特高压交直流建设时序优化评估指标体系

赵良，易海琼，吴耀武

(1. 华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 102206；2.国家电网公司，北京市100031； 3. 国网北京经济技术研究院，北京市 102206； 4. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉市 430074)

特高压交直流建设时序优化评估指标体系

赵良1, 2，易海琼3，吴耀武4

(1. 华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 102206；2.国家电网公司，北京市100031； 3. 国网北京经济技术研究院，北京市 102206； 4. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉市 430074)

为全面衡量整个建设期内特高压交直流工程不同时序方案的合理性并比较优劣性，建立包含经济、技术、安全稳定及社会环境等因素的评估指标体系。结合特高压交直流电网发展的特点，提出采用输电阻塞费用、结构均衡度、社会环境影响等指标，与静态安全性等常规输电网规划评估指标共同组成综合评估指标体系，用以反映不同时序方案对清洁能源接入的适应性、网络结构的均衡性和节能减排效果等。

时序优化；评估指标；输电阻塞；电网利用率；结构均衡度；节能减排

0 引 言

目前，我国电网最高电压等级达到交流 1 000 kV、直流±800 kV，建成“三交六直”特高压工程，全面掌握世界领先的特高压交、直流输电技术，取得了成熟的运行经验。特高压电网已具备加快建设的条件。

特高压交直流工程规划建设过程中，除了考虑目标网架结构的合理性之外，还需要关注各过渡阶段交直流工程建设的协调性。哈密南—郑州特高压直流现已投运，酒泉—湘潭特高压直流正在建设，华北与华中电网通过晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程单线联系，“强直弱交”问题十分突出，接入华中电网的特高压直流满功率运行后，一旦发生故障，极易引发大面积停电，特高压直流输送能力将受到严重制约。只有特高压交直流协调发展、相互补充、相互支撑，才能充分发挥各自优势[1-2]，确保电网运行的安全性和经济性。

本文借鉴已有输电网规划评估研究成果，在满足过渡阶段负荷需求的基础上，综合考虑特高压交直流工程建设时序对电网建设成本、运行费用、电网安全稳定水平、可再生能源利用率和节能减排等方面的影响，提出一套完整的综合评估指标体系，为开展特高压交直流工程建设时序优化研究，进一步拓展与完善输电网规划设计方法提供理论参考。

1 输电网规划评估研究现状

我国输电网规划理论方面的研究始于20世纪80年代，主要采用线性优化模型，解决水平年输电网规划问题，以输电年费用最小为目标比选确定最优的规划方案。随着经济社会的发展和对电网规划问题研究的深入，电网规划模型不仅需要考虑电网运行的安全可靠性等要求，还要考虑方案的经济性，形成多目标、非线性的规划问题。常规输电网规划考虑的约束主要有潮流计算的功率平衡约束、发电机出力约束、线路传输容量约束、N-1静态安全约束、节点电压约束等[3-8]，如式(1)所示：

(1)

在此基础上，文献[9-17]还考虑了网络损耗、负荷供应能力、网络阻塞、多阶段因素优化等的影响，提出了多目标优化模型，即以输电系统建设费用和运行成本最低为优化目标，同时考虑电力供应不足造成的缺电损失，如式(2)所示：

(2)

式中:F1表示输电系统建设费用；I1表示待建输电系统集合；Ci表示第i个输电系统单位线路长度和单位变电容量建设成本；Ki表示第i个输电系统线路回路数和变电设备台数；Li表示第i个输电系统单回线路长度和单台变电设备容量；F2表示输电系统运行费用，即网络损耗费用；I2表示规划区域所有已投运输电系统集合；FLossi表示第i个输电系统损耗；F3表示系统缺电损失成本；I3表示系统缺电场景集合；FOffi表示第i个缺电场景下造成的用户损失。

综上，常规输电网评估指标研究主要集中在对暂态稳定性、动态安全域、输电能力、建设费用和运行成本等方面的计算分析，未涉及特高压交直流工程建设时序协调问题。当前，需要在水平年输电网规划基础上，重点研究解决过渡期特高压交直流工程建设时序的合理安排问题。

2 特高压交直流建设时序评估指标构架

2.1 评估指标选取原则

(1)系统性原则：应全面反映特高压交直流电网的整体性；

(2)一致性原则：评估指标的选取应与评估目标一致，达到体现特高压交直流建设时序优化的目的；

(3)独立性原则：同层次上的指标不应具有包含关系；

(4)可测性原则：指标可分为定性指标和定量指标，定性指标含义要明确，定量指标能够被计算或度量，数据规范、易收集。

2.2 评估指标体系构成

特高压交直流建设时序优化需要根据时序优化的动态性和交直流协调输电特点，选择满足可靠供电要求的经济性、高效性、安全稳定性和社会环境性最优的结果。基于常规电网规划项目综合评估方法，本文提出了包含经济性、高效性、安全稳定性和社会环境性的特高压交直流建设时序优化评估指标体系，如表1所示。

3 经济性评估指标

(1)建设成本

电网建设成本是指在电网工程项目建设阶段所需要的全部费用，主要包括用于购买项目所需各种设备的成本、用于建筑施工和安装施工、购置土地等所需支出的成本等。

不同于水平年电网规划的建设成本，时序优化过程的建设成本更关注在不同工程建设时序下的投资差异，即需要综合考虑每个时序过渡年的建设成本，并考虑资金的流动性。对于每个过渡年t电网建设费用fIvt可通过式(3)表示：

(3)

式中：NL表示规划期内待建线路的集合；Cj表示线路j单位长度的建设费用(包括线路成本及其安装成本等)；Zjt表示到第t年为止线路j的投建情况(“0”表示未投建，“1”表示已投建)；Lj表示线路j的长度。变电工程可类似处理。

表1 评估指标体系

Table 1 Evaluation index system

(2)可变运行费用

可变运行费用主要包括网络损耗费用和输电阻塞费用2个部分。

网络损耗费用。需要计及新建线路和原有线路的全网损耗。这里引入单位网损费用，将网损指标折算成经济性指标，即网络损耗费用，对电网建设时序方案各过渡阶段的网损情况进行评估。可将全年划分为多个典型场景来进行计算。根据系统负荷大小、风电和水力发电出力大小方式下的不同情况，可选取若干具有代表性的典型场景进行计算，各场景持续时间之和为全年8 760 h。在分场景的网损计算过程中，需要预先确定每个场景的系统发电、负荷情况以及场景持续时间：

(4)

(5)

实际工程中难以对1年8 760 h或各场景持续时间都进行准确计算。因此，在大多数情况下可以用最大网损情况作为代表，来简化系统网损成本的计算，即：

(6)

(7)

式中：f″LOt表示简化计算时年网络损耗费用；Tmax表示年最大负荷损耗小时数，h；ELOSSt表示第t年年网损电量，kW·h。

输电阻塞费用。用来衡量不同建设时序方案中各过渡阶段电网的输电阻塞对系统发电成本及新能源利用率的影响。由于输电阻塞导致系统不能按最经济的方式运行时，需要调节各类机组的出力。为提高可再生能源的利用率，调节过程按如下原则进行：为尽量满足风电和水电按最大出力运行，首先调节火电机组，尽可能解决输电阻塞状况并且满足负荷的需求；当火电机组的调节量不足时，考虑调节风电和水电。根据上述调节原则可知，调节风电和水电的过程实际是压风电和水电出力运行，风电/水电出力下降造成的弃风/弃水将导致电力缺额完全转移到火电中，使得火电出力上升，此过程伴随着一次能源的消耗增加，系统发电费用上升，系统运行经济性降低。

考虑火电、风电和水电3类电源的实际经济运行情况，可将输电阻塞费用表示为以下形式：

fRGt=fRTt+fRWt+fRHt

(8)

式中：fRGt表示第t年所有机组的阻塞费用之和；fRTt表示第t年火电机组的阻塞费用；fRWt表示第t年风电机组的阻塞费用；fRHt表示第t年水电机组的阻塞费用。

分别计算，火电阻塞费用计算公式如下：

(9)

火电出力调节过程满足：

(10)式中：fRTt表示火电机组的年阻塞费用；NGt表示第t年的电源节点集合；PGi0表示第i个节点火电机组经济出力；PGi表示第i个节点火电机组调节后的出力；CGi0表示第i个节点火电机组调节前的发电成本，元/(kW·h)；CGi表示第i个节点火电机组调节后的发电成本，元/(kW·h)。

风电阻塞费用计算公式如下

(11)

风电出力的调节量ΔPW可表示为

ΔPWits=PWi0ts-PWits

(12)

式中：fRW表示风电的阻塞费用；风电的最大出力为PWi0；调节后的风电出力为PWi；不管在何种情况下都存在PWi0≥PWi；CG为火电机组的单位发电成本，可取火电机组的平均单位发电成本或边际单位发电成本。

水电阻塞费用计算公式如下：

(13)

水电机组的调节量ΔPH可表示为：

ΔPHits=PHi0ts-PHits

(14)

式中：fRH表示水电的阻塞费用；水电的最大出力为PHi0；调节后的水电出力为PHi。

(3)运行维护费用

需要计及所有存在的输电线路，即规划期前的初始线路和规划期间新投运的线路，但不同时序优化结果所对应的系统初始电网结构是确定的，即规划前已投建线路的年运行维护费用是相同的。为减少计算量可不计及这部分费用的影响，仅考虑优化期间新建线路的固定运行维护费用。因此，系统的运行维护费用可表示如下：

(15)

式中：fMt表示第t年运行维护费用；εj表示维护费用系数，按照运行经验，ε取值常在1%～2%间。

4 高效性评估指标

在传统的电网潮流指标基础上，通过潮流计算结果来评估系统运行情况，从电网潮流分布和结构均衡度的角度出发，提出了电网利用率、电网结构均衡度等指标。

(1)电网利用率

主要包括线路利用率、电网平均利用率、主要断面利用率等指标。

线路利用率。用来描述系统单条线路运行情况的指标，通过线路上实际流过的潮流和线路的最大传输容量之比来描述该线路的利用水平：

(16)

电网平均利用率。一定程度上反映了输电网络的利用水平，其数值越大，说明此网络的整体运行负载率越高，若电网平均利用率过高则需加强网络建设以缓解系统运行压力，增强功率传输能力，满足负荷增长及事故调度的需要；反之，则说明该网络能较好地满足未来负荷增长和系统调度的需求。本文使用加权指标，将线路长度作为加权因子，强调远距离输送的关键线路对系统的影响(直流线路运行时，输送功率一般是确定的，因此在计算平均负载率指标时仅考虑交流线路)。

(17)

式中：αt表示第t年电网的平均利用率；NAC表示交流线路的集合。

主要断面利用率。为了量化地反映系统各种运行场景下重要输电断面的潮流分布情况，引入主要输电断面利用率，对时序优化各过渡阶段电网的关键输电断面利用情况进行衡量，进而得出整个时序优化结果关键输电断面的综合利用情况：

(18)

(2)电网结构均衡度

主要包括电网利用率标准差、电网最大最小利用率、电气介数等指标。

电网利用率标准差。综合反映系统的负载水平，但不能刻画出线路利用率的个体差异情况。在相同的电网平均利用率情况下，有些方案可能各线路利用率情况相对一致，而另一些方案各线路的利用率则可能相差较大，因此需要有一个指标对线路利用率分布离散情况进行描述，故提出系统利用率标准差指标，同样需考虑的是时序优化结果对应各过渡阶段电网利用的离散情况。

(19)

式中σt表示第t年电网利用率标准差指标。

电网最大、最小利用率。某些情况下，需要更为关注电网线路利用率的极限情况，保证系统线路利用率水平在合理范围内，可以简化采用电网最大、最小利用率指标来直接地反映线路利用率的最大分布范围。时序优化过程可对各过渡阶段的电网极限利用情况进行综合比较：

(20)

(21)

式中：αmaxt表示第t年电网的最大利用率指标；αmint表示第t年电网的最小利用率指标。

电气介数。是电力系统研究领域新近提出的指标，目前主要用于电力系统关键线路的识别，进而衡量系统的脆弱性。本文引入该指标对时序优化过程各过渡阶段电网的结构均衡度进行衡量，定义线路(m,n)的电气介数如下：

(22)

5 安全稳定评估指标

(1)暂态稳定指标

主要包括断面故障暂态稳定裕度、故障临界切除时间、极限传输功率、负荷损失、失步相交差、多馈入直流短路比等指标。

断面故障暂态稳定裕度。能够直观反映特高压交直流电网的暂态安全性。基于暂态能量函数法(直接法)的暂态稳定裕度是指系统在受到扰动时计算系统暂态能量与系统临界能量的差值，并通过该差值来定量分析系统在受到扰动时的暂态稳定裕度。系统关键断面故障的暂态稳定裕度指的是组成关键断面的各条输电线路(故障)的最小暂态稳定裕度值。通过关键断面暂态稳定裕度来反映系统的暂态稳定水平，关键断面暂态稳定裕度越大表明系统承受给定暂态扰动的能力越强。系统故障的暂态稳定裕度的计算通常采用基于直接法，暂态稳定裕度即为系统临界能量与故障后系统暂态能量的计算差值：

ΔVt=Vcrt-Vct

(23)

式中：Vcrt为第t年系统的临界能量；Vct为第t年故障时系统的暂态能量。

断面故障临界切除时间，是系统发电机转子抵达极限切除角所用的时间，又可称为极限切除时间或称作临界切除时间(tCCT)。定义系统关键断面故障临界切除时间为组成关键断面各条输电线路中最短的临界切除时间，通过关键断面故障临界切除时间来反映系统的暂态稳定水平，关键断面故障临界切除时间越大表明系统承受给定暂态扰动的能力越强。故障临界切除时间的计算公式如下：

ΔVt=Vcrt-Vct(tCCTt)=0

(24)

比较关键断面各线路的临界切除时间，取其中的最小值作为该关键断面的临界切除时间。

断面极限传输功率。在暂态稳定分析和安全控制分析中，通常需要计算切除时间极限值、能量极限值以及断面功率极限值等临界参数，但是由于故障临界切除时间和能量极限值对于调度运行方来说难以驾驭，而断面的功率可以通过运行方式的安排控制在极限值以内，因此断面的功率极限值是从安排电力系统运行方式的角度把握特高压交直流电网系统暂态稳定能力的一个重要依据。求解方法一般选用将目标断面的传输功率作为目标函数，选取交流线路N-1故障系统保持稳定作为约束条件，同时还需考虑并列直流线路发生单极闭锁故障向交流系统转移功率，系统仍能保持稳定，通过改变控制变量解得断面极限传输功率。其目标函数如下：

(25)

损失负荷。在特高压交直流混合输电系统运行超过静态运行域，由于1回直流发生双极闭锁或多回直流同时发生双极闭锁，超过暂态运行域时，若系统在发电机出力约束和输电线功率输送约束下无法保证受端系统全部负荷的有功需求，为了维持系统的稳定运行，应采取切负荷的稳定措施保证全系统的安全稳定性。切负荷是电力系统安全稳定紧急控制的措施之一，快速切除部分负荷可以减小发电机组输入和输出之间的功率不平衡，从而保证系统的稳定。根据能量裕度随切负荷量变化的特性求取暂态稳定切负荷有功容量极限，系统暂态稳定切负荷有功容量极限值计算如下：

Pcrt=f(P0,P1,CP0,CP1)

(26)

式中：P0和P1为2种不同的切负荷量；CP0、CP1为2种不同的切负荷量对应的稳定裕度，采用暂态能量函数法计算稳定裕度根。

失步相交差。电力系统在受到严重扰动时需要通过失步解列来维持系统的稳定运行，判别失步较直观和较可靠的判据是失步中心两侧(或2部分)的相角差超过180°，因此，失步中心两侧的相角差可作为失步解列的指标。失步解列指标计算如下：

Δδ=δa-δb

(27)

式中： 为失步中心两侧的相角差；δa、δb为失步中心两侧的相角，失步中心是在一次失步振荡过程中，发生异步振荡的联络线上电压出现最低值的点，即发生异步振荡联络线的振荡中心的位置。

多馈入直流短路比。随着受端系统直流输电规模的增大及直流落点个数的增多，系统的电压稳定问题等更加突出。国际大电网会议(CIGRE)直流工作组提出采用多馈入直流短路比来评估多馈入直流受端电网的电压支撑能力[18]，多馈入直流系统短路比定义如下：

(28)

式中：Mi为第i回直流所对应的多馈入短路比；Ui为第i回换流母线上的额定电压；Zeqii为等值阻抗矩阵中第i回换流母线所对应的自阻抗；Zeqij为等值阻抗矩阵中第i回换流母线和第j回换流母线之间的互阻抗；Pdi为第i回直流的额定功率；Pdj为第j回直流的额定功率。

(2)静态稳定指标

可采用常规电网静态稳定分析指标，主要分析静态N-1校验、节点电压裕度、静态稳定储备系数、节点电压水平、电压越限节点个数、节点电压最大偏离量、线路负荷水平等指标，本文不再赘述。

6 社会环境评估指标

(1)可再生能源利用率

主要包括水电利用率、风电利用率等指标。

水电利用率。为提高电网的运行经济性，减少环境污染，在理论上希望水电能完全上网，最大程度地输送到负荷端，来减少火电的发电量，降低化石能源的消耗量。本文在电网时序优化过程中，仅考虑由于网络输电容量限制造成的水电弃水。

多场景下的弃水电量可表示为

(29)

不失一般性，可以选取弃风、弃水量综合最大的场景为代表场景进行简化计算：

(30)

式中：s1为最大发电机组调节量对应的场景，该场景的求取方法在输电阻塞费用中已给出。

由此可得水平年的水电利用率βHt，即为年上网电量与年最大发电量之比：

(31)

式中：EH表示保持水电满发，对应的水电年最大发电量；PHis0为水电站i在s时刻的最大出力。

(32)

风电利用率。风电的利用由许多复杂因素决定的。为减少一次能源的消耗，降低环境污染，在发电调度时尽量多利用风电。电网时序优化评估过程主要着眼于过渡阶段网络建设对风电输送能力的影响，因此本文主要考虑由于网络输电容量限制造成的风电弃风量。不同的网络建设方案对应的弃风电量的多少，反映了网络对风电的利用水平，多场景下的弃风量则表示为

(33)

在简化计算时，亦可以仅考虑弃风、弃水量综合最大的场景

(34)

水平年的风电利用率可表示为

(35)

(36)

式中：EW表示风电全部入网，对应的风电年最大发电量，可通过式(36)求得；PWis0表示风电场i在s时刻的最大出力。

(2)节能减排效果

主要包括化石能源消耗、大气污染排放等指标。

化石能源消耗。不考虑网络损耗及输电容量约束情况下，各方案中机组的经济出力相同，则火电机组发电消耗等量的化石能源；在电网时序优化结果比较中，需要考虑的是电网结构不同导致的能源消耗的差异量，即计算由于网络损耗及网络阻塞造成发电机再调节，进而导致化石能源增加的消耗量。网络损耗电量或网络阻塞造成的弃风、弃水需要靠增加火电出力来弥补，这间接导致火电机组的煤耗增多，故电网时序优化中的化石能源消耗量表示为

EFt=KF(ELOSSt+QHt+QWt)

(37)

式中：EF表示由于网络损耗及网络阻塞引起的一次能源消耗量，t；KF表示火电机组单位发电量对应的一次能源消耗，t/(kW·h)；年网损电量ELOSS、弃水电量QH、弃风电量QW的计算方法在前文已给出。

大气污染排放。本文采用的大气污染排放指标主要指由于网络阻塞和网络损耗造成的大气污染排放增量，与化石能源消耗的计算原理相似，网络阻塞和网络损耗造成清洁的风电和水电不得不压出力运行，火电相应增加的一部分出力导致了额外的污染物排放，其公式表示如下：

EPOL=KPOL(ELOSS+QH+QW)

(38)

KPOL=KFKP

(39)

式中：EPOL表示由于网络损耗及网络阻塞引起的污染物排放量；KPOL表示火电机组单位发电量对应的污染物排放量；KF表示火电机组单位发电量对应的化石能源消耗量，t/(kW·h)；KP表示火电机组的排放系数。年网损电量ELOSS、弃水电量QH、弃风电量QW的计算方法在前文中已给出。

7 结 论

(1)研究提出了反映特高压交直流电网经济性、高效性、安全稳定性、社会环境影响的综合评估指标体系，明确了相关评估指标的计算方法，通过分析比较不同特高压交直流工程建设时序在电网投资、运行成本、一次能源消耗、系统运行技术要求、电网安全稳定性、社会环境成本等方面的差异，可以为优化特高压工程建设时序提供理论参考依据。

(2)在经济性评估方面，采用了输电阻塞费用指标，计算不同时序建设过程中由于输电阻塞所引起的弃风弃水费用，评估电网对清洁能源接入的适应性；在高效性评估方面，提出电网利用率标差、最大和最小利用率、电气介数等结构均衡度指标，用于评估电网利用效率和结构合理性；在安全稳定性评估方面，采用多馈入直流短路比等指标，度量交流系统对直流系统支撑能力的强弱；在社会环境影响评估方面，提出水电、风电利用率指标和能耗排放指标，衡量电网对可再生能源的输送能力和对环境的影响。

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(编辑 刘文莹)

Timing Optimization Evaluation Index System of UHVAC and UHVDC Project Construction

ZHAO Liang1, 2, YI Haiqiong3, WU Yaowu4

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China; 3. State Power Economic Research Institute, Beijing 102206, China;4. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430047, China)

To comprehensively evaluate the rationality and advantage of UHV AC-DC project timing programs during the whole construction period, this paper establishes the evaluation index system including economy, technology, security and stability, social environment and other factors. Considering the development characteristics of UHV AC-DC power grid, we suggest using transmission congestion fees, structure balancing, social environmental influence and other some conventional transmission network planning evaluation indexes such as steady-state security, to compose the comprehensive evaluation index system, in order to compare and analyze clean energy development adaptability, power grid structure balancing, the effect of energy-saving and emission reduction, etc. in different UHVAC and UHVDC project construction timing programs.

timing optimization; evaluation index; transmission congestion; power utilization proportion; structure balancing; energy-saving and emission reduction

国家电网公司大电网重大专项资助项目(SGCC-MPLG026-2012)

TM 71

A

1000-7229(2016)01-0056-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.009

2015-09-21

赵良(1972)，男，高级工程师，主要从事电网规划研究工作；

易海琼(1979)，女，高级工程师，主要从事电网规划研究工作；

吴耀武(1963)，男，副教授，主要从事电力系统规划与可靠性及电力系统运行分析研究工作。