基于直流潮流模型的電網(wǎng)結構優(yōu)化方法研究與應用

劉石川，慕 騰，郭 裕，雷 軻，安 東

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)所面臨的問題逐漸由暫態(tài)穩(wěn)定性問題轉化為潮流轉移導致設備過載的熱穩(wěn)問題[1-2]。為保障地區(qū)的可靠供電，一般采取提前預控與網(wǎng)架優(yōu)化結合的思路，對各類可能存在的工況進行安全穩(wěn)定分析，最終以某種極限方式為基礎采取控制措施。但是，以極限方式制訂控制策略勢必造成浪費，無法發(fā)揮設備能力[3]。如何既能提升電網(wǎng)安全性，又可以保證控制的精細化與科學化，已逐步成為相關學者關注的重點。

文獻[4]結合當前電網(wǎng)調(diào)度存在的斷面辨識、分析計算問題，研究了以斷面控制為核心的電網(wǎng)調(diào)度運行控制體系及其系統(tǒng)開發(fā)。文獻[5-6]提出了斷面熱穩(wěn)評估思路，以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定控制要求。文獻[7]以實際工程為例，針對關鍵節(jié)點空間下的電網(wǎng)熱穩(wěn)問題提出了求解思路。網(wǎng)架建設層面，國內(nèi)外學者也進行了充分研究。近年來電力電子技術的高速發(fā)展為電網(wǎng)控制提出了新的思路。文獻[8-9]分別提出了采用潮流控制器與分布式靜態(tài)串聯(lián)補償器對電網(wǎng)存在的問題進行優(yōu)化。柔性直流技術[10]作為一種思路在電網(wǎng)優(yōu)化控制中也被提及。電力電子器件的應用使電力系統(tǒng)的潮流分布由不可控變?yōu)殪`活可控，為提升電網(wǎng)運行靈活性奠定了基礎。另一方面，部分學者提出建立以安全[11]、潮流分布均勻[12]、短路電流最低[13]等為多目標的數(shù)學模型，并采用智能算法進行求解。上述研究對熱穩(wěn)問題從不同角度、層次進行深入分析，但對于具體電網(wǎng)問題需要結合電網(wǎng)自身特性進行分析，尤其在實際工程應用中，投資成本與實用性都要著重考慮。本文以地區(qū)電網(wǎng)為例，分析了電網(wǎng)運行中存在的安全問題，基于直流潮流模型提出安全裕度指標，在此基礎上提出適合該地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展的網(wǎng)架結構，為解決電網(wǎng)問題提供參考。

1 電網(wǎng)概況

本文根據(jù)某地區(qū)電網(wǎng)實際運行過程中存在的問題為切入點進行分析[14]。近年來，該地區(qū)負荷發(fā)展迅速，加之多個高低壓電磁環(huán)網(wǎng)相互嵌套，存在部分老舊線型，使得熱穩(wěn)定問題凸顯。地區(qū)目前的核心問題為雙回同塔線路N-2故障后，導致潮流大范圍轉移，從而引起相關線路過載嚴重。該地區(qū)的電網(wǎng)簡圖如圖1所示。目前，調(diào)度運行部門給出的控制限額為：一三線（變電站1至變電站3）不超過260MW，二五線（變電站2至變電站5）不超過250MW。圖2為新能源與火電出力逐漸增加時線路潮流變化情況。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of regional power grid

圖2 電源與相關支路潮流關系Fig.2 Relationship between power supply and power flow of related branch

根據(jù)相關計算，各類工況下地區(qū)受阻情況如表1所示。地區(qū)新能源裝機容量2400 MW，分別接入變電站1、B站以及變電站4，火電裝機共800 MW，均接入變電站3。

表1 各類方式地區(qū)受阻情況Tab.1 Regional obstruction in various ways MW

在風電大發(fā)情況下，一三線、二五線重載，隨著風電出力增加，線路逐漸達到控制限額。根據(jù)仿真分析，當變電站1、B站風電出力約60%時，一三線潮流處于熱穩(wěn)極限，為避免連鎖故障，需限制兩個地區(qū)風電出力，以滿足預控要求。

在火電廠火電大發(fā)時，一三線、二B線（變電站2至B站）問題緩解，四一線問題更加突出。由圖2可知，變電站1、B站風電40%出力、火電出力約為300 MW時，二五線已超其運行上限。

綜上所述，風火耦合問題嚴重限制了地區(qū)新能源消納與火電送出問題，亟需對當前與未來兩種網(wǎng)架進行優(yōu)化分析。

2 直流潮流的斷線模型

2.1 直流潮流模型

直流潮流模型根據(jù)P-Q分解法的簡化條件將其簡化為線性問題，其精確度較差，但是對于潮流轉移引起的過負荷問題具有計算速度快、便于用線性規(guī)劃求解等優(yōu)點[15]。

根據(jù)P-Q分解法簡化后，得到直流方程如下：

式中：Pi=PGi-PDi，PGi、PDi分別為有功出力與有功負荷；θ為節(jié)點電壓相角；Bij為支路ij導納虛部。

矩陣形式為：

式中：B為節(jié)點導納矩陣虛部。

也可寫為另一種形式：

式中：X為B的逆矩陣。

2.2 支路開斷分布系數(shù)

若電網(wǎng)中線路發(fā)生斷線故障，由于網(wǎng)架結構變化將引起另一條相關支路潮流變化，假設線路初始潮流為Pl0，轉移至線路m潮流為，則可得轉移系數(shù)為：

支路開斷前后，引起的功率變化量為：

式中：e l=[0 1-1 0]，為支路l對應節(jié)點的關聯(lián)向量，對應節(jié)點為1與-1兩個非零元素。

根據(jù)支路追加原理，線路l斷開引起的節(jié)點電壓相角變化量Δθ為：

式中：B0是以1/x為參數(shù)建立的電納矩陣，x為節(jié)點矩陣中各條支路對應的阻抗；xl為支路l的阻抗。

根據(jù)逆陣修改原則可知[16-17]：

線路l斷開造成線路m潮流變化情況如下：

式中：xm表示支路m的阻抗；e m表示支路m對應節(jié)點的關聯(lián)向量。

則可得轉移系數(shù)為：

定義節(jié)點m與節(jié)點l之間互阻抗為：

則關于兩條支路的轉移系數(shù)為：

綜上所述，故障前后各條支路潮流變化與負荷、開機均無關，僅與其支路阻抗相關。

2.3 安全裕度指標

根據(jù)上述結論，本文采用PSD-BPA軟件對烏蘭察布地區(qū)進行潮流計算，找出構成關聯(lián)斷面的支路，定義安全裕度指標，判斷地區(qū)各線路在不同潮流工況下的穩(wěn)定裕度。具體公式如下：

式中：δ為線路l的安全裕度；為故障前線路l的潮流；為線路i斷開前的有功功率；Pe為線路l的熱穩(wěn)極限；D為線路l與i線路的轉移系數(shù)。

當δ≤1時，判定此時系統(tǒng)滿足運行要求；當δ＞1時，判定此時系統(tǒng)不滿足運行要求，需要運行人員及時調(diào)整運行方式。

在實際工程中，通常由運行人員采用離線計算的方式求電網(wǎng)熱穩(wěn)定限額，不僅計算量大，還會造成網(wǎng)架變化，影響運行靈活性。為了保證安全穩(wěn)定，運行部門制訂方案時會以最嚴苛方式來包含所有故障集，而實際運行中極端方式并不會經(jīng)常出現(xiàn)，因此，根據(jù)電網(wǎng)實際運行情況，采用裕度指標實時對電網(wǎng)情況進行控制，可以較好地釋放當前電網(wǎng)的輸電能力。

同時，統(tǒng)計地區(qū)周邊各類相關支路的安全裕度指標越限情況，認定越限次數(shù)較多的關聯(lián)支路為地區(qū)薄弱環(huán)節(jié)，并以此作為電網(wǎng)結構優(yōu)化重點。

3 網(wǎng)架優(yōu)化方案

3.1 建設思路

以某地區(qū)電網(wǎng)為例，按照安全裕度指標，四一線、二五線越限次數(shù)較多，優(yōu)化根據(jù)該地區(qū)電力需求水平，擬定補強或解開薄弱環(huán)節(jié)兩種思路進行優(yōu)化，具體方案與比選如圖3、表2所示。

表2 兩種方案比選Tab.2 Comparison of two schemes

圖3 地區(qū)網(wǎng)架方案Fig.3 Grid structure scheme of regional power

3.2 方案分析

（1）電力送出。采用PSD-BPA軟件搭建兩種方案的模型，并進行潮流與穩(wěn)定適應分析，結果表明，各種方式下均可滿足火電滿發(fā)與新能源同時率70%以上的送出能力。

（2）運行控制。補強方案存在多嵌套環(huán)網(wǎng)，潮流分布、轉移復雜，運行控制難度大。在火電廠出力為200 MW時，一三雙線一回故障后，另一回達熱穩(wěn)極限，需限制變電站1風電出力532 MW。解環(huán)方案實現(xiàn)了該地區(qū)電網(wǎng)分區(qū)運行，分區(qū)間保留了四回備用聯(lián)絡線，電網(wǎng)結構清晰，可滿足目前地區(qū)新能源送出需求，部分元件檢修方式下可采用臨時合環(huán)運行方式，保證供電可靠性。

（3）投資與建設難度。初步估算解環(huán)方案相較于補強方案投資多8%，約1000萬元。變電站3目前僅空余一個間隔，擴建間隔難度較大。

綜合以上分析，兩種方案均可解決目前電網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié)，補強方案工程建設難度較大，解環(huán)方案的新能源消納能力略低于補強方案，但仍可滿足新能源送出需求，并且明確了B站作為新能源匯集站的功能定位，避免了穿越電流對220 kV電網(wǎng)的影響，對未來電網(wǎng)建設發(fā)展的適應能力更強。因此，推選解環(huán)方案為最終方案。

4 結束語

本文推導了基于直流潮流模型的支路開斷分布系數(shù)，得到線路潮流轉移系數(shù)僅與線路阻抗相關的結論，結合實際運行工況提出安全裕度指標，從而避免了由于計算人員主觀因素導致的電網(wǎng)限額過低，并根據(jù)指標越限與否來找出電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)。以薄弱環(huán)節(jié)為優(yōu)化重點，從風火送出、運行控制與投資建設角度研究了某地區(qū)電網(wǎng)補強與解環(huán)方案的可行性，有效消除了薄弱環(huán)節(jié)，提升了地區(qū)供電能力，保障了風電的消納及火電送出。