[科普中国]-最大供电能力

简介

配电系统是联系用户和发输电系统的纽带，是保证可靠供电的重要环节。配电系统的安全、经济、可靠运行，直接影响到人民生活水平质量的提高、城市经济的发展以及投资环境的优化。因此安全、可靠、经济应该作为配电系统的主要关注点。输电系统中经典的可靠性、安全性和经济性指标直接反映了上述关注点:输电系统的最大输电能力(Total Transfer Capability, TTC)是指电力系统在满足一定的安全稳定约束条件下可传输的最大功率，它是输电网安全与效率博弈平衡的指标。TTC指标族及其相关理论研究成果众多，在输电系统中己大量应。本文提出的配电网最大供电能力是与输电系统相对应的指标。配电网最大供电能力(Total Supply Capability, TSC), TSC是一定供电区域内配电网满足N-1安全准则条件以及各种实际运行约束下的最大负荷供应能力。同TTC类似，TSC给出了配电网在安全可靠运行范围内的效率和经济性最高的工作点2。

TTC的定义是基于对电力系统的安全性的研究，电力系统的安全性是指电力系统在运行中承受突然扰动(如短路或系统中元件意外退出运行等)的能力电力系统安全性在配电网中主要体现在配电网的N-1安全性中，因此TSC的研究应主要基于配电网的N-1安全性研究。配电网的N-1安全性是指正常的运行方式下，电力系统中的某一元件:如线路或变压器等，因故障断开后，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，并且其他元件不出现过负荷、过电压并且频率也在允许范围内。

供电能力对于配电系统的重要作用等同于输电能力对于输电系统的作用，但供电能力理论研究才刚刚开始，成果远不能与输电能力相比。其原因除了由于过去长期以来配电的受重视程度相对输电较弱以外，还存在着某些技术原因:在过去，我国城市配电网虽己普遍实现了联络，互联网架结构提供了负荷在变电站间转移的通道，但大部分中压网络的自动化程度仍较低，网络开关操作耗时常超过半小时;而变电站普遍具有综合自动化系统，一旦发生主变N-1，负荷能快速切换到站内其它主变。中压网络转带负荷与变电站内部转带的负荷从时间上是无法比拟的，因此在实际运行中，当发生主变故障时一般只考虑站内主变压器间的负荷切换，而不通过中压网络在变电站之间转带负荷。

最大供电能力的定义配电网最大供电能力(Total Supply Capability, TSC)的定义为:配电网中所有馈线N-1校验和变电站主变N-1校验均满足时，该配电网所能带的最大负荷。N-1时要考虑主变和馈线间的负荷转带、主变和馈线的容量、网络中主变间以及馈线间的联络关系等配电网实际运行约束。除了配电网总体TSC外，TSC模型和计算还需给出达到TSC时，各主变和馈线的负荷。

配电系统最大供电能力(Total Supply Capability, TSC)与输电系统输电能力(Total Transfer Capability, TTC)是相互对应的，TSC是现有电网的最大负荷供应量，即是使现有电网的资产利用率达到最高的工作点，当前工作点与供电能力的比较可体现出现有电网的效率，以及未来的负荷供应潜力，TSC的含义不仅包括此时的网络的最大供应负荷，还包括在此工作点下，负荷在配电网络中各主变，馈线以及馈线分段上的分配。

最大供电能力的定义是基于配电网N-1安全性的，却又与配电网的N-1安全性校验有着明显的区别。在规划过程中，在传统N-1安全性校验中，在给定工作点下，电网工作者需假设每一台主变(每一条馈线)都有可能发生故障，且分析每一台主变(馈线)发生故障后的情形，通过大量仿真计算来校验该主变发生故障后电网是否安全，计算量大。仿真结果只能给出安全或不安全的判断以及哪些主变N-1不通过3。

而供电能力则将配电网的N-1作为前提约束条件，根据电网中主变和馈线的容量以及网络的拓扑结构，对现有网络的最大负荷供应能力进行计算，能给出现有网络的供电潜力，如计算准确，最大供电能力工作点一定是满足N-1安全性仿真校验的，而且当负荷载在TSC点上有一点增加时，即会出现不满足N-1校验的情况，即TSC点是N-1安全边界上的临界点。经研究发现，供电能力的N-1安全性约束条件构成的线性规划可行域可表示为欧式空间中的封闭区域，这个区域被定义为配电系统安全域(Distribution System Security Region, DSSR) f46-47]}DSSR是由多个超平面围成的欧式空间，而每一条N-1安全性的约束克表示为欧式空间中线性的超平面，相当于围成安全域的安全边界。最大供电能力以及安全域的优势在于，在电网拓扑结构确定的前提下，配电网最大供电能力和安全域是唯一确定的，只需事先计算一次最大供电能力和安全域，然后在任意工作点下，都能确定其与安全域及供电能力的位置关系，不安全工作点和TSC工作点与DSSR的关系:

最大供电能力指标族定义1:可用供电能力(Available Supply Capability, ASC)是指保证N-1安全条件下，一定供电区域内配电网在现有负荷的基础上可以增加的供电能力，即2

ASC=TS-Ld

其中Ld表示配电系统现有的全部负荷。

配电系统最大供电能力受到两个因素影响，各变电站主变容量配置和变电站主变的联络。根据联络的位置，可将其分为同一站内两台主变的站内联络和不同站的两台主变的站间联络。变电站主变配置及主接线结构决定了站内联络，一般来说，站内联络总是存在且容量足够大，能够支持主变负荷与同一站内其它主变的转移是畅通和可均分的。本文重点研究站间联络的作用。站间联络是由变电站下级出线及其馈线间联络线组成，构成了保证在N-1安全下的变压器负荷转移通道。配电网络结构决定了联络的情况。

分别将变电站容量配置及站内联络和站间联络提供的供电能力定义为变电站供电能力和网络转移能力。

定义2:变电站供电能力(Substation Supply Capability, SSC)是指一定供电区域内配电网变电站容量配置及站内联络提供的供电能力，等于在无任何站间联络时的配电网的最大供电能力。

值得指出的是，变电站供电能力SSC正好对应了传统仅仅依靠变电站内主变互相转供的规划导则中的容载比概念。当配电系统不存在站间联络(或调度运行中不利用站间联络转移变电站负荷)时，系统最大供电能力将达到最低值，一般地，两主变变电站的变电站供电能力为变电容量的一半，三主变变电站的变电站供电能力为变电容量的三分之二。本文研究发现增加站间联络会增加系统最大供电能力，将增加的这部分供电能力定义为网络转移能力。

定义3:网络转移能力(Network Transfer Capability, NTC)是指一定供电区域内配电网通过增加站间联络而新获得的供电能力。

配电系统最大供电能力为变电站供电能力与网络转移能力的和，如式(2-11) 所示。

TSC -SSC+NTC(2一11)

当配电系统达到全联络，即系统中每两台变压器间都有站内或站间联络，且联络容量对于转移负荷足够大时，系统最大供电能力在不增加主变容量的情况下达到最大值，将这种情况下的供电能力定义为全联络供电能力。

定义4:全联络供电能力(Maximum supply capability, MSC)是指一定供电区域内配电网所有主变两两互联，即系统达到全联络且联络容量足够大时的最大供电能力。

在现有配电网络的基础上，增加变电站与变压器数量与容量可提升变电站供电能力，增加变电站间联络的数量与容量可提升网络转移能力。显然，后者是更加经济的。将通过增加现有系统站间联络的数量与容量而增加的供电能力潜力定义为可扩展供电能力。

定义5:可扩展供电能力(Expandable Supply Capability, ESC)是指一定供电区域内配电网通过增加变电站间联络的数量与容量至全联络且联络容量足够大时所新获得的供电能力。ESC可用下式表示:

ESC=(MSC一TSC) ( 2-12）

定义ESC%为ESC与SSC的比率。

ESC%=100 X ESC/ SSC(2一13)

当网络中没有站间联络即网络转移能力为零时，可扩展供电能力达到最大值，定义其为最大可扩展供电能力ESCmax，即全联络供电能力与变电站供电能力的差，如式(2-14)所示。

ESCmax = (MSC一SSC) ( 2-14）

同理，ESC}ma、如式(2-15)所示。

ESC%max = 100 X (MSC一SSC)/SSC ( 2-15）

ESCma、等于全联络且联络容量足够大时的网络转移能力NTC，此时NTC达到最大值NTCmax

ESC%max=100 XNTCmax/ SSC(2一16)MSC和ESC的概念对于挖掘一个配电网的供电潜力具有重要作用。

TSC计算方法TSC:计算方法主要有解析法和线性规划模型法两类。

解析法文献巨川提出了基于N-1安全准则和主变压器(简称主变)互联关系的TSC'解析算法。该方法从主变联络单元入手对供电能力进行分析，其核心步骤是联络单元最大负载率分析。但是该方法并没有考虑联络线路容量约束和主变过载二次转供的问题。在此基础上计及了主变过载和联络线路容量约束，使得计算结果进一步接近了配电网实际运行，其详细计算过程不再赘述。

线性规划模型法建立了TSC:计算模型，较全而地描述了TSC:的概念。所建立的模型以TSC:为目标函数，以N-1准则下的负荷转带作为主要约束条件，转带过程计及了主变容量以及下一级配电网络的联络结构和线路容量约束。TSC:模型可转化为线性规划问题求解，但求解模型时并不能保证各主变负载较均衡，甚至某些主变负载率会达到极值。一个可行的解决方法是建立负载均衡模型4。

线性规划模型法相对解析法的优点在于对Tsc的概念表达更清晰直接，并能通过线性规划方法确保找到Tsc的最优解。

用户分级与TSC的关系现行的三级用户划分方法可将用户对用电可靠}h}的不同需求区分开来，这样不但可以保障重要用户的供电，而且还为需求侧资源的利用提供了可能。虽然三级用户划分方法并未对同一用户内部负荷进行更细致的划分，但该方法应用广泛。基于此方法研究用户分级对Tsc的影响更符合现实，因此本文将基于三级用户划分方法进行研究。

由负荷划分标准可知，一、二级用户负荷的中断会造成相当重大的损失，因此这类用户一般情况下不允许中断供电。在配电网规划设计时，需要保证一、二级用户供电的高可靠性，虽然在迎峰度夏等特殊时期也可对该类用户实施停限电，但这种调节属于正常运行模式下的计划用电，并不适用于系统.v- I模式下短时间内的负荷灵活削减。因此一、二级用户计划中的负荷量减小，只是为了满足电网正常运行时的安全约束，而并未使线路运行的实际安全负荷承载量超过原始Tsc大小，因此并不影响实际Tsc的大小。而三级用户中除了个别相对较重要的负荷外，其余负荷对供电可靠性的要求较低，即使中断或削减部分负荷也不会造成大的影响。故一些三级用户可以签订相关用电协议，在系统正常运行模式或.v- I模式下灵活参与网络负荷大小的调节，在电网发生.v- I时改变其安全约束条件，从而影响Tsc的大小。

用户互动与TSC的关系由于参与基于价格的DR ( price-based DR)用户是在正常运行模式下根据电价的变化自愿进行负荷调整的，并不针对N-1模式响应，即并不改变N-1模式下各馈线及主变的负荷量，因此本文对该类DR不做详细分析。而基于激励的DR(incentive-based DR)可能会影响N-1模式下用户需求的大小，故其可能对TSC'造成影响。常见的基于激励的DR有直接负荷控制(direct load control,DLL)、可中断负荷(interruptible load, IL)、紧急需求响应(emergency demand response, EDR)和容量/辅助服务计划(capacity/ancillary serviceprogram, CASP)等下而将对这些项目逐个进行分析5。

展望由于时间有限，还有待进一步的发展和完善2:

(1)配电网最大供电能力的模型的配电网所考虑的N-1安全性只考虑了负荷转带后的过负荷问题，简化了N-1过程。实际上，最精确的做法应该是对N-1转带后的运行方式进行潮流计算，这样能够计及网损，并考虑电压约束和每段馈线容量约束。同样，分布式电源的接入对最大供电能力的影响也应考虑到模型中。

(2)主变短时过载系数k也应考虑进入供电能力模型，可定义为短时供电能力。

(3)可以考虑更复杂的故障模式，如配电网N-2以及N-X情景下的配电网最大供电能力。

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