特高壓交直流饋入下省級(jí)電網(wǎng)分區(qū)優(yōu)化研究

羅 峰，張 冰，紀(jì)祥貞，王小波，武 誠(chéng)，李兆偉，黃 慧

（1.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），南京 211006；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211006；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著特高壓交直流電網(wǎng)的建設(shè)投運(yùn)，我國(guó)華東、華北等受端電網(wǎng)已形成特高壓交直流混聯(lián)格局，在緩解受端電網(wǎng)高峰負(fù)荷用電困難的同時(shí)，也給電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來(lái)了新的問(wèn)題。直流大功率來(lái)電時(shí)，直流對(duì)網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源的置換效應(yīng)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致受端電網(wǎng)內(nèi)部分區(qū)受電比例增大，在嚴(yán)重故障下導(dǎo)致分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后可能存在嚴(yán)重的頻率和電壓?jiǎn)栴}[1-4]。在這種大功率受電方式下，單純依靠低頻、低壓減載難以保證分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要預(yù)控分區(qū)與主網(wǎng)的交換功率或者通過(guò)增加孤網(wǎng)后緊急聯(lián)切負(fù)荷的策略，這在無(wú)形中增加了電網(wǎng)切負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的電力安全事故隱患，因此電網(wǎng)的分層分區(qū)方案需要根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展變化進(jìn)行優(yōu)化[5-7]。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中明確規(guī)定：隨著高一級(jí)電壓電網(wǎng)的建設(shè)，下級(jí)電壓電網(wǎng)應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)分區(qū)運(yùn)行，相鄰分區(qū)之間互為備用，以避免和消除嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的不同電壓等級(jí)的電磁環(huán)網(wǎng)，并有效限制短路電流，簡(jiǎn)化繼電保護(hù)配置[8]。目前電網(wǎng)分區(qū)主要考慮電網(wǎng)的短路電流水平及電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行控制。文獻(xiàn)[9]結(jié)合安徽電網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃對(duì)安徽電網(wǎng)500 kV/220 kV電網(wǎng)分層分區(qū)進(jìn)行了分析，提出了安徽電網(wǎng)分層分區(qū)的初步設(shè)想，但這一分層分區(qū)方案是根據(jù)調(diào)度運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)提出的，主要考慮電網(wǎng)中的電磁環(huán)網(wǎng)，無(wú)法保證分區(qū)供電的可靠性，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[10]介紹了寧波電網(wǎng)10年來(lái)逐步打開(kāi)電磁環(huán)網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)分層分區(qū)的發(fā)展歷程和實(shí)施現(xiàn)狀，但所實(shí)施的分層分區(qū)方案主要是通過(guò)打開(kāi)電磁環(huán)網(wǎng)來(lái)改善系統(tǒng)潮流分配、抑制短路電流，并未考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]以220 kV主變壓器負(fù)載率均勻?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)，以500 kV變電站220 kV母線短路電流、網(wǎng)損及供電可靠性作為約束條件，利用Tabu搜索法對(duì)分區(qū)優(yōu)化求解，該優(yōu)化方法在禁忌長(zhǎng)度較短時(shí)會(huì)過(guò)早陷入局部最優(yōu)，在禁忌長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)該優(yōu)化方法并未考慮分區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障孤網(wǎng)運(yùn)行后，在二、三道防線的作用下是否能保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

文中分析了特高壓交直流快速發(fā)展背景下分區(qū)電網(wǎng)的特性變化趨勢(shì)，建立了涵蓋經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性的電網(wǎng)分層分區(qū)量化評(píng)估指標(biāo)，提出了綜合考慮多重約束的電網(wǎng)分層分區(qū)方案優(yōu)選方法，基于所研究電網(wǎng)備用通道建立多個(gè)分層分區(qū)備選方案，利用基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS（逼近理想解排序法）的多目標(biāo)決策方法，從備選方案中選擇最優(yōu)方案，可以很好地解決電力系統(tǒng)運(yùn)行控制中經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性與可靠性矛盾的問(wèn)題。

1 電網(wǎng)現(xiàn)有分區(qū)運(yùn)行存在的問(wèn)題

文中以某特高壓交直流受端電網(wǎng)的分區(qū)電網(wǎng)為例介紹電網(wǎng)現(xiàn)有分區(qū)運(yùn)行所存在的問(wèn)題。如圖1所示，分區(qū)1分別通過(guò)2條500 kV線路與相鄰分區(qū)相連，其中A-B和A-C均為同桿并架線路，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)A-B或A-C的雙回線同停檢修時(shí)，一旦發(fā)生剩余兩回線“N－2”故障，會(huì)造成該分區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 某分區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)

在特高壓直流接入前，典型方式下，該分區(qū)最大受電比例為40.08%，當(dāng)出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)現(xiàn)有的低頻、低壓減載策略就可以使分區(qū)電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。特高壓直流接入后，由于電源的替代效應(yīng)，分區(qū)的最大受電比例增加至68.38%，一旦發(fā)生分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)的故障，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的頻率和電壓?jiǎn)栴}。圖2、圖3給出了典型方式下，該分區(qū)孤網(wǎng)后的電壓及頻率響應(yīng)曲線，可以看出典型方式下存在電壓和頻率失穩(wěn)問(wèn)題。

圖2 分區(qū)1孤網(wǎng)后電壓響應(yīng)曲線

圖3 分區(qū)1孤網(wǎng)后頻率響應(yīng)曲線

在這種大功率受電方式下，單純依靠低頻、低壓減載難以保證分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要預(yù)控分區(qū)與主網(wǎng)的交換功率或者通過(guò)增加孤網(wǎng)后緊急聯(lián)切負(fù)荷的策略，這在無(wú)形中增加了電網(wǎng)切負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的電力安全事故隱患。現(xiàn)有電網(wǎng)分層分區(qū)方案很大程度上主要考慮短路電流控制及電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)的供電安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性存在矛盾時(shí)，需綜合考慮多個(gè)因素制定電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行方案。

2 電網(wǎng)分層分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

電網(wǎng)分層分區(qū)是一個(gè)全局性的問(wèn)題，必須統(tǒng)籌考慮對(duì)系統(tǒng)整體的影響。要實(shí)現(xiàn)合理的分層分區(qū)，必須擬定科學(xué)合理和完備的評(píng)估指標(biāo)體系，這是確保評(píng)估有效性、實(shí)現(xiàn)合理分層分區(qū)的基礎(chǔ)。根據(jù)電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性等方面的影響，制定如表1所示的評(píng)估指標(biāo)。

表1 電網(wǎng)分層分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)損

網(wǎng)損是評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，分為理論網(wǎng)損和實(shí)際網(wǎng)損，在離線仿真中通過(guò)潮流計(jì)算得到的一般是理論網(wǎng)損。電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行會(huì)改變電力系統(tǒng)的潮流狀態(tài)，從而影響系統(tǒng)的網(wǎng)損，因此在優(yōu)選分層分區(qū)方案時(shí)需要考慮網(wǎng)損這一指標(biāo)[12]。

2.2 短路電流控制代價(jià)

當(dāng)電網(wǎng)短路電流超標(biāo)時(shí)，需要采取一定的措施對(duì)短路電流進(jìn)行限制。目前，常用的措施包括線路拉停、線路出串、配置線路串抗、變壓器中性線串電抗等方式。文中所提的短路電流控制代價(jià)主要指配置線路串抗、變壓器中性線串電抗等帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，指標(biāo)采用需要配置串抗的個(gè)數(shù)，而線路拉停、線路出串等措施帶來(lái)的影響通過(guò)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)來(lái)衡量。

2.3 短路電流水平

分區(qū)運(yùn)行時(shí)，可以增加系統(tǒng)的電氣距離，從而減小系統(tǒng)的短路電流。通過(guò)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行分層分區(qū)，合理分配各個(gè)分區(qū)負(fù)荷，可以有效減小短路電流，并且這種措施最為經(jīng)濟(jì)。所以，短路電流水平也可以作為評(píng)價(jià)負(fù)荷分區(qū)是否合理的有效指標(biāo)之一。短路電流越小說(shuō)明系統(tǒng)越安全，因此選取各方案中母線短路電流的最大值作為各方案的短路電流水平指標(biāo)。

2.4 安全穩(wěn)定特性

電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行后會(huì)引起系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化，有可能使系統(tǒng)的暫態(tài)安全穩(wěn)定特性發(fā)生改變。電力系統(tǒng)暫態(tài)安全穩(wěn)定特性包括暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓安全和暫態(tài)頻率安全，由國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院發(fā)明的FASTEST軟件可以定量計(jì)算功角、電壓及頻率的安全穩(wěn)定裕度，可將它們作為評(píng)價(jià)電網(wǎng)分區(qū)效果的指標(biāo)之一。該指標(biāo)值越大說(shuō)明該方案下系統(tǒng)穩(wěn)定性能越高，因此選取各方案中系統(tǒng)最低穩(wěn)定裕度作為各方案的安全穩(wěn)定性指標(biāo)。

2.5 “N－1”準(zhǔn)則

“N－1”準(zhǔn)則是判定電力系統(tǒng)安全性的一種準(zhǔn)則，又稱單一故障安全準(zhǔn)則，是對(duì)分層分區(qū)方案穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。若方案中不存在“N－1”開(kāi)斷后線路過(guò)載和電壓越限，則“N－1”靜態(tài)評(píng)估指標(biāo)為1，否則為0。

2.6 停電功率期望

EDNS（停電功率期望值）是對(duì)分層分區(qū)方案的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，指標(biāo)單位為MW[13-15]，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：PEDNS為停電功率期望值；F為系統(tǒng)狀態(tài)的集合；pi為第i個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)的概率；LDNS，i為第i個(gè)狀態(tài)下的切負(fù)荷量。

3 分層分區(qū)方案優(yōu)選

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

由于每個(gè)指標(biāo)在方案評(píng)價(jià)中的重要程度不一樣，因此在進(jìn)行優(yōu)選決策時(shí)需對(duì)每個(gè)指標(biāo)賦一個(gè)權(quán)重以表示其在評(píng)價(jià)過(guò)程中的重要程度。確定權(quán)重的方法有主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法，其中德?tīng)柗品ㄅc熵權(quán)法是較為常見(jiàn)的主、客觀賦權(quán)法[16-17]。為了使各指標(biāo)的權(quán)重既能體現(xiàn)人的主觀意愿同時(shí)也體現(xiàn)決策的客觀性，文中采用主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法，計(jì)算公式如下：

式中：wj為德?tīng)柗品ㄋ_定的各指標(biāo)的權(quán)重值；wej為熵權(quán)法所確定的各指標(biāo)的權(quán)重值；λj為各指標(biāo)的綜合權(quán)重值；n為指標(biāo)數(shù)。

如果綜合權(quán)重不在所確定的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重范圍之內(nèi)，那么將此綜合權(quán)重用于決策方案的選擇會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，所以有必要對(duì)計(jì)算綜合權(quán)重的公式進(jìn)行修正，修正公式如下：

式中：φ為修正系數(shù)，0≤φ≤1。

3.2 分層分區(qū)方案優(yōu)選決策方法

電網(wǎng)分層分區(qū)方案的優(yōu)選是一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題。常用的多目標(biāo)決策方法有層次分析法、模糊綜合決策法、灰色關(guān)聯(lián)分析法以及TOPSIS等。層次分析法是一種系統(tǒng)性分析法，所需數(shù)據(jù)信息較少，將定性與定量2種方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，避免了復(fù)雜計(jì)算，但其基于專家打分的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化過(guò)程，使評(píng)價(jià)結(jié)果帶有一定的主觀性。模糊綜合評(píng)價(jià)法是通過(guò)精確的數(shù)字手段對(duì)模糊的評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行處理，能對(duì)模糊性的信息資料做出比較科學(xué)的量化評(píng)價(jià)，但其計(jì)算復(fù)雜，并且具有一定的主觀性?；疑P(guān)聯(lián)分析法是通過(guò)確定備選方案與理想方案之間的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行決策的方法，它根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，來(lái)衡量因素間的關(guān)聯(lián)程度，但它只能度量各方案相同因素間的關(guān)聯(lián)性，因此在優(yōu)選方案時(shí)僅僅通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法是不全面的，需要通過(guò)其他方法來(lái)彌補(bǔ)它的缺點(diǎn)。TOPSIS通過(guò)計(jì)算各種方案與最優(yōu)和最劣方案的距離，獲得各方案與最優(yōu)方案的相對(duì)貼近度，再進(jìn)行排序，但如果出現(xiàn)2個(gè)方案的相對(duì)貼近度相等的情況，就無(wú)法對(duì)方案進(jìn)行排序。以下綜合利用灰色關(guān)聯(lián)分析法與TOPSIS對(duì)各方案進(jìn)行評(píng)價(jià)[18-20]，既避免了評(píng)價(jià)的主觀性，又避免了陷于局部最優(yōu)解以及大量計(jì)算的問(wèn)題。具體的評(píng)價(jià)步驟如下：

（1）計(jì)算加權(quán)決策矩陣。

式中：vij為第i個(gè)備選方案中第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值，i=1，2，…，m（m 為備選方案數(shù)），j=1，2，…，n。

（2）確定正、負(fù)理想解。

正理想解

負(fù)理想解

（3）計(jì)算各方案與正、負(fù)理想解的距離。

第i個(gè)方案的指標(biāo)規(guī)范值與正、負(fù)理想解之間的距離分別為：

（4）計(jì)算各方案與正理想解的灰色關(guān)聯(lián)度。第i個(gè)方案與正理想解關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

各方案與正理想解的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

（5）計(jì)算各方案與負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度。

第i個(gè)方案與正理想解的灰色關(guān)聯(lián)度：

第i個(gè)方案與負(fù)理想解關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

各方案與負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

第i個(gè)方案與負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度：

（6）將距離和灰色關(guān)聯(lián)度標(biāo)準(zhǔn)化。

由于灰色關(guān)聯(lián)度和距離的度量方法和數(shù)量級(jí)不同，因此有必要將它們規(guī)范化。規(guī)范化的公式為：

（7）計(jì)算各方案的相對(duì)貼近度。

構(gòu)造如下公式：

式中：α+β=1，α，β的大小反映了決策者對(duì)灰色關(guān)聯(lián)分析法和TOPSIS的偏好；綜合反映了方案與理想方案的接近程度，其值越大方案越優(yōu)；則反映了方案與理想方案的遠(yuǎn)離程度，其值越大方案越劣。

那么，各方案的相對(duì)貼近度：

將所求的相對(duì)貼近度進(jìn)行排序，貼近度越大，則方案越優(yōu)。

4 算例分析

以某實(shí)際電網(wǎng)不同的分層分區(qū)方案選擇為例，說(shuō)明考慮多重約束的分區(qū)優(yōu)化方法。如圖4所示，圖中實(shí)線表示分區(qū)1與分區(qū)2、分區(qū)2與分區(qū)3分別通過(guò)2條500 kV的線路相連，虛線表示分區(qū)之間的備用通道，根據(jù)備用通道的開(kāi)合狀態(tài)，可以列出4種備選方案：方案一，保持現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（1-2開(kāi)環(huán)、3-4合環(huán)）；方案二，將1-2合環(huán)、3-4合環(huán)；方案三，將1-2合環(huán)，3-4開(kāi)環(huán)；方案四，將1-2開(kāi)環(huán)、3-4開(kāi)環(huán)。

圖4 考慮分區(qū)間備用通道不同狀態(tài)的4個(gè)分層分區(qū)備選方案

針對(duì)上述各方案，基于實(shí)際電網(wǎng)的典型方式計(jì)算數(shù)據(jù)，可得各個(gè)方案下各指標(biāo)的計(jì)算值如表2所示。

表2 4個(gè)備選方案各指標(biāo)的計(jì)算值

根據(jù)表2各指標(biāo)的計(jì)算值，運(yùn)用德?tīng)柗品?、熵?quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重如表3所示。

表3 各指標(biāo)的權(quán)重值

利用基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS的多目標(biāo)決策方法，對(duì)4個(gè)備選方案進(jìn)行決策優(yōu)選。根據(jù)式（13）及（14）計(jì)算各備選方案與正、負(fù)理想解的標(biāo)準(zhǔn)化距離和灰色關(guān)聯(lián)度如表4所示。

表4 4個(gè)備選方案與正、負(fù)理想解的標(biāo)準(zhǔn)化距離和灰色關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式（15）計(jì)算得到各備選方案與正、負(fù)理想解的接近程度如表5所示。

表5 4個(gè)備選方案與正、負(fù)理想解的接近程度

根據(jù)式（16）計(jì)算得到各備選方案的相對(duì)貼近度如表6所示。

表6 4個(gè)備選方案的相對(duì)貼近度

由表6的計(jì)算結(jié)果可知，方案三是所給考核指標(biāo)下4個(gè)方案中最優(yōu)的，與實(shí)際規(guī)劃相符。

采用方案三的分區(qū)運(yùn)行方式，該方案典型方式下，分區(qū)的最大受電比例為12.5%，此時(shí)分區(qū)的負(fù)荷為7 570.5 MW。當(dāng)該分區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)現(xiàn)有的低頻、低壓減載策略可以使分區(qū)電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，低頻、低壓減載切除負(fù)荷448.55 MW，未觸發(fā)國(guó)務(wù)院第599號(hào)令《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》。圖5、圖6給出了典型方式下，該分區(qū)孤網(wǎng)后的電壓及頻率響應(yīng)曲線。

5 結(jié)論

圖5 分區(qū)孤網(wǎng)后電壓響應(yīng)曲線

圖6 分區(qū)孤網(wǎng)后頻率響應(yīng)曲線

特高壓交直流的快速發(fā)展為我國(guó)大范圍優(yōu)化配置資源提供了有效手段，隨著特高壓輸電功率的不斷增長(zhǎng)以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)進(jìn)入新常態(tài)，外來(lái)電力對(duì)受端電網(wǎng)本地開(kāi)機(jī)的替代效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，特高壓交直流饋入后受端電網(wǎng)面臨較大的頻率和電壓安全風(fēng)險(xiǎn)。文中以此為背景分析了特高壓直流大功率饋入受端電網(wǎng)后電網(wǎng)的特性變化及分區(qū)優(yōu)化策略，得出以下主要結(jié)論：

（1）特高壓交直流外來(lái)電力替換本地開(kāi)機(jī)后，分區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)的交換功率進(jìn)一步增大，在嚴(yán)重故障下，分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后可能存在嚴(yán)重的頻率和電壓?jiǎn)栴}，原先全網(wǎng)統(tǒng)一配置的低頻、低壓減載措施量可能不足，需要優(yōu)化分區(qū)電網(wǎng)的三道防線，增加事故后切負(fù)荷量，存在較大的電力安全事故隱患。

（2）目前電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃主要考慮短路電流和電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行等問(wèn)題，為應(yīng)對(duì)特高壓直流大功率來(lái)電后的新問(wèn)題，提出了涵蓋經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性的電網(wǎng)分區(qū)量化評(píng)估指標(biāo)，基于所研究電網(wǎng)備用通道建立多個(gè)分區(qū)備選方案，利用基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS的多目標(biāo)決策方法從備選方案中選擇最優(yōu)的方案。實(shí)際電網(wǎng)的算例驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法具有工程實(shí)用性，可為特高壓交直流饋入后受端電網(wǎng)分區(qū)優(yōu)化提供技術(shù)支撐。