供电走廊受限的城市中心负荷交直流改造综合评估

彭宇轩，陈 春，曹一家，李秋燕

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052）

随着“碳达峰”与“碳中和”国家战略的逐步实施以及新型电力系统的构建，直流配电网因其具有容量更大、输送距离远和促进各类新能源消纳等优势而越发受到关注[1]，已然成为当前的研究热点。同时，在中国大城市的负荷中心，比如医院、商业中心等，普遍存在用电负荷的增长需求与供电走廊受限难以增容改造的矛盾，而对原有配电网进行交改直无疑是可行的备选方案。

根据相关研究，将传统配网主要输电线路改造成直流之后，可以减少线损，提高用户供电容量，改善电能质量与隔离故障等，线损将降低14.9%～50%，传送功率将提升1.6倍左右，输电半径将显著提高，终端电压降落明显较少，用户侧综合电能质量得到优化。我国在直流配电网研究方面也有一些工程应用与实践探索，如苏州吴江区多电压等级直流配电网示范工程，唐家湾多端交直流混合柔性配网工程等。但现有研究缺少针对城市重点负荷的应用场景，以及对该场景下各个直流改造方案的评估、分析与对比。

对多个改造方案的性能进行分析比对和决策，选择综合性能最佳的可行性方案，已有文献针对直流电网或交直流混合配电网的综合性能的评估进行了相关研究。文献[2]分别在多种模式下对比了DC与AC配电网的经济性；文献[3]针对张北柔性直流电网工程提出了一种基于时序生产模拟仿真的多端柔性直流电网运行经济性评估方法；文献[4-5]针对新建配电网规划，对比了交流解决方案和交直流解决方案的经济性；文献[6-7]提出配电网的供电能力可由负荷矩来表示；文献[8]通过交流与直流线路的过电压大小关系确定交流和直流的供电容量的比值；文献[9]提出DC断路器与DC变压器为可靠性计算时主要考虑的元件；文献[10]提出了一种配网可靠性的整体评价方案；文献[11]提出了一种含有多个直流激励的柔性配网的短路计算方法；文献[12]提出基于Z型变压器的交直流同线配电方案，并表明方案的可行性和技术优势；文献[13]将66 kV交流输电线路改造成直流后计算了其载流量和功率，验证了线路经直流改造后供电能力的提升；文献[14]基于经济性和用户需求等多个约束变量，建立了一套直流改造评估体系；文献[15-16]基于区间模糊数分别对直流配网规划方案和城市配网交直流改造方案进行综合决策，以实现单配电网的多改造方案决策选优。但是上述研究所提的部分性能指标算法过于主观，指标数据偏于抽象，部分数据无法获得详细的参数甚至难以量化，缺乏对直流侧两种短路故障状态下短路电流计算和分析，也并没有较多地结合行业背景进行指标的选取。

为此，本文结合已有的研究背景和工程实践，针对上述的问题，建立了一套系统的城市重点负荷配电网模型，应对地处闹市区的中心医院扩容扩建带来的各类负荷增加导致输电走廊受限与电能质量下降等问题进行模型分析与研究，选择提取更加贴合当前行业发展与背景的评价指标，加入明晰暂态部分指标参数，使整个评价体系客观清晰，便于理论的深化和工程指导。然后，提出3种改造方案，分别为：原有交流线路扩容、单侧线路改造和双侧线路改造。将改造前后配电网的各项参数使用熵权法和改进的优劣解距离技术TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution）法进行综合评价，计算提取每个方案的综合性能评分，最后确定双侧线路直流改造的方案是最适合该场景下的改造方案。

1 改造评估体系

为评估城市中心负荷供电改造方案的综合效益，本文综合考虑了经济性、供电能力、网损和供电可靠性5个主要反应配电网性能的一级指标，建立一个综合评估体系，对于直流改造方案进行分析计算，选取最优的改造方案。评估体系的性能指标框架如图1所示，图中kn为第n个性能指标的代号。

图1 城市重点负荷改造方案综合评估指标体系Fig.1 Comprehensive evaluation index system under transformation scheme for key urban load

1.1 经济性

首先，直流化改造本身可以促进相关产业及其产能的发展，优化产业结构，还可间接促进当地就业。而直流配电网可传统交流配网的基础上提高供电容量，提升电能质量，由此能直接提高电能的销量，从而促进城市经济的发展[2]。

城区配网直流化改造总经济性指标有改造总投资成本和改造后收益。投资改造成本B1为

式中：D1为购置改造设备所需成本；D2为新增设备的运维费用；D3新增设备的报废费用；D4为土建成本，具体单价如表1所示[17]，直流改造各项设备成本如表2所示[18]；D4为使用常规方法扩建扩容，因为此类方案需对整个供电走廊进行扩建和改造，从而需要考虑到额外的土建成本。考虑到城区土地供应紧张，减少施工对居民出行秩序的影响，采用暗挖型隧道敷设电缆。

表1 交流扩容所需土建成本Tab.1 Civil engineering cost for AC capacity expansion

表2 城市中心负荷直流改造设备单价成本Tab.2 Unit cost of DC transformation equipment for urban central load

1.2 供电能力

随着城区负荷大小和密度的提升，供电走廊日趋紧张，而城区内各类建筑、设施繁多，想要增加供电走廊建设难度大且成本高，尤其体现在在一线城市的医院、高层办公区和商场等。如果将原交流线路直接改为直流，设置cosφ=0.9，改造前后的容量比值[19]为

式中：PD为改造后直流模式下的传输功率；PA为改造前交流模式下的传输功率；UD和ID分别为直流时电压和电流；UA和IA分别为交流时的相电压和相电流；φ为交流时的负荷阻抗角。根据式（6），直流的配电容量是交流的1.6倍，是缓解因供电走廊紧张导致供电能力不足的有效手段。

1.3 供电可靠性

针对传统的交流配网的可靠性评估方法已经非常成熟，常用的有解析法和模拟法，而针对交直流混联配网可靠性评估方法相对较少。本文主要研究直流改造后新增的3种关键元件换流站、DC断路器和DC变压器的可靠性，并使用最小割集法将复杂的网络结构转变为简单的元件串并联关系[8]。两个元件在割集里为并列接法时，维修时长与故障率的计算为

式中：βb为两个串联元件等效故障率；β1、β2分别为两个元件的故障率；q1、q2分别为两个元件的修复时长；Ub为停运时长；qb为两个串联元件总的等效故障时长。元件在割集里是串联接法时，可靠性的计算公式为

式中：S为负荷处的最小割集集合；βL为S集合内总的故障率；UL为总停运时长；βi和qi分别为第i个割集的故障率和修复时长。

本文使用最小割集法行进改造后配电网的可靠性评估。在有多个激励存在并且拓扑模型复杂的网络中，负荷点与各个激励的通路不唯一，若电路中n个元件退出运行致使负荷断电，此时任一元件恢复运行即可使负荷正常运行，此时这n个元件构成最小割集，阶数等于元件的数量。通常只考虑到二阶最小割集。

1.4 短路电流

在传统交流配电网中，如果为了满足负荷增长的需求而对变电站进行扩容或者新建新的变电站，这种实施方案会使得联络开关上的短路电流增加30%[9]，使得断路器的适配变得困难。而采用直流线路改造的方式进行扩容，因为逆变器对电流有控制作用，短路电流的增幅会变小，更便于控制短路电流。例如换流器交流侧母线发生短路，换流器可以控制流入交流侧的电流，进行低电压穿越控制。在极端的短路情形下，电流将会达到其额定值的1.5～2.0倍，此时电力电子器件闭锁，因此采用直流改造的方式不会增加系统短路电流。

1.5 网损

综合考虑直流改造后所增加的换流设备和直流线路的网络损耗，并与交流情况下进行对比。采用直流改造前后的公共母线作为参考节点，用牛拉法算出潮流数据，算出在线路上的网损，然后加上换流设备的损耗，综合就是直流配网的网络损耗。根据已有的研究，取中压交流配电站中的损耗为容量的1.5%。结合当下的柔性输电技术，在配电侧可以采用与其类似的换流技术，换流站的综合损耗为容量的1.6%。配电网的线损计算公式为

式中：ΔW为配电网线损；I为配网的输电线路首端负荷电流最大值；Rd∑为输电线路的等值电阻；G为输电线路输送最大负荷时的损耗时间。直流改造以后，除了计算线路损耗以外，还需加上新增换流装置的损耗。

2 综合评价体系

将上文所提改造方案中的经济性、供电能力、供电可靠性、短路电流和网损等指标，使用熵权法进行多维综合权重求解，该评价方法简明客观，具有良好的操作性，能够强化各类评价指标之间的差异性，利于分辨不同指标之间的重要性，此外还可以凸显隐含在数据中的信息[21]。

2.1 权重指标计算

熵权法的评价方法精简明了，其主要原理是评价对象重要性和该对象在某项指标的的差值成正比。根据各指标的差异大小，从而计算出每个指标合理的权重，使得多维度的评价体系更加直观可靠。步骤如下。

2.2 建立评价模型

本文基于TOPSIS模型方法是一种在多维指标决策中的决策手段，是一种距离综合评估法。该评价模型的主要优势在于对原始数据的主要利用，数据的损失较小，几何模型清晰易懂，在TOPSIS的数学模型中，使用正负理想解来计算每个指标中最优与最差的数据，并建立二者之间的二维距离，在此基础上进行对比分析。最优方案定义为离最优解最近且离最劣解最远，反之则定义为最差方案。

本文使用熵权法对各项指标进行赋权，之后结合改进的TOPSIS模型进行方案评价，改进的部分主要体现在修改了对于最优以及最差解之间的评价数学计算式。整体的计步骤如下。

2.3 综合评价流程

本文提出了一种对城市中心负荷交流配电网改造的综合决策。评价方案的主要流程为：①计算每个性能指标的参数；②基于熵权法对每个性能指标的评估值进行赋权，形成决策矩阵；③使用改进TOPSIS法对决策矩阵进行分析计算，对改造方案进行综合评估，计算改造方案与最优解和最劣解的贴近度，选取确认综合性能最好的改造方案。主体流程如图2所示。

图2 方案决策总流程Fig.2 General flow chart of decision-making under the scheme

3 实例分析

本文使用Digsilent/Powerfactory软件对算例进行仿真并计算算例所需的潮流数据。城市负荷中心的传统交流配电网拓扑结构如图1所示，城市重点负荷采用两端供电模式，一端供电，另一端为备用。图中城市负荷中心处用电量逐年增加，原有交流输电走廊逐渐无法满足供电需求，因此本文提出3种改造方案并进行分析计算，通过与原有交流结构进行对比，验证该场景下直流改造方案的可行性。

原交流结构：城市中心的线路1和线路2长度为4 km，承载的最大负荷为9 MW，交流电压等级为10 kV，如图3所示。

图3 对中心负荷进行交流扩容Fig.3 AC capacity expansion for central load

改造方案1：使用传统方法对配电网进行交流扩容改造,拓扑结构与图3一致。

改造方案2：在原交流线路2的基础上加装换流装置，将其改造升级为直接输电模式，直流线路电压等级为10 kV，线路1不变，如图4所示。

图4 对中心负荷单侧线路进行直流改造Fig.4 DC transformation carried out on single-side line of central load

改造方案3：在原交流线路1和2的基础上同时加装换流装置，将其改造升级为直接输电模式，直流线路电压等级为10 kV，如图5所示。

图5 对中心负荷两侧直流线路均进行直流改造Fig.5 DC transformation carried out on both sides of DC lines of central load

各方案指标数据如表3所示。

表3 各方案性能指标数据Tab.3 Data of performance indexes under each scheme

3.1 结果分析

通过上文所描述的方法，本文使用熵权法确定每个指标的权重，然后使用改进的TOPSIS法对每个方案的性能指标进行评价，贴近度越接近1表示该方案越接近最优方案，4种方案的指标参数如表3所示，表中k1为土建投资，k2为售电收益，k3为设备成本，k4为供电容量，k5为有功损耗，k6为无功损耗，k7为可靠性，k8为单极短路电流裕度，k9为双极短路电流裕度。

3个改造方案与原有结构的对比数据如表4所示，原价交流结构作为参考基准，后续两种改造方案在此方案的基础上进行对比。由表3和表4可知，原有的交流结构在城市中心负荷用电量大幅增加时，已无法满足要求，供电容量和经济效益的劣势尤为突出，稳态时的有功和无功损耗差距不明显，暂态时短路电流的裕度也与直流改造有一定的差距。尽管纯交流结构在设备成本和线损方面有一定的优势，但依然无法掩盖整体性能较差的情况。

表4 各改造方案综合评价值Tab.4 Comprehensive evaluation value under each transformation scheme

第1种改造方案是在原有结构的基础上进行交流扩容，该方案实施简单，对于缓解输电走廊紧张的问题虽然有一定的效果，但是对于配电网供电容量的提升有限，土建成本过高且施工难度大，且综合性能提升对于其他方案并不占优。

第2种改造方案是将一侧的输电线路改造为直流，另一侧保持不变，该方案是对第1种方案和第3种方案的折中办法，主要原因在于目前电力电子设备成本依然较高，寻求在经济性和输电性能之间探索一个平衡点。由表中的数据可知，该改造方案的绝大部分性能参数在原结构和改造方案2的中间，而受电力电子设备容量的影响，改造方案1的售电收益这一项上略有优势，综合而言处于两者的中间点，仅适用于投资建设资金不足的情况。

第3种方案改造成本最高，且因为电力电子器件的大量使用，导致整个网络的可靠性略有降低；优势在于该结构所能承载的负荷容量最大，输电最长，无需大量土建成本，暂态情况下短路电流裕度也相对增大。因此第3种方案的贴近度最高，即综合评价最优，是最适合解决城市负荷中心供电走廊受限的改造方案。本文中的算例采用5年为一个计算周期，而现实应用中一个电网的升级改造周期将大于5年，因而该方案的经济性指标将会随着时间线的拉长而逐渐扩大优势，综合评价也将更高。

3.2 性能指标对比分析

每个方案的性能指标对比如图6所示，随着直流线路比重的升高，可靠性和网损两个指标变化不够明显；售电的经济效益、土建投资裕量和输电容量3个性能指标将逐步提升，且效果显著，短路电流裕量也有小幅进步。此外，考虑到电力电子技术依然有进步的空间，直流改造方案的综合性能在将来依然会有上升的潜力。

图6 各方案性能指标雷达图Fig.6 Radar chart of performance indexes under

在实际应用过程中，因为绝大部分负荷依然为交流形式，所以在直流改造后会存在一定的协调与适应性的问题，但是对总体而言，直流改造的方案在城市负荷中心供电走廊受限的场景下，相对于传统的交流网络依然具有明显的优势。

3.3 综合评价方案效果评估

使用熵权法将数据进行归一化计算后，部分指标数据差异较大，而该计算方法能平衡每个指标的评估值。针对方案中出现的个别性能水平过低的指标，熵权法具有越值惩罚的功能，可以放大性能水平过低的指标，拉开整体的差距。

已经有许多研究证明传统的交流配电网综合性能过低，无法满足需求，而本文所用的熵权法能够得出同样的结论，能够证明本文使用的方法的合理性与可靠性，可为工程实践提供评估方法和建议。

4 结论

本文针对具体的应用场景，以传统的交流配电网作为基准，将3个场景的各类数据进行比对，使用熵权法进行赋权，结合改进的TOPSIS法进行评价决策，本文主要结论如下：

（1）不同于传统的配电网评价方案，本文从优先保证国民经济生活的需求出发，以保障中心城区的用电需求和绝对性的提高重要用户的供电可靠性为优先，摒弃了部分与行业背景和工程实际相背离的指标，修改了部分无法进行客观量化得到具体参数的指标，精炼和规范了整个评价模型，在此基础上还融入了稳态时综合经济效益、暂态时设备故障率和维修难度、土建投资成本等考量，最终合理完善整个评估体系，使得本文的评估方法更加切合理论的深化和应用，并对行业发展更加具有参考价值。

（2）基于熵权法和改进TOPSIS模型的评价方法，具有较强的操作性，能够有效反映数据隐含的信息，增强指标的差异性和分辨性，从而使评价结果更加客观可信。

（3）通过对采用手拉手式供电的城市重点负荷中心进行供电线路直流改造方案分析评估，表明对负荷两侧的交流线路同时进行直流改造的方案对缓解负荷中心供电走廊紧张、经济性较差等问题具有比较明显的效果。