云南電網外送交直流潮流最優分配研究

曾雪松，張瀚月，廖晨淞，賀鈺涵，崔艷龍

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031;2.成都電業局，四川 成都 610021)

0 引言

云南電網是中國西電東送能源戰略的重要組成部分，至“十二五”末期擬將新建成四回直流，分別為中西部地區的云廣直流、糯扎渡直流、金中直流和瀾上直流，與東部地區的溪洛渡直流，形成一個大型的交直流混合輸電系統，如圖1所示。經過十多年的發展，云南電力外送規模從零起步提高到2010年的7800 MW，500 kV主網架及外送通道的建設也逐步得到完善，2010年云南電網已建成并形成圍繞滇中和滇東的“品”字型500 kV環網，并輻射延伸至滇南、滇西、滇西南等區域，建成了“四交一直”的外送通道，外送能力達到9100 MW。

根據“十二五”規劃，云南的電力外送事業還將得到較大的發展，外送規模還將由7800 MW提高到21500 MW，在此基礎上還可能新增6000 MW季節性電能的送出。“十二五”期間，為配套糯扎渡、溪洛渡電站、金沙江中游電站的電力外送，將建設糯扎渡、溪洛渡電站送廣東直流輸電工程以及金沙江中游電站送電廣西直流輸電工程，為配套瀾滄江上游電站的外送以及季節性電能的外送。到“十二五”末期，云南將建成“五交五直”的電力外送通道，外送能力達到25600～26850 MW，裕度在1100～2350 MW。如果是在外送規模較少的枯期，這一裕度將會更大。

這樣，由于高壓直流工程就不必為了提高整個系統的安全穩定水平而按額度容量運行。另外，由于交、直流輸電的損耗特性不一致，在維持外送總規模不變的前提下，合理分配同一外送斷面間的交、直流通道輸送功率分配，將能起到節能降損的效益。因此，“十二五”期間云南主網架及外送通道的加強，為斷面外送功率的優化提供了可能。

圖1 云南電網外送結構示意圖

如何在保持電網外送規模不變的前提下，利用直流輸送功率的可控性，合理地分配交、直流輸電通道的輸送功率，以達到輸電損耗最低的目標，是中國西電東送亟待解決的問題，是實現電網節能降損的重要方式。

以云南電網為基礎，研究了交流輸電通道和直流輸電通道的損耗特性，利用Matlab建立了交、直流混合輸電系統的最小損耗模型，通過粒子群優化算法(particle swarm optimization，PSO)，在維持總外送不變的情況下，求解交直流各通道輸送功率的最優分配解，并通過回寫入BPA進行計算，比較優化效果。

1 交、直流輸電通道的損耗特性

1.1 交流通道損耗特性

輸電線路在輸送電力的過程中會產生電力損耗，線路有功功率損耗計算如下。

式中，P、Q、U為線路同一端的有功功率、無功功率、電壓幅值;U0為線路兩端的平均電壓幅值;R、X為線路串聯電阻、電抗;G0為線路并聯電導;U20G0為電暈損耗，數值很小，一般可忽略不計。

根據有功功率損耗計算公式，對輸電線路損耗影響因素分析如下:①線路有功功率損耗與傳輸有功的平方及線路電阻值成正比;②線路有功功率損耗與傳輸功率因數的平方及系統運行電壓的平方成反比。

因此，在交流通道建設方案已確定的前提下，要想降低交流通道的輸送潮流，只能通過合理安排線路潮流、合理投切電網無功補償以減小線路無功功率傳輸、適當提高電網運行電壓水平等措施來降低電網輸電損耗。

1.2 直流系統損耗特性

直流線路損耗與線路長度成正比，包括與電壓相關的損耗和與電流相關的損耗。

(1)與電壓相關的損耗:線路電暈損耗和線路絕緣子串泄漏損耗。由于后者數量很小，一般可以忽略不計(如天廣直流占額定容量運行下線路電阻損耗的3.9%)。直流線路電暈損耗比交流線路電暈損耗小，且受氣候條件的影響也小。中國國家電力公司電力科學研究院曾對500 kV直流線路進行過實測，測得線路電暈損耗正極為3.1 W/m，負極為3.6 W/m。

(2)與電流相關的損耗:直流電流在直流線路電阻上產生的損耗，與輸送同樣有功功率的交流線路相比，直流線路的損耗通常較小。直流線路損耗還與直流系統運行方式有關。按損耗大小從小到大排序為雙極線并聯運行、大地回線運行、金屬回線運行。

(3)接地極引線及接地電極損耗:損耗可以忽略不計。

簡化模型后，直流輸電系統的損耗功率Ploss與輸送功率P、電流I、電壓U、電阻R之間的關系推導如下。

由上述兩式可看出，在其他條件不變的情況下，損耗功率P與輸送功率的平方和線路電阻成正比，與輸電電壓的平方成反比，損耗率η與輸送功率和電路電阻成正比，與輸電電壓的平方成反比。

圖2 云南電網各回直流輸電損耗

根據直流系統運行參數，云南電網各回直流系統在運行過程中輸電損耗隨其輸電功率的變化曲線如圖2所示(考慮兩端換流站有功損耗為輸送功率1.5%，各回直流運行方式為雙極平衡運行)。

2 交、直流輸電通道最小損耗模型

設云南電網外送通道的輸電損耗為△P，云廣直流輸電損耗為△P1，糯扎渡直流輸電損耗為△P2，溪洛渡直流輸電損耗為△P3，金中直流輸電損耗為△P4，瀾上直流輸電損耗為△P5，交流通道輸電損耗為△P6。

總的云南外送損耗

優化目標為輸電損耗最小，即

約束條件為

其中，Pcon為云南電網交、直流外送總電力;P1max為云廣直流輸送功率極限;P2max為糯扎渡直流輸送功率極限;P3max為溪洛渡直流輸送功率極限;P4max為金中直流輸送功率極限;P5max為瀾上直流輸送功率極限。

此模型屬于帶有等式約束的混合非線性規劃問題，解決此類問題的常用算法包括外點法、內點法、可行方向法等。

粒子群優化(PSO)算法是Kennedy和Eberhart受人工生命研究結果的啟發，通過模擬鳥群覓食過程中的遷徙和群聚行為而提出的一種基于群體智能的全局隨機搜索算法，具有易理解、易實現、全局搜索能力強等特點，倍受科學與工程領域的廣泛關注，成為發展最快的智能優化算法之一。這里采用粒子群優化(PSO)算法求解以上優化目標，使云南電網外送輸電損耗值最小。

3 交、直流通道潮流最優分配計算

至2013年，云南電網將投產三回直流，分別為云廣直流、糯扎渡直流和溪洛渡直流，其中云廣直流為±800 kV，輸電容量為5000 MW，雙極運行;糯扎渡直流為±500 kV，輸電容量為5000 MW，單極運行;溪洛渡直流為±500 kV，輸電容量為3200 MW，單回雙極運行。2013年枯期大方式下，云南總體外送電力為11200 MW，各回直流均未滿送，優化空間較大，具體優化結果見表1。從表1中可看出，2013年枯期大方式下，原始安排各回直流未滿送，交流斷面約為3700 MW;優化后，云廣直流和糯扎渡直流多送，溪洛渡直流少送，云電交流出口降至3000 MW以下，整個南方電網網損有功損耗由2736.2 MW降至2689.4 MW，減少約1.71%，優化效果明顯。

至2015年，云南電網將新增金中直流、瀾上直流和溪洛渡直流的II回，其中金中直流和瀾上直流均為±500 kV，輸電容量為3200 MW，雙極運行。2015年豐期小方式下，云南總體外送電力為15900 MW，除瀾上直流外其余各回直流均未滿送，優化空間較大，具體優化結果見表2。從表2中可看出，2015年豐期小方式下，原始安排各回直流未滿送，交流斷面約為1150 MW;優化后，云廣直流和糯扎渡直流多送，溪洛渡直流少送，金中直流由于位于云南滇西北地區，送出損耗大，輸送容量減少，整體云電交流出口降至2400 MW以下，整個南方電網網損有功損耗由2325.8 MW降至2183.7 MW，減少約6.11%，優化效果較明顯。

4 結語

隨著西電東送規模的不斷增加，云南電網將成為國家西電東送的主要組成部分。根據擬簽訂的“十二五”西電東送框架協議的主要內容，至2015年，云南電網外送電力規模約占整個南方電網西電東送總規模的50%，云南電網擬將建成以五回直流、五回交流形成的外送網架。根據交、直流輸電損耗的理論，在保持外送功率不變的前提下，不同的各回交、直流通道的輸送功率將產生不同的輸電損耗;由西電東送協議中安排的各年份各方式電力流來看，云南電網外送電力有一定的裕度，為各通道的輸電容量調整提供了可能性。因此，如何安排各回交、直流輸電線路的輸送功率，使得輸電有功損耗最小將是電網節能降耗的有效措施。前面建立了云南電網交直流主通道的最優功率分配模型，運用粒子群優化算法(PSO)求解，獲得各輸電通道的最優功率分配，從而使電網輸電有功損耗降到最小。

表1 2013年云南電網輸送功率優化前后對比

表2 2015年云南電網輸送功率優化前后對比

計算結果表明，基于所建立的粒子群優化算法，可以優化云南電網交直流輸送容量的分配，從而有效降低云南電網外送的輸電損耗，對電網的節能降耗有明顯作用。

［1］Kunder P.Power System Stability and Control［M］.北京:中國電力出版社，2002:351－354.

［2］王錫凡，方萬良，杜正春.現代電力系統分析［M］.北京:科學出版社，2003.

［3］陳維榮，張倩，王勁草，等.搜尋者優化算法在最優潮流中的應用［J］.電力系統及其自動化學報，2009，21(1):64－67.

［4］梁軍.粒子群算法在最優化問題中的研究［D］.廣西師范大學，2008.

［5］陳佳琰，彭春華.基于 PSAT軟件的多目標最優潮流計算［J］.華東交通大學學報，2007，24(2):87 －91.

［6］王志勇，梁敬成，熊小伏，等.西電東送輸電通道損耗最小最優功率分配方法［J］.南方電網技術，2009，3(2):38－41.

［7］史丹，任震，余濤.高壓直流換流站損耗計算軟件的開發和應用［J］.電力系統自動化，2006，30(19):81－83.

［8］中國南方電網電力調度通信中心.中國南方電網2011年運行方式［Z］.廣州:中國南方電網電力調度通信中心，2011.