新能源接入電網(wǎng)的斷面?zhèn)鬏敺绞骄垲惙治?/h1>

2022-01-11 08:13:14牛拴保柯賢波王吉利樊國旗

電力系統(tǒng)自動化訂閱 2022年1期 收藏

關(guān)鍵詞：限額關(guān)鍵斷面

任 沖，牛拴保，2，柯賢波，王吉利，霍 超，樊國旗

（1. 國家電網(wǎng)有限公司西北分部，陜西省西安市 710050；2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西省西安市 710049；3. 國網(wǎng)金華供電公司，浙江省金華市 321001）

0 引言

在中國提出2030 年碳達(dá)峰與2060 年碳中和目標(biāo)后，風(fēng)電、光伏將在過去快速發(fā)展的基礎(chǔ)上持續(xù)高速發(fā)展［1］?！笆奈濉逼陂g，新能源將迎來新一輪發(fā)展高峰，高比例新能源的接入將對傳統(tǒng)典型運行方式的制定帶來深刻影響。采用統(tǒng)計方法劃分運行方式對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行具有重要的意義［2-4］。

電網(wǎng)運行方式是指電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，包括機組開停機狀態(tài)、解合環(huán)狀態(tài)和中性點運行方式等。傳統(tǒng)電網(wǎng)潮流方向和大小相對固定［5-6］，可以從歷史峰、谷、平時段中選擇典型運行方式［7］。但隨著新能源大規(guī)模接入，電網(wǎng)運行方式愈發(fā)復(fù)雜多變，斷面潮流呈現(xiàn)大范圍波動和反轉(zhuǎn)特性，且在不同運行方式下斷面穩(wěn)定限額相差較大。傳統(tǒng)電網(wǎng)運行方式確定方式將不能很好適應(yīng)電網(wǎng)精益化運行要求［8］，且存在難以挖掘影響斷面限額關(guān)鍵因素的問題。

針對以上問題，文獻(xiàn)［9］對穩(wěn)定限額相關(guān)因素進(jìn)行了分析，并基于暫態(tài)穩(wěn)定裕度對強關(guān)聯(lián)斷面進(jìn)行識別，提升了調(diào)度運行人員斷面監(jiān)控精準(zhǔn)度，為運行方式合理化制定奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［10］對電力系統(tǒng)關(guān)鍵特征變量進(jìn)行分析，并采用聚類算法對電網(wǎng)運行方式進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)［11］通過對影響斷面限額規(guī)則的條件進(jìn)行分析，提出了一種以支路潮流、開機臺數(shù)為判定規(guī)則的方法，實現(xiàn)了斷面限額與發(fā)電計劃的自動匹配，提升了電網(wǎng)輸送潛力。文獻(xiàn)［12］對歷史斷面相似性進(jìn)行了研究，并通過決策樹提取、特征變量篩選、K-means 算法聚類，采用相似度匹配指標(biāo)對歷史相似數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。文獻(xiàn)［13］構(gòu)建了一種利用預(yù)調(diào)度方法對電網(wǎng)運行方式進(jìn)行評估的框架，提升了電網(wǎng)風(fēng)險評估能力。文獻(xiàn)［14］設(shè)計了電網(wǎng)運行方式自動優(yōu)化計算系統(tǒng)，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行方式的自動計算分析。

以上研究均對電網(wǎng)運行方式的劃分進(jìn)行了有益的探索，但隨著電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的不斷增多，如何更充分利用已有數(shù)據(jù)資源亟需新的探索。為此，本文針對影響斷面限額關(guān)鍵因素難以挖掘的問題，通過相關(guān)性分析來衡量重載斷面受限程度；針對傳統(tǒng)運行方式不能滿足電網(wǎng)精益化運行要求的問題，通過CLIQUE（clustering in quest）聚類對關(guān)鍵因素進(jìn)行劃分得到聚類方式，提升了運行方式的適應(yīng)性；針對關(guān)聯(lián)斷面同時存在輕載、重載問題，通過方式調(diào)整優(yōu)化，提升了通道利用率；最后，通過仿真分析驗證了本文算法在實際工程中的應(yīng)用效果。

1 重載斷面選取與通道關(guān)鍵影響因素分析

隨著直流、新能源大規(guī)模集中接入，電網(wǎng)穩(wěn)定特性日趨復(fù)雜。以中國西北與新疆聯(lián)網(wǎng)通道為例，該通道承載三大特高壓直流，并匯集沿線近50 GW 新能源接入，交直流故障沖擊能量大；電壓、頻率及同步穩(wěn)定等多種穩(wěn)定問題交織，影響范圍廣；重要斷面限額與不同地區(qū)新能源發(fā)電出力、不同主變壓器功率等多個因素相關(guān)，不同運行方式相關(guān)斷面限額差異較大。電網(wǎng)穩(wěn)定運行限額呈現(xiàn)多維度交互影響的特征。

1.1 重載斷面選取

新疆與西北聯(lián)網(wǎng)通道呈長鏈?zhǔn)綘睿渫ǖ垒旊娔芰εc多因素有較強相關(guān)性，整個通道為多級接力送電特點。其輸電斷面限額呈現(xiàn)“蹺蹺板”的特性，即前一級斷面輸送功率大、后一級斷面輸送功率小的“此消彼長”特性。其整體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 西北—新疆兩網(wǎng)通道示意圖Fig.1 Schematic diagram of channels between Northwest and Xinjiang grids of China

根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，聯(lián)網(wǎng)通道各斷面重載情況分布不均衡。在某些運行方式下，部分?jǐn)嗝嫦揞~較高而實際傳輸功率較低，并且與其關(guān)聯(lián)的其他斷面存在重載情況。為提升聯(lián)網(wǎng)通道整體傳輸效率，需要發(fā)現(xiàn)重載情況分布不均衡的運行方式，并針對上述方式進(jìn)行優(yōu)化。為此，本文采用統(tǒng)計方法挖掘出長期重載而形成阻塞的關(guān)鍵斷面。

關(guān)鍵斷面重載率計算公式如式（1）所示。

式中:PD，k，t為斷面k在時刻t的歷史有功功率；為斷面k的限額；F為重載率指標(biāo)，取90%；cover_load，k，t為斷面k在時刻t的重載狀態(tài)變量。

斷面重載時間指標(biāo)如式（2）所示。

式中:ωk為斷面k的年運行重載時間占比，若ωk＞10%，則斷面k為重載關(guān)鍵斷面；Mk，T為斷面k在時長T內(nèi)總的歷史數(shù)據(jù)個數(shù)；T為總的統(tǒng)計時長。

1.2 重載斷面影響因素分析

為最大限度滿足電網(wǎng)送出需求，需要挖掘?qū)嗝嫦揞~影響較大的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步提取限制整個通道傳輸效率的因素，將其作為電網(wǎng)運行方式劃分的依據(jù)。

重載斷面k與其他斷面j關(guān)聯(lián)系數(shù)λcorrXk j計算公式如式（3）所示。

通過相關(guān)性分析，可以得到任意單個斷面與重載斷面影響因素的重要性排序。但是，由于限制因素較多，且各個關(guān)鍵斷面的影響因素關(guān)聯(lián)度排序不同，因此，為衡量整個通道的影響因素，定義通道受限指標(biāo)來衡量每個因素對整個通道限制的程度大小，其計算公式如式（4）所示。

2 基于CLIQUE 聚類的運行場景劃分

通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)輸電斷面重載情況在同一類場景下存在較大相似性、在不同類場景之間存在明顯差異的特性。通過利用長鏈電網(wǎng)不同斷面輸送能力“此消彼長”的特性，對該邊界運行方式下各級斷面輸電限額進(jìn)行優(yōu)化，可提升電網(wǎng)輸送能力和通道利用率，充分發(fā)揮工程效益。

2.1 CLIQUE 聚類原理

聚類是按照某個特定標(biāo)準(zhǔn)（如距離準(zhǔn)則）把一個數(shù)據(jù)集分割成不同的類或簇，使得同一類內(nèi)的數(shù)據(jù)對象的相似性盡可能大［15］。它是一種典型的無監(jiān)督學(xué)習(xí)方式劃分方法。常用的聚類方法有K-means聚類、基于密度的含噪聲空間聚類（density-based spatial clustering of application with noise，DBSCAN）聚類和CLIQUE 聚類。K-means 聚類是基于距離劃分的聚類方法，存在對應(yīng)邊界不規(guī)則問題，不利于電力系統(tǒng)場景提取的分檔劃分。DBSCAN 聚類是基于密度的聚類方法，易受到半徑參數(shù)設(shè)置的影響，不能較好處理高維數(shù)據(jù)。

CLIQUE 聚類是綜合網(wǎng)格和密度的聚類方法，具有邊界規(guī)則的優(yōu)點，對電力系統(tǒng)運行方式分檔具有很大優(yōu)勢，并能提高高緯度聚類數(shù)據(jù)的計算速度。首先根據(jù)稠密系數(shù)閾值計算第i層的稠密網(wǎng)格和非稠密網(wǎng)格，然后進(jìn)行合并，直至合并至第1 層。

對于第i-1 層需要的統(tǒng)計信息如式（5）至式（9）所示。

式中:ni為第i層網(wǎng)格數(shù)據(jù)個數(shù)；mi為第i層網(wǎng)格數(shù)據(jù)平均值；si為第i層網(wǎng)格數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；mmin，i為第i層網(wǎng)格數(shù)據(jù)的最小值；mmax，i為第i層網(wǎng)格數(shù)據(jù)的最大值。

2.2 CLIQUE 聚類流程

電網(wǎng)中新能源出力復(fù)雜多變，源荷雙端不確定性使得電網(wǎng)運行方式場景產(chǎn)生組合爆炸。不同電網(wǎng)運行方式下，斷面限額存在較大差異，因此，需要對電網(wǎng)運行方式進(jìn)行聚類劃分，形成不同控制方案，從而實現(xiàn)精益化、高效化運行要求，具體過程如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)聚類劃分原理Fig.2 Clustering partition principle of operation data of power grid

1）獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建運行方式數(shù)據(jù)庫。

2）依據(jù)式（2），提取出關(guān)鍵斷面。

4）通過CLIQUE 聚類對運行方式進(jìn)行聚類劃分，并根據(jù)聚類類別，設(shè)定交流斷面限額方案。

2.3 基于聚類結(jié)果的運行方式提取

根據(jù)聚類結(jié)果對電網(wǎng)運行方式進(jìn)行提取，具體流程如附錄A 圖A1 所示。首先，對第i層的網(wǎng)格進(jìn)行合并，根據(jù)對斷面限額有較大影響的電網(wǎng)運行狀態(tài)量，將電網(wǎng)狀態(tài)劃分為若干初始小網(wǎng)格，并計算每個初始小網(wǎng)格密度；然后根據(jù)給定閾值，劃分為稠密初始小網(wǎng)格和非稠密初始小網(wǎng)格，在稠密初始小網(wǎng)格周圍合并稠密初始小網(wǎng)格，直到不能合并為止；接著在剩余區(qū)域重復(fù)上述過程。其次，合并第i-1 層網(wǎng)格，直至合并至第1 層網(wǎng)格，第1 層網(wǎng)格合并的中止條件為對斷面限額的影響相差超過10%。

在聚類分檔時選取關(guān)鍵斷面，得到關(guān)鍵斷面通道限制指標(biāo)；根據(jù)CLIQUE 聚類方法對影響占比最重要的因素進(jìn)行劃分，得到聚類分檔結(jié)果。

由于聚類后的每類結(jié)果不一定是直接分檔的標(biāo)準(zhǔn)矩形，因此需要定義一種聚類結(jié)果分檔方式。其分檔原則為:采用聚類結(jié)果中每類數(shù)據(jù)的最小矩形包絡(luò)線作為一種運行方式的劃分，即:假定{P1，h，P2，h}為聚類結(jié)果中的一個類別h，其中P1，h和P2，h分別為聚類h的橫、縱坐標(biāo)。分別以P1，h和P2，h為橫、縱坐標(biāo)的點集，所形成的點集并非規(guī)則的矩形。對于類別h，其分檔結(jié)果如式（10）所示。

式中:P1，Rh和P2，Rh分別為分檔結(jié)果Rh的橫、縱坐標(biāo)；和分別為聚類結(jié)果h中橫坐標(biāo)的最小值和最大值；和分別為聚類結(jié)果h中縱坐標(biāo)的最小值和最大值。

3 算例分析

某實際運行750 kV 網(wǎng)架系統(tǒng)示意圖如附錄A圖A2 所示。新疆電網(wǎng)與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)通道有多個關(guān)鍵斷面，由西向東依次為XJWS 斷面、HXWS 斷面、DY 斷面、GY 斷面、QY 斷面、HY 斷面、WBGD斷面以及圖1 所示的光伏外送斷面。在考慮的聯(lián)網(wǎng)通道相關(guān)因素中，除斷面之間功率的相互影響外，還考慮了通道周邊4 個外送直流功率、HX 走廊各個主變壓器上網(wǎng)功率，以及XJWS 斷面功率、GS 風(fēng)電基地外送功率作為所有可能的影響因素。

3.1 關(guān)鍵斷面與影響因素挖掘結(jié)果

對于所研究算例的聯(lián)網(wǎng)通道而言，需要考量的斷面包括:XJWS 斷面、HXWS 斷面、SY 斷面（即DY 斷面、GY 斷面、QY 斷面、HY 斷面）以及通道下游的WBGD 斷面。按照上述方法對通道關(guān)鍵斷面2019 年全年歷史運行數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)載率統(tǒng)計，結(jié)果如表1 所示。需要說明的是，斷面相關(guān)聯(lián)重要設(shè)備檢修時，斷面限額會下降，為保證統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)一致性，刪去這部分時段；斷面檢修時間長短不同，導(dǎo)致其統(tǒng)計數(shù)據(jù)基準(zhǔn)不同。

表1 斷面重載越限統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistic results of section over-limit due to heavy load

由表1 可知，重載率指標(biāo)超過10%的斷面依次為HXWS 斷面、WBGD 斷面以及XJWS 斷面。因此后續(xù)相關(guān)性分析中主要考慮這3 個斷面的關(guān)聯(lián)因素，并據(jù)此計算通道整體限制指標(biāo)。

圖9為欠壓補償前各變流器輸出電壓的仿真結(jié)果。由圖9可以看出,在沒有電壓補償且線路電阻不同的情況下,公共負(fù)荷或者本地負(fù)荷在0.8 s和1.6 s時波動,各變流器輸出電壓在365～375 V之間,系統(tǒng)不能在額定電壓下穩(wěn)定運行。

本文關(guān)聯(lián)度計算因素包括:聯(lián)網(wǎng)通道7 個斷面、通道周邊4 個外送直流、HXWS 各個主變壓器上網(wǎng)斷面以及XJ 斷面、GS 上網(wǎng)斷面。排除數(shù)據(jù)異常值與缺失值所造成的影響，通過對具體數(shù)據(jù)進(jìn)行不同時間段與不同時間尺度的計算，得到關(guān)聯(lián)度與通道限制指標(biāo)詳細(xì)結(jié)果表2 所示。

表2 關(guān)鍵斷面關(guān)聯(lián)度與通道限制指標(biāo)Table 2 Correlation degree of key sections and channel restriction indicators

通道限制指標(biāo)排序靠前的前3 個因素依次為:HXWS 斷面功率、GS 上網(wǎng)斷面功率以及WBGD 斷面功率。這些因素是制約整個通道傳輸效率的最主要影響因素。

3.2 聚類方法效果對比

為進(jìn)一步說明CLIQUE 聚類的優(yōu)勢以及實用性，本節(jié)將采用通道限制排序前2 位的因素作為2 維聚類數(shù)據(jù)。由表2 可知，HXWS 斷面與GS 上網(wǎng)斷面功率作為運行方式劃分的聚類因素。對比Kmeans 聚類、DBSCAN 聚類、CLIQUE 聚類這3 種聚類方法的聚類結(jié)果，分別如附錄A 圖A3、圖A4、圖A5 所示。

由附錄A 圖A3 可知，K-means 聚類將運行方式聚為3 類，類間雖具有清晰界限，但其部分區(qū)域距離過近且密度過大，很難制定出清晰的對應(yīng)規(guī)則。因此，K-means 不適用于電力系統(tǒng)運行方式的聚類。

由附錄A 圖A4 可知，DBSCAN 聚類將運行方式聚為3 類，其中存在需排除的噪聲點。若希望繼續(xù)降低噪聲占比，則需要減小密度下限值，由此會造成聚類效果連在一起而變?yōu)橐活?，難以據(jù)此對運行方式進(jìn)行分檔。

由附錄A 圖A5 可知，CLIQUE 聚類將運行方式劃分為3 類，其網(wǎng)格邊界可用一條直線劃分，并且能通過較少的規(guī)則對其邊界進(jìn)行描述，制定出對應(yīng)規(guī)則，可以很好地將點數(shù)密集的區(qū)域集中并劃分在一起，而且區(qū)域內(nèi)的運行方式具有較高的相似度。

由附錄A 圖A3 至圖A5 可以看出，不同聚類方法產(chǎn)生的聚類形狀及聚類個數(shù)均存在一定差異。但是考慮到工程實際及電網(wǎng)當(dāng)前技術(shù)水平，電網(wǎng)運行方式劃分最重要的目的是為調(diào)度運行制定安全運行邊界，為實現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全運行和新能源消納等目標(biāo)提供支撐。在當(dāng)前運行控制技術(shù)水平下，在實際調(diào)度運行中難以針對不規(guī)則運行方式采取不同控制策略進(jìn)行控制，而且會給調(diào)度員對運行方式識別判斷帶來較大困擾。CLIQUE 聚類能充分考慮當(dāng)前控制技術(shù)水平，將運行方式劃分為幾個相對規(guī)則的邊界，便于運行控制及工程實現(xiàn)，是在充分考慮現(xiàn)有運行控制技術(shù)水平現(xiàn)狀基礎(chǔ)上做出的選擇。因此，CLIQUE 聚類更加適用于電力系統(tǒng)運行方式的分類。

3.3 聚類分檔

對2019 年西北電網(wǎng)運行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行CLIQUE 聚類分析，并按最小矩形包絡(luò)線分檔方法進(jìn)行邊界劃分，得到5 類西北電網(wǎng)運行方式矩形包絡(luò)線，如圖3 所示。根據(jù)所劃分的矩形包絡(luò)線進(jìn)行運行方式的分檔，得出聚類分檔的具體數(shù)值，如表3所示。表3 中XHXWS和XGS分別表示HXWS 斷面功率和GS 上網(wǎng)功率。

表3 分檔統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistic results of classification

圖3 CLIQUE 網(wǎng)格聚類結(jié)果與劃分Fig.3 Grid clustering results and partition with CLIQUE

與原有僅1 種運行方式相比，5 類運行方式增強了電網(wǎng)運行方式的適應(yīng)性，在面對不同電網(wǎng)狀態(tài)時可以采取更有針對性的運行方式，從而提高通道利用率，增加新能源外送能力和系統(tǒng)之間支援能力。

3.4 劃分方式結(jié)果驗證

確定運行方式檔位后，需通過關(guān)鍵斷面重載或輕載占比對運行方式劃分是否合理進(jìn)行驗證，并挖掘各方式中的重載、輕載斷面組合狀態(tài)，針對性地提出優(yōu)化方法。由于K-means 聚類和DBSCAN 聚類不能適應(yīng)當(dāng)前控制技術(shù)水平和工程實現(xiàn)要求，因此只對CLIQUE 聚類的結(jié)果進(jìn)行驗證。關(guān)鍵斷面重載和輕載統(tǒng)計結(jié)果分別如圖4 和圖5 所示。由圖4和圖5 可知，在基于CLIQUE 聚類得到的5 種方式中，方式2 和4 關(guān)鍵斷面輕載重載占比較小，為較合理區(qū)間，無須調(diào)整；而方式1、3 和5 都存在比較典型的重載或輕載斷面，需要調(diào)整。

圖4 關(guān)鍵斷面重載占比Fig.4 Proportion of key sections with heavy loads

圖5 關(guān)鍵斷面輕載占比Fig.5 Proportion of key sections with light loads

在調(diào)整優(yōu)化空間中，只有存在相互關(guān)聯(lián)的重載與輕載斷面，才具備降低輕載斷面限額與上調(diào)重載斷面限額的調(diào)整空間，從而實現(xiàn)對現(xiàn)有運行方式的優(yōu)化。輕載斷面通道利用率低，可以通過降低其斷面限額，以及關(guān)聯(lián)輕載斷面限額，增加關(guān)聯(lián)重載斷面限額。以方式1 為例，XJ 斷面全年70%以上的重載都發(fā)生在該方式下，而HXWS 斷面與WBGD 斷面則主要為輕載。因此，在該方式下可以通過降低HXWS 斷面與WBGD 斷面的限額，并在一定程度上提高XJ 斷面限額，從而在保障電網(wǎng)安全運行的基礎(chǔ)上，使通道輸送能力得到進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

新疆與西北聯(lián)網(wǎng)通道傳輸能力受到各級斷面限額、新能源基地上網(wǎng)功率、多條直流外送功率等多方面的綜合影響，基于人工經(jīng)驗的運行方式劃分方法已難以適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)通道復(fù)雜多變的運行狀況。因此，本文提出新能源接入電網(wǎng)的斷面?zhèn)鬏敺绞骄垲惙治龇椒āＭㄟ^分析通道關(guān)鍵斷面與影響因素關(guān)聯(lián)度，采用聚類方法進(jìn)行場景劃分。采用西北實際電網(wǎng)算例驗證劃分方法結(jié)果的適用性，得到的主要結(jié)論如下。

1）西北聯(lián)網(wǎng)通道傳輸能力主要受到XJWS 斷面、HXWS 斷面2 個新能源送出斷面以及受端的WBGD 斷面重載制約，而采用通道受限指標(biāo)計算得出與關(guān)鍵斷面關(guān)聯(lián)程度最大的2 個因素為HXWS斷面功率與GS 上網(wǎng)功率，為下一步運行方式聚類劃分提供依據(jù)。

2）CLIQUE 聚類更加適用于電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)與典型方式劃分。根據(jù)劃分結(jié)果，可以找到傳輸能力的優(yōu)化空間，通過對主要重載和輕載斷面限額的調(diào)整可以進(jìn)一步提升通道傳輸效率。

3）本文提出的新能源接入電網(wǎng)的斷面?zhèn)鬏敺绞骄垲惙治龇椒?，可以替代之前由人工?jīng)驗與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合的分檔方式，為聯(lián)網(wǎng)通道運行場景的劃分提供數(shù)據(jù)與理論支撐，作為聯(lián)網(wǎng)通道運行方式限額計算與調(diào)整的基礎(chǔ)，指導(dǎo)輸電通道實際運行規(guī)劃。

本文主要結(jié)合電網(wǎng)實際情況進(jìn)行運行方式劃分優(yōu)化，下一步將采取定量評價方法進(jìn)行研究，使研究結(jié)果在具有工程實施性的基礎(chǔ)上更具科學(xué)性。

南瑞集團(tuán)有限公司的馬晨霄為本文提供了無私幫助，謹(jǐn)此致謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。

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