用于解決電網(wǎng)輸電阻塞的機(jī)組降壓運行方案多階段優(yōu)選方法

黃 冰 ，李 勇 ，譚 益 ，譚玉東 ，謝欣濤 ，侯益靈

（1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南 長沙 410004）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，受國家宏觀政策和發(fā)電企業(yè)提高運行效益等因素的影響，電力系統(tǒng)新投運的機(jī)組多為600MW及以上機(jī)組，未來5至10年1 000 MW 級機(jī)組也將大量投運［1-2］。 因此，220 kV電網(wǎng)機(jī)組投運比例明顯下降。與此同時，負(fù)荷中心地區(qū)受站點選址等外部因素的影響，500 kV站點及220 kV通道建設(shè)不能適應(yīng)快速增長的負(fù)荷，部分線路出現(xiàn)輸電阻塞，故部分地區(qū)電力供應(yīng)出現(xiàn)不足，供電可靠性和電壓穩(wěn)定問題日益突出［3-8］。由220 kV網(wǎng)絡(luò)電源不足導(dǎo)致的輸電阻塞與安全穩(wěn)定問題變得愈加嚴(yán)重。

目前，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》［9］是選擇電廠接入系統(tǒng)方案的主要依據(jù)。導(dǎo)則規(guī)定，合理分層，將不同規(guī)模的發(fā)電廠接到相適應(yīng)的電壓網(wǎng)絡(luò)。因此，合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)［8-12］是保證電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)，譬如合理的分層分區(qū)可以使得負(fù)荷就地平衡，緩解輸電阻塞并提升穩(wěn)定運行水平［13-16］。對于220 kV網(wǎng)絡(luò)電源不足導(dǎo)致的輸電阻塞問題，可通過合理地改接部分500 kV電源，使其降壓運行，直接服務(wù)于220 kV電網(wǎng)，實現(xiàn)負(fù)荷就地消納，緩解500 kV網(wǎng)絡(luò)下網(wǎng)壓力。

大型機(jī)組電壓等級的選擇不只影響自身的運行經(jīng)濟(jì)性，還對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。因此，機(jī)組降壓運行方案的選取需要綜合考慮方案的經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)安全穩(wěn)定性等因素。文獻(xiàn)［17］研究了將1000 MW機(jī)組接入220 kV電網(wǎng)的可行性，以便為500 kV電網(wǎng)提供更大發(fā)展空間。文獻(xiàn)［18-19］中提出：對于送端電網(wǎng)，600 MW及以上機(jī)組宜接入500 kV電網(wǎng)，以便于提高送電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對于受端電網(wǎng)，特別是負(fù)荷中心，600 MW機(jī)組可接入地區(qū)220 kV主網(wǎng)，以避免變電容量的浪費、提高電網(wǎng)投資效益和發(fā)電廠發(fā)電效益。

目前有關(guān)機(jī)組降壓運行的文獻(xiàn)［2，17，19］大多是定性地從機(jī)組降壓運行后系統(tǒng)的潮流分布、電壓穩(wěn)定水平和短路電流來討論機(jī)組降壓運行方案的可行性，沒有考慮機(jī)組降壓運行后系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定裕度和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，也沒有定量地分析機(jī)組降壓運行方案的合理性，因此有必要尋求一種同時考慮方案的經(jīng)濟(jì)性、靜態(tài)電壓裕度的機(jī)組降壓運行優(yōu)化方法，用于優(yōu)選合理的機(jī)組降壓運行方案。

鑒于此，本文提出一種電網(wǎng)機(jī)組降壓運行方案的多階段優(yōu)選方法。首先，根據(jù)機(jī)組容量與負(fù)荷的匹配度、機(jī)組接入電網(wǎng)的電壓等級確定初始的機(jī)組降壓運行方案集合；然后，基于網(wǎng)損、電壓偏移率、線路潮流過載率、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、靜態(tài)靈敏度和短路電流指標(biāo)，采用線性加權(quán)的方法建立評價機(jī)組降壓方案的目標(biāo)函數(shù)，運用變異系數(shù)法確定目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行排序，從而選擇優(yōu)化方案；最后，通過N-1和暫態(tài)電壓校驗確定最終的機(jī)組降壓運行方案。本文將通過實際算例驗證所提出的多階段優(yōu)選方法的有效性。

1 機(jī)組降壓方案優(yōu)選的總體策略

本文提出的機(jī)組降壓運行方案的多階段優(yōu)選方法的流程如圖1所示，具體如下。

（1）第一階段：根據(jù)發(fā)電廠裝機(jī)容量與負(fù)荷的匹配度和各個發(fā)電廠機(jī)組接入的電壓等級來確定機(jī)組降壓運行方案的候選集合。

（2）第二階段：首先，對各個候選方案進(jìn)行網(wǎng)損、線路潮流過載率、電壓偏移率、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、靜態(tài)靈敏度和短路電流的計算；然后，建立一個線性加權(quán)的評價模型，并用變異系數(shù)法確定評價模型中的權(quán)重，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的大小，對初選方案進(jìn)行排序。

（3）第三階段：對優(yōu)化方案進(jìn)行N-1和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性校驗，優(yōu)選出滿足綜合評價指標(biāo)的機(jī)組降壓運行方案。

圖1 機(jī)組降壓優(yōu)選策略流程圖Fig.1 Flowchart of optimal scheme selection for voltage-reduced unit operation

2 機(jī)組降壓運行方案多階段優(yōu)選方法

2.1 第一階段：降壓運行方案初篩

本文主要是通過發(fā)電機(jī)組電壓等級和電源負(fù)荷的匹配度來確定機(jī)組降壓運行方案的候選集合。電源負(fù)荷匹配度的計算公式如下：

其中，β為電源負(fù)荷匹配度；Gmax為電源最大可用容量；PD為分區(qū)最大中調(diào)負(fù)荷。

指標(biāo)β反映出分區(qū)供電來源于本地電源的程度。β越大，則該地區(qū)供電主要依靠本地電源，對500 kV電網(wǎng)的依賴越小，風(fēng)險水平越低，從而使負(fù)荷能夠更好地就地消納。

2.2 第二階段：降壓運行方案的綜合排序

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文綜合考慮系統(tǒng)網(wǎng)損、線路潮流過載率、節(jié)點電壓指標(biāo)、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、靜態(tài)靈敏度和短路電流，基于線性加權(quán)法建立如式（2）所示的機(jī)組降壓方案的目標(biāo)函數(shù)。

其中，分別表示系統(tǒng)網(wǎng)損、節(jié)點電壓偏移率、支路潮流過載率、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、靜態(tài)靈敏度及短路電流；ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6為依次對應(yīng)上述 6 種指標(biāo)的權(quán)重。

機(jī)組降壓運行方案能夠帶來一個明顯的效益是降低網(wǎng)損、提高能源利用率，其中系統(tǒng)網(wǎng)損評價指標(biāo)定義如下：

其中，IP為系統(tǒng)網(wǎng)損評價指標(biāo)；PLD和PL分別為機(jī)組降壓運行方案后和方案前的網(wǎng)損值。IP能夠有效反映機(jī)組降壓運行后的電網(wǎng)網(wǎng)損變化情況。

合理的機(jī)組降壓運行方案能夠改善電壓分布情況，使電壓偏移維持在較小范圍內(nèi)。電壓偏移率指標(biāo)，即計算主要節(jié)點電壓和其額定電壓偏差與節(jié)點額定電壓之比的和，節(jié)點電壓偏移率指標(biāo)如下式所示：

其中，NB為節(jié)點總數(shù)；Ul、U分別為第l個節(jié)點的電壓值和其對應(yīng)的額定值。

機(jī)組降壓運行方案可能減少部分線路的潮流，但也可能會增加部分線路的潮流，因此需要對線路潮流水平進(jìn)行評價。支路潮流過載率指標(biāo)定義如下：

其中，NC為系統(tǒng)線路數(shù)；為線路潮流；為線路潮流限值。

本文采用功率儲備系數(shù)KP和電壓儲備系數(shù)KU來反映系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。功率儲備系數(shù)KP和電壓儲備系數(shù)KU的定義為：

其中，Pmax為系統(tǒng)極限有功功率；P為正常運行系統(tǒng)有功功率；U0為正常運行電壓；Ucr為臨界電壓。在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析中，當(dāng)系統(tǒng)傳輸功率接近或達(dá)到極限值時，系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界點，對應(yīng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析曲線（P-U曲線）達(dá)到拐點位置。該點的Ucr為臨界電壓，Pmax為系統(tǒng)極限功率。P-U曲線通常采用連續(xù)潮流法求得［20-21］。

本文采用PSD-Vsap靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析程序來繪制P-U曲線，從而計算出節(jié)點的功率儲備系數(shù)KP和電壓儲備系數(shù)KU。Pmax越大，功率儲備系數(shù)越大，系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性越強；Ucr越小，電壓儲備系數(shù)KU越大，系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性越強。

靜態(tài)靈敏度指標(biāo)（dU/dQ）用來反映在某一運行狀態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)某節(jié)點無功補償?shù)淖兓╠Q）對其電壓幅值產(chǎn)生的影響（dU）。靜態(tài)靈敏度越大，表示該節(jié)點電壓支撐能力越薄弱。

短路電流指標(biāo)指主要母線短路電流與母線遮斷電流之差的和與母線遮斷電流之比。該指標(biāo)的穩(wěn)定水平屬于正向，反映的是在系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)的短路電流水平下，母線節(jié)點的當(dāng)前短路電流與斷路器最大遮斷電流之間的距離。

2.2.2 約束條件

其中，PGi、QGi分別為發(fā)電機(jī)組的有功出力和無功出力；PDi、QDi分別為節(jié)點的總有功和無功負(fù)荷；Uj為節(jié)點 j的電壓幅值；Gij、Bij分別為連接節(jié)點 i、 j的電導(dǎo)和電納；θij為不同節(jié)點間電壓相角；Uimin、Uimax分別為第i個節(jié)點的最小允許電壓值和最大允許電壓值；分別為發(fā)電機(jī)的最小有功和無功出力；分別為發(fā)電機(jī)的最大有功和無功出力。

2.2.3 指標(biāo)權(quán)重計算

層次分析法［22-23］用相對標(biāo)度將人的判斷定量化，通過求解判斷矩陣得出各項指標(biāo)的權(quán)重。然而，當(dāng)不確定性和模糊性等因素較多時，層次分析法易受到打分者主觀判斷的影響，因此基于該方法計算的權(quán)重具有一定的主觀性。相反，變異系數(shù)法是一種利用被評價對象指標(biāo)的變異程度確定指標(biāo)權(quán)重的方法，可實現(xiàn)被評價對象各指標(biāo)的動態(tài)賦權(quán)［24］，它是一種客觀計算權(quán)重的方法。因此，本文采用變異系數(shù)法計算評價指標(biāo)的權(quán)重。首先利用各機(jī)組降壓運行方案的指標(biāo)確定評價矩陣，進(jìn)而通過對指標(biāo)矩陣的計算獲得指標(biāo)的權(quán)重向量，主要計算步驟如下。

（1）建立評價矩陣。

各機(jī)組降壓方案評價指標(biāo)數(shù)量相同且均有6個，第j個機(jī)組降壓方案的評價指標(biāo)向量為Yj=［y1j，y2j，y3j，y4j，y5j，y6j］T，其中，y1j為機(jī)組降壓運行方案的系統(tǒng)網(wǎng)損值；y2j為節(jié)點電壓偏移率指標(biāo)；y3j為支路潮流過載率指標(biāo)；y4j為靜態(tài)穩(wěn)定裕度指標(biāo)；y5j為靜態(tài)靈敏度指標(biāo)；y6j為短路電流指標(biāo)。

如果有n個機(jī)組降壓方案，則評價矩陣可表示為Y=［Y1，Y2，…，Yn］。 機(jī)組降壓方案評價指標(biāo)的權(quán)重用 ω 表示，則權(quán)重向量為 ω=［ω1，ω2，…，ωm］T（m=6為評價指標(biāo)的數(shù)量）。

（2）指標(biāo)同向化。

根據(jù)前述構(gòu)造方法可建立評價矩陣 Y=（yij）m×n，其中，n為被評價對象的數(shù)量。如果m個評價指標(biāo)中有負(fù)向指標(biāo)（即指標(biāo)值越小、狀況越好的指標(biāo)），則首先進(jìn)行指標(biāo)同向化處理，將其轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)（指標(biāo)值越大其反映的狀況越優(yōu)）進(jìn)行統(tǒng)一處理。具體方法如下：

其中，y′ij為正向指標(biāo)評價矩陣 Y′的元素；max Yi表示指標(biāo)向量Yi所在行元素中的最大值；k一般取0.1。

對指標(biāo)進(jìn)行同向化處理后得到評價矩陣Y′，再對Y′進(jìn)行去量綱化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″。指標(biāo)的去量綱化處理方法如下：

（4）指標(biāo)權(quán)重計算。

針對去量綱化處理后的標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″，分別采用式（11）、（12）計算指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

利用指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算變異系數(shù)Vi，如式（13）所示。

利用變異系數(shù)Vi可計算各指標(biāo)的權(quán)重ωi，具體如式（14）所示。

其中，m=6。

2.3 第三階段：N-1校驗和穩(wěn)定性評估

N-1原則是判定運行方案安全性的一種準(zhǔn)則。一般而言，N-1原則要求電力系統(tǒng)任一獨立元件（發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器等）發(fā)生故障被切除后，不造成其他元件過載。如果N-1準(zhǔn)則不能滿足，則需要對運行方案進(jìn)行調(diào)整。

發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)后，將會對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，其主要的穩(wěn)定判據(jù)為：在電網(wǎng)受到擾動后的暫態(tài)過程中，負(fù)荷母線電壓能恢復(fù)到0.8 p.u.以上，中長期過程中負(fù)荷母線電壓能保持或恢復(fù)到0.9 p.u.以上。

3 算例分析

以圖2所示的湖南東部電網(wǎng)為例，驗證本文提出的多階段優(yōu)選方法的有效性。如圖2所示，考慮的電壓等級為220 kV和500 kV，總裝機(jī)容量為4621.7 MW，負(fù)荷總量為4600 MW。由于220 kV網(wǎng)絡(luò)總裝機(jī)容量不足，連接在500 kV星沙、星城和沙坪母線處的主變下網(wǎng)壓力大，存在N-1輸電阻塞問題。解決該問題的方法之一，是把長沙電廠和湘潭電廠的部分機(jī)組降壓運行，緩解500 kV主變的下網(wǎng)壓力，使負(fù)荷能夠就地消納。

圖2 湖南東部電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of Eastern Hunan Power Grid

3.1 機(jī)組降壓運行方案初篩

根據(jù)發(fā)電廠裝機(jī)容量與負(fù)荷發(fā)展的匹配度，篩選出的機(jī)組降壓方案如圖3—5所示，具體說明如下。

方案1：不考慮調(diào)整湘潭電廠送出方案，將長沙電廠—長沙電單回500 kV線路改接到星沙220 kV母線，新建長沙電廠—星沙220 kV線路，同時長沙電廠—長沙電原有500 kV線路退出運行。

圖3 機(jī)組降壓方案1Fig.3 Unit voltage reduction scheme 1

圖4 機(jī)組降壓方案2Fig.4 Unit voltage reduction scheme 2

圖5 機(jī)組降壓方案3Fig.5 Unit voltage reduction scheme 3

方案2：將湘潭電廠—湘潭擴(kuò)單回500 kV線路改接到星城220 kV母線，長沙電廠—長沙電單回500 kV線路改接到星沙220 kV母線，新建湘潭電廠—星城220 kV線路、長沙電廠—星沙220 kV線路，同時將湘潭電廠—湘潭擴(kuò)、長沙電廠—長沙電原有的500 kV線路退出運行。

方案3：不考慮調(diào)整長沙電廠送出方案，將湘潭電廠—湘潭擴(kuò)單回500 kV線路改接到星城220 kV母線節(jié)點，新建湘潭電廠—星城220kV線路，同時將湘潭電廠—湘潭擴(kuò)原有的500 kV線路退出運行。

3.2 機(jī)組降壓運行方案綜合排序

初選的機(jī)組運行方案的評價指標(biāo)計算結(jié)果如表1所示。采用第2.2節(jié)提出的綜合評價方法，利用表1中的指標(biāo)數(shù)據(jù)對各機(jī)組降壓運行方案進(jìn)行綜合評價。

表1 機(jī)組降壓運行方案指標(biāo)數(shù)據(jù)Table1 Indexes of unit voltage reduction scheme

根據(jù)前述變異系數(shù)法生成評價矩陣，并對評價矩陣進(jìn)行同向化處理，將系統(tǒng)網(wǎng)損、節(jié)點電壓偏移率、支路潮流過載率、電壓穩(wěn)定裕度等指標(biāo)轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)，然后對矩陣進(jìn)行去量綱化處理，則可得到如下標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″：

根據(jù)式（11）—（14），可得到指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差si，進(jìn)而得到變異系數(shù)Vi、指標(biāo)權(quán)重ωi，結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)參數(shù)計算結(jié)果Table2 Results of index parameter calculation

從計算結(jié)果看，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、靜態(tài)靈敏度、短路電流和節(jié)點電壓偏移率指標(biāo)的權(quán)重較大。因此，根據(jù)式（1）可得到如下的機(jī)組降壓運行方案優(yōu)選的目標(biāo)函數(shù)：

可得 F0=0.484475，F(xiàn)1=0.500820，F(xiàn)2=0.517691，F(xiàn)3=0.494569，易知 F2＞F1＞F3＞F0。 由此可知，方案 2優(yōu)于其他方案。圖6—8給出了各方案的P-U曲線、Q-U曲線、母線無功-電壓靈敏度柱狀圖。由圖6和圖7（圖中電壓均為標(biāo)幺值，后同）可知，3種機(jī)組降壓方案的有功和無功裕度相較于降壓前均有所增加，其中方案2的有功和無功裕度最大。由圖8可知，方案2的母線無功-電壓靈敏度整體上都比較小，從而說明方案2的節(jié)點電壓比其他方案的穩(wěn)定，這進(jìn)一步表明方案2的綜合性能優(yōu)于其他方案。

圖6 關(guān)鍵節(jié)點星沙M1的P-U曲線Fig.6 P-U curves of key node Xingsha M1

圖7 關(guān)鍵節(jié)點星沙M1的Q-U曲線Fig.7 Q-U curves of key node Xingsha M1

3.3 N-1校驗和穩(wěn)定性校驗

圖8 關(guān)鍵節(jié)點的無功-電壓靈敏度Fig.8 Sensitivity of reactive power to voltage for key nodes

采用PSD-BPA軟件對各個方案進(jìn)行N-1校驗，結(jié)果表明上述3種方案均滿足N-1安全條件，沒有過載支路。進(jìn)一步，采用暫態(tài)仿真的方法，在500 kV電壓等級母線星沙H—星城H發(fā)生三相接地短路故障時，所得關(guān)鍵母線電壓曲線如圖9所示。從圖9可以看出，各方案在發(fā)生故障，相關(guān)線路故障消除后，電壓都能趨于穩(wěn)定。由此可見，3種可選降壓方案都不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，最終優(yōu)選出方案2為機(jī)組降壓運行的優(yōu)化方案。

圖9 關(guān)鍵節(jié)點星沙H母線的電壓穩(wěn)定曲線Fig.9 Bus voltage stability curve of key node Xingsha H

4 結(jié)論

本文提出了一種用于解決電網(wǎng)輸電阻塞的機(jī)組降壓運行方案多階段優(yōu)選方法。該方法基于變異系數(shù)法綜合確定多指標(biāo)權(quán)重，建立計及系統(tǒng)網(wǎng)損、線路潮流過載率、電壓偏移率、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、靜態(tài)靈敏度和短路電流的指標(biāo)矩陣，通過計算指標(biāo)向量的均值及標(biāo)準(zhǔn)差得到反映不同指標(biāo)重要程度的權(quán)重，結(jié)果更具客觀性。實際算例表明，本文提出的基于變異系數(shù)法的線性加權(quán)綜合優(yōu)化模型，能夠?qū)C(jī)組降壓運行方案進(jìn)行客觀的整體評價，進(jìn)而優(yōu)選出兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性的機(jī)組降壓運行方案。通過本文方法優(yōu)選出的機(jī)組降壓運行可以有效緩解區(qū)域供電壓力，充分發(fā)揮系統(tǒng)潛在的供電能力，并且對合理安排發(fā)電機(jī)組的降壓運行方案具有重要的指導(dǎo)意義。

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