综合考虑输电结构优化的含可再生能源电网规划方法

张天宇，宣文博，李 慧，刘忠义，王伟臣，王 魁

（1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津 300171；2.国网天津市电力公司，天津 300010）

为了应对化石能源日趋枯竭和环境污染不断加剧对人类社会带来的严峻挑战，未来的能源系统必须发展高比例的可再生能源发电。风力发电是目前技术最为成熟、最具发展潜力的可再生能源发电形式之一。近年来，风电在世界范围内得到了快速的发展。

与火电相比，风力发电的出力受到气象和地理环境等复杂因素影响，呈现显著的不确定性和多变性特征，难于准确预测。大规模风电接入使得电力系统的运行面临前所未有的诸多不确定性，潮流特性更加复杂多变，给电网的安全可靠运行带来了严峻的挑战[1]。在实际运行中，受限于系统的网络传输能力、电源调节能力和系统的安全约束等，已出现了大量的弃风电情况。

良好的电源配置和合理的网架结构是实现未来高比例可再生能源并网与消纳的重要基础条件。因此，电网规划对于大规模风电开发与利用具有至关重要的作用[2]。近年来，国内外学者围绕可再能源并网后的电网规划问题展开了广泛的研究，取得了一系列成果。主要包括如何更有效地构建风电等可再生能源的出力场景，包括随机规划方法[3-4]、机会约束规划方法[5-6]、鲁棒优化规划等[7-8]。一方面，大规模风电并网后导致系统运行方式的多变性和不确定性显著增加，并且电网面临故障等不确定因素带来的挑战；另一方面，电网规划建设受到投资成本、输电走廊限制和环保约束等诸多因素的制约，因此，未来完全依赖大量新建线路来解决多变性可再生能源安全经济并网与消纳是不现实的，需要充分挖掘现有网架的潜力[1]。

输电网结构优化OTS（optimal transmission switching）通过改变部分线路的开闭状态来改变系统潮流分布，是改善输电网运行灵活性的重要手段[9]。近年来，输电网结构化的研究与实践得到了电力学者和工程师高度关注。文献[10]建立了保证风电利用率的机会约束输电网结构优化方法，结果表明，输电网结构优化对于提升系统接纳风电的能力具有重要作用；文献[11]针对高比例可再生能源接入的电力系统，建立了同时计及网络结构优化和储能配置的两阶段随机优化模型，以改善系统运行的经济性和安全性水平；文献[12]提出了考虑网络N-1安全约束的输电网结构优化模型，通过断开部分线路降低系统阻塞水平；文献[13]将网络结构化用于消除系统的短路电流越限；文献[14]中，同时优化机组组合方案和网络结构，保证N-1故障下系统的安全可靠供电；文献[15]建立了考虑N-k故障的两阶段鲁棒网络结构优化模型，在第1阶段确定网络结构，在第2阶段针对不同的N-k故障分别确定相应的调度方式；文献[16]针对电力市场环境下风电场容量扩展规划问题，建立了一个两层随机优化模型，将网络结构优化引入到电力市场的出清中。结果表明，拓扑控制对于减少风能的削减和提高风电的渗透水平具有重要作用，并且通常可以通过改善变量线路状态来实现。

在传统的电网规划中，通常根据未来若干典型的运行场景，考虑投资约束、输电走廊约束、潮流约束等，确定系统的网架结构[17]。考虑到可再生能接入导致系统的运行方式更加复杂多变以及系统面临预想事故的影响，对于所有可能运行场景确定相同的网架结构往往不是最优的选择。因此，在电网规划工作中，特别是可再生能源接入电力系统的规划工作中考虑网络结构优化已成为亟需深入研究的领域。文献[18]较系统地建立了考虑输电网结构优化的电网扩展规划模型，并将该模型解耦为一个主问题和两个子问题，在主问题中确定候选的新建机组和线路方案，在两个子问题中分别进行潮流安全校验和成本最优校验；文献[19]在电网扩展规划中同时考虑线路动态增容和输电网结构优化措施，以系统的建设成本和运行成本之和最小为目标。

综上所述，目前已有研究工作中，均只考虑OTS某一方面的作用，如改善系统潮流分布、缓解网络阻塞、故障应急响应等，特别是在可再生能源并网系统的电网规划工作中，尚缺乏有效的模型以充分发挥OTS的多重作用。

为此，本文提出了考虑电网结构优化的可再生能源并网系统优化规划模型。在该模型中，考虑可用的输电走廊约束、投资费用约束等等，确定新建线路和升级部分现有输电线路的开关以使其满足OTS的需要；考虑风电等可再生能源和负荷的不确定性，对各系统运行场景下，确定最优的调度方案和网架结构；对于既定的预想事故，在系统正常运行调度方案的基础上，通过发电再调度和OTS，最小化故障造成的影响。与现有研究相比，本文系统考虑风电和负荷的不确定性、预想事故的影响，综合利用OTS降低系统运行成本、改善风电利用率和降低故障后网络阻塞造成的损失。

1 模型建立

本文所提出的规划方法框架如图1所示。

图1 所提方法框架Fig.1 Framework of the proposed method

1.1 目标函数

本文模型的目标函数为电网规划方案的总成本最小，表示为

各项成本的计算方法分别表示为

1.2 约束条件

1.2.1 规划资源约束

考虑的规划资源约束包含新建线路约束及开关配置约束。

新建线路时，在每个输电走廊处，新建线路总数不超过输电走廊允许新建的线路数上限。其约束为

若候选新建线路处未新建线路，则该线路不存在，即该线路不能升级配置开关。其约束为

考虑到经济、安全等因素，只有部分现有开关可进行升级。其约束为

式中，λl为0-1变量，表示线路开关是否允许升级，若是则λl为1。

1.2.2 正常运行约束

在正常运行情况下，输电系统通过日前OTS确定最优的网络结构，此时，由于线路开关动作时间充裕，输电系统中所有的线路均可参与OTS。考虑到只有部分配置有开关的线路才能够快速闭合或断开，因此，在输电网的实时运行中，通过配置开关的线路实现OTS。该阶段所包含的约束为线路运行状态约束和系统运行约束。

1）线路运行状态约束

对于候选新建线路，若线路未建成，则线路一直处于断开状态；若线路建成，则线路可以处于闭合或断开状态。其约束为

在实际中，考虑到安全稳定等相关因素，只允许某些特定线路断开。其约束为

式中，οl为0-1变量，表示线路l是否允许断开，若是则 οl为1。

考虑到系统运行的安全性与稳定性要求，允许开断的线路总数需满足一定要求，即在输电网结构优化中，开断的线路数不超过允许的最大值。其约束为

式中，Nopen表示最大允许开断的线路数。

2）系统运行约束

节点功率平衡约束为

潮流等式约束为

若线路闭合，则受线路容量上限约束。其约束为

发电机有功出力约束为

机组爬坡约束为

旋转备用约束为

弃可再生能源约束为

切负荷约束为

节点相角约束为

1.2.3 故障运行约束

在故障发生后，基于所配置的开关，可以实现快速的OTS，以减轻线路故障产生的影响，包括线路过载、电压越限、切负荷等。该阶段所包含的约束为线路运行及故障状态约束和系统运行约束。

1）线路运行及故障状态约束

新建线路运行状态约束为

若线路发生故障，则线路断开；若线路未发生故障且线路配置有开关，则线路可快速闭合或断开。线路故障状态约束为

2）系统运行约束

节点功率平衡约束为

潮流等式约束为

线路容量约束为

发电机有功出力约束为

机组爬坡约束为

旋转备用约束为

节点相角约束为

弃可再生能源约束为

切负荷约束为

本文所建立的模型为二次规划模型，仅目标函数包含决策变量的二次项，约束条件均为线性约束。其标准形式为

2 算例分析

本文采用IEEE-RTS 24节点系统验证所提模型的有效性。

系统原始数据见文献[20]，该系统共包含24个节点、33条线路，其中线路L3-24、L9-11、L9-12、L10-11和L10-12处配置有变压器，将系统分为138 kV低压区和230 kV高压区。系统机组数据见文献[21]。所有机组的最大出力为7 762.5 MW，最小出力为2 321.6 MW。风电场的接入位置为节点17和节点22，容量分别为800 MW和1 000 MW。采用4个典型的风电场出力及负荷需求场景考虑其不确定性，场景1～场景4的概率分别为0.34、0.21、0.29、0.16。其中，风电场出力场景数据参考文献[22]，负荷数据基于某大型城市电网日负荷曲线的聚类结果得到[23]。所考虑的故障场景集包含5个故障场景，概率分别为0.13、0.21、0.25、0.09、0.32。根据所提出的模型，所得到的新建线路及开关升级配置方案如图2所示。

图2 新建线路及开关升级配置方案Fig.2 Configuration scheme for new line construction and switch updating

以正常运行场景3并发生故障场景1为例，系统在正常运行下的OTS方案如图3所示，在发生故障时的OTS方案如图4所示。在正常运行情况下，由于节点17存在风电场，为保证可再生能源的消纳，大量的风电场功率注入将经由线路16-17注入低压区，因此线路16-17易发生阻塞。节点20处的风电场的功率注入，一部分通过节点21、18、17流向节点16，另一部分通过节点21流向节点15。为了避免线路16-17发生阻塞，线路17-22和线路18-21（2条线路）均会被断开。同理，线路16-23以及线路19-23也将被断开，以保证节点23处的机组功率注入不会对节点17处的风电场功率注入产生影响。

图3 系统正常运行下的OTS方案Fig.3 Scheme of OTS under the normal operation of system

图4 系统在故障场景下的OTS方案Fig.4 Scheme of OTS under contingency

在故障场景1下，由于线路3-24、线路9-11和线路12-23均发生故障，为保证节点3、4、5和9等低压区负荷的供应，配置有输电网快速开关的线路1-8、线路2-8、线路3-9以及线路8-10将被立即断开，以保证来自高压区的功率注入和节点1、2及7处的机组功率注入能够更多地将流向节点3、4、5和9等处。此外，线路18-21将被闭合，以保证节点22处的风电场注入功率能经由节点16供应节点19处的负荷，或经由节点14注入低压区。由于流经节点16的功率将更多地注入低压区，为保证节点19处的负荷供应，线路19-20及线路20-23将被断开，线路19-23将被闭合，以确保节点23处的机组功率注入能够更多的供应节点19处的负荷。

为了验证所提方法的优势，采用以下对比算例进行对比分析，其中案例A为本文所提方法，案例B和案例C代表只考虑OTS在单一方面作用的传统方法。

案例A：综合考虑正常运行情况下的OTS及机组调度和故障发生后的OTS及机组调度。

案例B：仅考虑正常运行下的OTS及机组调度。

案例C：仅虑故障发生后的OTS及机组调度。

以案例A的总成本和各项成本为基准，案例B和案例C相对于案例A成本的比值如表1所示。

表1 各案例成本对比Tab.1 Comparison of cost among different cases%

其中，案例B和案例C的总成本均高于案例A。相比与案例A，案例B仅考虑正常运行下的OTS，而未考虑故障下的OTS，因此对于开关升级需求降低，建设成本降低；但是由于在正常运行情况下，案例B需要通过正常运行下的OTS兼顾正常运行的经济性以及对于故障的预防性，因此，在案例B中，通过付出经济运行为代价，降低了故障运行成本。相比于案例A，案例C通过故障发生时的OTS可以显著降低故障运行成本，但是由于案例C未采取正常运行下的OTS，系统的正常运行成本有较大增加。

综上，相比于以往只考虑OTS在单一方面作用的传统方法，所提方法可以综合考虑可再生能源出力的不确定性和预想事故的影响，充分发挥网架结构优化的作用，以提升输电网规划方案的经济性。

3 结语

针对目前研究中尚缺乏有效模型以充分发挥OTS多重作用的问题，本文提出了考虑电网结构优化的可再生能源并网系统优化规划模型，其中综合考虑了风电和负荷的不确定性、预想事故的影响，利用OTS降低系统运行成本、改善风电利用率和降低故障后网络阻塞造成的损失。通过改进的IEEE RTS-24算例系统验证了所提方法的有效性。结果表明，通过在电网规划中嵌入输电网结构化，可以综合考虑可再生能源出力不确定性和预想事故的影响，充分发挥网架结构优化的作用，以提升输电网规划方案的经济性和可靠性。