CN106384172A - 一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法，综合考虑风电及火电外送收入、外送线路投资成本和火电煤耗成本对输电收益的影响，建立风火打捆外送线路截面优化模型，并考虑环境温度的影响。本发明可以充分利用线路的热载荷能力，提高线路的利用率，从而节约外送线路的投资，增加输电的收益；在不影响线路安全性的情况下，更充分地挖掘线路的输电能力。

Description

一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法

技术领域

本发明涉及电网规划领域，特别是一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法。

背景技术

我国的风能资源主要集中在三北地区及东南沿海地区。而三北地区面积广阔，适合开发大规模的风电基地。但是三北地区经济发展落后，用电需求小，无法消纳大规模的风电，需要高电压，长距离线路输送到负荷中心进行消纳。由于风电的出力具有波动性，导致风电的弃风现象很严重。而三北地区除了风电，还具有丰富的火电资源，所以风火打捆外送是扩大风电消纳规模的理想途径。线路的输送容量与其载流量有关，而线路的载流量又与其环境温度和截面有关。输电线路一般是按照特定的气象条件和导线最高允许温度计算的载流量来选择截面的，这是一个较保守的值。而实际中气象条件会变化，不是一个固定的值，可以根据有利的气象条件，在不超过线路最高允许温度的情况下，适当提高线路的载流量，充分发挥导线的热载荷能力。相关文献对纯风电外送和风火打捆外送的输电容量优化进行了研究，但在确定输电容量时，都没有考虑线路的热载荷能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法，优化了风火打捆外送线路截面，节约外送线路的投资，增加收益。

本发明采用以下方案实现：一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提取系统信息；所述系统信息包括气象信息、外送线路信息、发电厂的各种运行信息、电价信息；

步骤S2：考虑年送出风电及火电的收入、输电线路的投资和火电煤耗成本，建立最大的输电收益模型，用数学函数表述如下：

maxf＝p_wQ_w+p_cQ_c-C_t-C_th.c；

其中，p_w为风电上网电价；p_c为火电上网电价；Q_w为年风电外送电量；Q_c为年火电外送电量；C_t为输电线路投资等年值；C_th.c为火电年发电煤耗成本；

步骤S3：求解风火打捆外送线路的最优截面值。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤；

步骤S21：根据环境温度来确定导线的载流量，用数学函数表述如下：

$I_t=\sqrt{\frac{9.92\mathrm{\θ}{\left(VD\right)}^{0.485}+A-{\mathrm{\α}}_s{I}_{s}D}{R_{at}}};$

A＝πεSD[(θ+t_a+273)⁴-(t_a+273)⁴]；

R_at＝K_tR_dt；

其中，为导线载流时温升；V为风速；D为导线外径；A为导线的辐射散热；ε为导线表面辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.90～0.95；S为常数，S＝5.67×10^-8W/m²；t_a为环境温度；α_s为导线吸热系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.90～0.95；I_s为日照强度；R_at为导线温度为时的交流电阻；K_t为导线温度为时的交直流电阻比；R_dt为导线温度为时的直流电阻；I_t表示导线的载流量；

步骤S22：根据导线的载流量来确定导线的最大输送功率，导线允许温度相同时，在一定的导线截面下，不同的环境温度对应的最大载流量不同，导线可输送的容量不同。用数学函数表述如下：

其中，I_t(k)为k时段环境温度对应的导线最大载流量；P_t(k)为k时段导线最大输送功率；U为线路电压等级；为功率因数；

步骤S23：计算年风电和火电的外送电量；若风电的出力大于线路可输送的容量减去火电最小技术出力，则需要放弃风电；火电的出力不能大于其装机容量；用数学函数表述如下：

$Q_w=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_w^{\′}\left(k\right)\×\mathrm{\Δ}t;$

$Q_c=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_c\left(k\right)\×\mathrm{\Δ}t;$

$P_w^{\′}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_t\left(k\right)-P_{th\_\min }& P_w\left(k\right)>P_t\left(k\right)-P_{th\_\min }\\ P_w\left(k\right)& P_w\left(k\right)\≤P_t\left(k\right)-P_{th\_\min }\end{array}\right.;$

$P_c\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)& P_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)\≤P_{th}\\ P_{th}& P_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)>P_{th}\end{array}\right.;$

其中，T为全年划分的时段数；P_w(k)为风电在k时段的出力；P_w’(k)为风电在k时段扣除弃风后的实际送出功率；△t为每个时段的步长；P_{th_min}为火电最小技术出力；P_c(k)为火电在k时段的出力；P_th为火电装机容量；

步骤S24：计算输电线路投资等年值，用数学函数表述如下：

$C_t=S_{line}\×Y\×L\×\frac{r{(1+r)}^{n_t}}{{(1+r)}^{n_t}-1};$

其中，S_line为导线截面积；Y为输电线路单位面积单位长度的投资；L为输电线路的长度；r为贴现率；n_t为输电线路的投资回收期；

步骤S25：计算火电年发电煤耗成本，用数学函数表述如下：

$C_{th.c}=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[a_i\×{\left(P_{ci}\right(k\left)\right)}^2+b_i\×P_{ci}\left(k\right)+c_i\]\×\mathrm{\Δ}t\×g;$

$P_c\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{ci}\left(k\right);$

其中，n为火电机组总数；a_i，b_i和c_i为火电机组i的煤耗特性曲线的系数；P_ci(k)为火电机组i在k时段的出力；g为燃煤价格。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出的一种考虑热载荷能力风火打捆外送线路截面优化的方法，可以充分利用线路的热载荷能力，提高线路的利用率，从而节约外送线路的投资，增加输电的收益；在不影响线路安全性的情况下，更充分地挖掘线路的输电能力。

由于外送线路可输送的容量与其截面和环境温度有关，在优化线路截面时，需要考虑线路的热载荷能力。本方法考虑线路热载荷能力，根据变化的实际环境温度来选择风火打捆外送线路的截面。通过本方法，得出环境温度和环境温度年较差的变化对收益带来的影响，可以有规律可循。

附图说明

图1为本发明的实施例中风火打捆送出电量计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提取系统信息；所述系统信息包括气象信息、外送线路信息、发电厂的各种运行信息、电价信息；

步骤S2：考虑年送出风电及火电的收入、输电线路的投资和火电煤耗成本，建立最大的输电收益模型，用数学函数表述如下：

maxf＝p_wQ_w+p_cQ_c-C_t-C_th.c；

其中，p_w为风电上网电价；p_c为火电上网电价；Q_w为年风电外送电量；Q_c为年火电外送电量；C_t为输电线路投资等年值；C_th.c为火电年发电煤耗成本；

步骤S3：求解风火打捆外送线路的最优截面值。

在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤；

步骤S21：根据环境温度来确定导线的载流量，用数学函数表述如下：

$I_t=\sqrt{\frac{9.92\mathrm{\θ}{\left(VD\right)}^{0.485}+A-{\mathrm{\α}}_s{I}_{s}D}{R_{at}}};$

A＝πεSD[(θ+t_a+273)⁴-(t_a+273)⁴]；

R_at＝K_tR_dt；

其中，为导线载流时温升；V为风速；D为导线外径；A为导线的辐射散热；ε为导线表面辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.90～0.95；S为常数，S＝5.67×10^-8W/m²；t_a为环境温度；α_s为导线吸热系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.90～0.95；I_s为日照强度；R_at为导线温度为时的交流电阻；K_t为导线温度为时的交直流电阻比；R_dt为导线温度为时的直流电阻；I_t表示导线的载流量；

步骤S22：根据导线的载流量来确定导线的最大输送功率，导线允许温度相同时，在一定的导线截面下，不同的环境温度对应的最大载流量不同，导线可输送的容量不同。用数学函数表述如下：

其中，I_t(k)为k时段环境温度对应的导线最大载流量；P_t(k)为k时段导线最大输送功率；U为线路电压等级；为功率因数；

步骤S23：计算年风电和火电的外送电量；若风电的出力大于线路可输送的容量减去火电最小技术出力，则需要放弃风电；火电的出力不能大于其装机容量；用数学函数表述如下：

$Q_w=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_w^{\′}\left(k\right)\×\mathrm{\Δ}t;$

$Q_c=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_c\left(k\right)\×\mathrm{\Δ}t;$

$P_w^{\′}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_t\left(k\right)-P_{th\_\min }& P_w\left(k\right)>P_t\left(k\right)-P_{th\_\min }\\ P_w\left(k\right)& P_w\left(k\right)\≤P_t\left(k\right)-P_{th\_\min }\end{array}\right.;$

$P_c\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)& P_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)\≤P_{th}\\ P_{th}& P_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)>P_{th}\end{array}\right.;$

其中，T为全年划分的时段数；P_w(k)为风电在k时段的出力；P_w’(k)为风电在k时段扣除弃风后的实际送出功率；△t为每个时段的步长；P_{th_min}为火电最小技术出力；P_c(k)为火电在k时段的出力；P_th为火电装机容量；

步骤S24：计算输电线路投资等年值，用数学函数表述如下：

$C_t=S_{line}\×Y\×L\×\frac{r{(1+r)}^{n_t}}{{(1+r)}^{n_t}-1};$

其中，S_line为导线截面积；Y为输电线路单位面积单位长度的投资；L为输电线路的长度；r为贴现率；n_t为输电线路的投资回收期；

步骤S25：计算火电年发电煤耗成本，用数学函数表述如下：

$C_{th.c}=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[a_i\×{\left(P_{ci}\right(k\left)\right)}^2+b_i\×P_{ci}\left(k\right)+c_i\]\×\mathrm{\Δ}t\×g;$

$P_c\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{ci}\left(k\right);$

其中，n为火电机组总数；a_i，b_i和c_i为火电机组i的煤耗特性曲线的系数；P_ci(k)为火电机组i在k时段的出力；g为燃煤价格。

图1中，P_w(t)为风电的时序出力曲线，P_{th_min}为火电最小技术出力，在某个截面某个环境温度下对应一个最大载流量，这时的最大载流量对应一个线路可输送的容量为Pt。阴影部分面积为风电弃风电量，斜线部分面积为风电送出的电量，竖线部分面积为火电可送出的电量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：提取系统信息；所述系统信息包括气象信息、外送线路信息、发电厂的各种运行信息、电价信息；

步骤S2：考虑年送出风电及火电的收入、输电线路的投资和火电煤耗成本，建立最大的输电收益模型，用数学函数表述如下：

maxf＝p_wQ_w+p_cQ_c-C_t-C_th.c；

其中，p_w为风电上网电价；p_c为火电上网电价；Q_w为年风电外送电量；Q_c为年火电外送电量；C_t为输电线路投资等年值；C_th.c为火电年发电煤耗成本；

步骤S3：求解风火打捆外送线路的最优截面值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑热载荷能力的风火打捆外送线路截面优化的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤；

步骤S21：根据环境温度来确定导线的载流量，用数学函数表述如下：

$I_t=\sqrt{\frac{9.92\mathrm{\θ}{\left(VD\right)}^{0.485}+A-{\mathrm{\α}}_s{I}_{s}D}{R_{at}}};$

A＝πεSD[(θ+t_a+273)⁴-(t_a+273)⁴]；

R_at＝K_tR_dt；

其中，θ为导线载流时温升；V为风速；D为导线外径；A为导线的辐射散热；ε为导线表面辐射系数；S为常数；t_a为环境温度；α_s为导线吸热系数；I_s为日照强度；R_at为导线温度为θ+t_a时的交流电阻；K_t为导线温度为θ+t_a时的交直流电阻比；R_dt为导线温度为θ+t_a时的直流电阻；I_t表示导线的载流量；

步骤S22：根据导线的载流量来确定导线的最大输送功率，用数学函数表述如下：

其中，I_t(k)为k时段环境温度对应的导线最大载流量；P_t(k)为k时段导线最大输送功率；U为线路电压等级；为功率因数；

步骤S23：计算年风电和火电的外送电量；若风电的出力大于线路可输送的容量减去火电最小技术出力，则需要放弃风电；火电的出力不能大于其装机容量；用数学函数表述如下：

$Q_w=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_w^{\′}\left(k\right)\×\mathrm{\Δ}t;$

$Q_c=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_c\left(k\right)\×\mathrm{\Δ}t;$

$P_w^{\′}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_t\left(k\right)-P_{th\_\min }& P_w\left(k\right)>P_t\left(k\right)-P_{th\_\min }\\ P_w\left(k\right)& P_w\left(k\right)\≤P_t\left(k\right)-P_{th\_\min }\end{array}\right.;$

$P_c\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)& P_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)\≤P_{th}\\ P_{th}& P_t\left(k\right)-P_w^{\′}\left(k\right)>P_{th}\end{array}\right.;$

其中，T为全年划分的时段数；P_w(k)为风电在k时段的出力；P_w’(k)为风电在k时段扣除弃风后的实际送出功率；△t为每个时段的步长；P_{th_min}为火电最小技术出力；P_c(k)为火电在k时段的出力；P_th为火电装机容量；

步骤S24：计算输电线路投资等年值，用数学函数表述如下：

$C_t=S_{line}\×Y\×L\×\frac{r{(1+r)}^{n_t}}{{(1+r)}^{n_t}-1};$

其中，S_line为导线截面积；Y为输电线路单位面积单位长度的投资；L为输电线路的长度；r为贴现率；n_t为输电线路的投资回收期；

步骤S25：计算火电年发电煤耗成本，用数学函数表述如下：

$C_{th.c}=\underset{k=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[a_i\×{\left(P_{ci}\right(k\left)\right)}^2+b_i\×P_{ci}\left(k\right)+c_i\]\×\mathrm{\Δ}t\×g;$

$P_c\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{ci}\left(k\right);$

其中，n为火电机组总数；a_i，b_i和c_i为火电机组i的煤耗特性曲线的系数；P_ci(k)为火电机组i在k时段的出力；g为燃煤价格。