CN103123713A - 适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，包括以下步骤：(1).根据一次能源与负荷用电特性，建立交直流混联目标规划电网的网架和典型运行方式数据；(2).进行电网特性评估；(3).拟定网架优化待选方案；(4).对待选的电网优化方案进行综合技术评估；(5).对待选的电网优化方案进行技术经济性分析；(6).确定网架优化方案。本发明提供的适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，可以提高多直流送出或馈入电网网架结构优化的科学性，为构建网架坚强、调控灵活、运行可靠的多直流送出或馈入电网提供重要技术支撑。

Description

适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法。

背景技术

电网结构是电力系统安全稳定运行和灵活调控的重要物质基础。电网结构的形成与发展是一个动态的演变过程，除受一次能源和负荷分布影响外，还受技术成熟度、经济性、环境以及国家政策等因素影响。电网结构在电源接入和负荷供电需求的推动下逐步形成，在跨区资源优化配置激励下联网扩大。电网具有系统性，随着网源结构的变化，其运行灵活性和安全稳定性均会出现较大的变化，因此在电网发展过程中，应结合电网功能特征、针对安全稳定突出矛盾，适时开展网架结构优化研究，改善潮流分布合理性、提高电网输电能力和运行灵活性、增强电网抗扰动冲击能力，避免电网联网规模扩大、送受电容量提升以及交直流混联等因素，给电网稳定运行带来的不利影响。

特高压直流送电容量大，在提升电网跨大区资源优化配置能力的同时，也给电网的潮流分布特性以及安全稳定性带来显著变化；另一方面，直流在控制系统调节作用下，具有快速的有功功率调节能力，充分合理的利用该功能，可提高大扰动暂态稳定水平、改善受扰后动态恢复特性。在多直流集中送出或馈入的电网，主网架规划除考虑安全性、可靠性等因素外，还需进一步考虑多回直流之间潮流灵活转运的紧急功率支援能力。此外，网架结构调整会对电网主要电站短路电流水平产生影响，在满足所有电站短路电流在断路器遮断容量之内且具有一定裕度的前提下，从整体上看，应尽量减小网架结构调整对各电站短路电流的影响。

针对多直流送出和馈入电网，定义多直流紧急功率支援能力的定量评价指标以及短路电流整体偏差的定量评价指标，并将其纳入电网规划流程，则有利于构建结构坚强、运行灵活，且能充分发挥直流紧急功率支援功能的电网结构。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，用于多直流送出或馈入电网的网架结构优化方案构建。

为实现上述目的，本发明提供一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1).根据一次能源与负荷用电特性，建立交直流混联目标规划电网的网架和夏季大负荷方式与冬季大负荷方式数据；

(2).进行电网特性评估；

(3).拟定网架优化待选方案；

(4).对待选的电网优化方案进行综合技术评估；

(5).对待选的电网优化方案进行技术经济性分析；

(6).确定网架优化方案。

本发明提供的优选技术方案中，在所述步骤1中，收集和梳理多直流送出或馈入电网的一次能源供给能力、各类电源发电能力以及负荷用电特性，确定各区域及重要输电断面潮流水平；结合网、源规划发展时序，构建各个典型运行方式下的电网分析计算数据。

本发明提供的第二优选技术方案中，在所述步骤1中，所述典型运行方式包括：夏季大负荷方式与冬季大负荷方式。

本发明提供的第三优选技术方案中，在所述步骤2中，针对各个典型运行方式，开展的特性分析包括：潮流分布分析、静态安全分析、短路电流计算以及暂态稳定评估。

本发明提供的第四优选技术方案中，在所述步骤3中，利用电力系统仿真计算软件，结合静态安全分析、短路电流计算以及大扰动故障稳定性评估，全面梳理电网潮流分布特征、潮流转移分配能力、大扰动冲击抵御能力、短路电流水平与裕度和重要送受电断面输电能力，识别电网潮流输送瓶颈环节和安全稳定薄弱环节，拟定网架优化待选方案。

本发明提供的第五优选技术方案中，在所述步骤4中，综合技术评估包括：安全稳定性评估、输电能力、多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i和短路电流整体偏差影响定量评估指标σ。

本发明提供的第六优选技术方案中，多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i，如下式所示：

${\mathrm{TF}}_i=\underset{d=1,d\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k_d{P}_{\mathrm{dN}}}{\underset{q=1,q\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_q{P}_{\mathrm{qN}}}\left|\frac{1}{Z_{\mathrm{id}}}\right|$

式中，TF_i为多直流系统中其他直流对直流i的紧急功率支援能力系数、n为多直流系统直流条数、k为直流稳态过负荷系数、P_N为直流额定送电功率、d和q均为系统中直流的编号、Z_id为直流i与直流d间联系阻抗；

在不同网架结构下，TF_i数值越大，表明多直流紧急功率支援能力越强，反之则越弱。

本发明提供的第七优选技术方案中，Z_id采用近似求解方法，如下式所示：

$Z_{\mathrm{id}}\≈\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_i}{\mathrm{\ΔP}}{|}_{\underset{P_d-\mathrm{\ΔP}}{P_i+\mathrm{\ΔP}}}$

本发明提供的第八优选技术方案中，短路电流整体偏差影响定量评估指标σ，如下式所示：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_k-I_{k0})}^2}$

式中N为考察的枢纽电站个数，I_k0和I_k为网架结构优化前后电站k的短路电流。

σ数值越小，表明网架结构优化方案对电网短路电流水平的整体影响程度越小；反之，则越大。

本发明提供的第九优选技术方案中，在所述步骤6中，计及多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i和短路电流整体偏差影响定量评估指标σ定量评估指标，并结合安全稳定性、输电能力和技术经济性，确定网架结构优化方案。

与现有技术比，本发明提供的一种应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，用于多直流送出或馈入电网的网架结构优化方案构建；结合多直流系统中各回直流的额定送电容量、过负荷系数、换流站间电气联系阻抗等电气量，构建多直流紧急功率支援能力系数TF；定义网架结构优化对电站短路电流整体偏差的定量评价指标σ；将指标应用于电网规划方案的优选流程，指导构建结构坚强、调控灵活、运行可靠的多直流送出或受入电网；再者，可以提高多直流送出或馈入电网网架结构优化的科学性，为构建网架坚强、调控灵活、运行可靠的多直流送出或馈入电网提供重要技术支撑。

附图说明

图1为应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法的流程图。

图2为不同网架结构优化方案下各直流阶跃功率所对应的电压跌落特性的示意图。

具体实施方式

一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，用于多直流送出或馈入电网的网架结构优化方案构建。

为实现上述目的，本发明提供一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1).根据一次能源与负荷用电特性，建立交直流混联目标规划电网的网架和夏季大负荷方式、冬季大负荷方式数据；

(2).进行电网特性评估；

(3).拟定网架优化待选方案；

(4).对待选的电网优化方案进行综合技术评估；

(5).对待选的电网优化方案进行技术经济性分析；

(6).确定网架优化方案。

在所述步骤1中，收集和梳理多直流送出或馈入电网的一次能源供给能力、各类电源发电能力以及负荷用电特性，确定各区域及重要输电断面潮流水平；结合网、源规划发展时序，构建各个典型运行方式下的电网分析计算数据。

在所述步骤2中，针对各个典型运行方式，开展的特性分析包括：潮流分布分析、静态安全分析、短路电流计算以及暂态稳定评估。

在所述步骤3中，利用电力系统仿真计算软件，结合静态安全分析、短路电流计算以及大扰动故障稳定性评估，全面梳理电网潮流分布特征、潮流转移分配能力、大扰动冲击抵御能力、短路电流水平与裕度和重要送受电断面输电能力，识别电网潮流输送瓶颈环节和安全稳定薄弱环节，拟定网架优化待选方案。

在所述步骤4中，综合技术评估包括：安全稳定性评估、输电能力、多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i和短路电流整体偏差影响定量评估指标σ。

多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i，如下式所示：

${\mathrm{TF}}_i=\underset{d=1,d\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k_d{P}_{\mathrm{dN}}}{\underset{q=1,q\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_q{P}_{\mathrm{qN}}}\left|\frac{1}{Z_{\mathrm{id}}}\right|$

式中，TF_i为多直流系统中其他直流对直流i的紧急功率支援能力系数、n为多直流系统直流条数、k为直流稳态过负荷系数、P_N为直流额定送电功率、d和q均为系统中直流的编号、Z_id为直流i与直流d间联系阻抗；

在不同网架结构下，TF_i数值越大，表明多直流紧急功率支援能力越强，反之则越弱。

Z_id采用近似求解方法，如下式所示：

$Z_{\mathrm{id}}\≈\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_i}{\mathrm{\ΔP}}{|}_{\underset{P_d-\mathrm{\ΔP}}{P_i+\mathrm{\ΔP}}}$

短路电流整体偏差影响定量评估指标σ，如下式所示：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_k-I_{k0})}^2}$

式中N为考察的枢纽电站个数，I_k0和I_k为网架结构优化前后电站k的短路电流。

σ数值越小，表明网架结构优化方案对电网短路电流水平的整体影响程度越小；反之，则越大。

在所述步骤6中，计及多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i和短路电流整体偏差影响定量评估指标σ定量评估指标，并结合安全稳定性、输电能力和技术经济性，确定网架结构优化方案。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

(1)建立多直流送出电网的典型运行方式数据

以2014年四川多直流送出电网为例，收集网源建设时序和负荷发展预测等数据，开展电力电量平衡分析，确定丰水期四川电网的典型运行方式。

2014年，四川电网向家坝电站、锦屏和官地电站、溪洛渡电站等大型水电基地机组均已建成投运，复奉、锦苏和溪浙三回特高压直流可分别按额定功率6400MW、7200MW和8000MW送电；四川交流外送通道黄岩-万县、洪沟-板桥外送电4000MW；四川网内川西交流外送通道谭家湾-南充、尖山-眉山、龙泉-资阳合计外送2000MW；四川网内负荷水平27527MW。

(2)电网特性详细评估及网架结构优化待选方案确定

利用电力系统潮流与机电暂态仿真软件，针对2014年四川目标规划网架典型运行方式，进行静态安全分析、短路电流评估以及大扰动暂态稳定性分析，识别电网潮流转运瓶颈环节和暂态稳定薄弱环节。

研究表明，川南500kV东纵通道资阳-内江-洪沟-泸州与西纵通道东坡-南天-乐山-沐川-叙府是四川网内“西电东送”和“北电南送”的重要功率汇集与转运分配通道，同时也是锦苏特高压直流与复奉、溪浙特高压直流间相互联络的重要通道。由于纵向两个通道间缺少直接的横向电气联系，大环网结构将使得西部水电外送电力，需迂回送至特高压直流端口和交流外送通道，影响潮流的灵活组织和调控。另一方面，特高压直流故障后，锦苏直流与复奉、溪浙直流相互功率支援时，大容量潮流长距离迂回转移也将会使电网所承受的冲击威胁增大，无功损耗增加，不利于系统维持稳定运行。

综合四川电网静态与动态特性分析，为提高特高压多直流送端电网潮流转移汇集能力和多直流紧急功率支援能力，应针对目标规划网架结构进一步优化。

待选的川南纵向通道间横向电气联系的加强方案，分别如下：

方案一、构建内江-南天横向通道；

方案二、构建内江-乐山横向通道；

方案三、构建泸州-沐川横向通道。

(3)定量评估网架结构优化方案所对应的直流紧急功率支援能力

首先应用电力系统机电暂态仿真软件，针对锦苏、复奉和溪浙特高压直流做功率提升和回降阶跃扰动，记录与不同阶跃功率水平值相对应的换流站电压跌落情况。以锦苏直流功率回降、复奉直流功率提升为例，不同网架结构优化方案下，各种功率阶跃水平所对应的电压跌落特性，如图2所示。

应用公式近似计算不同网架结构优化方案下，裕隆换流站与复龙换流站、双龙换流站间的电气阻抗，如表1所示。从计算结果可以看出，随着横向通道南移，裕隆换流站与复龙换流站、双龙换流站间的电气距离将趋于紧密，相互之间的潮流转移能力逐步增强。

表1  不同网架结构优化方案下特高压直流换流站间近似电气阻抗

网架结构优化方案	裕隆-复龙间近似电气阻抗	裕隆-双龙间近似电气阻抗
			增加内江-南天通道	6.29×10-3	6.34×10-3
增加内江-乐山通道	5.92×10-3	6.12×10-3
			增加泸州-沐川通道	5.86×10-3	6.06×10-3

考虑复奉±800kV/6400MW、锦苏±800kV/7200MW以及溪浙±800kV/6400MW三回特高压直流的稳态过负荷系数均为1.1，根据表1计算结果，利用式计算不同网架结构下，裕隆换流站与复龙、双龙换流站之间的紧急功率支援能力系数TF，计算结果如表2所示。

表2  不同网架结构优化方案下特高压直流换流站间近似电气阻抗

网架结构优化方案	裕隆与复龙、双龙间潮流转移能力系数TF
		增加内江-南天通道	158.28×10-3
增加内江-乐山通道	165.85×10-3
		增加泸州-沐川通道	167.51×10-3

TF的计算结果表明，网架结构优化的内江-南天、内江-乐山以及泸州-沐川三种方案，锦苏特高压直流与复奉、溪浙特高压直流间潮流转移能力依次增强。且从定量数值上看，方案二、三较方案一效果更为明显，方案二和方案三之间的差异则相对较小。

(4)定量评估网架结构优化方案对电站短路电流整体偏差的影响

三种待选方案，对四川电网500kV枢纽变电站短路电流水平的影响，如表3所示。从计算结果可以看出，各种优化方案下500kV站点短路电流均有所增大，但断路器均具有一定的遮断裕度。三种方案中，相对增幅最大的站点方案一较多，方案三次之，方案二仅在乐山接入点增幅最大。

在所列出的主要枢纽点中，方案一至方案三短路电流整体偏差定量评估指标σ依次减小，即方案三电网短路电流水平整体影响相对最小，方案二次之，方案一影响最大。

表3  不同横向通道增设方案对川南主要500kV电站短路电流水平影响(单位：kA)

站点	东坡	南天	乐山	沐川	叙府	资阳	内江	洪沟	泸州	指标σ
											无	51.753	44.011	37.178	36.018	40.448	42.102	38.872	50.057	40.172-
内江-南天	52.321	47.924	46.486	39.105	40.924	43.735	47.857	53.511	40.317	4.8
											内江-乐山	53.199	52.548	40.288	37.185	40.763	43.808	48.391	54.067	40.595	4.6
泸州-沐川	52.249	45.318	39.451	41.186	40.830	42.339	39.292	51.106	44.599	2.5

(5)综合计算结果与规划经验确定网架结构的优化方案

川南横向通道的三种增设方案，即增设内江-南天、内江-乐山或泸州-沐川通道，从锦苏特高压直流与复奉、溪浙特高压直流间紧急功率支援能力角度，以及对四川500kV主干输电网中枢纽变电站短路电流整体影响的角度上看，优选次序应为泸州-沐川、内江-乐山、内江-南天。

泸州-沐川方案下，川南将形成沐川-叙府-泸州三角形小环网，有利于提升复龙地区潮流汇集能力和抵御故障冲击能力。但该方案所建泸州-沐川交流通道，其两端变电站位于或接近川南纵向通道的末端，因此不利于改善川南500kV大环网导致的纵向通道间潮流调度控制困难、环网故障解开后潮流大范围转移等不利影响。

综合以上分析，加强川南横向通道间电气联系的方案可考虑增加内江-东坡双回线路。

(6)优选方案对提升输电能力的计算分析

四川网内增加内江-东坡500kV横向通道，可改善正常运行方式下的潮流分布以及故障后潮流转移能力，如表4所示。复龙受电能力可提升至4858.6MW，较无该通道的受电能力提升约1441MW。

表4  内江-东坡横向通道对复龙地区受电能力的影响(单位：MW)

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适应多直流紧急功率支援的网架结构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1).根据一次能源与负荷用电特性，建立交直流混联目标规划电网的网架和典型运行方式数据；

(2).进行电网特性评估；

(3).拟定网架优化待选方案；

(4).对待选的电网优化方案进行综合技术评估；

(5).对待选的电网优化方案进行技术经济性分析；

(6).确定网架优化方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，收集和梳理多直流送出或馈入电网的一次能源供给能力、各类电源发电能力以及负荷用电特性，确定各区域及重要输电断面潮流水平；结合网、源规划发展时序，构建各个典型运行方式下的电网分析计算数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述典型运行方式包括：夏季大负荷方式与冬季大负荷方式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，针对各个典型运行方式，开展的特性分析包括：潮流分布分析、静态安全分析、短路电流计算以及暂态稳定评估。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，利用电力系统仿真计算软件，结合静态安全分析、短路电流计算以及大扰动故障稳定性评估，全面梳理电网潮流分布特征、潮流转移分配能力、大扰动故障冲击抵御能力、短路电流水平与裕度和重要送受电断面输电能力，识别电网潮流输送瓶颈环节和安全稳定薄弱环节，拟定网架优化待选方案。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，综合技术评估包括：安全稳定性评估、输电能力、多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i和短路电流整体偏差影响定量评估指标σ。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i，如下式所示：

${\mathrm{TF}}_i=\underset{d=1,d\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k_d{P}_{\mathrm{dN}}}{\underset{q=1,q\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_q{P}_{\mathrm{qN}}}\left|\frac{1}{Z_{\mathrm{id}}}\right|$

式中，TF_i为多直流系统中其他直流对直流i的紧急功率支援能力系数、n为多直流系统直流条数、k为直流稳态过负荷系数、P_N为直流额定送电功率、d和q均为系统中直流的编号、Z_id为直流i与直流d间联系阻抗；

在不同网架结构下，TF_i数值越大，表明多直流紧急功率支援能力越强，反之则越弱。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，Z_id采用近似求解方法，如下式所示：

$Z_{\mathrm{id}}\≈\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_i}{\mathrm{\ΔP}}{|}_{\underset{P_d-\mathrm{\ΔP}}{P_i+\mathrm{\ΔP}}}$

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，短路电流整体偏差影响定量评估指标σ，如下式所示：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_k-I_{k0})}^2}$

式中N为考察的枢纽电站个数，I_k0和I_k为网架结构优化前后电站k的短路电流。

σ数值越小，表明网架结构优化方案对电网短路电流水平的整体影响程度越小；反之，则越大。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤6中，计及多直流紧急功率支援能力定量评估指标TF_i和短路电流整体偏差影响定量评估指标σ定量评估指标，并结合安全稳定性、输电能力和技术经济性，确定网架结构优化方案。

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