最优化潮流计算的多小水电地区电网经济运行方案

陈思明

（云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650000）

0 前言

降低网络损耗，提高经济效益是目前电网面临的重要问题，在传输过程中，约有4%-10%的电力能源因发热、电晕等原因被消耗，其中，35kV 及以上电网消耗的电能约占2%-5%[1-5]。研究电网“节能降损”的技术措施，提出网损最小的优化运行方案，对电力部门实现“降损增效”目的具有重要的意义。某些水电资源极其丰富的地区，小水电的建设规模和装机容量迅速扩大，总装机容量已超过地区最大负荷，对电力部门节约电能和改善电压质量有着重要的影响[6]。而小水电多为径流式，且一般处于远离负荷中心的山区，水电出力受气候、降雨等因素的影响，在水电大发期，大量上网潮流使某些设备负载量大增，设备的重载运行不但加大了电网安全运行风险，也使网损大幅增加[7]。枯水期水电出力低，近区负荷需从省网通道下网，传输距离长，消耗了大量无功。因此，多小水电地区电网运行方式复杂多变，受水电出力影响严重。

目前国内外对各种降损措施做了大量研究，主要有：根据运行方式的变化改变电网运行方式，实现潮流的优化运行；根据负荷变化合理安排变电站主变投、退方式，降低主变损耗；优化无功潮流，实现无功功率的最短路径传输；采用新材料、新技术等方案。根据电网运行特征，利用最优潮流OPF 求解功率优化问题，综合利用各种降损方案，是实现电网安全、经济、优质运行的重要手段[8-11]。本文根据多小水电地区电网的运行特点，以实现网损最小为目的，采用遗传算法求解电网最优潮流，并提出了相应的降损方案。

1 多小水电地区电网特性分析

1.1 电网运行特性分析

图1 某地区35 kV及以上电网地理接线图

如图1 所示为某地区35 kV 及以上电网地理接线图，由图1 可知，该地区电网以一座220 kV 省网变电站为中心，以110 kV 变电站为支撑进行辐射。片区内的水电资源主要集中在东部地区，而负荷中心则处于县城及周边的西部地区。每年3～8 月的丰水期，东部片区电网水电大发，电网潮流呈现东电西送的特点，9～第二年2 月的枯水期期间，负荷主要经220 kV省网通道下网供应，呈现出西电东送的特点。

随着经济社会的发展，电网的负荷结构中，取暖和降温负荷所占比重越来越突出，夏季天气炎热，空调降温负荷增多，电网总体负荷水平增大，冬季天气寒冷，降温负荷增多，电网总体负荷水平增大，电网运行存在夏季和冬季两个大方式[12]。又因为径流式小水电具有调节能力差、受上游来水量影响严重的特点，存在丰水期和枯水期两个极端的发电方式[13]。因此，多小水电地区电网运行方式可以分为丰水期小方式、丰水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四种典型运行方式。图2 为四种典型运行方式的电网日负荷曲线对比。

图2 四种典型运行方式电网日负荷曲线对比

电网日负荷曲线受气温、降雨、节假日、大用户生产方式等方面的影响，片区内的负荷结构中，某钢厂负荷所占比重较大，约为1/3，一般为晚上22 点至次日8 时开机生产，8 时之后停产。由图2 可知，8 时后的负荷水平在丰水期大方式时最大，其次是枯水期大方式、枯水期小方式、丰水期小方式。丰水期境内低压侧水电负荷可就地补偿一部分负荷，丰水期小方式下的电网负荷水平要低于枯水期小方式。图3为四种方式下典型日的水电出力曲线对比。

图3 四种典型运行方式下代表日的水电出力曲线对比

丰水期小方式一般出现在5、6 月份气温较为温和、降雨最为丰富的时期，受气候的影响，丰水期大方式下的降雨量，相对于小方式时有所减少。由图3 可知，丰水期小方式下片区内的水电出力最大，水电出力基本能够在片区内消耗，负荷低谷时段有负荷经220 kV 变电站送入省网。因此，丰水期小方式下，水电出力达到极大值，网内潮流方向呈现出东电西送的格局，潮流大、损耗大。丰水期大方式下，负荷水平有较大幅度的增长，水电出力相对降低，电网潮流呈现出由220 kV 省网和东部水电密集区两个源头向负荷中心输送的格局，网内潮流相对减小，损耗可能降低。枯水期水电出力全年最低，受用户负荷水平的影响，小方式时水电出力基本可以实现就地消耗，对省网的负荷需求较少，电网潮流规模小，损耗相对小；大方式时水电出力不足，对省网的负荷需求大，电网潮流规模增大，且呈现出西电东送的格局，损耗相应增加。

图4 绘制了不同程度降雨量下的降雨时小水电出力曲线图，图4 中降雨量为0 时的水电出力基本维持在2 MW 左右的水平，随着降雨量的增长，水电出力也逐渐增长。文献[14]对浙江某地区的小水电出力特性进行了分析，认为径流式小水电的出力曲线具有气象相关性、时间滞后性、累计效应的特征，当该地区进入持续且较强幅度的降雨阶段时，水电站上游来水持续维持在较高的水平，水电出力相应也维持在很高的水平，一旦降雨消失，上游来水减少，因径流式小水电库容量小使得出力迅速降低，最后逐渐恢复到不降雨时的水平。

图4 不同降雨量下的小水电出力曲线对比

1.2 网损分析

为了分析不同运行方式下多小水电电网网损特性，分别选取丰水期小方式、丰水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四种典型方式下代表日的负荷数据为样本，进行潮流计算，四种典型方式下的网损率按从大到小排序依次是：丰水期小方式、丰水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式。丰水期小方式代表日下，地区小水电大发，发电量超过了地区用电量，大量水电上网占用了输电通道，导致网损率最大，达到7.65%。网损结构中，110 kV 和35 kV 线路损耗所占比例最大，合计超过85%，由于历史原因，东部小水电35 kV 送出通道线径普遍较小，水电大发期间线路重载运行，损耗异常增大。丰水期大方式下，地区负荷有所增长，虽水电出力仍保持较高规模，但短距离消耗的比例有所增加，使得远距离传输的电量有所减少，变压器损耗和线路损耗都有大幅降低。枯水期小方式时，负荷和水电出力都达到全年的一个极小值，东部小水电出力的减少使得各条送出通道的载流量相对于丰水期大方式继续减少，网损进一步降低。枯水期大方式下，水电出力低，送出通道的载流量水平低，负荷中心的用电需求基本经过220 kV 省网通道下网，此时，220 kV 主变铜损与110 kV 主变铜损都达到了全年的最大值，经省网通道下网到负荷中心的输送距离短，线路损耗小，网损率达到了全年的最低值。因此，多小水电地区电网在水电大发时，大量的水电出力使各条输电通道重载运行，损耗异常升高，应采取相应措施，降低网络损耗，实现降损增效的目的。

2 电网优化计算模型

2.1 数学模型

目前，国内外对最优潮流问题OPF 做了大量的研究，OPF 是指在满足正常功率平衡及各种安全指标的约束下，调整电力系统中各种控制设备的参数，实现目标函数最小化的优化过程[15]。本文以网损最小为优化目标，建立的目标函数数学模型如下：

式中，PL为电网在不同运行状态下的网损计算值，主要包括线路损耗、主变空载损耗和负载损耗等。P、Q、V、θ的变化范围必须满足一定约束条件，以保证电力系统的安全稳定运行。首先，潮流约束方程如下：

各节点电压限制和因径流式小水电机组特性决定的功率因素限制，即：

2.2 优化算法

优化算法采用遗传算法，潮流求解使用潮流计算软件。将220 kV 母线作为平衡节点，变电站主变低压侧断路器和发电厂高压侧母线作为PQ 节点进行潮流计算。正常运行方式下电网参数及潮流情况作为初值，调整不同参数，将计算所得结果与初值计算结果进行比较，若初值结果最优，则舍弃改变参数后的计算结果，再次改变参数，进行循环比较；若改变参数后计算结果最优，则舍弃初值计算结果，将改变参数后的计算结果作为最优计算结果，再与下一次计算结果进行比较，循环往复，得到最优解。

3 降损方案研究

3.1 调整电网运行方式

根据电源和负荷结构的变化，将多小水电群地区电网运行方式分为丰水期小方式、丰水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四种典型运行方式。丰水期小方式下负荷中心的用电需求量相对较小，但小水电群出力大发补偿了当地大部分负荷，甚至有部分负荷经220 kV省网通道送入其它地区。

调整电网运行方式，尽量实现水电出力通过最短路径实现消耗，避免远距离迂回送电。

将负荷从电源中心输送至用户需经过一段距离，在传输过程中产生了损耗，传输路径越短，损耗越低，合理安排电网运行方式，实现电网负荷的最短路径传输，是降低网损的重要措施。

图5 某地区110 kV电网运行方式简图

图5 为根据图1 绘制的电网运行方式图，东部小水电群可分为以110 kV 波水变为核心的北部小水电群、以110 kV 分水岭变为核心的中部小水电群和以110 kV 高石头变为核心的南部小水电群。竹坪、新区、焦岭、团山、秀水、杉杉、绿华、瓦家坳是电网内的主要负荷中心。水电大发期间，北部波水变负荷经竹波线、110 kV 竹坪变送入220 kV 焦岭变，调整竹坪变电网运行方式，使35 kV 三都变、周源山变、唐洞变负荷转由竹坪供电，增大竹坪变的负荷水平，即可实现波水变上网负荷的就地消耗，降低了竹坪变- 焦竹线- 焦岭110 kV 母线的潮流，使电网网损降低。中部分水岭变负荷经瓦分线-瓦家坳旁母-瓦新线并入新区变，使得分水岭变的水电出力在新区变实现了消耗，避免了负荷从焦新线迂回送电至新区消耗。南部高石头变负荷经瓦凉线-瓦家坳变-秀瓦线-秀水变-团秀线-团山变-焦团线并入焦岭变，虽部分负荷于瓦家坳、秀水、团山消耗，但水电大发期间，南部小水电群出力就地消耗了一部分后，仍有很大一部分负荷经输送通道送入焦岭变，再经其它路径输送至其它负荷中心。此时，若将南部水电群的部分负荷转至新区变并网，将实现降低网损目标。

3.2 合理安排主变投、退方式

电网的负荷水平受气温、降雨、节假日、社会经济发展等因素的影响，随着经济和社会的发展，生活负荷中取暖和降温负荷所占比例在不断增大，而这两部分负荷与气温具有很强的相关性[16]。根据运行经验，一年当中的冬季寒冷时段和夏季高温时段某些变电站负荷最重，即：大方式运行；春季和秋季气温相对温和的时段负荷相对较小，即小方式运行。因此，一年内变电站负荷的变化曲线为一双峰曲线，含2个高峰时段和2 个低谷时段。当负荷向高峰时段发展的适当时间，投入备用变压器，向低谷负荷时段发展的适当时间，退出备用变压器。该方案实施后，一个变电站一年内主变因经济运行的投切次数变为4 次，操作频次大大减少，有利于向全网推广。

3.3 小水电无功出力优化

将地区电网的小水电群按照地理位置合网点划分为三个部分：北部水电群、中部水电群和南部水电群。北部小水电群出力传输至220 kV 焦岭变，途中基本无大消纳，可近似为纯电源送出线路。很显然，提高北部水电群小水电的功率因数将有利于降低网损和电站电压。最佳的小水电运行功率因数应该接近1.0，但另一方面，考虑到机组的稳定性，小水电应该产生少量的无功功率，功率因素不可能达到1.0。与理论分析结果一致，纯电源送出线路的小水电功率因素越高，网络损耗越大，水电出力越大时，提高小水电机组的功率因素时，网络损耗降低的效果越明显。从采样日北部电网网络损耗的实际值来看，丰水期下水电机组的功率因素普遍较高，超过0.9，枯水期水电机组功率因素较低，低于0.85。丰水期上游来水充足，机组尽量多发有功以提升效益，枯水期上游来水减少，机组尽量多发无功以到达无功年度考核指标。但因受机组稳定性等因素的限制，小水电机组功率因素不可能达到1.0，丰水期水电大发时，无功功率过剩，大量无功的远距离传输，增大了网络损耗[17]。因此，小水电并网点配置充足的电抗器补偿设备，实现就地消纳无功的目的，对降低网损有重要的意义。

3.4 用户侧无功补偿

电网无功补偿的原则是：分层分区、就地补偿，炼钢厂、水泥厂、炼硅厂等大型工业用户，若本身无功补偿容量不足，将向电网吸收大量无功，造成无功的远距离传输，增加了线路损耗，产生不利影响[21-22]。汛期水电大发的情况下，南部片区各水电机组向电网输送了大量无功潮流，在亿兴钢厂消耗一部分后，向上级电网输送的无功潮流减少，有利于降低网络损耗。但枯水期高石头、凉亭坳周边机组出力低，亿兴钢厂生产所需无功从220 kV 焦岭变得到补偿，在输送过程中增加了焦岭220 kV 主变、焦团线、团秀线、秀瓦线的有功损耗。

4 结束语

根据本文分析，可以得到以下几点结论：

1）小水电众多的地区电网，水电出力变化对运行方式产生了重大影响，根据水电出力即负荷情况的变化特征，将该电网运行方式分为丰水期小方式、丰水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四种典型运行方式。丰水期下若东部小水电大发，电网损耗将大幅增长，其中35 kV 及110 kV 线路损耗增幅较大。

2）根据电网运行方式的变化调整电网运行方式是降低网损的重要手段，调整电网运行方式的目的主要是实现电网有功的最短路径消耗和无功的优化传输。汛期电网损耗异常的主要原因是35 kV 线路线径小、负荷重，更换线径大的导线是降低35 kV 线路损耗的最直接和有效的手段。

3）根据电网运行特征，提出了一种安排主变投、退方式的判据，一个变电站一年内的操作次数最多仅有4 次，有利于向全网推广。

4）对参数不对称主变并列运行、35 kV 系统三相电压不平衡和用户无功补偿容量不足等造成附加线损的机理进行了分析，提出了相应的改造措施。