城市电网分区柔性互联选址方法及示范应用

肖峻，李思岑，黄仁乐，李蕴，韩帅

(1.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 300072；2.国网北京市电力公司，北京市 100031)

城市电网分区柔性互联选址方法及示范应用

肖峻1，李思岑1，黄仁乐2，李蕴2，韩帅2

(1.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 300072；2.国网北京市电力公司，北京市 100031)

在城市电网分区间，利用柔性直流电力电子装置，实现柔性互联，有可能解决现有交流型城市电网分区运行中存在的难题。介绍了国内外首个城市电网分区柔性互联示范工程的选址，并提出一种实用的选址方法。首先，建立了分区间柔性互联装置选址模型，计及了静态安全性、供电能力、短路电流、电压稳定等7项指标。由于电压稳定等指标计算需要逐个case模拟故障仿真，对于大型城市电网柔性互联选址的计算量很大，模型很难直接求解，因此提出一种实用的选址方法：先给出分区有功需求及无功需求初筛指标，依据其进行方案初筛；再进一步详细仿真分析得到7项细筛指标；然后采用层次分析法确定最优方案，最后介绍了示范工程的选址论证。结果表明，所提方法确定的选址方案具有很好的互联效果，发现了除示范工程外更多效果良好的位置，为后续柔性互联提供了选择。同时，研究发现不是所有分区柔性互联后都具有明显效果，故进一步归纳了适合柔性互联的分区特征。所提方法和实践对城市电网分区柔性互联的发展具有重要意义。

城市电网；分区；柔性直流；柔性互联；选址

0 引 言

大型城市电网多为受端电网，本地电源装机容量通常远远无法满足负荷需求，区外来电比例较高[1]。为了解决电网短路电流过大的问题，同时防止500 kV/220 kV电磁环网的事故隐患，大型城市电网一般采取220 kV电压等级分区运行模式[2-3]，相邻分区间互为备用。

然而，城市电网分区独立运行也存在一些安全性问题：(1)各分区供电能力不足；(2)电力平衡与“N-1”故障后潮流过载[4]；(3)电网故障后母线电压水平较低[5]；(4)系统短路电流过大[6]；(5)城市负荷中心缺乏足够的电压支撑，造成暂态电压稳定问题[7]等。为解决上述问题，通过分区间进行紧急功率支援显得非常必要，但如果直接闭合联络线进行功率支援，由于潮流不可控，容易造成事故扩大化[8]。柔性直流输电作为新一代直流输电技术可解决诸多电网运行问题。工程表明，在电网分区间安装柔性直流装置可实现分区互联[9]。

采用柔性直流输电技术实现城市电网分区互联，不仅可以完成分区间功率交换的功能，还可以凭借其快速独立调节无功功率、“黑启动”、不提供短路电流等技术特性，解决电网中的动态稳定性、电网黑启动以及短路电流超标等安全性问题。同时，柔性直流装置结构紧凑占地面积相对较少，在城市电网中使用具有很大优势[10-13]。柔性互联装置改善城市电网分区运行现有问题具体表现为：(1)增强分区供电能力；(2)实现分区间电力平衡及“N-1”后实现分区间负荷转带；(3)调节母线电压水平；(4)降低短路电流；(5)为城市负荷中心提供必要的无功支撑，克服电压稳定性所构成的限制等。此外，柔性直流技术还可以增强城市电网建设的可实施性，节省电力建设成本，满足电力市场要求，方便新能源接入等[14-15]。

柔性直流技术在负荷中心分网运行的功能要求、控制原理与架构等已有一定研究[16]。但由于城市电网分区间柔性互联技术较新，如何在城市电网规划阶段选择出适合分区互联装置安装地址亟待探讨，且如何对城市电网分区选址方案迅速进行可行性筛选，并通过一定评价目标实现选址的综合优化，暂时没有得到解决。上述待研究问题可基于已有柔性直流装置的机理性质与现有装置的相似性，参考借鉴现有的相关选址研究方法。

柔性直流装置的无功补偿特性与柔性交流输电系统(flexible alternative current transmission systems，FACTS)相似，以往对FACTS装置的选址研究主要分为2类。第一类为直接选择电网无功补偿点的方法，具体的选择依据有无功裕度[17]、静态电压稳定性[18]、静态能量[19]等。第二类方法为同时考虑装置容量的多目标选址方法，研究重点在于求解多目标函数的算法，已有的求解方法有粒子群算法[20]、遗传算法[21]、蚁群算法[22]、智能帕雷托解法[23]等。但以上这些方法由于结果较为精确，故其程序复杂且计算量较大，仅适用于小范围进一步计算。且其目标并未全面考虑城市电网需求，不适用于大型城市电网分区间的柔性直流装置选址。因此有必要根据柔性互联装置的特点提出一种快速且全面的选址方法。

本文基于柔性直流分区互联装置的特点，提出柔性互联装置的选址模型与实用方法，并在实际大型城市电网分区柔性互联中运用该方法。

1 分区柔性互联选址模型

分区间柔性直流互联装置安装于城市电网相邻两分区间的联络线上，即装置在两分区间的安装位置已确定。因此，在一个城市电网中可以安装柔性互联装置的待选位置是确定的，城市电网分区间柔性互联装置选址则是从这些已有的可安装位置中选出最适合的位置，使装置的作用充分发挥以解决分区间目前所存在的安全性问题，从而提高分区电网的可靠性和经济性。

具体的分区间柔性互联装置选址模型如下。

GBest=max(G1,G2,…,Gn)

(1)

(2)

(3)

(4)

F3=b(0.5μ+0.5τ)+cα

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：GBest为最优选址方案得分；Gn为初筛后第n个较优方案得分；λi为层次分析法第1层第i个因素的权重；Pi为第1层第i个因素得分；wj为第2层第j个指标的权重；Fnj为第n个较优方案的第j个指标系数；F1为负荷均衡指标；F2为静态安全性指标；F3为动态无功电压稳定指标；F4为供电能力提升指标；F5为短路电流降低指标；F6为供电可靠性指标；F7为经济性指标。

式(1)为目标函数，表示最优选址方案为较优方案中综合各指标得分最高的方案；式(2)为较优方案得分等式，表示最终得分为各细筛指标评分与权重的乘积求和；式(3)— 式(9)为各细筛指标的计算式，其结果可表示分区互联装置在7个细筛指标下的效果，具体在2.2节中详细介绍。

2 分区柔性互联的实用选址方法

由于选址考虑因素较多、计算量很大，特别是静态安全性、电压稳定性等均需对元件逐个进行故障仿真。因此本文首先采用一种初筛方法，可以不经仿真快速筛除不适合的方案。初筛后再细筛，即详细计算方案实施前后静态安全性等7个指标。最后，利用综合评判方法选出最优方案。

2.1 选址初筛方法

由于分区柔性互联装置可以独立地控制有功和无功，即其既可以进行分区间有功支援以减少重载元件所带负荷，同时又能进行无功控制影响电压。故安装柔性互联装置的2个分区应对有功和无功两方面均有一定需求，详细原理见附录A。

初筛方法分为3步：第1步，从有功需求方面对已有方案进行第1轮筛除；第2步，从无功需求方面进行第2轮筛除；第3步，依据有功和无功2种初筛指标对筛除后剩余方案排序选优。

(1)步骤1：基于分区有功需求的选址初筛。记两相邻分区分别为A分区和B分区，具体筛除方法表述如式(10)。

(10)

(2)步骤2：基于分区无功需求的选址初筛。在分析装置无功选址时，应以分区确定的联络线站点作为无功电源发出点，考虑联络线站点及其周围相连站点对于无功补偿需求的大小程度。本文采取的方法是基于分区负荷及电厂分布情况来判断装置安装点的无功补偿是否充足，若负荷重且无电源支持则表示无功较缺失，可能存在故障电压难以恢复稳定的情况。具体基于源-荷分布情况的筛除方法可表述如式(11)。

(11)式中：Ωsift′为此处应筛除方案；W定义为源-荷分布系数，当W较小时，表示目标节点不缺无功，当W较大时，表示目标节点负荷较重且缺少电源支撑，即为电压薄弱点，需要进行无功补偿；Li表示分区各节点所带的最大负荷值；yi表示各节点到目标节点的电气距离，目标节点本身的电气距离记为1；Pj表示各发电厂提供的最大有功出力；yj表示各发电厂到目标节点的电气距离，与目标节点相连的电厂的电气距离记为1。

式(11)表示若方案中源-荷分布系数W低于最小系数Wmin时，则应筛除此方案。因为W越小，表示该位置负荷较轻或已有电源提供支撑，即其动态无功越充足，不需要提供动态无功补偿。

(3)步骤3：基于初筛指标的方案排序。根据上文中3个指标，即负载率βT、分区容载比RS和源-荷分布系数W，对筛选后剩余方案进行排序。以下为各指标中安装效果较优的情况。

1)主变负载率方面：A分区βT较高且B分区βT较低。这种情况下B分区主变容量裕度较大，可为A分区提供有功支援以降低A分区主变负载率，解决A分区安全隐患。

2)分区容载比方面：A分区RS较低且B分区RS较高。这种情况下B分区有功裕度较大，可为A分区提供有功支援解决A分区安全隐患。

3)源-荷分布系数方面：若两分区对应安装位置的W均较大或有一分区W较大，则可初步判断为在无功方面具有安装装置的需求。

基于上述分析，可利用式(12)计算得到各方案的排序系数。

(12)

式中：θ为排序系数，θ越大方案越优；γ为各指标权重，根据其重要程度赋值；W′为源-荷分布系数标幺值；Wn为源-荷分布系数基准值。

此外，应考虑特殊情况对分区进行全面分析，判断其是否仍对装置有需求。对于特殊情况，应单独分析后基于其严重性及装置需求性对其排位进行调整。基于上述初筛排序后，将排位靠前的n个方案视为较优方案，进行选址细筛。

2.2 选址细筛指标

由于初筛仅从整体角度分析了选址方案对有功及无功的需求，未能全面地分析分区柔性互联装置在分区中所起到的效果，因此应从不同角度对较优方案安装装置的效果进行考量，从而全面分析对比后得到最优方案。本文建立7个细筛指标，并对各较优方案进行仿真计算得到7个指标的具体结果，从而为后续综合最优选址做准备。

2.2.1 正常运行时负载均衡

柔性互联装置可以在电网正常运行时进行分区间有功传输以减少重载元件所带负荷，均衡两分区主变负载率，即缩小两分区的负载率范围。衡量正常运行时负荷均衡的效果可用式(3)表示。

通过PSD-BPA分别计算得到各较优方案安装装置前后分区内500 kV主变负载率的最小值和最大值βmin、βmax、βmin′及βmax′，即得到安装装置前后的分区500 kV主变负载率范围，利用公式可计算得到安装装置后的500 kV主变负载率范围的缩小比例，即为F1。F1越大则负荷均衡效果越好。

2.2.2 静态安全性

柔性互联装置可以在电网发生“N-1”或“N-2”时进行分区间有功支援以解除或减缓遇到的元件重载或过载等问题。衡量装置对静态安全性的效果可用式(4)表示。利用PSD-BPA软件对各较优方案安装装置前后进行静态安全性仿真，即对分区内元件设置“N-1”及“N-2”故障，根据仿真结果得到出现静态安全问题的故障个数Nq，再利用软件仿真判断装置是否可以解决或减缓分区静态安全问题，记解决问题的个数为Nq1，缓解问题的个数为Nq2。a为缓解系数，表示问题得以解决的程度，此处记a= 0.5。依据式(4)可以得到分区静态安全问题的解决程度，即为F2，F2越大则装置解决静态安全问题的效果越好。

2.2.3 动态无功电压稳定

柔性互联装置可以在电网低电压穿越中进行暂态电压控制，通过两端无功补偿恢复电网电压。利用PSD-BPA软件对各较优方案安装装置前后进行动态无功电压仿真，即参考《电力系统安全稳定导则》(DL 755—2001)对分区内元件设置常规故障及非常规故障，根据仿真结果判断互联装置是否可以解决或减缓分区电压失稳问题。具体地，衡量装置对动态无功电压稳定的效果可用式(5)表示，各子系数求法如式(13)所示。

(13)

式(5)及(13)中：μ为常规故障在安装装置后母线最低电压提升比例；τ为常规故障在安装装置后电压恢复时间降低比例；α为非常规故障在安装装置后故障通过率提升比例；b为常规故障效果权重(此处设b= 0.3)；c为非常规故障效果权重(此处设c= 0.7)；Umin为装置安装前某一常规故障的母线最低电压；Umin′为装置安装后该母线最低电压；t为安装前某一常规故障的电压恢复时间；t′为装置安装后相应的电压恢复时间；Nd为非常规故障设置总数；Nd1为装置安装前发生失稳的非常规故障个数；Nd1′为装置安装后发生失稳的非常规故障个数。利用式(13)可以得到分区电压稳定暂态故障解决程度。结果表明，μ、τ、α越大，F3越大，即装置对分区的动态无功电压稳定方面起到的效果越好。

2.2.4 供电能力

分区供电能力是指分区电网在满足“N-1”安全准则条件下，考虑到网络转带及实际运行约束的最大负荷供应能力。由于柔性互联装置可以在分区间正常运行及“N-1”情况下提供有功支援，故可在一定程度上提高分区供电能力。衡量装置对供电能力的提升效果可用式(6)表示。利用PSD-BPA软件对各较优方案安装装置前后进行最大供电能力的计算，分别得到安装前后两分区的最大供电能力TTSC及TTSC′，利用式(6)可计算得到安装装置后两分区供电能力的提升比例，F4越大则表明分区供电能力提升效果越好。

2.2.5 短路电流水平

因柔性互联装置具有实现正序和负序电流矢量解耦控制的功能，故可以对传输功率进行动态限幅，进而限制短路电流水平。衡量装置限制短路电流的效果可用式(7)表示。利用PSD-BPA软件仿真计算可得到分区各母线的三相短路电流大小，记录安装装置前与额定短路电流Ie之比超过0.9的母线短路电流Ii，安装装置后相应母线的短路电流Ii′，该分区中这样的母线共有m条，通过计算可得到上述母线在安装装置后短路电流的降低比例，并取各降低比例的平均值即为F5。F5越高，则装置控制短路电流水平效果越好。

2.2.6 供电可靠性

分区间安装柔性互联装置，可以通过对有功及无功的控制解决分区安全隐患从而提高分区供电可靠性。本文利用分区失载概率pLOLP及期望缺供电量EEENS2个指标评价分区可靠性，pLOLP及EEENS越低，则分区电网可靠性越高。衡量分区安装装置后可靠性提升的效果可用式(8)表示。基于分区数据计算得到安装装置前后各分区的pLOLP及EEENS，利用式(8)可得到单个分区在安装装置后的可靠性提升率，各方案可取两分区平均值反映装置对可靠性提升的效果。F6越大，则可靠性提升效果越好。

2.2.7 经济性

分区间安装柔性互联装置在运行上将产生一定损耗，而装置提高分区供电能力、提高分区供电可靠性又可以带来一定收益，故安装装置将给分区运行带来经济变化。本文通过计算安装装置的损耗及收益来衡量各方案的经济性，具体可用式(9)表示。基于分区数据计算得到安装柔性互联装置后各分区的损耗及收益。A为给定基准值；B为损耗；C1为供电能力提高带来的收益；C2为可靠性提高带来的收益。F7越大则安装后的总经济性越好。

2.3 方案综合评判决策

得到细筛7个指标后，应建立一套基于7个指标的综合评价体系对各方案进行评价，选出最适合安装分区互联装置的最优方案。

层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法，适用于结构较复杂、决策准则多且有些不易量化的决策问题[24]。根据本文设计的评价指标，建立AHP选址评估模型结构如图1所示。

图1 AHP选址评估模型结构图Fig.1 Structure of AHP siting evaluation model

AHP层次结构的一级指标包括安全可靠性、灵活性和经济性，次级有7个指标。安全可靠性包括4个指标，分别从分区静态安全、暂态安全、短路水平及停电水平等4方面对电网安全进行衡量评估。灵活性包括负载均衡和供电能力2个指标，因为二者均可提高电网对负荷的适应能力。经济性反映装置对分区带来的损失及收益。

确定各层次及指标的权重，征询专家意见对指标进行两两比较，采用1—9数字标度法写出判断矩阵并求解出各层指标权重，利用权重系数最终可计算得到各方案的选址评分，评分最高的方案可选为最优方案。

3 实例应用

本文方法已用于国内外首个220 kV城市电网柔性互联示范工程的选址论证。计算中的电网和负荷数据来自北京电网2至3年安全滚动校核分析报告[25]，计算工具采用北京市电力公司使用的PSD-BPA软件。

3.1 电网概况

2017年度夏期间，北京220 kV电网共分为8个分区，分区间两两相邻，采用220 kV线路联络，如图2所示。

分区间柔性直流互联装置安装于相邻两分区间的联络线上，因此可以得到分区A—B、分区B—D等8个待选方案，即Ω。

3.2 选址计算

3.2.1 选址初筛

若待选方案中两分区对有功或无功没有需求或需求量极小，则不适合安装互联装置，应予以初筛除。有关初筛方法正确性的验证详见附录B，北京电网的初筛计算过程如下。

图2 2017年北京220 kV电网分区示意图Fig.2 220 kV power grid partition in Beijing in 2017

(1)基于分区有功需求的初筛。表1为北京电网各分区负载率及容载比。设定主变负载率上限βmax= 70%，分区容载比下限Rmin= 1.5，由表1可知，分区C—D和分区D—E两方案对装置有功需求较低，即两分区可供支援的有功裕度均较低，安装装置对分区安全性提升不明显，故两方案被筛除。

表1 2017年北京各个分区主变负载率及容载比情况
Table 1 Main transformer load rate & capacity-load ratio in each partition in Beijing in 2017

又由于E—F两分区及F—G两分区之间均通过开关站相连，且这2个方案在一定规划期间内并未考虑建设联络线，故其缺少安装柔性直流装置的工程基础条件，也应予以筛除。筛除后剩余方案为分区A—B、分区B—C、分区G—H、分区H—A 4个方案。

(2)基于分区无功需求的初筛。利用电网数据计算4个方案，此处各节点及发电机到目标节点的电气距离用线路阻抗标幺值的1 000倍计算，且个别小于1的值取1代替。计算得到4个方案的源-荷分布系数列于表2中。

表2 有功初筛除后方案分区源-荷分布系数
Table 2 Source-load distribution coefficient of active primary screening

由表2可以看出：SAa、SBb两站的源-荷分布系数W为负，表明这2个安装点无功裕度充足，无需补偿；SHa的W最大，表明该安装点负荷重且无电源支持，较缺无功，需要补偿；其余各安装点的W较为适中。

经PSD-BPA仿真测试发现，当目标节点W低于400时，分区发生故障可以自行调节恢复电压稳定且不会发生电压崩溃问题，即基本不缺无功，故取Wmin= 400。由表2可知，4个方案中没有2个分区均低于Wmin的情况，故无筛除方案。

(3)基于初筛指标的方案排序。依据初筛得到的各分区500 kV主变平均负载率βT、分区平均容载比RS和源-荷分布系数W，利用式(12)可得初筛后4个方案的排序系数，此处设各指标权重依次为：γ1=γ2= 0.3，γ3= 0.4，计算得到各方案排序系数列于表3。

表3 各方案初筛排序系数
Table 3 Initial screening sorting coefficient

根据排序系数可知初筛后各方案排序为：分区G—H、分区B—C、分区A—B、分区H—A。分析特殊情况发现，分区G—H中G分区仅有2台主变，分区网络结构较为薄弱，可利用柔性直流装置提供有功支撑，解决安全隐患。综合特殊情况后初步排序不变，将排位前三的方案视为较优方案，即分区G—H、分区B—C、分区A—B，并对这3个方案进行选址细筛。

3.2.2 细筛指标

按照示范工程可研方案，依据联络线容量设定分区装置容量为600 MVA。利用PSD-BPA等软件对3个较优方案分别进行仿真及计算，得到各方案7个细筛指标并评分后结果如下。

(1)正常运行时负载均衡情况。表4为各选址方案实施前后正常运行均衡情况比较。各方案500 kV主变负载率区间是主变负载率最小值到最大值区间。互联后分区间有功传递会平衡两分区负荷，故负载率区间将会改变。

表4 各选址方案实施前后正常运行均衡情况比较
Table 4 Comparison of normal operation equilibrium before and after each siting scheme implement

正常情况下，负载率区间将缩小，但当线路有特殊需求时会出现增大的情况。例如分区G—H方案：G分区500 kV主变平均负载率高于H分区，由于H分区中LH双回线中一回故障，另一回负载率达99.3%，又考虑到G分区中LG双回线中一回故障，另一回负载率达90.6%，为避免线路重载，G分区向H分区传输60 MW，此时G分区负载率升高，H分区负载率降低，故负载率区间将增大，在表4中表现为负值。

由上表可知，在正常运行的负荷均衡方面，分区B—C方案最优，其次为分区A—B方案，而分区G—H方案出于避免线路重载的目的，未达到负荷均衡效果。

(2)静态安全性。表5为各选址方案实施前后静态安全性情况比较。各方案在安装装置前均存在静态安全问题，安装后均有部分问题得以解决或缓解，通过表5中指标F2可知，在静态安全性问题解决程度方面，分区G—H方案最优，其次为分区A—B

表5 各选址方案实施前后静态安全性情况比较
Table 5 Comparison of static security condition before and after each siting scheme implement

方案，最后为分区B—C方案。

(3)动态无功电压稳定。表6为各选址方案实施前后动态无功电压稳定情况比较。各方案常规故障下母线最低电压均有所提升，电压恢复时间均有所降低，非常规故障下故障通过率均有所提升。由表6中指标F3可知，在暂态安全问题解决程度方面，分区G—H方案最优，其次为分区B—C方案，最后为分区A—B方案。

表6 各选址方案实施前后动态无功电压稳定情况比较
Table 6 Comparison of dynamic reactive power and voltage stability before and after each siting scheme implement

(4)供电能力。表7为各选址方案实施前后供电能力效果比较。安装装置后的各方案分区供电能力均有所提升，通过表7中指标F4可知，对于提升供电能力方面，分区G—H方案最优，其次为分区B—C方案，最后为分区A—B方案。

表7 各选址方案实施前后供电能力效果比较
Table 7 Comparison of total supply capacity before and after each siting scheme implement

(5)短路电流水平。表8为各选址方案实施前后短路水平比较。北京220 kV电网的额定短路电流Ie= 50 kA，利用Ie可判断出短路电流过大的母线，且可计算得到安装装置后的短路电流降低率。由表8中指标F5可知，在降低短路电流水平方面，分区B—C方案最优，其次为分区A—B方案，而G—H分区的短路电流大小在安装装置前后基本未改变。

(6)供电可靠性。表9为各选址方案实施前后可靠性比较。各方案在安装装置后的pLOLP及EEENS指数均有所降低，即可靠性均有所提升。由表9中指标F6可知，对于提升供电可靠性方面，分区B—C方案最优，其次为分区A—B方案，最后为分区G—H方案。

表8 各选址方案实施前后短路水平比较
Table 8 Comparison of short circuit level before and after each siting scheme implement

G分区出现了pLOLP′比pLOLP大的情况，这是由于对系统及各分区进行可靠性评估，当系统中线路或发电机故障并需要进行负荷调整时，存在不同的负荷调整策略，包括依负荷重要度调整、依灵敏度调整、就近调整等方式。本例中，采用基于灵敏度的负荷调整策略，这造成当系统故障切负荷时，由于H分区的负荷具有较高灵敏度，被调整的概率提高，因而可靠性有略微降低，但是提高了G分区的可靠性水平。

表9 各选址方案实施前后可靠性比较
Table 9 Comparison of reliability before and after each siting scheme implement

(7)经济性。表10为各选址方案实施前后经济性情况比较。设基准值A= 500万元/a，利用基准值及表10中数据可计算得到各方案经济性指标。各较优方案在安装装置后的经济性水平均有所提升，通过表中指标F7可知，在提升经济性方面，分区B—C方案最优，其次为分区G—H方案，最后为分区A—B方案。

表10 各选址方案实施前后经济性情况比较
Table 10 Comparison of economical efficiency before and after each siting scheme implement

3.2.3 综合评价

本文经过专家评价及计算，最终得到3个分目标，即安全可靠性、灵活性和经济性的权重分别为0.8、0.1和0.1。同理分别得到灵活性中的负载均衡能力和供电能力2个指标的权重分别为0.3和0.7；安全可靠性中的静态安全性、动态无功电压稳定、短路水平及供电可靠性4个指标的权重分别为0.3、0.5、0.1和 0.1；经济性中仅有经济性1个指标。

基于细筛计算中各较优方案的7项指标得分及各指标权重大小，由式(2)可以计算得到3个较优方案的综合评分：GA—B= 0.313 84、GG—H= 0.349 74和GB—C= 0.283 87。故可得最优方案为分区G—H方案，其次较优的为分区A—B方案，最后为分区B—C方案。

示范工程实践中，由于直流站场位置获取更为快速，最终选择次优的分区A—B方案实施。但是除去示范工程外，分区G—H、分区B—C两方案也具有一定良好的效果，可作为后续柔性互联位置的选择。同时发现并不是所有分区柔性互联后都具有明显效果，例如附录B中的例子。

3.3 分区柔性互联位置总结

综上可知，分区柔性互联装置需要安装的位置具有以下特征：(1)两分区或一个分区网络结构薄弱需要相邻分区支持；(2)正常情况下，两分区对负载均衡有需求，安装装置后可以均衡两分区负载；(3)两分区对动态无功补偿有一定需求，装置在电压稳定问题发生时能进行快速动态无功支撑从而恢复电网电压稳定；(4)两分区柔性互联后还能提升供电可靠性与供电能力。

4 结 论

城市电网分区间柔性互联是未来城市电网发展的一个新方向，如何在电网中选择出适合的分区柔性直流互联装置的安装位置值得研究。本文提出一种实用的分区柔性互联装置选址方法，主要包括：(1)提出了基于分区有功和无功需求的初筛方法，提高了方案筛选的效率，减少了详细选址论证的工作量；(2)建立了7种选址细筛指标及其计算方法，可以从不同角度全面评价出备选较优方案的优劣；(3)基于AHP综合评价法得到最终选址方案。

上述方法已应用到国内外首个城市电网分区柔性互联示范工程的实际选址论证中。随着柔性电力电子技术的发展，城市电网分区间柔性互联技术具有广阔前景，本文在该领域规划方法上的探索以及工程实践对后续工作具有参考价值。

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(编辑 景贺峰)

附录A 有功需求与无功需求初筛方法的原理

柔性直流装置可以控制分区间进行有功支援以减轻重载元件负担，故安装柔性互联装置的2个分区应对有功相互传输方面有一定需求，即两分区具有可以相互支援的有功裕度，且互联后分区间的有功传输对提升分区安全性具有明显效果。具体地，可通过两分区实际容量及负荷分配等基本现状数据进行分析，具体见文中2.1.1节。

柔性直流装置具有无功补偿的功能，在低电压穿越中可通过装置两端发出无功对电网进行暂态电压控制从而恢复电网的电压稳定。当电网发生严重故障导致电压失稳时，一些节点会率先失稳，这些节点即为“电压薄弱节点”[23]。一般认为，电源越靠近负荷中心则对电网安全越有利，电厂离负荷中心越远则对电网安全越不利。即“电压薄弱节点”为负荷中心且缺少电源支撑的节点，由于此时负荷中心的无功电压支撑能力不足，所以当系统受到干扰时，分区电网容易失去同步稳定和电压稳定。若此时没有采取必要和强制性的措施来维持分区电网一定的电压水平，势必造成电压崩溃使系统失去稳定运行，从而发生大面积停电事故。因此在分区间选址时，应判断安装柔性互联装置的分区位置是否缺少无功，是否存在电压失稳的潜在危险，即应着重考虑装置安装点对于分区内无功补偿所起作用的大小程度。

对于分布式无功电源选址，安装点距离电压薄弱节点越近，则动态无功支撑效果越好[14]。由于分区间联络线位置确定，故柔性直流装置与普通无功电源的区别主要在于柔性直流装置在分区内的安装位置确定，即分区间柔性直流装置作为无功电源的安装点必为联络线两端的站点。具体计算方法见文中2.1.2节。

附录B 初筛方法正确性论证

在此分别举例证明基于有功需求和基于无功需求的初筛理论的正确性。

(1)基于分区有功需求的初筛。根据文中表1可知，分区D和分区E的平均负载率高且分区平均容载比低，故将分区D—E方案筛除。现验证初筛的正确性，该方案若实施前后的分区内主变负载率对比见表B1。

表B1 D—E分区实施前后主变负载率对比
Table B1 Comparison of main variable load ratio in D—E partition

由表B1可知，安装柔性直流装置前后D、E两分区的主变均重载，分区互联装置的有功支援虽可均衡两分区负载，却无法根本解决两分区的重载问题。经PSD-BPA进行“N-1”仿真可知，互联后两分区的静态安全性问题均无法完全解决。综上可知初筛该方案是正确的。

(2)基于分区无功需求的初筛。根据文中表2可知，B分区SBb安装点的分区源-荷分布系数为-889.659，相对很小，可知该点动态无功充足，不需无功补偿，故初筛掉该方案。假定该方案实施后经PSD-BPA暂态仿真发现，常规故障及非常规故障下该分区内系统都能保持稳定。以SB1变发生“N-1”故障为例，分析装置安装点SBb的220 kV侧电压在安装装置前后母线电压变化。装置发出无功150 Mvar，可得到动态无功电压稳定情况见表B2。可看出，该安装点动态无功电压稳定指标F3较低，即在该位置安装装置对分区动态无功电压稳定方面起到的效果较差，筛掉该方案是正确的。

表B2 B分区实施前后动态无功电压稳定比较
Table B2 Comparison of dynamic reactive power and voltage stability of B partition

Siting Method and Demonstration Application of Flexible Interconnection in Urban Power Grid Partition

XIAO Jun1，LI Sicen1，HUANG Renle2，LI Yun2，HAN Shuai2

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

The partition operation problem of existing AC urban power grid can be probably solved by applying flexible DC electronic devices for flexible interconnection. This paper introduces the siting of the first flexible interconnection demonstration application of urban power grid partition at home and abroad and proposes a practical siting method. Firstly, we construct a siting model of flexible interconnection device in partition with considering 7 parameters such as static security, power capability, short-circuit current, power stability, etc. Since index calculation such as the power stability requires a series of case fault simulation, the amount of calculation will be too huge for flexible interconnection siting in big cities, and the model is difficult to solve directly. Therefore we present a practical siting method. Firstly, we give the active and reactive power demand indexes of partition for the preliminary screening of schemes, and further obtain seven screening indies through detailed simulation analysis. Then we adopt analytic hierarchy process to determine the optimal scheme. Finally, we introduce the siting discussion of demonstration application. The results show that the siting scheme determined by the proposed method has good interconnection effect. And the method finds more good sites in addition to the demonstration project location, which can provide more than one choice for following interconnection projects. Meanwhile, the study shows that not all the flexible interconnections can bring obvious effects. Therefore the distribution features suitable for flexible interconnections are concluded. The proposed method and practice in this paper are of great significance to the development of partition flexible interconnection for urban electric power.

urban power grid; partition; flexible DC; flexible interconnection; siting

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)

TM 727

A

1000-7229(2016)05-0010-11

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-02-06

肖峻(1971)，男，博士，教授，主要研究方向为城市电网规划评价以及微网规划；

李思岑(1992)，女，硕士研究生，主要研究方向为配电网规划；

黄仁乐(1963)，男，教授级高级工程师，主要研究方向为电力系统自动化、智能电网关键技术、主动配电网等；

李蕴(1962)，男，高级工程师，主要研究方向为电网规划及输变电设计和工程管理；

韩帅(1982)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统自动化及模式识别。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)