大电网建设适应性评价内容与评价指标

2014-09-22刘连光陈艳伟王智冬马成廉

电力建设 2014年8期

刘连光，陈艳伟，王智冬，2，马成廉

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市102206;2.国网北京经济技术研究院，北京市102209)

0 引言

随着电力工业市场化改革的深入、电网规模的不断扩大以及电网外部环境约束条件的增加，电网与外部环境的相互协调发展问题日益突出［1-2］。随着经济与社会的快速发展，我国电网建设进入特高压、大电网时代，超特高压骨干网架的建设关系到未来数十年甚至上百年电网结构与规模的合理性。仍按照传统的主要考虑安全性和电网自身经济性评价指标［3-5］，对电网与能源资源、社会经济发展以及环境保护等外部环境之间的适应性考虑甚少的电网规划思路，将会使电网发展与电源发展、社会经济发展等外部环境协调性差，进而影响经济社会的发展。因此，研究建立大电网建设适应性的评价理论和方法体系，并与经济性、安全性共同构成大电网规划评价理论体系，对我国建设超特高压大规模电网(简称“大电网”)具有非常重要的意义。本文从“适应性”概念出发，在分析大电网自身特点及其影响因素的基础上，提出研究大电网建设适应性评价理论，旨在研究电网与能源、自然、技术等外部环境之间，以及包括超特高压电压等级在内的各电压等级内部之间的协调适应性。提出大电网建设适应性的评价内容体系，主要包括国民经济适应性、能源结构适应性、电网结构适应性和技术发展适应性。

1 评价内容构建依据

将国民经济适应性、能源结构适应性、电网结构适应性以及技术发展适应性作为大电网建设适应性评价体系的依据如下:

(1)国民经济发展的需要。由于电力工业是国民经济建设与发展的基础，一方面，如果电网的发展滞后于负荷的发展将严重制约国民经济的发展;另一方面，国民经济的发展也对大电网的建设产生很大的影响。电力需求与国民经济之间具有很强的正相关关系，相关系数达0.98以上［6］。大电网的建设在客观上要与国民经济的发展相适应，二者协调发展，才能保证国民经济的良好健康发展。因此，国民经济适应性应该被列入大电网建设适应性评价体系中。

(2)资源优化配置的需要。我国能源资源和负荷需求呈逆向分布，如图1所示，发电资源主要分布在西部，而负荷主要分布在东部沿海。为提高能源利用效率，保证国家能源安全，需要建设合适的电网以实现发电能源在全国范围内的优化配置［7-8］。

图1 我国能源资源和负荷分布图Fig.1 Energy resources and load distribution in China

(3)环境保护与节能减排的需要。随着社会对环保的要求日益增高，环境保护与节能减排成为未来电网建设中必须考虑和研究的问题。目前我国火力发电在电源构成上占主体地位，燃煤发电造成环境污染的问题日益突出。在未来社会发展中，需降低火力发电机组在电源结构中的占比，大力开发太阳能、风能等清洁能源，以解决目前污染严重的问题。太阳能、风能等清洁能源的布局与开发，对大电网的建设有很重要的作用。

综合(2)和(3)节所述，需要将能源结构适应性列入大电网适应性评价体系中。

(4)电网发展的需要。根据我国能源分布的特点以及未来能源发展的趋势，我国未来新增电源布局将会以西部、北部地区为主，而中东部地区为主要电力负荷区，导致我国电力输送距离进一步增加，跨省、跨区电力流需求进一步增大，需要构建坚强的、灵活的、合适的骨干网架，以解决电力流增大引起的输电通道潮流过重与短路电流水平超标问题。因此，电网结构适应性也是大电网建设中需要考虑的问题之一。

另外，在电网的发展历程中，科学技术始终起着支撑电网建设的作用，技术的发展对电网具有深远的影响，大电网的建设需要与当前科学技术相适应，技术要求达不到，则不能构建出安全、可靠的电网。例如，我国西北地区330kV电网的建设就是由于当时技术水平达不到，克服不了500kV电网设备的技术难题，而选择建立330kV等级电网，现在看来，330kV的电网建设给我国电网的管理以及电网互联带来了不利的影响。因此，技术发展适应性也是大电网建设适应性评价的重要内容之一。

2 大电网建设适应性评价指标

2.1 国民经济适应性评价指标

1980—2050年我国GDP增长趋势和用电量增长趋势如图2、3所示［9］，可见GDP增长率和用电量增长率变化趋势基本保持一致。另外，电力负荷的增加对大电网建设的变电容量也有直接影响。因此提出国民经济发展适应性的二级评价指标有电力平衡系数、电力生产弹性系数、容载比和容载增速比。

图2 我国经济总量及其增长率变化Fig.2 Economic aggregate and its growth rate in China

图3 我国用电量及其增长率变化Fig.3 Power consumption and its growth rate in China

电力平衡系数是指电力供给量与电力需求量之间的比值，表征电力供给与电力需求的适应程度，即电网是否出现缺电和窝电现象;电力生产弹性系数是指发电量的平均增长率与GDP平均增长率的比值，表征电网建设的发展速度与经济发展速度的适应程度;容载比是指某一区域、某一电压等级的变电总容量(kVA)与对应总负荷(kW)的比值，表征电网变电容量与负荷之间的匹配程度。容载增速比是指电网发展期间某一电压等级主变容量增长率与负荷增长率的比值，反映主变容量年均增长率与负荷年均增长率的相对快慢关系，该指标一定程度上可以反映变电容量与负荷增长的协调性。

2.2 能源结构适应性评价指标

在未来的几十年间，火力发电将仍然是我国能源的主力，只是占比有所下降［7］，需对煤炭资源进行优化配置，实现煤炭资源的高效、清洁、最优化利用。同时，由于各城市环境容量不同以及环境治理费用的差异，使得环境容许排放量成为各城市内火力发电厂建设的制约因素，对各城市的电源结构具有一定的影响［10-11］。再者，为保证能源安全和解决环境保护问题，提高新能源在电源结构中的比例也是大电网建设需要考虑的课题。由此提出能源结构适应性的二级评价指标有环境容许排放量、煤炭资源使用效率、新能源接纳能力、清洁能源占比和清洁能源跨区消纳占比。

其中，环境容许排放量是指某个地区环境所能允许排放污染物的最高限制，其决定了该地区新建火力发电厂的最大容量。

文献［12-14］指出，对煤炭资源的使用可以将西、北部的煤炭资源通过铁路、公路等运输至中、东部负荷区，并在负荷区就地建设火力发电厂，再通过发电厂发电运送到用户的方式;也可以通过在西、北部煤炭资源丰富区建设大型煤电基地，并通过特高压电网将电能运送到中、东部负荷区的方式。以铁路为主的煤炭运输方式不能实现煤炭大范围的优化配置，煤炭使用效率得不到保障，因此，电网与能源结构的适应性评价指标体系中也需包括煤炭资源使用效率评价指标。

新能源接纳能力［15］是指电网允许接纳新能源的装机容量，具体讲，是指包括新能源在内的所有电源与负荷保持电力平衡，所有运行电源均合理参与调峰，且满足电网安全可靠运行、变压器和线路不过载等约束条件下，此时电网能接纳新能源的最大装机容量，则为电网的新能源接纳能力，该指标可反映出规划电网对新能源接入的适应能力。

清洁能源占比是指太阳能、风能等清洁能源装机容量与总装机容量的比值，主要衡量清洁能源容量接入电网的情况。

清洁能源跨区消纳占比是指太阳能、风能等清洁能源通过特高压直流或交流通道外送容量与总装机容量的比值，反映大电网优化配置清洁能源的能力。

2.3 电网结构适应性评价指标

电网结构适应性包括电网与电源、电网内各电压等级间、电源与负荷3个方面的协调发展，其中，电网结构与电源之间的适应性表现为某一电网结构能够满足电源的接入和电力的送出;电网内部之间的适应性主要体现为各电压等级间的协调适应，各个电压等级变电能力相互匹配，可减轻电网的卡脖子现象，有利于电网的可持续发展;电网结构与负荷的适应性表现为电网最大限度地为用户提供优质、可靠的电能，并能够适应负荷在不同时段的波动。具体主要包括变机比、线机比、各电压等级供电能力配比适应程度、平均失电比率、电网所能承受的峰谷差等5个二级指标。

其中，变机比是指某电压等级公用降压变电容量与统调电源装机容量的比值，线机比是指某电压等级的输电线路长度与接入该电压等级的装机容量之比，二者结合起来反映电网与电源之间的协调程度。

不同电压等级间的适应协调程度可以利用各电压等级间的供电能力配比的适应程度来反映，各电压等级间的供电能力配比是指上级和下级变电站的总体实际变电容量的比值。

电网互联是构建大电网的重要表现，电网互联的可靠性可用失电比率来反映，失电比率是指某电压等级变电站发生故障后，不能被转带的总负荷与该电压等级变电站线路所带总负荷的比值，其反映电网转供负荷的能力，体现上下级电网间的互联紧密程度和协调适应程度［16］。

随着空调等用电设备的迅速增长，负荷峰谷差增大，需提高电网对负荷的适应能力，承受不同条件下的负荷峰谷差。电网所能承受的峰谷差是指电网所能承受的最大负荷和最小负荷之差，电网所能承受的峰谷差越大，说明电网的灵活性越强，适应负荷波动的能力越强［17］。

2.4 技术发展适应性评价指标

大电网的发展离不开科技创新，利用科技创新可以提高新能源上网比例，优化能源结构，同时也能促进电网节能减排，进一步提升电网安全稳定运行能力，对保障国家能源安全和国民经济稳定快速发展具有非常重要的意义。技术发展适应性评价指标主要包括特高压交/直流输电技术、大容量变压器技术、新能源并网控制技术、大容量储能技术等4个二级指标。

3 评价指标计算方法

3.1 国民经济适应性评价指标计算

3.1.1 电力平衡系数计算

电力平衡系数是指电力供给量与电力需求量之间的比值，其计算公式为

式中:λ表示电力平衡系数;D表示电力供给量，可以利用变电容量或者发电量表示;S表示电力需求量。我国电网电力平衡系数可以参照美国等发达国家电力平衡系数。

3.1.2 电力生产弹性系数计算

电力生产弹性系数是指发电量的平均增长率与GDP平均增长率的比值，其计算公式为

式中:P表示电力生产弹性系数;E表示发电量的年平均增长率;G表示GDP的年平均增长率。

3.1.3 容载比计算

容载比是指某一区域、某一电压等级的变电总容量与对应总负荷的比值，其计算公式为

式中:R表示容载比;K1表示负荷同时率;K2表示变电站的平均功率因数，在电网规划中一般要求变压器一次侧的功率因数达到0.95以上;K3表示变压器的安全运行率，一般取80% ～85%;K4表示负荷发展储备系数，其取值与负荷增长率直接相关。

3.1.4 容载增速比计算

容载增速比是指电网发展期间某一电压等级主变容量增长率与负荷增长率的比值，其计算公式为

式中:q表示容载增速比;S'表示某一电压等级主变容量年均增长率;D'表示统调最大负荷年均增长率。

3.2 能源结构适应性评价指标计算

3.2.1 环境容许排放量计算

环境容许排放量可按某城市单位国土面积1年允许排放污染物数量来衡量，其中，污染物主要以二氧化硫、二氧化碳为主。其计算公式如下:

式中:WA表示某城市单位面积污染物年容许排放量;WS表示该城市环境标准规定的污染物最大容许量;B表示环境背景值;K表示年净化率。

3.2.2 煤炭资源使用效率计算

文献［14］指出，煤炭资源使用效率可以通过生产单位电量消耗的热值来表示，对于铁路运输方式，其计算公式为

对于输电方式，其计算公式为

式中:h或he表示单位电量消耗热值;H表示煤炭的单位发热量;w表示铁路运输途耗率;c表示每km运输耗能;r0表示单位距离输电损耗率;L表示运输距离;f表示单位供电量煤炭损耗，指火电厂向系统供1 kW·h的电量所需要的煤炭量(折算后)。

3.2.3 新能源接纳能力计算

文献［17－18］指出，电网的新能源接纳能力主要由电网网架适应性和电网的调峰能力决定，并得出电网新能源接纳能力计算步骤如下:

(1)收集全网所有发电机组的运行工况、调峰特性及能力，找出典型日的最小开机方式及最小出力，计算出最大调峰量;

(2)考虑调度要求、调峰情况等边界条件，在保证电网安全约束、线路不过载等条件下，确定调峰裕度，校核最小开机方式和最小出力满足要求;

(3)以调峰裕度为基础，考虑新能源的反调峰作用和同时率，计算得出电网接纳新能源的能力。

3.2.4 清洁能源占比计算

清洁能源占比是指清洁能源装机容量占总装机容量的比值，其计算公式为

式中:F表示清洁能源占比;C表示太阳能、风能等清洁能源装机容量;Z表示总装机容量。

3.2.5 清洁能源跨区消纳比重计算

建设大电网能够有效提升清洁能源跨区域的优化配置，清洁能源跨区消纳比重能够很好地反映大电网优化配置清洁能源的能力，其计算模型如下

式中:P'表示清洁能源跨区消纳占比;Y表示受端电网消纳清洁能源的容量;Y总表示清洁能源总装机容量。

3.3 电网结构适应性评价指标计算

3.3.1 变机比、线机比计算

变机比、线机比的计算可通过各自定义计算得出，在此不再赘述。

3.3.2 各电压等级供电能力配比计算

各电压等级供电能力配比适应程度可反映各电压等级的变电容量的协调适应程度，其计算公式为

式中:R上表示上一电压等级的容载比;R下表示下一电压等级的容载比;Si表示上一电压等级变电站主变容量，m为该等级变电站主变数量;Sj表示上一电压等级变电站主变容量，n为该等级变电站主变数量。将计算所得的容载比与电力导则容载比推荐值进行比较，可分析出上、下电压等级的供电能力的协调适应程度。

3.3.3 平均失电比率计算

平均失电比率是指在统计期间某电压等级变电站故障后，不能被转带的平均负荷与该变电站线路所带总负荷的比值，其计算公式为

3.3.4 电网所能承受的峰谷差计算

电网所能承受的峰谷差是指电网所能承受的最大负荷和最小负荷之差。

(1)最大负荷模型。其目标函数为电网的最大供电负荷，约束条件为满足网络潮流方程，电源出力不越限和线路不过载。

式中:kmax表示电网的最大负荷倍数，即最大供电负荷与实际供电负荷之比;d表示实际供电负荷;g'、g、g″分别表示电源的出力下限、出力和出力上限;B表示节点导纳矩阵;θ表示节点电压相角;A表示节点支路关联矩阵;表示支路最大允许电压相角差。

对于一个正常电力系统，kmax满足kmax≥1，kmax越大，电网越能适应高的负荷水平，供电能力越强。

(2)最小负荷模型:

式中kmin表示电网的最小负荷倍数，即最小供电负荷与实际供电负荷之比。

显然，kmin满足 kmin≤1，kmin越小，对低谷负荷适应能力越强。

电网所能承受的峰谷差为

3.4 技术发展适应性评价指标计算

技术指标难以采用技术方法进行定量分析，可以采用专家打分法进行分析计算。对于每一个技术发展指标，通过匿名方式征询有关专家的意见，并对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观地综合多数专家经验与主观判断，经过多轮意见征询、反馈和调整后，对这些指标进行分析。

4 结论

(1)在社会经济高速发展、常规能源日渐枯竭和电网互联的新形势下，完善电网建设安全性评价指标、扩展经济性评价指标以及提出电网建设适应性评价指标是我国大电网建设的现实需求。其中，在适应性评价方面，本文提出将国民经济适应性、能源结构适应性、电网结构适应性、技术发展适应性作为评价大电网建设的适应性的评价内容，完善了大电网建设评价内容体系。

(2)给出了构建电网建设适应性评价内容及指标的理论与实践依据，提出了电力平衡系数、电力生产弹性系数等18个评价指标作为评价大电网建设适应性的指标体系，给出了适应性评价指标的计算方法。适应性评价指标体系的研究工作完善了大电网建设评价指标体系。

(3)在电力规划领域，首次将电网建设适应性评价提升到与安全性、经济性评价工作同等重要的高度，本文只提出了部分评价指标及评价指标的计算方法，大电网建设适应性评价的理论与算法涉及能源与电力系统，以及经济学、社会学等学科的很多基础理论，建立大电网建设适应性评价理论与评价方法的学术意义和实用价值巨大，后续将继续深入研究。

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