CN114142462B - 电网分层分区方案优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网分层分区方案优化方法，包括获取待分析电网的运行参数及待优化的电网分层分区方案；计算待分析电网的安全裕度指标、待分析电网的潮流转移比指标和待分析电网的供电能力评估指标；计算待优化的电网分层分区方案的评价结果；根据评价结果得到最终的电网分层分区方案并对待优化的电网分层分区方案进行优化。本发明提供的这种电网分层分区方案优化方法，通过客观科学的方法步骤设计与算法创新，不仅实现了电网分层分区方案优化，而且能够得到最优的短路电流抑制方案，客观性强，科学性好且实用性较好。

Description

电网分层分区方案优化方法

技术领域

本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种电网分层分区方案优化方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。

随着我国经济和电网技术的发展，城市和工业中心的负荷与负荷密度不断增长，发电机、发电厂和变电站容量也不断增加，电力系统的规模不断扩大，区域电网间联系日益紧密，负荷不断增加。电力系统实现高度互联能够提高电网运行的经济效益和供电可靠性，但也使得短路电流问题愈发凸显。发电厂和变电站的容量不断增加，交直流混联线路不断增多，变电站之间的联系愈发紧密，电气距离显著减小，不同电压等级电网形成高低压电磁环网运行，以上各种情况均会造成电力系统的短路电流水平大幅度增加。

电网规模持续扩大和负荷的持续加重，电网的短路电流逐年增长，威胁电网安全稳定运行，导致电网运行控制难度增大，短路电流超标问题在未来一段时间内将成为制约电网安全运行的关键因素。目前，常用的短路电流抑制措施主要包括高/低压电磁环网开环、母线分段运行、拉停线路、线路出串、线路加装串抗、变压器中性点加装电抗器等。

目前，电网分层分区方案是一种直接且有效的降低电网短路电流水平的方法。现阶段，电网多采用在500千伏网架加强后适度解环220千伏电网形成分区运行，以控制220千伏电网短路电流。分层分区可以提高输电效率，使线路输送容量得到充分发挥，也使系统具有网络层次清晰、便于调度操作和事故处理的优点。但是，目前的电网分层分区方案基本由运维人员和研发人员自行研究约定，主观性强，而且缺乏一套有效且科学的评价和优化方案。这使得目前的电网分层分区方案客观性不强，而且科学性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种客观性强，科学性好且实用性较好的电网分层分区方案优化方法。

本发明提供的这种电网分层分区方案优化方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析电网的运行参数及待优化的电网分层分区方案；

S2.计算待分析电网的安全裕度指标；

S3.计算待分析电网的潮流转移比指标；

S4.计算待分析电网的供电能力评估指标；

S5.根据步骤S2～S4得到的指标，计算待优化的电网分层分区方案的评价结果；

S6.根据步骤S5得到的评价结果，得到最终的电网分层分区方案，并对待优化的电网分层分区方案进行优化。

步骤S2所述的计算待分析电网的安全裕度指标，具体包括如下步骤：

短路电流暂态安全指标β的计算公式为

式中I为电网中某线路短路时的短路电流，I_max为断路器能够承受的最大短路电流，I_set为电网中该线路的继电保护动作的电流整定值；短路电流暂态安全指标越大，表示电网对该条线路短路后的短路电流抑制作用越好；

计算待分析电网内各条线路的短路电流暂态安全指标β，并求平均值，从而得到待分析电网的安全裕度指标β_ave。

步骤S3所述的计算待分析电网的潮流转移比指标，具体包括如下步骤：

待分析电网的潮流转移比指标E的计算公式为

式中N_c为开环点周边的母线数目，P_r,k为第k条线路的传输控制功率，P_k0为开环方案i实施前第k条线路的潮流，Δδ_ki为开环方案i实施后转移至第k条周边线路的潮流且Δδ_ki＝P_ki-P_k0，P_ki为开环方案i实施后第k条线路上的潮流。

步骤S4所述的计算待分析电网的供电能力评估指标，具体包括如下步骤：

待分析电网的供电能力评估指标α的计算公式为

式中P₁为采取短路抑制措施后的供电能力，P₀为采取短路抑制措施前的供电能力。

所述的供电能力，具体为采用如下步骤进行计算：

A.采用线性差值法计算得到主变负载率裕度η＝0时的系统负荷量P₃

式中P_i,initial,1为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第一个初值；η₁为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第一个初值时所对应的主变负载率裕度指标；P_i,initial,2为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第二个初值；η₂为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第二个初值时所对应的主变负载率裕度指标；

B.在采用线性差值法计算的过程中，当η的取值与0之间的差值在设定范围内时，采用数值摄动法在线性差值法求解的基础上，求解得到η＝0时的系统负荷。

所述的采用数值摄动法在线性差值法求解的基础上，求解得到η＝0时的系统负荷，具体包括如下步骤：

B1.采用如下算式计算设置摄动值第I次迭代后的主变负载率裕度指标灵敏度：

式中a_I为系统负荷变化τ_I时η变化的灵敏度；η(ΔP^(I))为系统负荷量为ΔP^(I)时的主变负载率裕度指标值；η(ΔP^(I),τ_I)为在ΔP^(I)基础上增加摄动量τ_I后的主变负载率裕度指标；

B2.根据步骤B1计算得到的灵敏度a_I，采用如下算式计算得到令η(ΔP^(I+1))＝0的供区负荷变化量：

η(ΔP^(I+1))＝η(ΔP^(I))+a_IΔp^(I+1)

式中Δp^(I+1)为第I+1次求解的令η(ΔP^(I+1))＝0的系统负荷变化量；

B3.计算得到系统负荷ΔP^(I+1)为ΔP^(I+1)＝ΔP^(I)+Δp^(I+1)；

B4.设置收敛判据ε，并将ΔP^(I+1)代入计算η(ΔP^(I+1))，并判断：

若η(ΔP^(I+1))＜ε，则计算结束；

否则，返回步骤B1并重新进行计算。

步骤S5所述的根据步骤S2～S4得到的指标，计算待优化的电网分层分区方案的评价结果，具体包括如下步骤：

a.构建评价函数J为

式中待分析电网的安全裕度指标β_ave，E为待分析电网的潮流转移比指标，α为待分析电网的供电能力评估指标α；

b.采用如下算式作为评价函数的约束条件：

I＜I_max

P_line,i＜P_N,i

式中I为电网中某线路短路时的短路电流，I_max为断路器能够承受的最大短路电流；I_set为电网中该线路的继电保护动作的电流整定值；P_line,i为采取电网分层分区方案后第i条线路的功率；P_N,i为第i条线路的额定功率；

c.在步骤b构建的约束条件下，采用步骤a构建的评价函数，对各个待优化的电网分层分区方案进行评价，得到各个待优化的电网分层分区方案的评价结果。

步骤S6所述的根据步骤S5得到的评价结果，得到最终的电网分层分区方案，并对待优化的电网分层分区方案进行优化，具体为选取评价结果最优的电网分层分区方案作为最终的电网分层分区方案，并对剩余的电网分层分区方案进行优化。

本发明提供的这种电网分层分区方案优化方法，通过客观科学的方法步骤设计与算法创新，不仅实现了电网分层分区方案优化，而且能够得到最优的短路电流抑制方案，客观性强，科学性好且实用性较好。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

图2为本发明方法的实施例的2025年XC供区开环方案前拓扑图及主要220千伏线路潮流示意图。

图3为本发明方法的实施例的2025年XC供区开环方案一拓扑图及潮流示意图。

图4为本发明方法的实施例的2025年XC开环方案二拓扑图及潮流示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种电网分层分区方案优化方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析电网的运行参数及待优化的电网分层分区方案；

S2.计算待分析电网的安全裕度指标；以断路器所能承受的开断电流和继电保护动作电流整定值为门槛值，分析暂态过程中短路电流影响断路器正常开断的安全裕度；具体包括如下步骤：

短路电流暂态安全指标β的计算公式为

式中I为电网中某线路短路时的短路电流，I_max为断路器能够承受的最大短路电流，I_set为电网中该线路的继电保护动作的电流整定值；短路电流暂态安全指标越大，表示电网对该条线路短路后的短路电流抑制作用越好；

计算待分析电网内各条线路的短路电流暂态安全指标β，并求平均值，从而得到待分析电网的安全裕度指标β_ave；

具体实施时，通常情况下，系统的短路电流必然大于继电保护动作整定值I_set，而断路器额定遮断电流大于继电保护整定值I_set；因此当β>0时，短路电流水平是暂态安全的；当β<0，短路电流水平是暂态不安全的；当β＝0，短路电流水平是临界安全的；根据不同抑制短路电流方案，可以得到不同的安全裕度指标，裕度指标值越大，表明对短路电流的抑制作用越好；

实际工程中，220kV断路器的额定遮断电流有50kA和40kA两种，500kV断路器额定遮断电流有63kA和50kA两种；

S3.计算待分析电网的潮流转移比指标；在电网的开环分区中，当线路开断后，系统会将开断线路潮流转移至周边线路以维持输电平衡，而这将影响电网的安全稳定运行；因此定义潮流转移比指标E表征系统所受线路转移潮流冲击的大小；具体包括如下步骤：

待分析电网的潮流转移比指标E的计算公式为

式中N_c为开环点周边的母线数目，P_r,k为第k条线路的传输控制功率，P_k0为开环方案i实施前第k条线路的潮流，Δδ_ki为开环方案i实施后转移至第k条周边线路的潮流且Δδ_ki＝P_ki-P_k0，P_ki为开环方案i实施后第k条线路上的潮流；

具体实施时，通过上式计算可以得到各条线路的潮流转移比，然后根据主要传输线路负载率对每条线路安全裕度进行校核；正常运行方式下，线路负载率超过80％时视为重载，不利于系统安全稳定运行；

S4.计算待分析电网的供电能力评估指标；具体包括如下步骤：

待分析电网的供电能力评估指标α的计算公式为

式中P₁为采取短路抑制措施后的供电能力，P₀为采取短路抑制措施前的供电能力；

现阶段多采用500kV网架加强后适度解环220kV电网形成分区运行，进而达到控制220kV电网短路电流；由于变电站供电能力由其所带负荷决定，因此对于220kV电网，电磁环网解环不会影响220kV变电站正常运行方式下的最大供电能力，但是对500kV变电站正常运行方式下的最大供电能力会产生影响；

在主变N-1情况下校核供区供电能力时，通过不断增加供区负荷，直至供区内一台主变达到满载状态；但是该方法求解速度较慢，不利于快速获得供区供电能力；采用线性插值法和摄动法能够快速求解供区在主变N-1情况下的供电能力；因此，采用如下步骤进行计算供电能力：

A.采用线性差值法计算得到主变负载率裕度η＝0时的系统负荷量P₃

式中P_i,initial,1为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第一个初值；η₁为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第一个初值时所对应的主变负载率裕度指标；P_i,initial,2为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第二个初值；η₂为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第二个初值时所对应的主变负载率裕度指标；

B.在采用线性差值法计算的过程中，当η的取值与0之间的差值在设定范围内时，采用数值摄动法在线性差值法求解的基础上，求解得到η＝0时的系统负荷；具体包括如下步骤：

B1.采用如下算式计算设置摄动值第I次迭代后的主变负载率裕度指标灵敏度：

式中a_I为系统负荷变化τ_I时η变化的灵敏度；η(ΔP^(I))为系统负荷量为ΔP^(I)时的主变负载率裕度指标值；η(ΔP^(I),τ_I)为在ΔP^(I)基础上增加摄动量τ_I后的主变负载率裕度指标；

B2.根据步骤B1计算得到的灵敏度a_I，采用如下算式计算得到令η(ΔP^(I+1))＝0的供区负荷变化量：

η(ΔP^(I+1))＝η(ΔP^(I))+a_IΔp^(I+1)

式中Δp^(I+1)为第I+1次求解的令η(ΔP^(I+1))＝0的系统负荷变化量；

B3.计算得到系统负荷ΔP^(I+1)为ΔP^(I+1)＝ΔP^(I)+Δp^(I+1)；

B4.设置收敛判据ε，并将ΔP^(I+1)代入计算η(ΔP^(I+1))，并判断：

若η(ΔP^(I+1))＜ε，则计算结束；

否则，返回步骤B1并重新进行计算；

根据不同方案，对供区进行N-1校核，得到该区域的供电能力，比较不同方案对供电能力的影响；

S5.根据步骤S2～S4得到的指标，计算待优化的电网分层分区方案的评价结果；具体包括如下步骤：

a.构建评价函数J为

式中待分析电网的安全裕度指标β_ave，E为待分析电网的潮流转移比指标，α为待分析电网的供电能力评估指标α；

b.采用如下算式作为评价函数的约束条件：

I＜I_max

P_line,i＜P_N,i

式中I为电网中某线路短路时的短路电流，I_max为断路器能够承受的最大短路电流；I_set为电网中该线路的继电保护动作的电流整定值；P_line,i为采取电网分层分区方案后第i条线路的功率；P_N,i为第i条线路的额定功率；

c.在步骤b构建的约束条件下，采用步骤a构建的评价函数，对各个待优化的电网分层分区方案进行评价，得到各个待优化的电网分层分区方案的评价结果；

S6.根据步骤S5得到的评价结果，得到最终的电网分层分区方案，并对待优化的电网分层分区方案进行优化；具体为选取评价结果最优的电网分层分区方案作为最终的电网分层分区方案，并对剩余的电网分层分区方案进行优化。

以下结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：

以某省级电网采取电磁环网解环措施抑制短路电流方案为例，计算时负荷模型中考虑30％的感应电动机等值在110千伏母线提供短路电流。由于供区负荷较重，电网密度较高，XC变电站短路电流越限问题凸显，有必要对XC供区开环方案进行详细论证，在保证系统需求的前提下进一步降低XC变电站短路电流水平，并尽可能通过合理开环方式减小对XC供区供电能力的影响。

采取方案前，区域的潮流分布如图2所示。

根据2025年XC变电站周边220千伏网络，同时结合实际情况，提出以下开环方案：

方案一：XC内部跨接、母线分段运行。通过SML～DS(需对调XC变DS I、II与BT I、II间隔)实现XC M1与M2互联，外部通过CSX～SBT双回线路实现XC M2与CSX互联，同时开断CSX～BHD、LH～HX、XC～BT双回线路，形成XC M1、M2与CSX自环结构；具体如图3所示。

方案二：XC内部不跨接(维持原有间隔排列)、母线分段运行。通过CSX～SBT双回线路实现XC M1与XC M2互联，同时BT母线分段运行(BT主变由YT、DT供区供带)，形成XC M1、M2与CSX联合供区；具体如图4所示。

(1)潮流转移比和线路负载率：

从潮流分布看，两套方案潮流分布均匀，由于方案一开断XC～BT、LH～HX双回，HJT、HX转由YT及DT供带，XC下网压力进一步减轻，充分发挥YT及DT的供电能力。表1给出了采取抑制短路电流前、方案一和方案二下，线路的负载率。

表1不同方案下的线路负载率示意表

从供电可靠性看，两套方案均满足N-1校核，但考虑方案一通过SML～DS、CSX～SBT双回形成XC M1、M2与CSX自环结构，供电可靠性较高。根据表1中的数据和图1、图2和图3的潮流分布情况，可以计算得到方案一和方案的潮流转移比指标E，如表2所示。

表2不同方案下的潮流转移比示意表

	方案一	方案二
			潮流转移比E	0.7259	1.8951

(2)短路电流安全裕度：

不同方案主要变电站短路电流如表3所示。从短路电流水平看，两套方案各站短路电流均能满足限值要求。由于方案一形成XCM1、M2与CSX自环结构，短路电流水平较方案二略高。

表3不同方案下的2025年XC开环方案短路电流示意表

假设继电保护动作电流为20kA，分析不同方案下XC供区内主要各短路点的短路电流安全裕度，如表4所示：

表4不同方案下的2025年XC开环方案短路电流安全裕度示意表

(3)供电能力：

对不同方案进行N-1校核，分析XC供电区域的供电能力，利用线性插值法和摄动法求解方案一和方案二的供电能力，结果如表5所示。从表中可以看出，从供电能力看，方案一形成XC M1、M2与CSX自环结构，CSX与XC合计5台主变供电能力约350万千瓦，方案二CSX与XC合计供电能力约330万千瓦，方案一供电能力更高。

表5不同方案下的2025年XC开环方案供电能力示意表

	未采取分区方案	方案一	方案二
				供电能力	390万千瓦	350万千瓦	330万千瓦
供电能力评估指标α	/	10.26％	15.38％

方案一潮流分布均匀，短路电流水平合理，供电能力较高，供电能力评估指标，即短路电流安全裕度指标β_ave，1平均值＝0.109，供电能力下降程度α₁＝0.1026，潮流转移比指标E₁＝0.7259，目标函数值最大，为1.4635。方案二潮流分布均匀，短路电流水平合理，短路电流安全裕度指标β_ave，2平均值＝0.189，供电能力下降程度α₂＝0.1538，潮流转移比指标E₂＝1.8951，目标函数值为0.6484。综上，通过目标函数求解得到最优短路电流抑制方案，即方案一。

因此所提短路电流抑制方案优化方法可以对不同方案的短路电流安全裕度、潮流转移比、供区供电能力进行分析优化，最终得到短路电流抑制最优方案，为实际工程方案优化提供方法，同时为方案选择提供量化依据。

Claims (6)

1.一种电网分层分区方案优化方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析电网的运行参数及待优化的电网分层分区方案；

S2.计算待分析电网的安全裕度指标；

S3.计算待分析电网的潮流转移比指标；

S4.计算待分析电网的供电能力评估指标；具体包括如下步骤：

待分析电网的供电能力评估指标α的计算公式为

式中P₁为采取短路抑制措施后的供电能力，P₀为采取短路抑制措施前的供电能力；

具体实施时，所述的供电能力采用如下步骤进行计算：

A.采用线性差值法计算得到主变负载率裕度η＝0时的系统负荷量P₃

式中P_i,initial,1为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第一个初值；η₁为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第一个初值时所对应的主变负载率裕度指标；P_i,initial,2为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第二个初值；η₂为采用线性差值法求解得到系统负荷量的第二个初值时所对应的主变负载率裕度指标；

B.在采用线性差值法计算的过程中，当η的取值与0之间的差值在设定范围内时，采用数值摄动法在线性差值法求解的基础上，求解得到η＝0时的系统负荷；

S5.根据步骤S2～S4得到的指标，计算待优化的电网分层分区方案的评价结果；

S6.根据步骤S5得到的评价结果，得到最终的电网分层分区方案，并对待优化的电网分层分区方案进行优化。

2.根据权利要求1所述的电网分层分区方案优化方法，其特征在于步骤S2所述的计算待分析电网的安全裕度指标，具体包括如下步骤：

短路电流暂态安全指标β的计算公式为

式中I为电网中某线路短路时的短路电流，I_max为断路器能够承受的最大短路电流，I_set为电网中该线路的继电保护动作的电流整定值；短路电流暂态安全指标越大，表示电网对该条线路短路后的短路电流抑制作用越好；

计算待分析电网内各条线路的短路电流暂态安全指标β，并求平均值，从而得到待分析电网的安全裕度指标β_ave。

3.根据权利要求2所述的电网分层分区方案优化方法，其特征在于步骤S3所述的计算待分析电网的潮流转移比指标，具体包括如下步骤：

待分析电网的潮流转移比指标E的计算公式为

式中N_c为开环点周边的母线数目，P_r,k为第k条线路的传输控制功率，P_k0为开环方案i实施前第k条线路的潮流，Δδ_ki为开环方案i实施后转移至第k条周边线路的潮流且Δδ_ki＝P_ki-P_k0，P_ki为开环方案i实施后第k条线路上的潮流。

4.根据权利要求3所述的电网分层分区方案优化方法，其特征在于所述的采用数值摄动法在线性差值法求解的基础上，求解得到η＝0时的系统负荷，具体包括如下步骤：

B1.采用如下算式计算设置摄动值第I次迭代后的主变负载率裕度指标灵敏度：

式中a_I为系统负荷变化τ_I时η变化的灵敏度；η(ΔP^(I))为系统负荷量为ΔP^(I)时的主变负载率裕度指标值；η(ΔP^(I),τ_I)为在ΔP^(I)基础上增加摄动量τ_I后的主变负载率裕度指标；

B2.根据步骤B1计算得到的灵敏度a_I，采用如下算式计算得到令η(ΔP^(I+1))＝0的供区负荷变化量：

η(ΔP^(I+1))＝η(ΔP^(I))+a_IΔp^(I+1)

式中Δp^(I+1)为第I+1次求解的令η(ΔP^(I+1))＝0的系统负荷变化量；

B3.计算得到系统负荷ΔP^(I+1)为ΔP^(I+1)＝ΔP^(I)+Δp^(I+1)；

B4.设置收敛判据ε，并将ΔP^(I+1)代入计算η(ΔP^(I+1))，并判断：

若η(ΔP^(I+1))＜ε，则计算结束；

否则，返回步骤B1并重新进行计算。

5.根据权利要求4所述的电网分层分区方案优化方法，其特征在于步骤S5所述的根据步骤S2～S4得到的指标，计算待优化的电网分层分区方案的评价结果，具体包括如下步骤：

a.构建评价函数J为

式中待分析电网的安全裕度指标β_ave，E为待分析电网的潮流转移比指标，α为待分析电网的供电能力评估指标α；

b.采用如下算式作为评价函数的约束条件：

I＜I_max

P_line,i＜P_N,i

式中I为电网中某线路短路时的短路电流，I_max为断路器能够承受的最大短路电流；I_set为电网中该线路的继电保护动作的电流整定值；P_line,i为采取电网分层分区方案后第i条线路的功率；P_N,i为第i条线路的额定功率；

c.在步骤b构建的约束条件下，采用步骤a构建的评价函数，对各个待优化的电网分层分区方案进行评价，得到各个待优化的电网分层分区方案的评价结果。

6.根据权利要求5所述的电网分层分区方案优化方法，其特征在于步骤S6所述的根据步骤S5得到的评价结果，得到最终的电网分层分区方案，并对待优化的电网分层分区方案进行优化，具体为选取评价结果最优的电网分层分区方案作为最终的电网分层分区方案，并对剩余的电网分层分区方案进行优化。

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