基于多目標(biāo)優(yōu)化的受端電網(wǎng)特高壓落點(diǎn)選取方法

商文穎，劉麗慧，李 華，梁 毅，侯玉琤

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，黑龍江 大慶 163000）

基于多目標(biāo)優(yōu)化的受端電網(wǎng)特高壓落點(diǎn)選取方法

商文穎1，劉麗慧2，李 華1，梁 毅1，侯玉琤1

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，黑龍江 大慶 163000）

以合理選取特高壓電網(wǎng)落點(diǎn)為目標(biāo)，以滿(mǎn)足最大范圍內(nèi)能源資源優(yōu)化配置為根本出發(fā)點(diǎn)，分析地區(qū)電力流向，確定特高壓落點(diǎn)供電范圍。應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化的方法研究特高壓500 kV落點(diǎn)的選擇，綜合考慮系統(tǒng)相互作用的各種因素，用數(shù)學(xué)方法建立了歸一化的落點(diǎn)選擇目標(biāo)函數(shù)。并以遼寧受端電網(wǎng)特高壓落點(diǎn)選取為例，驗(yàn)證了該方法的可用性。

特高壓；電力流向；落點(diǎn)選取；多目標(biāo)優(yōu)化

在特高壓電網(wǎng)形成過(guò)程中，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行特征都將發(fā)生重大變化，給電網(wǎng)運(yùn)行和管理帶來(lái)全新的挑戰(zhàn)。如何有效計(jì)及系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)程度、經(jīng)濟(jì)性等諸多因素，提出定量化的特高壓落點(diǎn)的優(yōu)化選取方法，對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益具有重大意義。

1 特高壓落點(diǎn)選取的決策過(guò)程

a.分析受端電網(wǎng)能源資源狀況、電力資源及送電條件的情況，確定其受電比例；

b.根據(jù)受電比例確定特高壓電力流及落點(diǎn)數(shù)量；

c.根據(jù)特高壓電力流及省內(nèi)電源規(guī)劃和電力流向分析確定特高壓送電范圍［1］；

d.按照確定的特高壓送電范圍分區(qū)進(jìn)行特高壓的500 kV落點(diǎn)優(yōu)選［2］；

e.根據(jù)特高壓落點(diǎn)優(yōu)選方案進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)方案的比選［3］。

2 特高壓供電范圍的選取

構(gòu)建特高壓電網(wǎng)是以滿(mǎn)足大范圍內(nèi)能源優(yōu)化配置為根本出發(fā)點(diǎn)，其供電范圍的選取應(yīng)滿(mǎn)足該地區(qū)的電力電量需求。因此，需進(jìn)行如下方面的分析確定其供電范圍。

a.能源平衡分析

根據(jù)能源資源狀況，進(jìn)行地區(qū)能源平衡分析，進(jìn)而進(jìn)行地區(qū)發(fā)電能源平衡分析，確定是否需要從省外購(gòu)入能源。

b.電力資源及送電條件分析

分析周邊地區(qū)煤電及可再生能源供給情況，確定是否具備送電條件。

c.受電比例分析

綜合外部電力資源情況及受端電網(wǎng)自身平衡結(jié)論，確定送電比例及送電通道規(guī)劃，確定與外部交換電力流規(guī)模。

d.內(nèi)部電力流向分析

對(duì)受端電網(wǎng)內(nèi)部分區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部電力流向分析，確定特高壓接入供電范圍。

3 特高壓500 kV落點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 指標(biāo)選取原則

a.評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)能全面反映特高壓接入受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平［4］、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益水平等，體系內(nèi)各指標(biāo)應(yīng)相互獨(dú)立、互不重疊且不存在因果關(guān)系；

b.選取的指標(biāo)應(yīng)能夠量化或模糊量化；c.選取的指標(biāo)應(yīng)具有區(qū)分度。

3.2 短路比

系統(tǒng)短路容量與設(shè)備額定容量的比值，稱(chēng)為短路比SCR （Short Circuit Ratio）。則：式中：Sac表示特高壓注入母線的短路容量；PtN表示特高壓的額定輸送功率。短路比大表明系統(tǒng)性能好；相反，短路比小則系統(tǒng)相對(duì)薄弱。

根據(jù)理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將交流系統(tǒng)穩(wěn)定強(qiáng)度劃分如下：SCR＜2穩(wěn)定強(qiáng)度極低；2≤SCR≤3，穩(wěn)定強(qiáng)度低；3＜SCR≤5，穩(wěn)定強(qiáng)度中等；SCR＞5，穩(wěn)定強(qiáng)度高。

3.3 靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)

靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)是指在一定功率水平下，當(dāng)負(fù)荷母線經(jīng)受1個(gè)小擾動(dòng)時(shí)，注入母線的無(wú)功功率的變化量與母線電壓的變化量之間的比值［5-7］，如圖1所示。

圖1 用于靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)接線

特高壓注入母線的無(wú)功變化量為ΔQ，母線電壓的變化量為ΔU。當(dāng)ΔQ／ΔU＜0時(shí)，負(fù)荷母線的靜態(tài)電壓穩(wěn)定；相反，當(dāng)ΔQ／ΔU＞0時(shí)，負(fù)荷母線的靜態(tài)電壓不穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)側(cè)而言，可以將特高壓的注入點(diǎn)看作是一個(gè)無(wú)功負(fù)荷，因此對(duì)注入點(diǎn)母線的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析與以上對(duì)簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)負(fù)荷母線分析類(lèi)似。簡(jiǎn)化的電力系統(tǒng)相

當(dāng)VSI＞0時(shí)，特高壓注入母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定；當(dāng)VSI＜0時(shí)，特高壓注入母線靜態(tài)電壓不穩(wěn)定。

3.4 系統(tǒng)網(wǎng)損

特高壓落點(diǎn)于交流系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)，交流系統(tǒng)的潮流分布會(huì)相應(yīng)地改變，網(wǎng)絡(luò)損耗也會(huì)隨之有較大的差異。交流系統(tǒng)的有功功率損耗為互作用的模型如圖1所示。圖中E表示系統(tǒng)電壓，R＋jX表示系統(tǒng)阻抗，U為母線電壓，將特高壓注入母線看作是負(fù)荷母線，母線的無(wú)功功率Q為

式中：Qc為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功；Qac為交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功。參照以上結(jié)論，定義靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)VSI（Voltage Static Indicator）作為特高壓注入母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定的判據(jù)，則：

式中：Ploss為有功功率損耗；Nk為交流系統(tǒng)支路數(shù)；Gk為支路電導(dǎo)；Ui，Ujθi，θj分別為各節(jié)點(diǎn)電壓的幅值與相角。

4 算法擬定

4.1 線性加權(quán)和法

線性加權(quán)和法通過(guò)對(duì)多個(gè)指標(biāo)加權(quán)求和后將多目標(biāo)問(wèn)題化為單目標(biāo)問(wèn)題，形式簡(jiǎn)單，便于計(jì)算［8］。因此采用線性加權(quán)和法建立特高壓落點(diǎn)選擇的目標(biāo)函數(shù)。設(shè)定了3個(gè)目標(biāo)值，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)短路比SCR、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度VSI、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗Ploss。設(shè)其權(quán)系數(shù)為ωi（i＝l，2，3），則目標(biāo)函數(shù)F（χ）：

就單一目標(biāo)值而言，對(duì)應(yīng)的SCR最大、VSI最大以及Ploss最小，落點(diǎn)選取最理想；對(duì)綜合各因素的指標(biāo)體系而言，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值趨于最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)落點(diǎn)。

4.2 各指標(biāo)的歸一化處理及門(mén)檻值的確定

4.2.1 歸一化處理

由于短路比、靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)以及受端交流系統(tǒng)的有功功率損耗這3個(gè)目標(biāo)并不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，直接對(duì)這些指標(biāo)線性加權(quán)很可能造成結(jié)果不合理，因此需先對(duì)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。雖然SCR是越大系統(tǒng)越穩(wěn)定，但是當(dāng)SCR大到一定值后，其數(shù)值大小可能對(duì)穩(wěn)定性本身并不是很重要。有些節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)無(wú)功變化不敏感，容性無(wú)功投切前后電壓變化很小，這些節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性較強(qiáng)，造成計(jì)算所得VSI值差別較大。因此，為避免同一指標(biāo)值差別過(guò)大對(duì)落點(diǎn)選擇的結(jié)果造成的不合理影響，對(duì)SCR和VSI設(shè)立相應(yīng)的門(mén)檻值，使歸一化過(guò)程更為合理。可以按式 （6）對(duì)這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。 則：

式 中： SCRmax， SCRmin， VSImax， VSImin， Ploss，max，Ploss，min分別為短路比、靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)以及有功功率損耗的最大值與最小值；SCRmargin與VSImargin是短路比和靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)的門(mén)檻值。

4.2.2 參數(shù)門(mén)檻值的確定

a. SCRmargin的確定

以工程界劃分交流系統(tǒng)強(qiáng)度的方法為依據(jù)，可以令SCRmargin＝5。

b. VSImargin的確定

根據(jù)判斷系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定VSI的判據(jù)，VSI＞0時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，VSI＜0時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定，該判據(jù)并未給出具體的數(shù)值作為VSI的標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)VSI的數(shù)值達(dá)到一定程度后，在落點(diǎn)選擇時(shí)均應(yīng)被視為電壓穩(wěn)定達(dá)到上限的節(jié)點(diǎn)，更大的VSI不應(yīng)該影響該點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)。參考交流系統(tǒng)強(qiáng)弱的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以SCR＝5時(shí)對(duì)應(yīng)的VSI值作為該指標(biāo)的門(mén)檻值。

5 算例分析

5.1 能源平衡情況分析

本文選取遼寧受端電網(wǎng)為例，遼寧省經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，區(qū)域內(nèi)一次能源的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，能源的對(duì)外依存度將不斷增加。

5.2 電力資源、受電比例及特高壓落點(diǎn)數(shù)量分析

規(guī)劃期末最大負(fù)荷8 400萬(wàn)kW，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有外送通道送電能力約1 000萬(wàn)kW，根據(jù)受端電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)電力平衡結(jié)果，規(guī)劃期末需從周邊地區(qū)受入電力3 500萬(wàn)kW。需通過(guò)特高壓受入電力2 500萬(wàn)kW，從外部受電比例約為最大負(fù)荷的40%，特高壓站按4臺(tái)450萬(wàn)kVA主變?cè)O(shè)計(jì)，容載比取2.0，需要3個(gè)特高壓落點(diǎn)。

5.3 內(nèi)部電力流向分析

根據(jù)遼寧電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將遼寧電網(wǎng)按照遼西地區(qū)，遼寧中部地區(qū)，遼南地區(qū)3個(gè)地區(qū)進(jìn)行電力平衡及電力流向分析。分析結(jié)果表明：遼寧省中部始終是遼寧省缺電最嚴(yán)重的地區(qū)，且缺電容量逐年增加；遼南地區(qū)隨著紅沿河核電等大型電廠的投運(yùn)，呈多電狀態(tài)，且隨著負(fù)荷增長(zhǎng)盈余電力整體呈下降趨勢(shì)；遼西電網(wǎng)隨著綏中電廠改接及負(fù)荷的增長(zhǎng)，風(fēng)電保證出力時(shí)整體呈缺電狀態(tài)，但其為遼寧大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)基地，風(fēng)電有效出力時(shí)電力仍有較大盈余。

5.4 特高壓供電范圍分析

規(guī)劃期末，遼寧中部地區(qū)最大電力缺口約3 150萬(wàn) kW，其中沈陽(yáng)、撫順、鐵嶺、本溪缺電1 450萬(wàn)kW，鞍山、遼陽(yáng)、營(yíng)口缺電1 700萬(wàn)kW，考慮通過(guò)500 kV網(wǎng)絡(luò)1 150萬(wàn)kW后，遼寧中部地區(qū)仍存在約2 000萬(wàn)kW缺口，需通過(guò)1 000 kV特高壓網(wǎng)絡(luò)受入，可考慮在遼寧中部地區(qū)建設(shè)2座1 000 kV特高壓站，每站變電容量按4×450萬(wàn)kVA考慮，滿(mǎn)足遼寧中部地區(qū)電力缺額。

規(guī)劃期末，遼寧西部地區(qū)最大電力缺口約900萬(wàn)kW，可考慮在遼寧西部地區(qū)建設(shè)1座1 000 kV特高壓站，變電容量按4×450萬(wàn)kVA考慮，滿(mǎn)足遼寧西部地區(qū)電力缺額。

5.5 特高壓500 kV落點(diǎn)優(yōu)選

計(jì)算選取規(guī)劃期末標(biāo)準(zhǔn)年進(jìn)行分析，基于規(guī)劃期末冬大運(yùn)行方式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)可選500 kV落點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。遼西地區(qū)及遼寧中部沈陽(yáng)、撫順、鐵嶺、本溪供電區(qū)，鞍山、遼陽(yáng)、營(yíng)口供電區(qū)共計(jì)可選500 kV落點(diǎn)分別為11座、12座和14座。根據(jù)所得各可選落點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果，對(duì)3個(gè)區(qū)域每個(gè)可選落點(diǎn)計(jì)算其多目標(biāo)決策目標(biāo)函數(shù)值，以遼西地區(qū)為例計(jì)算結(jié)果如表1所示。

分析以上目標(biāo)函數(shù)計(jì)算結(jié)果，500 kV董家變、沙河營(yíng)變、北寧變、燕南變所得目標(biāo)函數(shù)計(jì)算結(jié)果數(shù)值較小 （＜0.2），推薦作為遼寧西部特高壓500 kV落點(diǎn)。

同樣原理，遼寧中部沈陽(yáng)、撫順、鐵嶺、本溪供電區(qū)撫順北變、徐家變、東洲變、鐵北變作為特高壓500 kV落點(diǎn)；遼寧中部鞍山、遼陽(yáng)、營(yíng)口供電區(qū)長(zhǎng)嶺變、析木變、東海變作為特高壓500 kV落點(diǎn)。

表1 遼西地區(qū)特高壓500 kV落點(diǎn)優(yōu)選計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

本文給出了特高壓接入受端電網(wǎng)的落點(diǎn)選取的決策過(guò)程，建立了考慮特高壓接入受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性等重要因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)便于計(jì)算和定量分析，突出了特高壓接入對(duì)受端電網(wǎng)的實(shí)際影響。提出特高壓供電區(qū)域的選擇方法及基于多目標(biāo)優(yōu)化的特高壓500 kV落點(diǎn)選取方法，可以有效解決特高壓接入受端電網(wǎng)落點(diǎn)優(yōu)選這一復(fù)雜決策問(wèn)題，并結(jié)合東北地區(qū)遼寧受端電網(wǎng)實(shí)例介紹了完整的決策過(guò)程?？梢詾槠渌馗邏航ㄔO(shè)工程中的落點(diǎn)優(yōu)選決策問(wèn)題提供參考。

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Location Selection Method of Receiving?end Power Grid of UHV Based on Multi?objective Optimization

SHANG Wen?ying1，LIU Li?hui2，LI Hua1，LIANG Yi1，HOU Yu?cheng1
（1.Econimic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；2.State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited，Daqing Power Electric Supply Company，Daqing，Heilongjiang 163000，China）

Based on the reasonable selection of substation location for UHV power，optimal allocation of energy resources to meet the maximum range as the basic starting point，the power flow is analyzed，the scope of the UHV placement of power supply is determined. Optimization mathematical method to study the choice of the UHV 500 kV placement，comprehensively consider the various factors of system interactions by using mathematical method to establish the normalization of placement to select target function.Take a given province UHV point selection as a typical example，availability of the method is validated.

UHV；Power flow；Location selection；Multi?objective optimization

TM715

A

1004-7913（2015）11-0020-04

商文穎 （1980—），女，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作。

2015-07-15）