郭焱林，劉俊勇，魏震波，許立雄，向 月，孫曉艷

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

由于我國大城市群發(fā)展規(guī)律與國外不同，經(jīng)歷過快速增長時(shí)期的城市建設(shè)逐漸放緩，新建骨干電網(wǎng)的需求降低，加之城市用地緊張，新建輸變電走廊難度加大，因此在可增加聯(lián)絡(luò)通道的前提下，如何利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源提升配電網(wǎng)的供電能力LSC（Load Supply Capability）成為研究熱點(diǎn)。作為兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可靠性的綜合性指標(biāo)，供電能力是電網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃的重要參考。傳統(tǒng)供電能力概念是指受到電壓降極限、熱極限和穩(wěn)定極限約束的輸電網(wǎng)最大輸電能力 TTC（Total Transfer Capability）［1-2］。然而，在配電網(wǎng)中并不存在因負(fù)荷功率不平衡導(dǎo)致的穩(wěn)定極限問題。因此，配電網(wǎng)供電能力應(yīng)是在滿足電壓降極限和熱極限條件下的最大負(fù)載能力。

早期配電網(wǎng)供電能力研究以變電容量評估為主，如容載比法［2］。這種方法在負(fù)荷快速增長的階段得到廣泛應(yīng)用，但僅以變電容量為參考依據(jù)，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)配合，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性得不到保障。因此，有學(xué)者提出了在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束下的最大負(fù)荷承載能力［3］的概念，旨在從經(jīng)濟(jì)性的角度評估網(wǎng)絡(luò)所能支撐的最大負(fù)荷；以及通過最大負(fù)荷倍數(shù)［4］評價(jià)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行供電安全裕度的反向思路。例如，文獻(xiàn)［5］以網(wǎng)絡(luò)能承受的最大負(fù)荷為目標(biāo)，采用直流潮流方程處理功率約束條件，并用線性規(guī)劃法進(jìn)行求解。由于該文獻(xiàn)沒有考慮負(fù)荷的增長模式，且認(rèn)為所有負(fù)荷互為獨(dú)立，因此其結(jié)果存在一定的偏差。文獻(xiàn)［6］則以重復(fù)潮流RPF（Repeated Power Flow）算法分別對單點(diǎn)、分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)的供電能力進(jìn)行評估。其中，對評估區(qū)域內(nèi)負(fù)荷采取相同增長模式，而對評估區(qū)域外負(fù)荷采取恒定不變的處理方式，缺乏合理的解釋。

也有學(xué)者提出考慮故障情況下的供電可靠性［7-10］，即故障情況下通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能夠恢復(fù)供電的負(fù)荷大小——故障恢復(fù)問題；并提出了包括啟發(fā)式搜索方法［7］、多代理技術(shù)［8］、Tabu 搜索算法［11］等在內(nèi)的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。但依然存在因安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行約束而不能恢復(fù)所有負(fù)荷供電的問題。因此，文獻(xiàn)［12-13］在計(jì)及靜態(tài)安全準(zhǔn)則下，假設(shè)所有負(fù)荷均能通過主變聯(lián)絡(luò)通道和饋線聯(lián)絡(luò)恢復(fù)供電，提出了最大供電能力TSC（Total Supply Capability）的概念與相應(yīng)的定義、指標(biāo)體系和求解方法。

上述文獻(xiàn)僅從經(jīng)濟(jì)性和可靠性的角度對配電網(wǎng)供電能力進(jìn)行研究，仍存在角度單一、部分概念模糊或不統(tǒng)一、缺乏系統(tǒng)性框架研究與范疇總結(jié)的問題。具體如下：以重復(fù)潮流算法為代表的經(jīng)濟(jì)性評估能否滿足故障情況下重要負(fù)荷的供電可靠性？以TSC為代表的安全性評估能否滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性？在同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性的基礎(chǔ)上，如何協(xié)調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力、TSC與供電能力？這些問題仍然缺乏科學(xué)論證支持或詳實(shí)的解釋。

針對上述問題，本文將做出以下工作：首先，對配電網(wǎng)供電能力相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理，對以經(jīng)濟(jì)性為主的供電能力、計(jì)及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過程的轉(zhuǎn)供能力NTSC（Network Transfer Supply Capability）以及基于N-1安全約束的TSC進(jìn)行歸納總結(jié)；然后，對這三者關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行解析，明確所屬范疇，并指出當(dāng)前研究存在的問題；最后，結(jié)合配電網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展趨勢，給出未來供電能力研究的主要方向與思路，以期為配電網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃研究提供參考。

1 供電能力研究概述

如圖1所示，現(xiàn)有供電能力研究可以從研究內(nèi)容、研究方法和時(shí)間3個(gè)維度進(jìn)行歸納梳理。

圖1 配電網(wǎng)不同發(fā)展階段下的供電能力研究Fig.1 Research on LSC in different development stages of distribution network

如圖1所示，2005年前我國處于負(fù)荷快速增長時(shí)期，供電能力研究以增加變電容量和夯實(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為主要手段，來滿足高速增長的電力用戶需求。在2005—2010年，負(fù)荷規(guī)模發(fā)展到一定程度，配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已成雛形，這時(shí)供電能力研究逐漸由網(wǎng)絡(luò)單元的供電能力研究轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)整體潛在供電能力的挖掘，主要集中在故障恢復(fù)和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題上。而從2010年至今，我國城市建設(shè)基本成形，負(fù)荷發(fā)展也已減速，新建輸配電單元的難度加大，該階段研究主要集中在TSC模型、指標(biāo)簇的發(fā)展完善，以及利用TSC指導(dǎo)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上。特別的是，在2010年后，由于分布式電源（DG）技術(shù)、儲(chǔ)能（ESS）技術(shù)和電力電子化設(shè)備等配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，量測體系和態(tài)勢感知技術(shù)的應(yīng)用，以及市場經(jīng)濟(jì)環(huán)節(jié)的變革，供電能力研究更加多元化。下文將對以上各時(shí)間階段主要研究成果進(jìn)行剖析。

2 以經(jīng)濟(jì)性為主的配電網(wǎng)供電能力研究

在負(fù)荷快速增長時(shí)期，以變電站單元短路容量作為指標(biāo)的評估方式能夠較為粗略地對供電能力進(jìn)行評估。但隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的增加和負(fù)荷增長速度的減緩，供電能力分析更多的是考慮網(wǎng)絡(luò)各分層分區(qū)之間的供電協(xié)調(diào)性和相互支撐能力，即網(wǎng)絡(luò)整體的負(fù)荷承載能力。當(dāng)前，絕大多數(shù)的供電能力是指網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行情形下所能承擔(dān)的最大負(fù)荷。在負(fù)荷增長過程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提供支撐負(fù)荷供應(yīng)的物理基礎(chǔ)，其基值大?。ㄘ?fù)荷水平）和增長模式［14］很大程度上會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行的熱極限和電壓降極限。因此，早期供電能力研究主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和負(fù)荷水平及其增長模式2個(gè)方向。

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對供電能力的影響

配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是供電能力的物理基礎(chǔ)，其堅(jiān)強(qiáng)可靠與否很大程度上就決定了供電能力的大小。在對配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，主要考慮接線模式的可靠性［15］、短路電流限制［16］以及分層分區(qū)供電的協(xié)調(diào)性［17］等因素，并且主要采用解析法進(jìn)行求解。以容載比法為代表的解析法沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的潛在供電能力，其優(yōu)化結(jié)果過于片面保守。因此，首先對接線模式的可靠與否進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［15］對典型的110kV高壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的N-1可靠性、供電能力等方面進(jìn)行相應(yīng)的討論，并給出各種接線模式在不同的電網(wǎng)發(fā)展階段的適應(yīng)性。

在研究配電網(wǎng)接線模式對供電能力的影響時(shí)，短路電流成為限制供電能力的重要因素。文獻(xiàn)［16］打破傳統(tǒng)配電網(wǎng)“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”的基本原則，提出一種利用短路電流限制器等措施降低短路電流、提高供電能力和供電可靠性的“手拉手”閉環(huán)運(yùn)行方式?？梢钥闯觯瑢ε潆妳^(qū)域的各單元單獨(dú)進(jìn)行供電能力分析，已不能滿足高質(zhì)量高可靠性的電力供應(yīng)要求，需要從整體供電協(xié)調(diào)性的角度進(jìn)行評估。此外，以經(jīng)濟(jì)傳輸功率［17］和以潮流收斂［18］為基礎(chǔ)的供電能力分析［4］，皆存在沒有考慮整體網(wǎng)絡(luò)對負(fù)荷支撐能力的問題，這也是解析法不精確的原因之一。

不同于高壓配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)，中壓配電網(wǎng)存在更為靈活多變的接線方式，并且直接面向用戶，必須滿足供電的高可靠性。因此，對中壓配電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行評估是非常必要的。文獻(xiàn)［19］選取線損率、電壓合格率、主干線路負(fù)載率、變壓器負(fù)載率和主干線N-1校驗(yàn)轉(zhuǎn)帶的負(fù)荷率5個(gè)指標(biāo)，對中壓配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電能力進(jìn)行模糊評估［20］。文獻(xiàn)［21］提出結(jié)合中壓饋線結(jié)構(gòu)的綜合供電模型，并將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能力加入該模型中。文獻(xiàn)［22］則進(jìn)一步提出以供電能力、供電質(zhì)量、轉(zhuǎn)供能力、經(jīng)濟(jì)性和協(xié)調(diào)性5個(gè)指標(biāo)，對中壓供電模型進(jìn)行評估。雖然在中壓配電網(wǎng)供電能力分析中有網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能力的體現(xiàn)，但是并沒有提出相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行量化。

2.2 負(fù)荷水平及其增長模式對供電能力的影響

負(fù)荷水平及其增長模式?jīng)Q定了供電能力的運(yùn)行基礎(chǔ)。因此，在沒有計(jì)及負(fù)荷增長動(dòng)態(tài)過程的情況下，解析法給出的基于供電能力的運(yùn)行邊界的合理性和精確性有待驗(yàn)證。

在負(fù)荷增長模式研究中，出現(xiàn)了重復(fù)潮流算法［3］、線性規(guī)劃 LP（Linear Programming）法［6，22-23］和信賴域TR（Trust Region）方法［24］等求解方法。文獻(xiàn)［3］對負(fù)荷增長過程中的電壓和電流進(jìn)行監(jiān)視，并以并聯(lián)電容器對電壓進(jìn)行優(yōu)化控制，提升供電能力。實(shí)際上，在輻射狀的配電網(wǎng)運(yùn)行方式下，主變變比改變和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)［15］也能較大地影響該區(qū)域電壓。在負(fù)荷的時(shí)序增長過程中如何考慮這三者的動(dòng)態(tài)行為對供電能力的影響是值得關(guān)注的。

另外，考慮負(fù)荷增長過程中的復(fù)雜時(shí)空耦合關(guān)系也十分必要。不同類型負(fù)荷的時(shí)空分布特性（如季節(jié)性負(fù)荷、節(jié)假日負(fù)荷等）不一致［16，25］，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)與點(diǎn)之間、分區(qū)與分區(qū)之間的負(fù)載均衡度不同。采用整個(gè)區(qū)域負(fù)荷以相同比例系數(shù)增長的方式，不能準(zhǔn)確地反映負(fù)荷增長的時(shí)序特性以及可能帶來的供電瓶頸。即需要對網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域及單點(diǎn)多層級供電能力進(jìn)行評估［4］。值得注意的是，單個(gè)區(qū)域和單點(diǎn)的負(fù)荷增長模式與相鄰區(qū)域或節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷增長具有相關(guān)性。文獻(xiàn)［4］將所有非研究區(qū)域負(fù)荷視為不變，這樣很難挖掘出實(shí)際供電瓶頸［26］，也很難給出所有節(jié)點(diǎn)或區(qū)域的供電裕度。文獻(xiàn)［27］以經(jīng)濟(jì)學(xué)中的價(jià)值函數(shù)對不同負(fù)荷的增長模式進(jìn)行模擬，得到各單元的供電裕度和供電瓶頸，模型精細(xì)化程度和準(zhǔn)確性進(jìn)一步得到提高。

將以上影響供電能力的因素及其量化分析方法進(jìn)行總結(jié)，如圖2所示。

圖2 供電能力研究內(nèi)容和方法架構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of research contents and methods on LSC

3 計(jì)及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過程的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力研究

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的動(dòng)態(tài)過程中，負(fù)荷轉(zhuǎn)移必須要滿足轉(zhuǎn)帶饋線和變電站不過載的熱極限約束，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更大的負(fù)荷承載能力。即在轉(zhuǎn)供的動(dòng)態(tài)過程中，安全性成為轉(zhuǎn)供能力更為關(guān)注的約束準(zhǔn)則。

3.1 以安全性為主的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力研究

以安全性為主的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力研究，旨在保障網(wǎng)絡(luò)安全性的情況下盡可能多地恢復(fù)失電負(fù)荷，即故障恢復(fù)問題。在故障恢復(fù)的研究中，模型一般以有功損耗最小、開關(guān)動(dòng)作次數(shù)最小、恢復(fù)負(fù)荷最大、負(fù)荷均衡以及電壓質(zhì)量等為目標(biāo)函數(shù)，約束條件往往考慮輻射狀約束、電壓約束、電流約束以及功率平衡約束等［28］。在對配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力或者故障恢復(fù)能力進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度不同的中、高壓配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)別研究。中壓配電網(wǎng)接線更為復(fù)雜、拓?fù)渥兓绞蕉鄻樱@種多變的拓?fù)浞绞接蛛y以用枚舉法進(jìn)行求解［29］，因此研究重點(diǎn)在于采用更為高效的優(yōu)化算法得到轉(zhuǎn)供能力。而對于弱電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的高壓配電網(wǎng)而言，接線模式相對簡單，研究負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力主要集中在主變站間轉(zhuǎn)移通道的一次、二次轉(zhuǎn)供問題［30］和饋線聯(lián)絡(luò)問題。

3.1.1 中壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力研究

中壓配電網(wǎng)故障恢復(fù)指的是在饋線出口下游故障定位和隔離之后，實(shí)現(xiàn)非故障停電區(qū)域的最大負(fù)荷恢復(fù)供應(yīng)。因?yàn)橹袎号潆娋W(wǎng)接線方式復(fù)雜，尤其是饋線出口網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)縱橫，在故障恢復(fù)中又要保證最大的負(fù)荷恢復(fù)、最少的開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，這是屬于非確定性多項(xiàng)式困難NP-hard（Non-deterministic Polynomial hard）問題中的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題［31］。目前研究集中在如何更加高效地求解得到最優(yōu)解，出現(xiàn)了數(shù)學(xué)優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法和人工智能算法。文獻(xiàn)［29，31］對這3種方法的使用范圍、求解效率等方面進(jìn)行了相應(yīng)的闡述。其中，基于群體智能算法的故障恢復(fù)得到廣泛的關(guān)注和研究［11，32-34］。但是在群體智能算法的研究中，初始種群產(chǎn)生、進(jìn)化過程中不可行解的修復(fù)［35-36］以及如何進(jìn)行算法融合［37］等方面，需要進(jìn)行更深入的實(shí)用化研究。

3.1.2 高壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力研究

高壓配電網(wǎng)的故障分為主變故障和饋線出口故障［38］，這里饋線出口故障意味著整條饋線所帶負(fù)荷均會(huì)失電，而對中壓配電網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)供能力分析時(shí)，饋線出口下游故障并不會(huì)引起所有負(fù)荷失電。即在對高壓配電網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)供能力分析時(shí)，僅需要以饋線出口故障作為饋線故障方式。

在高壓配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)供能力研究中，首先需要對典型110 kV配電網(wǎng)接線模式的可靠性［39］、經(jīng)濟(jì)性以及轉(zhuǎn)供能力等方面進(jìn)行論證分析［15］，文獻(xiàn)［15］發(fā)現(xiàn)制約主變站間轉(zhuǎn)帶的是站間聯(lián)絡(luò)通道和負(fù)荷均衡［40］要求。其次，則是對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化分析，雖然相較于中壓配電網(wǎng)而言高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為簡單，但也存在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大導(dǎo)致算法搜索效率太低的問題。因此，文獻(xiàn)［41］提出以基于公共信息模型（CIM）的拓?fù)涫湛s方法簡化網(wǎng)絡(luò)，提高算法的搜索效率。

3.2 考慮經(jīng)濟(jì)性的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力研究

在配電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)通過開關(guān)動(dòng)作來優(yōu)化潮流分布，達(dá)到均衡負(fù)荷分布、降低網(wǎng)損、提升電壓質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的目的，同時(shí)也可提高網(wǎng)絡(luò)的供電能力［42-43］。在負(fù)荷轉(zhuǎn)移的過程中，不僅需要考慮負(fù)荷水平及其增長模式，而且還需要考慮網(wǎng)絡(luò)能夠提供的負(fù)荷轉(zhuǎn)帶路徑。

負(fù)荷因其時(shí)間分布、空間分布以及負(fù)荷類型的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性，在負(fù)荷的增長過程中會(huì)形成不同的供電瓶頸［27］。前文中提到的基于重復(fù)潮流算法的供電能力評估方式認(rèn)為，在負(fù)荷增長過程中（不考慮重構(gòu)等措施）一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量越限，則達(dá)到了該網(wǎng)絡(luò)極限。實(shí)際上，負(fù)荷水平、增長模式和負(fù)荷類型差異給供電能力帶來的不利影響，可以通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)進(jìn)行部分消除［14，42］。因此，研究網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)在給系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、電壓質(zhì)量帶來好處的同時(shí)，對供電能力的影響也應(yīng)該計(jì)及。

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵是如何確定最優(yōu)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)組合方式。聯(lián)絡(luò)開關(guān)受限于開斷過程的暫態(tài)特性，其動(dòng)作次數(shù)有限，文獻(xiàn)［44］從提高系統(tǒng)可靠性和降低網(wǎng)損的角度提出開關(guān)的改造升級方案。文獻(xiàn)［45］則提出以操作更為靈活、可控性更強(qiáng)的智能軟開關(guān)，與傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)共同進(jìn)行配電網(wǎng)的時(shí)序優(yōu)化。顯然，聯(lián)絡(luò)開關(guān)的時(shí)序動(dòng)作行為與負(fù)荷曲線聯(lián)系十分緊密。負(fù)荷的增長一般而言是平緩漸進(jìn)的，加之負(fù)荷預(yù)測技術(shù)的愈發(fā)成熟，可以采用時(shí)段劃分［46-47］的方式，在計(jì)及開關(guān)動(dòng)作次數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)對供電能力的計(jì)算。

4 基于N-1安全約束的配電網(wǎng)TSC

4.1 TSC概念

在第2節(jié)介紹的供電能力范疇下實(shí)現(xiàn)的負(fù)荷分布，很難在故障情況下實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的安全轉(zhuǎn)移，尤其是在配電網(wǎng)安全校驗(yàn)中很重要的N-1校核不一定得到保障。因此在計(jì)及靜態(tài)安全約束的基礎(chǔ)上，評估現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的供電能力就顯得十分重要，TSC的概念［12-13］應(yīng)運(yùn)而生。

TSC是指一定供電區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備均滿足N-1安全約束條件下的最大負(fù)荷供應(yīng)能力。TSC的大小取決于變電站的負(fù)載能力和網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)供能力［12］。相關(guān) 學(xué)者對 TSC 模型的建立［38，48］和完善［30，49-51］、指標(biāo)簇定義［13］、求解方法［52-53］等基礎(chǔ)理論方面進(jìn)行了大量的研究工作。其中基于饋線互聯(lián)關(guān)系的TSC模型［38］因其精確性和可操作性得到了廣泛的應(yīng)用，該模型以饋線負(fù)荷為控制變量、主變負(fù)載率為狀態(tài)變量，以N-1約束和容量約束作為約束條件，考慮在負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中的饋線聯(lián)絡(luò)和主變聯(lián)絡(luò)、負(fù)荷均衡度等因素，最終形成以最大負(fù)荷承載能力為目標(biāo)函數(shù)的線性規(guī)劃問題。

4.2 TSC模型

雖然TSC在配電網(wǎng)規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景［54-55］，但是在應(yīng)用前應(yīng)該給出該模型的基礎(chǔ)性理論分析，主要包括模型的合理性和最優(yōu)解的性質(zhì)等。TSC模型的合理性指的是模型中所考慮的約束是否與實(shí)際運(yùn)行規(guī)劃符合。該模型最重要的約束就是N-1約束，文獻(xiàn)［56］對所得最優(yōu)解能否通過N-1安全校驗(yàn)進(jìn)行了論證分析，并提出負(fù)荷未細(xì)分到饋線上是出現(xiàn)誤差的主要原因。因此，文獻(xiàn)［47］提出基于饋線互聯(lián)關(guān)系的TSC模型，并與N-1校驗(yàn)進(jìn)行對比，得出該模型是滿足N-1約束的結(jié)論。但在基于饋線互聯(lián)和主變互聯(lián)的模型中，均沒有在短時(shí)過載的基礎(chǔ)上考慮主變二次轉(zhuǎn)供問題。

與此同時(shí)，在基于負(fù)荷分布均勻、供電半徑短的假設(shè)之上，負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中網(wǎng)損和電壓約束在該模型中并未考慮，但網(wǎng)損和電壓約束對TSC的影響在實(shí)際運(yùn)行中往往是不能忽略的［53，57］。計(jì)及潮流計(jì)算的TSC模型雖然復(fù)雜，但選取更為成熟、精確的算法［52］不失為一種較好的方式。另外，基于饋線互聯(lián)關(guān)系的TSC模型最優(yōu)解是否是符合電網(wǎng)約束的唯一解，對于電網(wǎng)規(guī)劃有著重要的意義。文獻(xiàn)［58］對TSC存在無解和唯一解條件下的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行論證分析，得出實(shí)際電網(wǎng)TSC模型總是存在多解的結(jié)論。在這一系列的TSC模型理論研究的基礎(chǔ)上，大量文獻(xiàn)對TSC在配電網(wǎng)運(yùn)行和規(guī)劃中的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的研究［51，59-60］。

4.3 基于TSC模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃

影響TSC的因素中最重要的是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和聯(lián)絡(luò)通道。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)決定了在N-1條件下負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的基礎(chǔ)［15，61］，文獻(xiàn)［61］對典型的 π型接線、直供接線、T型接線方式的TSC進(jìn)行分析，推薦π型接線為城市配電網(wǎng)的遠(yuǎn)景規(guī)劃方式。此外，主變站間的聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)［62］、聯(lián)絡(luò)線路容量［63］以及聯(lián)絡(luò)通道容量與主變?nèi)萘康钠ヅ洌?0］等方面對高壓轉(zhuǎn)供能力的影響也是不容忽視的。

配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)不僅包含主變站間聯(lián)絡(luò)通道，還包括饋線聯(lián)絡(luò)線。饋線聯(lián)絡(luò)線為饋線之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移提供路徑，而中壓配電網(wǎng)饋線之間存在若干的聯(lián)絡(luò)線，這些聯(lián)絡(luò)線對TSC的有效性在文獻(xiàn)［64］中有詳盡的闡述。雖然對高壓配電網(wǎng)和中壓配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)供進(jìn)行單獨(dú)分析，但也存在2個(gè)不同電壓等級聯(lián)絡(luò)和主變?nèi)萘科ヅ涞膯栴}［60］。

5 存在問題及思考

從前文分析可以看出，以經(jīng)濟(jì)性為主的供電能力、計(jì)及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過程的轉(zhuǎn)供能力與基于N-1安全約束的TSC，三者在研究內(nèi)容上有較強(qiáng)相關(guān)性，并且也存在研究內(nèi)容相互交叉的地方。因此，有必要對三者關(guān)系進(jìn)行重新梳理與總結(jié)，并指出當(dāng)前研究的不足。

5.1 三者關(guān)聯(lián)性剖析

圖3圓形區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表配電網(wǎng)安全分析、供電能力和轉(zhuǎn)供能力。配電網(wǎng)安全分析以K（N-1+1）準(zhǔn)則［65］來刻畫故障的嚴(yán)重程度和安全性的強(qiáng)弱，主要針對配電網(wǎng)靜態(tài)安全性進(jìn)行分析；第2節(jié)介紹的供電能力從網(wǎng)絡(luò)正常情況下資源利用最大化的角度進(jìn)行評估，隸屬于配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性研究的范疇；轉(zhuǎn)供能力則從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)過程對供電經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響出發(fā)對供電能力進(jìn)行研究。而由圓形區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ重疊的陰影部分，代表的是兼顧網(wǎng)絡(luò)安全分析、經(jīng)濟(jì)性分析與動(dòng)態(tài)分析的最大可承擔(dān)負(fù)荷能力的研究，即TSC。可以看出，安全分析作為供電能力、轉(zhuǎn)供能力和TSC之間的紐帶，將三者聯(lián)系起來相互影響。

圖3 供電能力、轉(zhuǎn)供能力和TSC三者關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship among LSC，NTSC and TSC

圓形區(qū)域Ⅰ、Ⅲ重疊部分中，區(qū)域A代表的是在計(jì)及網(wǎng)絡(luò)安全約束下的轉(zhuǎn)供能力研究，也就是第3.2節(jié)所介紹的以安全性為主的轉(zhuǎn)供能力的范疇。由圓形區(qū)域Ⅰ、Ⅱ重疊的區(qū)域B則是從靜態(tài)安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)評估供電能力，這是屬于第2節(jié)介紹的供電能力中以變電站短路電流校驗(yàn)的變電單元供電能力。而由圓形區(qū)域Ⅱ、Ⅲ重疊的區(qū)域C是考慮網(wǎng)絡(luò)在正常情況下結(jié)構(gòu)改變的動(dòng)態(tài)過程對供電能力的影響，這也就是第3.2節(jié)介紹的以經(jīng)濟(jì)性為主的轉(zhuǎn)供能力。

圓形區(qū)域剩余部分：圓形區(qū)域I剩余部分即不規(guī)則區(qū)域（區(qū)域I-（區(qū)域Ⅳ+區(qū)域A+區(qū)域B））表示不考慮經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)態(tài)過程的傳統(tǒng)配電網(wǎng)安全性分析；圓形區(qū)域Ⅱ剩余部分（區(qū)域Ⅱ-（區(qū)域Ⅳ+區(qū)域B+區(qū)域C））表示不考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化和安全性，也就是以重復(fù)潮流算法為代表的供電能力研究；圓形區(qū)域Ⅲ剩余部分則表示僅以網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力為目標(biāo)的動(dòng)態(tài)過程研究，不計(jì)及網(wǎng)絡(luò)安全性和經(jīng)濟(jì)性，目前這類研究在配電網(wǎng)中鮮有報(bào)道，同時(shí)在工程上的應(yīng)用價(jià)值并不明顯。

5.2 當(dāng)前研究存在的不足

由前文現(xiàn)狀分析可以看出，雖已有不少文獻(xiàn)對供電能力、轉(zhuǎn)供能力和TSC進(jìn)行相關(guān)研究，但問題也暴露不少，總結(jié)如下。

a.影響因素方面。

在負(fù)荷增長模式研究中，電網(wǎng)調(diào)度人員可以通過調(diào)節(jié)主變檔位、投切電容器以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等方式，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全裕度和供電能力。但在這些調(diào)控手段協(xié)同作用時(shí)，如何確定最優(yōu)的組合動(dòng)作順序在目前研究中還沒有定論。

b.評估模型方面。

第2節(jié)介紹的供電能力實(shí)質(zhì)上是評估電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)荷承載能力的情況下，重要元件的N-1安全校驗(yàn)不一定能夠得到滿足。與之相反，在滿足所有元件N-1校驗(yàn)均能通過的情況下，TSC在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)提供很大的安全裕度，其經(jīng)濟(jì)性又得不到保障。因此，提出一個(gè)綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的供電能力定義及求解模型是下一步研究的重點(diǎn)。

c.工程應(yīng)用方面。

TSC是在滿足所有設(shè)備均通過N-1校驗(yàn)的情況下所確定的負(fù)荷分布。為追求電網(wǎng)所有元件N-1校驗(yàn)均能通過，每條饋線所能承擔(dān)的負(fù)荷就會(huì)相對保守。尤其是考慮負(fù)荷分級的情況下，為了滿足可靠性要求不高的用戶的不間斷持續(xù)供電，電網(wǎng)需要投入更多的資本，因此經(jīng)濟(jì)性很難得到保障。

其次，在基于饋線互聯(lián)關(guān)系和主變互聯(lián)關(guān)系的TSC模型中，最優(yōu)解很可能出現(xiàn)某些饋線負(fù)荷為0的情況，這與實(shí)際工程是不相符合的。即使在建立模型時(shí)采用基于負(fù)荷均衡度的模型，達(dá)到計(jì)及安全準(zhǔn)則下的最大負(fù)荷承載能力，對于實(shí)際電網(wǎng)而言，能否達(dá)到此種負(fù)荷最優(yōu)分布還并未有合理的論證。并且為了達(dá)到最優(yōu)負(fù)荷分布，電網(wǎng)需要進(jìn)行的投資以及取得多大收益也并沒有相應(yīng)的分析論證。

再者，供電瓶頸是指在電網(wǎng)正常運(yùn)行或者故障情況下制約電網(wǎng)安全的關(guān)鍵線路。但是到目前為止，也還未確定一種符合工程實(shí)踐的負(fù)荷增長方式。而在TSC中，所有N-1校驗(yàn)均能通過，即在N-1故障情況下是不會(huì)存在供電瓶頸的；但是在電網(wǎng)正常運(yùn)行中，考慮到負(fù)荷不斷變化，這時(shí)TSC沒有辦法給出供電瓶頸和相應(yīng)的電網(wǎng)改造升級措施。

6 研究展望

隨著以 DG［42，65］、ESS［66］、電動(dòng)汽車（EV）［58，67-68］為代表的配電網(wǎng)新型“源、荷”形式的發(fā)展，以高級量測平臺(tái)體系和態(tài)勢感知技術(shù)為基石的信息物理系統(tǒng)概念的提出，以及以需求響應(yīng)（DR）［69］、輔助服務(wù)為代表的電力市場深化改革，即新元素、新技術(shù)、新機(jī)制會(huì)從根本上改變傳統(tǒng)物理意義上的配電網(wǎng)絡(luò)，供電能力研究必須與時(shí)俱進(jìn)。

6.1 新元素

在新型“源、荷”形式的發(fā)展下，配電網(wǎng)潮流和電壓分布發(fā)生根本性變化，因此，基于主動(dòng)管理策略［70］的主動(dòng)配電系統(tǒng)［71］應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，靜止無功補(bǔ)償器（SVC）、配電靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）為代表的電力電子化裝置，以其調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣的特點(diǎn)，作為新的控制手段，從根本上改變了配電網(wǎng)的功率電壓管控。因此，為適應(yīng)配電網(wǎng)源荷技術(shù)和功率控制技術(shù)的發(fā)展，供電能力應(yīng)從主動(dòng)元素特性、電力電子化配電網(wǎng)、面向消納新能源的主動(dòng)調(diào)控方案以及相應(yīng)的電網(wǎng)規(guī)劃等方面進(jìn)行研究。

a.主動(dòng)元素特性。

作為新型電源形式的DG，在系統(tǒng)正常運(yùn)行下能夠提供一定的負(fù)載能力，本質(zhì)上提高了網(wǎng)絡(luò)的供電能力。而在故障情況下，不同類型和容量的DG在負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中所扮演的角色不同［72-73］，需要對DG在電網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的特性進(jìn)行深入研究。雖然文獻(xiàn)［25，30，42，72］對含不同類型 DG 的配電網(wǎng)供電能力、TSC進(jìn)行討論分析，但是在進(jìn)行供電能力評估時(shí)如何考慮DG不確定性卻鮮有報(bào)道。

其次，ESS和EV的集中大規(guī)?；蛘叻稚⑿∪萘康慕尤敕绞?，也會(huì)顯著地影響電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。ESS和EV集中大規(guī)模充電方式可能會(huì)加劇配電網(wǎng)的峰谷差，形成新的供電瓶頸，降低電網(wǎng)的供電能力；而分散小容量充電方式改變了負(fù)荷增長模式，直接對供電能力產(chǎn)生影響，而在網(wǎng)絡(luò)故障情形下，ESS集中大規(guī)模的放電方式能夠向更多負(fù)荷提供轉(zhuǎn)移通道，恢復(fù)供電?？梢?，在面向提升配電網(wǎng)供電能力時(shí)，應(yīng)該對ESS［74］和EV［75］在不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)下的角色和作用［76］進(jìn)行深入分析，以便指導(dǎo)相應(yīng)的充電樁規(guī)劃。

可以看出，這些新元素在負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中的作用，以及新元素自身的供電需求對供電能力的影響，在下一步研究中應(yīng)該深入討論。

b.電力電子化配電網(wǎng)。

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子裝置在配電網(wǎng)“源、網(wǎng)、荷”中已有不同的應(yīng)用，尤其是固態(tài)開關(guān)、直流變壓器、UPFC的應(yīng)用［77-78］會(huì)改變配電網(wǎng)供電格局。首先，通過加載電力電子化裝置可以改變線路的熱極限約束［79-80］，從根本上改變網(wǎng)絡(luò)的供電能力；其次，固態(tài)開關(guān)等控制器提供快速、優(yōu)越的控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷二次乃至三次轉(zhuǎn)帶的可能，從性能上改變配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)供能力，因此，對于面向電力電子化配電網(wǎng)的供電能力研究，亟需一套更加完整的指標(biāo)體系以及相應(yīng)的規(guī)劃理論。

c.主動(dòng)調(diào)控方案。

新型“源、荷”的接入在帶來巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了強(qiáng)烈的不確定性和時(shí)空耦合特性。這些不確定性元素很可能造成電網(wǎng)峰谷差的進(jìn)一步加劇，造成DG消納不足、負(fù)荷供應(yīng)緊張的局面，因此，進(jìn)行面向系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的供電能力研究時(shí)，首先研究如何利用各元素間的互補(bǔ)作用消除不確定性，如風(fēng)火打捆、風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)、風(fēng)光水互補(bǔ)等；然后是加強(qiáng)DG、EV和負(fù)荷的日前預(yù)測技術(shù)，制定相應(yīng)的日前調(diào)度運(yùn)行方案，并通過實(shí)時(shí)滾動(dòng)修正方案消除由不確定性帶來的供電瓶頸，提升電網(wǎng)供電能力。同時(shí)，供電能力也演變成不確定性的指標(biāo)，因此，利用該指標(biāo)評估各種運(yùn)行狀況下的供電充裕度和供電瓶頸，是下一步研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

d.電網(wǎng)規(guī)劃。

我國電網(wǎng)發(fā)展水平不一致，表現(xiàn)為城市電網(wǎng)基礎(chǔ)夯實(shí)而農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的局面。而DG和EV等主動(dòng)元素因物理?xiàng)l件而在不同地區(qū)電網(wǎng)接入，主要表現(xiàn)為農(nóng)村電網(wǎng)可利用范圍廣、新建DG輸電通道較容易，而城市電網(wǎng)相對成熟，新建DG場站投資昂貴，新建EV充電樁反而更能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)更為發(fā)達(dá)的城市電網(wǎng)需求。

對于供電能力研究而言，城市配電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)該面向如何充分利用大規(guī)?；蛘叻稚⑿∪萘縀V接入，消除供電瓶頸，提高系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的供電能力和故障時(shí)的轉(zhuǎn)供能力。而農(nóng)村電網(wǎng)供電能力研究應(yīng)著重于DG容量外送通道的建立，以及聯(lián)絡(luò)通道和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)夯實(shí)，提高農(nóng)業(yè)用電的供電可靠性。

6.2 新技術(shù)

隨著以廣域測量系統(tǒng)（WAMS）和相量測量單元（PMU）為代表的高級量測技術(shù)和態(tài)勢感知技術(shù)的發(fā)展，電力一二次系統(tǒng)信息的融合逐漸成為趨勢，電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)［81-82］CPS（Cyber Physical System）的概念也隨之提出。電網(wǎng)CPS強(qiáng)調(diào)以二次信息系統(tǒng)提高一次物理系統(tǒng)的可觀測性，使得電網(wǎng)調(diào)度人員對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行邊界有著更為清晰的認(rèn)識(shí)，并通過二次信息系統(tǒng)控制電網(wǎng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）系統(tǒng)等，提高電力一次物理系統(tǒng)的可控性。

對于供電能力研究，需首先刻畫出二次信息系統(tǒng)可靠性對電網(wǎng)觀測性的影響，即量化二次信息系統(tǒng)的可靠性能夠造成電網(wǎng)調(diào)度人員對運(yùn)行邊界和運(yùn)行狀態(tài)的誤判，進(jìn)而造成設(shè)備開關(guān)的誤動(dòng)作和電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變。在此基礎(chǔ)上，才能進(jìn)一步研究信息系統(tǒng)可靠性對供電能力的影響。

6.3 新機(jī)制

隨著電力市場改革的深入，配售分離是趨勢。對供電能力研究而言，以下2個(gè)方面會(huì)對其產(chǎn)生影響：一是市場機(jī)制的改變，在電力市場開展下不同的配售電價(jià)機(jī)制改變引導(dǎo)用戶的用電行為，即DR［83］，從而改變用戶的供電路徑及潮流分布，即電價(jià)機(jī)制影響的是負(fù)荷形態(tài)及其增長模式；二是獨(dú)立輔助服務(wù)提供商的影響，輔助服務(wù)市場中備用容量子市場和電壓/無功支持子市場，主要是消除配電網(wǎng)的電力電量不平衡（包括合同電量與實(shí)時(shí)電量不平衡和故障情況），提供短時(shí)的電力供應(yīng)，必然會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)供電能力及轉(zhuǎn)供能力。

總體而言，“三新”的出現(xiàn)勢必會(huì)對配電網(wǎng)供電能力產(chǎn)生直接影響。但主動(dòng)元素和電力電子化設(shè)備的接入，會(huì)從根本上改變配電網(wǎng)的供電能力；而CPS和電力市場新機(jī)制的形成，則影響相對較小。

7 結(jié)論

本文在全面梳理供電能力、轉(zhuǎn)供能力和TSC等研究的基礎(chǔ)上，著重從研究范疇、分析方法、影響因素及工程實(shí)用性等方面進(jìn)行了剖析，主要結(jié)論如下。

a.系統(tǒng)性研究框架缺失、研究角度單一、影響因素及其量化評估模型合理性有待檢驗(yàn)，及實(shí)際工程應(yīng)用性差等問題仍是當(dāng)前供電能力相關(guān)研究的主要瓶頸。

b.供電能力、轉(zhuǎn)供能力與TSC三者雖各自研究范疇與定義有所不同，但存在交叉，安全性分析是其間“橋梁”。在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際問題進(jìn)行區(qū)別選擇。

c.DG、ESS、EV等主動(dòng)元素接入與電力電子化配電網(wǎng)的發(fā)展，會(huì)根本上改變供電能力的研究形態(tài)，適時(shí)改變傳統(tǒng)指標(biāo)體系與評估模型及形成有效的主動(dòng)控制策略等是未來配電網(wǎng)供電能力研究的重點(diǎn)。

d.電網(wǎng)CPS和電力市場改革對供電能力影響并不能顯性刻畫，在一定范圍內(nèi)影響供電路徑選擇和供電可靠性，在后續(xù)研究中需要關(guān)注。

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