最優(yōu)化潮流計算的多小水電地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案

陳思明

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650000）

0 前言

降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益是目前電網(wǎng)面臨的重要問題，在傳輸過程中，約有4%-10%的電力能源因發(fā)熱、電暈等原因被消耗，其中，35kV 及以上電網(wǎng)消耗的電能約占2%-5%[1-5]。研究電網(wǎng)“節(jié)能降損”的技術(shù)措施，提出網(wǎng)損最小的優(yōu)化運(yùn)行方案，對電力部門實(shí)現(xiàn)“降損增效”目的具有重要的意義。某些水電資源極其豐富的地區(qū)，小水電的建設(shè)規(guī)模和裝機(jī)容量迅速擴(kuò)大，總裝機(jī)容量已超過地區(qū)最大負(fù)荷，對電力部門節(jié)約電能和改善電壓質(zhì)量有著重要的影響[6]。而小水電多為徑流式，且一般處于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的山區(qū)，水電出力受氣候、降雨等因素的影響，在水電大發(fā)期，大量上網(wǎng)潮流使某些設(shè)備負(fù)載量大增，設(shè)備的重載運(yùn)行不但加大了電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險，也使網(wǎng)損大幅增加[7]?？菟谒姵隽Φ?，近區(qū)負(fù)荷需從省網(wǎng)通道下網(wǎng)，傳輸距離長，消耗了大量無功。因此，多小水電地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變，受水電出力影響嚴(yán)重。

目前國內(nèi)外對各種降損措施做了大量研究，主要有：根據(jù)運(yùn)行方式的變化改變電網(wǎng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)潮流的優(yōu)化運(yùn)行；根據(jù)負(fù)荷變化合理安排變電站主變投、退方式，降低主變損耗；優(yōu)化無功潮流，實(shí)現(xiàn)無功功率的最短路徑傳輸；采用新材料、新技術(shù)等方案。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特征，利用最優(yōu)潮流OPF 求解功率優(yōu)化問題，綜合利用各種降損方案，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的重要手段[8-11]。本文根據(jù)多小水電地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)損最小為目的，采用遺傳算法求解電網(wǎng)最優(yōu)潮流，并提出了相應(yīng)的降損方案。

1 多小水電地區(qū)電網(wǎng)特性分析

1.1 電網(wǎng)運(yùn)行特性分析

圖1 某地區(qū)35 kV及以上電網(wǎng)地理接線圖

如圖1 所示為某地區(qū)35 kV 及以上電網(wǎng)地理接線圖，由圖1 可知，該地區(qū)電網(wǎng)以一座220 kV 省網(wǎng)變電站為中心，以110 kV 變電站為支撐進(jìn)行輻射。片區(qū)內(nèi)的水電資源主要集中在東部地區(qū)，而負(fù)荷中心則處于縣城及周邊的西部地區(qū)。每年3～8 月的豐水期，東部片區(qū)電網(wǎng)水電大發(fā)，電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)東電西送的特點(diǎn)，9～第二年2 月的枯水期期間，負(fù)荷主要經(jīng)220 kV省網(wǎng)通道下網(wǎng)供應(yīng)，呈現(xiàn)出西電東送的特點(diǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，電網(wǎng)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)中，取暖和降溫負(fù)荷所占比重越來越突出，夏季天氣炎熱，空調(diào)降溫負(fù)荷增多，電網(wǎng)總體負(fù)荷水平增大，冬季天氣寒冷，降溫負(fù)荷增多，電網(wǎng)總體負(fù)荷水平增大，電網(wǎng)運(yùn)行存在夏季和冬季兩個大方式[12]。又因?yàn)閺搅魇叫∷娋哂姓{(diào)節(jié)能力差、受上游來水量影響嚴(yán)重的特點(diǎn)，存在豐水期和枯水期兩個極端的發(fā)電方式[13]。因此，多小水電地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式可以分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四種典型運(yùn)行方式。圖2 為四種典型運(yùn)行方式的電網(wǎng)日負(fù)荷曲線對比。

圖2 四種典型運(yùn)行方式電網(wǎng)日負(fù)荷曲線對比

電網(wǎng)日負(fù)荷曲線受氣溫、降雨、節(jié)假日、大用戶生產(chǎn)方式等方面的影響，片區(qū)內(nèi)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)中，某鋼廠負(fù)荷所占比重較大，約為1/3，一般為晚上22 點(diǎn)至次日8 時開機(jī)生產(chǎn)，8 時之后停產(chǎn)。由圖2 可知，8 時后的負(fù)荷水平在豐水期大方式時最大，其次是枯水期大方式、枯水期小方式、豐水期小方式。豐水期境內(nèi)低壓側(cè)水電負(fù)荷可就地補(bǔ)償一部分負(fù)荷，豐水期小方式下的電網(wǎng)負(fù)荷水平要低于枯水期小方式。圖3為四種方式下典型日的水電出力曲線對比。

圖3 四種典型運(yùn)行方式下代表日的水電出力曲線對比

豐水期小方式一般出現(xiàn)在5、6 月份氣溫較為溫和、降雨最為豐富的時期，受氣候的影響，豐水期大方式下的降雨量，相對于小方式時有所減少。由圖3 可知，豐水期小方式下片區(qū)內(nèi)的水電出力最大，水電出力基本能夠在片區(qū)內(nèi)消耗，負(fù)荷低谷時段有負(fù)荷經(jīng)220 kV 變電站送入省網(wǎng)。因此，豐水期小方式下，水電出力達(dá)到極大值，網(wǎng)內(nèi)潮流方向呈現(xiàn)出東電西送的格局，潮流大、損耗大。豐水期大方式下，負(fù)荷水平有較大幅度的增長，水電出力相對降低，電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)出由220 kV 省網(wǎng)和東部水電密集區(qū)兩個源頭向負(fù)荷中心輸送的格局，網(wǎng)內(nèi)潮流相對減小，損耗可能降低。枯水期水電出力全年最低，受用戶負(fù)荷水平的影響，小方式時水電出力基本可以實(shí)現(xiàn)就地消耗，對省網(wǎng)的負(fù)荷需求較少，電網(wǎng)潮流規(guī)模小，損耗相對?。淮蠓绞綍r水電出力不足，對省網(wǎng)的負(fù)荷需求大，電網(wǎng)潮流規(guī)模增大，且呈現(xiàn)出西電東送的格局，損耗相應(yīng)增加。

圖4 繪制了不同程度降雨量下的降雨時小水電出力曲線圖，圖4 中降雨量為0 時的水電出力基本維持在2 MW 左右的水平，隨著降雨量的增長，水電出力也逐漸增長。文獻(xiàn)[14]對浙江某地區(qū)的小水電出力特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為徑流式小水電的出力曲線具有氣象相關(guān)性、時間滯后性、累計效應(yīng)的特征，當(dāng)該地區(qū)進(jìn)入持續(xù)且較強(qiáng)幅度的降雨階段時，水電站上游來水持續(xù)維持在較高的水平，水電出力相應(yīng)也維持在很高的水平，一旦降雨消失，上游來水減少，因徑流式小水電庫容量小使得出力迅速降低，最后逐漸恢復(fù)到不降雨時的水平。

圖4 不同降雨量下的小水電出力曲線對比

1.2 網(wǎng)損分析

為了分析不同運(yùn)行方式下多小水電電網(wǎng)網(wǎng)損特性，分別選取豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四種典型方式下代表日的負(fù)荷數(shù)據(jù)為樣本，進(jìn)行潮流計算，四種典型方式下的網(wǎng)損率按從大到小排序依次是：豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式。豐水期小方式代表日下，地區(qū)小水電大發(fā)，發(fā)電量超過了地區(qū)用電量，大量水電上網(wǎng)占用了輸電通道，導(dǎo)致網(wǎng)損率最大，達(dá)到7.65%。網(wǎng)損結(jié)構(gòu)中，110 kV 和35 kV 線路損耗所占比例最大，合計超過85%，由于歷史原因，東部小水電35 kV 送出通道線徑普遍較小，水電大發(fā)期間線路重載運(yùn)行，損耗異常增大。豐水期大方式下，地區(qū)負(fù)荷有所增長，雖水電出力仍保持較高規(guī)模，但短距離消耗的比例有所增加，使得遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏坑兴鶞p少，變壓器損耗和線路損耗都有大幅降低?？菟谛》绞綍r，負(fù)荷和水電出力都達(dá)到全年的一個極小值，東部小水電出力的減少使得各條送出通道的載流量相對于豐水期大方式繼續(xù)減少，網(wǎng)損進(jìn)一步降低?？菟诖蠓绞较?，水電出力低，送出通道的載流量水平低，負(fù)荷中心的用電需求基本經(jīng)過220 kV 省網(wǎng)通道下網(wǎng)，此時，220 kV 主變銅損與110 kV 主變銅損都達(dá)到了全年的最大值，經(jīng)省網(wǎng)通道下網(wǎng)到負(fù)荷中心的輸送距離短，線路損耗小，網(wǎng)損率達(dá)到了全年的最低值。因此，多小水電地區(qū)電網(wǎng)在水電大發(fā)時，大量的水電出力使各條輸電通道重載運(yùn)行，損耗異常升高，應(yīng)采取相應(yīng)措施，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)現(xiàn)降損增效的目的。

2 電網(wǎng)優(yōu)化計算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

目前，國內(nèi)外對最優(yōu)潮流問題OPF 做了大量的研究，OPF 是指在滿足正常功率平衡及各種安全指標(biāo)的約束下，調(diào)整電力系統(tǒng)中各種控制設(shè)備的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)最小化的優(yōu)化過程[15]。本文以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立的目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型如下：

式中，PL為電網(wǎng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的網(wǎng)損計算值，主要包括線路損耗、主變空載損耗和負(fù)載損耗等。P、Q、V、θ的變化范圍必須滿足一定約束條件，以保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。首先，潮流約束方程如下：

各節(jié)點(diǎn)電壓限制和因徑流式小水電機(jī)組特性決定的功率因素限制，即：

2.2 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法采用遺傳算法，潮流求解使用潮流計算軟件。將220 kV 母線作為平衡節(jié)點(diǎn)，變電站主變低壓側(cè)斷路器和發(fā)電廠高壓側(cè)母線作為PQ 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行潮流計算。正常運(yùn)行方式下電網(wǎng)參數(shù)及潮流情況作為初值，調(diào)整不同參數(shù)，將計算所得結(jié)果與初值計算結(jié)果進(jìn)行比較，若初值結(jié)果最優(yōu)，則舍棄改變參數(shù)后的計算結(jié)果，再次改變參數(shù)，進(jìn)行循環(huán)比較；若改變參數(shù)后計算結(jié)果最優(yōu)，則舍棄初值計算結(jié)果，將改變參數(shù)后的計算結(jié)果作為最優(yōu)計算結(jié)果，再與下一次計算結(jié)果進(jìn)行比較，循環(huán)往復(fù)，得到最優(yōu)解。

3 降損方案研究

3.1 調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式

根據(jù)電源和負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化，將多小水電群地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四種典型運(yùn)行方式。豐水期小方式下負(fù)荷中心的用電需求量相對較小，但小水電群出力大發(fā)補(bǔ)償了當(dāng)?shù)卮蟛糠重?fù)荷，甚至有部分負(fù)荷經(jīng)220 kV省網(wǎng)通道送入其它地區(qū)。

調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式，盡量實(shí)現(xiàn)水電出力通過最短路徑實(shí)現(xiàn)消耗，避免遠(yuǎn)距離迂回送電。

將負(fù)荷從電源中心輸送至用戶需經(jīng)過一段距離，在傳輸過程中產(chǎn)生了損耗，傳輸路徑越短，損耗越低，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的最短路徑傳輸，是降低網(wǎng)損的重要措施。

圖5 某地區(qū)110 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式簡圖

圖5 為根據(jù)圖1 繪制的電網(wǎng)運(yùn)行方式圖，東部小水電群可分為以110 kV 波水變?yōu)楹诵牡谋辈啃∷娙?、?10 kV 分水嶺變?yōu)楹诵牡闹胁啃∷娙汉鸵?10 kV 高石頭變?yōu)楹诵牡哪喜啃∷娙?。竹坪、新區(qū)、焦嶺、團(tuán)山、秀水、杉杉、綠華、瓦家坳是電網(wǎng)內(nèi)的主要負(fù)荷中心。水電大發(fā)期間，北部波水變負(fù)荷經(jīng)竹波線、110 kV 竹坪變送入220 kV 焦嶺變，調(diào)整竹坪變電網(wǎng)運(yùn)行方式，使35 kV 三都變、周源山變、唐洞變負(fù)荷轉(zhuǎn)由竹坪供電，增大竹坪變的負(fù)荷水平，即可實(shí)現(xiàn)波水變上網(wǎng)負(fù)荷的就地消耗，降低了竹坪變- 焦竹線- 焦嶺110 kV 母線的潮流，使電網(wǎng)網(wǎng)損降低。中部分水嶺變負(fù)荷經(jīng)瓦分線-瓦家坳旁母-瓦新線并入新區(qū)變，使得分水嶺變的水電出力在新區(qū)變實(shí)現(xiàn)了消耗，避免了負(fù)荷從焦新線迂回送電至新區(qū)消耗。南部高石頭變負(fù)荷經(jīng)瓦涼線-瓦家坳變-秀瓦線-秀水變-團(tuán)秀線-團(tuán)山變-焦團(tuán)線并入焦嶺變，雖部分負(fù)荷于瓦家坳、秀水、團(tuán)山消耗，但水電大發(fā)期間，南部小水電群出力就地消耗了一部分后，仍有很大一部分負(fù)荷經(jīng)輸送通道送入焦嶺變，再經(jīng)其它路徑輸送至其它負(fù)荷中心。此時，若將南部水電群的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)至新區(qū)變并網(wǎng)，將實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損目標(biāo)。

3.2 合理安排主變投、退方式

電網(wǎng)的負(fù)荷水平受氣溫、降雨、節(jié)假日、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的影響，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，生活負(fù)荷中取暖和降溫負(fù)荷所占比例在不斷增大，而這兩部分負(fù)荷與氣溫具有很強(qiáng)的相關(guān)性[16]。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一年當(dāng)中的冬季寒冷時段和夏季高溫時段某些變電站負(fù)荷最重，即：大方式運(yùn)行；春季和秋季氣溫相對溫和的時段負(fù)荷相對較小，即小方式運(yùn)行。因此，一年內(nèi)變電站負(fù)荷的變化曲線為一雙峰曲線，含2個高峰時段和2 個低谷時段。當(dāng)負(fù)荷向高峰時段發(fā)展的適當(dāng)時間，投入備用變壓器，向低谷負(fù)荷時段發(fā)展的適當(dāng)時間，退出備用變壓器。該方案實(shí)施后，一個變電站一年內(nèi)主變因經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的投切次數(shù)變?yōu)? 次，操作頻次大大減少，有利于向全網(wǎng)推廣。

3.3 小水電無功出力優(yōu)化

將地區(qū)電網(wǎng)的小水電群按照地理位置合網(wǎng)點(diǎn)劃分為三個部分：北部水電群、中部水電群和南部水電群。北部小水電群出力傳輸至220 kV 焦嶺變，途中基本無大消納，可近似為純電源送出線路。很顯然，提高北部水電群小水電的功率因數(shù)將有利于降低網(wǎng)損和電站電壓。最佳的小水電運(yùn)行功率因數(shù)應(yīng)該接近1.0，但另一方面，考慮到機(jī)組的穩(wěn)定性，小水電應(yīng)該產(chǎn)生少量的無功功率，功率因素不可能達(dá)到1.0。與理論分析結(jié)果一致，純電源送出線路的小水電功率因素越高，網(wǎng)絡(luò)損耗越大，水電出力越大時，提高小水電機(jī)組的功率因素時，網(wǎng)絡(luò)損耗降低的效果越明顯。從采樣日北部電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的實(shí)際值來看，豐水期下水電機(jī)組的功率因素普遍較高，超過0.9，枯水期水電機(jī)組功率因素較低，低于0.85。豐水期上游來水充足，機(jī)組盡量多發(fā)有功以提升效益，枯水期上游來水減少，機(jī)組盡量多發(fā)無功以到達(dá)無功年度考核指標(biāo)。但因受機(jī)組穩(wěn)定性等因素的限制，小水電機(jī)組功率因素不可能達(dá)到1.0，豐水期水電大發(fā)時，無功功率過剩，大量無功的遠(yuǎn)距離傳輸，增大了網(wǎng)絡(luò)損耗[17]。因此，小水電并網(wǎng)點(diǎn)配置充足的電抗器補(bǔ)償設(shè)備，實(shí)現(xiàn)就地消納無功的目的，對降低網(wǎng)損有重要的意義。

3.4 用戶側(cè)無功補(bǔ)償

電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t是：分層分區(qū)、就地補(bǔ)償，煉鋼廠、水泥廠、煉硅廠等大型工業(yè)用戶，若本身無功補(bǔ)償容量不足，將向電網(wǎng)吸收大量無功，造成無功的遠(yuǎn)距離傳輸，增加了線路損耗，產(chǎn)生不利影響[21-22]。汛期水電大發(fā)的情況下，南部片區(qū)各水電機(jī)組向電網(wǎng)輸送了大量無功潮流，在億興鋼廠消耗一部分后，向上級電網(wǎng)輸送的無功潮流減少，有利于降低網(wǎng)絡(luò)損耗。但枯水期高石頭、涼亭坳周邊機(jī)組出力低，億興鋼廠生產(chǎn)所需無功從220 kV 焦嶺變得到補(bǔ)償，在輸送過程中增加了焦嶺220 kV 主變、焦團(tuán)線、團(tuán)秀線、秀瓦線的有功損耗。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）小水電眾多的地區(qū)電網(wǎng)，水電出力變化對運(yùn)行方式產(chǎn)生了重大影響，根據(jù)水電出力即負(fù)荷情況的變化特征，將該電網(wǎng)運(yùn)行方式分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四種典型運(yùn)行方式。豐水期下若東部小水電大發(fā)，電網(wǎng)損耗將大幅增長，其中35 kV 及110 kV 線路損耗增幅較大。

2）根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式是降低網(wǎng)損的重要手段，調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式的目的主要是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功的最短路徑消耗和無功的優(yōu)化傳輸。汛期電網(wǎng)損耗異常的主要原因是35 kV 線路線徑小、負(fù)荷重，更換線徑大的導(dǎo)線是降低35 kV 線路損耗的最直接和有效的手段。

3）根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特征，提出了一種安排主變投、退方式的判據(jù)，一個變電站一年內(nèi)的操作次數(shù)最多僅有4 次，有利于向全網(wǎng)推廣。

4）對參數(shù)不對稱主變并列運(yùn)行、35 kV 系統(tǒng)三相電壓不平衡和用戶無功補(bǔ)償容量不足等造成附加線損的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改造措施。