滿林坤，馮云斌，薛 鵬，葛 亮，孔令東

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015; 2.國網(wǎng)宜昌供電公司,湖北 宜昌 443001；3.上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200000；4.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200000)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，當(dāng)前電壓等級的輸電線路傳輸功率無法滿足地區(qū)用電量需求的情況時有發(fā)生[1-2]。國家電網(wǎng)公司常常將高電壓等級和低電壓等級輸電線路并聯(lián)來對同一個地區(qū)供電，以此來提高資源利用效率，保證供電能力。而此時兩個電壓等級的輸電通道通過變壓器構(gòu)成了一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，就是所謂的高低壓電磁回路[3-4]。但是電磁環(huán)網(wǎng)是一種電網(wǎng)的過渡狀態(tài)，在電網(wǎng)建設(shè)成熟之后存在著短路電流水平提高、網(wǎng)絡(luò)損耗增加、回路中的功率分布調(diào)控困難、自動保護(hù)裝置動作難以保證準(zhǔn)確有效，會給輸電網(wǎng)絡(luò)的安全工作造成威脅[5-6]。因此，打開電磁回路對電網(wǎng)的安全可靠供電具有積極意義，而《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》也肯定了打開電磁回路的積極意義。

國內(nèi)對電磁環(huán)網(wǎng)的研究主要集中在解環(huán)方面。在解環(huán)之前，首先要對各個解環(huán)方案中電網(wǎng)的功率分布、斷路容量、網(wǎng)絡(luò)損耗和穩(wěn)定水平等指標(biāo)的變化情況進(jìn)行綜合分析，并選出最合理的備選解環(huán)方案。國內(nèi)很多學(xué)者對此做了大量的研究：文獻(xiàn)[7]設(shè)立的電磁回路解環(huán)方案評價指標(biāo)體系包含功率分布和電壓水平、短路電流、暫態(tài)穩(wěn)定水平；文獻(xiàn)[8]的評價指標(biāo)有N-1指標(biāo)和暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)；文獻(xiàn)[9]對功率分布、電壓值、暫態(tài)穩(wěn)定程度、N-1指標(biāo)等進(jìn)行了計算；文獻(xiàn)[10]研究了高電壓等級線路出現(xiàn)斷路問題時，低電壓等級電網(wǎng)因承擔(dān)了高電壓線路的輸送容量而導(dǎo)致的過載和熱穩(wěn)定性問題，通過穩(wěn)定性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)判斷是否需要消除電磁回路，以500 kV至220 kV電磁回路為例，說明了確定是否需要進(jìn)行解環(huán)操作的流程；文獻(xiàn)[11]改進(jìn)了電磁回路解環(huán)方案評估的傳統(tǒng)流程，通過分階段進(jìn)行評估判斷，根據(jù)低電壓等級電網(wǎng)劃分片區(qū)的先后來構(gòu)建備選解環(huán)方案集，計算各個解環(huán)方案解環(huán)后電網(wǎng)的穩(wěn)定性指標(biāo)和短路電流值，并運用綜合評價方法進(jìn)行評估排序；文獻(xiàn)[12]針對城市電網(wǎng)密集度高、用電量大、已經(jīng)規(guī)劃建設(shè)節(jié)奏快的特點，提出處理市區(qū)內(nèi)的電磁回路時需要參考500 kV電網(wǎng)的建設(shè)計劃和構(gòu)想，選擇最佳的解環(huán)時機和位置，并且打開電磁回路后，應(yīng)該盡量減少單回路供電情況的出現(xiàn)；文獻(xiàn)[13]提出了一種改進(jìn)GN分裂算法的分區(qū)方法，通過GN分裂算法獲取評價線路薄弱程度的綜合邊介數(shù)得到分區(qū)方案，搭建評價指標(biāo)模型，運用信息熵主成分分析法來對解環(huán)方案進(jìn)行綜合評估判斷。這些國內(nèi)學(xué)者的研究分析了電磁環(huán)網(wǎng)對電網(wǎng)運行所帶來的影響，判斷了解環(huán)時機是否成熟，并綜合評價了解環(huán)方案，為實際應(yīng)用提供了有力的參考。

目前，湖北電網(wǎng)有1 000 kV變電站1座，500 kV變電站29座，220 kV公用變電站157座，全口徑裝機容量達(dá)到6 410.78萬kW，發(fā)電量達(dá)到2 355.87億kWh。湖北省為九省通衢，湖北電網(wǎng)在全國電網(wǎng)中起著重要的樞紐作用，地理接線圖如圖1所示，其中紅色為500 kV輸電線路，藍(lán)色為220 kV輸電線路，現(xiàn)在湖北電網(wǎng)的500 kV輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建設(shè)成熟，并且在多處與220 kV線路構(gòu)成高低壓電磁回路。這些電磁回路對整個湖北電網(wǎng)的安全性是一個潛在威脅，必須采取合理的方案進(jìn)行解環(huán)操作。

圖1 湖北電網(wǎng)地理接線圖

本文以湖北電網(wǎng)為例，通過粒子群算法對備選解環(huán)方案進(jìn)行篩選，并建立了電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案評價指標(biāo)體系，以得到最合理的備選解環(huán)方案，運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對電磁回路備選解環(huán)方案進(jìn)行分析評估，確定了最合理的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案。

1 粒子群算法

粒子群在空間飛行搜索時，粒子i的按照式(1)和式(2)來迭代更新速度和空間位置。

(1)

(2)

式中：t為目前的迭代次數(shù)；r1，r2為均勻分布在[0,1]區(qū)間的隨機數(shù)；c1和c2為加速常數(shù)，其中c1控制粒子向個體最優(yōu)解靠近速度，c2控制粒子向全局最優(yōu)解接近的速度；w是慣性常數(shù)，它意味著上一次的粒子速度在當(dāng)前速度中所占的比重：如果要強化局部的搜索能力，可以減小w；當(dāng)想要加強算法的全局搜索能力時，可以增大w。

本文采用的粒子群算法尋優(yōu)的方法如下：

步驟1：t=0，初始化各個粒子位置xt和速度vt以及其他的一些參數(shù)；

步驟3：依據(jù)式(1)更新粒子的速度vt，并對速度進(jìn)行限制；

步驟4：依據(jù)式(2)更新粒子的位置xt；

步驟6：判斷所得結(jié)果是否滿足終止條件，若滿足則算法終止并輸出最優(yōu)解，否則轉(zhuǎn)到步驟3繼續(xù)進(jìn)行計算。

2 湖北電網(wǎng)備選解環(huán)方案

現(xiàn)在，在樊城和孝感之間，江陵和興隆之間，玉賢和鳳凰山之間，均存在500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)，如圖2—圖4所示，其中紅色線路為500 kV輸電線路，藍(lán)色線路為220 kV輸電線路。

表1是通過計算得到的湖北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案候選解集，第一種解環(huán)方案解環(huán)后網(wǎng)絡(luò)損耗最小，第二種解環(huán)方案解環(huán)后分區(qū)數(shù)目最多，更有利于對湖北電網(wǎng)潮流分布的控制，第三種解環(huán)方案解環(huán)時的供電能力最大。

圖2 樊城-孝感電磁環(huán)網(wǎng)

圖3 江陵-興隆電磁環(huán)網(wǎng)

圖4 玉賢-鳳凰山電磁環(huán)網(wǎng)

表1 湖北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案候選解集

3 電磁環(huán)網(wǎng)評價指標(biāo)體系的建立

在評估是否需要打開電磁回路時，主要參考電磁回路導(dǎo)致的短路容量增加和大規(guī)模功率轉(zhuǎn)移問題這兩項指標(biāo)。在進(jìn)行電磁回路解環(huán)時機決策時遵循如下原則。

a.當(dāng)高電壓等級電網(wǎng)出現(xiàn)斷路故障時，如果高電壓等級電網(wǎng)大部分的輸電任務(wù)被低電壓等級電網(wǎng)承擔(dān)，并且超過了其能力范圍，則需要打開電磁回路。

b.若低電壓等級電網(wǎng)的線路分布交錯復(fù)雜，聯(lián)系緊密，并且其短路容量超過安全范圍，也需要對電磁回路解環(huán)。

對電磁回路解環(huán)方案進(jìn)行評估判斷時涉及的指標(biāo)有短路電流水平、靜態(tài)安全性、網(wǎng)損等。搭建評價指標(biāo)模型，包括短路電流容量值、靜態(tài)安全性、N-1校驗、供電經(jīng)濟(jì)性、靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，并進(jìn)行量化計算。電磁回路解環(huán)的評價指標(biāo)模型遞階層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示，基于建立的評價指標(biāo)體系就可以對各個解環(huán)方案進(jìn)行綜合評價。

圖5 解環(huán)評價模型遞階層次結(jié)構(gòu)關(guān)系

4 湖北電網(wǎng)的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案綜合評估

本文分別運用層次分析法、G1法這兩種主觀賦權(quán)法以及離差最大化法、標(biāo)準(zhǔn)差和平均差賦權(quán)法這兩種客觀賦權(quán)法求取解環(huán)方案評價指標(biāo)的權(quán)重，然后對4種賦權(quán)方法求得的權(quán)重值進(jìn)行組合計算，然后運用灰色綜合評價方法對備選解環(huán)方案進(jìn)行綜合評價。

首先要對這4種賦權(quán)方法得到的權(quán)重進(jìn)行組合計算。賦權(quán)的過程可以看作是分別從主觀權(quán)重總體和客觀權(quán)重總體中分別抽取1個樣本和q-1個樣本，總共q個樣本，在本文中l(wèi)=2,q=4，。設(shè)各個指標(biāo)的權(quán)重值為wj(1,2,…，m),wj與q個主客觀權(quán)重值的偏差越小越好。優(yōu)化模型如下：

(3)

q個樣本分別來自2個總體，每個樣本都是1個隨機變量，它們構(gòu)成了評價指標(biāo)的主客觀權(quán)重的一個隨機向量，ws為主觀權(quán)重向量，wb為客觀權(quán)重向量，α和β分別為主觀權(quán)重樣本和客觀權(quán)重樣本的重要系數(shù)。

對于1個主觀權(quán)重樣本，它的取值等于實際的主觀權(quán)重值的概率，設(shè)為xs：

(4)

對于q-1個客觀權(quán)重樣本，它的取值為實際的客觀權(quán)重值的概率，設(shè)為xb：

(5)

按照矩估計理論的思想，對每個評價指標(biāo)dj(1≤j≤m)，其主觀權(quán)重值wsj和客觀權(quán)重值wbj的期望值可按式(6)—式(7)求解：

(6)

(7)

在獲得權(quán)重樣本值后，所有評價指標(biāo)的權(quán)重值與樣本權(quán)重的期望值越接近越好。1個主觀權(quán)重樣本所獲得的權(quán)重值與期望值的偏差如式(8)所示:

(8)

q-1個客觀權(quán)重樣本的權(quán)重值與期望值的偏差如式(9) 所示：

(9)

由式(6)—式(9)可求得主觀權(quán)重樣本的概率和客觀權(quán)重樣本的概率，進(jìn)一步可以計算出每個指標(biāo)dj(1≤j≤m)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的重要系數(shù)αj和βj，并由此得出主觀權(quán)重樣本和客觀權(quán)重樣本的重要系數(shù)α和β：

(10)

(11)

針對每一個評價指標(biāo)dj(1≤j≤m)，H(wj)越小越好，為了簡化計算，將H(wj)進(jìn)行線性加權(quán)，得到式(12)：

(12)

根據(jù)以上公式，就可以求得4種賦權(quán)方法組合權(quán)重值。得到的權(quán)重值如表2所示。

表2 各賦權(quán)方法得到的權(quán)重值

根據(jù)式(10)，計算各個評價指標(biāo)主客觀權(quán)重的重要系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 各項指標(biāo)的主客觀權(quán)重重要系數(shù)

由式(11)，電磁回路解環(huán)方案綜合評價指標(biāo)體系的主觀權(quán)重重要系數(shù)為α=0.479，客觀權(quán)重重要系數(shù)β=0.521。

根據(jù)式(12)及表2中的數(shù)據(jù)，得到4種主客觀賦權(quán)方法的組合權(quán)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 基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的解環(huán)方案綜合評估

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對備選解環(huán)方案進(jìn)行計算并進(jìn)行評估，根據(jù)數(shù)據(jù)與參考序列所形成的曲線之間的貼近程度來評價決策，貼近程度越高表示被評價對象和參考序列的關(guān)聯(lián)度越高，貼近程度越近則表示被評價對象和參考序列的關(guān)聯(lián)度越低。關(guān)聯(lián)分析中的被比較序列記為Xi。得到的各項指標(biāo)值以及選取的參考序列值及如表4所示，備選方案各個指標(biāo)與參考序列的關(guān)聯(lián)度，以及各個選備方案與參考序列的總關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表5所示。

表4 備選方案以及參考序列指標(biāo)值

表5 備選方案各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度及總的關(guān)聯(lián)度

由表4、表5可知，3個備選方案中，方案1與參考序列的總關(guān)聯(lián)度最大，因此本文推薦選擇方案1作為湖北電網(wǎng)的最終電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案。備選方案1的解環(huán)方案是斷開玉賢-舵落口、郭徐嶺-板橋、韓崗-隨州、米莊-隨州、周家?guī)X-容城、周家?guī)X-高場、余嶺-雙河、南漳-雙河之間的220 kV輸電線路，并解開了江陵和興隆之間，樊城和孝感之間，玉賢和鳳凰山之間的500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)。在解環(huán)后，湖北電網(wǎng)的220 kV輸電網(wǎng)絡(luò)會分為5個片區(qū)，包括武漢江北東片區(qū)、武漢江北西片區(qū)、江南鋼-光-鄂片區(qū)、江南黃石-黃岡片區(qū)、江南咸寧-武昌片區(qū)。

6 結(jié)論

在湖北電網(wǎng)的樊城和孝感、玉賢和鳳凰山以及江陵和興隆之間，均存在電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)運行的情況，是湖北電網(wǎng)的一個非常嚴(yán)重的安全威脅。本文針對這一現(xiàn)狀，結(jié)合實際情況，提出了3種對應(yīng)的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案，并進(jìn)行計算評估，最終選出了最合理的解環(huán)方案。本文采用粒子群算法，擬設(shè)定3個解環(huán)方案，并建立了電磁回路解環(huán)方案的綜合評價指標(biāo)體系，最后運用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行綜合評估。