基于多目標優化的受端電網特高壓落點選取方法

商文穎，劉麗慧，李 華，梁 毅，侯玉琤

（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.國網黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，黑龍江 大慶 163000）

基于多目標優化的受端電網特高壓落點選取方法

商文穎1，劉麗慧2，李 華1，梁 毅1，侯玉琤1

（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.國網黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，黑龍江 大慶 163000）

以合理選取特高壓電網落點為目標，以滿足最大范圍內能源資源優化配置為根本出發點，分析地區電力流向，確定特高壓落點供電范圍。應用多目標優化的方法研究特高壓500 kV落點的選擇，綜合考慮系統相互作用的各種因素，用數學方法建立了歸一化的落點選擇目標函數。并以遼寧受端電網特高壓落點選取為例，驗證了該方法的可用性。

特高壓；電力流向；落點選取；多目標優化

在特高壓電網形成過程中，電網的結構形態、運行特征都將發生重大變化，給電網運行和管理帶來全新的挑戰。如何有效計及系統安全穩定水平、網架結構堅強程度、經濟性等諸多因素，提出定量化的特高壓落點的優化選取方法，對于保障電力系統安全穩定運行，提高運行經濟效益具有重大意義。

1 特高壓落點選取的決策過程

a.分析受端電網能源資源狀況、電力資源及送電條件的情況，確定其受電比例；

b.根據受電比例確定特高壓電力流及落點數量；

c.根據特高壓電力流及省內電源規劃和電力流向分析確定特高壓送電范圍［1］；

d.按照確定的特高壓送電范圍分區進行特高壓的500 kV落點優選［2］；

e.根據特高壓落點優選方案進行聯網方案的比選［3］。

2 特高壓供電范圍的選取

構建特高壓電網是以滿足大范圍內能源優化配置為根本出發點，其供電范圍的選取應滿足該地區的電力電量需求。因此，需進行如下方面的分析確定其供電范圍。

a.能源平衡分析

根據能源資源狀況，進行地區能源平衡分析，進而進行地區發電能源平衡分析，確定是否需要從省外購入能源。

b.電力資源及送電條件分析

分析周邊地區煤電及可再生能源供給情況，確定是否具備送電條件。

c.受電比例分析

綜合外部電力資源情況及受端電網自身平衡結論，確定送電比例及送電通道規劃，確定與外部交換電力流規模。

d.內部電力流向分析

對受端電網內部分區域進行內部電力流向分析，確定特高壓接入供電范圍。

3 特高壓500 kV落點評價指標

3.1 指標選取原則

a.評價指標體系應能全面反映特高壓接入受端電網的安全穩定水平［4］、網架結構堅強水平和社會經濟效益水平等，體系內各指標應相互獨立、互不重疊且不存在因果關系；

b.選取的指標應能夠量化或模糊量化；c.選取的指標應具有區分度。

3.2 短路比

系統短路容量與設備額定容量的比值，稱為短路比SCR （Short Circuit Ratio）。則：式中：Sac表示特高壓注入母線的短路容量；PtN表示特高壓的額定輸送功率。短路比大表明系統性能好；相反，短路比小則系統相對薄弱。

根據理論研究和實踐經驗，將交流系統穩定強度劃分如下：SCR＜2穩定強度極低；2≤SCR≤3，穩定強度低；3＜SCR≤5，穩定強度中等；SCR＞5，穩定強度高。

3.3 靜態電壓穩定指標

靜態電壓穩定指標是指在一定功率水平下，當負荷母線經受1個小擾動時，注入母線的無功功率的變化量與母線電壓的變化量之間的比值［5-7］，如圖1所示。

圖1 用于靜態電壓穩定分析的簡單電力系統接線

特高壓注入母線的無功變化量為ΔQ，母線電壓的變化量為ΔU。當ΔQ／ΔU＜0時，負荷母線的靜態電壓穩定；相反，當ΔQ／ΔU＞0時，負荷母線的靜態電壓不穩定。在電力系統中，對系統側而言，可以將特高壓的注入點看作是一個無功負荷，因此對注入點母線的靜態電壓穩定分析與以上對簡單電力系統負荷母線分析類似。簡化的電力系統相

當VSI＞0時，特高壓注入母線靜態電壓穩定；當VSI＜0時，特高壓注入母線靜態電壓不穩定。

3.4 系統網損

特高壓落點于交流系統的不同節點，交流系統的潮流分布會相應地改變，網絡損耗也會隨之有較大的差異。交流系統的有功功率損耗為互作用的模型如圖1所示。圖中E表示系統電壓，R＋jX表示系統阻抗，U為母線電壓，將特高壓注入母線看作是負荷母線，母線的無功功率Q為

式中：Qc為無功補償設備補償的無功；Qac為交流系統吸收的無功。參照以上結論，定義靜態電壓穩定指標VSI（Voltage Static Indicator）作為特高壓注入母線靜態電壓穩定的判據，則：

式中：Ploss為有功功率損耗；Nk為交流系統支路數；Gk為支路電導；Ui，Ujθi，θj分別為各節點電壓的幅值與相角。

4 算法擬定

4.1 線性加權和法

線性加權和法通過對多個指標加權求和后將多目標問題化為單目標問題，形式簡單，便于計算［8］。因此采用線性加權和法建立特高壓落點選擇的目標函數。設定了3個目標值，分別對應系統短路比SCR、靜態電壓穩定裕度VSI、系統網絡損耗Ploss。設其權系數為ωi（i＝l，2，3），則目標函數F（χ）：

就單一目標值而言，對應的SCR最大、VSI最大以及Ploss最小，落點選取最理想；對綜合各因素的指標體系而言，當目標函數值趨于最小時，對應的節點為最優落點。

4.2 各指標的歸一化處理及門檻值的確定

4.2.1 歸一化處理

由于短路比、靜態電壓穩定指標以及受端交流系統的有功功率損耗這3個目標并不在一個數量級上，直接對這些指標線性加權很可能造成結果不合理，因此需先對3個指標進行歸一化處理。雖然SCR是越大系統越穩定，但是當SCR大到一定值后，其數值大小可能對穩定性本身并不是很重要。有些節點電壓對無功變化不敏感，容性無功投切前后電壓變化很小，這些節點穩定性較強，造成計算所得VSI值差別較大。因此，為避免同一指標值差別過大對落點選擇的結果造成的不合理影響，對SCR和VSI設立相應的門檻值，使歸一化過程更為合理。可以按式 （6）對這3個指標進行歸一化處理。 則：

式 中： SCRmax， SCRmin， VSImax， VSImin， Ploss，max，Ploss，min分別為短路比、靜態電壓穩定指標以及有功功率損耗的最大值與最小值；SCRmargin與VSImargin是短路比和靜態電壓穩定指標的門檻值。

4.2.2 參數門檻值的確定

a. SCRmargin的確定

以工程界劃分交流系統強度的方法為依據，可以令SCRmargin＝5。

b. VSImargin的確定

根據判斷系統靜態電壓穩定VSI的判據，VSI＞0時系統穩定，VSI＜0時系統不穩定，該判據并未給出具體的數值作為VSI的標準。因此，當VSI的數值達到一定程度后，在落點選擇時均應被視為電壓穩定達到上限的節點，更大的VSI不應該影響該點的目標函數。參考交流系統強弱的劃分標準，以SCR＝5時對應的VSI值作為該指標的門檻值。

5 算例分析

5.1 能源平衡情況分析

本文選取遼寧受端電網為例，遼寧省經濟快速穩定發展，區域內一次能源的產量遠遠不能滿足省內經濟發展需要，能源的對外依存度將不斷增加。

5.2 電力資源、受電比例及特高壓落點數量分析

規劃期末最大負荷8 400萬kW，區域內現有外送通道送電能力約1 000萬kW，根據受端電網區域內電力平衡結果，規劃期末需從周邊地區受入電力3 500萬kW。需通過特高壓受入電力2 500萬kW，從外部受電比例約為最大負荷的40%，特高壓站按4臺450萬kVA主變設計，容載比取2.0，需要3個特高壓落點。

5.3 內部電力流向分析

根據遼寧電網網架結構特點將遼寧電網按照遼西地區，遼寧中部地區，遼南地區3個地區進行電力平衡及電力流向分析。分析結果表明：遼寧省中部始終是遼寧省缺電最嚴重的地區，且缺電容量逐年增加；遼南地區隨著紅沿河核電等大型電廠的投運，呈多電狀態，且隨著負荷增長盈余電力整體呈下降趨勢；遼西電網隨著綏中電廠改接及負荷的增長，風電保證出力時整體呈缺電狀態，但其為遼寧大規模風電并網基地，風電有效出力時電力仍有較大盈余。

5.4 特高壓供電范圍分析

規劃期末，遼寧中部地區最大電力缺口約3 150萬 kW，其中沈陽、撫順、鐵嶺、本溪缺電1 450萬kW，鞍山、遼陽、營口缺電1 700萬kW，考慮通過500 kV網絡1 150萬kW后，遼寧中部地區仍存在約2 000萬kW缺口，需通過1 000 kV特高壓網絡受入，可考慮在遼寧中部地區建設2座1 000 kV特高壓站，每站變電容量按4×450萬kVA考慮，滿足遼寧中部地區電力缺額。

規劃期末，遼寧西部地區最大電力缺口約900萬kW，可考慮在遼寧西部地區建設1座1 000 kV特高壓站，變電容量按4×450萬kVA考慮，滿足遼寧西部地區電力缺額。

5.5 特高壓500 kV落點優選

計算選取規劃期末標準年進行分析，基于規劃期末冬大運行方式的基礎數據，計算各個可選500 kV落點的評價指標。遼西地區及遼寧中部沈陽、撫順、鐵嶺、本溪供電區，鞍山、遼陽、營口供電區共計可選500 kV落點分別為11座、12座和14座。根據所得各可選落點評價指標結果，對3個區域每個可選落點計算其多目標決策目標函數值，以遼西地區為例計算結果如表1所示。

分析以上目標函數計算結果，500 kV董家變、沙河營變、北寧變、燕南變所得目標函數計算結果數值較小 （＜0.2），推薦作為遼寧西部特高壓500 kV落點。

同樣原理，遼寧中部沈陽、撫順、鐵嶺、本溪供電區撫順北變、徐家變、東洲變、鐵北變作為特高壓500 kV落點；遼寧中部鞍山、遼陽、營口供電區長嶺變、析木變、東海變作為特高壓500 kV落點。

表1 遼西地區特高壓500 kV落點優選計算結果

6 結論

本文給出了特高壓接入受端電網的落點選取的決策過程，建立了考慮特高壓接入受端電網的安全穩定水平、網架結構和經濟性等重要因素的評價指標體系，評價指標便于計算和定量分析，突出了特高壓接入對受端電網的實際影響。提出特高壓供電區域的選擇方法及基于多目標優化的特高壓500 kV落點選取方法，可以有效解決特高壓接入受端電網落點優選這一復雜決策問題，并結合東北地區遼寧受端電網實例介紹了完整的決策過程。可以為其他特高壓建設工程中的落點優選決策問題提供參考。

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Location Selection Method of Receiving?end Power Grid of UHV Based on Multi?objective Optimization

SHANG Wen?ying1，LIU Li?hui2，LI Hua1，LIANG Yi1，HOU Yu?cheng1
（1.Econimic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；2.State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited，Daqing Power Electric Supply Company，Daqing，Heilongjiang 163000，China）

Based on the reasonable selection of substation location for UHV power，optimal allocation of energy resources to meet the maximum range as the basic starting point，the power flow is analyzed，the scope of the UHV placement of power supply is determined. Optimization mathematical method to study the choice of the UHV 500 kV placement，comprehensively consider the various factors of system interactions by using mathematical method to establish the normalization of placement to select target function.Take a given province UHV point selection as a typical example，availability of the method is validated.

UHV；Power flow；Location selection；Multi?objective optimization

TM715

A

1004-7913（2015）11-0020-04

商文穎 （1980—），女，碩士，高級工程師，從事電力系統規劃工作。

2015-07-15）