大型城市电网主配协同规划方法研究

郭 挺，郭子轩，董 红，朱志芳，高艳娜，程 志

(广东电网有限责任公司 广州供电局，广州 510620)

0 引言

协同规划的思想起源于20世纪70年代的协同论，主要研究不同事物的共同特征及协同机理，着重探讨各种系统从无序变为有序的相似性[1]。随后，我国学者陆续将协同规划的相关理论引入并应用于城市规划学科领域[2-3]。在电力行业领域，文献[4]基于计算机支持的协同工作理论框架，开发了城市电网上下级协同负荷预测系统。文献[5]提出了配网一次网架与信息系统协同规划模型和方法。文献[6]提出了主动配电网拓扑结构和配电网主动元素协同规划的方法。近年来，协同规划的思想和方法逐步被应用于综合能源系统的规划和运行[7-8]。本文侧重于研究主配网不同电压层级之间，涵盖规划建设过程中“自下而上”负荷预测、规划项目方案优先、工程项目前期评审三个阶段的协同规划方法。

参照《城市电力网规划设计导则》(Q/GDW 156—2006)规定：“输电电压为220 kV及以上，高压配电电压为110 kV，63 kV，35 kV，中压配电电压为20 kV，10 kV，低压配电电压为380/220 V”。根据广州供电局目前规划工作管理界面划分，主网规划管理范围包含110 kV及以上电网，配网规划管理范围包含20 kV及以下电网。本文提到的“主配协同规划”范畴包含220 kV输电网与110 kV高压配电网、110 kV高压配电网与10 kV中压配电网、220 kV输电网与20 kV中压配电网之间的协同。

本文以广州电网规划实际工作为基础，提出了主配协同开展“自下而上”负荷预测的方法；为提高110 kV，220 kV站点规划水平年负荷预测精度，提出了10 kV出线调整负荷项目决策方法，提出110 kV电网“3T”接线运行方式安排优化模型；针对拟解决问题的程度、可实施性、工期、投资规模、近远期适应性等不同因素，提出不同电压层级规划项目优选和决策方法；在项目方案工程审查阶段，提出主网专业之间、主网与配网专业之间协同联动的要素和方法，提升项目方案技术经济合理性。

1 研究背景

2013年以来，广州电网负荷保持年均6.5%的高速增长，其中，受气温偏高等因素影响，2017年和2019年供电负荷增长率更是分别达到11.7%和14.1%。随着广州建设“粤港澳大湾区核心引擎”“国家中心城市”进程的不断深化推进，电网建设难度不断增大，特别是中心城区输变电项目从开展前期工作到项目投产周期不断增长，110 kV输变电项目一般3～5年，220 kV输变电项目一般6～10年。在有限的电网投资建设能力约束下，广州电网负荷高速发展,建设难度不断增大，导致过渡年份局部电网重过载、不满足“N-1”等风险点存量和增量问题化解困难，且重过载和轻载问题交织并存。如何在有限的资源条件下，科学合理地开展规划年负荷预测、优选规划方案、高质高效组织项目评审，给广州电网规划工作提出更高要求。

目前，广州电网规划工作的组织和开展存在以下几个方面的问题。

1)负荷预测主配网协同不足，导致站点预测结果精度不高，直接影响规划决策的合理性。在宏观层面，结合经济发展趋势，全市最高负荷预测误差一般可控制在2%～3%左右，但是在微观层面，各110 kV主变和220 kV站点负荷预测误差较难控制，容易导致不满足“N-1”站点和线路预判不足。其主要原因：一是配网规划单位(各区局)对10 kV(含20 kV)及以下负荷报装信息的实用系数和释放过程较难把控，缺乏有效指引；二是配网规划单位(各区局)难以站在主网角度对新建和扩建110 kV项目10 kV出线调整近区负荷方案进行统筹优化，导致不满足“N-1”(含重载)和轻载问题并存，且站间10 kV出线调整负荷规模规划统筹不足；三是规划水平年考虑新增输变电工程接入对110 kV“3T”网架结构影响较大，同时“3T”接线模式运行方式安排存在多样性，使运行方式安排预判不足导致上级220 kV站点负荷准确性受影响。

2)不同电压层级规划项目统筹考虑不足，可能导致电网问题解决不及时或者资源浪费。对于解决某项电网问题，是从本电压层级通过新建或者扩建解决，还是从低一电压层级通过出线优化调整负荷解决，目前尚无相关规划技术原则供参考。不同电压层级项目实施难度、项目工期、投资规模及解决问题的程度均各有自身特点，需要针对具体问题统筹决策、协同考虑。另外由于主配网工程实施和管理主体不同，管理层面统筹决策难度较大。

3)主配网工程项目前期审查联动不足，次优方案可能导致资源浪费。输变电工程建设难度日趋成为规划方案落地的重要制约因素，工程项目前期可研方案审查充分融合了变电、输电线路、调度运行、造价等各专业的反馈意见，是对规划方案的进一步细化和确认。在该阶段容易出现以下几个方面的问题：一是对于出线走廊资源紧张的站点，由于不同电压等级出线工程方案审查时间先后不同以及参与方不同，可能造成因协同不足导致后续工程出线受阻情况；二是规划方案未能充分根据线路实际路径走向信息、实施难度信息，以及投资造价反馈信息进行优化调整，可能导致投资和工期的浪费。

本文将针对以上问题，从规划源头的负荷预测组织和开展、规划方案制定和优选、工程项目方案审查落实这三个重要过程阶段在主配协同规划方面进行探索和论述。

2 主配协同开展“自下而上”负荷预测

2.1 存量和增量负荷预测

对于存量负荷部分，主要考虑负荷自然释放因素导致的增长。建议参照该站所在行政区负荷发展较为成熟区域近3～5年负荷平均增长率取值。

对于增量负荷部分，主要考虑负荷报装因素导致的增长。根据报装负荷的容量和不同类型，参照对广州市近3～5年不同类别报装负荷实用系数和释放系数统计分析值确定。广州地区典型负荷实用系数和释放系数[9]如表1、表2所示。

存量负荷预测值=上一年最高负荷值×(1+自然增长率)，

增量负荷预测值=报装容量×实用系数×负荷释放系数.

考虑到各区局市场营销口径掌握的报装负荷多为近期报装信息，一般展望至未来1～3年。对于规划水平年4～10年期间，可在全市负荷发展宏观增长趋势的基础上，结合站点近区发展规划情况，通过适当增加各站点负荷自然增长率预测得出。

表1 广州地区典型负荷实用系数

表2 广州地区典型负荷释放系数

注：广州地区第一产业占比小，本研究主要针对第二产业、第三产业以及居民用户。

2.2 10 kV出线调整近区负荷项目决策方法

在110 kV主变存量和增量负荷预测结果的基础上，对各主变下送负载率情况进行评估。对于110 kV变电站存在不满足“N-1”问题，充分考虑10 kV配网项目与110 kV主网项目的协同，同时兼顾解决主变轻载、负载不均衡问题。本文提出的10 kV出线调整近区负荷项目的决策流程方法如下：对于不满足“N-1”控制要求的，参照已有规划项目库，若近期2年内有扩建计划的，可暂不考虑新增10 kV出线调整该站负荷；若扩建计划超过3年或者无扩建计划的，需考虑近区现状站点或规划站点工程新增10 kV出线调整该站负荷，若近区站点无调整空间，需要考虑增加新建或扩建项目纳入规划项目库。在规划阶段，需要参照中压配电网网格化规划的相关要求，对新增10 kV出线调整负荷的中压配电网项目的可实施性、调整负荷规模、投资估算等进行必要摸查，并在负荷预测结果中对于“调入”“调出”负荷后的效果进行评估。对于调整负荷后仍然不满足“N-1”控制要求的站点，需要统筹考虑增加新建或者扩建项目纳入规划项目库。

根据广州电网规划实际经验，10 kV出线调整近区负荷一般参照以下原则：

1)对调整负荷规模需精细评估，具体落实到10 kV馈线，总体要求做到“不过调、不欠调、及时调”。

2)远近结合，能与被调站点近区110 kV电网新建/扩建工程相衔接，确保解决110 kV站点问题的同时不导致措施反复。

3)在解决重过载、不满足“N-1”问题的同时，统筹考虑解决轻载、主变负载不均衡问题，互济余缺、充分挖潜，提升电网设备利用效率。

2.3 建立110 kV“3T”接线运行方式安排优化模型

规划年110 kV电网“3T”接线运行方式安排主要参照以下基本原则：

1)上一级220 kV变电站主变负载率尽量均衡。220 kV变电站不满足“N-1”、轻载数量和程度均尽可能控制在较低水平；

2)每座110 kV变电站不同主变电源线宜尽量来自不同的220 kV变电站，降低110 kV变电站由于上级电源故障导致全停的风险。

3)110 kV线路负载率应满足正常方式和线路“N-1”方式下不过载。

4)对于含母线的非典型“3T”接线的结构，宜让每条110 kV电源线所带主变数量(一般不超过3台)、负荷规模尽量均衡(满足线路“N-1”)。

(1)

式中：NH，NL分别为220 kV变电站不满足“N-1”、轻载座数；NS220为220 kV变电站座数；NS110，NL110分别为110 kV变电站座数、110 kV线路条数；NL3，NL2分别为具备3路、2路电源的110 kV变电站座数；Sk为按此方式安排后第k座110 kV变电站不同上级电源数；LLn，LLf分别为110 kV线路正常方式、“N-1”方式下的负载率；LS，LSH，LSL，LSf分别为220 kV变电站正常方式下负载率、“N-1”负载率控制值、轻载负载率控制值、“N-1”故障下剩余主变实际负载率；K为220 kV主变过载倍数(一般取1.2)；λ1至λ6为权重系数，一般λ1>λ2，λ3>λ4，不满足“N-1”的安全性指标高于表征轻载的效率性指标，可靠性指标权重λ5，λ6表征110 kV变电站全停的风险，在电网优化营商环境要求越来越高的背景下，一般建议适当取高值。

3 不同电压层级规划项目优选方法

3.1 拟解决问题分类

针对主配网项目解决问题属性进行分类，并针对问题制定主、配网规划项目，对各类别项目开展重要程度评估，得到重点项目排序清单，形成不同电压层级规划项目库，具体拟解决问题分类和重要程度评估情况如表3所示。

表3 主、配网项目分类表

3.2 不同电压层级项目优选方法

在重点规划项目库的基础上，需要对主网项目和配网项目进行统筹考虑、科学优选决策，达到整体提升电网解决问题效率的目的。根据实际，高一电压层级电网问题，若急迫性高短期内不易解决，或者投资大导致实施后整体效率不高，则需要考虑启动低一电压层级规划措施研究，并根据不同电压层级项目解决问题的程度、可实施性、工期、投资规模、近远期适应性等方面进行综合对比判断决策。低一电压层级电网问题需要高一电压层级电网规划项目解决的情况较少，暂不讨论。不同电压层级规划项目比选和决策流程方法如图2所示。

不同电压层级项目优选的总体思路和原则为：若本电压层级难以找到满足工期和投资要求的项目，则需要启动低电压层级规划项目的研究；若低电压层级同样难以找到满足工期和投资要求的项目，则需要考虑根据实际情况适当调整工期要求和投资标准(该类项目一般为中心城区项目，实施难度和投资均较大)；若本电压和低电压层级项目均能满足工期和投资要求，则需要从解决问题的程度、可实施性、工期、投资规模、近远期适应性等方面进行综合考量，近期一般选择“易实施、工期短、低成本”的解决方案，中长期一般选择“成效显著、适应性强”的根本性解决方案。

4 专业联动高效组织主配网项目评审

4.1 主网不同专业间协同联动

主网工程项目评审是对规划项目方案进一步优化确认的关键环节，是对规划方案前期阶段未考虑到的各种影响因素的进一步完善和细化。规划方案制定过程中虽然对网架结构、潮流及短路电流、近远期适应性、总体可实施性及经济性等宏观层面有较好的决策判断，但是在工程具体实施细节、变电及线路方案的不确定性等方面的把控深度存在一定不足，需要在工程项目评审阶段进行确认。在大型城市电网规划建设过程中，由于项目可实施性、变电及线路方案的不确定性等因素影响规划方案的情况时有发生，因此，在工程项目评审阶段根据各个专业的意见反馈重新审视规划方案的科学合理性显得尤为重要。其中输电线路专业、变电专业、造价专业的意见反馈是重点。主网工程项目评审阶段，系统规划专业关注的重点如下。

(1)输电线路专业方面：线路路径、敷设方式、线路载流量、电缆终端塔(场)设置、可实施性及工期等。

(2)变电专业方面：站址位置和条件、出线间隔数量和排列、T节点位置设置、无功补偿设备布置、设备参数选型等。

(3)造价专业方面：不同技术方案的投资对比，特别是新技术、新设备的投资造价情况。

4.2 主配网之间协同联动

由于主、配网项目工程审查的管理单位、实施单位、设计单位的不同，审查会议安排的时间和空间均存在差异，因此，主、配网工程的衔接容易因联动不足而导致资源浪费。为避免主配网专业联动不足情况的发生，广州电网主配网工程审查协同在以下几个方面进行了探索：

(1)在主网输变电工程可研中考虑10 kV方案。应结合项目投产前后的供电分区调整情况，对优化近区上一电压等级站点负载率的10 kV出线调整负荷的供电方案等进行校核。

(2)主网工程中关注10 kV出线走廊。在主网工程评审阶段，结合出线走廊资源条件，必要时通过技术优化调整，为10 kV出线提供预留空间。

(3)区局配网规划人员需参与主网可研评审。在主网评审阶段，区局配网规划人员需提前规划配套10 kV出线供电方案及线路路径方案。

(4)主网规划人员需参与配网规划、可研评审。主网规划相关人员要充分发挥主观能动性，加强主配网规划统筹，充分关注变电站配套10 kV出线调荷项目，以及同一站点主配网出线工程建设时序一致性。

(5)设计单位需主动协调好主配网专业接口。主网设计单位应将该站的10 kV出线廊道方案征询各区局配网规划人员意见，在设计阶段主动做好衔接。

5 结论与展望

本文以广州电网规划实际工作为基础，针对电网规划开展过程中遇到的主配网协同不足的问题，提出了主配协同开展“自下而上”负荷预测的方法，不同电压层级规划项目优选方法，专业联动高效组织主配网项目评审的方法，并在编制广州电网规划工作中实际开展运用，结果表明：

(1)负荷密集的大型城市电网，电网建设难度不断增大，统筹主配网不同电压等级之间的规划协同，对于高效解决近远期电网面临的问题是有效手段之一。

(2)考虑存量和增量负荷的合理预测值、10 kV出线调整近区负荷决策方法、110 kV电网“3T”接线运行方案安排优化模型，为提高110 kV，220 kV站点规划水平年负荷预测精度，为规划决策的合理性提供基础保证。

(3)从解决问题的程度、可实施性、工期、投资规模、近远期适应性等方面进行综合考量，近期一般选择“易实施、工期短、低成本”的解决方案，中长期一般选择“成效显著、适应性强”的根本解决方案，能够有效提升不同时期、不同阶段解决电网问题的整体效率。

(4)关注工程项目评审中主网不同专业之间、主配网专业之间的协同，可有效防止由于协同联动不足导致资源浪费，是对规划项目方案进一步优化确认的关键环节。

负荷密集的大型城市电网，电网建设难度不断增大，在满足负荷增长和电网安全要求的前提下，如何协调不同电压层级的资源优势，提升电网整体效益是电网规划需要研究的重要方向。本文提出的方法和措施的实施效果，主要还是依赖于规划人员的水平和经验进行判断和决策，如何推进主配协同规划关键方法的自动化、智能化决策，是下一步需要深入研究的方向。