羅 峰，張 冰，紀祥貞，王小波，武 誠，李兆偉，黃 慧

（1.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），南京 211006；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211006；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001；4.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著特高壓交直流電網(wǎng)的建設投運，我國華東、華北等受端電網(wǎng)已形成特高壓交直流混聯(lián)格局，在緩解受端電網(wǎng)高峰負荷用電困難的同時，也給電網(wǎng)運行控制帶來了新的問題。直流大功率來電時，直流對網(wǎng)內常規(guī)電源的置換效應進一步加劇，導致受端電網(wǎng)內部分區(qū)受電比例增大，在嚴重故障下導致分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后可能存在嚴重的頻率和電壓問題[1-4]。在這種大功率受電方式下，單純依靠低頻、低壓減載難以保證分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的安全穩(wěn)定運行，需要預控分區(qū)與主網(wǎng)的交換功率或者通過增加孤網(wǎng)后緊急聯(lián)切負荷的策略，這在無形中增加了電網(wǎng)切負荷的風險，存在較大的電力安全事故隱患，因此電網(wǎng)的分層分區(qū)方案需要根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展變化進行優(yōu)化[5-7]。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》中明確規(guī)定：隨著高一級電壓電網(wǎng)的建設，下級電壓電網(wǎng)應逐步實現(xiàn)分區(qū)運行，相鄰分區(qū)之間互為備用，以避免和消除嚴重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的不同電壓等級的電磁環(huán)網(wǎng)，并有效限制短路電流，簡化繼電保護配置[8]。目前電網(wǎng)分區(qū)主要考慮電網(wǎng)的短路電流水平及電磁環(huán)網(wǎng)運行控制。文獻[9]結合安徽電網(wǎng)遠景規(guī)劃對安徽電網(wǎng)500 kV/220 kV電網(wǎng)分層分區(qū)進行了分析，提出了安徽電網(wǎng)分層分區(qū)的初步設想，但這一分層分區(qū)方案是根據(jù)調度運行人員的經(jīng)驗提出的，主要考慮電網(wǎng)中的電磁環(huán)網(wǎng)，無法保證分區(qū)供電的可靠性，具有一定的局限性。文獻[10]介紹了寧波電網(wǎng)10年來逐步打開電磁環(huán)網(wǎng)、實現(xiàn)分層分區(qū)的發(fā)展歷程和實施現(xiàn)狀，但所實施的分層分區(qū)方案主要是通過打開電磁環(huán)網(wǎng)來改善系統(tǒng)潮流分配、抑制短路電流，并未考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性與安全穩(wěn)定性。文獻[11]以220 kV主變壓器負載率均勻為目標函數(shù)，以500 kV變電站220 kV母線短路電流、網(wǎng)損及供電可靠性作為約束條件，利用Tabu搜索法對分區(qū)優(yōu)化求解，該優(yōu)化方法在禁忌長度較短時會過早陷入局部最優(yōu)，在禁忌長度較長時會導致計算時間過長，同時該優(yōu)化方法并未考慮分區(qū)發(fā)生嚴重故障孤網(wǎng)運行后，在二、三道防線的作用下是否能保持安全穩(wěn)定運行。

文中分析了特高壓交直流快速發(fā)展背景下分區(qū)電網(wǎng)的特性變化趨勢，建立了涵蓋經(jīng)濟性、安全性和可靠性的電網(wǎng)分層分區(qū)量化評估指標，提出了綜合考慮多重約束的電網(wǎng)分層分區(qū)方案優(yōu)選方法，基于所研究電網(wǎng)備用通道建立多個分層分區(qū)備選方案，利用基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS（逼近理想解排序法）的多目標決策方法，從備選方案中選擇最優(yōu)方案，可以很好地解決電力系統(tǒng)運行控制中經(jīng)濟性、安全穩(wěn)定性與可靠性矛盾的問題。

1 電網(wǎng)現(xiàn)有分區(qū)運行存在的問題

文中以某特高壓交直流受端電網(wǎng)的分區(qū)電網(wǎng)為例介紹電網(wǎng)現(xiàn)有分區(qū)運行所存在的問題。如圖1所示，分區(qū)1分別通過2條500 kV線路與相鄰分區(qū)相連，其中A-B和A-C均為同桿并架線路，實際運行過程中，當A-B或A-C的雙回線同停檢修時，一旦發(fā)生剩余兩回線“N－2”故障，會造成該分區(qū)孤網(wǎng)運行。

圖1 某分區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)

在特高壓直流接入前，典型方式下，該分區(qū)最大受電比例為40.08%，當出現(xiàn)孤網(wǎng)運行時，通過現(xiàn)有的低頻、低壓減載策略就可以使分區(qū)電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定運行。特高壓直流接入后，由于電源的替代效應，分區(qū)的最大受電比例增加至68.38%，一旦發(fā)生分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)的故障，將會出現(xiàn)嚴重的頻率和電壓問題。圖2、圖3給出了典型方式下，該分區(qū)孤網(wǎng)后的電壓及頻率響應曲線，可以看出典型方式下存在電壓和頻率失穩(wěn)問題。

圖2 分區(qū)1孤網(wǎng)后電壓響應曲線

圖3 分區(qū)1孤網(wǎng)后頻率響應曲線

在這種大功率受電方式下，單純依靠低頻、低壓減載難以保證分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的安全穩(wěn)定運行，需要預控分區(qū)與主網(wǎng)的交換功率或者通過增加孤網(wǎng)后緊急聯(lián)切負荷的策略，這在無形中增加了電網(wǎng)切負荷的風險，存在較大的電力安全事故隱患?，F(xiàn)有電網(wǎng)分層分區(qū)方案很大程度上主要考慮短路電流控制及電磁環(huán)網(wǎng)運行，當電網(wǎng)的供電安全性、可靠性與經(jīng)濟性存在矛盾時，需綜合考慮多個因素制定電網(wǎng)分層分區(qū)運行方案。

2 電網(wǎng)分層分區(qū)評價指標體系建立

電網(wǎng)分層分區(qū)是一個全局性的問題，必須統(tǒng)籌考慮對系統(tǒng)整體的影響。要實現(xiàn)合理的分層分區(qū)，必須擬定科學合理和完備的評估指標體系，這是確保評估有效性、實現(xiàn)合理分層分區(qū)的基礎。根據(jù)電網(wǎng)分層分區(qū)運行對系統(tǒng)經(jīng)濟性、安全性和可靠性等方面的影響，制定如表1所示的評估指標。

表1 電網(wǎng)分層分區(qū)評價指標

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)損

網(wǎng)損是評價電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行的重要指標，分為理論網(wǎng)損和實際網(wǎng)損，在離線仿真中通過潮流計算得到的一般是理論網(wǎng)損。電網(wǎng)分層分區(qū)運行會改變電力系統(tǒng)的潮流狀態(tài)，從而影響系統(tǒng)的網(wǎng)損，因此在優(yōu)選分層分區(qū)方案時需要考慮網(wǎng)損這一指標[12]。

2.2 短路電流控制代價

當電網(wǎng)短路電流超標時，需要采取一定的措施對短路電流進行限制。目前，常用的措施包括線路拉停、線路出串、配置線路串抗、變壓器中性線串電抗等方式。文中所提的短路電流控制代價主要指配置線路串抗、變壓器中性線串電抗等帶來的經(jīng)濟代價，指標采用需要配置串抗的個數(shù)，而線路拉停、線路出串等措施帶來的影響通過系統(tǒng)可靠性指標來衡量。

2.3 短路電流水平

分區(qū)運行時，可以增加系統(tǒng)的電氣距離，從而減小系統(tǒng)的短路電流。通過對全網(wǎng)進行分層分區(qū)，合理分配各個分區(qū)負荷，可以有效減小短路電流，并且這種措施最為經(jīng)濟。所以，短路電流水平也可以作為評價負荷分區(qū)是否合理的有效指標之一。短路電流越小說明系統(tǒng)越安全，因此選取各方案中母線短路電流的最大值作為各方案的短路電流水平指標。

2.4 安全穩(wěn)定特性

電網(wǎng)分層分區(qū)運行后會引起系統(tǒng)網(wǎng)架結構變化，有可能使系統(tǒng)的暫態(tài)安全穩(wěn)定特性發(fā)生改變。電力系統(tǒng)暫態(tài)安全穩(wěn)定特性包括暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓安全和暫態(tài)頻率安全，由國網(wǎng)電力科學研究院發(fā)明的FASTEST軟件可以定量計算功角、電壓及頻率的安全穩(wěn)定裕度，可將它們作為評價電網(wǎng)分區(qū)效果的指標之一。該指標值越大說明該方案下系統(tǒng)穩(wěn)定性能越高，因此選取各方案中系統(tǒng)最低穩(wěn)定裕度作為各方案的安全穩(wěn)定性指標。

2.5 “N－1”準則

“N－1”準則是判定電力系統(tǒng)安全性的一種準則，又稱單一故障安全準則，是對分層分區(qū)方案穩(wěn)定性的評價。若方案中不存在“N－1”開斷后線路過載和電壓越限，則“N－1”靜態(tài)評估指標為1，否則為0。

2.6 停電功率期望

EDNS（停電功率期望值）是對分層分區(qū)方案的可靠性進行評價，指標單位為MW[13-15]，計算公式如式（1）所示：

式中：PEDNS為停電功率期望值；F為系統(tǒng)狀態(tài)的集合；pi為第i個系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)的概率；LDNS，i為第i個狀態(tài)下的切負荷量。

3 分層分區(qū)方案優(yōu)選

3.1 指標權重的確定

由于每個指標在方案評價中的重要程度不一樣，因此在進行優(yōu)選決策時需對每個指標賦一個權重以表示其在評價過程中的重要程度。確定權重的方法有主觀賦權法與客觀賦權法，其中德爾菲法與熵權法是較為常見的主、客觀賦權法[16-17]。為了使各指標的權重既能體現(xiàn)人的主觀意愿同時也體現(xiàn)決策的客觀性，文中采用主觀賦權法與客觀賦權法相結合的綜合賦權法，計算公式如下：

式中：wj為德爾菲法所確定的各指標的權重值；wej為熵權法所確定的各指標的權重值；λj為各指標的綜合權重值；n為指標數(shù)。

如果綜合權重不在所確定的主觀權重和客觀權重范圍之內，那么將此綜合權重用于決策方案的選擇會出現(xiàn)很大的偏差，所以有必要對計算綜合權重的公式進行修正，修正公式如下：

式中：φ為修正系數(shù)，0≤φ≤1。

3.2 分層分區(qū)方案優(yōu)選決策方法

電網(wǎng)分層分區(qū)方案的優(yōu)選是一個多目標決策問題。常用的多目標決策方法有層次分析法、模糊綜合決策法、灰色關聯(lián)分析法以及TOPSIS等。層次分析法是一種系統(tǒng)性分析法，所需數(shù)據(jù)信息較少，將定性與定量2種方法有機結合起來，避免了復雜計算，但其基于專家打分的評價指標量化過程，使評價結果帶有一定的主觀性。模糊綜合評價法是通過精確的數(shù)字手段對模糊的評價對象進行處理，能對模糊性的信息資料做出比較科學的量化評價，但其計算復雜，并且具有一定的主觀性?；疑P聯(lián)分析法是通過確定備選方案與理想方案之間的關聯(lián)程度進行決策的方法，它根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關聯(lián)度”，來衡量因素間的關聯(lián)程度，但它只能度量各方案相同因素間的關聯(lián)性，因此在優(yōu)選方案時僅僅通過灰色關聯(lián)分析法是不全面的，需要通過其他方法來彌補它的缺點。TOPSIS通過計算各種方案與最優(yōu)和最劣方案的距離，獲得各方案與最優(yōu)方案的相對貼近度，再進行排序，但如果出現(xiàn)2個方案的相對貼近度相等的情況，就無法對方案進行排序。以下綜合利用灰色關聯(lián)分析法與TOPSIS對各方案進行評價[18-20]，既避免了評價的主觀性，又避免了陷于局部最優(yōu)解以及大量計算的問題。具體的評價步驟如下：

（1）計算加權決策矩陣。

式中：vij為第i個備選方案中第j個指標的標準化指標值，i=1，2，…，m（m 為備選方案數(shù)），j=1，2，…，n。

（2）確定正、負理想解。

正理想解

負理想解

（3）計算各方案與正、負理想解的距離。

第i個方案的指標規(guī)范值與正、負理想解之間的距離分別為：

（4）計算各方案與正理想解的灰色關聯(lián)度。第i個方案與正理想解關于第j個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)：

各方案與正理想解的灰色關聯(lián)系數(shù)矩陣：

（5）計算各方案與負理想解的灰色關聯(lián)度。

第i個方案與正理想解的灰色關聯(lián)度：

第i個方案與負理想解關于第j個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)：

各方案與負理想解的灰色關聯(lián)系數(shù)矩陣：

第i個方案與負理想解的灰色關聯(lián)度：

（6）將距離和灰色關聯(lián)度標準化。

由于灰色關聯(lián)度和距離的度量方法和數(shù)量級不同，因此有必要將它們規(guī)范化。規(guī)范化的公式為：

（7）計算各方案的相對貼近度。

構造如下公式：

式中：α+β=1，α，β的大小反映了決策者對灰色關聯(lián)分析法和TOPSIS的偏好；綜合反映了方案與理想方案的接近程度，其值越大方案越優(yōu)；則反映了方案與理想方案的遠離程度，其值越大方案越劣。

那么，各方案的相對貼近度：

將所求的相對貼近度進行排序，貼近度越大，則方案越優(yōu)。

4 算例分析

以某實際電網(wǎng)不同的分層分區(qū)方案選擇為例，說明考慮多重約束的分區(qū)優(yōu)化方法。如圖4所示，圖中實線表示分區(qū)1與分區(qū)2、分區(qū)2與分區(qū)3分別通過2條500 kV的線路相連，虛線表示分區(qū)之間的備用通道，根據(jù)備用通道的開合狀態(tài)，可以列出4種備選方案：方案一，保持現(xiàn)有的網(wǎng)架結構（1-2開環(huán)、3-4合環(huán)）；方案二，將1-2合環(huán)、3-4合環(huán)；方案三，將1-2合環(huán)，3-4開環(huán)；方案四，將1-2開環(huán)、3-4開環(huán)。

圖4 考慮分區(qū)間備用通道不同狀態(tài)的4個分層分區(qū)備選方案

針對上述各方案，基于實際電網(wǎng)的典型方式計算數(shù)據(jù)，可得各個方案下各指標的計算值如表2所示。

表2 4個備選方案各指標的計算值

根據(jù)表2各指標的計算值，運用德爾菲法、熵權法計算各指標的權重如表3所示。

表3 各指標的權重值

利用基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS的多目標決策方法，對4個備選方案進行決策優(yōu)選。根據(jù)式（13）及（14）計算各備選方案與正、負理想解的標準化距離和灰色關聯(lián)度如表4所示。

表4 4個備選方案與正、負理想解的標準化距離和灰色關聯(lián)度

根據(jù)式（15）計算得到各備選方案與正、負理想解的接近程度如表5所示。

表5 4個備選方案與正、負理想解的接近程度

根據(jù)式（16）計算得到各備選方案的相對貼近度如表6所示。

表6 4個備選方案的相對貼近度

由表6的計算結果可知，方案三是所給考核指標下4個方案中最優(yōu)的，與實際規(guī)劃相符。

采用方案三的分區(qū)運行方式，該方案典型方式下，分區(qū)的最大受電比例為12.5%，此時分區(qū)的負荷為7 570.5 MW。當該分區(qū)孤網(wǎng)運行時，通過現(xiàn)有的低頻、低壓減載策略可以使分區(qū)電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定運行，低頻、低壓減載切除負荷448.55 MW，未觸發(fā)國務院第599號令《電力安全事故應急處置和調查處理條例》。圖5、圖6給出了典型方式下，該分區(qū)孤網(wǎng)后的電壓及頻率響應曲線。

5 結論

圖5 分區(qū)孤網(wǎng)后電壓響應曲線

圖6 分區(qū)孤網(wǎng)后頻率響應曲線

特高壓交直流的快速發(fā)展為我國大范圍優(yōu)化配置資源提供了有效手段，隨著特高壓輸電功率的不斷增長以及我國經(jīng)濟發(fā)展形勢進入新常態(tài)，外來電力對受端電網(wǎng)本地開機的替代效應逐漸增強，特高壓交直流饋入后受端電網(wǎng)面臨較大的頻率和電壓安全風險。文中以此為背景分析了特高壓直流大功率饋入受端電網(wǎng)后電網(wǎng)的特性變化及分區(qū)優(yōu)化策略，得出以下主要結論：

（1）特高壓交直流外來電力替換本地開機后，分區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)的交換功率進一步增大，在嚴重故障下，分區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后可能存在嚴重的頻率和電壓問題，原先全網(wǎng)統(tǒng)一配置的低頻、低壓減載措施量可能不足，需要優(yōu)化分區(qū)電網(wǎng)的三道防線，增加事故后切負荷量，存在較大的電力安全事故隱患。

（2）目前電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃主要考慮短路電流和電磁環(huán)網(wǎng)運行等問題，為應對特高壓直流大功率來電后的新問題，提出了涵蓋經(jīng)濟性、安全性和可靠性的電網(wǎng)分區(qū)量化評估指標，基于所研究電網(wǎng)備用通道建立多個分區(qū)備選方案，利用基于灰色關聯(lián)理論的TOPSIS的多目標決策方法從備選方案中選擇最優(yōu)的方案。實際電網(wǎng)的算例驗證結果表明，該方法具有工程實用性，可為特高壓交直流饋入后受端電網(wǎng)分區(qū)優(yōu)化提供技術支撐。