特高壓直流" title="特高壓直流" target="_blank">特高壓直流分層接入電網(wǎng)的落點(diǎn)選擇研究
1.研究背景
近年來，我國特高壓交直流輸電工程應(yīng)用取得了重大突破。華東電網(wǎng)作為我國最大的直流受端電網(wǎng)，截至2016年底，共有包含4回特高壓直流在內(nèi)的8回直流投入運(yùn)行。如此密集的直流落點(diǎn)為電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行帶來了諸多挑戰(zhàn)，其中直流落點(diǎn)的選擇是電網(wǎng)規(guī)劃中需要解決的關(guān)鍵問題之一。按照國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，至2018年底華東電網(wǎng)還將新建3回特高壓直流，為實(shí)現(xiàn)特高壓直流功率輸送的優(yōu)化，引導(dǎo)潮流合理分布，部分新建直流工程將采用分層接入1000kV及500kV電網(wǎng)的方式運(yùn)行。由于特高壓直流分層接入方式存在其特殊性，因此為直流落點(diǎn)的選擇引入了新的約束。
為解決特高壓直流分層接入的落點(diǎn)選擇問題，文中基于直流分層接入的特殊性，重點(diǎn)研究了直流分層接入的評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)涵蓋了分層接入直流的運(yùn)行特性、對(duì)已投運(yùn)直流的影響、直流分層接入的潮流疏散特性以及系統(tǒng)穩(wěn)定裕度?；谒嶂笜?biāo)，采用多目標(biāo)優(yōu)化決策算法對(duì)不同直流分層接入方案進(jìn)行決策，并以實(shí)際多直流落點(diǎn)規(guī)劃電網(wǎng)為例，分析了所提決策方法的有效性，所得結(jié)論可為交直流電網(wǎng)規(guī)劃提供方法和技術(shù)支撐。
2.特高壓直流分層接入電網(wǎng)落點(diǎn)選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)
特高壓直流分層接入受端電網(wǎng)的簡(jiǎn)化等值模型如圖1所示，特高壓直流高端換流變、低端換流變分別接入500kV和1000kV網(wǎng)架，交流濾波器和無功補(bǔ)償裝置也分別接入500kV和1000kV交流母線。由于直流逆變側(cè)同極的2個(gè)換流器閥組串聯(lián)運(yùn)行，而同一極的高、低端閥組分層接入2個(gè)不同系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行工況的交流電網(wǎng)，導(dǎo)致高、低端換流變參數(shù)（例如變比、漏抗、分接頭調(diào)節(jié)步長(zhǎng)等）完全不同，從而造成高、低端閥組的觸發(fā)角、熄弧角和直流電壓都有所差異。因此必須把分接頭控制功能配置在閥組層，而不能放在極層中，以方便對(duì)兩交流系統(tǒng)獨(dú)立響應(yīng)，這客觀上為各換流器功率的獨(dú)立控制提供了條件，使直流分層輸送到不同電壓等級(jí)的功率控制更為靈活。
圖1特高壓直流分層接入方式
直流落點(diǎn)選擇需要考慮多個(gè)不同技術(shù)領(lǐng)域，且各方面可能包括若干需要考慮的因素，因此在電網(wǎng)規(guī)劃論證中，很難用數(shù)學(xué)方法描述不同方面的因素之間的關(guān)系，更難以設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)兼顧上述因素的合理的決策方法。在工程實(shí)踐中，比較簡(jiǎn)單的辦法是首先在各專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中分別篩選出可能的合理落點(diǎn)方案；在此基礎(chǔ)上，從不同領(lǐng)域的綜合角度，比選獲得最終的直流落點(diǎn)規(guī)劃方案。文中結(jié)合特高壓直流分層接入的特點(diǎn)，提出涵蓋經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于定量評(píng)價(jià)不同落點(diǎn)方案在各個(gè)方面的優(yōu)劣程度，最終利用多目標(biāo)決策算法從多個(gè)落點(diǎn)方案中選擇優(yōu)化的決策方案。
2.1經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
評(píng)價(jià)直流分層接入方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要包括兩部分。一是不同落點(diǎn)方案的工程造價(jià)，二是不同落點(diǎn)方案下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗。工程造價(jià)方面，前文提到直流分層接入方式下某一電壓等級(jí)換流站發(fā)生擾動(dòng)可能會(huì)對(duì)另一個(gè)電壓等級(jí)的換流站運(yùn)行特性造成影響。為了降低這種影響，通常可采用適當(dāng)增加分層接入點(diǎn)之間的電氣距離的方法，這往往會(huì)造成工程造價(jià)的改變。網(wǎng)絡(luò)損耗方面，由于直流落點(diǎn)不同會(huì)影響直流接入后的潮流分布特性，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗造成影響。但網(wǎng)絡(luò)損耗與系統(tǒng)的運(yùn)行方式密切相關(guān)，實(shí)際計(jì)算時(shí)選用多個(gè)典型方式下的平均值作為指標(biāo)值。
2.2直流分層接入短路比
直流采用分層接入方式，從系統(tǒng)來看，相當(dāng)于將其分為2個(gè)容量一定的直流，再經(jīng)換流母線分層接入1000kV及500kV，從短路比定義的角度上其計(jì)算方式與直流單層接入方式并無區(qū)別，只不過分層接入的特高壓直流需要對(duì)分層接入不同電壓等級(jí)的2個(gè)換流站分別計(jì)算多饋入短路比，在形成全系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣時(shí)需同時(shí)保留分層接入交流電網(wǎng)的1000kV及500kV換流站母線及其他直流換流站母線，直流分層接入的容量按實(shí)際容量計(jì)算。
2.3分層接入直流對(duì)已投運(yùn)直流的影響
當(dāng)電網(wǎng)中新投運(yùn)直流時(shí)會(huì)對(duì)已投運(yùn)的直流運(yùn)行特性造成影響，從短路比來看會(huì)造成已投運(yùn)直流的多饋入短路比下降。為了全面地分析新接入直流對(duì)已投運(yùn)直流多饋入短路比的影響，提出了影響整體性指標(biāo)、均衡性指標(biāo)、干擾性指標(biāo)、安全裕度指標(biāo)，其基本思想是利用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)從不同方面分析新接入直流對(duì)已投運(yùn)直流多饋入短路比的影響。
2.4直流分層接入后電網(wǎng)疏散能力
直流分層接入是應(yīng)對(duì)特高壓直流大容量接入受端電網(wǎng)后潮流疏散困難的有效手段，但即便分層接入大幅減少了直流注入到單一廠站的功率，若直流落點(diǎn)方案不合理仍可能由于多個(gè)疏散通道耦合造成特高壓直流功率疏散困難。在此，疏散能力主要考慮兩個(gè)指標(biāo)：（1）電網(wǎng)Ｎ-1故障或計(jì)及穩(wěn)控策略的Ｎ-2故障約束下直流分層接入的最大能力；（2）考慮直流額定接入輸送容量下的為滿足潮流疏散要求直流分層接入在不同電壓等級(jí)上的功率分配比例。
2.5直流分層間交互影響程度
由于直流分層接入在受端電網(wǎng)的2個(gè)落點(diǎn)電氣距離一般較小，因此在直流無功控制方面，某一層換流站的濾波器投切是否會(huì)對(duì)另一層的濾波器投切造成擾動(dòng)是關(guān)注的重點(diǎn)，或者某一層換流站濾波器的投切會(huì)對(duì)另一層換流站的母線電壓造成多大的影響，從影響的定義來看與多饋入直流相互作用因子基本一致。
2.6系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度
直流分層接入后會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性造成影響，不同的分層接入方案造成的影響不同。電力系統(tǒng)暫態(tài)安全穩(wěn)定包括暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓安全和暫態(tài)頻率安全。暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度可基于標(biāo)準(zhǔn)的等面積擴(kuò)展理論計(jì)算獲得；暫態(tài)電壓安全包括暫態(tài)電壓跌落可接受性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；暫態(tài)頻率安全裕度一般采用暫態(tài)頻率跌落可接受性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.直流分層接入電網(wǎng)落點(diǎn)選擇策略
直流分層接入方案優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)決策問題，常用的多目標(biāo)決策方法有目標(biāo)規(guī)劃法、多目標(biāo)模糊決策法、逼近理想解排序法（TOPSIS法）等。在決策的過程中，各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重有著十分重要的作用，權(quán)重是否合理直接決定了評(píng)價(jià)的科學(xué)性。權(quán)重的確定一般可以分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法以及組合賦權(quán)法3類。其中，主觀賦權(quán)法包括層次分析法、德爾菲法等；客觀賦權(quán)法包括熵權(quán)法、模糊聚類分析法等；組合賦權(quán)法是在綜合主、客觀賦權(quán)結(jié)果的基礎(chǔ)上研究出來的復(fù)合型賦權(quán)方法，能較好地彌補(bǔ)主客觀賦權(quán)法各自的缺點(diǎn)。文中利用德爾菲法與熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)方法確定各指標(biāo)的權(quán)重，再采用基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS法對(duì)直流分層接入方案進(jìn)行決策優(yōu)化。
各指標(biāo)權(quán)重確認(rèn)之后，通過計(jì)算不同直流分層接入方案下的指標(biāo)值，即可采用基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS法對(duì)直流分層接入方案進(jìn)行決策優(yōu)化。TOPSIS法的基本思想是：計(jì)算現(xiàn)實(shí)中的每個(gè)方案距離最佳方案和最差方案的距離，通過理想解的相對(duì)接近度作為綜合評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。利用灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)一步改進(jìn)TOPSIS法，可以更確切地表述備選方案與理想方案的貼和度，以此比較方案的優(yōu)劣程度，最終提供決策依據(jù)。步驟包括：
（1）首先計(jì)算所有備選方案的加權(quán)決策矩陣。
?。?）根據(jù)各備選方案的指標(biāo)值，確定所有備選方案的正理想解Ｇ和負(fù)理想解Ｂ。
?。?）計(jì)算不同接入方案與正、負(fù)理想解的距離。
?。?）計(jì)算方案與正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度。
（5）將備選方案與正、負(fù)理想解的距離和灰色關(guān)聯(lián)度標(biāo)準(zhǔn)化。
?。?）計(jì)算方案的相對(duì)貼近度。
4.算例分析
為了驗(yàn)證算法的有效性，基于實(shí)際電網(wǎng)中某規(guī)劃分層接入的特高壓直流開展落點(diǎn)選擇研究。實(shí)際電網(wǎng)的局部簡(jiǎn)化網(wǎng)架如圖2所示，其中實(shí)線為現(xiàn)有網(wǎng)架，共有7回單層接入的直流投運(yùn)（圖中局部電網(wǎng)僅畫出一回直流，落點(diǎn)Ｉ變電站），計(jì)及規(guī)劃項(xiàng)目的可行性，規(guī)劃的特高壓分層接入方案有4種，通過虛線表示。
圖2某實(shí)際電網(wǎng)簡(jiǎn)化示意
針對(duì)上述各方案，基于實(shí)際電網(wǎng)的典型方式計(jì)算數(shù)據(jù)，可得各個(gè)方案下指標(biāo)計(jì)算值如表1所示。根據(jù)各指標(biāo)的計(jì)算值，首先運(yùn)用德爾斐法、熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重如表2所示。
表1各直流分層接入方案指標(biāo)值
表2各指標(biāo)權(quán)重值
基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS法對(duì)4個(gè)備選方案進(jìn)行決策優(yōu)化，計(jì)算各備選方案與正、負(fù)理想解的標(biāo)準(zhǔn)化距離和灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表3和表4所示。
表3各方案?jìng)溥x方案與正、負(fù)理想解的標(biāo)準(zhǔn)化距離和灰色關(guān)聯(lián)度
表4各方案?jìng)溥x方案與正、負(fù)理想解的接近程度
方案1為0.6414；方案2為0.4548；方案3為0.4333；方案4為0.4799。由計(jì)算結(jié)果可知，方案1便是所給考核指標(biāo)下4個(gè)方案中的最優(yōu)方案，與實(shí)際規(guī)劃相符。
5.結(jié)語
文中從電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃的實(shí)際需求出發(fā)，計(jì)及直流分層接入電網(wǎng)的特點(diǎn)及影響，建立了能較為全面地綜合評(píng)價(jià)直流分層接入電網(wǎng)的多個(gè)指標(biāo)，包括工程造價(jià)，系統(tǒng)網(wǎng)損、直流分層接入短路比、分層接入直流對(duì)電網(wǎng)已投運(yùn)直流的影響、直流分層接入電網(wǎng)后疏散能力、直流分層間的交互影響程度以及系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，兼顧了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性及安全穩(wěn)定特性。針對(duì)不同的特高壓直流分層接入方案，通過計(jì)算各指標(biāo)值，然后利用基于灰色關(guān)聯(lián)理論的TOPSIS法從備選方案中得到優(yōu)化方案。通過在實(shí)際電網(wǎng)的應(yīng)用，證明該方法具有工程實(shí)用性，可為特高壓直流分層接入電網(wǎng)落點(diǎn)規(guī)劃提供技術(shù)支撐。