考慮梯級電站開發規劃接入的電網適應性綜合評估

杜明坤，黃 媛，劉俊勇，路 亮，江 栗，張全明

（1.四川大學電氣工程學院，成都 610065；2.國家電網有限公司西南分部，成都 610041；3.國網四川省電力公司經濟技術研究院，成都 610072）

我國一次能源與負荷需求逆向分布的特點決定了我國“西電東送”的戰略，近年來以溪洛渡、向家壩、糯扎渡、錦屏一級為標志的巨型水電站進入了集中投產時期，這標志著我國水電進入了大容量、遠距離、跨區跨省大規模輸送新階段[1-3]。金沙江、瀾滄江、雅礱江、長江中下游、大渡河、紅水河等大型流域及嘉陵江、岷江等中小流域呈現全流域開發的局面，水電規模急劇增長，建設大容量、高效率、遠距離先進特高壓輸電工程成為解決大規模水電外送的關鍵[4]。電網結構的復雜性和運行控制的難度之大在世界范圍內也是罕見的，為滿足大容量梯級電站的接入，構建具有高適應性的電網結構是十分必要的，電網結構適應性綜合評價體系作為電力系統規劃研究的基礎已成為研究熱點[5-7]。

文獻[8-10]指出電源、電網、負荷建設及投資由不同主體管控，現有的安全性、經濟性、風險性評價標準不能得出讓各方都接受的結論，因此提出建立電源、電網和負荷投資收益博弈模型，以滿足電力供需平衡和電力系統的安全運行準則，并建立大電網適應性的評價體系，更科學、客觀地評價電網的發展模式與規模問題。傳統電力系統適應性研究主要集中于電網結構安全適應性分析。文獻[11-14]針對含高比例可再生能源電力系統，歸納整理靈活性定義和平衡原理，利用概率方法建立了一套靈活性裕度模型，從電力系統整體角度來研究系統的適應性。文獻[15]提出采用抽樣方法和影響增量方法結合的方式對大規模輸電網進行可靠性評估。文獻[16]基于均勻性理論和復雜網絡理論，建立反映電網自組織臨界性的聯合加權熵指標，以分析電網結構及運行狀態對故障的適應性。這些適應性規劃方案較多從運行的安全、可靠等角度進行研究分析。隨著西南水電能源基地的規劃和建設，這些大型流域龍頭電站存在緊密的水力聯系和明顯的調節性能特性，與外部因素之間相互影響與制約。因此需要豐富和完善適應性指標體系，研究電力系統規劃中考慮梯級電站與電網的適應匹配關系，評估大型流域電站接入與電網發展之間的最優規劃方案。

本文針對大型河流梯級電站開發規劃建設中的協調規劃問題，提出源-網側的適應性指標體系。其中，輸電網適應性指標主要反映電網性能和效率的特性，以及面對消納大規模梯級水電所面臨的強上下游關聯、多時空分布等因素下保證電力系統安全、經濟、協調和靈活運行的能力；電源容量適應性主要指通過對上下游電站進行合理的調節和控制，滿足調峰需求及梯級水電相關性帶來的功率調節需求，以降低失負荷風險、減小棄水的能力。在所提指標的基礎上采用基于熵權法和層次分析法綜合的評價方法對梯級電站接入電網的規劃方案進行綜合評估。最后，以某河流梯級電站接入IEEE39節點系統的改進網架進行了適應性綜合評估，得到了長時間尺度下考慮不同規劃接入方案和網架演變過程的評估結果。

1 梯級電站接入的適應性指標體系

本文圍繞梯級電站接入的動態適應性指標體系可進一步分為電網適應性和電源適應性兩部分。其中，為了實現電網的安全、經濟、可靠運行，電網的適應性體系主要以大規模水電外送輸電網安全運行能力為中心建立評估指標體系，而電源適應性則從源網匹配和供需消納等角度去深入研究。

1.1 電網的適應性指標

電網的適應性是指面臨并網機組容量巨大、并網關系復雜的大小型水電站時，輸電網利用本身結構特性所能夠實現的電網安全、可靠、經濟運行的能力。輸電網結構適應性主要有3個特征：安全的適應性、故障的適應性和效率的適應性[17]。

1.1.1 輸電網安全的適應性

輸電網安全的適應性主要從電網潮流的負載均勻程度反映，若各線路負載水平分布越均勻，則電網結構對不確定因素的承受能力越強，系統發生大規模故障概率越低，電網具有較高安全水平[18]。

首先定義線路期望的負載率μ為隨機場景下線路期望功率與該線路功率極限的比值，其數學表達式為

式中：μi為線路i的期望負載率；E(Pi)為線路i的期望功率；Si_max為線路i的最大傳輸功率。

為了反映電網整體特性，在式（1）基礎上，進一步定義按照電壓等級計算線路的平均負載率μrate,C，其反映了輸電線路的傳輸裕度，負載率越小，表明電網適應未來負荷增長的能力越強。平均負載率 μrate,C可表示為

式中：i為電壓等級C下的線路編號；μi為第i條線路的期望負載率；NL,C為電壓等級C下的線路總數。

電網安全適應性指標S為所有場景下線路負載率的分布特征，S反映電網潮流分布的均勻性。該指標越小，各線路負載水平越均衡，電網處于安全運行狀態的能力越強。電網安全適應性指標S可表示為

式中，NL為電網線路總數。

1.1.2 輸電網故障的適應性

輸電網故障的適應性主要反映N-1故障下電網保持安全穩定運行的能力。文獻[19]中指出衡量N-1故障后的線路有功功率過載程度的有功功率行為指標PI，其定義為

式中：PF,i為線路i發生N-1故障后的有功潮流；Pi_max為線路i的有功潮流限值；wi為線路i的權重。

任一事故支路的開斷或事故發電機的停運會對與故障源直接相連的第1層支路和節點影響最大，對第2、3層影響依次減小。為減小PI指標存在的遮蔽現象，因此本文定義故障的適應性為F，其計算公式為

式中：α1、α2、α3分別為事故源相鄰1、2、3層越限支路的編號；Nα1、Nα2、Nα3分別為事故源相鄰1、2、3層越限支路總數；wi1、wi2、wi3分別為故障相鄰1、2、3層越限支路的權重，wi1>wi2>wi3。

1.1.3 輸電網效率的適應性

輸電網效率的適應性主要反映電網最大化的利用程度。電網效率適應性指標E為電網的全年平均利用率，其計算公式為

式中：TL,i為線路i的年利用小時數；Ty為全年總小時數。

1.2 梯級電站的適應性指標

一般來說，源荷供需平衡的主要影響因素為豐枯時期的流量差異，在豐水期由于裝機容量或通道容量的限制，將會導致裝機棄水和調峰棄水；而在枯水期由于流域的流量較小，將可能在水電占主要出力的西南片區形成供給大于需求，而出現供需不平衡的情況。梯級水電及龍頭水庫的建設則正好用于解決這一問題。梯級電站電源容量的適應性由以下指標反映：調節能力適應性、網源匹配適應性、消納適應性和靈活適應性。

1.2.1 調節能力適應性

式中：Δt為時間尺度；PG,t,j為t時段梯級電站j的實際出力；PD,t為t時段該區域的實際負荷。

進一步地定義梯級電站的調節能力適應性指標D為

式中，NG為發電機組的總數。

1.2.2 網源匹配適應性

網源匹配適應性指標M用于表征梯級水電受外送通道限制的的程度，其由受限制的電量反映，該值越小，其匹配適應性越好。網源匹配適應性指標M可表示為

式中：Plost,j為梯級電站j受通道約束限制的電力；Tlost,j為梯級電站j受通道約束限制的時長；為梯級電站j的裝機容量。

1.2.3 消納適應性

消納適應性反映梯級水電整體的利用效率，它是梯級水電經濟性的反映，本文采用年利用小時比率TRmax來表征。年利用小時比率TRmax可表示為

式中：Wj為梯級電站j的年發電量；為水電站j的出力上限；Tj_max為梯級電站j的年利用小時數。

1.2.4 靈活適應性

在可再生能源接入比例逐漸增大的環境下，本文提出靈活適應性指標用于衡量含龍頭水庫的梯級電站靈活調節資源的能力，其在運行過程中的技術靈活性本質上是在當前運行狀態下，所具備的功率調節能力。靈活適應性指標Flex可表示為

式中：j為第j個電站；t為第t個時段；i為第t個時段下的時間尺度；RRj,+/-為第j個電站功率向上/向下調節的爬坡率；PinsG,j為梯級電站j的裝機容量；Flext,j,i,+/-為第j個電站在時間尺度i下的設備級向上/向下靈活性指標。

2 梯級電站接入的電網演變特征

梯級電站的輸送功率既與流域的來水情況緊密相關，也與電網結構、運行要素息息相關。當前電網規模不斷擴大，電網結構錯綜復雜，電網拓撲連接關系多種多樣，網架結構影響其送出功率。根據文獻[20]，現有輸電網結構包括單通道式、通道互聯式、網對網式、密集式等結構，如圖1所示。

圖1 輸電網結構Fig.1 Structure of transmission network

在梯級流域電站規劃的初期通常采用單通道式輸電網結構，如圖1（a）所示，其是若干個電源各自通過單獨的輸電通道向受端電網送電的電網結構，通常適用于距受端電網較遠，但是開發需求迫切，經濟效益較大的大型電源直接向受端電網輸電，這種送電方式僅涉及多個受端電網。在此基礎上發展了如圖1（b）所示的通道互聯模式，這種輸電網結構是指在單通道式結構的基礎上，在適當地點增加了輸電通道間的橫向聯系。這兩種方式也稱為點對網型輸電結構，其影響輸電能力的要素主要包括送端電源側因素、通道因素、受端電網側因素。

如圖1（c）所示的網對網式輸電結構的送端網架較強，在線路N-1、N-2條件下仍有較強的匯集和輸送電力的能力，具有較高的安全可靠性。然而由于區域間聯絡線有限，當送端達到一定規模時，可能出現新的失穩模式，進一步增加穩定控制難度。圖1（d）為密集式輸電結構，是指在網對網式輸電結構基礎上，進一步增加網間聯絡線及聯絡線之間的相互聯系，方便接入更多電源的輸電結構。這種輸電方式由于送端網絡堅強，其可靠性較高且對當地負荷發展和電源外送的適應性和協調性較好，運行方式也比較靈活。在梯級流域電站發展到一定規模后，送端電源強壯，將出現源強網弱的現象。為了解決源-網不匹配的問題，在梯級流域電站發展后期通常采用密集式輸電結構。為了體現梯級電站規劃建設的發展過程，本文針對梯級電站接入下的單通道式和密集式輸電結構進行適應性評估分析。

3 適應性綜合評估方法

在梯級電站接入下的適應性指標評價體系建立后，需要進一步確定各指標權重。適應性評估體系包含多個維度的指標，不能采用單一的評價方法。本文采用熵權法和層次分析法相結合的方式計算各指標的權重，綜合考慮主觀經驗和客觀信息對指標權重的影響，避免單一評價方法在主、客觀認識上的局限性，確定綜合指標權重系數。計算權重的步驟如下。

步驟1令m為評價對象的個數，n為評價指標的個數。定義第i個對象（i=1，2，…，m）的第j個指標（i=1，2，…，n）的初始評分為 xij。

步驟2各指標的標準化處理。適應性評估體系中存在正向指標和逆向指標，正向指標表示指標的數值越大，系統性能越優越；逆向指標表示指標的數值越小，系統性能越優越。同時，指標標準化處理能夠統一各指標的單位，以便接下來計算指標權重。

本文構建的適應性評估體系中，正向指標包括輸電網效率適應性指標、調節能力適應性指標、消納適應性指標和靈活適應性指標；逆向指標包括輸電網安全適應性指標、輸電網故障適應性指標和網源匹配適應性指標。正向指標和逆向指標的標準化計算分別為

式中：Xij為第i個評價對象下的第j個評價指標的標準化處理后的指標得分；xi為第i個評價對象的指標得分的集合。

步驟3各評價指標熵權的計算。信息熵表示各評價指標復雜程度的度量，第j個指標的信息熵計算公式為

式中：ej為第j個指標的信息熵；pij為第j個評價指標在第i個評價對象下的得分相對于第j個評價指標在所有評價對象下的得分的占比。

采用1-ej表示第j個指標的離散程度，熵權為指標信息離散程度的體現。當第j個指標在所有評價對象上的值完全相同時，其為決策提供的信息量為0，即第j個指標的存在對于決策評估是沒有影響的，那么第j個指標的熵權為0。因此，指標蘊含信息的離散程度表征該指標熵權的大小，第j個指標的熵權ωj1計算公式為

步驟4采用1～9標度方法構造判斷矩陣。層次分析法是一種依賴主觀經驗的獲取指標權重的方法，通過兩兩指標之間的相對重要度構造判斷矩陣，進而計算指標權重。

本文構建判斷矩陣時，優先考慮系統能夠安全運行，因而輸電網安全、故障適應性指標對其他指標的相對重要度較高；輸電網效率適應性指標和電源靈活性指標對其他指標的相對重要度較低。采用1～9標度方法對n個指標構造相關的判斷矩陣A，判斷矩陣是1個階數為n的方陣，可表示為

式中，aij為元素i與元素j比較的相對重要程度的判斷。

步驟5一致性檢驗和計算權重。通過式（19）構造的判斷矩陣須通過一致性檢驗，即判斷思維的邏輯是否一致。例如：存在3個指標因素A、B和C，通過判斷矩陣的計算發現A比B重要，B比C重要，C卻比A重要，則判斷思維的邏輯不一致。通過計算一致性比例CR（consistency ratio）完成一致性檢驗，計算公式分別為

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標；λmax為判斷矩陣A的最大特征值；n為判斷矩陣A的階數。

一般來說，當CR小于0.1時，認為通過一致性檢驗，否則需對判斷矩陣重新賦值。通過一致性檢驗后，計算第j個指標由層次分析法獲得的權重ωj2，計算公式分別為

式中：ωij為判斷矩陣A的列向量歸一化后各元素的值；akj為判斷矩陣A第j列上各元素的值。

步驟6本文通過熵權法和層次分析法的結合，計算適應性指標的綜合權重，第j個指標綜合權重ωj可表示為

式中，α為熵權的比重。綜合權重的數值受α的影響，適應性評估體系研究中，不同研究學者對主客觀比重的考慮不同[21-23]，α取值也就不同。本文依據各指標重要等級排序和主客觀賦權排序的一致性[23]，綜合考慮適應性評估體系下主客觀因素的占比，對α進行取值。

4 算例分析

本文以IEEE39節點的測試系統[24]為例，數據來源于某實際流域下3座梯級水電站運行數據和遠景年的規劃數據，梯級水電站位于33、34和35節點，電網分為兩個區域，區域間聯絡線為24-16、19-16、22-21，本文算例系統拓撲結構見附圖A-1，其出力和裝機容量參數見附表A-1。

附錄A

附圖A-1 IEEE39節點的網絡拓撲結構Fig.A-1 Topological structure of IEEE 39-node network

附表A-1 梯級電站裝機容量及出力參數Tab.A-1 Installed capacity and output parameters of cascaded power stations

4.1 梯級電站獨立運行和聯合調度的適應性對比

基于PSD-BPA仿真平臺，計算梯級電站獨立運行和聯合調度運行下的各類評估指標，結果如表1所示。獨立運行和聯合調度運行分別表示同一流域下的梯級電站在龍頭水庫建立前后的運行方式，例如聯合調度運行表示在龍頭水庫建立后由一利益主體統一調度的運行方式。在兩種不同運行模式下，各電站的出力情況不同。由表1可見，梯級電站的協調運行有利于源網的匹配及消納能力的提高，但是對電網潮流的均勻度及安全適應性方面有所削弱，可能會存在一些安全隱患。

4.2 梯級電站獨立運行和聯合調度的適應性對比

電網與電源的建設總是相輔相成的，梯級電站初期多為單一通道接入，后續為提高區域間電能輸送的能力，多進行區域間聯絡線的建設。本文根據第2節所提的電網演變特征，在分區1和分區2之間增加區域間聯絡線16-36、21-35，如附圖A-1中用虛線所示。同樣采用文中所提的適應性評價指標計算，結果如表2所示。

由表2的計算結果可以看出，密集式輸電結構對電網安全適應性指標有較大改善，但效率適應性指標有所降低，這符合安全與經濟性相互矛盾的情況。

4.3 適應性評估體系分析

算例采用第3節所介紹的層次分析法和熵權法相結合的綜合評估方法對梯級電站接入及電網規劃過程進行適應性指標的評估。

將表1和表2中適應性評估指標初始值通過式（14）～（23）分別計算熵權法和層次分析法下的指標權重。由于各指標重要等級排序與主客觀賦權的權數排序并不一致，說明客觀賦權法得到的權數參考價值較小，因此可取α=0.25，并通過式（24）計算各項指標的綜合權重，計算結果如表3所示，其中ωj1為由熵權法確定的權重，ωj2為由層次分析法確定的權重，ωj為綜合權重。

表1 梯級電站獨立運行和聯合調度運行下的評估指標對比Tab.1 Comparison of evaluation indexes for cascaded power stations under independent and combined operations

表2 獨立運行模式下網架變化前后評估指標的對比Tab.2 Comparison of evaluation indexes before and after changes in network frame in independent operation mode

表3中指標權重的計算過程需要注意構建的判斷矩陣是否通過一致性校驗。本文構建的適應性評估體系分為3個層級，利用式（20）和式（21）計算第3層判斷矩陣的CR值為0.011 9，第2層判斷矩陣的CR值為0，均小于0.1，可認為通過一致性檢驗。

表3 各項指標的計算權重Tab.3 Calculated weight of each index

采用熵權法和層次分析法的綜合方式計算指標權重后，本文考慮梯級電站的規劃接入及電網配套送出工程的建設，對所構建的4類場景的評價結果如圖2所示。其中，場景1為梯級電站單獨運行，且通過單通道式輸電結構接入電網；場景2為梯級電站聯合調度運行，且通過單通道式輸電結構接入電網；場景3為梯級電站獨立運行，且采用密集式輸電結構；場景4為梯級電站聯合運行，且采用密集式輸電結構。

由圖2可知，當梯級電站聯合調度運行且輸電網結構為密集式時，其適應性評價分值最高，為85.697 1分；當梯級電站單獨運行且輸電網結構為單通道時，評價分值最低，為21.731 7分。這說明網源有機協調和多外送通道結構有助于梯級水電的消納且提高供電的安全可靠水平，且網源有機協調要比多外送通道結構帶來的積極影響更大。

同時，由表1可知，梯級電站獨立運行且通過單通道式結構接入電網的場景下，各類正向或逆向指標相較于其他場景明顯偏小或偏大。因此，采用本文構建的熵權法和層次分析法相結合的綜合評價方法得到的圖2所示結果與表1所示各項指標基礎數據所示結果基本一致，證明了本文采用的綜合評估方法的有效性。

圖2 評價分值Fig.2 Evaluation scores

4.4 不同賦權方法的評估效果對比

將本文采用的綜合評估方法與主層次分析法的評估結果數據進行對比，如表4所示。

表4 不同賦權方法的評估效果對比Tab.4 Comparison between evaluation results obtained using different weighting methods

由表4可以看出，通過主層次分析法確定的網源匹配適應性指標M的權重非常小，主要原因是主層次分析法賦權依賴各組數據方差貢獻率，而該指標對應數據離散度較小。因此，主層次分析法相較于本文采用的綜合評估方法不能有效地反映梯級水電發展規劃過程中源-網匹配程度，從而驗證了本文評估方法的有效性。

5 結論

針對西南水電強源弱網的不匹配特性，本文圍繞源-網適應性提出了一套指標綜合評估體系。其中電網側主要從結構演變的適應性來表征大規模水電外送輸電網安全運行的能力和輸電網效率性能，電源側主要用來表征電源的調節能力、消納效率、靈活程度和網源匹配程度，具有全面、適應性強的特點。利用熵權法和層次分析法的綜合評估方法計算指標體系中各指標的權重，得到長時間尺度下考慮不同規劃接入方案和網架演變過程的評估結果。最后，以IEEE39節點網架結構和某流域的梯級電站運行的實際數據為基礎進行綜合評估，得到以下結論。

（1）梯級水電運行模式由獨立運行轉為聯合運行時，消納適應性指標從0.463 6提升為0.512 9，表明源網有機協調有助于梯級水電的消納水平，能充分發揮梯級水電在多級電網中的調節作用并最大程度地利用水電資源。

（2）輸電結構由單通道結構改為密集式結構時，安全適應性指標從0.140 4提升為0.136 5，表明多外送通道結構能有效提高供電的安全可靠水平，有助于改善梯級水電外送輸電網的穩定性。

（3）梯級電站聯合運行和多外送通道結構能夠很好地降低梯級水電棄水率，提高運行經濟性，同時還能有效地提高其外送輸電網的安全可靠性，可為梯級電站開發規劃提供理論依據。