特高壓交直流建設時序優化評估指標體系

趙良，易海瓊，吳耀武

(1. 華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206；2.國家電網公司，北京市100031； 3. 國網北京經濟技術研究院，北京市 102206； 4. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學)，武漢市 430074)

特高壓交直流建設時序優化評估指標體系

趙良1, 2，易海瓊3，吳耀武4

(1. 華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206；2.國家電網公司，北京市100031； 3. 國網北京經濟技術研究院，北京市 102206； 4. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學)，武漢市 430074)

為全面衡量整個建設期內特高壓交直流工程不同時序方案的合理性并比較優劣性，建立包含經濟、技術、安全穩定及社會環境等因素的評估指標體系。結合特高壓交直流電網發展的特點，提出采用輸電阻塞費用、結構均衡度、社會環境影響等指標，與靜態安全性等常規輸電網規劃評估指標共同組成綜合評估指標體系，用以反映不同時序方案對清潔能源接入的適應性、網絡結構的均衡性和節能減排效果等。

時序優化；評估指標；輸電阻塞；電網利用率；結構均衡度；節能減排

0 引 言

目前，我國電網最高電壓等級達到交流 1 000 kV、直流±800 kV，建成“三交六直”特高壓工程，全面掌握世界領先的特高壓交、直流輸電技術，取得了成熟的運行經驗。特高壓電網已具備加快建設的條件。

特高壓交直流工程規劃建設過程中，除了考慮目標網架結構的合理性之外，還需要關注各過渡階段交直流工程建設的協調性。哈密南—鄭州特高壓直流現已投運，酒泉—湘潭特高壓直流正在建設，華北與華中電網通過晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程單線聯系，“強直弱交”問題十分突出，接入華中電網的特高壓直流滿功率運行后，一旦發生故障，極易引發大面積停電，特高壓直流輸送能力將受到嚴重制約。只有特高壓交直流協調發展、相互補充、相互支撐，才能充分發揮各自優勢[1-2]，確保電網運行的安全性和經濟性。

本文借鑒已有輸電網規劃評估研究成果，在滿足過渡階段負荷需求的基礎上，綜合考慮特高壓交直流工程建設時序對電網建設成本、運行費用、電網安全穩定水平、可再生能源利用率和節能減排等方面的影響，提出一套完整的綜合評估指標體系，為開展特高壓交直流工程建設時序優化研究，進一步拓展與完善輸電網規劃設計方法提供理論參考。

1 輸電網規劃評估研究現狀

我國輸電網規劃理論方面的研究始于20世紀80年代，主要采用線性優化模型，解決水平年輸電網規劃問題，以輸電年費用最小為目標比選確定最優的規劃方案。隨著經濟社會的發展和對電網規劃問題研究的深入，電網規劃模型不僅需要考慮電網運行的安全可靠性等要求，還要考慮方案的經濟性，形成多目標、非線性的規劃問題。常規輸電網規劃考慮的約束主要有潮流計算的功率平衡約束、發電機出力約束、線路傳輸容量約束、N-1靜態安全約束、節點電壓約束等[3-8]，如式(1)所示：

(1)

在此基礎上，文獻[9-17]還考慮了網絡損耗、負荷供應能力、網絡阻塞、多階段因素優化等的影響，提出了多目標優化模型，即以輸電系統建設費用和運行成本最低為優化目標，同時考慮電力供應不足造成的缺電損失，如式(2)所示：

(2)

式中:F1表示輸電系統建設費用；I1表示待建輸電系統集合；Ci表示第i個輸電系統單位線路長度和單位變電容量建設成本；Ki表示第i個輸電系統線路回路數和變電設備臺數；Li表示第i個輸電系統單回線路長度和單臺變電設備容量；F2表示輸電系統運行費用，即網絡損耗費用；I2表示規劃區域所有已投運輸電系統集合；FLossi表示第i個輸電系統損耗；F3表示系統缺電損失成本；I3表示系統缺電場景集合；FOffi表示第i個缺電場景下造成的用戶損失。

綜上，常規輸電網評估指標研究主要集中在對暫態穩定性、動態安全域、輸電能力、建設費用和運行成本等方面的計算分析，未涉及特高壓交直流工程建設時序協調問題。當前，需要在水平年輸電網規劃基礎上，重點研究解決過渡期特高壓交直流工程建設時序的合理安排問題。

2 特高壓交直流建設時序評估指標構架

2.1 評估指標選取原則

(1)系統性原則：應全面反映特高壓交直流電網的整體性；

(2)一致性原則：評估指標的選取應與評估目標一致，達到體現特高壓交直流建設時序優化的目的；

(3)獨立性原則：同層次上的指標不應具有包含關系；

(4)可測性原則：指標可分為定性指標和定量指標，定性指標含義要明確，定量指標能夠被計算或度量，數據規范、易收集。

2.2 評估指標體系構成

特高壓交直流建設時序優化需要根據時序優化的動態性和交直流協調輸電特點，選擇滿足可靠供電要求的經濟性、高效性、安全穩定性和社會環境性最優的結果。基于常規電網規劃項目綜合評估方法，本文提出了包含經濟性、高效性、安全穩定性和社會環境性的特高壓交直流建設時序優化評估指標體系，如表1所示。

3 經濟性評估指標

(1)建設成本

電網建設成本是指在電網工程項目建設階段所需要的全部費用，主要包括用于購買項目所需各種設備的成本、用于建筑施工和安裝施工、購置土地等所需支出的成本等。

不同于水平年電網規劃的建設成本，時序優化過程的建設成本更關注在不同工程建設時序下的投資差異，即需要綜合考慮每個時序過渡年的建設成本，并考慮資金的流動性。對于每個過渡年t電網建設費用fIvt可通過式(3)表示：

(3)

式中：NL表示規劃期內待建線路的集合；Cj表示線路j單位長度的建設費用(包括線路成本及其安裝成本等)；Zjt表示到第t年為止線路j的投建情況(“0”表示未投建，“1”表示已投建)；Lj表示線路j的長度。變電工程可類似處理。

表1 評估指標體系

Table 1 Evaluation index system

(2)可變運行費用

可變運行費用主要包括網絡損耗費用和輸電阻塞費用2個部分。

網絡損耗費用。需要計及新建線路和原有線路的全網損耗。這里引入單位網損費用，將網損指標折算成經濟性指標，即網絡損耗費用，對電網建設時序方案各過渡階段的網損情況進行評估。可將全年劃分為多個典型場景來進行計算。根據系統負荷大小、風電和水力發電出力大小方式下的不同情況，可選取若干具有代表性的典型場景進行計算，各場景持續時間之和為全年8 760 h。在分場景的網損計算過程中，需要預先確定每個場景的系統發電、負荷情況以及場景持續時間：

(4)

(5)

實際工程中難以對1年8 760 h或各場景持續時間都進行準確計算。因此，在大多數情況下可以用最大網損情況作為代表，來簡化系統網損成本的計算，即：

(6)

(7)

式中：f″LOt表示簡化計算時年網絡損耗費用；Tmax表示年最大負荷損耗小時數，h；ELOSSt表示第t年年網損電量，kW·h。

輸電阻塞費用。用來衡量不同建設時序方案中各過渡階段電網的輸電阻塞對系統發電成本及新能源利用率的影響。由于輸電阻塞導致系統不能按最經濟的方式運行時，需要調節各類機組的出力。為提高可再生能源的利用率，調節過程按如下原則進行：為盡量滿足風電和水電按最大出力運行，首先調節火電機組，盡可能解決輸電阻塞狀況并且滿足負荷的需求；當火電機組的調節量不足時，考慮調節風電和水電。根據上述調節原則可知，調節風電和水電的過程實際是壓風電和水電出力運行，風電/水電出力下降造成的棄風/棄水將導致電力缺額完全轉移到火電中，使得火電出力上升，此過程伴隨著一次能源的消耗增加，系統發電費用上升，系統運行經濟性降低。

考慮火電、風電和水電3類電源的實際經濟運行情況，可將輸電阻塞費用表示為以下形式：

fRGt=fRTt+fRWt+fRHt

(8)

式中：fRGt表示第t年所有機組的阻塞費用之和；fRTt表示第t年火電機組的阻塞費用；fRWt表示第t年風電機組的阻塞費用；fRHt表示第t年水電機組的阻塞費用。

分別計算，火電阻塞費用計算公式如下：

(9)

火電出力調節過程滿足：

(10)式中：fRTt表示火電機組的年阻塞費用；NGt表示第t年的電源節點集合；PGi0表示第i個節點火電機組經濟出力；PGi表示第i個節點火電機組調節后的出力；CGi0表示第i個節點火電機組調節前的發電成本，元/(kW·h)；CGi表示第i個節點火電機組調節后的發電成本，元/(kW·h)。

風電阻塞費用計算公式如下

(11)

風電出力的調節量ΔPW可表示為

ΔPWits=PWi0ts-PWits

(12)

式中：fRW表示風電的阻塞費用；風電的最大出力為PWi0；調節后的風電出力為PWi；不管在何種情況下都存在PWi0≥PWi；CG為火電機組的單位發電成本，可取火電機組的平均單位發電成本或邊際單位發電成本。

水電阻塞費用計算公式如下：

(13)

水電機組的調節量ΔPH可表示為：

ΔPHits=PHi0ts-PHits

(14)

式中：fRH表示水電的阻塞費用；水電的最大出力為PHi0；調節后的水電出力為PHi。

(3)運行維護費用

需要計及所有存在的輸電線路，即規劃期前的初始線路和規劃期間新投運的線路，但不同時序優化結果所對應的系統初始電網結構是確定的，即規劃前已投建線路的年運行維護費用是相同的。為減少計算量可不計及這部分費用的影響，僅考慮優化期間新建線路的固定運行維護費用。因此，系統的運行維護費用可表示如下：

(15)

式中：fMt表示第t年運行維護費用；εj表示維護費用系數，按照運行經驗，ε取值常在1%～2%間。

4 高效性評估指標

在傳統的電網潮流指標基礎上，通過潮流計算結果來評估系統運行情況，從電網潮流分布和結構均衡度的角度出發，提出了電網利用率、電網結構均衡度等指標。

(1)電網利用率

主要包括線路利用率、電網平均利用率、主要斷面利用率等指標。

線路利用率。用來描述系統單條線路運行情況的指標，通過線路上實際流過的潮流和線路的最大傳輸容量之比來描述該線路的利用水平：

(16)

電網平均利用率。一定程度上反映了輸電網絡的利用水平，其數值越大，說明此網絡的整體運行負載率越高，若電網平均利用率過高則需加強網絡建設以緩解系統運行壓力，增強功率傳輸能力，滿足負荷增長及事故調度的需要；反之，則說明該網絡能較好地滿足未來負荷增長和系統調度的需求。本文使用加權指標，將線路長度作為加權因子，強調遠距離輸送的關鍵線路對系統的影響(直流線路運行時，輸送功率一般是確定的，因此在計算平均負載率指標時僅考慮交流線路)。

(17)

式中：αt表示第t年電網的平均利用率；NAC表示交流線路的集合。

主要斷面利用率。為了量化地反映系統各種運行場景下重要輸電斷面的潮流分布情況，引入主要輸電斷面利用率，對時序優化各過渡階段電網的關鍵輸電斷面利用情況進行衡量，進而得出整個時序優化結果關鍵輸電斷面的綜合利用情況：

(18)

(2)電網結構均衡度

主要包括電網利用率標準差、電網最大最小利用率、電氣介數等指標。

電網利用率標準差。綜合反映系統的負載水平，但不能刻畫出線路利用率的個體差異情況。在相同的電網平均利用率情況下，有些方案可能各線路利用率情況相對一致，而另一些方案各線路的利用率則可能相差較大，因此需要有一個指標對線路利用率分布離散情況進行描述，故提出系統利用率標準差指標，同樣需考慮的是時序優化結果對應各過渡階段電網利用的離散情況。

(19)

式中σt表示第t年電網利用率標準差指標。

電網最大、最小利用率。某些情況下，需要更為關注電網線路利用率的極限情況，保證系統線路利用率水平在合理范圍內，可以簡化采用電網最大、最小利用率指標來直接地反映線路利用率的最大分布范圍。時序優化過程可對各過渡階段的電網極限利用情況進行綜合比較：

(20)

(21)

式中：αmaxt表示第t年電網的最大利用率指標；αmint表示第t年電網的最小利用率指標。

電氣介數。是電力系統研究領域新近提出的指標，目前主要用于電力系統關鍵線路的識別，進而衡量系統的脆弱性。本文引入該指標對時序優化過程各過渡階段電網的結構均衡度進行衡量，定義線路(m,n)的電氣介數如下：

(22)

5 安全穩定評估指標

(1)暫態穩定指標

主要包括斷面故障暫態穩定裕度、故障臨界切除時間、極限傳輸功率、負荷損失、失步相交差、多饋入直流短路比等指標。

斷面故障暫態穩定裕度。能夠直觀反映特高壓交直流電網的暫態安全性。基于暫態能量函數法(直接法)的暫態穩定裕度是指系統在受到擾動時計算系統暫態能量與系統臨界能量的差值，并通過該差值來定量分析系統在受到擾動時的暫態穩定裕度。系統關鍵斷面故障的暫態穩定裕度指的是組成關鍵斷面的各條輸電線路(故障)的最小暫態穩定裕度值。通過關鍵斷面暫態穩定裕度來反映系統的暫態穩定水平，關鍵斷面暫態穩定裕度越大表明系統承受給定暫態擾動的能力越強。系統故障的暫態穩定裕度的計算通常采用基于直接法，暫態穩定裕度即為系統臨界能量與故障后系統暫態能量的計算差值：

ΔVt=Vcrt-Vct

(23)

式中：Vcrt為第t年系統的臨界能量；Vct為第t年故障時系統的暫態能量。

斷面故障臨界切除時間，是系統發電機轉子抵達極限切除角所用的時間，又可稱為極限切除時間或稱作臨界切除時間(tCCT)。定義系統關鍵斷面故障臨界切除時間為組成關鍵斷面各條輸電線路中最短的臨界切除時間，通過關鍵斷面故障臨界切除時間來反映系統的暫態穩定水平，關鍵斷面故障臨界切除時間越大表明系統承受給定暫態擾動的能力越強。故障臨界切除時間的計算公式如下：

ΔVt=Vcrt-Vct(tCCTt)=0

(24)

比較關鍵斷面各線路的臨界切除時間，取其中的最小值作為該關鍵斷面的臨界切除時間。

斷面極限傳輸功率。在暫態穩定分析和安全控制分析中，通常需要計算切除時間極限值、能量極限值以及斷面功率極限值等臨界參數，但是由于故障臨界切除時間和能量極限值對于調度運行方來說難以駕馭，而斷面的功率可以通過運行方式的安排控制在極限值以內，因此斷面的功率極限值是從安排電力系統運行方式的角度把握特高壓交直流電網系統暫態穩定能力的一個重要依據。求解方法一般選用將目標斷面的傳輸功率作為目標函數，選取交流線路N-1故障系統保持穩定作為約束條件，同時還需考慮并列直流線路發生單極閉鎖故障向交流系統轉移功率，系統仍能保持穩定，通過改變控制變量解得斷面極限傳輸功率。其目標函數如下：

(25)

損失負荷。在特高壓交直流混合輸電系統運行超過靜態運行域，由于1回直流發生雙極閉鎖或多回直流同時發生雙極閉鎖，超過暫態運行域時，若系統在發電機出力約束和輸電線功率輸送約束下無法保證受端系統全部負荷的有功需求，為了維持系統的穩定運行，應采取切負荷的穩定措施保證全系統的安全穩定性。切負荷是電力系統安全穩定緊急控制的措施之一，快速切除部分負荷可以減小發電機組輸入和輸出之間的功率不平衡，從而保證系統的穩定。根據能量裕度隨切負荷量變化的特性求取暫態穩定切負荷有功容量極限，系統暫態穩定切負荷有功容量極限值計算如下：

Pcrt=f(P0,P1,CP0,CP1)

(26)

式中：P0和P1為2種不同的切負荷量；CP0、CP1為2種不同的切負荷量對應的穩定裕度，采用暫態能量函數法計算穩定裕度根。

失步相交差。電力系統在受到嚴重擾動時需要通過失步解列來維持系統的穩定運行，判別失步較直觀和較可靠的判據是失步中心兩側(或2部分)的相角差超過180°，因此，失步中心兩側的相角差可作為失步解列的指標。失步解列指標計算如下：

Δδ=δa-δb

(27)

式中： 為失步中心兩側的相角差；δa、δb為失步中心兩側的相角，失步中心是在一次失步振蕩過程中，發生異步振蕩的聯絡線上電壓出現最低值的點，即發生異步振蕩聯絡線的振蕩中心的位置。

多饋入直流短路比。隨著受端系統直流輸電規模的增大及直流落點個數的增多，系統的電壓穩定問題等更加突出。國際大電網會議(CIGRE)直流工作組提出采用多饋入直流短路比來評估多饋入直流受端電網的電壓支撐能力[18]，多饋入直流系統短路比定義如下：

(28)

式中：Mi為第i回直流所對應的多饋入短路比；Ui為第i回換流母線上的額定電壓；Zeqii為等值阻抗矩陣中第i回換流母線所對應的自阻抗；Zeqij為等值阻抗矩陣中第i回換流母線和第j回換流母線之間的互阻抗；Pdi為第i回直流的額定功率；Pdj為第j回直流的額定功率。

(2)靜態穩定指標

可采用常規電網靜態穩定分析指標，主要分析靜態N-1校驗、節點電壓裕度、靜態穩定儲備系數、節點電壓水平、電壓越限節點個數、節點電壓最大偏離量、線路負荷水平等指標，本文不再贅述。

6 社會環境評估指標

(1)可再生能源利用率

主要包括水電利用率、風電利用率等指標。

水電利用率。為提高電網的運行經濟性，減少環境污染，在理論上希望水電能完全上網，最大程度地輸送到負荷端，來減少火電的發電量，降低化石能源的消耗量。本文在電網時序優化過程中，僅考慮由于網絡輸電容量限制造成的水電棄水。

多場景下的棄水電量可表示為

(29)

不失一般性，可以選取棄風、棄水量綜合最大的場景為代表場景進行簡化計算：

(30)

式中：s1為最大發電機組調節量對應的場景，該場景的求取方法在輸電阻塞費用中已給出。

由此可得水平年的水電利用率βHt，即為年上網電量與年最大發電量之比：

(31)

式中：EH表示保持水電滿發，對應的水電年最大發電量；PHis0為水電站i在s時刻的最大出力。

(32)

風電利用率。風電的利用由許多復雜因素決定的。為減少一次能源的消耗，降低環境污染，在發電調度時盡量多利用風電。電網時序優化評估過程主要著眼于過渡階段網絡建設對風電輸送能力的影響，因此本文主要考慮由于網絡輸電容量限制造成的風電棄風量。不同的網絡建設方案對應的棄風電量的多少，反映了網絡對風電的利用水平，多場景下的棄風量則表示為

(33)

在簡化計算時，亦可以僅考慮棄風、棄水量綜合最大的場景

(34)

水平年的風電利用率可表示為

(35)

(36)

式中：EW表示風電全部入網，對應的風電年最大發電量，可通過式(36)求得；PWis0表示風電場i在s時刻的最大出力。

(2)節能減排效果

主要包括化石能源消耗、大氣污染排放等指標。

化石能源消耗。不考慮網絡損耗及輸電容量約束情況下，各方案中機組的經濟出力相同，則火電機組發電消耗等量的化石能源；在電網時序優化結果比較中，需要考慮的是電網結構不同導致的能源消耗的差異量，即計算由于網絡損耗及網絡阻塞造成發電機再調節，進而導致化石能源增加的消耗量。網絡損耗電量或網絡阻塞造成的棄風、棄水需要靠增加火電出力來彌補，這間接導致火電機組的煤耗增多，故電網時序優化中的化石能源消耗量表示為

EFt=KF(ELOSSt+QHt+QWt)

(37)

式中：EF表示由于網絡損耗及網絡阻塞引起的一次能源消耗量，t；KF表示火電機組單位發電量對應的一次能源消耗，t/(kW·h)；年網損電量ELOSS、棄水電量QH、棄風電量QW的計算方法在前文已給出。

大氣污染排放。本文采用的大氣污染排放指標主要指由于網絡阻塞和網絡損耗造成的大氣污染排放增量，與化石能源消耗的計算原理相似，網絡阻塞和網絡損耗造成清潔的風電和水電不得不壓出力運行，火電相應增加的一部分出力導致了額外的污染物排放，其公式表示如下：

EPOL=KPOL(ELOSS+QH+QW)

(38)

KPOL=KFKP

(39)

式中：EPOL表示由于網絡損耗及網絡阻塞引起的污染物排放量；KPOL表示火電機組單位發電量對應的污染物排放量；KF表示火電機組單位發電量對應的化石能源消耗量，t/(kW·h)；KP表示火電機組的排放系數。年網損電量ELOSS、棄水電量QH、棄風電量QW的計算方法在前文中已給出。

7 結 論

(1)研究提出了反映特高壓交直流電網經濟性、高效性、安全穩定性、社會環境影響的綜合評估指標體系，明確了相關評估指標的計算方法，通過分析比較不同特高壓交直流工程建設時序在電網投資、運行成本、一次能源消耗、系統運行技術要求、電網安全穩定性、社會環境成本等方面的差異，可以為優化特高壓工程建設時序提供理論參考依據。

(2)在經濟性評估方面，采用了輸電阻塞費用指標，計算不同時序建設過程中由于輸電阻塞所引起的棄風棄水費用，評估電網對清潔能源接入的適應性；在高效性評估方面，提出電網利用率標差、最大和最小利用率、電氣介數等結構均衡度指標，用于評估電網利用效率和結構合理性；在安全穩定性評估方面，采用多饋入直流短路比等指標，度量交流系統對直流系統支撐能力的強弱；在社會環境影響評估方面，提出水電、風電利用率指標和能耗排放指標，衡量電網對可再生能源的輸送能力和對環境的影響。

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(編輯 劉文瑩)

Timing Optimization Evaluation Index System of UHVAC and UHVDC Project Construction

ZHAO Liang1, 2, YI Haiqiong3, WU Yaowu4

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China; 3. State Power Economic Research Institute, Beijing 102206, China;4. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430047, China)

To comprehensively evaluate the rationality and advantage of UHV AC-DC project timing programs during the whole construction period, this paper establishes the evaluation index system including economy, technology, security and stability, social environment and other factors. Considering the development characteristics of UHV AC-DC power grid, we suggest using transmission congestion fees, structure balancing, social environmental influence and other some conventional transmission network planning evaluation indexes such as steady-state security, to compose the comprehensive evaluation index system, in order to compare and analyze clean energy development adaptability, power grid structure balancing, the effect of energy-saving and emission reduction, etc. in different UHVAC and UHVDC project construction timing programs.

timing optimization; evaluation index; transmission congestion; power utilization proportion; structure balancing; energy-saving and emission reduction

國家電網公司大電網重大專項資助項目(SGCC-MPLG026-2012)

TM 71

A

1000-7229(2016)01-0056-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.009

2015-09-21

趙良(1972)，男，高級工程師，主要從事電網規劃研究工作；

易海瓊(1979)，女，高級工程師，主要從事電網規劃研究工作；

吳耀武(1963)，男，副教授，主要從事電力系統規劃與可靠性及電力系統運行分析研究工作。