CN104967116A - 一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，根据复杂网络的社团结构特性，将电磁环网中低电压等级电网划分为若干个分区，按照各个分区被划分出来的先后顺序形成待选电磁环网开环方案。基于多馈入短路比的定义，构造加权多馈入短路比指标，定量评估电磁环网开环对多直流馈入系统的影响，从满足安全校核的方案中优选电磁环网开环方案。实施例分析表明，该方法能够为形成电磁环网开环方案提供理论依据，有效反映开环方案对多直流馈入系统电压支撑能力的影响。

Description

一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统分析领域的方法，具体涉及一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法。

背景技术

多回直流集中馈入是未来我国受端电网的一个重要特征，如长三角、珠三角、山东半岛等地区都将有多回直流集中馈入。经研究发现，多直流馈入受端电网面临的最大风险是电压稳定问题。交流系统故障期间，故障点附近的多回直流发生短时换相失败，交流侧故障清除之后，多回直流处于同时恢复过程中，需要从交流系统吸收大量的无功功率。如果多回直流恢复失败，相继或同时发生闭锁，受端电网的有功功率和无功功率将严重不平衡，很可能导致系统电压崩溃。

国际大电网会议组织(CIGRE)提出多馈入短路比作为电压强度指标，用来量化评估多直流馈入情况下受端电网对直流的电压支撑能力，定义如下：

${\mathrm{MISCR}}_i=\frac{S_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{di}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{MIIF}}_{\mathrm{ji}}{P}_{\mathrm{dj}}}=\frac{S_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{di}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}{P}_{\mathrm{dj}}}$

其中：MISCR_i为第i回直流的多馈入短路比；S_aci为第i回直流的换流母线短路容量；P_di、P_dj为第i、j回直流的额定功率；n为直流回数；MIIF_ji为多馈入相互影响因子，它的定义是当在第i回直流的换流母线上施加微小的无功扰动时，第j回直流的换流母线电压变化量△U_j与第i回直流的换流母线电压变化量△U_i的比值。

直流的多馈入短路比越大，表明受端电网对直流的电压支撑能力越强，系统的电压稳定性越好。由上式可知，提高多馈入短路比，可以通过提高直流换流母线的短路容量，或削弱多回直流之间的相互影响来实现。

电磁环网是指两组不同电压等级运行的输电线路通过两端变压器磁回路并联运行。电磁环网是电网发展过渡期的一种电网结构，它可能带来不同电压等级的功率转移、短路电流超标等问题。为了适时消除影响电网安全稳定运行的电磁环网结构，按照《电力系统安全稳定导则》的要求，随着高一级电压电网的建设，低一级电压电网应当逐步实现分区运行，相邻分区之间保持互为备用。具体地，电磁环网开环是通过打开低电压等级的输电线路或母联开关来实现的，一定程度上也减弱了电气网络的连接强度。

对于多直流馈入受端电网，电磁环网开环一方面降低了直流换流母线的短路容量，另一方面拉远了多回直流之间的电气距离，从而可能使多馈入短路比增大，也可能使其减小，需要量化评估电磁环网开环对多直流馈入系统的影响。然而，现有的电磁环网开环方法均没有考虑开环方案对多直流馈入系统电压支撑能力的影响，因此不适用于多直流集中馈入受端电网的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法。根据复杂网络的社团结构特性，将电磁环网中低电压等级电网划分为若干个分区，按照各个分区被划分出来的先后顺序形成待选电磁环网开环方案。基于多馈入短路比的定义，构造加权多馈入短路比指标，定量评估电磁环网开环对多直流馈入系统的影响，从满足安全校核的方案中优选电磁环网开环方案。实施例分析表明，该方法能够为形成电磁环网开环方案提供理论依据，有效反映开环方案对多直流馈入系统电压支撑能力的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，包括如下步骤：

步骤(1)：根据复杂网络的社团结构特性，将电磁环网中的低电压等级电网划分为若干个分区，按照各个分区被划分出来的先后顺序形成待选电磁环网开环方案；

步骤(2)：利用设定的安全考核条件对步骤(1)的待选电磁环网开环方案进行安全校核，从而筛选出满足安全考核条件的待选电磁环网开环方案；

步骤(3)：计算步骤(2)满足安全考核条件的待选电磁环网开环方案的加权多馈入短路比，选择加权多馈入短路比最大的电磁环网开环方案为最终的电磁环网开环方案。

所述步骤(1)中的复杂网络社团结构特性：一个复杂网络可以划分成若干个社团(节点集)，每个社团内部节点间的联系比较紧密，而不同社团之间则通过为数不多的几条边保持松散连接，通过移除这些边，即可以将复杂网络中的不同社团划分开；作为一种典型复杂网络，电网自然也具有社团结构的特性。

所述步骤(1)中的具体求解步骤：

步骤(1-1)：对多直流馈入受端电网进行简化，并用抽象图表示，得到初始网络；

步骤(1-2)：计算由步骤(1-1)简化所得初始网络中的所有节点之间的最短路径长度及最短路径；

步骤(1-3)：计算当前网络中所有边的边介数，找到边介数最高的边并将其从当前网络中移除；

步骤(1-4)：计算当前网络所有节点之间的最短路径长度及最短路径，判断各枢纽站是否被划分到不同的分区；如果否，则返回步骤(1-3)；如果是，则进入步骤(1-5)；

步骤(1-5)：按照各个分区被划分出来的先后顺序形成待选电磁环网开环方案，判断各待选电磁环网开环方案中是否存在不含枢纽站的分区；如果是，则在该待选电磁环网开环方案中进行分区合并；如果否，则输出待选电磁环网开环方案。

所述步骤(1-1)中的电力网络简化方法：将电力网络中的发电厂节点、变电站节点和负荷节点均抽象为无差别的节点，并且不考虑接地点；将输电线路和变压器支路均抽象为有权重的边，权重为支路的导纳模值，并且忽略网络的有向性。经过简化，电力网络被抽象为具有k个节点的无向、有权的稀疏连通图，k为正整数。

所述步骤(1-2)中的最短路径：指网络中从设定的起点到终点的所有路径中长度最短的路径。

所述步骤(1-3)中的边介数：其定义为通过某条边的最短路径的条数，是衡量这条边在网络中的联络性能的指标。由复杂网络社团结构特性可知，社团之间相互连接的边具有较大的介数，因为属于不同社团的节点之间的最短路径总要经过这些边。对于电力网络来说，在考虑边权重(导纳模值)的情况下，边介数可以定义为按无权情况计算得到的边介数除以该边的边权重。

所述步骤(1-4)中的枢纽站：指高电压等级电网中参与构成电磁环网的变电站或发电厂。根据枢纽站的数量，可以限制低电压等级电网分区的最大个数。因此，在从网络中移除边的过程中，只需要将各个枢纽站划分到不同的分区就可以。

所述步骤(1-5)中的分区合并：在从网络中移除边的过程中，有可能将低电压等级电网划分成脱离主网运行的孤立电网。因此，如果在各开环方案中存在不含枢纽站的分区，则将该分区合并到与其联系最为紧密的另一分区中，直到该方案中只存在含有枢纽站的分区。

所述步骤(2)中的安全校核条件：包括母线短路电流不超过开关额定遮断电流，正常方式下架空线路夏季不过流、保护CT或计量CT不过流、变压器不过载，N-1及N-2方式下架空线路夏季过流不超过15％、保护CT或计量CT过流不超过20％、变压器过载不超过40％或发生N-1、N-2故障时无稳定问题。

所述步骤(3)中的加权多馈入短路比指标：某回直流的多馈入短路比反映的是受端电网对该回直流的电压支撑能力，对应系统的局部稳定性。若要反映多直流馈入受端电网的整体稳定性，需要根据每回直流对系统稳定性的影响，构造加权多馈入短路比指标来反映。从满足安全校核的方案中选择加权多馈入短路比最大的为最终的电磁环网开环方案。

$I_M=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{MISCR}}_i$

其中，I_M为加权多馈入短路比；n为直流回数；ω_i为第i回直流的权重因子；MISCR_i为第i回直流的多馈入短路比。

对多馈入短路比定义变形，可得：

${\mathrm{MISCR}}_i=\frac{S_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{di}}(1+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}\frac{P_{\mathrm{dj}}}{P_{\mathrm{di}}})}=\mathrm{\μ}\frac{S_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{di}}}=\mathrm{\μ}\·{\mathrm{SCR}}_i$

其中，S_aci的参数含义是第i回直流的换流母线短路容量；P_di的参数含义是第i回直流的额定功率；ΔU_j的参数含义是第j回直流的换流母线电压变化量；△U_i是第i回直流的换流母线电压变化量；P_dj的参数含义是第j回直流的额定功率；

其中，μ为计入多回直流相互影响之后，第i回直流短路比(SCR_i)的扰动系数。μ越小，多馈入短路比相对短路比的减小程度越大，其需要提高的必要性越大，则第i回直流在多直流馈入系统中的重要性越强。因此，ω_i可有如下定义：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{1}{\mathrm{\μ}}=1+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}\right|\·\frac{P_{\mathrm{dj}}}{P_{\mathrm{di}}}.$

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

(1)本发明引入复杂网络的社团结构理论，根据枢纽站的分布情况和电网的结构特性，形成待选电磁环网开环方案，克服了按照行政区划或电网所属电力公司划分时主观因素较重的缺点，为电磁环网开环提供了理论依据。

(2)本发明基于多馈入短路比的定义，构造了加权多馈入短路比指标，定量评估电磁环网开环对多直流馈入系统的影响，能够有效反映受端电网在不同开环方案下对多回直流的电压支撑能力。

附图说明

图1是本发明提供的多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法流程示意图。

图2是本发明实施例中某省级电网结构示意图。

图3是本发明实施例中某省级电网移除线路过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

按照图1所示的电磁环网开环方法流程，编制了多直流馈入受端电网的电磁环网开环程序。本发明实施例中某省级电网500千伏及以上网架结构如图2所示。根据规划，该省级电网将有C1(±660千伏C4至C1直流)、C2(±800千伏C5至C2直流)、C3(±800千伏C6至C3直流)共3个直流落点，形成典型的多直流馈入受端电网。该省级电网3回直流的多馈入短路比如表1所示。

表1某省级电网多馈入短路比

直流换流母线	电压等级/kV	输电容量/MW	多馈入短路比
				C1	±660	双极4000	4.511
C2	±800	双极8000	3.399
				C3	±800	双极8000	3.682

该省级电网除通过3个直流通道受电外，还通过A4至A1、A5至A1共2个特高压交流通道受电，由A1、A2、A3共3个特高压交流变电站下送功率。该省级电网1000/500千伏电磁环网开环时机逐渐成熟，可以考虑适时开环。选取A1、A2、A3特高压交流变电站为枢纽站，1000/500千伏电磁环网中500千伏电网最多可以被划分为3个独立分区。

经过简化，该省级电网被抽象为具有73个节点、103条边的无向、有权的稀疏连通图。在移除线路的过程中，该省级电网的边介数计算结果如表2所示。在初始网络中，B1至B2线路的边介数最大，将该线路从网络中移除，判断各枢纽站是否被划分到不同的分区，此时A1、A2、A3处于同一个分区内，继续执行程序，计算移除该线路之后其余各条线路的边介数。当第5次移除线路时，B3至B4线路的边介数最大，将其从网络中移除，此时A1已经被划分到一个独立分区，由于A2和A3仍处于同一个分区内，因此继续移除线路直至将它们划分到不同的分区。随着移除线路过程的进行，后面被移除线路的边介数有时会比前面的大，这主要是因为每次移除线路时网络的连通性不同以及线路的数目发生变化造成的。

表2某省级电网边介数计算结果

移除线路次数	被移除线路	边介数
			1	B1—B2线	4.7322
2	B5—B6线	6.5187
			3	B7—B5线	9.9825
4	B3—B8线	6.4011
			5	B3—B4线	10.3012

移除线路次数	被移除线路	边介数
			6	B9—B6线	1.9766
7	A2—B10线	1.2133
			8	A2—B11线	1.5785
9	B12—B11线	1.5049
			10	B13—B14线	1.2393

该省级电网移除线路的过程如图3所示。500千伏电网经过5次移除线路后被划分为2个分区，经过10次移除线路后被划分为3个分区，相应的形成包含2个分区和3个分区的电磁环网开环方案，2个开环方案均不存在不含枢纽站的分区。通过短路计算、潮流计算、暂稳计算等，对2个电磁环网开环方案进行安全校核，分析表明2个开环方案均满足安全校核条件。该省级电网开环前后加权多馈入短路比指标计算结果如表3所示。

表3某省级电网开环前后加权多馈入短路比指标

序号	电磁环网开环方案	加权多馈入短路比
			1	开环前方案	15.512
2	开环方案1：分区1、分区2+分区3	16.013
			3	开环方案2：分区1、分区2、分区3	14.994

由表3可知，开环方案1对应的加权多馈入短路比最大，较开环前方案的加权多馈入短路比有一定程度的提高。仿真计算表明，采用开环方案1后，受端电网对多回直流的电压支撑能力得到加强，相同故障下系统电压和直流功率的恢复速度在所有方案中是最快的。A1—A2、A1—A3断面上的1000/500千伏电磁环网适时开环，更有利于提高该省级电网对3回直流的电压支撑能力，而且能够使该省级电网潮流分布情况和短路电流控制效果更加合理。因此，选择开环方案1(分区1、分区2+分区3)为最终的1000/500千伏电磁环网开环方案。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤(1)：根据复杂网络的社团结构特性，将电磁环网中的低电压等级电网划分为若干个分区，按照各个分区被划分出来的先后顺序形成待选电磁环网开环方案；

步骤(2)：利用设定的安全考核条件对步骤(1)的待选电磁环网开环方案进行安全校核，从而筛选出满足安全考核条件的待选电磁环网开环方案；

步骤(3)：计算步骤(2)满足安全考核条件的待选电磁环网开环方案的加权多馈入短路比，选择加权多馈入短路比最大的电磁环网开环方案为最终的电磁环网开环方案。

2.如权利要求1所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1)中的复杂网络社团结构特性：一个复杂网络可以划分成若干个社团，每个社团内部节点间的联系比较紧密，而不同社团之间则通过为数不多的几条边保持松散连接，通过移除这些边，即可以将复杂网络中的不同社团划分开；作为一种典型复杂网络，电网自然也具有社团结构的特性。

3.如权利要求1所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1)中的具体求解步骤：

步骤(1-1)：对多直流馈入受端电网进行简化，并用抽象图表示，得到初始网络；

步骤(1-2)：计算由步骤(1-1)简化所得初始网络中的所有节点之间的最短路径长度及最短路径；

步骤(1-3)：计算当前网络中所有边的边介数，找到边介数最高的边并将其从当前网络中移除；

步骤(1-4)：计算当前网络所有节点之间的最短路径长度及最短路径，判断各枢纽站是否被划分到不同的分区；如果否，则返回步骤(1-3)；如果是，则进入步骤(1-5)；

步骤(1-5)：按照各个分区被划分出来的先后顺序形成待选电磁环网开环方案，判断各待选电磁环网开环方案中是否存在不含枢纽站的分区；如果是，则在该待选电磁环网开环方案中进行分区合并；如果否，则输出待选电磁环网开环方案。

4.如权利要求3所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1-1)中的电力网络简化方法：将电力网络中的发电厂节点、变电站节点和负荷节点均抽象为无差别的节点，并且不考虑接地点；将输电线路和变压器支路均抽象为有权重的边，权重为支路的导纳模值，并且忽略网络的有向性；经过简化，电力网络被抽象为具有k个节点的无向、有权的稀疏连通图，k为正整数。

5.如权利要求3所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1-2)中的最短路径：指网络中从设定的起点到终点的所有路径中长度最短的路径。

6.如权利要求3所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1-3)中的边介数：对于电力网络来说，在考虑边权重的情况下，边介数定义为按无权情况计算得到的边介数除以该边的边权重。

7.如权利要求3所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1-4)中的枢纽站：指高电压等级电网中参与构成电磁环网的变电站或发电厂。

8.如权利要求3所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(1-5)中的分区合并：在从网络中移除边的过程中，如果在各开环方案中存在不含枢纽站的分区，则将该分区合并到与其联系最为紧密的另一分区中，直到该方案中只存在含有枢纽站的分区。

9.如权利要求1所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(2)中的安全校核条件：包括母线短路电流不超过开关额定遮断电流，正常方式下架空线路夏季不过流、保护CT或计量CT不过流、变压器不过载，N-1及N-2方式下架空线路夏季过流不超过15％、保护CT或计量CT过流不超过20％、变压器过载不超过40％或发生N-1、N-2故障时无稳定问题。

10.如权利要求1所述的一种多直流馈入受端电网的电磁环网开环方法，其特征是，所述步骤(3)中的加权多馈入短路比指标：某回直流的多馈入短路比反映的是受端电网对该回直流的电压支撑能力，对应系统的局部稳定性；若要反映多直流馈入受端电网的整体稳定性，需要根据每回直流对系统稳定性的影响，构造加权多馈入短路比指标来反映；从满足安全校核的方案中选择加权多馈入短路比最大的为最终的电磁环网开环方案；

$I_M=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{MISCR}}_i$

其中，I_M为加权多馈入短路比；n为直流回数；ω_i为第i回直流的权重因子；MISCR_i为第i回直流的多馈入短路比；

对多馈入短路比定义变形，得：

${\mathrm{MISCR}}_i=\frac{S_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{di}}(1+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_j}{\mathrm{\Δ}{U}_i}\frac{P_{\mathrm{dj}}}{P_{\mathrm{di}}})}=\mathrm{\μ}\frac{S_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{di}}}=\mathrm{\μ}\·{\mathrm{SCR}}_i$

其中，S_aci的参数含义是第i回直流的换流母线短路容量；P_di的参数含义是第i回直流的额定功率；ΔU_j的参数含义是第j回直流的换流母线电压变化量；△U_i是第i回直流的换流母线电压变化量；P_dj的参数含义是第j回直流的额定功率；

其中，μ为计入多回直流相互影响之后，第i回直流短路比SCR_i的扰动系数；μ越小，多馈入短路比相对短路比的减小程度越大，其需要提高的必要性越大，则第i回直流在多直流馈入系统中的重要性越强；因此，ω_i有如下定义：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{1}{\mathrm{\μ}}=1+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{\mathrm{\Δ}{U}_j}{\mathrm{\Δ}{U}_i}\right|\·\frac{P_{\mathrm{dj}}}{P_{\mathrm{di}}}.$