基于直流潮流模型的电网结构优化方法研究与应用

刘石川，慕 腾，郭 裕，雷 轲，安 东

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

随着电力工业的不断发展，电网所面临的问题逐渐由暂态稳定性问题转化为潮流转移导致设备过载的热稳问题[1-2]。为保障地区的可靠供电，一般采取提前预控与网架优化结合的思路，对各类可能存在的工况进行安全稳定分析，最终以某种极限方式为基础采取控制措施。但是，以极限方式制订控制策略势必造成浪费，无法发挥设备能力[3]。如何既能提升电网安全性，又可以保证控制的精细化与科学化，已逐步成为相关学者关注的重点。

文献[4]结合当前电网调度存在的断面辨识、分析计算问题，研究了以断面控制为核心的电网调度运行控制体系及其系统开发。文献[5-6]提出了断面热稳评估思路，以满足电网稳定控制要求。文献[7]以实际工程为例，针对关键节点空间下的电网热稳问题提出了求解思路。网架建设层面，国内外学者也进行了充分研究。近年来电力电子技术的高速发展为电网控制提出了新的思路。文献[8-9]分别提出了采用潮流控制器与分布式静态串联补偿器对电网存在的问题进行优化。柔性直流技术[10]作为一种思路在电网优化控制中也被提及。电力电子器件的应用使电力系统的潮流分布由不可控变为灵活可控，为提升电网运行灵活性奠定了基础。另一方面，部分学者提出建立以安全[11]、潮流分布均匀[12]、短路电流最低[13]等为多目标的数学模型，并采用智能算法进行求解。上述研究对热稳问题从不同角度、层次进行深入分析，但对于具体电网问题需要结合电网自身特性进行分析，尤其在实际工程应用中，投资成本与实用性都要着重考虑。本文以地区电网为例，分析了电网运行中存在的安全问题，基于直流潮流模型提出安全裕度指标，在此基础上提出适合该地区电网发展的网架结构，为解决电网问题提供参考。

1 电网概况

本文根据某地区电网实际运行过程中存在的问题为切入点进行分析[14]。近年来，该地区负荷发展迅速，加之多个高低压电磁环网相互嵌套，存在部分老旧线型，使得热稳定问题凸显。地区目前的核心问题为双回同塔线路N-2故障后，导致潮流大范围转移，从而引起相关线路过载严重。该地区的电网简图如图1所示。目前，调度运行部门给出的控制限额为：一三线（变电站1至变电站3）不超过260MW，二五线（变电站2至变电站5）不超过250MW。图2为新能源与火电出力逐渐增加时线路潮流变化情况。

图1 地区电网简图Fig.1 Schematic diagram of regional power grid

图2 电源与相关支路潮流关系Fig.2 Relationship between power supply and power flow of related branch

根据相关计算，各类工况下地区受阻情况如表1所示。地区新能源装机容量2400 MW，分别接入变电站1、B站以及变电站4，火电装机共800 MW，均接入变电站3。

表1 各类方式地区受阻情况Tab.1 Regional obstruction in various ways MW

在风电大发情况下，一三线、二五线重载，随着风电出力增加，线路逐渐达到控制限额。根据仿真分析，当变电站1、B站风电出力约60%时，一三线潮流处于热稳极限，为避免连锁故障，需限制两个地区风电出力，以满足预控要求。

在火电厂火电大发时，一三线、二B线（变电站2至B站）问题缓解，四一线问题更加突出。由图2可知，变电站1、B站风电40%出力、火电出力约为300 MW时，二五线已超其运行上限。

综上所述，风火耦合问题严重限制了地区新能源消纳与火电送出问题，亟需对当前与未来两种网架进行优化分析。

2 直流潮流的断线模型

2.1 直流潮流模型

直流潮流模型根据P-Q分解法的简化条件将其简化为线性问题，其精确度较差，但是对于潮流转移引起的过负荷问题具有计算速度快、便于用线性规划求解等优点[15]。

根据P-Q分解法简化后，得到直流方程如下：

式中：Pi=PGi-PDi，PGi、PDi分别为有功出力与有功负荷；θ为节点电压相角；Bij为支路ij导纳虚部。

矩阵形式为：

式中：B为节点导纳矩阵虚部。

也可写为另一种形式：

式中：X为B的逆矩阵。

2.2 支路开断分布系数

若电网中线路发生断线故障，由于网架结构变化将引起另一条相关支路潮流变化，假设线路初始潮流为Pl0，转移至线路m潮流为，则可得转移系数为：

支路开断前后，引起的功率变化量为：

式中：e l=[0 1-1 0]，为支路l对应节点的关联向量，对应节点为1与-1两个非零元素。

根据支路追加原理，线路l断开引起的节点电压相角变化量Δθ为：

式中：B0是以1/x为参数建立的电纳矩阵，x为节点矩阵中各条支路对应的阻抗；xl为支路l的阻抗。

根据逆阵修改原则可知[16-17]：

线路l断开造成线路m潮流变化情况如下：

式中：xm表示支路m的阻抗；e m表示支路m对应节点的关联向量。

则可得转移系数为：

定义节点m与节点l之间互阻抗为：

则关于两条支路的转移系数为：

综上所述，故障前后各条支路潮流变化与负荷、开机均无关，仅与其支路阻抗相关。

2.3 安全裕度指标

根据上述结论，本文采用PSD-BPA软件对乌兰察布地区进行潮流计算，找出构成关联断面的支路，定义安全裕度指标，判断地区各线路在不同潮流工况下的稳定裕度。具体公式如下：

式中：δ为线路l的安全裕度；为故障前线路l的潮流；为线路i断开前的有功功率；Pe为线路l的热稳极限；D为线路l与i线路的转移系数。

当δ≤1时，判定此时系统满足运行要求；当δ＞1时，判定此时系统不满足运行要求，需要运行人员及时调整运行方式。

在实际工程中，通常由运行人员采用离线计算的方式求电网热稳定限额，不仅计算量大，还会造成网架变化，影响运行灵活性。为了保证安全稳定，运行部门制订方案时会以最严苛方式来包含所有故障集，而实际运行中极端方式并不会经常出现，因此，根据电网实际运行情况，采用裕度指标实时对电网情况进行控制，可以较好地释放当前电网的输电能力。

同时，统计地区周边各类相关支路的安全裕度指标越限情况，认定越限次数较多的关联支路为地区薄弱环节，并以此作为电网结构优化重点。

3 网架优化方案

3.1 建设思路

以某地区电网为例，按照安全裕度指标，四一线、二五线越限次数较多，优化根据该地区电力需求水平，拟定补强或解开薄弱环节两种思路进行优化，具体方案与比选如图3、表2所示。

表2 两种方案比选Tab.2 Comparison of two schemes

图3 地区网架方案Fig.3 Grid structure scheme of regional power

3.2 方案分析

（1）电力送出。采用PSD-BPA软件搭建两种方案的模型，并进行潮流与稳定适应分析，结果表明，各种方式下均可满足火电满发与新能源同时率70%以上的送出能力。

（2）运行控制。补强方案存在多嵌套环网，潮流分布、转移复杂，运行控制难度大。在火电厂出力为200 MW时，一三双线一回故障后，另一回达热稳极限，需限制变电站1风电出力532 MW。解环方案实现了该地区电网分区运行，分区间保留了四回备用联络线，电网结构清晰，可满足目前地区新能源送出需求，部分元件检修方式下可采用临时合环运行方式，保证供电可靠性。

（3）投资与建设难度。初步估算解环方案相较于补强方案投资多8%，约1000万元。变电站3目前仅空余一个间隔，扩建间隔难度较大。

综合以上分析，两种方案均可解决目前电网存在的薄弱环节，补强方案工程建设难度较大，解环方案的新能源消纳能力略低于补强方案，但仍可满足新能源送出需求，并且明确了B站作为新能源汇集站的功能定位，避免了穿越电流对220 kV电网的影响，对未来电网建设发展的适应能力更强。因此，推选解环方案为最终方案。

4 结束语

本文推导了基于直流潮流模型的支路开断分布系数，得到线路潮流转移系数仅与线路阻抗相关的结论，结合实际运行工况提出安全裕度指标，从而避免了由于计算人员主观因素导致的电网限额过低，并根据指标越限与否来找出电网薄弱环节。以薄弱环节为优化重点，从风火送出、运行控制与投资建设角度研究了某地区电网补强与解环方案的可行性，有效消除了薄弱环节，提升了地区供电能力，保障了风电的消纳及火电送出。