电网规划与电力设计对电网安全的作用探究

2024-05-17张延琪朱文迪

通信电源技术 2024年6期

张延琪，朱文迪

（1.山东格瑞德设计咨询有限公司章丘分公司，山东济南 250200；2.山东天祥电力设计院有限公司，山东济南 250000）

0 引言

电网规划涉及资源布局、设施选址、技术路线选择等多个层面，旨在构建一个既能满足负荷增长需求，又能有效防范运行风险的高效可靠电网结构。而电力设计则聚焦于具体电气设备和系统的细节设计，以最大限度地降低各类安全事故发生的可能性。因此，研究电网规划与电力设计如何协同发力，提升电网安全性能，不仅具有重要的理论价值，而且对指导未来电网建设和改造实践具有实际的意义。

1 电网规划和电力设计的概念

1.1 电网规划

电网规划是电力系统工程中的关键环节，即根据国家能源政策、地区经济发展战略、电力需求预测、电源建设布局以及地理环境等因素，对未来一段时间内的电力网络进行整体布局和设计的过程。电网规划涵盖输电网络、配电网络及变电站等设施的选址、规模确定、线路走向、电压等级选择等方面，其目标在于确保电能从发电端到负荷端的有效传输与分配，并满足未来经济社会发展对电力的需求。

1.2 电力设计

电力设计则是电网规划的具体化实施阶段，更侧重于工程技术层面的详细设计工作。在这一阶段，需要根据电网规划方案来确定具体电气设备的技术参数、选型、安装布置、运行方式以及保护配置等细节。电力设计不仅要满足当前和未来的供电需求，还要确保电力系统的稳定运行，预防并有效处理各种运行工况下的故障风险[1]。

2 电网规划和电力设计中的主要问题

2.1 导线断裂

2.1.1 设计与施工缺陷

一是导线材料选用不当，若选用的导线材料质量不佳，含有过多杂质，会导致导线的机械强度和耐腐蚀性降低；二是设计裕度不足，在设计阶段未充分考虑环境变化、机械应力变化、最大允许电流等因素，导致导线在极端条件下承载能力不足，从而发生断裂；三是施工安装不规范，如张力调整不合理、附件连接处理不当等，均会增加导线断裂的风险。

2.1.2 运行维护问题

一是过载运行，长期超负荷运行导致导线发热严重，加速导线老化，甚至直接因热膨胀超出极限而断线；二是外力破坏，如风振、雷击、异物撞击等外力作用，可能使导线承受超出设计能力的应力，从而引发断裂。

2.2 用电稳定性

在规划阶段，若未能准确预测区域负荷增长趋势，可能导致电网设施建设滞后于实际需求，或者过度投资导致资源浪费，进而影响供电质量和稳定性。如果电源分布不均衡，将导致局部电网供需矛盾突出，尤其是在负荷中心与电源距离较远的情况下，输电损耗增大，传输容量受限，影响供电可靠性。

3 电网规划对于电网安全运行的主要影响

3.1 科学规划电压规划等级

科学的电压等级规划对电网安全运行的影响主要体现在负荷匹配、传输效率、电压稳定性以及系统可靠性等方面。依据长期负荷预测数据，合理确定各级电压网络的供电范围和容量。通过对比不同电压等级下的负荷增长率与供电能力增长幅度，保证供电能力始终适度超前于负荷需求，对比结果如表1 所示。

表1 不同电压等级下的负荷增长率与供电能力增长幅度

对于110 kV 电压等级的电网，其年均负荷增长率约为3%，为应对这一负荷增长趋势，网络供电能力的增长幅度设计为5%；同样，在220 kV 电压等级上，负荷年均增长率为4%，电网规划中供电能力的增长率则设定为6%；对于330 kV 电压等级，负荷增速达到了5%，供电能力计划增长7%，以保证供需平衡和安全性。

可见，负荷增长率与网络供电能力增长率之间的差值在不同电压等级下保持相对稳定。这意味着电网规划与电力设计在保障供电能力的同时，需要充分考虑负荷增长的需求，确保电网的供电能力与负荷增长相匹配。

对于较高电压等级（如330 kV），负荷增长率和供电能力增长率均较高。在高压电网中，电力传输距离更远、容量更大，因此对电网的安全性和稳定性要求更高。在电网规划和电力设计过程中，需要更加注重提高高压电网的可靠性和适应性，以满足日益增长的电力需求。

3.2 确保电网规划安全

电网规划对于电网安全运行具有深远的影响，其中确保电网规划安全是至关重要的一环。电网规划安全性的保障直接关系到整个电力系统的稳定性、可靠性以及经济性。

首先，电网规划必须充分考虑电网的整体布局和结构。一个科学合理的电网布局可以有效降低线路故障和电能损耗的风险，提高电网的运行效率。在规划过程中，需要综合考虑电源分布、负荷需求、地形地貌等因素，确保电网结构优化且合理。

其次，电压等级的选择也是电网规划中确保安全的关键环节。电压等级的选择直接影响电网的输电能力、电能质量以及设备安全。因此，在规划过程中，需要根据实际情况和用电需求，选择合适的电压等级，避免出现过高或过低的电压导致电网故障或设备损坏。

再次，电网规划需要注重设备选择和配置。设备是电网安全运行的物质基础，选择合适的设备类型和配置方案可以有效降低电网故障率，提高电网的供电可靠性。在规划过程中，需要充分考虑设备的性能、可靠性、寿命以及维护成本等因素，确保设备的安全稳定运行。

最后，电网规划还需要考虑电网的扩展性和灵活性。随着电力需求的不断增长和新能源的接入，电网需要具备足够的扩展空间和灵活性，以适应未来发展的需要。因此，在规划过程中，需要预留一定的扩展余地，为电网的未来发展打下坚实基础。

3.3 加强电网负荷转移能力

在电网规划中，加强电网负荷转移能力是一个核心的技术要点，对于确保电网的安全运行具有至关重要的作用。负荷转移能力是在电网出现故障或异常情况时，能够迅速、有效地将负荷从一个区域或设备转移到另一个正常运行的区域或设备，从而确保电网的稳定供电。

首先，加强电网负荷转移能力有助于提高电网的供电可靠性。在电网运行过程中，不可避免地会出现设备故障、线路损坏等突发情况。如果电网具备强大的负荷转移能力，就可以在故障发生时迅速将负荷转移到其他正常运行的设备或线路，避免发生停电事故。

其次，加强电网负荷转移能力有助于优化电网资源配置。在电网规划中，通过合理的布局和结构设计，可以使电网在正常运行时能够充分利用设备资源，提高设备利用率。而在故障发生时，通过负荷转移可以将闲置的设备或线路充分利用起来，实现资源的最大化利用，提高电网的经济效益。

最后，加强电网负荷转移能力还要注重技术创新和应用。随着电力技术的不断发展，新的负荷转移技术和方法不断涌现。例如，通过应用智能调度系统、自动化控制技术等手段，可以实现对电网负荷的实时监测和精准控制，提高负荷转移的效率和准确性。同时，借助大数据分析、云计算等先进技术，对电网负荷进行预测和优化调度，进一步提高电网的供电可靠性和经济性。

在电网规划实践中，加强电网负荷转移能力需要综合考虑多种因素。例如，充分考虑电网的拓扑结构、设备性能以及运行参数等因素，制定合理的负荷转移策略。同时，加强电网与其他系统的协调配合，如与新能源接入系统、储能系统等的协同运行，实现电网的整体优化和稳定运行。

4 电力设计对于电网安全的主要影响

4.1 110 kV 电力设计要点

4.1.1 电气主接线设计与可靠性指标

N-1 安全性验证采用双电源或多重电源进线设计，经过严格计算和仿真验证，确保在失去任意一条供电线路时，其余线路能满足全部负荷需求。例如，110 kV 变电站经N-1 校核后，故障后剩余线路容量与总负荷的需求比为1.2，表明系统在单一线路故障情况下仍有20%的容量裕度。

采用电气主接线设计方案后，能确保110 kV 电力系统在遭遇单个元件故障时，仍能维持供电连续性和服务质量，这对于提高整个电网的安全运行水平具有重要意义。同时，这种设计兼顾经济效益和技术安全的原则，既满足负荷增长的需求，又能确保在各种异常工况下电网具备足够的弹性与韧性。

4.1.2 设备选型与性能指标

在110 kV 电力设计中，设备选型与性能指标对电网安全至关重要。选择具有较高制造质量和良好运行记录的品牌与型号，确保变压器、断路器、开关柜以及避雷器等主要设备的使用寿命长、故障率低，能够在严苛环境下稳定运行。设备的额定电压、额定电流、短路开断能力、热稳定性以及动稳定性等技术参数应与系统需求相匹配，确保设备在满载和极端工况下不会发生过热、损坏或功能失效。在满足安全要求的基础上，优先选用节能环保型产品，降低电网运行中的能耗损失和环境污染，提升电网的绿色可持续性。

4.1.3 继电保护配置与动作时间

继电保护是电力系统安全的重要防线，其配置合理性直接影响电网的安全运行。根据电网结构、运行方式以及故障特性，合理配置继电保护装置，覆盖所有可能发生的故障类型，确保保护的全面性。同时，设置恰当的整定值，确保保护在故障发生时能快速准确动作，不致误动或拒动。设计时应确保保护的选择性，即当系统某一部位发生故障时仅切除故障元件，不影响其他正常运行部分。同时，动作时间要尽可能快，以限制故障范围和减少设备损坏。

4.1.4 负荷预测与供电裕度

负荷预测与供电能力匹配，基于历年负荷增长趋势和未来发展规划，设计变压器容量满足未来负荷需求，并留有一定裕度。例如，当前实际负荷为100 MW，预测5 年后负荷将达到120 MW，因此设计变压器容量为150 MW，预留30%的裕度[2]。

4.2 220 kV 电力设计要点

4.2.1 电气主接线设计

在220 kV 电力设计中，电气主接线设计扮演着核心角色，致力于确保电网运行的稳定性和安全性。设计时强调冗余性和灵活性，采用双母线、多回路进线或其他高级接线方式，以满足N-1 及以上级别的可靠性要求。主接线不仅要适应当前负荷需求，还要预见未来电网扩容和接入新能源的情况，确保在单个元件故障时，其他元件能够无缝接手负荷，避免大面积停电[3]。

4.2.2 继电保护与自动化系统

继电保护和自动化系统构成了电网安全的重要防线。在220 kV 电力设计中，继电保护配置须细致入微，确保各类故障能够被迅速、准确识别并切除，同时保持高度的选择性和灵敏性，避免越级跳闸和拒动，有效阻止故障扩散。此外，高度集成的自动化系统，如数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、能源管理系统（Energy management system，EMS）等，实时监测电网状态并快速响应故障，提高电力系统的稳定性和可操控性。智能变电站技术的应用实现了多种功能的高度整合，增强了电网管理的智能化程度，提升了整体安全性能[4]。

4.2.3 过电压防护与接地系统

在220 kV 电力设计中，过电压防护与接地系统的规划和设计同样至关重要。过电压防护旨在防止雷击、操作过电压、暂态过电压等对电网设备造成损害，通过合理配置避雷器、阻波器及其他防护设备，确保在过电压事件中设备能够得到有效保护。接地系统设计则是为了提供安全的故障电流通道，降低接地故障时的接触电压和跨步电压，减少触电危险，同时保证电网在故障状态下的快速切除与恢复正常运行[5]。