特高壓交直流饋入下省級電網分區優化研究

羅 峰，張 冰，紀祥貞，王小波，武 誠，李兆偉，黃 慧

（1.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），南京 211006；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211006；3.國網山東省電力公司，濟南 250001；4.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著特高壓交直流電網的建設投運，我國華東、華北等受端電網已形成特高壓交直流混聯格局，在緩解受端電網高峰負荷用電困難的同時，也給電網運行控制帶來了新的問題。直流大功率來電時，直流對網內常規電源的置換效應進一步加劇，導致受端電網內部分區受電比例增大，在嚴重故障下導致分區電網孤網后可能存在嚴重的頻率和電壓問題[1-4]。在這種大功率受電方式下，單純依靠低頻、低壓減載難以保證分區電網孤網后的安全穩定運行，需要預控分區與主網的交換功率或者通過增加孤網后緊急聯切負荷的策略，這在無形中增加了電網切負荷的風險，存在較大的電力安全事故隱患，因此電網的分層分區方案需要根據電網發展變化進行優化[5-7]。

《電力系統安全穩定導則》中明確規定：隨著高一級電壓電網的建設，下級電壓電網應逐步實現分區運行，相鄰分區之間互為備用，以避免和消除嚴重影響電網安全穩定運行的不同電壓等級的電磁環網，并有效限制短路電流，簡化繼電保護配置[8]。目前電網分區主要考慮電網的短路電流水平及電磁環網運行控制。文獻[9]結合安徽電網遠景規劃對安徽電網500 kV/220 kV電網分層分區進行了分析，提出了安徽電網分層分區的初步設想，但這一分層分區方案是根據調度運行人員的經驗提出的，主要考慮電網中的電磁環網，無法保證分區供電的可靠性，具有一定的局限性。文獻[10]介紹了寧波電網10年來逐步打開電磁環網、實現分層分區的發展歷程和實施現狀，但所實施的分層分區方案主要是通過打開電磁環網來改善系統潮流分配、抑制短路電流，并未考慮系統的經濟性與安全穩定性。文獻[11]以220 kV主變壓器負載率均勻為目標函數，以500 kV變電站220 kV母線短路電流、網損及供電可靠性作為約束條件，利用Tabu搜索法對分區優化求解，該優化方法在禁忌長度較短時會過早陷入局部最優，在禁忌長度較長時會導致計算時間過長，同時該優化方法并未考慮分區發生嚴重故障孤網運行后，在二、三道防線的作用下是否能保持安全穩定運行。

文中分析了特高壓交直流快速發展背景下分區電網的特性變化趨勢，建立了涵蓋經濟性、安全性和可靠性的電網分層分區量化評估指標，提出了綜合考慮多重約束的電網分層分區方案優選方法，基于所研究電網備用通道建立多個分層分區備選方案，利用基于灰色關聯理論的TOPSIS（逼近理想解排序法）的多目標決策方法，從備選方案中選擇最優方案，可以很好地解決電力系統運行控制中經濟性、安全穩定性與可靠性矛盾的問題。

1 電網現有分區運行存在的問題

文中以某特高壓交直流受端電網的分區電網為例介紹電網現有分區運行所存在的問題。如圖1所示，分區1分別通過2條500 kV線路與相鄰分區相連，其中A-B和A-C均為同桿并架線路，實際運行過程中，當A-B或A-C的雙回線同停檢修時，一旦發生剩余兩回線“N－2”故障，會造成該分區孤網運行。

圖1 某分區電網系統

在特高壓直流接入前，典型方式下，該分區最大受電比例為40.08%，當出現孤網運行時，通過現有的低頻、低壓減載策略就可以使分區電網保持安全穩定運行。特高壓直流接入后，由于電源的替代效應，分區的最大受電比例增加至68.38%，一旦發生分區電網孤網的故障，將會出現嚴重的頻率和電壓問題。圖2、圖3給出了典型方式下，該分區孤網后的電壓及頻率響應曲線，可以看出典型方式下存在電壓和頻率失穩問題。

圖2 分區1孤網后電壓響應曲線

圖3 分區1孤網后頻率響應曲線

在這種大功率受電方式下，單純依靠低頻、低壓減載難以保證分區電網孤網后的安全穩定運行，需要預控分區與主網的交換功率或者通過增加孤網后緊急聯切負荷的策略，這在無形中增加了電網切負荷的風險，存在較大的電力安全事故隱患。現有電網分層分區方案很大程度上主要考慮短路電流控制及電磁環網運行，當電網的供電安全性、可靠性與經濟性存在矛盾時，需綜合考慮多個因素制定電網分層分區運行方案。

2 電網分層分區評價指標體系建立

電網分層分區是一個全局性的問題，必須統籌考慮對系統整體的影響。要實現合理的分層分區，必須擬定科學合理和完備的評估指標體系，這是確保評估有效性、實現合理分層分區的基礎。根據電網分層分區運行對系統經濟性、安全性和可靠性等方面的影響，制定如表1所示的評估指標。

表1 電網分層分區評價指標

2.1 系統網損

網損是評價電力系統經濟運行的重要指標，分為理論網損和實際網損，在離線仿真中通過潮流計算得到的一般是理論網損。電網分層分區運行會改變電力系統的潮流狀態，從而影響系統的網損，因此在優選分層分區方案時需要考慮網損這一指標[12]。

2.2 短路電流控制代價

當電網短路電流超標時，需要采取一定的措施對短路電流進行限制。目前，常用的措施包括線路拉停、線路出串、配置線路串抗、變壓器中性線串電抗等方式。文中所提的短路電流控制代價主要指配置線路串抗、變壓器中性線串電抗等帶來的經濟代價，指標采用需要配置串抗的個數，而線路拉停、線路出串等措施帶來的影響通過系統可靠性指標來衡量。

2.3 短路電流水平

分區運行時，可以增加系統的電氣距離，從而減小系統的短路電流。通過對全網進行分層分區，合理分配各個分區負荷，可以有效減小短路電流，并且這種措施最為經濟。所以，短路電流水平也可以作為評價負荷分區是否合理的有效指標之一。短路電流越小說明系統越安全，因此選取各方案中母線短路電流的最大值作為各方案的短路電流水平指標。

2.4 安全穩定特性

電網分層分區運行后會引起系統網架結構變化，有可能使系統的暫態安全穩定特性發生改變。電力系統暫態安全穩定特性包括暫態功角穩定、暫態電壓安全和暫態頻率安全，由國網電力科學研究院發明的FASTEST軟件可以定量計算功角、電壓及頻率的安全穩定裕度，可將它們作為評價電網分區效果的指標之一。該指標值越大說明該方案下系統穩定性能越高，因此選取各方案中系統最低穩定裕度作為各方案的安全穩定性指標。

2.5 “N－1”準則

“N－1”準則是判定電力系統安全性的一種準則，又稱單一故障安全準則，是對分層分區方案穩定性的評價。若方案中不存在“N－1”開斷后線路過載和電壓越限，則“N－1”靜態評估指標為1，否則為0。

2.6 停電功率期望

EDNS（停電功率期望值）是對分層分區方案的可靠性進行評價，指標單位為MW[13-15]，計算公式如式（1）所示：

式中：PEDNS為停電功率期望值；F為系統狀態的集合；pi為第i個系統狀態出現的概率；LDNS，i為第i個狀態下的切負荷量。

3 分層分區方案優選

3.1 指標權重的確定

由于每個指標在方案評價中的重要程度不一樣，因此在進行優選決策時需對每個指標賦一個權重以表示其在評價過程中的重要程度。確定權重的方法有主觀賦權法與客觀賦權法，其中德爾菲法與熵權法是較為常見的主、客觀賦權法[16-17]。為了使各指標的權重既能體現人的主觀意愿同時也體現決策的客觀性，文中采用主觀賦權法與客觀賦權法相結合的綜合賦權法，計算公式如下：

式中：wj為德爾菲法所確定的各指標的權重值；wej為熵權法所確定的各指標的權重值；λj為各指標的綜合權重值；n為指標數。

如果綜合權重不在所確定的主觀權重和客觀權重范圍之內，那么將此綜合權重用于決策方案的選擇會出現很大的偏差，所以有必要對計算綜合權重的公式進行修正，修正公式如下：

式中：φ為修正系數，0≤φ≤1。

3.2 分層分區方案優選決策方法

電網分層分區方案的優選是一個多目標決策問題。常用的多目標決策方法有層次分析法、模糊綜合決策法、灰色關聯分析法以及TOPSIS等。層次分析法是一種系統性分析法，所需數據信息較少，將定性與定量2種方法有機結合起來，避免了復雜計算，但其基于專家打分的評價指標量化過程，使評價結果帶有一定的主觀性。模糊綜合評價法是通過精確的數字手段對模糊的評價對象進行處理，能對模糊性的信息資料做出比較科學的量化評價，但其計算復雜，并且具有一定的主觀性。灰色關聯分析法是通過確定備選方案與理想方案之間的關聯程度進行決策的方法，它根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關聯度”，來衡量因素間的關聯程度，但它只能度量各方案相同因素間的關聯性，因此在優選方案時僅僅通過灰色關聯分析法是不全面的，需要通過其他方法來彌補它的缺點。TOPSIS通過計算各種方案與最優和最劣方案的距離，獲得各方案與最優方案的相對貼近度，再進行排序，但如果出現2個方案的相對貼近度相等的情況，就無法對方案進行排序。以下綜合利用灰色關聯分析法與TOPSIS對各方案進行評價[18-20]，既避免了評價的主觀性，又避免了陷于局部最優解以及大量計算的問題。具體的評價步驟如下：

（1）計算加權決策矩陣。

式中：vij為第i個備選方案中第j個指標的標準化指標值，i=1，2，…，m（m 為備選方案數），j=1，2，…，n。

（2）確定正、負理想解。

正理想解

負理想解

（3）計算各方案與正、負理想解的距離。

第i個方案的指標規范值與正、負理想解之間的距離分別為：

（4）計算各方案與正理想解的灰色關聯度。第i個方案與正理想解關于第j個指標的灰色關聯系數：

各方案與正理想解的灰色關聯系數矩陣：

（5）計算各方案與負理想解的灰色關聯度。

第i個方案與正理想解的灰色關聯度：

第i個方案與負理想解關于第j個指標的灰色關聯系數：

各方案與負理想解的灰色關聯系數矩陣：

第i個方案與負理想解的灰色關聯度：

（6）將距離和灰色關聯度標準化。

由于灰色關聯度和距離的度量方法和數量級不同，因此有必要將它們規范化。規范化的公式為：

（7）計算各方案的相對貼近度。

構造如下公式：

式中：α+β=1，α，β的大小反映了決策者對灰色關聯分析法和TOPSIS的偏好；綜合反映了方案與理想方案的接近程度，其值越大方案越優；則反映了方案與理想方案的遠離程度，其值越大方案越劣。

那么，各方案的相對貼近度：

將所求的相對貼近度進行排序，貼近度越大，則方案越優。

4 算例分析

以某實際電網不同的分層分區方案選擇為例，說明考慮多重約束的分區優化方法。如圖4所示，圖中實線表示分區1與分區2、分區2與分區3分別通過2條500 kV的線路相連，虛線表示分區之間的備用通道，根據備用通道的開合狀態，可以列出4種備選方案：方案一，保持現有的網架結構（1-2開環、3-4合環）；方案二，將1-2合環、3-4合環；方案三，將1-2合環，3-4開環；方案四，將1-2開環、3-4開環。

圖4 考慮分區間備用通道不同狀態的4個分層分區備選方案

針對上述各方案，基于實際電網的典型方式計算數據，可得各個方案下各指標的計算值如表2所示。

表2 4個備選方案各指標的計算值

根據表2各指標的計算值，運用德爾菲法、熵權法計算各指標的權重如表3所示。

表3 各指標的權重值

利用基于灰色關聯理論的TOPSIS的多目標決策方法，對4個備選方案進行決策優選。根據式（13）及（14）計算各備選方案與正、負理想解的標準化距離和灰色關聯度如表4所示。

表4 4個備選方案與正、負理想解的標準化距離和灰色關聯度

根據式（15）計算得到各備選方案與正、負理想解的接近程度如表5所示。

表5 4個備選方案與正、負理想解的接近程度

根據式（16）計算得到各備選方案的相對貼近度如表6所示。

表6 4個備選方案的相對貼近度

由表6的計算結果可知，方案三是所給考核指標下4個方案中最優的，與實際規劃相符。

采用方案三的分區運行方式，該方案典型方式下，分區的最大受電比例為12.5%，此時分區的負荷為7 570.5 MW。當該分區孤網運行時，通過現有的低頻、低壓減載策略可以使分區電網保持安全穩定運行，低頻、低壓減載切除負荷448.55 MW，未觸發國務院第599號令《電力安全事故應急處置和調查處理條例》。圖5、圖6給出了典型方式下，該分區孤網后的電壓及頻率響應曲線。

5 結論

圖5 分區孤網后電壓響應曲線

圖6 分區孤網后頻率響應曲線

特高壓交直流的快速發展為我國大范圍優化配置資源提供了有效手段，隨著特高壓輸電功率的不斷增長以及我國經濟發展形勢進入新常態，外來電力對受端電網本地開機的替代效應逐漸增強，特高壓交直流饋入后受端電網面臨較大的頻率和電壓安全風險。文中以此為背景分析了特高壓直流大功率饋入受端電網后電網的特性變化及分區優化策略，得出以下主要結論：

（1）特高壓交直流外來電力替換本地開機后，分區電網與主網的交換功率進一步增大，在嚴重故障下，分區電網孤網后可能存在嚴重的頻率和電壓問題，原先全網統一配置的低頻、低壓減載措施量可能不足，需要優化分區電網的三道防線，增加事故后切負荷量，存在較大的電力安全事故隱患。

（2）目前電網分區規劃主要考慮短路電流和電磁環網運行等問題，為應對特高壓直流大功率來電后的新問題，提出了涵蓋經濟性、安全性和可靠性的電網分區量化評估指標，基于所研究電網備用通道建立多個分區備選方案，利用基于灰色關聯理論的TOPSIS的多目標決策方法從備選方案中選擇最優的方案。實際電網的算例驗證結果表明，該方法具有工程實用性，可為特高壓交直流饋入后受端電網分區優化提供技術支撐。