一般而言，電網負荷規劃需以前瞻性為原則，預測未來特定時段內的電網負荷，并以預測結果為依據制定電網建設、改造以及升級計劃，以規避電網設備欠載或過載運行風險，保障電網運行安全性。如果電網負荷規劃不合理，則會直接影響電網正常運行。以某地為例，該地區夏季電網負荷可達1.2×108kW·h，同比增加約8%，但是電網負荷規劃不合理，電網輸電容量僅為1.1×108kW·h，同比增加約5%。此時電網負荷超輸電容量9%，超出規定安全范圍，增加電力系統大面積停電風險，無法保障電力系統的穩定運行[1]。

1.1.2 電壓等級規劃

電壓等級作為電能質量的衡量指標之一，對電網運行的可靠性、安全性以及穩定性具有直接影響，因此電壓等級規劃是電網規劃的重要工作。現階段，我國電網電壓等級主要包括500 kV、330 kV、35 kV、110 kV 以及220 kV，各電壓等級線路的輸電能力與輸電距離有明顯差異。合理規劃電壓等級，保障在某電壓等級線路故障階段，其余電壓等級線路能夠分擔故障線路負荷，規避電壓過快下降問題，保障電網運行安全，是實現電壓波動降低與電網穩定運行的重要手段。此外，從系統保護的角度出發，電壓等級越高，相應的系統保護功能越完善。例如，220 kV 以上線路多選擇斷路器展開保護，能夠達到快速切斷故障線路的效果；而500 V 以下低壓線路，多選擇漏電保護器或熔斷器展開保護。電壓等級規劃能夠通過規劃控制電壓等級，采取適當的保護方法，維護電網運行安全[2]。

1.1.3 電網控制系統

電網控制系統主要包括數據采集監控系統、自動發電控制系統以及自動電壓控制系統等，是現階段電網安全運行的重要基礎。數據采集監控系統能夠對電網運行狀態展開實時監控，為遠程控制與調度電網提供條件。數據采集監控系統能夠采集電網頻率、電流以及電壓等數據，并展開信息分析與處理，為調度工作提供數據支持。在電網故障階段，如設備異常、線路跳閘等，數據采集監控系統能夠監測異常情況，展開異常預警，落實開關分合、發電機出力調整等操作，提高故障處理或風險處理效率。自動發電控制系統則能調整發電機出力，自動調節系統頻率和電壓，保障電力系統電壓與頻率的穩定性，維護電網運行安全。自動電壓控制系統能夠調整無功補償設備投切，自動調節系統電壓，保障系統電壓穩定性。

1.2 電力設計對電網安全的價值因素

1.2.1 電網結構設計

電網結構設計是電網穩定性與安全性的重要影響因素。現階段，電網拓撲結構在電力系統維護、運行、規劃以及設計層面具有重要價值，主要指電力系統中輸電線路、發電機以及變壓器等電氣設備間的連接關系。目前，電網拓撲結構主要涉及混合結構、鏈式結構、輻射結構以及環網結構等。其中，環網結構具有電網穩定性高、故障恢復快等優勢，但建設成本相對較高。輻射結構與鏈式結構較為簡單，具有建設成本低的優勢，但穩定性相對較弱。混合結構具有輻射結構與環網結構的優勢，但建設成本偏高。因此，電網拓撲結構選擇需以建設成本、穩定性以及安全性等為指標綜合考量。此外，合理優質的電網結構設計還能有效增強電網系統對人為風險、自然災害風險以及設備故障風險的抵御能力，提升電網運行的適應性、靈活性以及安全性。例如，合理設計電網拓撲結構，能夠優化電網節點數、環路數、導線截面以及線路長度等參數，增強對電網短路電流水平的控制力，減少電網設備熱穩定與過載問題，在保障電網運行安全的同時提高電網輸送效率[3]。

1.2.2 電力設備選型

電力設備選型作為電力設計的重要工作內容，不僅影響電力系統的經濟性與運行效率，而且直接影響電網運行的安全性與穩定性。一般而言，在設備選型階段，工作人員會以設備額定電流、額定電壓以及短路容量等技術性能參數為依據，同時參考設備采購成本和運維成本等經濟性元素，選擇最佳電力設備。如果電力設備額定電流過大，則會增加設備過熱風險，易引發火災。如果設備額定電壓過低，則會影響設備正常運行，從而影響電網運行穩定。設備初期投入雖然大，但是運行效率與維護成本偏低，從長遠上看能有效縮減后期運營維運成本。

1.2.3 繼電保護系統

繼電保護系統作為電力系統的重要構成，能夠實時監測電網運行狀態，精準識別與隔離故障區域，保障非故障區域的穩定運行。相關人員一般會以設備特性、短路電流大小以及電網電壓等級為依據設計繼電保護系統。電壓等級越高，繼電保護系統越復雜。此外，繼電保護系統主要由軟件部分與硬件部分構成。其中，軟件部分涉及人機界面、保護算法以及通信協議等，硬件部分涉及開關設備、保護設備以及合并單元等。合理配置硬軟件能夠加快繼電保護系統的反應速度，及時控制風險，保障性能與安全性處于平衡狀態。

2 電網安全下電網規劃與電力設計的常見問題

以S 市電網為例，截至2023 年底，S 市電網擁有職工共計225 名，職能部門10 個，供電所10 個，市內220 kV 變電站共計3 座，110 kV 變電站共計15 座，35 kV 變電站共計5 座，其中220 kV 變電站變電總容量約為700 MVA，110 kV 變電總容量約為1 215 MVA，35 kV 變電總容量約為100 MVA。從電網安全的角度出發，S 市電網電力設計與電網規劃的常見問題主要表現在3 個方面。

2.1 電力設備選型不合理

電力設備選型不合理是我國部分地區電網的常見問題，也是S 市電網的突出性問題，主要原因如下。一方面，在電網規劃與電力設計階段，S 市電網工作人員未從使用年限、用電變化等角度出發選擇電力設備，過度負荷等因素導致S 市電網部分設備的實際使用年限偏短，進而對電網的穩定與安全產生影響。另一方面，在城市發展的環境下，S 市電力能源的市場需求量明顯提升，而S 市電網受成本等因素限制，并未及時更換適應性更強的電力設備，導致電力設備處于長期超負荷運行的狀態，增加電力設備故障的風險，電力設備的維護檢查難度也有所增加，給電網帶來較大安全隱患。

2.2 電網負荷規劃不科學

S 市電網中的電網規劃與電力設計主要依賴人工經驗，在電網規劃與電力設計階段并未合理充分地開展城市基礎數據調查活動，導致S 市電網變電站和變壓器等電力設備的位置選擇隨意性偏高，存在電力設備過度集中或松散的情況，電網運行面臨負荷壓力偏大的問題，增加電網安全風險。特別是在S 市社會經濟不斷發展的背景下，電力需求提升，電力設備無法滿足電力需求和電力資源分配不合理問題日益凸顯，部分地區面臨缺電等問題，不僅影響居民日常生活，還對電力設備使用年限與電網整體安全產生較大威脅。

2.3 電網控制系統流于形式

現階段，電網控制系統成為電網規劃的重要內容。受建設時期技術等因素影響，S 市的電網控制系統與電網規劃、電力設計的緊密度偏低，導致電力控制系統的實際效用難以發揮。S 市電網相關工作執行以人工操作為主，如電網運行狀態監控、電網頻率數據采集、電流數據采集、電壓數據采集、開關分合、發電機出力調整以及故障排查與處理等，無法及時開展故障處理等工作，給電網安全帶來隱患。

3 電網安全視角下電網規劃與電力設計的實踐措施

3.1 電壓等級規劃優化

在電網覆蓋內，各區域的用電需求有所差異，如果供電電壓與實際需求不符，則會出現電力浪費或電力設備損壞等問題，進而影響電網安全。因此，在電網規劃與電力設計階段需要實施以下流程。首先，調查電網覆蓋范圍內各區域的電壓需求，并以此為依據劃定各區域電壓等級；其次，結合客觀需求，在區域范圍內配置變電站；再次，以用電需求為依據，調整各區域電壓等級，以滿足區域用電需求，減少電力能源損耗；最后，相關工作人員需標明變電站與次級變電站位置，用電需求偏大的區域選擇變電站，需求偏少的區域則選擇次級變電站，保障變電站設置的合理性，從整體上科學地劃分電壓等級，促進電網的穩定與安全運行[4]。

3.2 電力設備選型調整

電力設備是電網規劃與電力設計的重要工作內容，也是S 市電網電力設計與電網規劃的優化重點。在電力設備選定階段，需要注意兩方面內容：一方面，在電力設備選擇規劃階段，相關工作人員需以電力設備質量性能、功耗、實際用電需求以及采購與運維成本等為依據，選擇性價比高的電力設備，以規避設備能源消耗過高和成本過大等問題；另一方面，在電力設備維護階段，相關工作人員需制定電力設備故障預防與應急處理機制，指導相關人員依據監測裝置、斷路器等控制電力設備運行狀態，提高電力設備故障處理效率，保障電網運行安全。

3.3 電網控制系統

優化電網控制系統是電網規劃與電力設計優化的重點，能夠實現電網安全控制的智能化，及時處理電網運行隱患和故障。以電力安全為導向，優化電力控制系統，主要采取以下措施。一方面，有效使用故障監測系統。故障監測系統的主要作用是實時監測電網運行狀態。在電網正常運行階段，故障監測系統會將電網運行數據實時上傳至中心管理平臺；在電網出現故障時，故障監測系統會抓取變動偏大的運行數據，并發出提醒。相關工作人員以中心管理平臺為媒介，了解電網運行狀態與異常數據，分析故障因素，進而采取相應的手段排除故障，保障電網運行安全。另一方面，有效使用供電管理系統。供電管理系統主要用于監測用戶用電需求與設備運行狀態，實時動態調整電力資源，確保電力能源合理有效分配至用戶，在保障電網運行效率的同時，緩解電網負荷過大等風險[5]。

4 結 論

為保障電網安全性，在落實電網規劃與電力設計時，應當明確電網規劃與電力設計中對電力安全具有影響的價值因素，包括電力設備選型、電網負荷規劃以及電網控制系統等。以電力安全為導向，明確找出電網規劃與電力設計中的實際問題，并落實相應改進措施，從而提升電力規劃與電力設計的科學性。