未來實際輸電線路利用率估算及應用

馮 瀚，任 昊，張 沛，梁 浩，賈宏杰

（1.國網四川省電力公司經濟技術研究院，成都610065；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

目前，在電網評估和規劃領域，國內外電力公司大多關注電網設備的過載指標。根據不同側重點與研究方向，目前反映線路利用情況的常用指標包括負載率、容載比、重載率、輕載率等[1-4]。這些指標存在如下問題：①指標均從生產運行角度考慮，基于歷史運行數據或實時數據對當前電網線路利用水平進行的事后評估。②大部分指標按某一時刻的斷面考慮（如最大負荷情況），脫離實際運行情況，不利于反映線路整體利用水平。③未來電網存在不確定性，僅根據歷史數據無法反映未來線路的利用率，而且新建輸電線路沒有歷史運行信息。使得這些指標不適用于電網規劃領域，缺少一種反映未來電網線路利用水平的指標與方法。

概率潮流PLF（probabilistic load flow）已在電網規劃領域廣泛應用。主要包括解析法和蒙特卡羅模擬法[5-7]。解析法多認為輸入變量的線性相關性或相互獨立，而且隨著系統復雜性的增加，計算量大大加劇，因此該方法較少應用于實際系統。蒙特卡羅模擬法抽樣次數與系統規模無關，并且模型簡單，結果精確，非常適用于復雜大系統的分析[8]。

本文充分考慮未來電網的諸多不確定性因素，基于蒙特卡羅仿真的概率潮流方法，建立一種估算未來輸電線路利用率的計算程序，并將其應用于實際輸電線系統，分析未來線路的容量利用水平，更好地指導未來電網的規劃與評估。

1 未來輸電線路利用率計算建模

1.1 負荷概率模型

在計算未來線路利用率時需要考慮負荷增長及變化的不確定性因素，建立負荷概率模型。目前，常用模型有正態分布模型[9]、分級負荷模型[10]、均值負荷模型[11]等。本文以分級負荷模型為例進行分析，各節點未來N 年負荷概率分布計算步驟如下。

（1）根據電力公司提供的典型年負荷模型、月負荷模型、日負荷模型可獲得全年8 760 h 的時負荷分布數據。

（2）根據負荷預測，獲得未來各年的年負荷峰值。

（3）在假設未來各年時負荷分布不發生改變的情況下，可根據典型負荷分布以及年負荷峰值求出未來各年的時負荷值。

（4）對未來N 年負荷數據統計分析，將其分成M 個負荷等級，計算各負荷水平出現的概率。

1.2 發電機與輸電設備停運概率模型

發電機采用通用的兩態模型，即停運狀態和運行狀態，根據機組停運率（包括檢修和故障停運）對其狀態進行抽樣。停運時，機組有功出力為0 MW，運行時，有功出力介于機組最小出力與最大出力之間。輸電設備（包括輸電線路與變壓器）采用相同的兩態模型。停運狀態時，設備退出電網運行，運行狀態時，設備參與電網運行。

1.3 發電機組經濟分配模型

考慮未來系統發電機組的經濟調度影響，采用優先順序法[12]建立其經濟分配模型。該方法根據某種經濟特性指標，對各臺發電機出力順序事先排序，制定發電機調度優先級，根據系統總負荷值按優先級依次投切機組，保證有功功率平衡。

1.4 輸電線路利用率指標計算模型

未來TLUR 反映未來N 年輸電線路輸送電量占理論極限輸送電量的比例。因在實際電網中未來輸電線路流量無法測量，本文利用輸電線路未來N 年的傳輸功率概率分布估算其利用率。步驟為：

1）對輸電線路Nos 次仿真中計算得到的潮流值進行統計分析，采用等步長方法分成Z 個功率水平，并用其區間的中值代表功率水平：Pflow1，Pflow2，…，Pflowz。

2）統計每個功率水平出現的概率pi。

3）利用如下公式估算未來N 年的利用率指標，記為ITLUR。

2 未來輸電線路利用率計算步驟與方法

（1）根據原始數據，建立未來N 年的負荷概率模型、發電機停運模型、輸電設備停運模型。

（2）進行蒙特卡羅抽樣，生成Nos 個輸入量樣本集合，包括節點負荷出力集合、發電機與輸電設備停運狀態集合。

（3）選擇其中一組樣本，根據負荷出力與發電機狀態進行經濟調度，分配各發電機有功出力，并根據輸電設備狀態確定網架結構。

（4）基于負荷出力以及考慮停運和調度后的發電機有功出力，進行潮流計算。如果網架出現多個孤島，則分別對各孤島進行潮流求解。最終獲得各條輸電線路的功率值。

（5）遍歷所有樣本集合，基于Nos 個潮流值求出線路的潮流概率分布，再利用式（1）求出各線路利用率指標。計算流程如圖1 所示。

圖1 未來輸電線路利用率計算流程Fig.1 Flow chart of estimating future transmission line utilization rate

3 算例分析

3.1 算例系統概述

以SC 省BZ 地區實際電力系統為例進行利用率指標的計算與評估，該系統共115 個節點，63 條輸電線路，82 條變壓器支路，涉及220 kV、110 kV、35 kV、10 kV 多個電壓等級。

圖2 為BZ 地區輸電系統簡化圖，其中G 表示發電廠，L 表示負荷。BZ 地區是受電區域，外部電力通過YL 和FX 節點向其供電，分析時將其設為孤島，YL 為發電機節點，FX 為平衡節點。本節以220 kV 與110 kV 兩個電壓等級的輸電線路進行討論。評估周期為5 a，即N=5，潮流計算采用直流潮流方法，基于歷史數據，設各節點負荷未來年均增長率為13%。

圖2 BZ 地區輸電系統簡化圖Fig.2 A simplified network diagram of BZ area

3.2 未來線路利用率指標計算與求解

根據BZ 地區的各月最大負荷曲線（如圖3 所示）以及典型日負荷曲線（4 個季度，如圖4 所示），并借鑒文獻[13]中典型周負荷分布參數，可建立節點典型年負荷分布。再根據未來各年的負荷峰值，應用分級負荷模型，求出各負荷節點未來5 a 的負荷分布概率。圖5 為PC 節點的負荷分布概率。

根據機組調度原則，確定各臺發電機組的調度優先級，如表1 所示。

再根據BZ 供電局提供的機組停運概率、輸電設備停運概率、電網系統拓撲數據、線路熱穩極限等參數，完成所有數據的載入，通過5 000 次蒙特卡羅仿真，求出各條輸電線路的潮流概率分布。如圖6 所示，曲線1 即為線路LB-MJ 的潮流概率分布。（圖中曲線3 為累積潮流概率分布，曲線2 為線路極限容量，曲線3 與曲線2 相交點以上為該線路的過載概率，即2.98%。）

圖3 BZ 地區各月最大負荷曲線Fig.3 Max load curve of each month of BZ area

圖4 BZ 地區典型日負荷曲線Fig.4 Typical daily load curves of BZ area

圖5 PC 節點未來5 年的負荷概率分布Fig.5 Load probability distribution of PC bus in the following 5 years

表1 各臺發電機組的調度優先級Tab.1 Scheduling priority of generation units

根據線路的潮流概率分布，即可利用式（1）求出利用率指標。各條線路的利用率指標見表2。

圖6 線路LB-MJ 的潮流概率分布Fig.6 Power flow probability distribution of Line LB-MJ

表2 各條輸電線路未來5 年利用率指標Tab.2 Utilization rate of each line in the following 5 years

本文計算得到的利用率指標計算可反映線路未來5 a 的容量利用水平，幫助電網規劃人員了解電網線路的未來容量裕度，更好地指導電網的規劃。此外，該指標還可應用于電網可靠性與經濟性評估，分析如下。

3.3 利用率指標在未來電網可靠性評估中的應用

1）查找電網潛在瓶頸

對表2 分析可知，部分線路指標過高。過高的利用率，說明未來流過線路的潮流較大，容量裕度過低，而且發生過載的風險也會增加，影響未來電網的供電可靠性。ST-PC、XW-YJB、FX-ST 等5 條線路的利用率指標均大于70%，而過載概率通過計算分別為30.30%、22.57%、11.17%、0.07%和7.73%。

本文方法可有效找出這些容量裕度過低的線路，使得電網人員更有針對性地優化，改善電網薄弱環節，保證未來電網的可靠性。

2）查找電網不合理布局

對表2 的分析可知，部分線路指標過低。過低的利用率，反映出未來線路建成后較長時間得不到有效地利用，造成了投資的浪費和盲目。如發電廠GK 與受電區域TJ 之間線路利用率不足9%，臨近的負荷區域XW 與SBY 之間的線路利用率僅為7%等。

另外，結合圖2 連接圖，通過利用率指標還可查找出網架不合理之處。以TJ 地區為例，如圖7 所示，該地區的電力除了來自電廠GK 外，還有XW地區與CC 地區為其供電，但線路CC-TJ（線路1）的利用率為59.39%，線路XW-TJ（線路2）的利用率為5.72%，造成了供電不平衡，而且CC 地區的電力主要由XW 提供，主要電力從XW 地區通過CC 地區再到TJ 地區，而XW 地區直接送到TJ 地區的電力很少。此外，SBY 地區、NJ 地區也存在類似問題。

圖7 TJ 地區示意Fig.7 Sketch map of TJ region

因此，在未來電網規劃與建設時，可提前根據利用率指標分析未來網架的潮流分布，通過合理地布局與調度策略，平衡電網線路的整體利用水平。這樣就有效地避免了未來網架建成后，部分線路利用率過高，存在過載風險；而部分利用率過低，造成投資浪費，實現未來電網的安全經濟可持續運行。

3.4 利用率指標在未來電網經濟性評估中的應用

本節將利用率指標應用于新建輸電線路項目投資回收期計算，指導電網方案的經濟性評估。

通過分析可知，一部分外部電力通過輸電通道FX-ST-PC 向BZ 地區供電，但隨著未來負荷的快速增長，該線路過載概率加大，影響電網的可靠性。

假設為保證電網可持續發展，在原拓撲中，新建一條FX-PC 的110 kV 輸電線路，將此作為本次研究的電網規劃項目。認為項目收益僅來自該通道未來收取的過網費用，項目成本來自線路建設成本和維護成本。根據電力公司提供的相關數據，過網單價W 設為0.1 元/（kW·h），項目成本等參數如表3 所示。

表4 為新建線路FX-PC 未來5 a 的利用率指標，根據公式（2）可計算出未來各年該線路的過網收益。

表3 新建線路參數Tab.3 Parameters of the newly constructing line

表4 未來5 年新建線路利用率指標Tab.4 Utilization rate of the newly constructing line in the following 5 years

式中：CR為該線路的極限容量；nh為線路年運行小時數（按8 760 h 計算）。

根據新增線路的投資成本和各年過網收入可得到本投資方案各年凈現金積累值，如表5 所示。

表5 各年積累凈現金流量Tab.5 Cumulative net cash flow of each year

根據式（3），即可求出方案的投資回收期為

式中：Pt為投資回收期；Npos為累計凈現金流量開始出現正值的年份；MANCF為Npos年的上一年累計凈現金流量；MNCF為Npos年的年凈現金流量。

經計算方案的投資回收期約為3.83 a。說明在不考慮時間價值下，本項目約在未來3 年10 個月左右收回成本。可見，利用率指標能夠考察線路容量程度不同對電網經濟效益的影響，參與電網的經濟性評估。

4 結語

隨著未來電網建設由粗放型向集約型轉變，輸電設備的利用水平將會得到越多越多的關注與重視。本文提出一種概率潮流方法估算未來輸電線路的利用率，以考察未來線路的容量利用水平。從實際輸電系統的計算與分析可以看出，計算得到的利用率指標在未來電網的可靠性評估與經濟性評估中均有較好地應用價值，輔助電網規劃人員更好地設計改造未來網架結構、決策電網規劃項目經濟效益等。

本程序支持PSS/E、BPA 等格式數據輸入，可處理上千節點的實際復雜輸電系統，具備較好實用價值與應用前景。如何保證計算精度的同時提升計算速度是未來改進方向。

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