基于LCC的輸電線路發(fā)展改造方案選擇

徐 巖，遲 成，石海勇

(1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北保定071003;2.國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海西寧810008)

0 引言

市場環(huán)境下，輸電線路發(fā)展規(guī)劃的基本任務(wù)是在滿足一定的可靠性水平下，盡可能經(jīng)濟(jì)地發(fā)展電力系統(tǒng)。現(xiàn)有輸電線路在設(shè)計規(guī)劃時考慮了N－1原則等多項指標(biāo)，但是隨著電網(wǎng)負(fù)荷增長，一些已經(jīng)運行了多年的線路在網(wǎng)絡(luò)一些元件退出運行時就會引起某些線路的重載或者過載等可靠性降低現(xiàn)象。電力企業(yè)經(jīng)常不得不采取消減負(fù)荷的方法保證電網(wǎng)運行安全，但是因此對電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模規(guī)劃更換的做法不僅會加重電力企業(yè)的投資成本，造成電力企業(yè)的損失，還會造成用電客戶的損失。所以為了提高供電可靠性，致力于服務(wù)電力客戶的宗旨，以及為以后電網(wǎng)正常安全運行，可以采用LCC方法進(jìn)行電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃方案研究比較。

面對輸電線路規(guī)劃，文獻(xiàn)［1］提出基于機會約束規(guī)劃的輸電系統(tǒng)規(guī)劃方法，考慮處理更多的不確定因素;文獻(xiàn)［2］提出基于動態(tài)碳排放價格的電網(wǎng)規(guī)劃模型;［3］基于風(fēng)險因子建立了輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃模型，采用蒙特卡羅模擬法對輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃;但是以上規(guī)劃方法在可靠與經(jīng)濟(jì)之間多偏重于可靠，有些盡管兼顧考慮了經(jīng)濟(jì)性，但是多是每個階段只考慮本階段成本，缺乏系統(tǒng)性和整體性。

因此本文采用全壽命周期管理的方法，該方法在國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)［4，5］涉及輸電線路設(shè)計的LCC 的基本概念和模型;文獻(xiàn)［6］關(guān)注在輸電線路設(shè)計中影響LCC的動因，以斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)衡量了各成本動因與LCC 之間的關(guān)系;文獻(xiàn)［7］提出了一種基于LCC 的特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型的模型;文獻(xiàn)［8］特別針對電力變壓器進(jìn)行了全壽命周期成本建模，提出了綜合敏感性分析方法。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，把可靠性管理遷移到設(shè)備管理的起始階段，運用蒙特卡羅模擬和直流潮流分析方法找到電網(wǎng)薄弱點和建立更加詳細(xì)、科學(xué)的輸電線路發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化模型，追求設(shè)備全壽命周期成本最低，比較不同發(fā)展改造方案并選出最優(yōu)方案。

1 基于LCC 的輸電線路發(fā)展規(guī)劃模型

［9］中LCC 基本模型，建立了基于LCC 的輸電線路發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化模型。

期望缺供電量(兆瓦時/期間)的計算公式:

式中:N 表示負(fù)荷水平分級數(shù);Fi表示第i 級負(fù)荷水平下系統(tǒng)失效狀態(tài)的集合;Ti表示第i 級負(fù)荷水平的時間長度，h;n(s)表示抽樣中s 狀態(tài)的發(fā)生數(shù);Ni表示抽樣總數(shù);C(s)表示狀態(tài)s 的負(fù)荷消減量，MW。上述變量可以在后文公式中求解。

作為電力企業(yè)，提高電網(wǎng)運行可靠性的同時兼顧運行的經(jīng)濟(jì)性，以及用電客戶的用電體驗，故本文采用了基于LCC 的方法模型建立下述采用直流潮流優(yōu)化模型，目的是在保證系統(tǒng)可靠和經(jīng)濟(jì)運行的前提下，出現(xiàn)線路故障時，可以以全壽命周期成本最小為目標(biāo)運行，保證供電可靠性，增加企業(yè)收益。

潮流計算有兩種方法，一種是非線性交流潮流，屬于精確潮流，一種是線性直流潮流，屬于非精確潮流。文獻(xiàn)［11］對兩者進(jìn)行了對比;文獻(xiàn)［12－13］運用直流潮流解決電力系統(tǒng)問題;文獻(xiàn)［14］提出一種提高計算精度的類直流潮流算法。因為在系統(tǒng)規(guī)劃時，規(guī)劃方案卻十分眾多，且要進(jìn)行大量預(yù)想事故篩選等，為了提高計算速度，所以本文采用了直流潮流。

上述公式是在滿足功率平衡，潮流關(guān)系，支路額定容量和發(fā)電機組出力限制的條件下，建立采用直流潮流方法的優(yōu)化模型。公式中Pl表示線路有功潮流矢量;A 表示有功潮流和母線注入功率的關(guān)系矩陣;PG 表示發(fā)電機輸出矢量;PD 表示母線的負(fù)荷矢量;C 表示母線負(fù)荷消減量;PGmax和PGmin表示發(fā)電機輸出量的上下限矢量;Plmax表示線路額定有功功率矢量;Wi表示母線重要性的權(quán)重因子;ND 表示負(fù)荷母線集合;NG 表示發(fā)電機母線集合。

直流潮流有θ = XP，Pl= BlΦ，Φ = Alθ 關(guān)系，關(guān)系矩陣A 為

式中:Bl表示各支路導(dǎo)納組成的對角矩陣，設(shè)系統(tǒng)的支路數(shù)為l，則Bl為l 階方陣;Al表示網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣;θ 表示節(jié)點電壓相角向量;Φ 表示各支路兩端相角差向量;X 表示節(jié)點導(dǎo)納矩陣虛部的逆矩陣。

2 基于LCC 的輸電線路發(fā)展規(guī)劃方法

本文討論的基于LCC 的輸電線路發(fā)展規(guī)劃方法步驟分為兩大部分:第一部分是統(tǒng)計找到網(wǎng)絡(luò)所有狀態(tài)下的重載線路;第二部分是針對這些線路提出不同發(fā)展規(guī)劃方案來解決重載造成負(fù)荷消減的問題，再利用LCC 模型討論不同方案的優(yōu)劣。

第一部分流程如圖1所示。

圖1 找尋重載線路流程圖Fig.1 The flow chart of looking for heavy haul line

第二部分對造成負(fù)荷消減的重載線路進(jìn)行擴(kuò)容。選擇哪些重載線路擴(kuò)容，擴(kuò)容多少容量，以及如何選擇導(dǎo)線可以形成多套方案，所以要通過計算不同方案的各個階段成本，選擇總成本最小的方案為最優(yōu)方案。

第二部分具體步驟如下:

(1)建立一個多級水平負(fù)荷模型，將年負(fù)荷運行數(shù)據(jù)按不同負(fù)荷水平統(tǒng)計。

(2)選擇一個擴(kuò)容方案。

(3)選擇一個年份，再選擇該年份一個負(fù)荷水平，利用蒙特卡羅模擬方法選擇系統(tǒng)狀態(tài)。由于本文考慮的是輸電系統(tǒng)規(guī)劃，所以設(shè)定發(fā)電機組是100%可靠，輸電線路分為正常運行和停運兩種狀態(tài)進(jìn)行模擬。

(4)使用直流潮流優(yōu)化方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，求解線性規(guī)劃最小負(fù)荷消減模型，盡可能減少負(fù)荷消減。

(5)計算修改成本指標(biāo)期望缺供電量EENS。

(6)重復(fù)(2)到(5)步驟，直到所有年份所有負(fù)荷水平都計算完畢。

(7)計算運行成本，檢修維護(hù)成本和故障成本，注意現(xiàn)值折算系數(shù)。

(8)統(tǒng)計投資成本和退役處置成本，計算方案的全壽命周期成本。

(9)重復(fù)(2)到(8)步驟，直到所有方案都統(tǒng)計完成。

(10)比較不同方案的全壽命周期成本，選擇出最優(yōu)方案。

圖2 輸電線路發(fā)展規(guī)劃方法整體流程圖Fig.2 The flow chart of transmission line planning methods

3 算例分析

本文采用上述方法用MATLAB 編程實現(xiàn)對IEEE39 節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行LCC 發(fā)展規(guī)劃。規(guī)劃所需要的起始參數(shù)如表1所示，候選輸電線路參數(shù)如表2所示。

節(jié)點的地理位置詳見附表1，設(shè)定年負(fù)荷運行曲線形狀不發(fā)生變化，年負(fù)荷增長率為2%，設(shè)定系統(tǒng)負(fù)荷點年負(fù)荷數(shù)據(jù)詳見附表2，基準(zhǔn)值是100 MW。

表1 輸電線路LCC 規(guī)劃參數(shù)Tab.1 Transmission lines LCC planning parameters

表2 候選輸電線路參數(shù)Tab.2 Candidate transmission lines parameters

首先統(tǒng)計找到所有狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)中重載嚴(yán)重的線路以及各重載線路占比例，結(jié)果見表3，表中線路標(biāo)號是由線路兩端母線號表示。

表3 找尋重載線路仿真結(jié)果Tab.3 The simulation results of heavy haul line searching

由表3 可知重載線路最嚴(yán)重的是線路6－11，其次依次是線路28－29，線路16－21，分別超過10%比例，三者占到總比例的67.04%，所以針對這三條線路進(jìn)行改造規(guī)劃，本文根據(jù)三條線路改造不同分為多種方案進(jìn)行仿真分析計算各方案LCC，找到最優(yōu)方案，方案討論結(jié)果見表4所示，由于退役處置成本，包括拆除處置人工、設(shè)備費用以及運輸費等，本文設(shè)定設(shè)備處理廢品收益抵消上述成本，所以退役處置成本為零，沒有在表中討論，此外，表中的檢修維護(hù)成本只考慮了涉及到的三條線路，因為其余線路的檢修維護(hù)成本在三種方案中基本相同，所以也沒有在表中體現(xiàn)。故障成本涉及到的EENS 數(shù)據(jù)見表5。

方案A1 是不采取任何改造措施，作為其他方案的對比。

方案A2 是線路6－11 擴(kuò)容到額定功率600 MW 的低故障率輸電線，線路28－2 和16－21 擴(kuò)容到額定功率700 MW 的低故障率輸電線。

方案A3 是線路線路6－11 擴(kuò)容到額定功率600 MW 的高故障率輸電線，線路28－2 和16－21擴(kuò)容到額定功率700 MW 的高故障率輸電線。

表4 方案比較結(jié)果Tab.4 Scheme comparison results

表5 各方案期望缺供電量Tab.5 The scheme of expected energy not supplied (MW)

首先比較兩個改造方案，由表4 可以比較看出，方案A3 的LCC 與方案A2 相比LCC 相差11.68 萬元，數(shù)值很接近。盡管方案A3 的投資成本低于方案A2，但是在故障成本中大于方案A2，再由表5 可知5年內(nèi)A2 的期望缺供電量要比A3少近9 247.492 MW，平均每年減少期望缺供電量1 849.50 MW，這是一個可觀的數(shù)字。再分析對比方案A1，方案A1 的LCC 很小，主要是因為沒有多余的投資成本，但是從表4 和表5 可以看出供電和輸電網(wǎng)可靠性很差，盡管該方案相比改造方案的成本要低價的多，但是不符合我國電網(wǎng)公司屬于國企以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為目標(biāo)的國策，也不符合電力企業(yè)致力于可靠運行，致力于客戶的宗旨。

綜上所述，從LCC 成本、提高用戶供電和輸電網(wǎng)運行可靠性三方面考慮，應(yīng)該選擇方案A2。

4 結(jié)論

本文提出一種全壽命周期成本用于輸電線路發(fā)展改造方案選擇的方法。目的是在電網(wǎng)改造時，保證可靠性情況下減輕電力企業(yè)的改造投資成本和電力用戶的損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。方法中運用了蒙特卡羅模擬和直流潮流分析方法:首先找到輸電線路薄弱點，再建立基于LCC 的輸電線路發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化模型，然后定量分析輸電線路改造方案的初始投資、運行成本、維護(hù)成本、故障成本、廢棄成本，最后尋求經(jīng)濟(jì)性和可靠性上最優(yōu)的方案。最后通過算例中IEEE39 節(jié)點運行分析，發(fā)展改造方案研究比較，得出應(yīng)該選擇較高成本但故障率低的方案的結(jié)論，證明了本方法的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn):

［1］趙國波，劉天琪，李興源，等.基于灰色機會約束規(guī)劃的輸電系統(tǒng)規(guī)劃［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(1):22－25.

［2］田廓，邱柳青，曾鳴.基于動態(tài)碳排放價格的電網(wǎng)規(guī)劃模型［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32(4):57－64.

［3］麻常輝，梁軍，楊永軍，等.基于蒙特卡羅模擬法的輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(4):99－102.

［4］Jeromin I，Balzer G，Backes J，et al.Life cycle cost analysis of transmission and distribution systems［C］.IEEE Bucharest PowerTech Conference，Bucharest，Romania，28 June－2 July，2009:1－6.

［5］Laxman Y.Waghmode L Y，Sahasrabudhe D A.Product life cycle cost modeling－ a suggested framework［C］.First International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology，16－18 July，2008:745－748.

［6］劉劍，張勇，杜志葉，等.交流輸電線路設(shè)計中的全壽命周期成本敏感度分析［J］.高電壓技術(shù)，2010，36 (6):1554－1559.

［7］劉漢生，劉劍，李俊娥，等.基于全壽命周期成本評估的特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型［J］.高電壓技術(shù)，2012，38 (2):310－315.

［8］徐玉琴，任正，詹翔靈，等.電力變壓器全壽命周期成本建模及其綜合敏感性分析［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，2014，41 (6):80－86.

［9］潘巍巍，方旭初，吳國威，等.電網(wǎng)資產(chǎn)全壽命周期過程性管理及應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2013.

［10］蘇海鋒，張建華，梁志瑞，等.基于GIS 空間分析與改進(jìn)粒子群算法的變電站全壽命周期成本規(guī)劃［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32 (16):92－99.

［11］趙晉泉，葉君玲，鄧勇.直流潮流與交流潮流的對比分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36 (10):147－152.

［12］賀慶，郭劍波.基于直流潮流模型的電力系統(tǒng)控制規(guī)則［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34 (23):11－15.

［13］王楠，張粒子，黃巍，等.電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度網(wǎng)損協(xié)調(diào)優(yōu)化方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(10):105－108.

［14］李虎成，於益軍，高宗和，等.一種提高計算精度的類直流潮流算法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37 (12):128－133.