綜合考慮輸電結構優化的含可再生能源電網規劃方法

張天宇，宣文博，李 慧，劉忠義，王偉臣，王 魁

（1.國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津 300171；2.國網天津市電力公司，天津 300010）

為了應對化石能源日趨枯竭和環境污染不斷加劇對人類社會帶來的嚴峻挑戰，未來的能源系統必須發展高比例的可再生能源發電。風力發電是目前技術最為成熟、最具發展潛力的可再生能源發電形式之一。近年來，風電在世界范圍內得到了快速的發展。

與火電相比，風力發電的出力受到氣象和地理環境等復雜因素影響，呈現顯著的不確定性和多變性特征，難于準確預測。大規模風電接入使得電力系統的運行面臨前所未有的諸多不確定性，潮流特性更加復雜多變，給電網的安全可靠運行帶來了嚴峻的挑戰[1]。在實際運行中，受限于系統的網絡傳輸能力、電源調節能力和系統的安全約束等，已出現了大量的棄風電情況。

良好的電源配置和合理的網架結構是實現未來高比例可再生能源并網與消納的重要基礎條件。因此，電網規劃對于大規模風電開發與利用具有至關重要的作用[2]。近年來，國內外學者圍繞可再能源并網后的電網規劃問題展開了廣泛的研究，取得了一系列成果。主要包括如何更有效地構建風電等可再生能源的出力場景，包括隨機規劃方法[3-4]、機會約束規劃方法[5-6]、魯棒優化規劃等[7-8]。一方面，大規模風電并網后導致系統運行方式的多變性和不確定性顯著增加，并且電網面臨故障等不確定因素帶來的挑戰；另一方面，電網規劃建設受到投資成本、輸電走廊限制和環保約束等諸多因素的制約，因此，未來完全依賴大量新建線路來解決多變性可再生能源安全經濟并網與消納是不現實的，需要充分挖掘現有網架的潛力[1]。

輸電網結構優化OTS（optimal transmission switching）通過改變部分線路的開閉狀態來改變系統潮流分布，是改善輸電網運行靈活性的重要手段[9]。近年來，輸電網結構化的研究與實踐得到了電力學者和工程師高度關注。文獻[10]建立了保證風電利用率的機會約束輸電網結構優化方法，結果表明，輸電網結構優化對于提升系統接納風電的能力具有重要作用；文獻[11]針對高比例可再生能源接入的電力系統，建立了同時計及網絡結構優化和儲能配置的兩階段隨機優化模型，以改善系統運行的經濟性和安全性水平；文獻[12]提出了考慮網絡N-1安全約束的輸電網結構優化模型，通過斷開部分線路降低系統阻塞水平；文獻[13]將網絡結構化用于消除系統的短路電流越限；文獻[14]中，同時優化機組組合方案和網絡結構，保證N-1故障下系統的安全可靠供電；文獻[15]建立了考慮N-k故障的兩階段魯棒網絡結構優化模型，在第1階段確定網絡結構，在第2階段針對不同的N-k故障分別確定相應的調度方式；文獻[16]針對電力市場環境下風電場容量擴展規劃問題，建立了一個兩層隨機優化模型，將網絡結構優化引入到電力市場的出清中。結果表明，拓撲控制對于減少風能的削減和提高風電的滲透水平具有重要作用，并且通?？梢酝ㄟ^改善變量線路狀態來實現。

在傳統的電網規劃中，通常根據未來若干典型的運行場景，考慮投資約束、輸電走廊約束、潮流約束等，確定系統的網架結構[17]。考慮到可再生能接入導致系統的運行方式更加復雜多變以及系統面臨預想事故的影響，對于所有可能運行場景確定相同的網架結構往往不是最優的選擇。因此，在電網規劃工作中，特別是可再生能源接入電力系統的規劃工作中考慮網絡結構優化已成為亟需深入研究的領域。文獻[18]較系統地建立了考慮輸電網結構優化的電網擴展規劃模型，并將該模型解耦為一個主問題和兩個子問題，在主問題中確定候選的新建機組和線路方案，在兩個子問題中分別進行潮流安全校驗和成本最優校驗；文獻[19]在電網擴展規劃中同時考慮線路動態增容和輸電網結構優化措施，以系統的建設成本和運行成本之和最小為目標。

綜上所述，目前已有研究工作中，均只考慮OTS某一方面的作用，如改善系統潮流分布、緩解網絡阻塞、故障應急響應等，特別是在可再生能源并網系統的電網規劃工作中，尚缺乏有效的模型以充分發揮OTS的多重作用。

為此，本文提出了考慮電網結構優化的可再生能源并網系統優化規劃模型。在該模型中，考慮可用的輸電走廊約束、投資費用約束等等，確定新建線路和升級部分現有輸電線路的開關以使其滿足OTS的需要；考慮風電等可再生能源和負荷的不確定性，對各系統運行場景下，確定最優的調度方案和網架結構；對于既定的預想事故，在系統正常運行調度方案的基礎上，通過發電再調度和OTS，最小化故障造成的影響。與現有研究相比，本文系統考慮風電和負荷的不確定性、預想事故的影響，綜合利用OTS降低系統運行成本、改善風電利用率和降低故障后網絡阻塞造成的損失。

1 模型建立

本文所提出的規劃方法框架如圖1所示。

圖1 所提方法框架Fig.1 Framework of the proposed method

1.1 目標函數

本文模型的目標函數為電網規劃方案的總成本最小，表示為

各項成本的計算方法分別表示為

1.2 約束條件

1.2.1 規劃資源約束

考慮的規劃資源約束包含新建線路約束及開關配置約束。

新建線路時，在每個輸電走廊處，新建線路總數不超過輸電走廊允許新建的線路數上限。其約束為

若候選新建線路處未新建線路，則該線路不存在，即該線路不能升級配置開關。其約束為

考慮到經濟、安全等因素，只有部分現有開關可進行升級。其約束為

式中，λl為0-1變量，表示線路開關是否允許升級，若是則λl為1。

1.2.2 正常運行約束

在正常運行情況下，輸電系統通過日前OTS確定最優的網絡結構，此時，由于線路開關動作時間充裕，輸電系統中所有的線路均可參與OTS?？紤]到只有部分配置有開關的線路才能夠快速閉合或斷開，因此，在輸電網的實時運行中，通過配置開關的線路實現OTS。該階段所包含的約束為線路運行狀態約束和系統運行約束。

1）線路運行狀態約束

對于候選新建線路，若線路未建成，則線路一直處于斷開狀態；若線路建成，則線路可以處于閉合或斷開狀態。其約束為

在實際中，考慮到安全穩定等相關因素，只允許某些特定線路斷開。其約束為

式中，οl為0-1變量，表示線路l是否允許斷開，若是則 οl為1。

考慮到系統運行的安全性與穩定性要求，允許開斷的線路總數需滿足一定要求，即在輸電網結構優化中，開斷的線路數不超過允許的最大值。其約束為

式中，Nopen表示最大允許開斷的線路數。

2）系統運行約束

節點功率平衡約束為

潮流等式約束為

若線路閉合，則受線路容量上限約束。其約束為

發電機有功出力約束為

機組爬坡約束為

旋轉備用約束為

棄可再生能源約束為

切負荷約束為

節點相角約束為

1.2.3 故障運行約束

在故障發生后，基于所配置的開關，可以實現快速的OTS，以減輕線路故障產生的影響，包括線路過載、電壓越限、切負荷等。該階段所包含的約束為線路運行及故障狀態約束和系統運行約束。

1）線路運行及故障狀態約束

新建線路運行狀態約束為

若線路發生故障，則線路斷開；若線路未發生故障且線路配置有開關，則線路可快速閉合或斷開。線路故障狀態約束為

2）系統運行約束

節點功率平衡約束為

潮流等式約束為

線路容量約束為

發電機有功出力約束為

機組爬坡約束為

旋轉備用約束為

節點相角約束為

棄可再生能源約束為

切負荷約束為

本文所建立的模型為二次規劃模型，僅目標函數包含決策變量的二次項，約束條件均為線性約束。其標準形式為

2 算例分析

本文采用IEEE-RTS 24節點系統驗證所提模型的有效性。

系統原始數據見文獻[20]，該系統共包含24個節點、33條線路，其中線路L3-24、L9-11、L9-12、L10-11和L10-12處配置有變壓器，將系統分為138 kV低壓區和230 kV高壓區。系統機組數據見文獻[21]。所有機組的最大出力為7 762.5 MW，最小出力為2 321.6 MW。風電場的接入位置為節點17和節點22，容量分別為800 MW和1 000 MW。采用4個典型的風電場出力及負荷需求場景考慮其不確定性，場景1～場景4的概率分別為0.34、0.21、0.29、0.16。其中，風電場出力場景數據參考文獻[22]，負荷數據基于某大型城市電網日負荷曲線的聚類結果得到[23]。所考慮的故障場景集包含5個故障場景，概率分別為0.13、0.21、0.25、0.09、0.32。根據所提出的模型，所得到的新建線路及開關升級配置方案如圖2所示。

圖2 新建線路及開關升級配置方案Fig.2 Configuration scheme for new line construction and switch updating

以正常運行場景3并發生故障場景1為例，系統在正常運行下的OTS方案如圖3所示，在發生故障時的OTS方案如圖4所示。在正常運行情況下，由于節點17存在風電場，為保證可再生能源的消納，大量的風電場功率注入將經由線路16-17注入低壓區，因此線路16-17易發生阻塞。節點20處的風電場的功率注入，一部分通過節點21、18、17流向節點16，另一部分通過節點21流向節點15。為了避免線路16-17發生阻塞，線路17-22和線路18-21（2條線路）均會被斷開。同理，線路16-23以及線路19-23也將被斷開，以保證節點23處的機組功率注入不會對節點17處的風電場功率注入產生影響。

圖3 系統正常運行下的OTS方案Fig.3 Scheme of OTS under the normal operation of system

圖4 系統在故障場景下的OTS方案Fig.4 Scheme of OTS under contingency

在故障場景1下，由于線路3-24、線路9-11和線路12-23均發生故障，為保證節點3、4、5和9等低壓區負荷的供應，配置有輸電網快速開關的線路1-8、線路2-8、線路3-9以及線路8-10將被立即斷開，以保證來自高壓區的功率注入和節點1、2及7處的機組功率注入能夠更多地將流向節點3、4、5和9等處。此外，線路18-21將被閉合，以保證節點22處的風電場注入功率能經由節點16供應節點19處的負荷，或經由節點14注入低壓區。由于流經節點16的功率將更多地注入低壓區，為保證節點19處的負荷供應，線路19-20及線路20-23將被斷開，線路19-23將被閉合，以確保節點23處的機組功率注入能夠更多的供應節點19處的負荷。

為了驗證所提方法的優勢，采用以下對比算例進行對比分析，其中案例A為本文所提方法，案例B和案例C代表只考慮OTS在單一方面作用的傳統方法。

案例A：綜合考慮正常運行情況下的OTS及機組調度和故障發生后的OTS及機組調度。

案例B：僅考慮正常運行下的OTS及機組調度。

案例C：僅慮故障發生后的OTS及機組調度。

以案例A的總成本和各項成本為基準，案例B和案例C相對于案例A成本的比值如表1所示。

表1 各案例成本對比Tab.1 Comparison of cost among different cases%

其中，案例B和案例C的總成本均高于案例A。相比與案例A，案例B僅考慮正常運行下的OTS，而未考慮故障下的OTS，因此對于開關升級需求降低，建設成本降低；但是由于在正常運行情況下，案例B需要通過正常運行下的OTS兼顧正常運行的經濟性以及對于故障的預防性，因此，在案例B中，通過付出經濟運行為代價，降低了故障運行成本。相比于案例A，案例C通過故障發生時的OTS可以顯著降低故障運行成本，但是由于案例C未采取正常運行下的OTS，系統的正常運行成本有較大增加。

綜上，相比于以往只考慮OTS在單一方面作用的傳統方法，所提方法可以綜合考慮可再生能源出力的不確定性和預想事故的影響，充分發揮網架結構優化的作用，以提升輸電網規劃方案的經濟性。

3 結語

針對目前研究中尚缺乏有效模型以充分發揮OTS多重作用的問題，本文提出了考慮電網結構優化的可再生能源并網系統優化規劃模型，其中綜合考慮了風電和負荷的不確定性、預想事故的影響，利用OTS降低系統運行成本、改善風電利用率和降低故障后網絡阻塞造成的損失。通過改進的IEEE RTS-24算例系統驗證了所提方法的有效性。結果表明，通過在電網規劃中嵌入輸電網結構化，可以綜合考慮可再生能源出力不確定性和預想事故的影響，充分發揮網架結構優化的作用，以提升輸電網規劃方案的經濟性和可靠性。