CN103986180B - 一种受端电网直流落点的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受端电网直流落点的选择方法，依据电力平衡的原则确立受端电网直流落点地区；以静态电压稳定性和暂态稳定性两个稳定性指标，对步骤一确立的直流落点地区内的全部500kV节点进行计算分析，得出直流可行落点；选择电网建设成本和网络损耗成本两个经济性指标，电网建设成本和网络损耗成本之和即为落点经济总成本，从直流可行落点中选择落点经济总成本最小对应的节点即为经济性最优的落点。本发明提出的受端电网直流落点选择方法能够在保证电网安全稳定运行的前提下，选择出经济效益最好的落点。这样即保证了安全可靠为用户供电，又保证了电网公司的利益，对电网规划中受端电网直流落点的选择具有重要的指导作用。

Description

一种受端电网直流落点的选择方法

技术领域

本发明涉及一种受端电网直流落点的选择方法。

背景技术

直流输电具有输送容量大、损耗小、有效限制短路电流、适用于区域间联网等优点，在我国电网发展中得到了越来越广泛的应用。对于直流受端电网而言，直流落点的选择对于保障电网安全稳定运行、降低网络损耗具有非常重要的意义，本申请中的直流落点选择指的是直流换流站500kV交流母线的选择。

目前，大多数文献都是研究选定直流落点后交直流系统的相互影响，研究直流落点选择方面的文献并不多。文献：一种兼顾稳定性与经济性的直流落点选择方法，电力系统自动化，2011，35(24)：73-78.，考虑有效短路比(EffectiveShortCircuitRatio，ESCR)、静态电压稳定指标(VSI)和有功功率损耗(ΔP)三个因素，通过线性加权法来选取最优落点。

电力系统运行的基本要求是安全、保质、经济的为用户供电。在这其中，首先是保证电力系统的安全，然后是保证电能质量，最后是要尽量争取电力系统建设和运行的经济性。对于同一个直流工程，无论落点于何处，保证电能质量所付出的代价大致是相同的。对于直流工程对电网的影响而言，保证电网的安全稳定运行，主要包括保证电网的静态电压稳定性和暂态稳定性。静态电压稳定性主要是指受端交流电网对直流系统的电压支撑能力。暂态稳定性是指当交流系统发生故障时，直流系统能够快速从波动中恢复，电网不发生功角失稳。

一种兼顾稳定性与经济性的直流落点选择方法在直流落点的选择上存在以下几个可以改进的方面：

一是在电网规划中，直流落点选择首先应做电力平衡，选择电力缺额最大的地区作为直流落点选择地区。这样使得直流工程直接深入负荷中心，为当地负荷供电。

二是在直流落点选择考虑因素上，应有明确的主次顺序。即首先考虑稳定因素，当满足稳定条件时，再考虑经济因素。

三是在稳定因素的考虑上，有效短路比和静态电压稳定指标均反映的是受端交流系统对直流系统的电压支撑能力，可以只考虑一个。另外需进行暂态稳定计算，校核受端交流系统故障时整个电网的运行状态。

四是经济性分析应包括工程造价分析和网络损耗分析。其中网络损耗计算的覆盖范围为设备的全寿命周期。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种受端电网直流落点的选择方法，首先通过电力平衡选择直流落点地区；然后选择静态电压稳定性和暂态稳定性两个稳定性指标，对各落点进行计算分析，得出直流可行落点；最后选择电网建设成本和网络损耗成本两个经济性指标，从可行落点中选择出最优落点。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种受端电网直流落点的选择方法，包括以下步骤：

步骤一：依据电力平衡的原则确立受端电网直流落点地区；

步骤二：以静态电压稳定性和暂态稳定性两个稳定性指标，对步骤一确立的直流落点地区内的全部500kV节点进行计算分析，得出直流可行落点；

步骤三：选择电网建设成本和网络损耗成本两个经济性指标，电网建设成本和网络损耗成本之和即为落点经济总成本，从直流可行落点中选择落点经济总成本最小对应的节点即为经济性最优的落点。

所述步骤一中，具体过程为：首先预测各个地区直流工程投运年的负荷，然后统计投运年各个地区内的电厂装机容量，负荷与装机容量之差即为该地区直流工程投运年的功率缺额，选择功率缺额最大的地区作为直流落点地区。

所述步骤二中，对直流落点地区内的全部500kV节点均进行稳定校核，首先进行静态电压稳定性的校核，静态电压稳定性主要是校核受端交流系统对直流系统的电压支撑能力，用ESCR来表示，ESCR的计算公式如下：

ESCR＝(S_ac-Q_cN)/P_dN

式中，S_ac表示换流站交流母线的短路容量；Q_cN为当换流站交流母线电压取额定电压时，由交流滤波器、同步调相机、并联电容器等设备产生的无功功率；P_dN表示直流的额定输送功率。

所述步骤二中，根据计算出的静态电压稳定性ESCR，在直流输电系统中，划分受端交流系统强度，选择ESCR大于等于3的节点称为剩余节点，并对剩余节点进行暂态稳定校核。

所述在直流输电系统中，划分受端交流系统强度的方法如下：ESCR>5高；ESCR＝3～5中等；ESCR＝2～3低；ESCR<2极低，受端交流系统强度即受端交流系统对直流系统电压支撑能力。

所述暂态稳定校核的过程为：每一个静态电压稳定校核后的剩余节点均进行暂态稳定计算，暂态稳定约束条件如下：

Δδ_max＜180°

上式中，Δδ_max为系统内发电机间的最大功角差；

暂态稳定计算结果不满足上述约束条件的，则相应节点便不能作为直流落点选择的可行节点，应排除，满足上述约束条件的，则相应节点作为直流落点选择的可行节点。

所述暂态稳定计算是针对直流工程落点于剩余节点进行的，暂态稳定计算的故障形式包括线路永久性短路故障、线路无故障开断以及发电机因故障停运三种形式。

所述暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大干扰后，能够经过暂态过程达到新的稳定状态或者恢复到原来的状态，这里的大扰动，一般指短路故障、突然断开线路或者发电机等。

所述步骤三中，所述电网建设成本为换流站建设成本与线路建设成本之和，计算每个直流可行落点对应换流站建设成本与线路建设成本，继而得到每个直流可行落点对应的电网建设成本。

所述步骤三中，网络损耗成本当年值的计算过程：对直流可行落点，计算该直流可行落点对应的受端交流系统的网络功率损耗，用最大负荷时刻网络功率损耗乘以年损耗利用小时数，即得到年网络电量损耗，最后用年网络电量损耗乘以购电电价即得到网络损耗成本当年值。

所述受端交流系统的网络功率损耗的计算公式为：

$P_{\mathrm{loss}}=\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_k(i,j)[{V_i}^2+{V_j}^2+2V_i{V}_j\cos ({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j)]$

式中，P_loss为电网最大负荷时刻的网络功率损耗，N_k为系统支路数，G_k(i,j)为支路电导，V_i,V_j,θ_i,θ_j为各节点电压的幅值与相角。

所述网络损耗成本值的计算，对于每一个直流可行落点，网络损耗成本当年值转换为对应的网络损耗成本现值，然后将每一年对应的网络损耗成本现值进行加和，即得到直流落点于该节点在全寿命周期内电网的网络损耗成本现值之和，

所述将每一年对应的年网络损耗成本转换为对应的网络损耗成本现值的方式为：假设年网络损耗成本为第P年的值，则其对应的网络损耗成本现值为：

网络损耗成本现值＝网络损耗成本当年值/(1+i)^P-1

上式中，i为折现率。

本发明的有益效果：

本发明提出的受端电网直流落点选择方法能够在保证电网安全稳定运行的前提下，选择出经济效益最好的落点。这样即保证了安全可靠为用户供电，又保证了电网公司的利益，对电网规划中受端电网直流落点的选择具有重要的指导作用。

具体实施方式：

下面对本发明进行详细说明：

一种受端电网直流落点的选择方法，包括以下步骤：

步骤一：依据电力平衡的原则确立受端电网直流落点地区；

步骤二：以静态电压稳定性和暂态稳定性两个稳定性指标，对步骤一确立的直流落点地区内的全部500kV节点进行计算分析，得出直流可行落点；

步骤三：选择电网建设成本和网络损耗成本两个经济性指标，从直流可行落点中，电网建设成本和网络损耗成本之和即为落点经济总成本，落点经济总成本最小对应的节点即为经济性最优的落点；

具体步骤详细论述如下：

(1)电力平衡确立落点地区

在进行电力平衡时，首先预测各个地区直流工程投运年的负荷，然后统计投运年各个地区内的电厂装机容量，负荷与装机容量之差即为该地区直流工程投运年的功率缺额，即

功率缺额＝负荷-装机容量

形成功率缺额表格如下表所示：

表1地区功率缺额表

地区名称	负荷(MW)	装机容量(MW)	功率缺额(MW)
				地区1
地区2
				…
地区N

选择功率缺额最大的地区作为直流工程落点选择地区。

(2)稳定校核选择可行落点

选择出落点地区后，落点地区内的全部500kV节点便为直流工程的可能落点，然后分别对各个落点进行稳定校核。

1)静态电压稳定校核

进行静态电压稳定校核，主要是校核受端交流系统对直流系统的电压支撑能力，用ESCR来表示。

ESCR的计算公式如下

ESCR＝(S_ac-Q_cN)/P_dN

式中，S_ac表示换流站交流母线的短路容量；Q_cN为当换流站交流母线电压取额定电压时，由交流滤波器、同步调相机、并联电容器等设备产生的无功功率；P_dN表示直流的额定输送功率。

对于直流输电系统而言，根据理论研究和实践经验，划分受端交流系统强度(也即受端交流系统对直流系统电压支撑能力)的方法如下：ESCR>5高；ESCR＝3～5中等；ESCR＝2～3低；ESCR<2极低。

对落点地区的N个500kV节点分别进行ESCR计算，得出如下计算表格：

表2XX地区500kV节点有效短路比计算结果

节点名称	ESCR
		节点1
节点2
		…
节点K

排除ESCR<3的节点，剩下的节点称为剩余节点。将直流工程分别落点于剩余节点，进行暂态稳定校核。

2)暂态稳定校核

暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大干扰后，能够经过暂态过程达到新的稳定状态或者恢复到原来的状态。这里的大扰动，一般指短路故障、突然断开线路或者发电机等。

在进行暂态稳定校核时，首先应形成暂态稳定校核故障集。

故障点离直流落点的电气距离越近，故障情况下对直流系统的影响就越大，也即交直流系统相互影响越大。因此，为简便起见，在暂态稳定校核故障集的形成过程中，只考虑落点地区内的故障情况。形成的暂态稳定校核故障集如下表所示。

表3暂态稳定校核故障集

针对每一个静态电压稳定校核后的剩余节点，均进行上表故障集中所有故障的暂态稳定计算。暂态稳定约束条件如下：

Δδ_max＜180°

上式中，Δδ_max为系统内发电机间的最大功角差。

如果对于某个故障，暂态稳定计算结果不满足上述约束条件，则相应节点便不能作为直流落点选择的可行节点，应排除。

对于每一个剩余节点均进行完暂态稳定校核后，便形成了直流落点可行节点集(假设有M个)，如下表所示。

表3直流落点可行节点集

序号	可行节点名称
		1
2
		…
M

(3)经济分析确定最优落点

通过稳定校核选择出的每一个可行节点均能满足电力系统安全稳定运行的需要。对于电网公司而言，需要在可行节点中通过经济分析选择出最优落点，以期在满足电网安全稳定运行的前提下追求自身利益的最大化。

经济分析主要考虑两个因素，即电网建设成本和网络损耗。电网建设成本属于一次性投资；网络损耗贯穿于设备全寿命周期内。电网建设成本和网络损耗的量纲不一样，需首先将网络损耗转化为资金，称为网络损耗成本。以下分别介绍电网建设成本和网络损耗成本的计算方法。

1)电网建设成本

直流工程的建设成本为换流站建设成本与线路建设成本之和，即

直流工程建设成本＝换流站建设成本+线路建设成本

对于落点于不同母线的直流工程而言，换流站建设成本基本相同，差别主要在于线路建设成本，原因是线路建设长度不同。

2)网络损耗成本

受端交流系统的网络功率损耗的计算公式为：

$P_{\mathrm{loss}}=\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_k(i,j)[{V_i}^2+{V_j}^2+2V_i{V}_j\cos ({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j)]$

式中，P_loss为电网最大负荷时刻的网络功率损耗，N_k为系统支路数，G_k(i,j)为支路电导，V_i,V_j,θ_i,θ_j为各节点电压的幅值与相角。

用最大负荷时刻网络功率损耗乘以年损耗利用小时数，即得到年网络电量损耗，如下式所示。

年网络电量损耗＝最大负荷时刻功率损耗×年损耗利用小时数

每一年的网络损耗成本计算如下式所示。

年网络损耗成本＝年网络电量损耗×购电电价

将直流落点分别选择在可行节点上，计算受端交流系统的网络功率损耗，进而计算网络电量损耗，最后计算网络损耗成本。

应该注意的是，上式计算出的网络损耗成本为运行当年的数值，均需将其转化为现值才能进行加和计算。假设网络损耗成本为第P年的值，则其对应的网络损耗成本现值为

网络损耗成本现值＝网络损耗成本当年值/(1+i)^P-1

上式中，i为折现率。

经过计算，得出如下表格：

表4直流工程不同落点时受端交流系统历年网络损耗成本

上表中，L为设备全寿命周期年数。

对于每一个可行节点，将每一年对应的网络损耗成本现值进行加和，即得到直流落点于该节点在全寿命周期内电网的网络损耗成本现值之和，如下表所示。

表5直流工程不同落点时受端交流系统网络损耗成本现值之和

节点名称	网络损耗成本现值之和(万元)
		节点1
节点2
		……
节点M

每一个节点的电网建设成本和网络损耗成本之和即为落点经济总成本，如下表所示。

表6直流工程不同落点时受端交流系统经济总成本

落点经济总成本最小对应的节点名称即为经济性最优的落点，也即考虑了稳定性和经济性的直流落点最优选择。

Claims (7)

1.一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：依据电力平衡的原则确立受端电网直流落点地区；

步骤二：以静态电压稳定性和暂态稳定性两个稳定性指标，对步骤一确立的直流落点地区内的全部500kV节点进行计算分析，得出直流可行落点；

步骤三：选择电网建设成本和网络损耗成本两个经济性指标，电网建设成本和网络损耗成本之和即为落点经济总成本，从直流可行落点中选择落点经济总成本最小对应的节点即为经济性最优的落点；

所述步骤一中，具体过程为：首先预测各个地区直流工程投运年的负荷，然后统计投运年各个地区内的电厂装机容量，负荷与装机容量之差即为该地区直流工程投运年的功率缺额，选择功率缺额最大的地区作为直流落点地区；

所述步骤三中，所述电网建设成本为换流站建设成本与线路建设成本之和，计算每个直流可行落点对应换流站建设成本与线路建设成本，继而得到每个直流可行落点对应的电网建设成本；

所述暂态稳定校核的过程为：每一个静态电压稳定校核后的剩余节点均进行暂态稳定计算，暂态稳定约束条件如下：

Δδ_max＜180°

上式中，Δδ_max为系统内发电机间的最大功角差；

暂态稳定计算结果不满足上述约束条件的，则相应节点便不能作为直流落点选择的可行节点，应排除，满足上述约束条件的，则相应节点作为直流落点选择的可行节点。

2.如权利要求1所述的一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，所述步骤二中，对直流落点地区内的全部500kV节点均进行稳定校核，首先进行静态电压稳定性的校核，静态电压稳定性主要是校核受端交流系统对直流系统的电压支撑能力，用ESCR来表示，ESCR的计算公式如下：

ESCR＝(S_ac-Q_cN)/P_dN

式中，S_ac表示换流站交流母线的短路容量；Q_cN为当换流站交流母线电压取额定电压时，由交流滤波器、同步调相机及并联电容器设备产生的无功功率；P_dN表示直流的额定输送功率。

3.如权利要求2所述的一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，所述步骤二中，根据计算出的静态电压稳定性ESCR，在直流输电系统中，划分受端交流系统强度，选择ESCR大于等于3的节点为剩余节点，并对剩余节点进行暂态稳定校核。

4.如权利要求3所述的一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，所述在直流输电系统中，划分受端交流系统强度的方法如下：ESCR>5高；ESCR＝3～5中等；ESCR＝2～3低；ESCR<2极低，受端交流系统强度即受端交流系统对直流系统电压支撑能力。

5.如权利要求1所述的一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，网络损耗成本的值的计算过程为：对于每一个直流可行落点，网络损耗成本当年值转换为对应的网络损耗成本现值，然后将每一年对应的网络损耗成本现值进行加和，即得到直流落点于该节点在全寿命周期内电网的网络损耗成本现值之和即等于网络损耗成本的值；

所述将每一年对应的网络损耗成本当年值转换为对应的网络损耗成本现值的方式为：假设网络损耗成本当年值为第P年的网络损耗成本的值，则其对应的网络损耗成本现值为：

网络损耗成本现值＝网络损耗成本当年值/(1+i)^P-1

上式中，i为折现率。

6.如权利要求5所述的一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，所述步骤三中，网络损耗成本当年值的计算过程：对直流可行落点，计算该直流可行落点对应的受端交流系统的网络功率损耗，用最大负荷时刻网络功率损耗乘以年损耗利用小时数，即得到年网络电量损耗，最后用年网络电量损耗乘以购电电价即得到网络损耗成本当年值。

7.如权利要求6所述的一种受端电网直流落点的选择方法，其特征是，所述受端交流系统的网络功率损耗的计算公式为：

$P_{loss}=\underset{k=1}{\overset{N_k}{\&Sigma;}}{G}_k(i,j)\&lsqb;{V_i}^2+{V_j}^2+2V_i{V}_{j}cos\left({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\right)\&rsqb;$

式中，P_loss为电网最大负荷时刻的网络功率损耗，N_k为系统支路数，G_k(i,j)为支路电导，V_i,V_j,θ_i,θ_j为i节点及j节点电压的幅值与相角。