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

李川江 王 徭 焦明曦 李 明 佟國冬

（1. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，長春 130000）2. 山東國研電力技術有限公司，濟南 250101）

近年來隨著電力系統(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)濟獨立結算，導致電網(wǎng)聯(lián)絡線功率的傳輸控制與調(diào)整問題變得日益突出。聯(lián)絡線的功率控制與調(diào)整是一個涉及多個區(qū)域、多個發(fā)電或多個受電單元的、融合了電力發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展的復雜問題。

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

1 長春地區(qū)66kV聯(lián)絡線運行狀況

長春地區(qū)66kV聯(lián)絡線主要是以架空線路為主，主城區(qū)存在部分電纜線路，架空線路導線型號主要是以 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線型號的“參差不齊”，嚴重制約了導線的傳輸能力，如其中三條雙回線路，線路負載率均超過70%，如果在一條線路出現(xiàn)故障時，另外一條線路將不能完全轉(zhuǎn)供負荷，造成的主要原因是線路采用2*LGJ-240、LGJ-240兩種導線型號，復導線傳輸能力受到限制，下一步應根據(jù)聯(lián)絡線的負荷發(fā)展情況，將單導線改造成復導線。

通過以上數(shù)據(jù)分析，長春地區(qū) 66kV聯(lián)絡線能夠接帶一定的負荷，對220kV變電站之間起到較強的聯(lián)絡作用，但是部分線路受到線路導線截面影響，傳輸能力受限。同時存在部分聯(lián)絡線接帶變電站的數(shù)量較多，負荷較重，聯(lián)絡作用弱化，如長東乙線接帶5座變電站，負載率達到92%，線路傳輸裕度僅為7.3MW，詳細情況見表1。

表1 長春地區(qū)2013年66kV聯(lián)絡線運行狀況明細表

（續(xù)）

2 220kV變電站負荷轉(zhuǎn)移情況分析

2013年長春地區(qū)共有16座220kV公用變電站，其中市轄區(qū)9座，外縣7座。對各個220kV變電站主變進行“N-1”校驗，同時考慮66kV聯(lián)絡線的轉(zhuǎn)供，主變“N-1”通過率為100%。

在考慮 220kV全站失電的情況下，全市有 10座220kV變電站負荷能夠通過66kV聯(lián)絡線實現(xiàn)全部倒供，其中市轄區(qū)6座，外縣4座。市轄區(qū)三座66kV一次變在全站失電的情況下，可轉(zhuǎn)移負荷比例為79%、58%和93%，主要原因是對城區(qū)負荷供電，接帶變電站較多，負荷較重，現(xiàn)有的聯(lián)絡線無法滿足100%轉(zhuǎn)供。外縣農(nóng)安、九臺和雙陽一次變均有2回聯(lián)絡線，轉(zhuǎn)供能力有限，所以在變電站失電的情況下，聯(lián)絡線的可轉(zhuǎn)移負荷比例分別為 33%、26%和20%。

通過以上分析，長春現(xiàn)狀66kV聯(lián)絡線對220kV電網(wǎng)起到一定的支撐，外縣相對薄弱一點，下一步市轄區(qū)通過新增220kV一次變的布點，分擔現(xiàn)有一次變的供電壓力，優(yōu)化 66kV聯(lián)絡線，提高其轉(zhuǎn)供能力；對于外縣應通過優(yōu)化 66kV網(wǎng)架結構，加強66kV聯(lián)絡線的建設，提升對 220kV電網(wǎng)的支撐能力。

3 網(wǎng)損最小目標及其優(yōu)化問題

網(wǎng)損不僅能夠反映電力系統(tǒng)運行管理和規(guī)劃設計的水平，也是國家考核電力發(fā)展經(jīng)濟性的重要指標。通過對網(wǎng)損的計算和分析，能夠指導電網(wǎng)的經(jīng)濟運行和科學管理，所以如何降低網(wǎng)損一直備受關注[1-3]。網(wǎng)損主要受系統(tǒng)接網(wǎng)方案和發(fā)電機出力分配這兩方面的影響，為了檢驗長春地區(qū)電網(wǎng)解環(huán)方案是否能夠達到研究目的，將采用發(fā)電機處理分配影響網(wǎng)損的情況，也就是網(wǎng)損越小，方案越好。

由于長春市各地區(qū)的負荷分布情況不同、負荷性質(zhì)也千差萬別、負荷大小也是時刻變化，因此電網(wǎng)的結構和運行方式也有區(qū)別，這些都給網(wǎng)損理論計算增加了難度。計算網(wǎng)損主要有兩種方法：①用節(jié)點注入功率表示，即系統(tǒng)總網(wǎng)損等于全網(wǎng)各節(jié)點凈注入功率之和；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，通過線性化最優(yōu)潮流計算網(wǎng)損。

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

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

有功網(wǎng)損最小為目標函數(shù)，表示為

不等式約束條件為，發(fā)電機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)點的有功平衡約束和平衡節(jié)點的相角不變約束，節(jié)點的注入有功為

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

式中，V0、θ0變量是網(wǎng)絡的初始狀態(tài)，是常量。

4 供電能力最大目標及其優(yōu)化問題

要得到既能滿足系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的要求，又能投入較少資金的最佳方案，需要對各種可行的建設方案進行詳細計算、分析來比較。隨著社會的不斷進步和發(fā)展，區(qū)域負荷也隨之增長，所以一個合理的電網(wǎng)建設方案還應具有一定的供電裕度來滿足逐步增長的負荷發(fā)展變化，即要具備較強的供電能力，這也是保證電網(wǎng)安全必不可少的條件。

評價電網(wǎng)供電能力最直接的方法就是試探法，首先對給定系統(tǒng)進行潮流計算，若沒有發(fā)生功率穿越，則繼續(xù)增大負荷，直到增加很小的負荷就會導致功率穿越發(fā)生為止。但試探法計算過程較為繁瑣，且系統(tǒng)各變量之間的影響也較為復雜，當系統(tǒng)情況較復雜時，試探法得到的結果就不準確。為解決這個問題，本文建立了負荷增量最大的優(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)化模型目標函數(shù)是電網(wǎng)提供的有功負荷量最大，約束條件是電網(wǎng)的N狀態(tài)安全約束。相關的優(yōu)化變量包括各節(jié)點電壓相角增量、邊界節(jié)點輸送有功增量、負荷有功增量和發(fā)電機的有功出力增量，可以表示為

目標函數(shù)表示如下：

不等式約束包括邊界節(jié)點有功增量限制，負荷有功增量限制，發(fā)電機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)點的有功平衡約束和平衡節(jié)點的相角不變約束，節(jié)點的注入有功為

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

式中，V0、θ0變量是網(wǎng)絡的初始狀態(tài)，是常量。

5 實例仿真與分析

為了檢驗聯(lián)絡線功率優(yōu)化模型的合理性，本次研究采用IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)在BPA軟件中進行樣本數(shù)據(jù)的求解與計算，并在Matlab環(huán)境中對數(shù)學模型進行仿真。實例仿真中步驟如下：

1）對電網(wǎng)進行供電區(qū)域劃分，在各個區(qū)域內(nèi)設定不同關的聯(lián)性節(jié)點[5]。

2）根據(jù)電網(wǎng)現(xiàn)狀，設定不同關聯(lián)性節(jié)點與聯(lián)絡線的關聯(lián)因數(shù)，將仿真劃分為12個時段。

3）匹配靈敏度系數(shù)，并計算聯(lián)絡線實際功率與計劃功率偏差。

要達到模型預期的精度要求，就要選取合適的仿真數(shù)據(jù)樣本。被測節(jié)點分別以G1、G2、G5、G8表示，仿真結果數(shù)據(jù)見表2。

表2 聯(lián)絡線功率的仿真與分析

6 66kV聯(lián)絡線建設改造規(guī)劃

通過對長春地區(qū)220kV變電站之間66kV聯(lián)絡線的轉(zhuǎn)供能力進行量化分析，制定聯(lián)絡線的建設原則。

圖1 66kV聯(lián)絡線典型示意圖

2015—2020年長春地區(qū)66kV聯(lián)絡線改造項目共有2個，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，無新建聯(lián)絡線工程，通過 220kV變電站66kV送出工程，新建66kV聯(lián)絡線路61回。

通過聯(lián)絡線的規(guī)劃建設，上述規(guī)劃實施后，至2015年，長春地區(qū)220kV變電站平均聯(lián)絡線回數(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)絡線7回/站，縣級供電區(qū)3.57回/站。

至2020年，長春地區(qū)220kV變電站平均聯(lián)絡線回數(shù)為7.31回/站，其中市轄區(qū)66kV聯(lián)絡線8.5回/站，縣級供電區(qū)5.0回/站。

7 結論

聯(lián)絡線對電網(wǎng)的供電可靠性起著決定性的作用，因此聯(lián)絡線的調(diào)整一直是電網(wǎng)規(guī)劃與改造工作中的重點，它在牽涉電網(wǎng)建設經(jīng)濟性與可靠性的同時，對整個社會經(jīng)濟發(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)展利于提高整個電網(wǎng)的供電能力、供電可靠性，由于長春地區(qū)輸電網(wǎng)運行方式的改變，對高壓配電網(wǎng)的網(wǎng)架結構進行研究，其直觀反映便是接線模式的優(yōu)化。由于長春地區(qū)不同區(qū)域之間建設條件存在較大的差異，因此在進行接線模式優(yōu)化研究的基礎上，需根據(jù)其各自的實際特點選擇配電網(wǎng)接線模式，以指導配電網(wǎng)的建設，達到電網(wǎng)輸配協(xié)調(diào)發(fā)展的效果。

本文通過建立網(wǎng)損最小與供電能力最大目標的數(shù)學模型，對長春地區(qū) 66kV聯(lián)絡線進行了功率調(diào)整與網(wǎng)架優(yōu)化，得出如下結論：

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

2）合理利用BPA軟件的特性，對經(jīng)典IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)進行了改造，設置了相應節(jié)點為不同特性的機組，并進行網(wǎng)絡分區(qū)使其更接近實際互聯(lián)電網(wǎng)，而在Matlab中仿真計算所得靈敏度系數(shù)的差異驗證了各發(fā)電廠機組的調(diào)節(jié)能力不同。

應指出的是，本文采用BPA軟件，對所建模型進行牛拉法潮流計算，并記錄各個節(jié)點電的功率變化值和聯(lián)絡線變化值，以此作為網(wǎng)絡模型的樣本值，反復計算過程較為繁瑣，因此，該方法中樣本值的獲取方法有待進一步研究。此外，該方法對模型的構建與仿真中沒有加入電網(wǎng)聯(lián)絡線頻率穩(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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