CN105514990A - 综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，包括依次连接的数据库模块(1)、输入模块(2)、分析评估模块(3)和输出模块(4)，所述的输入模块(2)从数据库模块(1)获取输电线路初始负荷、潮流分布和电力设备数据，并输送给分析评估模块(3)，分析评估模块(3)逐步增加输电线路加载的负荷，在负荷超过安全值时计算输电线路付出的安全性经济代价和获得的经济性效益，并对二者增长速度进行比较，所述的输出模块(4)输出此时的输电线路利用率。与现有技术相比，本发明充分考虑输电线路的实际运行情况，计算精度高，有利于输电线路经济效益的提高。

Description

综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台及方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路利用率提高平台及方法，尤其是涉及一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台及方法。

背景技术

电网实际运行中，其运行方式由于受制于安全性、稳定性、政策性等因素影响，线路潮流往往远低于其承受能力，导致输电线路利用率较低。输电线路利用率同电力输电线路的经济性与安全性息息相关，利用率高，则输电线路的升级改造将适当延缓，输电线路投资低，输电线路经济性较好；同时，较高的输电线路利用率会使得输电线路应对扰动的能力较差，导致输电线路安全性较低。因此有必要同时分析线路利用率与安全性和经济性的变化关系。

目前各国输电线路利用率发展状况并不平衡，英国400kV线路利用率大多分布在35％～45％之间，美国、澳大利亚500kV输电线路正反向平均利用率也大多在50％以下。

我国已建成的电线路的输电容量并未得到最充分的利用，输电网线路平均输送容量尚未达到其设计平均水平的50％，造成这一状况的原因包括发展裕度、安全稳定等因素的限制。同时受环境条件制约，建设新的线路也越来越困难，因此提高电网的输电容量以及输电设备的整体利用状况是解决这一问题的关键，也是智能电网建设中输变电环节的重要目标。

出于安全性方面的考虑，当前输电线路利用率已经接近其稳定极限，这也导致线路稳定极限的提升空间非常有限。另一方面，经济性也是电网企业重点关注的内容之一，合理的网络负载水平有利于改善输电运行环境，延长设备使用寿命，降低运行维护费用。

经对现有文献进行检索发现，现有文献中，梁浩在《基于概率潮流的输电线路利用率计算方法及其应用》中针对未来输电线路的利用率计算方法开展研究，提出了未来输电线路利用率指标并建立了一套基于蒙特卡罗仿真的概率潮流计算模型，用于指标的计算与线路利用情况评估分析。冯瀚、任昊、张沛等在《电力系统及其自动化学报》(2015,27(2):39-43)上发表的《未来实际输电线路利用率估算及应用》考虑未来负荷增长与变化、发电机与输电设备停运以及发电机机组经济分配等多种因素，反映未来电网容量利用水平，参与电网的可靠性评估以及计算项目的投资回收周期，更好地指导了电网规划与设计。屈刚、程浩忠、马则良等在《电力系统自动化》(2009,33(23):19-23)上发表的《考虑发电容量适应性的多目标输电网规划》引入发电容量适应性指标，改善电网运行环境和应对发电出力容量变化的能力，建立考虑网络结构优化的多目标输电网规划模型，提高电网功率传输能力。以上文献从电网规划角度，对电网功率传输能力进行评估，来提高未来电网利用水平，但都没有提供在实际条件下进一步提高现有网络传输容量，所以如何在现有网架情况下提高线路利用率水平、实现更多电力传输值得深入研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在现有网架基础上、紧密结合工程实际的综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，包括依次连接的数据库模块、输入模块、分析评估模块和输出模块，所述的输入模块从数据库模块获取输电线路初始负荷、潮流分布和电力设备数据，并输送给分析评估模块，分析评估模块逐步增加输电线路加载的负荷，在负荷超过安全值时计算输电线路付出的安全性经济代价和获得的经济性效益，并对二者增长速度进行比较，当安全性经济代价增速首次大于经济性效益增速时，所述的输出模块输出此时的输电线路利用率，所述的安全性经济代价为输电线路部分停电或主动切负荷时，对用户的经济赔偿，所述的经济性效益为售电收益。

所述的输入模块包含初始负荷子模块、潮流分布子模块、线路容量子模块、发电机容量子模块和线路利用率评价指标子模块，所述的初始负荷子模块、潮流分布子模块、线路容量子模块、发电机容量子模块和线路利用率评价指标子模块分别向分析评估模块输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标，包括各条线路年运行等效利用率C_TLj与输电年路平均年运行等效利用率C_TLu。

所述的分析评估模块包括第一阶段模型和第二阶段模型，所述的第一阶段模型为输电线路自身负荷极限计算子模块，所述的输电线路自身负荷极限计算子模块在约束条件下逐次增加输电线路负荷，求得输电线路最大负荷增长率λ₁和输电线路自身负荷极限P_max，并通过对线路自身负荷极限状态下系统中的负荷从大到小排列得到此时系统年持续负荷曲线，所述的约束条件包括输电线路较初始状态最大负荷增长率约束、线路潮流平衡约束、支路潮流约束和节点电压约束，约束条件和P_max计算式具体如下：

输电线路较初始状态最大负荷增长率约束为：

λ₁＜λ_max

线路潮流平衡约束为下式有实数解：

$\left\{\begin{array}{c}0=(1+K_{P_{Gi}}{\mathrm{\λ}}_1)P_{G_i}-(1+K_{P_{Li}}{\mathrm{\λ}}_1)P_{L_i}-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})\\ 0=(1+K_{Q_{Gi}}{\mathrm{\λ}}_1)Q_{G_i}-(1+K_{Q_{Li}}{\mathrm{\λ}}_1)Q_{L_i}-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})\end{array}\right.$

支路潮流约束为：

$|V_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})-{\left(V_i\right)}^2{G}_{ij}|\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}$

节点电压约束为：

$\underset{\‾}{V_i}\≤V_i\≤\stackrel{\‾}{V_i}$

式中，λ₁为第一阶段模型的线路负荷增长率，λ_max为线路负荷增长率上限值，即负荷增长不应超过线路可用传输容量，与分别为调整节点i发电机有功出力与负荷有功增长的比例系数，与分别为调整节点i发电机无功出力与负荷无功增长的比例系数，V_i为节点i的电压，为V_i的下限，为V_i的上限，θ_ij为支路ij首末端相角差，G_ij为支路ij的电导，B_ij为支路ij的电纳，P_Gi为节点i的发电机初始有功功率，P_Li为节点i的初始有功负荷，Q_Gi为节点i的发电机初始无功功率，Q_Li为节点i的无功负荷，为支路ij的可用传输容量；

满足约束条件的输电线路最大负荷增长率λ₁：

${\mathrm{\λ}}_1={(1+{\mathrm{\ϵ}}_1)}^{n_{L1}-1}-1$

输电线路自身负荷极限P_max：

P_max＝P_m(1+λ₁)

式中，P_m为初始输电线路最大时刻负荷，n_L1为输电线路潮流无解或不满足安全约束时负荷增长过的次数，ε₁为每次负荷较前一次增加的比例，ε₁取0.5％～2％。

所述的第二阶段模型包括停电损失赔偿计算子模块、主动切负荷赔偿计算子模块、经济性效益计算子模块、安全性经济代价增速评估子模块、经济性增速评估子模块与线路利用率指标计算子模块，所述的停电损失赔偿计算子模块计算停电损失赔偿额C₃，所述的主动切负荷赔偿计算子模块计算主动切负荷赔偿额C₂，所述的经济性效益计算子模块计算某一负荷下的经济性效益G₁，所述的安全性经济代价增速评估子模块计算安全性经济代价G₂的增速，所述的经济性增速评估子模块计算经济性效益G₁的增速，所述的线路利用率指标计算子模块计算输电线路平均年运行等效利用率C_TLu，其中G₁、G₂、C_TLu具体算式如下：

$G_1\left(\widetilde{P_D}\right)=C_1\·\∫\min \left\{\widetilde{P_D},P_{\max }\right\}dt\≈C_1\·\underset{t=1}{\overset{8760}{\Σ}}\min \left\{\widetilde{P_{D|t}},P_{\max }\right\}$

$\begin{array}{c}{G}_2\left(\widetilde{P_D}\right)=C_2\·\∫\max \left\{\left(\widetilde{P_D}-P_{\max }\right),0\right\}dt+C_3\·EENS\left(\min \left\{\widetilde{P_D},P_{\max }\right\}\right)\\ \≈C_2\·\underset{t=1}{\overset{8760}{\Σ}}\max \left\{\left(\widetilde{P_{D|t}}-P_{\max }\right),0\right\}+C_3\·EENS\end{array}$

$C_{TLu}=\frac{\underset{j=1}{\overset{L}{\Σ}}{C}_{TLj}}{L}$

式中，为某一负荷水平下理论年持续负荷曲线，为某一负荷水平下t时刻的负荷大小，EENS为通过对实际持续负荷曲线进行聚类和可靠性分析获得的电量不足期望值(MWh)，C₁为单位电量的售电电价，C₂为单位电量的主动切负荷赔偿额，C₃为单位电量的停电损失赔偿额，L为输电线路中线路条数，C_TLj为某一年内，第j条线路年运行等效利用率，C_TLj计算式如下：

$C_{TLj}=\frac{\underset{i=1}{\overset{8760}{\Σ}}{S}_{ji}}{8760\×C_{jR}}$

式中，S_ji表示第j条线路第i小时的输送功率值，C_jR表示第j条线路额定传输容量。

所述的电量不足期望值EENS，即在被研究的一段时间内由于负荷需要超过可用发电容量而引起用户停电的平均值计算式为：

$EENS={\mathrm{\Σ}}_{C_i\≠0}{C}_i\×p_i\×8760$

式中，C_i是一小时内节点i削减负荷量，p_i是负荷削减对应的概率。

所述的削减负荷量C_i具体值确定方法为：获得当前负荷水平下理论持续负荷曲线，将曲线上超过输电线路自身负荷极限P_max的部分作为C_i。

所述的某一负荷下的经济性效益G₁具体值确定方法为：将C_i从理论持续负荷曲线上削减后，得到实际持续负荷曲线，实际持续负荷曲线所包含的电量乘以售电价格得到该负荷下的经济性效益G₁。

所述的数据库模块包括网架接线模式库和电力设备库。

一种输电线路利用率提高方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，根据已有输电线路，搭建综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台；

S02，输入模块从数据库模块读取数据，并向分析评估模块输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标；

S03，分析评估模块的第一阶段模型计算输电线路自身负荷极限P_max，具体为：在输电线路初始状态的基础上，增加输电线路负荷，同时输电线路自身负荷极限计算子模块判断输电线路负荷是否满足约束条件，若满足，则继续增加负荷并进行约束条件判断，若不满足，则当前负荷为输电线路自身负荷极限P_max；

S04，分析评估模块的第二阶段模型在输电线路自身负荷极限P_max基础上，为输电线路逐渐增加负荷，并计算每个负荷水平下的安全性经济代价G₂和经济性效益G₁及二者的增速，当G₂增速大于G₁增速时，输电线路利用率达到最大值，同时计算此时的输电线路利用率，包括各条线路年运行等效利用率C_TLj与输电年路平均年运行等效利用率C_TLu的计算方法；

S05，输出模块输出输电线路最大利用率。

所述的步骤S04中，安全性经济代价G₂的增速和经济性效益G₁的增速通过求导获得。

所述的步骤S04中，负荷增加量为第一阶段模型计算的输电线路自身负荷极限P_max的1％，每一次负荷增加量为定值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)在原有输电线路安全运行的条件下，在系统达到自身负荷极限的基础上继续逐步增加负荷，通过比较安全性经济代价和经济性效益增速，求得综合考虑安全性与经济性的输电线路最大利用率，显著提高线路利用率水平，提高网络功率传输能力。

(2)输入模块包含初始负荷子模块、潮流分布子模块、线路容量子模、发电机容量子模块和线路利用率评价指标子模块，分别向分析评估模块输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标，充分考虑输电线路的实际运行情况，有利于输电线路经济效益的提高。

(3)安全约束条件包括输电线路较初始状态最大负荷增长率约束、线路潮流平衡约束、支路潮流约束和节点电压约束，考虑全面，保证输电线路安全运行。

(4)分析评估模块为输电线路加载负荷时，负荷增加是在年持续负荷曲线上操作的。对于年持续负荷曲线上8760个时刻对应的负荷，第一阶段仅考虑安全性的输电线路利用率求解模型中每一个时刻对应的负荷每次增长量为前一次增长后该时刻负荷的1％，在系统自身负荷曲线求解过程中，采用这一增负荷长方式可以加快系统自身负荷极限的求解；第二阶段综合考虑安全性与经济性的线路利用率评估模型中每一时刻对应负荷每次增长量为定值，定值大小为第一阶段模型求取的系统自身负荷的1％，以便精确比较快速增长的经济性效益与安全性经济代价，精确求解。

(5)充分考虑线路超负荷运行后主动切负荷和停电情况，采用聚类和可靠性分析获得电量不足期望值。通过对传统K-Means聚类方法进行改进，可以将年持续负荷曲线中包含的8760个负荷数据进行准确分类为最优聚类个数，用各类负荷聚类中心代表一整类负荷的特性，对聚类中心进行可靠性分析，代表这一整类负荷的可靠性状况，既能够加速系统每一负荷水平下可靠性求解，也能够获得较高的计算精度。

附图说明

图1为本发明输电线路利用率提高平台的结构示意图；

图2为本实施例的输电线路接线图；

图3为本实施例输电线路利用率提高方法流程图；

图4为本实施例分析评估模块计算流程图；

图5为本实施例输电线路不同状态下各条线路利用率；

图6为本实施例输电线路不同输电线路状态下持续负荷曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，包括依次连接的数据库模块1、输入模块2、分析评估模块3和输出模块4，所述的输入模块2从数据库模块1获取输电线路初始负荷、潮流分布和电力设备数据，并输送给分析评估模块3，输电线路加载的负荷超过安全值时，所述的分析评估模块3计算付出的安全性经济代价和获得的经济性效益，并对二者增长速度进行比较，若前者小于后者，则增加输电线路负荷，否则停止增加输电线路负荷，使输电线路利用率最优化，所述的安全性经济代价为输电线路部分停电或主动切负荷时，对用户的经济赔偿，所述的经济性效益为售电收益，所述的输出模块4输出输电线路最大利用率。

所述的输入模块2包含初始负荷子模块21、潮流分布子模块22、线路容量子模块23、发电机容量子模块24和线路利用率评价指标子模块25，所述的初始负荷子模块21、潮流分布子模块22、线路容量子模块23、发电机容量子模块24和线路利用率评价指标子模块25分别向分析评估模块3输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标，线路利用率评价指标包括各条线路年运行等效利用率C_TLj与输电年路平均年运行等效利用率C_TLu的计算方法。

所述的分析评估模块3包括第一阶段模型和第二阶段模型，所述的第一阶段模型为输电线路自身负荷极限计算子模块31，所述的输电线路自身负荷极限计算子模块31在约束条件下逐次增加输电线路负荷，且每增加一次负荷，就得到一条新负荷水平下理论持续负荷曲线。在负荷增长的过程中，如果某一时刻负荷大小超过第一阶段模型求取的自身负荷极限，那么输电线路会不满足安全约束，因此，对于理论持续负荷曲线中超过输电线路自身负荷极限的部分，要将其作为过负荷主动切除；对于切除的负荷，对用户进行一定经济性赔偿，即主动切负荷赔偿。过负荷切除后得到的便是实际持续负荷曲线。对于实际持续负荷曲线所包含的负荷按照改进K-Means方法进行聚类，对每一类负荷进行可靠性分析，分别得到各个负荷聚类下的电量不足期望值(EENS)，并将其平均值作为该实际持续负荷曲线下输电线路的EENS，通过EENS指标判断故障对输电线路可能造成的停电损失，对用户也进行一定赔偿，作为停电损失赔偿。主动切负荷赔偿与停电损失赔偿一起构成了输电线路安全性的经济代价。经济性效益则指的是输电线路售电收益，由实际持续负荷曲线所包含的电量乘以售电价格得到。

求得输电线路最大负荷增长率λ₁和输电线路自身负荷极限P_max，并通过对线路自身负荷极限状态下系统中的负荷从大到小排列得到此时系统年持续负荷曲线，所述的约束条件包括输电线路较初始状态最大负荷增长率约束、线路潮流平衡约束、支路潮流约束和节点电压约束，只要在负荷增加后输电线路潮流依然有解，输电线路负荷就仍然有提高空间；当负荷增加到潮流无解或不满足上述安全约束，此时最大时刻负荷就是输电线路自身负荷极限。约束条件和P_max计算式具体如下：

输电线路较初始状态最大负荷增长率约束为：

λ₁＜λ_max

线路潮流平衡约束为下式有实数解：

$\left\{\begin{array}{c}0=(1+K_{P_{Gi}}{\mathrm{\λ}}_1)P_{G_i}-(1+K_{P_{Li}}{\mathrm{\λ}}_1)P_{L_i}-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})\\ 0=(1+K_{Q_{Gi}}{\mathrm{\λ}}_1)Q_{G_i}-(1+K_{Q_{Li}}{\mathrm{\λ}}_1)Q_{L_i}-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})\end{array}\right.$

支路潮流约束为：

$|V_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})-{\left(V_i\right)}^2{G}_{ij}|\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}$

节点电压约束为：

$\underset{\‾}{V_i}\≤V_i\≤\stackrel{\‾}{V_i}$

式中，λ₁为第一阶段模型的线路负荷增长率，λ_max为线路负荷增长率上限值，即负荷增长不应超过线路可用传输容量，与分别为调整节点i发电机有功出力与负荷有功增长的比例系数，与分别为调整节点i发电机无功出力与负荷无功增长的比例系数，V_i为节点i的电压，为V_i的下限，为V_i的上限，θ_ij为支路ij首末端相角差，G_ij为支路ij的电导，B_ij为支路ij的电纳，P_Gi为节点i的发电机初始有功功率，P_Li为节点i的初始有功负荷，Q_Gi为节点i的发电机初始无功功率，Q_Li为节点i的无功负荷，为支路ij的可用传输容量；

满足约束条件的输电线路最大负荷增长率λ₁：

${\mathrm{\λ}}_1={(1+{\mathrm{\ϵ}}_1)}^{n_{L1}-1}-1$

输电线路自身负荷极限P_max：

P_max＝P_m(1+λ₁)

式中，P_m为初始输电线路最大时刻负荷，n_L1为输电线路潮流无解或不满足安全约束时负荷增长过的次数，ε₁为每次负荷较前一次增加的比例，实际计算中，取ε₁＝1％。

由于负荷增长极易引起输电线路电压失稳，因此选取连续潮流作为评估潮流模型。在连续潮流对输电线路自身负荷极限进行判断时，每一次负荷都按相同比例增长，而发电机出力增加则按照各自容量比的方式分配，网损由平衡机来承担。在负荷增长过程中，由于是对线路利用率进行判断，即在发电容量充足前提下评估线路最佳负载能力，因此对发电机容量不设限制。

所述的第二阶段模型包括停电损失赔偿计算子模块32、主动切负荷赔偿计算子模块33、经济性效益计算子模块34、安全性经济代价增速评估子模块35、经济性增速评估子模块36与线路利用率指标计算子模块37，所述的停电损失赔偿计算子模块32计算停电损失赔偿额C₃，所述的主动切负荷赔偿计算子模块33计算主动切负荷赔偿额C₂，所述的经济性效益计算子模块34计算某一负荷下的经济性效益G₁，所述的安全性经济代价增速评估子模块35计算安全性经济代价G₂的增速，所述的经济性增速评估子模块36计算经济性效益G₁的增速，所述的线路利用率指标计算子模块37计算输电线路平均年运行等效利用率C_TLu。线路利用率采用了线路年运行等效平均负载率指标进行评价，通过线路平均年运行等效利用率指标可以直观反映输电线路中输电线路负载情况，体现电网期望运行负载程度。

其中G₁、G₂、C_TLu具体算式如下：

$G_1\left(\widetilde{P_D}\right)=C_1\·\∫\min \left\{\widetilde{P_D},P_{\max }\right\}dt\≈C_1\·\underset{t=1}{\overset{8760}{\Σ}}\min \left\{\widetilde{P_{D|t}},P_{\max }\right\}$

$\begin{array}{c}{G}_2\left(\widetilde{P_D}\right)=C_2\·\∫\max \left\{\left(\widetilde{P_D}-P_{\max }\right),0\right\}dt+C_3\·EENS\left(\min \left\{\widetilde{P_D},P_{\max }\right\}\right)\\ \≈C_2\·\underset{t=1}{\overset{8760}{\Σ}}\max \left\{\left(\widetilde{P_{D|t}}-P_{\max }\right),0\right\}+C_3\·EENS\end{array}$

$C_{TLu}=\frac{\underset{j=1}{\overset{L}{\Σ}}{C}_{TLj}}{L}$

式中，为某一负荷水平下理论年持续负荷曲线，为某一负荷水平下t时刻的负荷大小，EENS为通过对实际持续负荷曲线进行聚类和可靠性分析获得的电量不足期望值(MWh)，C₁为单位电量的售电电价，C₂为单位电量的主动切负荷赔偿额，C₃为单位电量的停电损失赔偿额，L为输电线路中线路条数，C_TLj为某一年内，第j条线路年运行等效利用率，计算式如下：

$C_{TLj}=\frac{\underset{i=1}{\overset{8760}{\Σ}}{S}_{ji}}{8760\×C_{jR}}$

式中，S_ji表示第j条线路第i小时的输送功率值，C_jR表示第j条线路额定传输容量。

所述的电量不足期望值EENS即在被研究的一段时间内由于负荷需要超过可用发电容量而引起用户停电的平均值，计算式为：

$EENS={\mathrm{\Σ}}_{C_i\≠0}{C}_i\×p_i\×8760$

式中，C_i是一小时内节点i削减负荷量，p_i是负荷削减对应的概率。

所述的削减负荷量C_i具体值确定方法为：获得当前负荷水平下理论持续负荷曲线，将曲线上超过输电线路自身负荷极限P_max的部分作为C_i。

所述的某一负荷下的经济性效益G₁具体值确定方法为：将C_i从理论持续负荷曲线上削减后，得到实际持续负荷曲线，实际持续负荷曲线所包含的电量乘以售电价格得到该负荷下的经济性效益G₁。

第二阶段协调优化模型中安全性的经济代价模块包含主动切负荷赔偿计算子模块与停电损失赔偿计算子模块。第二阶段模型协调优化的最大线路利用率评估中增加负荷方式是在第一阶段模型求得的输电线路自身负荷极限基础上继续按一定比例增加负荷实现的。每一次负荷增长过程中，都需要计算此时输电线路的安全性经济代价与经济性效益，并通过安全性经济代价增速评估子模块35和经济性增速评估子模块36比较二者增长速度，只要经济性效益增速大于安全性经济代价的增速，输电线路利用率就仍有提高可能。

第二阶段模型目标函数为安全性与经济性协调优化下线路最大负荷水平较第一阶段的负荷增长率最大，即输电线路实际持续负荷曲线中能够包含的电量最大化，等价于现有输电线路在某种负荷增长方式下输电线路利用率的最大化；所述的第二阶段模型约束条件为输电线路经济效益的导数大于输电线路安全性经济代价的导数，表示当负荷有一定微小增量时，电网经济效益的增加要大于输电线路安全性经济代价的增加。当输电线路经济效益的增加速率小于安全性经济代价增加速率的时候，输电线路负荷增加所带来的售电收益不足以对电网安全性进行补偿，此时终止计算，所得设备利用率就是在安全性与经济性协调优化下线路最大利用率。

第二阶段协调优化模型中的约束条件只有经济效益增长的导数大于电网安全性经济代价增长的导数，即经济性与安全性经济代价增速约束：

$G_1{\[\widetilde{P_0}\·(1+{\mathrm{\λ}}_2)\]}^{\′}\≥G_2{\[\widetilde{P_0}\·(1+{\mathrm{\λ}}_2)\]}^{\′}$

式中，G₁'是输电线路经济性效益曲线的导数，G₂'是电网安全性经济代价曲线的导数，为第二阶段模型输电线路负荷初始值，第二阶段模型负荷增长率为λ₂。这是因为在第一阶段模型中，每一次增加负荷后潮流计算的对象是输电线路最大时刻负荷，所得到的自身负荷极限也是使潮流无解或者违反安全约束时的最大时刻负荷。在第二阶段协调优化模型中，超过输电线路自身负荷极限的部分都会被作为过负荷主动切除，从而，实际持续负荷曲线中最大负荷即为输电线路自身负荷极限，且满足输电线路支路潮流约束、功率平衡约束以及电压约束。第二阶段模型协调优化下得到的实际负荷曲线中所有负荷都小于等于自身负荷极限，因此都存在潮流解并满足安全约束条件，故在模型中不再多加约束条件。另外，由于考虑的是输电线路利用率，所以对发电机容量不设限制。

第二阶段协调优化模型求解方法针对第二阶段协调优化模型带有导数、计算难度大的问题，采用一种启发式的算法，即以微小步长增加输电线路的负荷水平，直到输电线路的安全性经济代价的增速大于输电线路经济效益的增速。

所述的数据库模块1包括网架接线模式库11和电力设备库12。

如图3所示，一种输电线路利用率提高方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，根据已有输电线路，搭建所述的综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台；

S02，输入模块2从数据库模块1读取数据，并向分析评估模块3输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标；

S03，分析评估模块3的第一阶段模型计算输电线路自身负荷极限P_max，具体为：在输电线路初始状态的基础上，增加输电线路负荷，同时输电线路自身负荷极限计算子模块31判断输电线路负荷是否满足约束条件，若满足，则继续增加负荷并进行约束条件判断，若不满足，则当前负荷为输电线路自身负荷极限P_max；

S04，分析评估模块3的第二阶段模型在输电线路自身负荷极限P_max基础上，为输电线路逐渐增加负荷，并计算每个负荷水平下的安全性经济代价G₂和经济性效益G₁及二者的增速，当G₂增速大于G₁增速时，输电线路利用率达到最大值，同时计算此时的输电线路利用率，包括各条线路年运行等效利用率C_TLj与输电年路平均年运行等效利用率C_TLu；

S05，输出模块4输出输电线路最大利用率。

所述的步骤S04中，安全性经济代价G₂的增速和经济性效益G₁的增速通过求导获得。

所述的步骤S04中，负荷增加量为第一阶段模型计算的输电线路自身负荷极限P_max的1％，每一次负荷增加量为定值。第二阶段模型是在第一阶段得到系统自身负荷极限P_max的状态下继续增加系统中全年8760小时的每一时刻负荷。第二阶段模型中每次负荷增加量为1％·P_max，即第二阶段每一时刻负荷增加量为定值。第一阶段模型中负荷增加是按比例进行的，即各时刻每次负荷增加量是前一次负荷增长后对应时刻的1％。采用这一增长方式的原因是第一阶段模型求取的是系统自身负荷极限，可以系统自身负荷极限的求解；第二阶段模型由于G₁与G₂的快速增长，每次负荷增长过大不易求取精确解，因此第二阶段模型中各时刻负荷增长相同量，即1％·P_max。

综上，两阶段模型求解流程是：在第一阶段安全性优化模型求取输电线路自身负荷极限基础上，得到该负荷水平下持续负荷曲线，首先求取此时输电线路经济性与安全性的经济代价。在第二阶段安全性与经济性协调优化模型继续增加负荷的过程中，计算主动切负荷量以及主动切负荷赔偿，并对新负荷水平下输电线路持续负荷曲线通过K-Means方法进行聚类，求取各类负荷EENS，并将其平均值作为该负荷水平下输电线路EENS，根据EENS求解输电线路故障停电损失赔偿，与主动切负荷赔偿共同组成该负荷水平下输电线路安全性的经济代价；持续负荷曲线中包裹的部分根据其电量求取输电线路售电经济性。输电线路负荷增长微小量，每次增长后都分别求取安全性的经济代价与经济性，并与增长前作差，只要经济性差值大于安全性经济代价的差值，就继续按照微小量增加输电线路负荷，否则停止计算，计算此时线路利用率，即输电线路最大利用率。

将本发明输电线路利用率提高平台及方法应用于IEEERTS79输电线路实例，评估其在安全性与经济性协调优化下线路最大利用率，并与安全性下线路最大利用率比较，表明本发明对线路利用率的提高效果。该实例输电线路共有24个节点，34条支路，32台机组，输电线路接线图如附图2所示。实例输电线路装机容量为3405MW，其中最大机组容量400MW，最小机组容量12MW，年最大负荷为2850MW。在实例输电线路34条线路中，最大线路利用率为58.19％，最小仅为2.08％，平均输电线路利用率为23.69％，利用率水平较低。

实例输电线路负荷数据如表1所示。

表1IEEERTS79负荷数据

注：节点类型中“1”为PQ节点，“2”为PV节点，“3”为平衡节点。

在第一阶段安全性优化模型中增加负荷过程中，输电线路各时刻负荷每次较前一状态增长的比例是1％，当输电线路达到负荷极限状态时，输电线路利用率较初始状态虽然有了一定提高，但平均利用率只有32.40％，总体来说仍处于较低水平，线路容量并没有得到完全利用，仍有进一步开发的空间。

同时，输电线路自身负荷极限计算子模块31计算求得第一阶段安全性优化模型得到的输电线路自身负荷极限是3919MW，当负荷超过这个限值时，输电线路便会不满足安全约束。因此，在第二阶段模型安全性与经济性协调优化下继续增加负荷时，对于持续负荷曲线中超过3919MW的部分要作为过负荷主动切除，以保证输电线路自身安全稳定。

在第二阶段协调优化模型中，输电线路在自身负荷极限状态基础上继续增加负荷，各时刻负荷每次增加量为自身负荷极限的1％，即定值39.19MW。

在经济性效益计算子模块34中，售电价格按0.45元/kWh计算；在安全性经济代价分析中，主动切负荷赔偿计算子模块33中单位电量主动切负荷赔偿额与停电损失赔偿计算子模块32中单位停电损失赔偿额取相同数值，根据《用电营业规则》规定以及汇率与通货膨胀综合考虑，对赔偿价格分别为15元/kWh、10元/kWh与5元/kWh三种情况进行研究。

通过对输电线路初始状态，达到自身负荷极限时状态，单位电量赔偿价格分别为15元/kWh、10元/kWh、5元/kWh五种情况进行分析，得到不同状态下输电线路通过优化计算达到最大利用率时，利用率对比如表2所示：

表2输电线路各种状态下利用率对比

在安全性与经济性协调优化的线路利用率评估中，超过输电线路负荷极限的部分会被作为主动过负荷切除，因此，在不同赔偿金额下，输电线路中最大负荷都与负荷极限状态时相同，为3919MW。

三种赔偿价格下输电线路各线路利用率与输电线路平均利用率具体对比情况如表3所示。

表3不同赔偿价格下线路利用率比较

在15元/kWh、10元/kWh和5元/kWh的赔偿价格下，各线路利用率以及整个输电线路平均利用率较输电线路初始状态以及自身负荷极限时都有了大幅提高。且随着赔偿价格的降低，线路利用率不断上升。这是由于赔偿价格低的情况下，随着负荷的增长，安全性经济代价增长缓慢，而售电价格增长足以弥补安全性经济代价带来的损失，所以输电线路利用率提高空间更大。但由于实际运行以及用户习惯的限制，对于用户停电赔偿与切负荷赔偿价格不能定得过低。

将输电线路中各条线路利用率从小到大排列，得到如附图5所示的不同输电线路状态下线路利用率情况。图中横坐标表示线路编号，纵坐标表示线路利用率。由图中曲线可以看出，输电线路通过第一阶段安全性优化模型达到自身负荷极限时虽然较原始状态能承受更多负荷，但相比于线路与发电机容量，线路利用率仍然处于较低水平，有进一步提升的空间。而在第二阶段在安全性与经济性协调优化模型下，各条输电线路利用率较输电线路达到自身负荷极限时都有了较大幅度提高，大部分输电线路利用率都达到了40％以上，个别线路甚至达到了100％，在线路过载能力允许条件下，输电线路能够承受一定峰值负荷的冲击。

不同状态下输电线路年持续负荷曲线如附图6所示。图中，纵坐标表示负荷大小(MW)，横坐标表示持续时间(h)。同理，第一阶段模型安全性优化后输电线路接纳的负荷较初始状态有了一定提高，但是第二阶段安全性与经济性协调优化模型能够使输电线路在此基础上消纳更多电量，表明安全性优化后的输电线路仍然有接受更多负荷的能力。由于超过自身负荷极限的部分被切除，因此各持续负荷曲线最上端是一条平行线，并且赔偿费用越低，水平线越长，表示输电线路负荷增长能力越大。在不同赔偿价格下，输电线路负荷水平都有了显著提高，利用率得到了极大提升，发电机与线路容量都得到了更充分的利用，证明了安全性与经济性协调优化下线路利用率进一步提高的可能性与协调优化方法的有效性。

通过本实施例的验证，可知经济性与安全性协调优化的输电线路利用率提高平台在安全性评估求取输电线路负荷极限基础上，通过对输电线路初始状态，达到自身负荷极限时状态，安全性与经济性协调优化下单位电量赔偿价格分别为15元/kWh、10元/kWh、5元/kWh五种情况进行输电线路最大线路利用率评估，验证了考虑考虑经济性与安全性协调优化的输电线路利用率提高平台对于充分利用线路容量、进一步提高线路利用率的有效性。

Claims (10)

1.一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，包括依次连接的数据库模块(1)、输入模块(2)、分析评估模块(3)和输出模块(4)，所述的输入模块(2)从数据库模块(1)获取输电线路初始负荷、潮流分布和电力设备数据，并输送给分析评估模块(3)，分析评估模块(3)逐步增加输电线路加载的负荷，在负荷超过安全值时计算输电线路付出的安全性经济代价和获得的经济性效益，并对二者增长速度进行比较，当安全性经济代价增速首次大于经济性效益增速时，所述的输出模块(4)输出此时的输电线路利用率，其中所述的安全性经济代价为输电线路部分停电或主动切负荷时，对用户的经济赔偿，所述的经济性效益为售电收益。

2.根据权利要求1所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的输入模块(2)包含初始负荷子模块(21)、潮流分布子模块(22)、线路容量子模块(23)、发电机容量子模块(24)和线路利用率评价指标子模块(25)，所述的初始负荷子模块(21)、潮流分布子模块(22)、线路容量子模块(23)、发电机容量子模块(24)和线路利用率评价指标子模块(25)分别向分析评估模块(3)输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标。

3.根据权利要求1所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的分析评估模块(3)包括第一阶段模型和第二阶段模型，所述的第一阶段模型为输电线路自身负荷极限计算子模块(31)，所述的输电线路自身负荷极限计算子模块(31)在约束条件下逐次增加输电线路负荷，求得输电线路最大负荷增长率λ₁和输电线路自身负荷极限P_max，并得到年持续负荷曲线，所述的约束条件包括输电线路较初始状态最大负荷增长率约束、线路潮流平衡约束、支路潮流约束和节点电压约束，约束条件和P_max计算式具体如下：

输电线路较初始状态最大负荷增长率约束为：

λ₁＜λ_max

线路潮流平衡约束为下式有实数解：

$\left\{\begin{array}{c}0=(1+K_{P_{Gi}}{\mathrm{\λ}}_1)P_{G_i}-(1+K_{P_{Li}}{\mathrm{\λ}}_1)P_{L_i}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})\\ 0=(1+K_{Q_{Gi}}{\mathrm{\λ}}_1)Q_{G_i}-(1+K_{Q_{Li}}{\mathrm{\λ}}_1)Q_{L_i}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})\end{array}\right.$

支路潮流约束为：

$|V_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})-{\left(V_i\right)}^2{G}_{ij}|\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}$

节点电压约束为：

$\underset{\‾}{V_i}\≤V_i\≤\stackrel{\‾}{V_i}$

式中，λ₁为第一阶段模型的线路负荷增长率，λ_max为线路负荷增长率上限值，与分别为调整节点i发电机有功出力与负荷有功增长的比例系数，与分别为调整节点i发电机无功出力与负荷无功增长的比例系数，V_i为节点i的电压，V _i 为V_i的下限，为V_i的上限，θ_ij为支路ij首末端相角差，G_ij为支路ij的电导，B_ij为支路ij的电纳，P_Gi为节点i的发电机初始有功功率，P_Li为节点i的初始有功负荷，Q_Gi为节点i的发电机初始无功功率，Q_Li为节点i的无功负荷，为支路ij的可用传输容量；

满足约束条件的输电线路最大负荷增长率λ₁：

${\mathrm{\λ}}_1={(1+{\mathrm{\ϵ}}_1)}^{n_{L1}-1}-1$

输电线路自身负荷极限P_max：

P_max＝P_m(1+λ₁)

式中，P_m为初始输电线路最大时刻负荷，n_L1为输电线路潮流无解或不满足安全约束时负荷增长过的次数，ε₁为每次负荷较前一次增加的比例。

4.根据权利要求3所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的第二阶段模型包括停电损失赔偿计算子模块(32)、主动切负荷赔偿计算子模块(33)、经济性效益计算子模块(34)、安全性经济代价增速评估子模块(35)、经济性增速评估子模块(36)与线路利用率指标计算子模块(37)，所述的停电损失赔偿计算子模块(32)计算停电损失赔偿额C₃，所述的主动切负荷赔偿计算子模块(33)计算主动切负荷赔偿额C₂，所述的经济性效益计算子模块(34)计算某一负荷下的经济性效益G₁，所述的安全性经济代价增速评估子模块(35)计算安全性经济代价G₂的增速，所述的经济性增速评估子模块(36)计算经济性效益G₁的增速，所述的线路利用率指标计算子模块(37)计算输电线路平均年运行等效利用率C_TLu，其中G₁、G₂、C_TLu具体算式如下：

$G_1\left(\widetilde{P_D}\right)=C_1\·\∫min\{\widetilde{P_D},P_{max}\}dt\≈C_1\·\underset{t=1}{\overset{8760}{\Σ}}min\{\widetilde{P_{D|t}},P_{max}\}$

$\begin{array}{c}{G}_2\left(\widetilde{P_D}\right)=C_2\·\∫\max \{(\widetilde{P_D}-P_{max}),0\}dt+C_3\·EENS\left(\min \right\{\widetilde{P_D},P_{max}\left\}\right)\\ \≈C_2\·\underset{t=1}{\overset{8760}{\Σ}}\max \{(\widetilde{P_{D|t}}-P_{max}),0\}+C_3\·EENS\end{array}$

$C_{TLu}=\frac{\underset{j=1}{\overset{L}{\Σ}}{C}_{TLj}}{L}$

式中，为某一负荷水平下理论年持续负荷曲线，为某一负荷水平下t时刻的负荷大小，EENS为电量不足期望值，C₁为单位电量的售电电价，C₂为单位电量的主动切负荷赔偿额，C₃为单位电量的停电损失赔偿额，L为输电线路中线路条数，C_TLj为某一年内，第j条线路年运行等效利用率，C_TLj计算式如下：

$C_{TLj}=\frac{\underset{i=1}{\overset{8760}{\Σ}}{S}_{ji}}{8760\×C_{jR}}$

式中，S_ji表示第j条线路第i小时的输送功率值，C_jR表示第j条线路额定传输容量。

5.根据权利要求4所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的电量不足期望值EENS即在被研究的一段时间内由于负荷需要超过可用发电容量而引起用户停电的平均值，计算式为：

$EENS={\mathrm{\Σ}}_{C_i\≠0}{C}_i\×p_i\×8760$

式中，C_i是一小时内节点i削减负荷量，p_i是负荷削减对应的概率。

6.根据权利要求5所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的削减负荷量C_i具体值确定方法为：获得当前负荷水平下理论持续负荷曲线，将曲线上超过输电线路自身负荷极限P_max的部分作为C_i。

7.根据权利要求5所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的某一负荷下的经济性效益G₁具体值确定方法为：将C_i从理论持续负荷曲线上削减后，得到实际持续负荷曲线，实际持续负荷曲线所包含的电量乘以售电价格得到该负荷下的经济性效益G₁。

8.根据权利要求1所述的一种综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台，其特征在于，所述的数据库模块(1)包括网架接线模式库(11)和电力设备库(12)。

9.一种使用权利要求7所述的综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台的输电线路利用率提高方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，根据已有输电线路，搭建综合经济性与安全性的输电线路利用率提高平台；

S02，输入模块(2)从数据库模块(1)读取数据，并向分析评估模块(3)输送输电线路的初始负荷、潮流分布、线路容量、发电机容量和线路利用率评价指标；

S03，分析评估模块(3)的第一阶段模型计算输电线路自身负荷极限P_max，具体为：在输电线路初始状态的基础上，增加输电线路负荷，同时输电线路自身负荷极限计算子模块(31)判断输电线路负荷是否满足约束条件，若满足，则继续增加负荷并进行约束条件判断，若不满足，则当前负荷为输电线路自身负荷极限P_max；

S04，分析评估模块(3)的第二阶段模型在输电线路自身负荷极限P_max基础上，为输电线路逐渐增加负荷，并计算每个负荷水平下的安全性经济代价G₂和经济性效益G₁及二者的增速，当G₂增速大于G₁增速时，输电线路利用率达到最大值，同时计算此时的输电线路利用率，包括各条线路年运行等效利用率C_TLj与输电年路平均年运行等效利用率C_TLu；

S05，输出模块(4)输出输电线路最大利用率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤S04中，负荷增加量为第一阶段模型计算的输电线路自身负荷极限P_max的1％，每一次负荷增加量为定值。