城市電網分區柔性互聯選址方法及示范應用

2016-02-23 03:13:30肖峻李思岑黃仁樂李蘊韓帥

電力建設 2016年5期

肖峻，李思岑，黃仁樂，李蘊，韓帥

(1.智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市 300072；2.國網北京市電力公司，北京市 100031)

城市電網分區柔性互聯選址方法及示范應用

肖峻1，李思岑1，黃仁樂2，李蘊2，韓帥2

(1.智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市 300072；2.國網北京市電力公司，北京市 100031)

在城市電網分區間，利用柔性直流電力電子裝置，實現柔性互聯，有可能解決現有交流型城市電網分區運行中存在的難題。介紹了國內外首個城市電網分區柔性互聯示范工程的選址，并提出一種實用的選址方法。首先，建立了分區間柔性互聯裝置選址模型，計及了靜態安全性、供電能力、短路電流、電壓穩定等7項指標。由于電壓穩定等指標計算需要逐個case模擬故障仿真，對于大型城市電網柔性互聯選址的計算量很大，模型很難直接求解，因此提出一種實用的選址方法：先給出分區有功需求及無功需求初篩指標，依據其進行方案初篩；再進一步詳細仿真分析得到7項細篩指標；然后采用層次分析法確定最優方案，最后介紹了示范工程的選址論證。結果表明，所提方法確定的選址方案具有很好的互聯效果，發現了除示范工程外更多效果良好的位置，為后續柔性互聯提供了選擇。同時，研究發現不是所有分區柔性互聯后都具有明顯效果，故進一步歸納了適合柔性互聯的分區特征。所提方法和實踐對城市電網分區柔性互聯的發展具有重要意義。

城市電網；分區；柔性直流；柔性互聯；選址

0 引言

大型城市電網多為受端電網，本地電源裝機容量通常遠遠無法滿足負荷需求，區外來電比例較高[1]。為了解決電網短路電流過大的問題，同時防止500 kV/220 kV電磁環網的事故隱患，大型城市電網一般采取220 kV電壓等級分區運行模式[2-3]，相鄰分區間互為備用。

然而，城市電網分區獨立運行也存在一些安全性問題：(1)各分區供電能力不足；(2)電力平衡與“N-1”故障后潮流過載[4]；(3)電網故障后母線電壓水平較低[5]；(4)系統短路電流過大[6]；(5)城市負荷中心缺乏足夠的電壓支撐，造成暫態電壓穩定問題[7]等。為解決上述問題，通過分區間進行緊急功率支援顯得非常必要，但如果直接閉合聯絡線進行功率支援，由于潮流不可控，容易造成事故擴大化[8]。柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術可解決諸多電網運行問題。工程表明，在電網分區間安裝柔性直流裝置可實現分區互聯[9]。

采用柔性直流輸電技術實現城市電網分區互聯，不僅可以完成分區間功率交換的功能，還可以憑借其快速獨立調節無功功率、“黑啟動”、不提供短路電流等技術特性，解決電網中的動態穩定性、電網黑啟動以及短路電流超標等安全性問題。同時，柔性直流裝置結構緊湊占地面積相對較少，在城市電網中使用具有很大優勢[10-13]。柔性互聯裝置改善城市電網分區運行現有問題具體表現為：(1)增強分區供電能力；(2)實現分區間電力平衡及“N-1”后實現分區間負荷轉帶；(3)調節母線電壓水平；(4)降低短路電流；(5)為城市負荷中心提供必要的無功支撐，克服電壓穩定性所構成的限制等。此外，柔性直流技術還可以增強城市電網建設的可實施性，節省電力建設成本，滿足電力市場要求，方便新能源接入等[14-15]。

柔性直流技術在負荷中心分網運行的功能要求、控制原理與架構等已有一定研究[16]。但由于城市電網分區間柔性互聯技術較新，如何在城市電網規劃階段選擇出適合分區互聯裝置安裝地址亟待探討，且如何對城市電網分區選址方案迅速進行可行性篩選，并通過一定評價目標實現選址的綜合優化，暫時沒有得到解決。上述待研究問題可基于已有柔性直流裝置的機理性質與現有裝置的相似性，參考借鑒現有的相關選址研究方法。

柔性直流裝置的無功補償特性與柔性交流輸電系統(flexible alternative current transmission systems，FACTS)相似，以往對FACTS裝置的選址研究主要分為2類。第一類為直接選擇電網無功補償點的方法，具體的選擇依據有無功裕度[17]、靜態電壓穩定性[18]、靜態能量[19]等。第二類方法為同時考慮裝置容量的多目標選址方法，研究重點在于求解多目標函數的算法，已有的求解方法有粒子群算法[20]、遺傳算法[21]、蟻群算法[22]、智能帕雷托解法[23]等。但以上這些方法由于結果較為精確，故其程序復雜且計算量較大，僅適用于小范圍進一步計算。且其目標并未全面考慮城市電網需求，不適用于大型城市電網分區間的柔性直流裝置選址。因此有必要根據柔性互聯裝置的特點提出一種快速且全面的選址方法。

本文基于柔性直流分區互聯裝置的特點，提出柔性互聯裝置的選址模型與實用方法，并在實際大型城市電網分區柔性互聯中運用該方法。

1 分區柔性互聯選址模型

分區間柔性直流互聯裝置安裝于城市電網相鄰兩分區間的聯絡線上，即裝置在兩分區間的安裝位置已確定。因此，在一個城市電網中可以安裝柔性互聯裝置的待選位置是確定的，城市電網分區間柔性互聯裝置選址則是從這些已有的可安裝位置中選出最適合的位置，使裝置的作用充分發揮以解決分區間目前所存在的安全性問題，從而提高分區電網的可靠性和經濟性。

具體的分區間柔性互聯裝置選址模型如下。

GBest=max(G1,G2,…,Gn)

(1)

(2)

(3)

(4)

F3=b(0.5μ+0.5τ)+cα

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：GBest為最優選址方案得分；Gn為初篩后第n個較優方案得分；λi為層次分析法第1層第i個因素的權重；Pi為第1層第i個因素得分；wj為第2層第j個指標的權重；Fnj為第n個較優方案的第j個指標系數；F1為負荷均衡指標；F2為靜態安全性指標；F3為動態無功電壓穩定指標；F4為供電能力提升指標；F5為短路電流降低指標；F6為供電可靠性指標；F7為經濟性指標。

式(1)為目標函數，表示最優選址方案為較優方案中綜合各指標得分最高的方案；式(2)為較優方案得分等式，表示最終得分為各細篩指標評分與權重的乘積求和；式(3)— 式(9)為各細篩指標的計算式，其結果可表示分區互聯裝置在7個細篩指標下的效果，具體在2.2節中詳細介紹。

2 分區柔性互聯的實用選址方法

由于選址考慮因素較多、計算量很大，特別是靜態安全性、電壓穩定性等均需對元件逐個進行故障仿真。因此本文首先采用一種初篩方法，可以不經仿真快速篩除不適合的方案。初篩后再細篩，即詳細計算方案實施前后靜態安全性等7個指標。最后，利用綜合評判方法選出最優方案。

2.1 選址初篩方法

由于分區柔性互聯裝置可以獨立地控制有功和無功，即其既可以進行分區間有功支援以減少重載元件所帶負荷，同時又能進行無功控制影響電壓。故安裝柔性互聯裝置的2個分區應對有功和無功兩方面均有一定需求，詳細原理見附錄A。

初篩方法分為3步：第1步，從有功需求方面對已有方案進行第1輪篩除；第2步，從無功需求方面進行第2輪篩除；第3步，依據有功和無功2種初篩指標對篩除后剩余方案排序選優。

(1)步驟1：基于分區有功需求的選址初篩。記兩相鄰分區分別為A分區和B分區，具體篩除方法表述如式(10)。

(10)

(2)步驟2：基于分區無功需求的選址初篩。在分析裝置無功選址時，應以分區確定的聯絡線站點作為無功電源發出點，考慮聯絡線站點及其周圍相連站點對于無功補償需求的大小程度。本文采取的方法是基于分區負荷及電廠分布情況來判斷裝置安裝點的無功補償是否充足，若負荷重且無電源支持則表示無功較缺失，可能存在故障電壓難以恢復穩定的情況。具體基于源-荷分布情況的篩除方法可表述如式(11)。

(11)式中：Ωsift′為此處應篩除方案；W定義為源-荷分布系數，當W較小時，表示目標節點不缺無功，當W較大時，表示目標節點負荷較重且缺少電源支撐，即為電壓薄弱點，需要進行無功補償；Li表示分區各節點所帶的最大負荷值；yi表示各節點到目標節點的電氣距離，目標節點本身的電氣距離記為1；Pj表示各發電廠提供的最大有功出力；yj表示各發電廠到目標節點的電氣距離，與目標節點相連的電廠的電氣距離記為1。

式(11)表示若方案中源-荷分布系數W低于最小系數Wmin時，則應篩除此方案。因為W越小，表示該位置負荷較輕或已有電源提供支撐，即其動態無功越充足，不需要提供動態無功補償。

(3)步驟3：基于初篩指標的方案排序。根據上文中3個指標，即負載率βT、分區容載比RS和源-荷分布系數W，對篩選后剩余方案進行排序。以下為各指標中安裝效果較優的情況。

1)主變負載率方面：A分區βT較高且B分區βT較低。這種情況下B分區主變容量裕度較大，可為A分區提供有功支援以降低A分區主變負載率，解決A分區安全隱患。

2)分區容載比方面：A分區RS較低且B分區RS較高。這種情況下B分區有功裕度較大，可為A分區提供有功支援解決A分區安全隱患。

3)源-荷分布系數方面：若兩分區對應安裝位置的W均較大或有一分區W較大，則可初步判斷為在無功方面具有安裝裝置的需求。

基于上述分析，可利用式(12)計算得到各方案的排序系數。

(12)

式中：θ為排序系數，θ越大方案越優；γ為各指標權重，根據其重要程度賦值；W′為源-荷分布系數標幺值；Wn為源-荷分布系數基準值。

此外，應考慮特殊情況對分區進行全面分析，判斷其是否仍對裝置有需求。對于特殊情況，應單獨分析后基于其嚴重性及裝置需求性對其排位進行調整。基于上述初篩排序后，將排位靠前的n個方案視為較優方案，進行選址細篩。

2.2 選址細篩指標

由于初篩僅從整體角度分析了選址方案對有功及無功的需求，未能全面地分析分區柔性互聯裝置在分區中所起到的效果，因此應從不同角度對較優方案安裝裝置的效果進行考量，從而全面分析對比后得到最優方案。本文建立7個細篩指標，并對各較優方案進行仿真計算得到7個指標的具體結果，從而為后續綜合最優選址做準備。

2.2.1 正常運行時負載均衡

柔性互聯裝置可以在電網正常運行時進行分區間有功傳輸以減少重載元件所帶負荷，均衡兩分區主變負載率，即縮小兩分區的負載率范圍。衡量正常運行時負荷均衡的效果可用式(3)表示。

通過PSD-BPA分別計算得到各較優方案安裝裝置前后分區內500 kV主變負載率的最小值和最大值βmin、βmax、βmin′及βmax′，即得到安裝裝置前后的分區500 kV主變負載率范圍，利用公式可計算得到安裝裝置后的500 kV主變負載率范圍的縮小比例，即為F1。F1越大則負荷均衡效果越好。

2.2.2 靜態安全性

柔性互聯裝置可以在電網發生“N-1”或“N-2”時進行分區間有功支援以解除或減緩遇到的元件重載或過載等問題。衡量裝置對靜態安全性的效果可用式(4)表示。利用PSD-BPA軟件對各較優方案安裝裝置前后進行靜態安全性仿真，即對分區內元件設置“N-1”及“N-2”故障，根據仿真結果得到出現靜態安全問題的故障個數Nq，再利用軟件仿真判斷裝置是否可以解決或減緩分區靜態安全問題，記解決問題的個數為Nq1，緩解問題的個數為Nq2。a為緩解系數，表示問題得以解決的程度，此處記a= 0.5。依據式(4)可以得到分區靜態安全問題的解決程度，即為F2，F2越大則裝置解決靜態安全問題的效果越好。

2.2.3 動態無功電壓穩定

柔性互聯裝置可以在電網低電壓穿越中進行暫態電壓控制，通過兩端無功補償恢復電網電壓。利用PSD-BPA軟件對各較優方案安裝裝置前后進行動態無功電壓仿真，即參考《電力系統安全穩定導則》(DL 755—2001)對分區內元件設置常規故障及非常規故障，根據仿真結果判斷互聯裝置是否可以解決或減緩分區電壓失穩問題。具體地，衡量裝置對動態無功電壓穩定的效果可用式(5)表示，各子系數求法如式(13)所示。

(13)

式(5)及(13)中：μ為常規故障在安裝裝置后母線最低電壓提升比例；τ為常規故障在安裝裝置后電壓恢復時間降低比例；α為非常規故障在安裝裝置后故障通過率提升比例；b為常規故障效果權重(此處設b= 0.3)；c為非常規故障效果權重(此處設c= 0.7)；Umin為裝置安裝前某一常規故障的母線最低電壓；Umin′為裝置安裝后該母線最低電壓；t為安裝前某一常規故障的電壓恢復時間；t′為裝置安裝后相應的電壓恢復時間；Nd為非常規故障設置總數；Nd1為裝置安裝前發生失穩的非常規故障個數；Nd1′為裝置安裝后發生失穩的非常規故障個數。利用式(13)可以得到分區電壓穩定暫態故障解決程度。結果表明，μ、τ、α越大，F3越大，即裝置對分區的動態無功電壓穩定方面起到的效果越好。

2.2.4 供電能力

分區供電能力是指分區電網在滿足“N-1”安全準則條件下，考慮到網絡轉帶及實際運行約束的最大負荷供應能力。由于柔性互聯裝置可以在分區間正常運行及“N-1”情況下提供有功支援，故可在一定程度上提高分區供電能力。衡量裝置對供電能力的提升效果可用式(6)表示。利用PSD-BPA軟件對各較優方案安裝裝置前后進行最大供電能力的計算，分別得到安裝前后兩分區的最大供電能力TTSC及TTSC′，利用式(6)可計算得到安裝裝置后兩分區供電能力的提升比例，F4越大則表明分區供電能力提升效果越好。

2.2.5 短路電流水平

因柔性互聯裝置具有實現正序和負序電流矢量解耦控制的功能，故可以對傳輸功率進行動態限幅，進而限制短路電流水平。衡量裝置限制短路電流的效果可用式(7)表示。利用PSD-BPA軟件仿真計算可得到分區各母線的三相短路電流大小，記錄安裝裝置前與額定短路電流Ie之比超過0.9的母線短路電流Ii，安裝裝置后相應母線的短路電流Ii′，該分區中這樣的母線共有m條，通過計算可得到上述母線在安裝裝置后短路電流的降低比例，并取各降低比例的平均值即為F5。F5越高，則裝置控制短路電流水平效果越好。

2.2.6 供電可靠性

分區間安裝柔性互聯裝置，可以通過對有功及無功的控制解決分區安全隱患從而提高分區供電可靠性。本文利用分區失載概率pLOLP及期望缺供電量EEENS2個指標評價分區可靠性，pLOLP及EEENS越低，則分區電網可靠性越高。衡量分區安裝裝置后可靠性提升的效果可用式(8)表示?；诜謪^數據計算得到安裝裝置前后各分區的pLOLP及EEENS，利用式(8)可得到單個分區在安裝裝置后的可靠性提升率，各方案可取兩分區平均值反映裝置對可靠性提升的效果。F6越大，則可靠性提升效果越好。

2.2.7 經濟性

分區間安裝柔性互聯裝置在運行上將產生一定損耗，而裝置提高分區供電能力、提高分區供電可靠性又可以帶來一定收益，故安裝裝置將給分區運行帶來經濟變化。本文通過計算安裝裝置的損耗及收益來衡量各方案的經濟性，具體可用式(9)表示?；诜謪^數據計算得到安裝柔性互聯裝置后各分區的損耗及收益。A為給定基準值；B為損耗；C1為供電能力提高帶來的收益；C2為可靠性提高帶來的收益。F7越大則安裝后的總經濟性越好。

2.3 方案綜合評判決策

得到細篩7個指標后，應建立一套基于7個指標的綜合評價體系對各方案進行評價，選出最適合安裝分區互聯裝置的最優方案。

層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一種定性與定量分析相結合的多目標決策分析方法，適用于結構較復雜、決策準則多且有些不易量化的決策問題[24]。根據本文設計的評價指標，建立AHP選址評估模型結構如圖1所示。

圖1 AHP選址評估模型結構圖Fig.1 Structure of AHP siting evaluation model

AHP層次結構的一級指標包括安全可靠性、靈活性和經濟性，次級有7個指標。安全可靠性包括4個指標，分別從分區靜態安全、暫態安全、短路水平及停電水平等4方面對電網安全進行衡量評估。靈活性包括負載均衡和供電能力2個指標，因為二者均可提高電網對負荷的適應能力。經濟性反映裝置對分區帶來的損失及收益。

確定各層次及指標的權重，征詢專家意見對指標進行兩兩比較，采用1—9數字標度法寫出判斷矩陣并求解出各層指標權重，利用權重系數最終可計算得到各方案的選址評分，評分最高的方案可選為最優方案。

3 實例應用

本文方法已用于國內外首個220 kV城市電網柔性互聯示范工程的選址論證。計算中的電網和負荷數據來自北京電網2至3年安全滾動校核分析報告[25]，計算工具采用北京市電力公司使用的PSD-BPA軟件。

3.1 電網概況

2017年度夏期間，北京220 kV電網共分為8個分區，分區間兩兩相鄰，采用220 kV線路聯絡，如圖2所示。

分區間柔性直流互聯裝置安裝于相鄰兩分區間的聯絡線上，因此可以得到分區A—B、分區B—D等8個待選方案，即Ω。

3.2 選址計算

3.2.1 選址初篩

若待選方案中兩分區對有功或無功沒有需求或需求量極小，則不適合安裝互聯裝置，應予以初篩除。有關初篩方法正確性的驗證詳見附錄B，北京電網的初篩計算過程如下。

圖2 2017年北京220 kV電網分區示意圖Fig.2 220 kV power grid partition in Beijing in 2017

(1)基于分區有功需求的初篩。表1為北京電網各分區負載率及容載比。設定主變負載率上限βmax= 70%，分區容載比下限Rmin= 1.5，由表1可知，分區C—D和分區D—E兩方案對裝置有功需求較低，即兩分區可供支援的有功裕度均較低，安裝裝置對分區安全性提升不明顯，故兩方案被篩除。

表1 2017年北京各個分區主變負載率及容載比情況
Table 1 Main transformer load rate & capacity-load ratio in each partition in Beijing in 2017

又由于E—F兩分區及F—G兩分區之間均通過開關站相連，且這2個方案在一定規劃期間內并未考慮建設聯絡線，故其缺少安裝柔性直流裝置的工程基礎條件，也應予以篩除。篩除后剩余方案為分區A—B、分區B—C、分區G—H、分區H—A 4個方案。

(2)基于分區無功需求的初篩。利用電網數據計算4個方案，此處各節點及發電機到目標節點的電氣距離用線路阻抗標幺值的1 000倍計算，且個別小于1的值取1代替。計算得到4個方案的源-荷分布系數列于表2中。

表2 有功初篩除后方案分區源-荷分布系數
Table 2 Source-load distribution coefficient of active primary screening

由表2可以看出：SAa、SBb兩站的源-荷分布系數W為負，表明這2個安裝點無功裕度充足，無需補償；SHa的W最大，表明該安裝點負荷重且無電源支持，較缺無功，需要補償；其余各安裝點的W較為適中。

經PSD-BPA仿真測試發現，當目標節點W低于400時，分區發生故障可以自行調節恢復電壓穩定且不會發生電壓崩潰問題，即基本不缺無功，故取Wmin= 400。由表2可知，4個方案中沒有2個分區均低于Wmin的情況，故無篩除方案。

(3)基于初篩指標的方案排序。依據初篩得到的各分區500 kV主變平均負載率βT、分區平均容載比RS和源-荷分布系數W，利用式(12)可得初篩后4個方案的排序系數，此處設各指標權重依次為：γ1=γ2= 0.3，γ3= 0.4，計算得到各方案排序系數列于表3。

表3 各方案初篩排序系數
Table 3 Initial screening sorting coefficient

根據排序系數可知初篩后各方案排序為：分區G—H、分區B—C、分區A—B、分區H—A。分析特殊情況發現，分區G—H中G分區僅有2臺主變，分區網絡結構較為薄弱，可利用柔性直流裝置提供有功支撐，解決安全隱患。綜合特殊情況后初步排序不變，將排位前三的方案視為較優方案，即分區G—H、分區B—C、分區A—B，并對這3個方案進行選址細篩。

3.2.2 細篩指標

按照示范工程可研方案，依據聯絡線容量設定分區裝置容量為600 MVA。利用PSD-BPA等軟件對3個較優方案分別進行仿真及計算，得到各方案7個細篩指標并評分后結果如下。

(1)正常運行時負載均衡情況。表4為各選址方案實施前后正常運行均衡情況比較。各方案500 kV主變負載率區間是主變負載率最小值到最大值區間。互聯后分區間有功傳遞會平衡兩分區負荷，故負載率區間將會改變。

表4 各選址方案實施前后正常運行均衡情況比較
Table 4 Comparison of normal operation equilibrium before and after each siting scheme implement

正常情況下，負載率區間將縮小，但當線路有特殊需求時會出現增大的情況。例如分區G—H方案：G分區500 kV主變平均負載率高于H分區，由于H分區中LH雙回線中一回故障，另一回負載率達99.3%，又考慮到G分區中LG雙回線中一回故障，另一回負載率達90.6%，為避免線路重載，G分區向H分區傳輸60 MW，此時G分區負載率升高，H分區負載率降低，故負載率區間將增大，在表4中表現為負值。

由上表可知，在正常運行的負荷均衡方面，分區B—C方案最優，其次為分區A—B方案，而分區G—H方案出于避免線路重載的目的，未達到負荷均衡效果。

(2)靜態安全性。表5為各選址方案實施前后靜態安全性情況比較。各方案在安裝裝置前均存在靜態安全問題，安裝后均有部分問題得以解決或緩解，通過表5中指標F2可知，在靜態安全性問題解決程度方面，分區G—H方案最優，其次為分區A—B

表5 各選址方案實施前后靜態安全性情況比較
Table 5 Comparison of static security condition before and after each siting scheme implement

方案，最后為分區B—C方案。

(3)動態無功電壓穩定。表6為各選址方案實施前后動態無功電壓穩定情況比較。各方案常規故障下母線最低電壓均有所提升，電壓恢復時間均有所降低，非常規故障下故障通過率均有所提升。由表6中指標F3可知，在暫態安全問題解決程度方面，分區G—H方案最優，其次為分區B—C方案，最后為分區A—B方案。

表6 各選址方案實施前后動態無功電壓穩定情況比較
Table 6 Comparison of dynamic reactive power and voltage stability before and after each siting scheme implement

(4)供電能力。表7為各選址方案實施前后供電能力效果比較。安裝裝置后的各方案分區供電能力均有所提升，通過表7中指標F4可知，對于提升供電能力方面，分區G—H方案最優，其次為分區B—C方案，最后為分區A—B方案。

表7 各選址方案實施前后供電能力效果比較
Table 7 Comparison of total supply capacity before and after each siting scheme implement

(5)短路電流水平。表8為各選址方案實施前后短路水平比較。北京220 kV電網的額定短路電流Ie= 50 kA，利用Ie可判斷出短路電流過大的母線，且可計算得到安裝裝置后的短路電流降低率。由表8中指標F5可知，在降低短路電流水平方面，分區B—C方案最優，其次為分區A—B方案，而G—H分區的短路電流大小在安裝裝置前后基本未改變。

(6)供電可靠性。表9為各選址方案實施前后可靠性比較。各方案在安裝裝置后的pLOLP及EEENS指數均有所降低，即可靠性均有所提升。由表9中指標F6可知，對于提升供電可靠性方面，分區B—C方案最優，其次為分區A—B方案，最后為分區G—H方案。

表8 各選址方案實施前后短路水平比較
Table 8 Comparison of short circuit level before and after each siting scheme implement

G分區出現了pLOLP′比pLOLP大的情況，這是由于對系統及各分區進行可靠性評估，當系統中線路或發電機故障并需要進行負荷調整時，存在不同的負荷調整策略，包括依負荷重要度調整、依靈敏度調整、就近調整等方式。本例中，采用基于靈敏度的負荷調整策略，這造成當系統故障切負荷時，由于H分區的負荷具有較高靈敏度，被調整的概率提高，因而可靠性有略微降低，但是提高了G分區的可靠性水平。

表9 各選址方案實施前后可靠性比較
Table 9 Comparison of reliability before and after each siting scheme implement

(7)經濟性。表10為各選址方案實施前后經濟性情況比較。設基準值A= 500萬元/a，利用基準值及表10中數據可計算得到各方案經濟性指標。各較優方案在安裝裝置后的經濟性水平均有所提升，通過表中指標F7可知，在提升經濟性方面，分區B—C方案最優，其次為分區G—H方案，最后為分區A—B方案。

表10 各選址方案實施前后經濟性情況比較
Table 10 Comparison of economical efficiency before and after each siting scheme implement

3.2.3 綜合評價

本文經過專家評價及計算，最終得到3個分目標，即安全可靠性、靈活性和經濟性的權重分別為0.8、0.1和0.1。同理分別得到靈活性中的負載均衡能力和供電能力2個指標的權重分別為0.3和0.7；安全可靠性中的靜態安全性、動態無功電壓穩定、短路水平及供電可靠性4個指標的權重分別為0.3、0.5、0.1和 0.1；經濟性中僅有經濟性1個指標。

基于細篩計算中各較優方案的7項指標得分及各指標權重大小，由式(2)可以計算得到3個較優方案的綜合評分：GA—B= 0.313 84、GG—H= 0.349 74和GB—C= 0.283 87。故可得最優方案為分區G—H方案，其次較優的為分區A—B方案，最后為分區B—C方案。

示范工程實踐中，由于直流站場位置獲取更為快速，最終選擇次優的分區A—B方案實施。但是除去示范工程外，分區G—H、分區B—C兩方案也具有一定良好的效果，可作為后續柔性互聯位置的選擇。同時發現并不是所有分區柔性互聯后都具有明顯效果，例如附錄B中的例子。

3.3 分區柔性互聯位置總結

綜上可知，分區柔性互聯裝置需要安裝的位置具有以下特征：(1)兩分區或一個分區網絡結構薄弱需要相鄰分區支持；(2)正常情況下，兩分區對負載均衡有需求，安裝裝置后可以均衡兩分區負載；(3)兩分區對動態無功補償有一定需求，裝置在電壓穩定問題發生時能進行快速動態無功支撐從而恢復電網電壓穩定；(4)兩分區柔性互聯后還能提升供電可靠性與供電能力。

4 結論

城市電網分區間柔性互聯是未來城市電網發展的一個新方向，如何在電網中選擇出適合的分區柔性直流互聯裝置的安裝位置值得研究。本文提出一種實用的分區柔性互聯裝置選址方法，主要包括：(1)提出了基于分區有功和無功需求的初篩方法，提高了方案篩選的效率，減少了詳細選址論證的工作量；(2)建立了7種選址細篩指標及其計算方法，可以從不同角度全面評價出備選較優方案的優劣；(3)基于AHP綜合評價法得到最終選址方案。

上述方法已應用到國內外首個城市電網分區柔性互聯示范工程的實際選址論證中。隨著柔性電力電子技術的發展，城市電網分區間柔性互聯技術具有廣闊前景，本文在該領域規劃方法上的探索以及工程實踐對后續工作具有參考價值。

[1]王偉，馬鴻杰，金敏杰.大受端城市電網若干安全問題及對策[J].電力與能源，2011，1(1)：26-29. WANG Wei, MA Hongjie, JIN Minjie. Several security issues and countermeasures of large receiving-end urban power grids [J]. Power & Energy, 2011, 1(1): 26-29.

[2]李晶生. 天津電網“十一五”規劃綜述[J].電網技術，2006，30(20)：1-5. LI Jingsheng. A survey on planning of Tianjin power network during the 11th five-year plan[J]. Power System Technology, 2006, 30(20): 1-5.

[3]侯春青，鄭惠萍.2005年山西中南部500 kV及220 kV電網的電磁環網運行方式研究[J].電網技術，2005，29(10)：80-84. HOU Chunqing, ZHENG Huiping. Research on parallel operation of 500 kV and 220 kV power networks in south and central part of Shanxi power grid in 2005[J]. Power System Technology, 2005, 29(10): 80-84.

[4]劉樹勇，顧強，張麗娟，等.“十一五”期間天津500/220 kV電網分區供電方案[J].電網技術，2008，32(9)：51-55. LIU Shuyong, GU Qiang, ZHANG Lijuan, et al. Research on power supply scheme based on partitioning of 500/220 kV Tianjin power grid during the 11th five-year plan[J]. Power System Technology, 2008, 32(9): 51-55.

[5]葉華，劉玉田，牛新生.500 kV-220 kV電磁環網開環方案模糊綜合評價[J].電力自動化設備，2006，26(7)：1-5. YE Hua, LIU Yutian, NIU Xinsheng. Fuzzy comprehensive evaluation of opening schemes for 500 kV- 220 kV electromagnetic loop [J]. Electric Power Automation Equipment, 2006, 26(7): 1-5.

[6]孔濤，王洪濤，劉玉田，等.500 kV-220 kV電磁環網開環研究[J].電力自動化設備，2003，23(12)：13-16. KONG Tao, WANG Hongtao, LIU Yutian, et al. On opening 500 kV-220 kV electromagnetic loop circuit [J]. Electric Power Automation Equipment, 2003, 23(12): 13-16.

[7]廖國棟，謝欣濤，侯益靈，等.湖南電網暫態電壓穩定性問題[J].電網技術，2012，36(10)：196-202. LIAO Guodong, XIE Xintao, HUO Yiling, et al. Study on transient voltage stability of Hunan power grid[J]. Power System Technology, 2012, 36(10): 196-202.

[8]李勝. 柔性直流技術在城市電網中應用研究[D]. 北京：華北電力大學, 2009. LI Sheng. Application research of VSC DC in urban power grid[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2009.

[9]張東輝，洪潮，周保榮，等.云南電網與南方電網主網異步聯網系統方案研究[J].南方電網技術，2014，8(6)：1-6. ZHANG Donghui, HONG Chao, ZHOU Baorong, et al. Asynchronous interconnection system scheme for Yunnan power grid and the main grid of China southern power grid [J]. Southern Power System Technology, 2014, 8(6): 1-6.

[10]湯廣福, 賀之淵, 龐輝. 柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(15): 3-14. TANG Guangfu, HE Zhiyuan, PANG Hui. Research, application and development of VSC-HVDC engineering technology [J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15): 3-14.

[11]GEMMEL B, DORN J, RETZMANN D, et al. Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission[C]//Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008. Chicago, USA: IEEE, 2008: 1-16.

[12]馬為民, 吳方劼, 楊一鳴, 等. 柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析[J]. 高電壓技術, 2014, 40(8): 2429-2439. MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming, et al. Flexible HVDC transmission technology’s today and tomorrow[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): 2429-2439.

[13]文俊，張一工，韓民曉，等. 輕型直流輸電：一種新一代的HVDC技術[J]. 電網技術，2003，27(1)：47-51. WEN Jun, ZHANG Yigong, HAN Minxiao, et al. HVDC based on voltage source converter: a review generation of HVDC technique [J]. Power System Technology, 2003, 27(1): 47-51.

[14]李春葉, 李勝. 柔性直流輸電在城市電網中應用的仿真研究[J]. 電氣技術, 2011(1): 1-4, 9. LI Chunye, LI Sheng. Simulation study of application of VSC-HVDC in urban area grid[J]. Electrical Engineering, 2011(1): 1-4, 9.

[15]鄭歡. 柔性直流配電網的若干問題研究[D]. 杭州：浙江大學, 2014. ZHENG Huan. Research on some problems of DC distribution network[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014.

[16]劉嘉超, 袁志昌, 李巖, 等. 柔性直流技術在負荷中心分網運行的應用[J]. 電網技術, 2016, 40(3): 683-688. LIU Jiachao, YUAN Zhichang, LI Yan, et al. Application of VSC-HVDC technology in synchronous system segmentation of load center[J]. Power System Technology, 2016, 40(3): 683-688.

[17]劉傳銓, 張焰. 電力系統無功補償點及其補償容量的確定[J]. 電網技術, 2007, 31(12): 78-81. LIU Chuanquan, ZHANG Yan. Confirmation of reactive power compensation node and its optimal compensation capacity[J]. Power System Technology, 2007, 31(12): 78-81.

[18]張志強, 苗友忠, 李笑蓉, 等. 電力系統無功補償點的確定及其容量優化[J]. 電力系統及其自動化學報, 2015, 27(3): 92-97. ZHANG Zhiqiang，MIAO Youzhong，LI Xiaorong, et al. Location selection of reactive power compensation and compensation capacity optimization[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2015, 27(3): 92-97.

[19]鄭武, 李華強,陳靜,等. 基于靜態能量函數法確定交直流系統最優無功補償點[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(8): 45-49. ZHENG Wu，LI Huaqiang，CHEN Jing, et al. Optimum reactive compensation position determination based on static energy function for AC/DC power system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2010, 30(8): 45-49.

[20]HAGHIFAM M R, SHAHABI M. Optimal location and sizing of HV/MV substations in uncertainty load environment using genetic algorithm [J]. Electric Power Systems Research, 2002, 63(1): 37 -50.

[21]侯云鶴, 熊信艮, 吳耀武, 等. 基于廣義蟻群算法的電力系統經濟負荷分配[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(3): 59-64. HOU Yunhe, XIONG Xinyin, WU Yaowu, et al. Economic dispatch of power systems based on generalized ant colony optimization method[J]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(3): 59-64.

[22]錢峰, 湯廣福,賀之淵. 基于智能帕雷托解的FACTS裝置多目標優化配置[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(22): 57-63. QIAN Feng, TANG Guangfu, HE Zhiyuan. Multi-objective optimal placement of FACTS devices based on smart Pareto solution[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(22): 57-63.

[23]李春華, 黃偉雄,袁志昌,等. 南方電網±200 Mvar鏈式STATCOM系統控制策略[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(3): 116-121. LI Chunhua, HUANG Weixiong, YUAN Zhichang, et al. Systematic control strategies for ±200 Mvar cascaded STATCOM in China southern power grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(3): 116-121.

[24]彭汝華. 基于層次分析法的電力需求側管理研究[D].重慶：重慶大學,2008. PENG Ruhua. The study of the AHP-based power DSM[D]. Chongqing: Chongqing University, 2008.

[25]北京電力調度控制中心. 北京電網2～3年安全滾動校核分析報告[R].北京：國網北京市電力公司，2014.

(編輯景賀峰)

附錄A 有功需求與無功需求初篩方法的原理

柔性直流裝置可以控制分區間進行有功支援以減輕重載元件負擔，故安裝柔性互聯裝置的2個分區應對有功相互傳輸方面有一定需求，即兩分區具有可以相互支援的有功裕度，且互聯后分區間的有功傳輸對提升分區安全性具有明顯效果。具體地，可通過兩分區實際容量及負荷分配等基本現狀數據進行分析，具體見文中2.1.1節。

柔性直流裝置具有無功補償的功能，在低電壓穿越中可通過裝置兩端發出無功對電網進行暫態電壓控制從而恢復電網的電壓穩定。當電網發生嚴重故障導致電壓失穩時，一些節點會率先失穩，這些節點即為“電壓薄弱節點”[23]。一般認為，電源越靠近負荷中心則對電網安全越有利，電廠離負荷中心越遠則對電網安全越不利。即“電壓薄弱節點”為負荷中心且缺少電源支撐的節點，由于此時負荷中心的無功電壓支撐能力不足，所以當系統受到干擾時，分區電網容易失去同步穩定和電壓穩定。若此時沒有采取必要和強制性的措施來維持分區電網一定的電壓水平，勢必造成電壓崩潰使系統失去穩定運行，從而發生大面積停電事故。因此在分區間選址時，應判斷安裝柔性互聯裝置的分區位置是否缺少無功，是否存在電壓失穩的潛在危險，即應著重考慮裝置安裝點對于分區內無功補償所起作用的大小程度。

對于分布式無功電源選址，安裝點距離電壓薄弱節點越近，則動態無功支撐效果越好[14]。由于分區間聯絡線位置確定，故柔性直流裝置與普通無功電源的區別主要在于柔性直流裝置在分區內的安裝位置確定，即分區間柔性直流裝置作為無功電源的安裝點必為聯絡線兩端的站點。具體計算方法見文中2.1.2節。

附錄B 初篩方法正確性論證

在此分別舉例證明基于有功需求和基于無功需求的初篩理論的正確性。

(1)基于分區有功需求的初篩。根據文中表1可知，分區D和分區E的平均負載率高且分區平均容載比低，故將分區D—E方案篩除?，F驗證初篩的正確性，該方案若實施前后的分區內主變負載率對比見表B1。

表B1 D—E分區實施前后主變負載率對比
Table B1 Comparison of main variable load ratio in D—E partition

由表B1可知，安裝柔性直流裝置前后D、E兩分區的主變均重載，分區互聯裝置的有功支援雖可均衡兩分區負載，卻無法根本解決兩分區的重載問題。經PSD-BPA進行“N-1”仿真可知，互聯后兩分區的靜態安全性問題均無法完全解決。綜上可知初篩該方案是正確的。

(2)基于分區無功需求的初篩。根據文中表2可知，B分區SBb安裝點的分區源-荷分布系數為-889.659，相對很小，可知該點動態無功充足，不需無功補償，故初篩掉該方案。假定該方案實施后經PSD-BPA暫態仿真發現，常規故障及非常規故障下該分區內系統都能保持穩定。以SB1變發生“N-1”故障為例，分析裝置安裝點SBb的220 kV側電壓在安裝裝置前后母線電壓變化。裝置發出無功150 Mvar，可得到動態無功電壓穩定情況見表B2。可看出，該安裝點動態無功電壓穩定指標F3較低，即在該位置安裝裝置對分區動態無功電壓穩定方面起到的效果較差，篩掉該方案是正確的。

表B2 B分區實施前后動態無功電壓穩定比較
Table B2 Comparison of dynamic reactive power and voltage stability of B partition

Siting Method and Demonstration Application of Flexible Interconnection in Urban Power Grid Partition

XIAO Jun1，LI Sicen1，HUANG Renle2，LI Yun2，HAN Shuai2

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

The partition operation problem of existing AC urban power grid can be probably solved by applying flexible DC electronic devices for flexible interconnection. This paper introduces the siting of the first flexible interconnection demonstration application of urban power grid partition at home and abroad and proposes a practical siting method. Firstly, we construct a siting model of flexible interconnection device in partition with considering 7 parameters such as static security, power capability, short-circuit current, power stability, etc. Since index calculation such as the power stability requires a series of case fault simulation, the amount of calculation will be too huge for flexible interconnection siting in big cities, and the model is difficult to solve directly. Therefore we present a practical siting method. Firstly, we give the active and reactive power demand indexes of partition for the preliminary screening of schemes, and further obtain seven screening indies through detailed simulation analysis. Then we adopt analytic hierarchy process to determine the optimal scheme. Finally, we introduce the siting discussion of demonstration application. The results show that the siting scheme determined by the proposed method has good interconnection effect. And the method finds more good sites in addition to the demonstration project location, which can provide more than one choice for following interconnection projects. Meanwhile, the study shows that not all the flexible interconnections can bring obvious effects. Therefore the distribution features suitable for flexible interconnections are concluded. The proposed method and practice in this paper are of great significance to the development of partition flexible interconnection for urban electric power.

urban power grid; partition; flexible DC; flexible interconnection; siting