供電走廊受限的城市中心負荷交直流改造綜合評估

彭宇軒，陳 春，曹一家，李秋燕

（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410114；2.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，鄭州 450052）

隨著“碳達峰”與“碳中和”國家戰(zhàn)略的逐步實施以及新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，直流配電網(wǎng)因其具有容量更大、輸送距離遠和促進各類新能源消納等優(yōu)勢而越發(fā)受到關(guān)注[1]，已然成為當(dāng)前的研究熱點。同時，在中國大城市的負荷中心，比如醫(yī)院、商業(yè)中心等，普遍存在用電負荷的增長需求與供電走廊受限難以增容改造的矛盾，而對原有配電網(wǎng)進行交改直無疑是可行的備選方案。

根據(jù)相關(guān)研究，將傳統(tǒng)配網(wǎng)主要輸電線路改造成直流之后，可以減少線損，提高用戶供電容量，改善電能質(zhì)量與隔離故障等，線損將降低14.9%～50%，傳送功率將提升1.6倍左右，輸電半徑將顯著提高，終端電壓降落明顯較少，用戶側(cè)綜合電能質(zhì)量得到優(yōu)化。我國在直流配電網(wǎng)研究方面也有一些工程應(yīng)用與實踐探索，如蘇州吳江區(qū)多電壓等級直流配電網(wǎng)示范工程，唐家灣多端交直流混合柔性配網(wǎng)工程等。但現(xiàn)有研究缺少針對城市重點負荷的應(yīng)用場景，以及對該場景下各個直流改造方案的評估、分析與對比。

對多個改造方案的性能進行分析比對和決策，選擇綜合性能最佳的可行性方案，已有文獻針對直流電網(wǎng)或交直流混合配電網(wǎng)的綜合性能的評估進行了相關(guān)研究。文獻[2]分別在多種模式下對比了DC與AC配電網(wǎng)的經(jīng)濟性；文獻[3]針對張北柔性直流電網(wǎng)工程提出了一種基于時序生產(chǎn)模擬仿真的多端柔性直流電網(wǎng)運行經(jīng)濟性評估方法；文獻[4-5]針對新建配電網(wǎng)規(guī)劃，對比了交流解決方案和交直流解決方案的經(jīng)濟性；文獻[6-7]提出配電網(wǎng)的供電能力可由負荷矩來表示；文獻[8]通過交流與直流線路的過電壓大小關(guān)系確定交流和直流的供電容量的比值；文獻[9]提出DC斷路器與DC變壓器為可靠性計算時主要考慮的元件；文獻[10]提出了一種配網(wǎng)可靠性的整體評價方案；文獻[11]提出了一種含有多個直流激勵的柔性配網(wǎng)的短路計算方法；文獻[12]提出基于Z型變壓器的交直流同線配電方案，并表明方案的可行性和技術(shù)優(yōu)勢；文獻[13]將66 kV交流輸電線路改造成直流后計算了其載流量和功率，驗證了線路經(jīng)直流改造后供電能力的提升；文獻[14]基于經(jīng)濟性和用戶需求等多個約束變量，建立了一套直流改造評估體系；文獻[15-16]基于區(qū)間模糊數(shù)分別對直流配網(wǎng)規(guī)劃方案和城市配網(wǎng)交直流改造方案進行綜合決策，以實現(xiàn)單配電網(wǎng)的多改造方案決策選優(yōu)。但是上述研究所提的部分性能指標(biāo)算法過于主觀，指標(biāo)數(shù)據(jù)偏于抽象，部分數(shù)據(jù)無法獲得詳細的參數(shù)甚至難以量化，缺乏對直流側(cè)兩種短路故障狀態(tài)下短路電流計算和分析，也并沒有較多地結(jié)合行業(yè)背景進行指標(biāo)的選取。

為此，本文結(jié)合已有的研究背景和工程實踐，針對上述的問題，建立了一套系統(tǒng)的城市重點負荷配電網(wǎng)模型，應(yīng)對地處鬧市區(qū)的中心醫(yī)院擴容擴建帶來的各類負荷增加導(dǎo)致輸電走廊受限與電能質(zhì)量下降等問題進行模型分析與研究，選擇提取更加貼合當(dāng)前行業(yè)發(fā)展與背景的評價指標(biāo)，加入明晰暫態(tài)部分指標(biāo)參數(shù)，使整個評價體系客觀清晰，便于理論的深化和工程指導(dǎo)。然后，提出3種改造方案，分別為：原有交流線路擴容、單側(cè)線路改造和雙側(cè)線路改造。將改造前后配電網(wǎng)的各項參數(shù)使用熵權(quán)法和改進的優(yōu)劣解距離技術(shù)TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution）法進行綜合評價，計算提取每個方案的綜合性能評分，最后確定雙側(cè)線路直流改造的方案是最適合該場景下的改造方案。

1 改造評估體系

為評估城市中心負荷供電改造方案的綜合效益，本文綜合考慮了經(jīng)濟性、供電能力、網(wǎng)損和供電可靠性5個主要反應(yīng)配電網(wǎng)性能的一級指標(biāo)，建立一個綜合評估體系，對于直流改造方案進行分析計算，選取最優(yōu)的改造方案。評估體系的性能指標(biāo)框架如圖1所示，圖中kn為第n個性能指標(biāo)的代號。

圖1 城市重點負荷改造方案綜合評估指標(biāo)體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system under transformation scheme for key urban load

1.1 經(jīng)濟性

首先，直流化改造本身可以促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)能的發(fā)展，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，還可間接促進當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)。而直流配電網(wǎng)可傳統(tǒng)交流配網(wǎng)的基礎(chǔ)上提高供電容量，提升電能質(zhì)量，由此能直接提高電能的銷量，從而促進城市經(jīng)濟的發(fā)展[2]。

城區(qū)配網(wǎng)直流化改造總經(jīng)濟性指標(biāo)有改造總投資成本和改造后收益。投資改造成本B1為

式中：D1為購置改造設(shè)備所需成本；D2為新增設(shè)備的運維費用；D3新增設(shè)備的報廢費用；D4為土建成本，具體單價如表1所示[17]，直流改造各項設(shè)備成本如表2所示[18]；D4為使用常規(guī)方法擴建擴容，因為此類方案需對整個供電走廊進行擴建和改造，從而需要考慮到額外的土建成本?？紤]到城區(qū)土地供應(yīng)緊張，減少施工對居民出行秩序的影響，采用暗挖型隧道敷設(shè)電纜。

表1 交流擴容所需土建成本Tab.1 Civil engineering cost for AC capacity expansion

表2 城市中心負荷直流改造設(shè)備單價成本Tab.2 Unit cost of DC transformation equipment for urban central load

1.2 供電能力

隨著城區(qū)負荷大小和密度的提升，供電走廊日趨緊張，而城區(qū)內(nèi)各類建筑、設(shè)施繁多，想要增加供電走廊建設(shè)難度大且成本高，尤其體現(xiàn)在在一線城市的醫(yī)院、高層辦公區(qū)和商場等。如果將原交流線路直接改為直流，設(shè)置cosφ=0.9，改造前后的容量比值[19]為

式中：PD為改造后直流模式下的傳輸功率；PA為改造前交流模式下的傳輸功率；UD和ID分別為直流時電壓和電流；UA和IA分別為交流時的相電壓和相電流；φ為交流時的負荷阻抗角。根據(jù)式（6），直流的配電容量是交流的1.6倍，是緩解因供電走廊緊張導(dǎo)致供電能力不足的有效手段。

1.3 供電可靠性

針對傳統(tǒng)的交流配網(wǎng)的可靠性評估方法已經(jīng)非常成熟，常用的有解析法和模擬法，而針對交直流混聯(lián)配網(wǎng)可靠性評估方法相對較少。本文主要研究直流改造后新增的3種關(guān)鍵元件換流站、DC斷路器和DC變壓器的可靠性，并使用最小割集法將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚脑⒙?lián)關(guān)系[8]。兩個元件在割集里為并列接法時，維修時長與故障率的計算為

式中：βb為兩個串聯(lián)元件等效故障率；β1、β2分別為兩個元件的故障率；q1、q2分別為兩個元件的修復(fù)時長；Ub為停運時長；qb為兩個串聯(lián)元件總的等效故障時長。元件在割集里是串聯(lián)接法時，可靠性的計算公式為

式中：S為負荷處的最小割集集合；βL為S集合內(nèi)總的故障率；UL為總停運時長；βi和qi分別為第i個割集的故障率和修復(fù)時長。

本文使用最小割集法行進改造后配電網(wǎng)的可靠性評估。在有多個激勵存在并且拓撲模型復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，負荷點與各個激勵的通路不唯一，若電路中n個元件退出運行致使負荷斷電，此時任一元件恢復(fù)運行即可使負荷正常運行，此時這n個元件構(gòu)成最小割集，階數(shù)等于元件的數(shù)量。通常只考慮到二階最小割集。

1.4 短路電流

在傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中，如果為了滿足負荷增長的需求而對變電站進行擴容或者新建新的變電站，這種實施方案會使得聯(lián)絡(luò)開關(guān)上的短路電流增加30%[9]，使得斷路器的適配變得困難。而采用直流線路改造的方式進行擴容，因為逆變器對電流有控制作用，短路電流的增幅會變小，更便于控制短路電流。例如換流器交流側(cè)母線發(fā)生短路，換流器可以控制流入交流側(cè)的電流，進行低電壓穿越控制。在極端的短路情形下，電流將會達到其額定值的1.5～2.0倍，此時電力電子器件閉鎖，因此采用直流改造的方式不會增加系統(tǒng)短路電流。

1.5 網(wǎng)損

綜合考慮直流改造后所增加的換流設(shè)備和直流線路的網(wǎng)絡(luò)損耗，并與交流情況下進行對比。采用直流改造前后的公共母線作為參考節(jié)點，用牛拉法算出潮流數(shù)據(jù)，算出在線路上的網(wǎng)損，然后加上換流設(shè)備的損耗，綜合就是直流配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。根據(jù)已有的研究，取中壓交流配電站中的損耗為容量的1.5%。結(jié)合當(dāng)下的柔性輸電技術(shù)，在配電側(cè)可以采用與其類似的換流技術(shù)，換流站的綜合損耗為容量的1.6%。配電網(wǎng)的線損計算公式為

式中：ΔW為配電網(wǎng)線損；I為配網(wǎng)的輸電線路首端負荷電流最大值；Rd∑為輸電線路的等值電阻；G為輸電線路輸送最大負荷時的損耗時間。直流改造以后，除了計算線路損耗以外，還需加上新增換流裝置的損耗。

2 綜合評價體系

將上文所提改造方案中的經(jīng)濟性、供電能力、供電可靠性、短路電流和網(wǎng)損等指標(biāo)，使用熵權(quán)法進行多維綜合權(quán)重求解，該評價方法簡明客觀，具有良好的操作性，能夠強化各類評價指標(biāo)之間的差異性，利于分辨不同指標(biāo)之間的重要性，此外還可以凸顯隱含在數(shù)據(jù)中的信息[21]。

2.1 權(quán)重指標(biāo)計算

熵權(quán)法的評價方法精簡明了，其主要原理是評價對象重要性和該對象在某項指標(biāo)的的差值成正比。根據(jù)各指標(biāo)的差異大小，從而計算出每個指標(biāo)合理的權(quán)重，使得多維度的評價體系更加直觀可靠。步驟如下。

2.2 建立評價模型

本文基于TOPSIS模型方法是一種在多維指標(biāo)決策中的決策手段，是一種距離綜合評估法。該評價模型的主要優(yōu)勢在于對原始數(shù)據(jù)的主要利用，數(shù)據(jù)的損失較小，幾何模型清晰易懂，在TOPSIS的數(shù)學(xué)模型中，使用正負理想解來計算每個指標(biāo)中最優(yōu)與最差的數(shù)據(jù)，并建立二者之間的二維距離，在此基礎(chǔ)上進行對比分析。最優(yōu)方案定義為離最優(yōu)解最近且離最劣解最遠，反之則定義為最差方案。

本文使用熵權(quán)法對各項指標(biāo)進行賦權(quán)，之后結(jié)合改進的TOPSIS模型進行方案評價，改進的部分主要體現(xiàn)在修改了對于最優(yōu)以及最差解之間的評價數(shù)學(xué)計算式。整體的計步驟如下。

2.3 綜合評價流程

本文提出了一種對城市中心負荷交流配電網(wǎng)改造的綜合決策。評價方案的主要流程為：①計算每個性能指標(biāo)的參數(shù)；②基于熵權(quán)法對每個性能指標(biāo)的評估值進行賦權(quán)，形成決策矩陣；③使用改進TOPSIS法對決策矩陣進行分析計算，對改造方案進行綜合評估，計算改造方案與最優(yōu)解和最劣解的貼近度，選取確認綜合性能最好的改造方案。主體流程如圖2所示。

圖2 方案決策總流程Fig.2 General flow chart of decision-making under the scheme

3 實例分析

本文使用Digsilent/Powerfactory軟件對算例進行仿真并計算算例所需的潮流數(shù)據(jù)。城市負荷中心的傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，城市重點負荷采用兩端供電模式，一端供電，另一端為備用。圖中城市負荷中心處用電量逐年增加，原有交流輸電走廊逐漸無法滿足供電需求，因此本文提出3種改造方案并進行分析計算，通過與原有交流結(jié)構(gòu)進行對比，驗證該場景下直流改造方案的可行性。

原交流結(jié)構(gòu)：城市中心的線路1和線路2長度為4 km，承載的最大負荷為9 MW，交流電壓等級為10 kV，如圖3所示。

圖3 對中心負荷進行交流擴容Fig.3 AC capacity expansion for central load

改造方案1：使用傳統(tǒng)方法對配電網(wǎng)進行交流擴容改造,拓撲結(jié)構(gòu)與圖3一致。

改造方案2：在原交流線路2的基礎(chǔ)上加裝換流裝置，將其改造升級為直接輸電模式，直流線路電壓等級為10 kV，線路1不變，如圖4所示。

圖4 對中心負荷單側(cè)線路進行直流改造Fig.4 DC transformation carried out on single-side line of central load

改造方案3：在原交流線路1和2的基礎(chǔ)上同時加裝換流裝置，將其改造升級為直接輸電模式，直流線路電壓等級為10 kV，如圖5所示。

圖5 對中心負荷兩側(cè)直流線路均進行直流改造Fig.5 DC transformation carried out on both sides of DC lines of central load

各方案指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各方案性能指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.3 Data of performance indexes under each scheme

3.1 結(jié)果分析

通過上文所描述的方法，本文使用熵權(quán)法確定每個指標(biāo)的權(quán)重，然后使用改進的TOPSIS法對每個方案的性能指標(biāo)進行評價，貼近度越接近1表示該方案越接近最優(yōu)方案，4種方案的指標(biāo)參數(shù)如表3所示，表中k1為土建投資，k2為售電收益，k3為設(shè)備成本，k4為供電容量，k5為有功損耗，k6為無功損耗，k7為可靠性，k8為單極短路電流裕度，k9為雙極短路電流裕度。

3個改造方案與原有結(jié)構(gòu)的對比數(shù)據(jù)如表4所示，原價交流結(jié)構(gòu)作為參考基準(zhǔn)，后續(xù)兩種改造方案在此方案的基礎(chǔ)上進行對比。由表3和表4可知，原有的交流結(jié)構(gòu)在城市中心負荷用電量大幅增加時，已無法滿足要求，供電容量和經(jīng)濟效益的劣勢尤為突出，穩(wěn)態(tài)時的有功和無功損耗差距不明顯，暫態(tài)時短路電流的裕度也與直流改造有一定的差距。盡管純交流結(jié)構(gòu)在設(shè)備成本和線損方面有一定的優(yōu)勢，但依然無法掩蓋整體性能較差的情況。

表4 各改造方案綜合評價值Tab.4 Comprehensive evaluation value under each transformation scheme

第1種改造方案是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行交流擴容，該方案實施簡單，對于緩解輸電走廊緊張的問題雖然有一定的效果，但是對于配電網(wǎng)供電容量的提升有限，土建成本過高且施工難度大，且綜合性能提升對于其他方案并不占優(yōu)。

第2種改造方案是將一側(cè)的輸電線路改造為直流，另一側(cè)保持不變，該方案是對第1種方案和第3種方案的折中辦法，主要原因在于目前電力電子設(shè)備成本依然較高，尋求在經(jīng)濟性和輸電性能之間探索一個平衡點。由表中的數(shù)據(jù)可知，該改造方案的絕大部分性能參數(shù)在原結(jié)構(gòu)和改造方案2的中間，而受電力電子設(shè)備容量的影響，改造方案1的售電收益這一項上略有優(yōu)勢，綜合而言處于兩者的中間點，僅適用于投資建設(shè)資金不足的情況。

第3種方案改造成本最高，且因為電力電子器件的大量使用，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性略有降低；優(yōu)勢在于該結(jié)構(gòu)所能承載的負荷容量最大，輸電最長，無需大量土建成本，暫態(tài)情況下短路電流裕度也相對增大。因此第3種方案的貼近度最高，即綜合評價最優(yōu)，是最適合解決城市負荷中心供電走廊受限的改造方案。本文中的算例采用5年為一個計算周期，而現(xiàn)實應(yīng)用中一個電網(wǎng)的升級改造周期將大于5年，因而該方案的經(jīng)濟性指標(biāo)將會隨著時間線的拉長而逐漸擴大優(yōu)勢，綜合評價也將更高。

3.2 性能指標(biāo)對比分析

每個方案的性能指標(biāo)對比如圖6所示，隨著直流線路比重的升高，可靠性和網(wǎng)損兩個指標(biāo)變化不夠明顯；售電的經(jīng)濟效益、土建投資裕量和輸電容量3個性能指標(biāo)將逐步提升，且效果顯著，短路電流裕量也有小幅進步。此外，考慮到電力電子技術(shù)依然有進步的空間，直流改造方案的綜合性能在將來依然會有上升的潛力。

圖6 各方案性能指標(biāo)雷達圖Fig.6 Radar chart of performance indexes under

在實際應(yīng)用過程中，因為絕大部分負荷依然為交流形式，所以在直流改造后會存在一定的協(xié)調(diào)與適應(yīng)性的問題，但是對總體而言，直流改造的方案在城市負荷中心供電走廊受限的場景下，相對于傳統(tǒng)的交流網(wǎng)絡(luò)依然具有明顯的優(yōu)勢。

3.3 綜合評價方案效果評估

使用熵權(quán)法將數(shù)據(jù)進行歸一化計算后，部分指標(biāo)數(shù)據(jù)差異較大，而該計算方法能平衡每個指標(biāo)的評估值。針對方案中出現(xiàn)的個別性能水平過低的指標(biāo)，熵權(quán)法具有越值懲罰的功能，可以放大性能水平過低的指標(biāo)，拉開整體的差距。

已經(jīng)有許多研究證明傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)綜合性能過低，無法滿足需求，而本文所用的熵權(quán)法能夠得出同樣的結(jié)論，能夠證明本文使用的方法的合理性與可靠性，可為工程實踐提供評估方法和建議。

4 結(jié)論

本文針對具體的應(yīng)用場景，以傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)作為基準(zhǔn)，將3個場景的各類數(shù)據(jù)進行比對，使用熵權(quán)法進行賦權(quán)，結(jié)合改進的TOPSIS法進行評價決策，本文主要結(jié)論如下：

（1）不同于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)評價方案，本文從優(yōu)先保證國民經(jīng)濟生活的需求出發(fā)，以保障中心城區(qū)的用電需求和絕對性的提高重要用戶的供電可靠性為優(yōu)先，摒棄了部分與行業(yè)背景和工程實際相背離的指標(biāo)，修改了部分無法進行客觀量化得到具體參數(shù)的指標(biāo)，精煉和規(guī)范了整個評價模型，在此基礎(chǔ)上還融入了穩(wěn)態(tài)時綜合經(jīng)濟效益、暫態(tài)時設(shè)備故障率和維修難度、土建投資成本等考量，最終合理完善整個評估體系，使得本文的評估方法更加切合理論的深化和應(yīng)用，并對行業(yè)發(fā)展更加具有參考價值。

（2）基于熵權(quán)法和改進TOPSIS模型的評價方法，具有較強的操作性，能夠有效反映數(shù)據(jù)隱含的信息，增強指標(biāo)的差異性和分辨性，從而使評價結(jié)果更加客觀可信。

（3）通過對采用手拉手式供電的城市重點負荷中心進行供電線路直流改造方案分析評估，表明對負荷兩側(cè)的交流線路同時進行直流改造的方案對緩解負荷中心供電走廊緊張、經(jīng)濟性較差等問題具有比較明顯的效果。