特高壓直流分層接入電網的落點選擇研究

翟海保, 李兆偉, 黃 慧， 吳雪蓮， 羅凱明， 莊侃沁， 羅 峰

(1. 國家電網公司華東分部，上海 200120；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210003；3. 南瑞集團有限公司， 江蘇 南京210003；4. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京210024)

0 引言

近年來，我國特高壓交直流輸電工程應用取得了重大突破。華東電網作為我國最大的直流受端電網，截至2016年底，共有包含4回特高壓直流在內的8回直流投入運行。如此密集的直流落點為電網的規(guī)劃和運行帶來了諸多挑戰(zhàn)[1]，其中直流落點的選擇是電網規(guī)劃中需要解決的關鍵問題之一。按照國家電網公司規(guī)劃，至2018年底華東電網還將新建3回特高壓直流，為實現(xiàn)特高壓直流功率輸送的優(yōu)化，引導潮流合理分布，部分新建直流工程將采用分層接入1000 kV及500 kV電網的方式運行[2]。由于特高壓直流分層接入方式存在其特殊性，因此為直流落點的選擇引入了新的約束[3-10]。

直流落點選擇是一個非常復雜的系統(tǒng)決策問題，牽扯到決策目的、系統(tǒng)安全、經濟性、工程實施等多方面。在目前大電網規(guī)劃中，通?；陔娋W電力平衡需求，由規(guī)劃設計人員直接制定有限數(shù)量的直流落點方案，在此基礎上進行安全穩(wěn)定性、經濟性等方面的計算分析與評估，通過結果比較確定最終直流落點規(guī)劃方案。這種評估方法能夠同時考慮多種因素影響，但由于每個直流落點方案安全穩(wěn)定性和經濟性等評估工作量大，很難對所有可能方案進行評估比較，初始方案的制定在很大程度上需要依靠規(guī)劃設計人員的工作經驗，缺少對所有可能方案進行大面積初步篩選的工作環(huán)節(jié)和技術手段。文獻[11]從有效短路比、靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標和有功功率損耗3方面提出了同時兼顧穩(wěn)定性和經濟性的直流落點選擇方法，但在穩(wěn)定性方面沒有考慮多直流系統(tǒng)之間的相互影響因素，指標的設置較為簡單，操作過程中應用性不強。文獻[12]圍繞直流多饋入短路比，著重深入考慮新增直流與已有直流系統(tǒng)的交互影響，為直流落點選擇提供決策支持，但根本上該方法僅基于直流短路比，未考慮其他影響因素，結果可能較為片面。

為解決特高壓直流分層接入的落點選擇問題，文中基于直流分層接入的特殊性，重點研究了直流分層接入的評價指標，指標涵蓋了分層接入直流的運行特性、對已投運直流的影響、直流分層接入的潮流疏散特性以及系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。基于所提指標，采用多目標優(yōu)化決策算法對不同直流分層接入方案進行決策，并以實際多直流落點規(guī)劃電網為例，分析了所提決策方法的有效性，所得結論可為交直流電網規(guī)劃提供方法和技術支撐。

1 特高壓直流分層接入電網方式的特點

特高壓直流分層接入受端電網的簡化等值模型如圖1所示[2]，特高壓直流高端換流變、低端換流變分別接入500 kV和1000 kV網架，交流濾波器和無功補償裝置也分別接入500 kV和1000 kV交流母線。由于直流逆變側同極的2個換流器閥組串聯(lián)運行，而同一極的高、低端閥組分層接入2個不同系統(tǒng)參數(shù)和運行工況的交流電網，導致高、低端換流變參數(shù)(例如變比、漏抗、分接頭調節(jié)步長等)完全不同，從而造成高、低端閥組的觸發(fā)角、熄弧角和直流電壓都有所差異。因此必須把分接頭控制功能配置在閥組層，而不能放在極層中，以方便對兩交流系統(tǒng)獨立響應[3]，這客觀上為各換流器功率的獨立控制提供了條件，使直流分層輸送到不同電壓等級的功率控制更為靈活[4]。

由于直流分層接入受端電網不同電壓等級落點間的電氣距離一般都較小，因此某一電壓等級換流站發(fā)生擾動可能會對另一個電壓等級的換流站運行特性造成影響[3]。尤其是高端換流站和低端換流站之間的無功電壓控制方面，某一電壓等級系統(tǒng)的濾波器投切是否會對另一系統(tǒng)的濾波器投切造成擾動是關注的重點，在確定直流分層接入落點時應考慮這一因素的影響。

圖1 特高壓直流分層接入方式Fig.1 UHVDC hierarchical connection mode to AC power grid

2 特高壓直流分層接入電網落點選擇評價指標

現(xiàn)有針對多直流落點選擇的研究很少。在目前交直流電網規(guī)劃和直流輸電工程前期論證中，通常事先根據(jù)經驗預定幾種直流落點方案，然后利用潮流和穩(wěn)定程序對各方案進行安全穩(wěn)定仿真計算，比較不同落點方案的穩(wěn)定特性，在此基礎上根據(jù)研究人員的經驗確定滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求的實施方案建議，缺少定量有效的評價手段。

直流落點選擇需要考慮多個不同技術領域，且各方面可能包括若干需要考慮的因素，因此在電網規(guī)劃論證中，很難用數(shù)學方法描述不同方面的因素之間的關系，更難以設計一個同時兼顧上述因素的合理的決策方法。在工程實踐中，比較簡單的辦法是首先在各專業(yè)技術領域中分別篩選出可能的合理落點方案；在此基礎上，從不同領域的綜合角度，比選獲得最終的直流落點規(guī)劃方案。文中結合特高壓直流分層接入的特點，提出涵蓋經濟性和安全穩(wěn)定性的多個評價指標，用于定量評價不同落點方案在各個方面的優(yōu)劣程度，最終利用多目標決策算法從多個落點方案中選擇優(yōu)化的決策方案。

2.1 經濟性指標

評價直流分層接入方案的經濟性指標主要包括兩部分。一是不同落點方案的工程造價Pbl，二是不同落點方案下系統(tǒng)網絡損耗Ploss。工程造價方面，前文提到直流分層接入方式下某一電壓等級換流站發(fā)生擾動可能會對另一個電壓等級的換流站運行特性造成影響。為了降低這種影響，通?？刹捎眠m當增加分層接入點之間的電氣距離的方法，這往往會造成工程造價的改變。網絡損耗方面，由于直流落點不同會影響直流接入后的潮流分布特性，進而對系統(tǒng)網絡損耗造成影響。但網絡損耗與系統(tǒng)的運行方式密切相關，實際計算時選用多個典型方式下的平均值作為指標值。文中重點考慮電網穩(wěn)定特性對特高壓直流分層接入落點選擇的影響，因此在后文算例分析時忽略工程造價差別。

2.2 直流分層接入短路比

直流采用分層接入方式，從系統(tǒng)來看，相當于將其分為2個容量一定的直流，再經換流母線分層接入1000 kV和500 kV，從短路比定義[10]的角度上其計算方式與直流單層接入方式并無區(qū)別，只不過分層接入的特高壓直流需要對分層接入不同電壓等級的2個換流站分別計算多饋入短路比，在形成全系統(tǒng)的節(jié)點導納陣時需同時保留分層接入交流電網的1000 kV和500 kV換流站母線及其他直流換流站母線，直流分層接入的容量按實際容量計算。即分層接入直流第i層的多饋入短路比可由式(1)獲得：

(1)

式中：Ri為分層接入直流第i層的多饋入短路比；Sac1為第i層換流母線交流側的系統(tǒng)短路容量；UNi為第i層換流母線上的額定電壓；Zeqii為等值阻抗矩陣中第i層換流母線對應的自阻抗；Zeqij為等值阻抗矩陣中第i層換流母線和第j回直流(包括直流分層接入的另一層)換流母線之間的互阻抗；Pdi為第i層直流的額定功率；Pdj為第j回直流(包括直流分層接入的另一層)的額定功率。

2.3 分層接入直流對已投運直流的影響

當電網中新投運直流時會對已投運的直流運行特性造成影響，從短路比來看會造成已投運直流的多饋入短路比下降。文獻[12]在這一方面做了大量的工作，為了全面地分析新接入直流對已投運直流多饋入短路比的影響，提出了影響整體性指標、均衡性指標、干擾性指標、安全裕度指標，其基本思想是利用統(tǒng)計的觀點從不同方面分析新接入直流對已投運直流多饋入短路比的影響。文中從“木桶理論”的角度選擇直流分層接入后已投運直流的多饋入短路比最小值作為分層接入直流對已投運直流的影響指標，即為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，首先應保證多饋入短路比最小的直流可以正常運行。至于其他已投運直流短路比下降對系統(tǒng)的影響，可通過后文中的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度予以考慮。假設電網中已投運直流的多饋入短路比為Mscr_n，則分層接入直流對已投運直流的影響指標F可表示為式(2)：

F=min{Mscr_n,n∈已投運直流}

(2)

2.4 直流分層接入后電網疏散能力

直流分層接入是應對特高壓直流大容量接入受端電網后潮流疏散困難的有效手段，但即便分層接入大幅減少了直流注入到單一廠站的功率，若直流落點方案不合理仍可能由于多個疏散通道耦合造成特高壓直流功率疏散困難。在此，疏散能力主要考慮兩個指標：(1) 電網N-1故障或計及穩(wěn)控策略的N-2故障約束下直流分層接入的最大能力Pmax；(2) 考慮直流額定接入輸送容量下的為滿足潮流疏散要求直流分層接入在不同電壓等級上的功率分配比例Rd。其中直流最大輸電能力要考慮直流設備的能力，如±800 kV特高壓直流最大輸電能力為10 000 MW。分層接入的功率分配比例方面，雖然直流分層接入采用閥組側控制直流電流、電壓和熄弧角可以靈活實現(xiàn)直流功率在高低端換流站的分配，但當高低端功率不相等時，必然導致同一極上高低端閥組的壓降不同，若壓降差別較大，可能影響直流閥組的壽命，評價疏散能力的指標Rd采用式(3)表示：

(3)

式中：PH為高低端4個閥組中輸送功率最大的一個閥組功率；PL為輸送功率最小的一個閥組功率，當每一極高低端輸送功率相等時，Rd=1。

2.5 直流分層間交互影響程度

由于直流分層接入在受端電網的2個落點電氣距離一般較小，因此在直流無功控制方面，某一層換流站的濾波器投切是否會對另一層的濾波器投切造成擾動是關注的重點，或者某一層換流站濾波器的投切會對另一層換流站的母線電壓造成多大的影響，從影響的定義來看與多饋入直流相互作用因子基本一致[13]。因此，可以借鑒多直流相互作用因子定義直流分層間相互作用因子作為衡量直流分層間交互影響程度的指標Hi：當直流分層接入某一層換流母線i存在無功擾動，使其電壓下降1%時，另一層換流母線j的電壓變化為ΔUj，如式(4)。

(4)

式中：Ui0為換流母線i擾動前的母線電壓；Zii為等值阻抗矩陣中換流母線i對應的自阻抗；Zij為等值阻抗矩陣中換流母線i和換流母線j之間的互阻抗。

2.6 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度

直流分層接入后會對電網的安全穩(wěn)定特性造成影響，不同的分層接入方案造成的影響不同。電力系統(tǒng)暫態(tài)安全穩(wěn)定包括暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓安全和暫態(tài)頻率安全。暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度可基于標準的等面積擴展理論(extended equal area criterion，EEAC)計算獲得；暫態(tài)電壓安全包括暫態(tài)電壓跌落可接受性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；暫態(tài)頻率安全裕度一般采用暫態(tài)頻率跌落可接受性進行評價。這3個指標均可由集成了EEAC理論的FASTEST仿真軟件通過時域仿真獲得[14]。

單故障下安全穩(wěn)定裕度為暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度、暫態(tài)電壓安全裕度、暫態(tài)頻率安全裕度中的最小值，備選方案下安全穩(wěn)定裕度為所有考核故障下系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度的最小值。系統(tǒng)穩(wěn)定裕度一般通過時域仿真開展，但對所有可能存在的方案及故障進行掃描對比，工作量大，且不同方案下考核的故障往往存在差異。因此實際操作中為了提高效率及仿真對比的有效性，可將不同直流分層接入方案下系統(tǒng)薄弱斷面輸電能力作為系統(tǒng)穩(wěn)定裕度指標η，通過比較系統(tǒng)薄弱斷面輸電能力的變化情況衡量分層接入不同方案對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度的影響。

3 直流分層接入電網落點選擇策略

直流分層接入方案優(yōu)化是一個多目標決策問題，常用的多目標決策方法有目標規(guī)劃法、多目標模糊決策法、逼近理想解排序法(TOPSIS法)等[15-20]。在決策的過程中，各項指標的權重有著十分重要的作用，權重是否合理直接決定了評價的科學性。權重的確定一般可以分為主觀賦權法、客觀賦權法以及組合賦權法3類。其中，主觀賦權法包括層次分析法、德爾菲法等；客觀賦權法包括熵權法、模糊聚類分析法等；組合賦權法是在綜合主、客觀賦權結果的基礎上研究出來的復合型賦權方法，能較好地彌補主客觀賦權法各自的缺點。文中利用德爾菲法與熵權法相結合的組合賦權方法確定各指標的權重，再采用基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS法對直流分層接入方案進行決策優(yōu)化。

3.1 指標權重的確定

由于每個評價指標的重要性往往不同，需要為每個評價指標確定一個權值來代表其對決策方案的影響程度，權值的科學合理性會直接影響優(yōu)選的結果。德爾菲法和熵權法都是較為成熟的決策方法[16]。其中德爾菲法作為一種主觀賦權法，不需要具備樣本數(shù)據(jù)，主要依靠專家經驗即可對評價指標的相對重要性作出判斷；熵權法能較為客觀地反映指標信息熵值的效用價值，但它需要樣本數(shù)據(jù)，缺乏各指標之間的橫向比較。

為了使權值既能反映決策者的主觀愿望，又能體現(xiàn)決策的客觀性，文中采用德爾菲法確定主觀權重，熵權法確定客觀權重，并以主客觀加權屬性值一致化為目標求取主觀權重和客觀權重的加權系數(shù)，進而得到組合權重。假設通過德爾菲法確定各指標的主觀權重為ωDj，利用熵權法確定各指標的客觀權重為ωej，利用德爾斐法與熵權法相結合的方法得到第j個指標的綜合權重ωj為：

(5)

3.2 直流分層接入落點選擇策略

各指標權重確認之后，通過計算不同直流分層接入方案下的指標值，即可采用基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS法對直流分層接入方案進行決策優(yōu)化。TOPSIS法的基本思想是：計算現(xiàn)實中的每個方案距離最佳方案和最差方案的距離，通過理想解的相對接近度作為綜合評估的標準。利用灰色關聯(lián)度進一步改進TOPSIS法[20]，可以更確切地表述備選方案與理想方案的貼和度，以此比較方案的優(yōu)劣程度，最終提供決策依據(jù)。步驟包括：

(1) 首先計算所有備選方案的加權決策矩陣。

(6)

式中：vmn為第m個備選方案中第n個指標的標準化指標值。

(2) 根據(jù)各備選方案的指標值，確定所有備選方案的正理想解G和負理想解B。

(7)

(3) 計算不同接入方案與正、負理想解的距離如下式所示。

(8)

(4) 計算方案與正、負理想解的灰色關聯(lián)度。

① 第i個方案與正理想解關于第j個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)為:

(9)

第i個方案與正理想解的灰色關聯(lián)度為：

(10)

② 第i個方案與負理想解的灰色關聯(lián)度計算類似，關于第j個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)為:

(11)

第i個方案與負理想解的灰色關聯(lián)度為：

(12)

(5) 將備選方案與正、負理想解的距離和灰色關聯(lián)度標準化。由于備選方案與正、負理想解的距離和灰色關聯(lián)度的度量方法和數(shù)量級不同，需要進行無量綱標準化：

(13)

(6) 計算方案的相對貼近度。di′-和Ri′+數(shù)值越大，樣本越接近理想解；di′+和Ri′-數(shù)值越大，樣本越偏離理想解。綜合考慮標準化的備選方案與正、負理想解的距離和灰色關聯(lián)度，得到各方案與正、負理想方案的接近程度如下。

(14)

那么，各方案的相對貼近度為：

(15)

將所求的相對貼近度進行排序，貼近度越大，則方案越優(yōu)。

4 算例分析

為了驗證算法的有效性，基于實際電網中某規(guī)劃分層接入的特高壓直流開展落點選擇研究。實際電網的局部簡化網架如圖2所示，其中實線為現(xiàn)有網架，共有7回單層接入的直流投運(圖中局部電網僅畫出一回直流，落點I變電站)，計及規(guī)劃項目的可行性，規(guī)劃的特高壓分層接入方案有4種，通過虛線表示：當直流低端換流站接入ZZ1000 kV變電站時，直流高端換流站可通過方案1接入A、B、D 3個500 kV變電站或通過方案2接入B、C、D 3個500 kV變電站；當直流低端換流站接入YY1000 kV變電站時，直流高端換流站可通過方案3接入C、E、F 3個500 kV變電站或通過方案4接入C、E、F 3個500 kV變電站。發(fā)電廠J通過XX-YY特高壓線路送出是該網架下的薄弱斷面，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度選用XX-YY斷面的輸電能力。

圖2 某實際電網簡化示意Fig. 2 Network structure diagram of scheme 1

針對上述各方案，基于實際電網的典型方式計算數(shù)據(jù)，可得各個方案下指標計算值如表1所示。根據(jù)各指標的計算值，首先運用德爾斐法、熵權法計算各指標的權重如表2所示。

表1 各直流分層接入方案指標值Tab.1 Index value of all the schemes

表2 各指標權重值Tab.2 Weights of all the indexes

基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS法對4個備選方案進行決策優(yōu)化。根據(jù)式(7—13)計算各備選方案與正、負理想解的標準化距離和灰色關聯(lián)度，結果如表3所示。根據(jù)式(14)計算得到各備選方案與正、負理想解的接近程度如表4所示。

表3 各方案備選方案與正、負理想解的標準化距離和灰色關聯(lián)度Tab.3 The normalized euclidean distance and greycorrelation degree of all the schemes

由式(15)計算得到各備選方案相對貼近度：方案1為0.641 4；方案2為0.454 8；方案3為0.433 3；方案4為0.479 9。由計算結果可知，方案1便是所給考核指標下4個方案中的最優(yōu)方案，與實際規(guī)劃相符。

表4 各方案備選方案與正、負理想解的接近程度Tab.4 Closeness between all the schemes andthe positive or the negative ideal solutions

5 結語

文中從電網運行規(guī)劃的實際需求出發(fā)，計及直流分層接入電網的特點及影響，建立了能較為全面地綜合評價直流分層接入電網的多個指標，包括工程造價，系統(tǒng)網損、直流分層接入短路比、分層接入直流對電網已投運直流的影響、直流分層接入電網后疏散能力、直流分層間的交互影響程度以及系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，兼顧了電網經濟性及安全穩(wěn)定特性。針對不同的特高壓直流分層接入方案，通過計算各指標值，然后利用基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS法從備選方案中得到優(yōu)化方案。通過在實際電網的應用，證明該方法具有工程實用性，可為特高壓直流分層接入電網落點規(guī)劃提供技術支撐。

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