基于網(wǎng)損最小與供電能力最大目標(biāo)的長(zhǎng)春地區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整方法

李川江 王 徭 焦明曦 李 明 佟國(guó)冬

（1. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130000）2. 山東國(guó)研電力技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101）

近年來(lái)隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展及電網(wǎng)體制的改革，電網(wǎng)規(guī)模不斷壯大，各區(qū)域電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)獨(dú)立結(jié)算，導(dǎo)致電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的傳輸控制與調(diào)整問(wèn)題變得日益突出。聯(lián)絡(luò)線的功率控制與調(diào)整是一個(gè)涉及多個(gè)區(qū)域、多個(gè)發(fā)電或多個(gè)受電單元的、融合了電力發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的復(fù)雜問(wèn)題。

本文基于網(wǎng)損最小與供電能力最大這一目標(biāo)，提出了一種以優(yōu)化受端電網(wǎng)來(lái)控制聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的調(diào)整方法。先將復(fù)雜難解的電力調(diào)度問(wèn)題分解成若干個(gè)易解的子問(wèn)題，然后運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的建立成功獲得了環(huán)境約束條件下預(yù)期的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案，對(duì)長(zhǎng)春地區(qū) 66kV聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行成潮流控制調(diào)整解決部分聯(lián)絡(luò)線路重過(guò)載等問(wèn)題，提高長(zhǎng)春地區(qū)電網(wǎng)供電能力及供電可靠性。另外，本文利用牛頓-拉夫遜法計(jì)算出了長(zhǎng)春電網(wǎng)中各區(qū)域交換控制下的潮流結(jié)果，將組合優(yōu)化的概念引入到分區(qū)的方法中，通過(guò)建立優(yōu)化模型，將智能算法進(jìn)行求解的方法應(yīng)用到多區(qū)域互聯(lián)的自動(dòng)發(fā)電控制中，并考慮聯(lián)絡(luò)線上的功率波動(dòng)與頻率穩(wěn)定的問(wèn)題，該技術(shù)的研究也已逐步深入開(kāi)展。

1 長(zhǎng)春地區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行狀況

長(zhǎng)春地區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線主要是以架空線路為主，主城區(qū)存在部分電纜線路，架空線路導(dǎo)線型號(hào)主要是以 LGJ-240，2×LGJ-240/150為主，電纜線路主要是以 YJLW03-1200、800為主。但是存在部分線路由于導(dǎo)線型號(hào)的“參差不齊”，嚴(yán)重制約了導(dǎo)線的傳輸能力，如其中三條雙回線路，線路負(fù)載率均超過(guò)70%，如果在一條線路出現(xiàn)故障時(shí)，另外一條線路將不能完全轉(zhuǎn)供負(fù)荷，造成的主要原因是線路采用2*LGJ-240、LGJ-240兩種導(dǎo)線型號(hào)，復(fù)導(dǎo)線傳輸能力受到限制，下一步應(yīng)根據(jù)聯(lián)絡(luò)線的負(fù)荷發(fā)展情況，將單導(dǎo)線改造成復(fù)導(dǎo)線。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，長(zhǎng)春地區(qū) 66kV聯(lián)絡(luò)線能夠接帶一定的負(fù)荷，對(duì)220kV變電站之間起到較強(qiáng)的聯(lián)絡(luò)作用，但是部分線路受到線路導(dǎo)線截面影響，傳輸能力受限。同時(shí)存在部分聯(lián)絡(luò)線接帶變電站的數(shù)量較多，負(fù)荷較重，聯(lián)絡(luò)作用弱化，如長(zhǎng)東乙線接帶5座變電站，負(fù)載率達(dá)到92%，線路傳輸裕度僅為7.3MW，詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)春地區(qū)2013年66kV聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行狀況明細(xì)表

（續(xù)）

2 220kV變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況分析

2013年長(zhǎng)春地區(qū)共有16座220kV公用變電站，其中市轄區(qū)9座，外縣7座。對(duì)各個(gè)220kV變電站主變進(jìn)行“N-1”校驗(yàn)，同時(shí)考慮66kV聯(lián)絡(luò)線的轉(zhuǎn)供，主變“N-1”通過(guò)率為100%。

在考慮 220kV全站失電的情況下，全市有 10座220kV變電站負(fù)荷能夠通過(guò)66kV聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)全部倒供，其中市轄區(qū)6座，外縣4座。市轄區(qū)三座66kV一次變?cè)谌臼щ姷那闆r下，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例為79%、58%和93%，主要原因是對(duì)城區(qū)負(fù)荷供電，接帶變電站較多，負(fù)荷較重，現(xiàn)有的聯(lián)絡(luò)線無(wú)法滿足100%轉(zhuǎn)供。外縣農(nóng)安、九臺(tái)和雙陽(yáng)一次變均有2回聯(lián)絡(luò)線，轉(zhuǎn)供能力有限，所以在變電站失電的情況下，聯(lián)絡(luò)線的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例分別為 33%、26%和20%。

通過(guò)以上分析，長(zhǎng)春現(xiàn)狀66kV聯(lián)絡(luò)線對(duì)220kV電網(wǎng)起到一定的支撐，外縣相對(duì)薄弱一點(diǎn)，下一步市轄區(qū)通過(guò)新增220kV一次變的布點(diǎn)，分擔(dān)現(xiàn)有一次變的供電壓力，優(yōu)化 66kV聯(lián)絡(luò)線，提高其轉(zhuǎn)供能力；對(duì)于外縣應(yīng)通過(guò)優(yōu)化 66kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)66kV聯(lián)絡(luò)線的建設(shè)，提升對(duì) 220kV電網(wǎng)的支撐能力。

3 網(wǎng)損最小目標(biāo)及其優(yōu)化問(wèn)題

網(wǎng)損不僅能夠反映電力系統(tǒng)運(yùn)行管理和規(guī)劃設(shè)計(jì)的水平，也是國(guó)家考核電力發(fā)展經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)損的計(jì)算和分析，能夠指導(dǎo)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和科學(xué)管理，所以如何降低網(wǎng)損一直備受關(guān)注[1-3]。網(wǎng)損主要受系統(tǒng)接網(wǎng)方案和發(fā)電機(jī)出力分配這兩方面的影響，為了檢驗(yàn)長(zhǎng)春地區(qū)電網(wǎng)解環(huán)方案是否能夠達(dá)到研究目的，將采用發(fā)電機(jī)處理分配影響網(wǎng)損的情況，也就是網(wǎng)損越小，方案越好。

由于長(zhǎng)春市各地區(qū)的負(fù)荷分布情況不同、負(fù)荷性質(zhì)也千差萬(wàn)別、負(fù)荷大小也是時(shí)刻變化，因此電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式也有區(qū)別，這些都給網(wǎng)損理論計(jì)算增加了難度。計(jì)算網(wǎng)損主要有兩種方法：①用節(jié)點(diǎn)注入功率表示，即系統(tǒng)總網(wǎng)損等于全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)凈注入功率之和；②用支路電流或功率表示，即系統(tǒng)總網(wǎng)損等于系統(tǒng)中各支路功率損耗之和。本次研究主要采用第一種方法，通過(guò)線性化最優(yōu)潮流計(jì)算網(wǎng)損。

以下是網(wǎng)損計(jì)算的線性化最優(yōu)潮流模型的數(shù)學(xué)描述：

以全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓的相角增量和全部發(fā)電機(jī)有功出力增量為優(yōu)化變量，表示為

有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，表示為

不等式約束條件為，發(fā)電機(jī)有功出力限制和線路傳輸功率限制，即

線路傳輸功率增量用優(yōu)化變量可以表示為

等式約束包括節(jié)點(diǎn)的有功平衡約束和平衡節(jié)點(diǎn)的相角不變約束，節(jié)點(diǎn)的注入有功為

對(duì)式（4）線性化，得到有功平衡約束，因此，可以得到該線性規(guī)劃問(wèn)題的等式約束如下：

式中，V0、θ0變量是網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)，是常量。

4 供電能力最大目標(biāo)及其優(yōu)化問(wèn)題

要得到既能滿足系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，又能投入較少資金的最佳方案，需要對(duì)各種可行的建設(shè)方案進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算、分析來(lái)比較。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，區(qū)域負(fù)荷也隨之增長(zhǎng)，所以一個(gè)合理的電網(wǎng)建設(shè)方案還應(yīng)具有一定的供電裕度來(lái)滿足逐步增長(zhǎng)的負(fù)荷發(fā)展變化，即要具備較強(qiáng)的供電能力，這也是保證電網(wǎng)安全必不可少的條件。

評(píng)價(jià)電網(wǎng)供電能力最直接的方法就是試探法，首先對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，若沒(méi)有發(fā)生功率穿越，則繼續(xù)增大負(fù)荷，直到增加很小的負(fù)荷就會(huì)導(dǎo)致功率穿越發(fā)生為止。但試探法計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，且系統(tǒng)各變量之間的影響也較為復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)情況較復(fù)雜時(shí)，試探法得到的結(jié)果就不準(zhǔn)確。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文建立了負(fù)荷增量最大的優(yōu)化模型，再用線性化方法求解電網(wǎng)供電能力。

供電能力最大的優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)是電網(wǎng)提供的有功負(fù)荷量最大，約束條件是電網(wǎng)的N狀態(tài)安全約束。相關(guān)的優(yōu)化變量包括各節(jié)點(diǎn)電壓相角增量、邊界節(jié)點(diǎn)輸送有功增量、負(fù)荷有功增量和發(fā)電機(jī)的有功出力增量，可以表示為

目標(biāo)函數(shù)表示如下：

不等式約束包括邊界節(jié)點(diǎn)有功增量限制，負(fù)荷有功增量限制，發(fā)電機(jī)有功出力限制和線路傳輸有功限制，表示如下：

ΔPLij用優(yōu)化變量可以表示為

等式約束包括節(jié)點(diǎn)的有功平衡約束和平衡節(jié)點(diǎn)的相角不變約束，節(jié)點(diǎn)的注入有功為

對(duì)式（9）線性化，得到有功平衡約束，可以得到該線性規(guī)劃問(wèn)題的等式約束如下：

式中，V0、θ0變量是網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)，是常量。

5 實(shí)例仿真與分析

為了檢驗(yàn)聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化模型的合理性，本次研究采用IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在BPA軟件中進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)的求解與計(jì)算，并在Matlab環(huán)境中對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。實(shí)例仿真中步驟如下：

1）對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行供電區(qū)域劃分，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)定不同關(guān)的聯(lián)性節(jié)點(diǎn)[5]。

2）根據(jù)電網(wǎng)現(xiàn)狀，設(shè)定不同關(guān)聯(lián)性節(jié)點(diǎn)與聯(lián)絡(luò)線的關(guān)聯(lián)因數(shù)，將仿真劃分為12個(gè)時(shí)段。

3）匹配靈敏度系數(shù)，并計(jì)算聯(lián)絡(luò)線實(shí)際功率與計(jì)劃功率偏差。

要達(dá)到模型預(yù)期的精度要求，就要選取合適的仿真數(shù)據(jù)樣本。被測(cè)節(jié)點(diǎn)分別以G1、G2、G5、G8表示，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 聯(lián)絡(luò)線功率的仿真與分析

6 66kV聯(lián)絡(luò)線建設(shè)改造規(guī)劃

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春地區(qū)220kV變電站之間66kV聯(lián)絡(luò)線的轉(zhuǎn)供能力進(jìn)行量化分析，制定聯(lián)絡(luò)線的建設(shè)原則。

圖1 66kV聯(lián)絡(luò)線典型示意圖

2015—2020年長(zhǎng)春地區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線改造項(xiàng)目共有2個(gè)，分別是市轄區(qū)西平甲乙線改造工程和東九甲線改造工程，無(wú)新建聯(lián)絡(luò)線工程，通過(guò) 220kV變電站66kV送出工程，新建66kV聯(lián)絡(luò)線路61回。

通過(guò)聯(lián)絡(luò)線的規(guī)劃建設(shè)，上述規(guī)劃實(shí)施后，至2015年，長(zhǎng)春地區(qū)220kV變電站平均聯(lián)絡(luò)線回?cái)?shù)為6.1回/站，高于2013年現(xiàn)狀的5.5回/站，其中市轄區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線7回/站，縣級(jí)供電區(qū)3.57回/站。

至2020年，長(zhǎng)春地區(qū)220kV變電站平均聯(lián)絡(luò)線回?cái)?shù)為7.31回/站，其中市轄區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線8.5回/站，縣級(jí)供電區(qū)5.0回/站。

7 結(jié)論

聯(lián)絡(luò)線對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性起著決定性的作用，因此聯(lián)絡(luò)線的調(diào)整一直是電網(wǎng)規(guī)劃與改造工作中的重點(diǎn)，它在牽涉電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性與可靠性的同時(shí)，對(duì)整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有重大意義。

輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展利于提高整個(gè)電網(wǎng)的供電能力、供電可靠性，由于長(zhǎng)春地區(qū)輸電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，對(duì)高壓配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其直觀反映便是接線模式的優(yōu)化。由于長(zhǎng)春地區(qū)不同區(qū)域之間建設(shè)條件存在較大的差異，因此在進(jìn)行接線模式優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，需根據(jù)其各自的實(shí)際特點(diǎn)選擇配電網(wǎng)接線模式，以指導(dǎo)配電網(wǎng)的建設(shè)，達(dá)到電網(wǎng)輸配協(xié)調(diào)發(fā)展的效果。

本文通過(guò)建立網(wǎng)損最小與供電能力最大目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)長(zhǎng)春地區(qū) 66kV聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行了功率調(diào)整與網(wǎng)架優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

1）提出了一種基于網(wǎng)損最小與供電能力最大目標(biāo)的聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整方法，并建立了新的實(shí)用的電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線研究模型。

2）合理利用BPA軟件的特性，對(duì)經(jīng)典IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，設(shè)置了相應(yīng)節(jié)點(diǎn)為不同特性的機(jī)組，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分區(qū)使其更接近實(shí)際互聯(lián)電網(wǎng)，而在Matlab中仿真計(jì)算所得靈敏度系數(shù)的差異驗(yàn)證了各發(fā)電廠機(jī)組的調(diào)節(jié)能力不同。

應(yīng)指出的是，本文采用BPA軟件，對(duì)所建模型進(jìn)行牛拉法潮流計(jì)算，并記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)電的功率變化值和聯(lián)絡(luò)線變化值，以此作為網(wǎng)絡(luò)模型的樣本值，反復(fù)計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，因此，該方法中樣本值的獲取方法有待進(jìn)一步研究。此外，該方法對(duì)模型的構(gòu)建與仿真中沒(méi)有加入電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線頻率穩(wěn)定約束條件，但此條件并不影響該研究方法的正確性與效用性。

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