基于湖北电网的电磁环网解环方案研究

满林坤，冯云斌，薛 鹏，葛 亮，孔令东

(1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015; 2.国网宜昌供电公司,湖北 宜昌 443001；3.上海电力设计院有限公司，上海 200000；4.国网上海市电力公司，上海 200000)

随着经济的不断发展，当前电压等级的输电线路传输功率无法满足地区用电量需求的情况时有发生[1-2]。国家电网公司常常将高电压等级和低电压等级输电线路并联来对同一个地区供电，以此来提高资源利用效率，保证供电能力。而此时两个电压等级的输电通道通过变压器构成了一个环状结构，就是所谓的高低压电磁回路[3-4]。但是电磁环网是一种电网的过渡状态，在电网建设成熟之后存在着短路电流水平提高、网络损耗增加、回路中的功率分布调控困难、自动保护装置动作难以保证准确有效，会给输电网络的安全工作造成威胁[5-6]。因此，打开电磁回路对电网的安全可靠供电具有积极意义，而《电力系统安全稳定导则》也肯定了打开电磁回路的积极意义。

国内对电磁环网的研究主要集中在解环方面。在解环之前，首先要对各个解环方案中电网的功率分布、断路容量、网络损耗和稳定水平等指标的变化情况进行综合分析，并选出最合理的备选解环方案。国内很多学者对此做了大量的研究：文献[7]设立的电磁回路解环方案评价指标体系包含功率分布和电压水平、短路电流、暂态稳定水平；文献[8]的评价指标有N-1指标和暂态稳定指标；文献[9]对功率分布、电压值、暂态稳定程度、N-1指标等进行了计算；文献[10]研究了高电压等级线路出现断路问题时，低电压等级电网因承担了高电压线路的输送容量而导致的过载和热稳定性问题，通过稳定性指标和经济指标判断是否需要消除电磁回路，以500 kV至220 kV电磁回路为例，说明了确定是否需要进行解环操作的流程；文献[11]改进了电磁回路解环方案评估的传统流程，通过分阶段进行评估判断，根据低电压等级电网划分片区的先后来构建备选解环方案集，计算各个解环方案解环后电网的稳定性指标和短路电流值，并运用综合评价方法进行评估排序；文献[12]针对城市电网密集度高、用电量大、已经规划建设节奏快的特点，提出处理市区内的电磁回路时需要参考500 kV电网的建设计划和构想，选择最佳的解环时机和位置，并且打开电磁回路后，应该尽量减少单回路供电情况的出现；文献[13]提出了一种改进GN分裂算法的分区方法，通过GN分裂算法获取评价线路薄弱程度的综合边介数得到分区方案，搭建评价指标模型，运用信息熵主成分分析法来对解环方案进行综合评估判断。这些国内学者的研究分析了电磁环网对电网运行所带来的影响，判断了解环时机是否成熟，并综合评价了解环方案，为实际应用提供了有力的参考。

目前，湖北电网有1 000 kV变电站1座，500 kV变电站29座，220 kV公用变电站157座，全口径装机容量达到6 410.78万kW，发电量达到2 355.87亿kWh。湖北省为九省通衢，湖北电网在全国电网中起着重要的枢纽作用，地理接线图如图1所示，其中红色为500 kV输电线路，蓝色为220 kV输电线路，现在湖北电网的500 kV输电网络已经建设成熟，并且在多处与220 kV线路构成高低压电磁回路。这些电磁回路对整个湖北电网的安全性是一个潜在威胁，必须采取合理的方案进行解环操作。

图1 湖北电网地理接线图

本文以湖北电网为例，通过粒子群算法对备选解环方案进行筛选，并建立了电磁环网解环方案评价指标体系，以得到最合理的备选解环方案，运用灰色关联分析法对电磁回路备选解环方案进行分析评估，确定了最合理的电磁环网解环方案。

1 粒子群算法

粒子群在空间飞行搜索时，粒子i的按照式(1)和式(2)来迭代更新速度和空间位置。

(1)

(2)

式中：t为目前的迭代次数；r1，r2为均匀分布在[0,1]区间的随机数；c1和c2为加速常数，其中c1控制粒子向个体最优解靠近速度，c2控制粒子向全局最优解接近的速度；w是惯性常数，它意味着上一次的粒子速度在当前速度中所占的比重：如果要强化局部的搜索能力，可以减小w；当想要加强算法的全局搜索能力时，可以增大w。

本文采用的粒子群算法寻优的方法如下：

步骤1：t=0，初始化各个粒子位置xt和速度vt以及其他的一些参数；

步骤3：依据式(1)更新粒子的速度vt，并对速度进行限制；

步骤4：依据式(2)更新粒子的位置xt；

步骤6：判断所得结果是否满足终止条件，若满足则算法终止并输出最优解，否则转到步骤3继续进行计算。

2 湖北电网备选解环方案

现在，在樊城和孝感之间，江陵和兴隆之间，玉贤和凤凰山之间，均存在500 kV/220 kV电磁环网，如图2—图4所示，其中红色线路为500 kV输电线路，蓝色线路为220 kV输电线路。

表1是通过计算得到的湖北电网电磁环网解环方案候选解集，第一种解环方案解环后网络损耗最小，第二种解环方案解环后分区数目最多，更有利于对湖北电网潮流分布的控制，第三种解环方案解环时的供电能力最大。

图2 樊城-孝感电磁环网

图3 江陵-兴隆电磁环网

图4 玉贤-凤凰山电磁环网

表1 湖北电网电磁环网解环方案候选解集

3 电磁环网评价指标体系的建立

在评估是否需要打开电磁回路时，主要参考电磁回路导致的短路容量增加和大规模功率转移问题这两项指标。在进行电磁回路解环时机决策时遵循如下原则。

a.当高电压等级电网出现断路故障时，如果高电压等级电网大部分的输电任务被低电压等级电网承担，并且超过了其能力范围，则需要打开电磁回路。

b.若低电压等级电网的线路分布交错复杂，联系紧密，并且其短路容量超过安全范围，也需要对电磁回路解环。

对电磁回路解环方案进行评估判断时涉及的指标有短路电流水平、静态安全性、网损等。搭建评价指标模型，包括短路电流容量值、静态安全性、N-1校验、供电经济性、静态电压稳定性，并进行量化计算。电磁回路解环的评价指标模型递阶层次结构关系如图5所示，基于建立的评价指标体系就可以对各个解环方案进行综合评价。

图5 解环评价模型递阶层次结构关系

4 湖北电网的电磁环网解环方案综合评估

本文分别运用层次分析法、G1法这两种主观赋权法以及离差最大化法、标准差和平均差赋权法这两种客观赋权法求取解环方案评价指标的权重，然后对4种赋权方法求得的权重值进行组合计算，然后运用灰色综合评价方法对备选解环方案进行综合评价。

首先要对这4种赋权方法得到的权重进行组合计算。赋权的过程可以看作是分别从主观权重总体和客观权重总体中分别抽取1个样本和q-1个样本，总共q个样本，在本文中l=2,q=4，。设各个指标的权重值为wj(1,2,…，m),wj与q个主客观权重值的偏差越小越好。优化模型如下：

(3)

q个样本分别来自2个总体，每个样本都是1个随机变量，它们构成了评价指标的主客观权重的一个随机向量，ws为主观权重向量，wb为客观权重向量，α和β分别为主观权重样本和客观权重样本的重要系数。

对于1个主观权重样本，它的取值等于实际的主观权重值的概率，设为xs：

(4)

对于q-1个客观权重样本，它的取值为实际的客观权重值的概率，设为xb：

(5)

按照矩估计理论的思想，对每个评价指标dj(1≤j≤m)，其主观权重值wsj和客观权重值wbj的期望值可按式(6)—式(7)求解：

(6)

(7)

在获得权重样本值后，所有评价指标的权重值与样本权重的期望值越接近越好。1个主观权重样本所获得的权重值与期望值的偏差如式(8)所示:

(8)

q-1个客观权重样本的权重值与期望值的偏差如式(9) 所示：

(9)

由式(6)—式(9)可求得主观权重样本的概率和客观权重样本的概率，进一步可以计算出每个指标dj(1≤j≤m)的主观权重和客观权重的重要系数αj和βj，并由此得出主观权重样本和客观权重样本的重要系数α和β：

(10)

(11)

针对每一个评价指标dj(1≤j≤m)，H(wj)越小越好，为了简化计算，将H(wj)进行线性加权，得到式(12)：

(12)

根据以上公式，就可以求得4种赋权方法组合权重值。得到的权重值如表2所示。

表2 各赋权方法得到的权重值

根据式(10)，计算各个评价指标主客观权重的重要系数，结果如表3所示。

表3 各项指标的主客观权重重要系数

由式(11)，电磁回路解环方案综合评价指标体系的主观权重重要系数为α=0.479，客观权重重要系数β=0.521。

根据式(12)及表2中的数据，得到4种主客观赋权方法的组合权重值如下：

W=(0.102,0.136,0.143,0.086 5,0.065 3,0.084 2,0.125,0.114,0.144)

5 基于灰色关联分析法的解环方案综合评估

本文采用灰色关联分析法对备选解环方案进行计算并进行评估，根据数据与参考序列所形成的曲线之间的贴近程度来评价决策，贴近程度越高表示被评价对象和参考序列的关联度越高，贴近程度越近则表示被评价对象和参考序列的关联度越低。关联分析中的被比较序列记为Xi。得到的各项指标值以及选取的参考序列值及如表4所示，备选方案各个指标与参考序列的关联度，以及各个选备方案与参考序列的总关联度，结果如表5所示。

表4 备选方案以及参考序列指标值

表5 备选方案各指标的关联度及总的关联度

由表4、表5可知，3个备选方案中，方案1与参考序列的总关联度最大，因此本文推荐选择方案1作为湖北电网的最终电磁环网解环方案。备选方案1的解环方案是断开玉贤-舵落口、郭徐岭-板桥、韩岗-随州、米庄-随州、周家岭-容城、周家岭-高场、余岭-双河、南漳-双河之间的220 kV输电线路，并解开了江陵和兴隆之间，樊城和孝感之间，玉贤和凤凰山之间的500 kV/220 kV电磁环网。在解环后，湖北电网的220 kV输电网络会分为5个片区，包括武汉江北东片区、武汉江北西片区、江南钢-光-鄂片区、江南黄石-黄冈片区、江南咸宁-武昌片区。

6 结论

在湖北电网的樊城和孝感、玉贤和凤凰山以及江陵和兴隆之间，均存在电磁环网合环运行的情况，是湖北电网的一个非常严重的安全威胁。本文针对这一现状，结合实际情况，提出了3种对应的电磁环网解环方案，并进行计算评估，最终选出了最合理的解环方案。本文采用粒子群算法，拟设定3个解环方案，并建立了电磁回路解环方案的综合评价指标体系，最后运用灰色关联度分析法进行综合评估。