新能源接入电网的断面传输方式聚类分析

任 冲，牛拴保，2，柯贤波，王吉利，霍 超，樊国旗

（1. 国家电网有限公司西北分部，陕西省西安市 710050；2. 西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049；3. 国网金华供电公司，浙江省金华市 321001）

0 引言

在中国提出2030 年碳达峰与2060 年碳中和目标后，风电、光伏将在过去快速发展的基础上持续高速发展［1］。“十四五”期间，新能源将迎来新一轮发展高峰，高比例新能源的接入将对传统典型运行方式的制定带来深刻影响。采用统计方法划分运行方式对电网安全经济运行具有重要的意义［2-4］。

电网运行方式是指电气设备的运行状态，包括机组开停机状态、解合环状态和中性点运行方式等。传统电网潮流方向和大小相对固定［5-6］，可以从历史峰、谷、平时段中选择典型运行方式［7］。但随着新能源大规模接入，电网运行方式愈发复杂多变，断面潮流呈现大范围波动和反转特性，且在不同运行方式下断面稳定限额相差较大。传统电网运行方式确定方式将不能很好适应电网精益化运行要求［8］，且存在难以挖掘影响断面限额关键因素的问题。

针对以上问题，文献［9］对稳定限额相关因素进行了分析，并基于暂态稳定裕度对强关联断面进行识别，提升了调度运行人员断面监控精准度，为运行方式合理化制定奠定了基础。文献［10］对电力系统关键特征变量进行分析，并采用聚类算法对电网运行方式进行了优化。文献［11］通过对影响断面限额规则的条件进行分析，提出了一种以支路潮流、开机台数为判定规则的方法，实现了断面限额与发电计划的自动匹配，提升了电网输送潜力。文献［12］对历史断面相似性进行了研究，并通过决策树提取、特征变量筛选、K-means 算法聚类，采用相似度匹配指标对历史相似数据进行匹配。文献［13］构建了一种利用预调度方法对电网运行方式进行评估的框架，提升了电网风险评估能力。文献［14］设计了电网运行方式自动优化计算系统，实现了电网运行方式的自动计算分析。

以上研究均对电网运行方式的划分进行了有益的探索，但随着电网运行数据的不断增多，如何更充分利用已有数据资源亟需新的探索。为此，本文针对影响断面限额关键因素难以挖掘的问题，通过相关性分析来衡量重载断面受限程度；针对传统运行方式不能满足电网精益化运行要求的问题，通过CLIQUE（clustering in quest）聚类对关键因素进行划分得到聚类方式，提升了运行方式的适应性；针对关联断面同时存在轻载、重载问题，通过方式调整优化，提升了通道利用率；最后，通过仿真分析验证了本文算法在实际工程中的应用效果。

1 重载断面选取与通道关键影响因素分析

随着直流、新能源大规模集中接入，电网稳定特性日趋复杂。以中国西北与新疆联网通道为例，该通道承载三大特高压直流，并汇集沿线近50 GW 新能源接入，交直流故障冲击能量大；电压、频率及同步稳定等多种稳定问题交织，影响范围广；重要断面限额与不同地区新能源发电出力、不同主变压器功率等多个因素相关，不同运行方式相关断面限额差异较大。电网稳定运行限额呈现多维度交互影响的特征。

1.1 重载断面选取

新疆与西北联网通道呈长链式状，其通道输电能力与多因素有较强相关性，整个通道为多级接力送电特点。其输电断面限额呈现“跷跷板”的特性，即前一级断面输送功率大、后一级断面输送功率小的“此消彼长”特性。其整体网架结构示意图如图1所示。

图1 西北—新疆两网通道示意图Fig.1 Schematic diagram of channels between Northwest and Xinjiang grids of China

根据历史运行数据统计分析，联网通道各断面重载情况分布不均衡。在某些运行方式下，部分断面限额较高而实际传输功率较低，并且与其关联的其他断面存在重载情况。为提升联网通道整体传输效率，需要发现重载情况分布不均衡的运行方式，并针对上述方式进行优化。为此，本文采用统计方法挖掘出长期重载而形成阻塞的关键断面。

关键断面重载率计算公式如式（1）所示。

式中:PD，k，t为断面k在时刻t的历史有功功率；为断面k的限额；F为重载率指标，取90%；cover_load，k，t为断面k在时刻t的重载状态变量。

断面重载时间指标如式（2）所示。

式中:ωk为断面k的年运行重载时间占比，若ωk＞10%，则断面k为重载关键断面；Mk，T为断面k在时长T内总的历史数据个数；T为总的统计时长。

1.2 重载断面影响因素分析

为最大限度满足电网送出需求，需要挖掘对断面限额影响较大的关键因素，进一步提取限制整个通道传输效率的因素，将其作为电网运行方式划分的依据。

重载断面k与其他断面j关联系数λcorrXk j计算公式如式（3）所示。

通过相关性分析，可以得到任意单个断面与重载断面影响因素的重要性排序。但是，由于限制因素较多，且各个关键断面的影响因素关联度排序不同，因此，为衡量整个通道的影响因素，定义通道受限指标来衡量每个因素对整个通道限制的程度大小，其计算公式如式（4）所示。

2 基于CLIQUE 聚类的运行场景划分

通过聚类分析发现，电网输电断面重载情况在同一类场景下存在较大相似性、在不同类场景之间存在明显差异的特性。通过利用长链电网不同断面输送能力“此消彼长”的特性，对该边界运行方式下各级断面输电限额进行优化，可提升电网输送能力和通道利用率，充分发挥工程效益。

2.1 CLIQUE 聚类原理

聚类是按照某个特定标准（如距离准则）把一个数据集分割成不同的类或簇，使得同一类内的数据对象的相似性尽可能大［15］。它是一种典型的无监督学习方式划分方法。常用的聚类方法有K-means聚类、基于密度的含噪声空间聚类（density-based spatial clustering of application with noise，DBSCAN）聚类和CLIQUE 聚类。K-means 聚类是基于距离划分的聚类方法，存在对应边界不规则问题，不利于电力系统场景提取的分档划分。DBSCAN 聚类是基于密度的聚类方法，易受到半径参数设置的影响，不能较好处理高维数据。

CLIQUE 聚类是综合网格和密度的聚类方法，具有边界规则的优点，对电力系统运行方式分档具有很大优势，并能提高高纬度聚类数据的计算速度。首先根据稠密系数阈值计算第i层的稠密网格和非稠密网格，然后进行合并，直至合并至第1 层。

对于第i-1 层需要的统计信息如式（5）至式（9）所示。

式中:ni为第i层网格数据个数；mi为第i层网格数据平均值；si为第i层网格数据标准差；mmin，i为第i层网格数据的最小值；mmax，i为第i层网格数据的最大值。

2.2 CLIQUE 聚类流程

电网中新能源出力复杂多变，源荷双端不确定性使得电网运行方式场景产生组合爆炸。不同电网运行方式下，断面限额存在较大差异，因此，需要对电网运行方式进行聚类划分，形成不同控制方案，从而实现精益化、高效化运行要求，具体过程如图2所示。

图2 电网运行数据聚类划分原理Fig.2 Clustering partition principle of operation data of power grid

1）获取电网运行状态数据，构建运行方式数据库。

2）依据式（2），提取出关键断面。

4）通过CLIQUE 聚类对运行方式进行聚类划分，并根据聚类类别，设定交流断面限额方案。

2.3 基于聚类结果的运行方式提取

根据聚类结果对电网运行方式进行提取，具体流程如附录A 图A1 所示。首先，对第i层的网格进行合并，根据对断面限额有较大影响的电网运行状态量，将电网状态划分为若干初始小网格，并计算每个初始小网格密度；然后根据给定阈值，划分为稠密初始小网格和非稠密初始小网格，在稠密初始小网格周围合并稠密初始小网格，直到不能合并为止；接着在剩余区域重复上述过程。其次，合并第i-1 层网格，直至合并至第1 层网格，第1 层网格合并的中止条件为对断面限额的影响相差超过10%。

在聚类分档时选取关键断面，得到关键断面通道限制指标；根据CLIQUE 聚类方法对影响占比最重要的因素进行划分，得到聚类分档结果。

由于聚类后的每类结果不一定是直接分档的标准矩形，因此需要定义一种聚类结果分档方式。其分档原则为:采用聚类结果中每类数据的最小矩形包络线作为一种运行方式的划分，即:假定{P1，h，P2，h}为聚类结果中的一个类别h，其中P1，h和P2，h分别为聚类h的横、纵坐标。分别以P1，h和P2，h为横、纵坐标的点集，所形成的点集并非规则的矩形。对于类别h，其分档结果如式（10）所示。

式中:P1，Rh和P2，Rh分别为分档结果Rh的横、纵坐标；和分别为聚类结果h中横坐标的最小值和最大值；和分别为聚类结果h中纵坐标的最小值和最大值。

3 算例分析

某实际运行750 kV 网架系统示意图如附录A图A2 所示。新疆电网与西北主网联网通道有多个关键断面，由西向东依次为XJWS 断面、HXWS 断面、DY 断面、GY 断面、QY 断面、HY 断面、WBGD断面以及图1 所示的光伏外送断面。在考虑的联网通道相关因素中，除断面之间功率的相互影响外，还考虑了通道周边4 个外送直流功率、HX 走廊各个主变压器上网功率，以及XJWS 断面功率、GS 风电基地外送功率作为所有可能的影响因素。

3.1 关键断面与影响因素挖掘结果

对于所研究算例的联网通道而言，需要考量的断面包括:XJWS 断面、HXWS 断面、SY 断面（即DY 断面、GY 断面、QY 断面、HY 断面）以及通道下游的WBGD 断面。按照上述方法对通道关键断面2019 年全年历史运行数据进行负载率统计，结果如表1 所示。需要说明的是，断面相关联重要设备检修时，断面限额会下降，为保证统计标准一致性，删去这部分时段；断面检修时间长短不同，导致其统计数据基准不同。

表1 断面重载越限统计结果Table 1 Statistic results of section over-limit due to heavy load

由表1 可知，重载率指标超过10%的断面依次为HXWS 断面、WBGD 断面以及XJWS 断面。因此后续相关性分析中主要考虑这3 个断面的关联因素，并据此计算通道整体限制指标。

图9为欠压补偿前各变流器输出电压的仿真结果。由图9可以看出,在没有电压补偿且线路电阻不同的情况下,公共负荷或者本地负荷在0.8 s和1.6 s时波动,各变流器输出电压在365～375 V之间,系统不能在额定电压下稳定运行。

本文关联度计算因素包括:联网通道7 个断面、通道周边4 个外送直流、HXWS 各个主变压器上网断面以及XJ 断面、GS 上网断面。排除数据异常值与缺失值所造成的影响，通过对具体数据进行不同时间段与不同时间尺度的计算，得到关联度与通道限制指标详细结果表2 所示。

表2 关键断面关联度与通道限制指标Table 2 Correlation degree of key sections and channel restriction indicators

通道限制指标排序靠前的前3 个因素依次为:HXWS 断面功率、GS 上网断面功率以及WBGD 断面功率。这些因素是制约整个通道传输效率的最主要影响因素。

3.2 聚类方法效果对比

为进一步说明CLIQUE 聚类的优势以及实用性，本节将采用通道限制排序前2 位的因素作为2 维聚类数据。由表2 可知，HXWS 断面与GS 上网断面功率作为运行方式划分的聚类因素。对比Kmeans 聚类、DBSCAN 聚类、CLIQUE 聚类这3 种聚类方法的聚类结果，分别如附录A 图A3、图A4、图A5 所示。

由附录A 图A3 可知，K-means 聚类将运行方式聚为3 类，类间虽具有清晰界限，但其部分区域距离过近且密度过大，很难制定出清晰的对应规则。因此，K-means 不适用于电力系统运行方式的聚类。

由附录A 图A4 可知，DBSCAN 聚类将运行方式聚为3 类，其中存在需排除的噪声点。若希望继续降低噪声占比，则需要减小密度下限值，由此会造成聚类效果连在一起而变为一类，难以据此对运行方式进行分档。

由附录A 图A5 可知，CLIQUE 聚类将运行方式划分为3 类，其网格边界可用一条直线划分，并且能通过较少的规则对其边界进行描述，制定出对应规则，可以很好地将点数密集的区域集中并划分在一起，而且区域内的运行方式具有较高的相似度。

由附录A 图A3 至图A5 可以看出，不同聚类方法产生的聚类形状及聚类个数均存在一定差异。但是考虑到工程实际及电网当前技术水平，电网运行方式划分最重要的目的是为调度运行制定安全运行边界，为实现电网经济、安全运行和新能源消纳等目标提供支撑。在当前运行控制技术水平下，在实际调度运行中难以针对不规则运行方式采取不同控制策略进行控制，而且会给调度员对运行方式识别判断带来较大困扰。CLIQUE 聚类能充分考虑当前控制技术水平，将运行方式划分为几个相对规则的边界，便于运行控制及工程实现，是在充分考虑现有运行控制技术水平现状基础上做出的选择。因此，CLIQUE 聚类更加适用于电力系统运行方式的分类。

3.3 聚类分档

对2019 年西北电网运行方式数据进行CLIQUE 聚类分析，并按最小矩形包络线分档方法进行边界划分，得到5 类西北电网运行方式矩形包络线，如图3 所示。根据所划分的矩形包络线进行运行方式的分档，得出聚类分档的具体数值，如表3所示。表3 中XHXWS和XGS分别表示HXWS 断面功率和GS 上网功率。

表3 分档统计结果Table 3 Statistic results of classification

图3 CLIQUE 网格聚类结果与划分Fig.3 Grid clustering results and partition with CLIQUE

与原有仅1 种运行方式相比，5 类运行方式增强了电网运行方式的适应性，在面对不同电网状态时可以采取更有针对性的运行方式，从而提高通道利用率，增加新能源外送能力和系统之间支援能力。

3.4 划分方式结果验证

确定运行方式档位后，需通过关键断面重载或轻载占比对运行方式划分是否合理进行验证，并挖掘各方式中的重载、轻载断面组合状态，针对性地提出优化方法。由于K-means 聚类和DBSCAN 聚类不能适应当前控制技术水平和工程实现要求，因此只对CLIQUE 聚类的结果进行验证。关键断面重载和轻载统计结果分别如图4 和图5 所示。由图4和图5 可知，在基于CLIQUE 聚类得到的5 种方式中，方式2 和4 关键断面轻载重载占比较小，为较合理区间，无须调整；而方式1、3 和5 都存在比较典型的重载或轻载断面，需要调整。

图4 关键断面重载占比Fig.4 Proportion of key sections with heavy loads

图5 关键断面轻载占比Fig.5 Proportion of key sections with light loads

在调整优化空间中，只有存在相互关联的重载与轻载断面，才具备降低轻载断面限额与上调重载断面限额的调整空间，从而实现对现有运行方式的优化。轻载断面通道利用率低，可以通过降低其断面限额，以及关联轻载断面限额，增加关联重载断面限额。以方式1 为例，XJ 断面全年70%以上的重载都发生在该方式下，而HXWS 断面与WBGD 断面则主要为轻载。因此，在该方式下可以通过降低HXWS 断面与WBGD 断面的限额，并在一定程度上提高XJ 断面限额，从而在保障电网安全运行的基础上，使通道输送能力得到进一步提升。

4 结语

新疆与西北联网通道传输能力受到各级断面限额、新能源基地上网功率、多条直流外送功率等多方面的综合影响，基于人工经验的运行方式划分方法已难以适应联网通道复杂多变的运行状况。因此，本文提出新能源接入电网的断面传输方式聚类分析方法。通过分析通道关键断面与影响因素关联度，采用聚类方法进行场景划分。采用西北实际电网算例验证划分方法结果的适用性，得到的主要结论如下。

1）西北联网通道传输能力主要受到XJWS 断面、HXWS 断面2 个新能源送出断面以及受端的WBGD 断面重载制约，而采用通道受限指标计算得出与关键断面关联程度最大的2 个因素为HXWS断面功率与GS 上网功率，为下一步运行方式聚类划分提供依据。

2）CLIQUE 聚类更加适用于电网运行数据与典型方式划分。根据划分结果，可以找到传输能力的优化空间，通过对主要重载和轻载断面限额的调整可以进一步提升通道传输效率。

3）本文提出的新能源接入电网的断面传输方式聚类分析方法，可以替代之前由人工经验与历史数据结合的分档方式，为联网通道运行场景的划分提供数据与理论支撑，作为联网通道运行方式限额计算与调整的基础，指导输电通道实际运行规划。

本文主要结合电网实际情况进行运行方式划分优化，下一步将采取定量评价方法进行研究，使研究结果在具有工程实施性的基础上更具科学性。

南瑞集团有限公司的马晨霄为本文提供了无私帮助，谨此致谢！

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