基本介紹
配電系統是聯繫用戶和發輸電系統的紐帶，是保證可靠供電的重要環節。配電系統的安全、經濟、可靠運行，直接影響到人民生活水平質量的提高、城市經濟的發展以及投資環境的最佳化。因此安全、可靠、經濟應該作為配電系統的主要關注點。輸電系統中經典的可靠性、安全性和經濟性指標直接反映了上述關注點:輸電系統的最大輸電能力(Total Transfer Capability, TTC)是指電力系統在滿足一定的安全穩定約束條件下可傳輸的最大功率，它是輸電網安全與效率博弈平衡的指標。TTC指標族及其相關理論研究成果眾多，在輸電系統中己大量應。本文提出的配電網最大供電能力是與輸電系統相對應的指標。配電網最大供電能力(Total Supply Capability, TSC), TSC是一定供電區域內配電網滿足N-1安全準則條件以及各種實際運行約束下的最大負荷供應能力。同TTC類似，TSC給出了配電網在安全可靠運行範圍內的效率和經濟性最高的工作點 。
TTC的定義是基於對電力系統的安全性的研究，電力系統的安全性是指電力系統在運行中承受突然擾動(如短路或系統中元件意外退出運行等)的能力電力系統安全性在配電網中主要體現在配電網的N-1安全性中，因此TSC的研究應主要基於配電網的N-1安全性研究。配電網的N-1安全性是指正常的運行方式下，電力系統中的某一元件:如線路或變壓器等，因故障斷開後，電力系統應能保持穩定運行和正常供電，並且其他元件不出現過負荷、過電壓並且頻率也在允許範圍內。
供電能力對於配電系統的重要作用等同於輸電能力對於輸電系統的作用，但供電能力理論研究才剛剛開始，成果遠不能與輸電能力相比。其原因除了由於過去長期以來配電的受重視程度相對輸電較弱以外，還存在著某些技術原因:在過去，我國城市配電網雖己普遍實現了聯絡，網際網路架結構提供了負荷在變電站間轉移的通道，但大部分中壓網路的自動化程度仍較低，網路開關操作耗時常超過半小時;而變電站普遍具有綜合自動化系統，一旦發生主變N-1，負荷能快速切換到站內其它主變。中壓網路轉帶負荷與變電站內部轉帶的負荷從時間上是無法比擬的，因此在實際運行中，當發生主變故障時一般只考慮站內主變壓器間的負荷切換，而不通過中壓網路在變電站之間轉帶負荷。
定義
配電網最大供電能力(Total Supply Capability, TSC)的定義為:配電網中所有饋線N-1校驗和變電站主變N-1校驗均滿足時，該配電網所能帶的最大負荷。N-1時要考慮主變和饋線間的負荷轉帶、主變和饋線的容量、網路中主變間以及饋線間的聯絡關係等配電網實際運行約束。除了配電網總體TSC外，TSC模型和計算還需給出達到TSC時，各主變和饋線的負荷。
配電系統最大供電能力(Total Supply Capability, TSC)與輸電系統輸電能力(Total Transfer Capability, TTC)是相互對應的，TSC是現有電網的最大負荷供應量，即是使現有電網的資產利用率達到最高的工作點，當前工作點與供電能力的比較可體現出現有電網的效率，以及未來的負荷供應潛力，TSC的含義不僅包括此時的網路的最大供應負荷，還包括在此工作點下，負荷在配電網路中各主變，饋線以及饋線分段上的分配。
最大供電能力的定義是基於配電網N-1安全性的，卻又與配電網的N-1安全性校驗有著明顯的區別。在規划過程中，在傳統N-1安全性校驗中，在給定工作點下，電網工作者需假設每一台主變(每一條饋線)都有可能發生故障，且分析每一台主變(饋線)發生故障後的情形，通過大量仿真計算來校驗該主變發生故障後電網是否安全，計算量大。仿真結果只能給出安全或不安全的判斷以及哪些主變N-1不通過 。
而供電能力則將配電網的N-1作為前提約束條件，根據電網中主變和饋線的容量以及網路的拓撲結構，對現有網路的最大負荷供應能力進行計算，能給出現有網路的供電潛力，如計算準確，最大供電能力工作點一定是滿足N-1安全性仿真校驗的，而且當負荷載在TSC點上有一點增加時，即會出現不滿足N-1校驗的情況，即TSC點是N-1安全邊界上的臨界點。經研究發現，供電能力的N-1安全性約束條件構成的線性規劃可行域可表示為歐式空間中的封閉區域，這個區域被定義為配電系統安全域(Distribution System Security Region, DSSR) f46-47]}DSSR是由多個超平面圍成的歐式空間，而每一條N-1安全性的約束克表示為歐式空間中線性的超平面，相當於圍成安全域的安全邊界。最大供電能力以及安全域的優勢在於，在電網拓撲結構確定的前提下，配電網最大供電能力和安全域是唯一確定的，只需事先計算一次最大供電能力和安全域，然後在任意工作點下，都能確定其與安全域及供電能力的位置關係，不安全工作點和TSC工作點與DSSR的關係:
能力指標族
定義1:可用供電能力(Available Supply Capability, ASC)是指保證N-1安全條件下，一定供電區域內配電網在現有負荷的基礎上可以增加的供電能力，即
ASC=TS-Ld
其中Ld表示配電系統現有的全部負荷。
配電系統最大供電能力受到兩個因素影響，各變電站主變容量配置和變電站主變的聯絡。根據聯絡的位置，可將其分為同一站內兩台主變的站內聯絡和不同站的兩台主變的站間聯絡。變電站主變配置及主接線結構決定了站內聯絡，一般來說，站內聯絡總是存在且容量足夠大，能夠支持主變負荷與同一站內其它主變的轉移是暢通和可均分的。本文重點研究站間聯絡的作用。站間聯絡是由變電站下級出線及其饋線間聯絡線組成，構成了保證在N-1安全下的變壓器負荷轉移通道。配電網路結構決定了聯絡的情況。
分別將變電站容量配置及站內聯絡和站間聯絡提供的供電能力定義為變電站供電能力和網路轉移能力。
定義2:變電站供電能力(Substation Supply Capability, SSC)是指一定供電區域內配電網變電站容量配置及站內聯絡提供的供電能力，等於在無任何站間聯絡時的配電網的最大供電能力。
值得指出的是，變電站供電能力SSC正好對應了傳統僅僅依靠變電站內主變互相轉供的規劃導則中的容載比概念。當配電系統不存在站間聯絡(或調度運行中不利用站間聯絡轉移變電站負荷)時，系統最大供電能力將達到最低值，一般地，兩主變變電站的變電站供電能力為變電容量的一半，三主變變電站的變電站供電能力為變電容量的三分之二。本文研究發現增加站間聯絡會增加系統最大供電能力，將增加的這部分供電能力定義為網路轉移能力。
定義3:網路轉移能力(Network Transfer Capability, NTC)是指一定供電區域內配電網通過增加站間聯絡而新獲得的供電能力。
配電系統最大供電能力為變電站供電能力與網路轉移能力的和，如式(2-11) 所示。
TSC -SSC+NTC(2一11)
當配電系統達到全聯絡，即系統中每兩台變壓器間都有站內或站間聯絡，且聯絡容量對於轉移負荷足夠大時，系統最大供電能力在不增加主變容量的情況下達到最大值，將這種情況下的供電能力定義為全聯絡供電能力。
定義4:全聯絡供電能力(Maximum supply capability, MSC)是指一定供電區域內配電網所有主變兩兩互聯，即系統達到全聯絡且聯絡容量足夠大時的最大供電能力。
在現有配電網路的基礎上，增加變電站與變壓器數量與容量可提升變電站供電能力，增加變電站間聯絡的數量與容量可提升網路轉移能力。顯然，後者是更加經濟的。將通過增加現有系統站間聯絡的數量與容量而增加的供電能力潛力定義為可擴展供電能力。
定義5:可擴展供電能力(Expandable Supply Capability, ESC)是指一定供電區域內配電網通過增加變電站間聯絡的數量與容量至全聯絡且聯絡容量足夠大時所新獲得的供電能力。ESC可用下式表示:
ESC=(MSC一TSC) ( 2-12）
定義ESC%為ESC與SSC的比率。
ESC%=100 X ESC/ SSC(2一13)
當網路中沒有站間聯絡即網路轉移能力為零時，可擴展供電能力達到最大值，定義其為最大可擴展供電能力ESCmax，即全聯絡供電能力與變電站供電能力的差，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、等於全聯絡且聯絡容量足夠大時的網路轉移能力NTC，此時NTC達到最大值NTCmax
ESC%max=100 XNTCmax/ SSC(2一16)MSC和ESC的概念對於挖掘一個配電網的供電潛力具有重要作用。
TSC計算
TSC:計算方法主要有解析法和線性規劃模型法兩類。
解析法
文獻巨川提出了基於N-1安全準則和主變壓器(簡稱主變)互聯關係的TSC'解析算法。該方法從主變聯絡單元入手對供電能力進行分析，其核心步驟是聯絡單元最大負載率分析。但是該方法並沒有考慮聯絡線路容量約束和主變過載二次轉供的問題。在此基礎上計及了主變過載和聯絡線路容量約束，使得計算結果進一步接近了配電網實際運行，其詳細計算過程不再贅述。
模型法
建立了TSC:計算模型，較全而地描述了TSC:的概念。所建立的模型以TSC:為目標函式，以N-1準則下的負荷轉帶作為主要約束條件，轉帶過程計及了主變容量以及下一級配電網路的聯絡結構和線路容量約束。TSC:模型可轉化為線性規劃問題求解，但求解模型時並不能保證各主變負載較均衡，甚至某些主變負載率會達到極值。一個可行的解決方法是建立負載均衡模型 。
線性規劃模型法相對解析法的優點在於對Tsc的概念表達更清晰直接，並能通過線性規劃方法確保找到Tsc的最優解。
用戶分級關係
現行的三級用戶劃分方法可將用戶對用電可靠}h}的不同需求區分開來，這樣不但可以保障重要用戶的供電，而且還為需求側資源的利用提供了可能。雖然三級用戶劃分方法並未對同一用戶內部負荷進行更細緻的劃分，但該方法套用廣泛。基於此方法研究用戶分級對Tsc的影響更符合現實，因此本文將基於三級用戶劃分方法進行研究。
由負荷劃分標準可知，一、二級用戶負荷的中斷會造成相當重大的損失，因此這類用戶一般情況下不允許中斷供電。在配電網規劃設計時，需要保證一、二級用戶供電的高可靠性，雖然在迎峰度夏等特殊時期也可對該類用戶實施停限電，但這種調節屬於正常運行模式下的計畫用電，並不適用於系統.v- I模式下短時間內的負荷靈活削減。因此一、二級用戶計畫中的負荷量減小，只是為了滿足電網正常運行時的安全約束，而並未使線路運行的實際安全負荷承載量超過原始Tsc大小，因此並不影響實際Tsc的大小。而三級用戶中除了個別相對較重要的負荷外，其餘負荷對供電可靠性的要求較低，即使中斷或削減部分負荷也不會造成大的影響。故一些三級用戶可以簽訂相關用電協定，在系統正常運行模式或.v- I模式下靈活參與網路負荷大小的調節，在電網發生.v- I時改變其安全約束條件，從而影響Tsc的大小。
用戶互動關係
由於參與基於價格的DR ( price-based DR)用戶是在正常運行模式下根據電價的變化自願進行負荷調整的，並不針對N-1模式回響，即並不改變N-1模式下各饋線及主變的負荷量，因此本文對該類DR不做詳細分析。而基於激勵的DR(incentive-based DR)可能會影響N-1模式下用戶需求的大小，故其可能對TSC'造成影響。常見的基於激勵的DR有直接負荷控制(direct load control,DLL)、可中斷負荷(interruptible load, IL)、緊急需求回響(emergency demand response, EDR)和容量/輔助服務計畫(capacity/ancillary serviceprogram, CASP)等下而將對這些項目逐個進行分析 。
展望
由於時間有限，還有待進一步的發展和完善 :
(1)配電網最大供電能力的模型的配電網所考慮的N-1安全性只考慮了負荷轉帶後的過負荷問題，簡化了N-1過程。實際上，最精確的做法應該是對N-1轉帶後的運行方式進行潮流計算，這樣能夠計及網損，並考慮電壓約束和每段饋線容量約束。同樣，分散式電源的接入對最大供電能力的影響也應考慮到模型中。
(2)主變短時過載係數k也應考慮進入供電能力模型，可定義為短時供電能力。
(3)可以考慮更複雜的故障模式，如配電網N-2以及N-X情景下的配電網最大供電能力。
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