CN105743099B - 一种超特高压电网串补度的优化方法 - Google Patents

一种超特高压电网串补度的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超特高压电网串补度的优化方法，包括串补度控制范围计算、串补方案筛选和串补度优化；串补度控制范围计算方法，依据不同串补度下的交流外送通道输电能力、系统无功补偿容量及过电压限制，提出满足技术条件约束的串补度控制上下限。串补方案筛选，选择满足串补度控制范围的串补方案。串补度优化，是指采用多目标优化与特定目标优化算法，求取最优串补度方案。本发明解决了超特高压电网采用怎样的串补度以实现技术经济优化的问题。通过形成各串补度方案的多目标优化函数与特定目标优化函数，根据目标函数取最大值时所对应的函数序列，可以确定电网最优串补度。

Description

一种超特高压电网串补度的优化方法
技术领域
本发明涉及一种超特高压电网的优化方法，具体讲涉及一种超特高压电网串补度的优化方法。
背景技术
串联补偿技术的应用始于1928年(33kV)，是一项十分成熟的技术，在电力系统应用已有80多年的历史。1950年220kV串联补偿装置在瑞典投入运行以来，高压串联补偿装置在全世界得到了广泛的应用，电压等级从220kV发展到1000kV(我国特高压扩建工程)，世界上已安装的串联补偿电容总容量已超过15万Mvar。
交流线路的输电能力受线路特性和系统条件限制，前者主要是自然功率(经济评估)和热稳定限额，后者主要是各类稳定性，主要包括静态稳定、暂态稳定和动态稳定等，线路长度和两端系统条件是影响稳定输送能力的主要因素，系统条件一般无法在短期内改变，因此一般考虑采用缩短线路等效电气距离的方法，而串补是最常规和最有效的方法。
由于我国能源基地大多远离负荷中心，通过在超高压(220～765kV)和特高压长距离输电通道上加装串补，既能够充分利用交流通道输送能力，也能为未来电网发展留出空间。目前我国超高压串补度大多不超过50％，特高压串补的补偿度为40％。国外一些500kV线路的串补度已应用到70％，部分735～765kV线路的串补度达到60％，表明我国串补的补偿度还有较大提升空间。对于高补偿度串补尚无明确定义，工程上可将串补度大于等于50％界定为高补偿度串补。高补偿度串补在电网中具有一定的应用价值，主要用于电源的送出通道，目的是在满足电力输送需求的情况下，使得电网运行具有合理的安全稳定裕度，或者取得更好的经济效益。随着串补度提高，对包括输电能力、系统无功补偿容量需求、工频稳态过电压、操作过电压在内的系统特性，及对投资经济效益均产生较大影响。多目标下的串补度评估及优化是核心内容和技术难点。
现有技术仅能够确定满足某一约束条件的电网串补度，目前还没有一项技术能够对电网串补度进行综合评估及优化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超特高压电网串补度的优化方法，本发明解决了超特高压电网采用怎样的串补度以实现技术经济优化的问题，可为高补偿度串补的应用提供技术依据，既能充分发挥超特高压交流通道输送能力，还对送端电源开发进度的不确定性具有较强的适应性。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种超特高压电网串补度的优化方法，其改进之处在于，所述方法包括下述
步骤：
(1)确定串补度控制范围；
(2)筛选串补方案；
(3)串补度优化。
进一步地，所述步骤(1)的确定串补度控制范围包括下述步骤：
步骤1：确定满足输电能力目标的串补度控制下限IL；
步骤2：确定受无功补偿容量限制的串补度控制上限IU1；
步骤3：确定受工频过电压限制的串补度控制上限IU2；
步骤4：确定受操作过电压限制的串补度控制上限IU3
步骤5：确定电网的串补度控制范围I＝{IL,Min(IU1,IU2,IU3)}。
进一步地，所述步骤1中，采用电力系统分析软件(例如BPA、PSASP、PSS/E等)计算不同串补度下的稳定极限，确定满足输电能力目标的串补度下限IL；
所述步骤2中，开展串补变电站无功需求分析：计算不同串补度下相关变电站最大感性及容性无功需求，以变电站内低压无功补偿容量为约束条件，确定串补度控制上限IU1；
变电站无功需求计算表达式如下式①所示：
①；
式中：Ql为该变电站所有进线或出线的无功需求之和，Qt为站内变压器的无功需求；
计算容性无功需求时，有：
②；
Qt＝Pt 2Xt ③；
计算感性无功需求时，有：
④；
Qt＝-Pt 2Xt ⑤；
式中：Pi为第i条进线或出线流过的有功功率，Qsh,i为第i条进线或出线高抗容量，Qc,i为第i条进线或出线充电功率；Xi为第i条进线或出线电抗，Pt为变电站下网有功功率，Xt为变压器电抗；
变电站最大感性及容性无功需求分别在空载方式及极限潮流方式下求得；
所述步骤3中，开展工频稳态过电压分析：采用长线路分布参数计算串补线路沿线电压分布，以电网工频电压控制上限为约束条件，确定串补度控制上限IU2；
采用长线路分布参数的输电线路视为二端口网络；该二端口网络输入输出关系为，
⑥；
式中：分别为线路始端及末端的电压，分别为线路始端及末端的电流， 的参考方向均以流入二端口为正；
波阻抗ZC和传播常数γ的计算公式分别如下式⑦和⑧所示：
⑦；
⑧；
式中：z0为单位长度阻抗，y0为单位长度导纳，α为衰减常数，β为相位系数；
设传输矩阵T为，
⑨；
若目标线路由不同参数的多段线路构成，则第j段线路的传输矩阵Tj根据式⑨计算；
设线路总传输矩阵为Ttotal，则有：
⑩；
以线路末端电压电流为边界条件，利用第j段线路的传输矩阵Tj及总传输矩阵Ttotal，即得到沿线电压分布情况；
所述步骤4中，开展各类操作过电压分析：包括合闸、单相重合闸、接地故障及清除和甩负荷分闸类型操作过电压分析，以电网操作电压控制上限为约束条件，确定串补度控制上限IU3。
进一步地，所述步骤(2)中，筛选串补方案是确定串补度初筛方案集，串补度初筛方案集是从已构建串补方案(单段/多段/全线串补，集中/分散配置)中选择满足串补度控制范围的串补方案。
进一步地，所述步骤(3)的串补度优化包括下述步骤：
<1>在串补度控制范围内将各目标函数取值归一化处理；
<2>确定初筛方案集中串补方案下的多目标及特定目标函数取值；
<3>选择初筛方案集中的一个串补方案，并判断其是否使得多目标函数取最大值；
<4>判断串补方案是否使得特定目标函数取最大值；
<5>判断初筛方案集是否搜索完毕。
进一步地，所述步骤<1>中，在串补度控制范围内将各目标函数取值归一化处理，使其取值在0～1范围内，且目标效果优劣与数值大小呈现正相关，得到f1(i)……fm(i)；所述目标函数包括：
1)交流通道的输电能力；
2)最严重工况下系统无功容量需求；
3)最严重工况下串补装设线路上的工频过电压；
4)最严重工况下串补装设线路上的操作过电压；
5)串补装置的平均投资效益。
进一步地，所述步骤<2>中，以f1(i)……fm(i)赋权累加和f(i)作为串补方案i综合评估的结果，多目标函数优化使得f(i)取得最大值；特定目标函数优化是指在串补度控制范围内使得某一目标函数取值最大。
进一步地，设fm(i)＝func(i)，当i取不同的数值时，求得串补度控制范围内的目标函数序列f1(1)……fm(n)；
其中，m为串补度优化目标函数的个数，n为所求得目标函数序列中的串补方案的个数；
进而求得对应每个串补方案下的优化目标函数总和：
f(1)＝k1f1(1)+k2f2(1)+……kmfm(1)；
f(2)＝k1f1(2)+k2f2(2)+……kmfm(2)；
……
f(n)＝k1fm(n)+k2fm(n)+……kmfm(n)；
其中，k1……km为各目标函数的权重。
进一步地，所述步骤<3>中，若串补方案使得多目标函数取最大值，则输出多目标最优串补方案；否则，进行步骤<4>；
当取k1＝k2＝……km时，即为多目标函数优化的串补度优化策略；
目标函数取最大值时所对应的优化目标函数序列f1(1)……fm(n)。
进一步地，所述步骤<4>中，若串补方案使得特定目标函数取最大值，则输出特定目标最优串补方案；否则，进行步骤<5>；当取某目标函数权重系数kx远远大于其它系数k时，则为特定目标函数优化的串补度优化策略。
进一步地，所述步骤<5>中，若初筛方案集搜索完毕，则结束流程；否则，返回步骤<3>。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
1、本发明解决了超特高压电网采用怎样的串补度以实现技术经济优化的问题。通过形成各串补度方案的多目标优化函数与特定目标优化函数，根据目标函数取最大值时所对应的函数序列，可以确定电网最优串补度。
2、本发明可为高补偿度串补的应用提供技术依据，既能充分发挥超特高压交流通道输送能力，还对送端电源开发进度的不确定性具有较强的适应性。
附图说明
图1是本发明提供的超特高压电网串补度的优化方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种超特高压电网串补度的优化方法，包括确定串补度控制范围、筛选串补方案和串补度优化。串补度控制范围计算方法，依据不同串补度下的交流外送通道输电能力、系统无功补偿容量及过电压限制，提出满足技术条件约束的串补度控制上下限。串补方案筛选，选择满足串补度控制范围的串补方案。串补度优化，是指采用多目标优化与特定目标优化算法，求取最优串补度方案。
超特高压电网串补度的优化方法流程图如图1所示，其中：
(1)确定串补度控制范围包括下述步骤：
步骤1：采用电力系统分析软件(例如BPA、PSASP、PSS/E等)计算不同串补度下的稳定极限，确定满足输电能力目标的串补度下限IL；
步骤2：开展串补相关变电站无功需求分析。计算不同串补度下的相关变电站最大感性及容性无功需求。以变电站内低压无功补偿设备容量为约束条件，确定串补度的控制上限之一IU1。
变电站无功需求计算表达式如下式①所示：
①；
式中：Ql为该变电站所有进线或出线的无功需求之和，Qt为站内变压器的无功需求；
计算容性无功需求时，有：
②；
Qt＝Pt 2Xt ③；
计算感性无功需求时，有：
④；
Qt＝-Pt 2Xt ⑤；
式中：Pi为第i条进线或出线流过的有功功率，Qsh,i为第i条进线或出线高抗容量，Qc,i为第i条进线或出线充电功率；Xi为第i条进线或出线电抗，Pt为变电站下网有功功率，Xt为变压器电抗；
变电站最大感性及容性无功需求分别在空载方式及极限潮流方式下求得；
步骤3：开展工频稳态过电压分析。采用长线路分布参数计算串补线路沿线电压分布。以电网电压控制上限为约束条件，确定串补度的控制上限之二IU2。
采用长线路分布参数的输电线路视为二端口网络；该二端口网络输入输出关系为，
⑥；
式中：分别为线路始端及末端的电压，分别为线路始端及末端的电流， 的参考方向均以流入二端口为正；
波阻抗ZC和传播常数γ的计算公式分别如下式⑦和⑧所示：
⑦；
⑧；
式中：z0为单位长度阻抗，y0为单位长度导纳，α为衰减常数，β为相位系数；
设传输矩阵T为，
⑨；
若目标线路由不同参数的多段线路构成，则第j段线路的传输矩阵Tj根据式⑨计算；
设线路总传输矩阵为Ttotal，则有：
⑩；
以线路末端电压电流为边界条件，利用第j段线路的传输矩阵Tj及总传输矩阵Ttotal，即得到沿线电压分布情况；
步骤4：开展各类操作过电压分析。具体包括合闸、单相重合闸、接地故障及清除、甩负荷分闸等类型操作过电压分析。以电网电压控制上限为约束条件，确定串补度的控制上限之三IU3。
步骤5：综合以上因素，得到电网串补度的控制范围I＝{IL,Min(IU1,IU2,IU3)}。
(2)筛选串补方案：
筛选串补方案是确定串补度初筛方案集，串补度初筛方案集是从已构建串补方案(单段/多段/全线串补，集中/分散配置)中选择满足串补度控制范围的串补方案。
(3)串补度优化是在串补度控制范围内，根据串补方案的系统特性，采用多目标优化与特定目标优化算法，包括下述步骤：
<1>在串补度控制范围内将各目标函数取值归一化处理；在串补度控制范围内将各目标函数取值进行归一化处理，使其取值在0～1范围内，且目标效果优劣与数值大小呈现正相关，得到f1(i)……fm(i)。
<2>确定初筛方案集中串补方案下的多目标及特定目标函数取值；以f1(i)……fm(i)赋权累加和f(i)作为串补方案i综合评估的结果，多目标优化应使得f(i)取得最大值。特定目标优化算法是在串补度控制范围内使得某一目标函数取值最大。
<3>选择初筛方案集中的一个串补方案，并判断其是否使得多目标函数取最大值：若串补方案使得多目标函数取最大值，则输出多目标最优串补方案；否则，进行步骤<4>；
当取k1＝k2＝……km时，即为多目标函数优化的串补度优化策略；
目标函数取最大值时所对应的优化目标函数序列f1(1)……fm(n)。
<4>判断串补方案是否使得特定目标函数取最大值：若串补方案使得特定目标函数取最大值，则输出特定目标最优串补方案；否则，进行步骤<5>；当取某目标函数权重系数kx远远大于其它系数k时，则为特定目标函数优化的串补度优化策略。
<5>判断初筛方案集是否搜索完毕：若初筛方案集搜索完毕，则结束流程；否则，返回步骤<3>。
实施例
以“蒙西外送”特高压交流工程为例，应用本发明提供的串补度优化方法。依次实现串补度控制范围计算、串补方案筛选、串补度优化各个步骤。
1)串补度控制范围计算。
综合考虑通道输电能力、系统无功补偿容量及过电压限制，计算得到：
a.晋北-北京西线路加装串补，串补度的控制范围I＝{40％,70％}。
b.晋北-北京西，北京西-天津南线路同时加装串补，串补度的控制范围I＝{30％,60％}。
2)串补方案筛选。
从已构建全部串补方案(单段/多段/全线串补，集中/分散配置)中选择满足串补度控制范围的串补方案，形成串补初筛方案集。该集合中共包含8种串补方案，如表1所示。
3)串补度优化
本例选择通道输电能力、变电站容性无功裕度、过电压裕度及平均投资效益4个特定目标函数，将各目标函数取值进行归一化处理，使其取值在0～1范围内，且目标效果优劣与数值大小呈现正相关，并在此基础上构造多目标函数。计算不同串补方案的特定目标函数及多目标函数得分，结果列于表1中。
表1不同串补方案特定目标函数及多目标函数评估结果
由表可知，分别以通道输电能力、变电站容性无功裕度、过电压裕度及平均投资效益为特定目标函数，最优方案依次为串补方案8，方案1，方案5和方案2。多目标函数优化得到的最优方案为串补方案2。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超特高压电网串补度的优化方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)确定串补度控制范围；
(2)筛选串补方案；
(3)串补度优化；
所述步骤(1)的确定串补度控制范围包括下述步骤：
步骤1：确定满足输电能力目标的串补度控制下限IL；
步骤2：确定受无功补偿容量限制的串补度控制上限IU1；
步骤3：确定受工频过电压限制的串补度控制上限IU2；
步骤4：确定受操作过电压限制的串补度控制上限IU3
步骤5：确定电网的串补度控制范围I＝{IL,Min(IU1,IU2,IU3)}；
所述步骤1中，采用电力系统分析软件计算不同串补度下的稳定极限，确定满足输电能力目标的串补度下限IL；
所述步骤2中，开展串补变电站无功需求分析：计算不同串补度下相关变电站最大感性及容性无功需求，以变电站内低压无功补偿容量为约束条件，确定串补度控制上限IU1；
变电站无功需求计算表达式如下式①所示：
式中：Ql为该变电站所有进线或出线的无功需求之和，Qt为站内变压器的无功需求；
计算容性无功需求时，有：
Qt＝Pt 2Xt ③；
计算感性无功需求时，有：
Qt＝-Pt 2Xt ⑤；
式中：Pi为第i条进线或出线流过的有功功率，Qsh,i为第i条进线或出线高抗容量，Qc,i为第i条进线或出线充电功率；Xi为第i条进线或出线电抗，Pt为变电站下网有功功率，Xt为变压器电抗；
变电站最大感性及容性无功需求分别在空载方式及极限潮流方式下求得；
所述步骤3中，开展工频稳态过电压分析：采用长线路分布参数计算串补线路沿线电压分布，以电网工频电压控制上限为约束条件，确定串补度控制上限IU2；
采用长线路分布参数的输电线路视为二端口网络；该二端口网络输入输出关系为，
式中：分别为线路始端及末端的电压，分别为线路始端及末端的电流， 的参考方向均以流入二端口为正；
波阻抗ZC和传播常数γ的计算公式分别如下式⑦和⑧所示：
式中：z0为单位长度阻抗，y0为单位长度导纳，α为衰减常数，β为相位系数；
设传输矩阵T为，
若目标线路由不同参数的多段线路构成，则第j段线路的传输矩阵Tj根据式⑨计算；
设线路总传输矩阵为Ttotal，则有：
以线路末端电压电流为边界条件，利用第j段线路的传输矩阵Tj及总传输矩阵Ttotal，即得到沿线电压分布情况；
所述步骤4中，开展各类操作过电压分析：包括合闸、单相重合闸、接地故障及清除和甩负荷分闸类型操作过电压分析，以电网操作电压控制上限为约束条件，确定串补度控制上限IU3；
所述步骤(3)的串补度优化包括下述步骤：
<1>在串补度控制范围内将各目标函数取值归一化处理；
<2>确定初筛方案集中串补方案下的多目标及特定目标函数取值；
<3>选择初筛方案集中的一个串补方案，并判断其是否使得多目标函数取最大值；
<4>判断串补方案是否使得特定目标函数取最大值；
<5>判断初筛方案集是否搜索完毕；
所述步骤<1>中，在串补度控制范围内将各目标函数取值归一化处理，使其取值在0～1范围内，且目标效果优劣与数值大小呈现正相关，得到f1(i)……fm(i)；所述目标函数包括：
1)交流通道的输电能力；
2)最严重工况下系统无功容量需求；
3)最严重工况下串补装设线路上的工频过电压；
4)最严重工况下串补装设线路上的操作过电压；
5)串补装置的平均投资效益；
所述步骤<2>中，以f1(i)……fm(i)赋权累加和f(i)作为串补方案i综合评估的结果，多目标函数优化使得f(i)取得最大值；特定目标函数优化是指在串补度控制范围内使得某一目标函数取值最大；
所述步骤<3>中，若串补方案使得多目标函数取最大值，则输出多目标最优串补方案；否则，进行步骤<4>；
设fm(i)＝func(i)，当i取不同的数值时，求得串补度控制范围内的目标函数序列f1(1)……fm(n)；
其中，m为串补度优化目标函数的个数，n为所求得目标函数序列中的串补方案的个数；
进而求得对应每个串补方案下的优化目标函数总和：
f(1)＝k1f1(1)+k2f2(1)+……kmfm(1)；
f(2)＝k1f1(2)+k2f2(2)+……kmfm(2)；
……
f(n)＝k1fm(n)+k2fm(n)+……kmfm(n)；
其中，k1……km为各目标函数的权重；
当取k1＝k2＝……km时，即为多目标函数优化的串补度优化策略；
目标函数取最大值时所对应的优化目标函数序列f1(1)……fm(n)；
所述步骤<4>中，若串补方案使得特定目标函数取最大值，则输出特定目标最优串补方案；否则，进行步骤<5>；当取某目标函数权重系数kx远远大于其它系数k时，则为特定目标函数优化的串补度优化策略；
所述步骤<5>中，若初筛方案集搜索完毕，则结束流程；否则，返回步骤<3>。
2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中，筛选串补方案是确定串补度初筛方案集，串补度初筛方案集是从已构建串补方案中选择满足串补度控制范围的串补方案。
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特高压串补线路沿线电压分布及串补布置方案研究;秦晓辉等;《中国电机工程学报》;20110905;第31卷(第25期);第43-48页

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