基于湖北電網的電磁環網解環方案研究

滿林坤，馮云斌，薛 鵬，葛 亮，孔令東

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015; 2.國網宜昌供電公司,湖北 宜昌 443001；3.上海電力設計院有限公司，上海 200000；4.國網上海市電力公司，上海 200000)

隨著經濟的不斷發展，當前電壓等級的輸電線路傳輸功率無法滿足地區用電量需求的情況時有發生[1-2]。國家電網公司常常將高電壓等級和低電壓等級輸電線路并聯來對同一個地區供電，以此來提高資源利用效率，保證供電能力。而此時兩個電壓等級的輸電通道通過變壓器構成了一個環狀結構，就是所謂的高低壓電磁回路[3-4]。但是電磁環網是一種電網的過渡狀態，在電網建設成熟之后存在著短路電流水平提高、網絡損耗增加、回路中的功率分布調控困難、自動保護裝置動作難以保證準確有效，會給輸電網絡的安全工作造成威脅[5-6]。因此，打開電磁回路對電網的安全可靠供電具有積極意義，而《電力系統安全穩定導則》也肯定了打開電磁回路的積極意義。

國內對電磁環網的研究主要集中在解環方面。在解環之前，首先要對各個解環方案中電網的功率分布、斷路容量、網絡損耗和穩定水平等指標的變化情況進行綜合分析，并選出最合理的備選解環方案。國內很多學者對此做了大量的研究：文獻[7]設立的電磁回路解環方案評價指標體系包含功率分布和電壓水平、短路電流、暫態穩定水平；文獻[8]的評價指標有N-1指標和暫態穩定指標；文獻[9]對功率分布、電壓值、暫態穩定程度、N-1指標等進行了計算；文獻[10]研究了高電壓等級線路出現斷路問題時，低電壓等級電網因承擔了高電壓線路的輸送容量而導致的過載和熱穩定性問題，通過穩定性指標和經濟指標判斷是否需要消除電磁回路，以500 kV至220 kV電磁回路為例，說明了確定是否需要進行解環操作的流程；文獻[11]改進了電磁回路解環方案評估的傳統流程，通過分階段進行評估判斷，根據低電壓等級電網劃分片區的先后來構建備選解環方案集，計算各個解環方案解環后電網的穩定性指標和短路電流值，并運用綜合評價方法進行評估排序；文獻[12]針對城市電網密集度高、用電量大、已經規劃建設節奏快的特點，提出處理市區內的電磁回路時需要參考500 kV電網的建設計劃和構想，選擇最佳的解環時機和位置，并且打開電磁回路后，應該盡量減少單回路供電情況的出現；文獻[13]提出了一種改進GN分裂算法的分區方法，通過GN分裂算法獲取評價線路薄弱程度的綜合邊介數得到分區方案，搭建評價指標模型，運用信息熵主成分分析法來對解環方案進行綜合評估判斷。這些國內學者的研究分析了電磁環網對電網運行所帶來的影響，判斷了解環時機是否成熟，并綜合評價了解環方案，為實際應用提供了有力的參考。

目前，湖北電網有1 000 kV變電站1座，500 kV變電站29座，220 kV公用變電站157座，全口徑裝機容量達到6 410.78萬kW，發電量達到2 355.87億kWh。湖北省為九省通衢，湖北電網在全國電網中起著重要的樞紐作用，地理接線圖如圖1所示，其中紅色為500 kV輸電線路，藍色為220 kV輸電線路，現在湖北電網的500 kV輸電網絡已經建設成熟，并且在多處與220 kV線路構成高低壓電磁回路。這些電磁回路對整個湖北電網的安全性是一個潛在威脅，必須采取合理的方案進行解環操作。

圖1 湖北電網地理接線圖

本文以湖北電網為例，通過粒子群算法對備選解環方案進行篩選，并建立了電磁環網解環方案評價指標體系，以得到最合理的備選解環方案，運用灰色關聯分析法對電磁回路備選解環方案進行分析評估，確定了最合理的電磁環網解環方案。

1 粒子群算法

粒子群在空間飛行搜索時，粒子i的按照式(1)和式(2)來迭代更新速度和空間位置。

(1)

(2)

式中：t為目前的迭代次數；r1，r2為均勻分布在[0,1]區間的隨機數；c1和c2為加速常數，其中c1控制粒子向個體最優解靠近速度，c2控制粒子向全局最優解接近的速度；w是慣性常數，它意味著上一次的粒子速度在當前速度中所占的比重：如果要強化局部的搜索能力，可以減小w；當想要加強算法的全局搜索能力時，可以增大w。

本文采用的粒子群算法尋優的方法如下：

步驟1：t=0，初始化各個粒子位置xt和速度vt以及其他的一些參數；

步驟3：依據式(1)更新粒子的速度vt，并對速度進行限制；

步驟4：依據式(2)更新粒子的位置xt；

步驟6：判斷所得結果是否滿足終止條件，若滿足則算法終止并輸出最優解，否則轉到步驟3繼續進行計算。

2 湖北電網備選解環方案

現在，在樊城和孝感之間，江陵和興隆之間，玉賢和鳳凰山之間，均存在500 kV/220 kV電磁環網，如圖2—圖4所示，其中紅色線路為500 kV輸電線路，藍色線路為220 kV輸電線路。

表1是通過計算得到的湖北電網電磁環網解環方案候選解集，第一種解環方案解環后網絡損耗最小，第二種解環方案解環后分區數目最多，更有利于對湖北電網潮流分布的控制，第三種解環方案解環時的供電能力最大。

圖2 樊城-孝感電磁環網

圖3 江陵-興隆電磁環網

圖4 玉賢-鳳凰山電磁環網

表1 湖北電網電磁環網解環方案候選解集

3 電磁環網評價指標體系的建立

在評估是否需要打開電磁回路時，主要參考電磁回路導致的短路容量增加和大規模功率轉移問題這兩項指標。在進行電磁回路解環時機決策時遵循如下原則。

a.當高電壓等級電網出現斷路故障時，如果高電壓等級電網大部分的輸電任務被低電壓等級電網承擔，并且超過了其能力范圍，則需要打開電磁回路。

b.若低電壓等級電網的線路分布交錯復雜，聯系緊密，并且其短路容量超過安全范圍，也需要對電磁回路解環。

對電磁回路解環方案進行評估判斷時涉及的指標有短路電流水平、靜態安全性、網損等。搭建評價指標模型，包括短路電流容量值、靜態安全性、N-1校驗、供電經濟性、靜態電壓穩定性，并進行量化計算。電磁回路解環的評價指標模型遞階層次結構關系如圖5所示，基于建立的評價指標體系就可以對各個解環方案進行綜合評價。

圖5 解環評價模型遞階層次結構關系

4 湖北電網的電磁環網解環方案綜合評估

本文分別運用層次分析法、G1法這兩種主觀賦權法以及離差最大化法、標準差和平均差賦權法這兩種客觀賦權法求取解環方案評價指標的權重，然后對4種賦權方法求得的權重值進行組合計算，然后運用灰色綜合評價方法對備選解環方案進行綜合評價。

首先要對這4種賦權方法得到的權重進行組合計算。賦權的過程可以看作是分別從主觀權重總體和客觀權重總體中分別抽取1個樣本和q-1個樣本，總共q個樣本，在本文中l=2,q=4，。設各個指標的權重值為wj(1,2,…，m),wj與q個主客觀權重值的偏差越小越好。優化模型如下：

(3)

q個樣本分別來自2個總體，每個樣本都是1個隨機變量，它們構成了評價指標的主客觀權重的一個隨機向量，ws為主觀權重向量，wb為客觀權重向量，α和β分別為主觀權重樣本和客觀權重樣本的重要系數。

對于1個主觀權重樣本，它的取值等于實際的主觀權重值的概率，設為xs：

(4)

對于q-1個客觀權重樣本，它的取值為實際的客觀權重值的概率，設為xb：

(5)

按照矩估計理論的思想，對每個評價指標dj(1≤j≤m)，其主觀權重值wsj和客觀權重值wbj的期望值可按式(6)—式(7)求解：

(6)

(7)

在獲得權重樣本值后，所有評價指標的權重值與樣本權重的期望值越接近越好。1個主觀權重樣本所獲得的權重值與期望值的偏差如式(8)所示:

(8)

q-1個客觀權重樣本的權重值與期望值的偏差如式(9) 所示：

(9)

由式(6)—式(9)可求得主觀權重樣本的概率和客觀權重樣本的概率，進一步可以計算出每個指標dj(1≤j≤m)的主觀權重和客觀權重的重要系數αj和βj，并由此得出主觀權重樣本和客觀權重樣本的重要系數α和β：

(10)

(11)

針對每一個評價指標dj(1≤j≤m)，H(wj)越小越好，為了簡化計算，將H(wj)進行線性加權，得到式(12)：

(12)

根據以上公式，就可以求得4種賦權方法組合權重值。得到的權重值如表2所示。

表2 各賦權方法得到的權重值

根據式(10)，計算各個評價指標主客觀權重的重要系數，結果如表3所示。

表3 各項指標的主客觀權重重要系數

由式(11)，電磁回路解環方案綜合評價指標體系的主觀權重重要系數為α=0.479，客觀權重重要系數β=0.521。

根據式(12)及表2中的數據，得到4種主客觀賦權方法的組合權重值如下：

W=(0.102,0.136,0.143,0.086 5,0.065 3,0.084 2,0.125,0.114,0.144)

5 基于灰色關聯分析法的解環方案綜合評估

本文采用灰色關聯分析法對備選解環方案進行計算并進行評估，根據數據與參考序列所形成的曲線之間的貼近程度來評價決策，貼近程度越高表示被評價對象和參考序列的關聯度越高，貼近程度越近則表示被評價對象和參考序列的關聯度越低。關聯分析中的被比較序列記為Xi。得到的各項指標值以及選取的參考序列值及如表4所示，備選方案各個指標與參考序列的關聯度，以及各個選備方案與參考序列的總關聯度，結果如表5所示。

表4 備選方案以及參考序列指標值

表5 備選方案各指標的關聯度及總的關聯度

由表4、表5可知，3個備選方案中，方案1與參考序列的總關聯度最大，因此本文推薦選擇方案1作為湖北電網的最終電磁環網解環方案。備選方案1的解環方案是斷開玉賢-舵落口、郭徐嶺-板橋、韓崗-隨州、米莊-隨州、周家嶺-容城、周家嶺-高場、余嶺-雙河、南漳-雙河之間的220 kV輸電線路，并解開了江陵和興隆之間，樊城和孝感之間，玉賢和鳳凰山之間的500 kV/220 kV電磁環網。在解環后，湖北電網的220 kV輸電網絡會分為5個片區，包括武漢江北東片區、武漢江北西片區、江南鋼-光-鄂片區、江南黃石-黃岡片區、江南咸寧-武昌片區。

6 結論

在湖北電網的樊城和孝感、玉賢和鳳凰山以及江陵和興隆之間，均存在電磁環網合環運行的情況，是湖北電網的一個非常嚴重的安全威脅。本文針對這一現狀，結合實際情況，提出了3種對應的電磁環網解環方案，并進行計算評估，最終選出了最合理的解環方案。本文采用粒子群算法，擬設定3個解環方案，并建立了電磁回路解環方案的綜合評價指標體系，最后運用灰色關聯度分析法進行綜合評估。