一种受端特高压网架双阶段优化方法与流程

本发明涉及电力系统规划领域，尤其涉及一种受端特高压网架双阶段优化方法。

背景技术：

全球能源互联网旨在充分利用风能、太阳能等清洁能源，推动世界能源结构转型，解决化石能源枯竭、气候变化和环境污染等问题，是实现未来社会、经济可持续发展的必要途径。特高压电网技术作为全球能源互联网发展的关键支撑技术，其规划和运行将关系到跨区域甚至全球范围内能源供应的安全性。随着特高压输电技术的发展和电网的逐步建设，受端地区的受电容量和比例不断增加，特高压电网接入对受端系统的安全稳定性和运行经济性的影响越来越明显。不合理的接入方案和受端网架结构不仅会增加网络损耗，降低运行经济性，而且会加重受端潮流和短路电流水平，导致电气设备过载和电压稳定等问题。因此，在全球能源互联网发展、特高压电网建设的过程中，应充分考虑其对受端系统的影响，进行合理地规划。

受端特高压网架规划涉及到整个受端系统的运行经济性和安全稳定性等多个方面，各方面需要同时考虑并加以权衡，传统具有单一优化目标的规划方法难以描述其间的复杂关系，需要采用多目标优化的方法进行规划。同时，受端特高压网架规划又是一个多阶段的问题，其包含落点布局和网架结构调整两个具有明显先后顺序的阶段，需要先确定特高压落点布局再调整受端网架结构。此外，由于电网规模庞大、结构复杂，其规划问题具有复杂的约束条件以及高维、非线性的特点。因此，从实际规划需求和问题本身特性来看，受端特高压网架规划是一个多目标、多阶段、非线性、受约束的高维混合整数规划问题，其规划模型的构建和求解都具有一定的挑战性。

目前，对于受端特高压网架规划问题的研究还不够丰富和深入，缺少一套广泛采用的标准和方法，多数基于工程人员的现场经验，通过大量的仿真试验对可行方案进行对比分析，由于优化的搜索方向不够明确，不具有针对性，工作量较大且结果不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的就是解决上述问题，提供一种受端特高压网架双阶段优化方法，综合考虑经济性和安全性的量化指标，对特高压落点布局和受端网架结构进行优化，在保证特高压接入后受端电网安全稳定的基础上，提高运行经济性。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

本发明公开了一种受端特高压网架双阶段优化方法，包括：

(1)采集当前实际电网的相关数据，综合考虑受端交流系统强度、电压稳定性和网络损耗的量化指标，构建多目标优化模型；

(2)基于归一化方法、标量化方法和delphi方法分别求解模型，并结合实际工程确定受端特高压落点优化布局方案，作为第一阶段的优化结果；

(3)以第一阶段的优化结果为基础，基于短路电流水平分析受端网架结构的薄弱环节，采用性能代价比指标搜索针对薄弱环节的最优调整方案，作为第二阶段优化的结果；

(4)综合两个阶段的优化结果，形成最终的受端特高压网架优化方案。

进一步地，所述步骤(1)中，当前实际电网为待优化的受端电网，需采集的相关数据包括受端电网和特高压线路的结构参数和运行参数。

进一步地，所述步骤(1)中，多目标优化模型具体为：

f(x)为三维矢量目标函数，且，f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x)]；

其中，f1(x)表示最大化受端交流系统强度，f2(x)表示最大化电压稳定性，f3(x)表示最小化网络损耗，x为优化变量组成的决策变量，表示特高压落点方案，h(x)和g(x)分别为等式约束和不等式约束，包括受端电网潮流约束、受端电网安全运行约束和特高压落点选择约束。

进一步地，受端交流系统强度以有效短路比为量化指标，其表达式为，

其中，escr为有效短路比指标，sac为受端落点换流站交流母线的短路容量，pdn为直流系统的额定运行功率，qcn为直流系统落点处母线保持额定电压时，对应无功补偿设备补偿的无功容量；escr越大，表示受端电网的强度越高，对特高压直流系统的支撑能力越强。

进一步地，受端系统的电压稳定性采用静态电压稳定指标，其表达式为，

其中，vsi为静态电压稳定指标，qac为受端落点交流无功功率，qd为特高压直流系统的无功功率，qc为并联的无功补偿值，u为受端落点交流母线电压幅值；

当vsi>0时，特高压直流系统受端落点母线能够保持静态电压稳定；当vsi<0时，特高压直流系统受端落点母线电压不稳定。

进一步地，网络损耗主要考虑网络有功损耗，其表达式为，

其中，ploss为网络有功损耗指标；n为受端电网支路数目；gk(i,j)为支路i与支路j间的导纳；vi和vj为受端电网的节点电压幅值；θi和θj为受端电网的节点电压相角。

进一步地，采用基于归一化方法将三个优化目标处理为：

其中，escr,max和escr,min分别为有效短路比指标的最大值和最小值；vsi,max和vsi,min分别为静态电压稳定指标的最大值和最小值；ploss,max和ploss,min分别为网络有功损耗指标的最大值和最小值。

进一步地，基于标量化方法将多目标优化模型处理为：

其中，标量化向量λ衡量了各目标间的相对重要程度，通过改变λ的值求得原向量优化问题的不同pareto最优解；h(x)和g(x)分别为等式约束和不等式约束，包括受端电网潮流约束、受端电网安全运行约束和特高压落点选择约束；为数学符号，表示对偶广义不等式。

进一步地，标量化向量λ的选取依据领域专家的经验和知识，采用delphi方法，其具体步骤为：

对三个优化目标的重要程度进行评估；对评估结果进行统计分析，统计分析结果包括每个优化目标评分的极值、中位数和方差；

设定目标方差st，对于三个优化目标评分的统计方差s1，s2和s3，对应的三个优化目标评分的中位数为m1，m2和m3；若满足：

st＞max{s1,s2,s3}；则认为统计方差符合要求；

形成标量化向量为：

进一步地，所述步骤(2)中，模型求解结果包括：标量化处理后模型的最优化结果以及次优化结果；

按照优劣性对优化结果进行排序，构建优先级列表；当特高压系统仅接入受端电网一个变电站时，最优化结果即为最优方案，但最终的受端特高压落点优化布局方案还需与实际情况相结合，必要时根据优先级列表选择次优化结果作为受端特高压落点优化布局方案；而当特高压系统接入受端多个变电站时，根据优先级列表选取优先级较高方案的组合作为受端特高压落点优化布局方案。

本发明有益效果：

本发明提供了一种受端特高压网架双阶段优化方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明在一个统一的框架内，同时考虑受端特高压落点布局和网架结构调整两个阶段的规划任务，能够得到完整的受端特高压网架规划方案，满足实际工程需要；

2)本发明综合考虑了受端交流系统强度、电压稳定性和网络损耗的量化指标，并采用了多目标优化的模型和方法，同时兼顾了三个优化目标，能够保证特高压接入后受端电网的安全稳定性和运行经济性，具有很强的工程应用价值；

3)本发明采用归一化和标量化的方法求解多目标优化模型，并基于delphi法确定标量化向量，结合了优化方法和专家经验各自的优势，且计算简单、处理速度快，十分适合工程应用；

4)本发明以短路电流水平为指标分析受端网架结构的薄弱环节，并基于性能代价比确定优化调整方案，针对性强，且优化方向明确，减少了网架规划过程中的工作量；

5)本发明没有特殊的应用条件，通用性强，适用于各地区受端特高压网架的规划，具有推广价值和意义。

附图说明

图1是本发明双阶段优化方法结构示意图；

图2是本发明双阶段优化方法流程示意图；

图3是本发明标量化向量确定方法流程示意图；

图4是实施例中山东电网特高压落点布局方案一示意图；

图5是实施例中山东电网特高压落点布局方案二示意图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种受端特高压网架双阶段优化方法，包括两个阶段：在第一阶段中，综合考虑受端交流系统强度、电压稳定性和网络损耗的量化指标，构建三目标优化模型，基于归一化方法、标量化方法和delphi方法求解模型，并结合实际工程确定受端特高压落点优化布局方案；在第二阶段中，以第一阶段的优化结果为基础，基于短路电流水平分析受端网架结构的薄弱环节，采用性能代价比指标搜索针对薄弱环节的最优调整方案，并通过反复的搜索-校验迭代求解受端网架结构优化调整方案。

所述双阶段优化方法包括以下步骤：

(1)采集当前实际电网的相关数据，构建第一阶段的优化模型；

(2)基于归一化方法、标量化方法和delphi方法对优化模型进行求解；

(3)根据模型求解结果，结合实际情况，确定受端特高压落点优化布局方案，并作为第一阶段的优化结果；

(4)将第一阶段优化的结果作为第二阶段优化的初始条件，以短路电流水平为指标，分析受端网架结构的薄弱环节。

(5)构建针对受端网架结构薄弱环节的备选调整方案集合，并计算各方案的性能代价比；

(6)选取性能代价比最大的备选方案的组合作为最优方案，对受端电网进行调整；

(7)对调整后的受端电网进行校验，若校验结果符合要求，则确定上述最优方案为受端网架结构优化调整方案，并作为第二阶段优化的结果，否则，从备选方案集合中删除对应调整方案，并返回步骤(6)对受端网架结构进行再次调整；

(8)综合两个阶段的优化结果，形成最终的受端特高压网架优化方案。

所述步骤(1)中，当前实际电网为待优化的受端电网，需采集的相关数据包括受端电网和特高压线路的结构参数、运行参数。

所述步骤(1)中，第一阶段主要目的是求解受端特高压落点优化布局方案。

所述步骤(1)中，构建的优化模型为三目标优化模型，目标之间相互矛盾，不能同时实现最优，不存在全局最优解，而应求取pareto最优解。

所述三目标优化模型，包括三个优化目标函数、等式约束条件和不等式约束条件，具体为，

其中，f(x)为三维矢量目标函数，且，

f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x)]

其中，f1(x)表示最大化受端交流系统强度，f2(x)表示最大化电压稳定性，f3(x)表示最小化网络损耗，x为优化变量组成的决策变量，表示特高压落点方案，h(x)和g(x)分别为等式约束和不等式约束，包括受端电网潮流约束、受端电网安全运行约束和特高压落点选择约束。

所述f1(x)中，受端交流系统强度以有效短路比为量化指标，其衡量了受端交流系统容量与馈入直流电网容量的相对大小，并考虑了特高压直流系统落点处无功设备对短路容量的影响，其表达式为，

其中，escr为有效短路比指标，sac为受端落点换流站交流母线的短路容量，pdn为直流系统的额定运行功率，qcn为直流系统落点处母线保持额定电压时，对应无功补偿设备补偿的无功容量。escr越大，表示受端电网的强度越高，对特高压直流系统的支撑能力越强。

将优化目标函数统一表示为最小化形式，即，

f1(x)＝1-escr

所述f2(x)中，受端系统的电压稳定性采用静态电压稳定指标，其表达式为，

其中，vsi为静态电压稳定指标，qac为受端落点交流无功功率，qd为特高压直流系统的无功功率，qc为并联的无功补偿值，u为受端落点交流母线电压幅值。当vsi>0时，特高压直流系统受端落点母线能够保持静态电压稳定；当vsi<0时，特高压直流系统受端落点母线电压不稳定。

将优化目标函数统一表示最小化形式，即，

f2(x)＝1-vsi

所述f3(x)中，网络损耗主要考虑网络有功损耗，其表达式为，

其中，ploss为网络有功损耗指标；n为受端电网支路数目；gk(i,j)为支路i与支路j间的导纳；vi和vj为受端电网的节点电压幅值；θi和θj为受端电网的节点电压相角。ploss越小，表明电网潮流分布越合理，运行经济性越好。

将优化目标函数统一表示最小化形式，即，

f3(x)＝ploss

所述步骤(1)中，三个优化目标函数值可利用电力系统数值仿真软件(如bpa、psasp及pss/e等)辅助计算。

所述步骤(2)中，归一化方法采用最大-最小规范化，主要是为了避免优化目标取值范围不同对优化结果的影响，是对原优化目标值进行线性变换，将其映射到[0,1]之间，其基本原理表达式为，

基于归一化方法可将三个优化目标处理为，

其中，escr,max和escr,min分别为有效短路比指标的最大值和最小值；vsi,max和vsi,min分别为静态电压稳定指标的最大值和最小值；ploss,max和ploss,min分别为网络有功损耗指标的最大值和最小值。

所述步骤(2)中，标量化方法主要是为了求解模型的pareto最优解，基于标量化方法可将多目标优化模型处理为，

其中，标量化向量λ衡量了各目标间的相对重要程度，通过改变λ的值可以求得原向量优化问题的不同pareto最优解。

所述标量化向量λ的选取依据领域专家的经验和知识，采用delphi方法，其具体步骤为：

(2-1)根据工程需要，邀请领域专家，组建评估小组；

(2-2)由各位专家对三个优化目标的重要程度进行评估；

(2-3)对评估结果进行统计分析，若统计方差符合要求，则取评估结果的中位数作为最终结果，并形成标量化向量，否则，将统计结果返回给专家小组，并返回步骤(2-2)。

所述步骤(2-1)中，组成评估小组的成员主要是电气工程领域的专家，且组内成员不知道彼此身份，不进行相互讨论，不发生横向联系。

所述步骤(2-2)中，专家应独立地进行评估，且评估结果应以匿名的形式呈现。每个优化目标的评估结果为专家对其重要程度的评分，分数按照重要程度由低到高为0～10，即评分为0表示对应目标的重要程度最低，评分为10表示对应目标的重要程度最高。

所述步骤(2-3)中，统计分析结果包括每个优化目标评分的极值、中位数和方差。设定目标方差st，对于三个优化目标评分的统计方差s1，s2和s3，若满足，

st＞max{s1,s2,s3}

则认为统计方差符合要求，即当三个优化目标评分的离散程度在设定的阈值范围内时，则认为组内专家意见一致。对应的三个优化目标评分的中位数为m1，m2和m3，则形成标量化向量为，

所述步骤(2)中，经归一化方法和标量化方法处理后的优化模型可由优化软件(如gams、cplex等)进行求解。

所述步骤(3)中，模型求解结果包括标量化处理后模型的最优化结果以及一系列次优化结果。按照优劣性对优化结果进行排序，构建优先级列表。当特高压系统仅接入受端电网一个变电站时，最优化结果即为最优方案，但最终的受端特高压落点优化布局方案还需与实际情况(如负荷分布、地区经济)相结合，必要时可根据优先级列表选择次优化结果作为受端特高压落点优化布局方案；而当特高压系统接入受端多个变电站时，可根据优先级列表选取优先级较高方案的组合作为受端特高压落点优化布局方案。

所述步骤(4)中，第二阶段主要目的是求解受端网架结构优化调整方案，其在确定受端特高压落点优化布局方案(即第一阶段优化结果)的基础上进行。

所述步骤(4)中，受端电网的优化调整部分为受端500kv电压等级网架结构，包括输电线路和变电站。短路电流为三相短路电流，可利用电力系统数值仿真软件(如bpa、psasp及pss/e等)辅助计算。受端网架结构的薄弱环节为短路电流超过断路器遮断容量的线路和变电站，即线路或变电站的短路电流为is，变压器遮断容量为iz，若

is≥iz

则对应的线路或变电站为受端网架结构的薄弱环节，需进行优化调整以保证受端电网的安全稳定运行。

所述步骤(5)中，备选方案包括调整输电网络拓扑、调整变电站接线方式、扩建输电线路和增扩变电站容量等。性能代价比为调整方案的有益效果与其成本的比值，即，

其中，rcp为性能代价比，δis为方案实施后，短路电流越限的变化量，cost为调整方案的投资成本。rcp越大表示短路电流对于该方案的灵敏度越高，该方案越有效。

所述步骤(6)中，针对受端网架结构的每个薄弱环节均选取性能代价比最大的调整方案，并组合作为最优方案。

所述步骤(7)中，对最优方案的校验基于电力系统数值仿真软件(如bpa、psasp及pss/e等)进行，检验内容包括500kv主干线路在正常及特殊运行方式下的潮流分布是否合理，500kv与220kv线路的衔接配合是否经济合理，500kv变电站及220kv变电站的电压水平是否满足要求，受端电网的稳定性，以及500kv网架与220kv网架的短路电流是否越限。删除的对应调整方案为不能满足上述校验要求的方案，若多个薄弱环节的调整方案不能满足检验要求，则需删除多个对应方案。

所述步骤(8)中，最终的受端特高压网架优化方案包括第一阶段与第二阶段的优化结果，即受端特高压落点优化布局方案与网架结构优化调整方案两部分。

实施例

本发明以山东特高压电网规划作为实施例，对山东电网2020年接入特高压直流输电系统的落点布局方案和网架结构调整方案进行优化。断路器遮断容量iz设置为50ka，基于delphi方法可得标量化向量λ为[0.75，0，0.25]，第一阶段构建优先级列表如表1所示。

表1第一阶段优先级列表

目标函数值越小，则表明直流布点的优先级别越高。由表1可知，临沂3(智圣)的目标函数值为0.3969，在所有节点中其值最小，可以考虑在此处建设直流换流站，能够有效缓解临沂中部地区用电紧张的局面。沂蒙站与智圣站位置接近，同属于临沂地区，6回500kv线路与日照站(1回)、智圣站(1回)、临沂ii站(2回)、邹县电厂(1回)、枣庄站(1回)联络，相比于智圣站，其地理位置稍微偏离负荷中心，而且2回220kv线路直接和费县电厂连接、一回500kv线路直接接入到邹县电厂。若是将直流换流点设在此处，可能由于交直流系统的相互作用，交流故障造成直流换相失败甚至闭锁，进而又会影响到交流系统的运行，甚至对邹县电厂平衡节点的出力造成影响，给整个山东电网的安全稳定运行带来隐患。因此，在临沂地区，智圣站相对于沂蒙站更有利于建设换流站。

此外，青州站位于负荷较高的淄博、潍坊地区，以青州站作为直流换流点，有比较合理的潮流分布，山东电网的有功损耗较小。若此处的直流线路发生最严重故障，双极闭锁后，潍坊特高压站和济南特高压站可以有效补偿损失功率，有利于山东电网的稳定。因此，在潍坊淄博地区，考虑在青州站建设直流换流站。

由第一阶段优化分析可得，山东电网以临沂3(智圣)和青州站作为特高压直流输电系统落点优化布局方案，如图4和图5所示，与实际情况相符，验证了本发明方法的有效性。

第二阶段山东电网薄弱环节分析结果如表2所示，山东电网500kv济南特高压站、大泽站、聊城站、闻韶站、青岛换流站、崂山站、高青站和滨州站8个站的短路水平超过断路器遮断容量，需要对网架结构进行优化调整。

表2山东电网薄弱环节的分析

针对表2中所述的山东电网薄弱环节，采用第二阶段的搜索-校验迭代方法求解网架结构优化调整方案，可得，

济南特高压站优化调整方案：500kv侧主接线采用单母线单元接线，即1台主变带2回出线。

大泽站优化调整方案：将光州-大泽和大泽-潍坊这两回联络线从大泽站解出，形成光州-潍坊单回线路。

聊城站优化调整方案：将聊城电厂-聊城站的1回线路与聊城-高唐线路串内短接，聊城站解出两回500kv线路。

闻韶站优化调整方案：将1回济南特高压-闻韶的线路与闻韶-彩石的线路站外短接，形成一条济南特高压-彩石线路。

青岛换流站、崂山站优化调整方案：直接将青岛换流站-崂山站双回线路断开其中一条，形成青岛换流站-崂山站的单回线路。

高青站、滨州站优化调整方案：在滨州站断开惠民-油城线路，形成滨州-油城双回线路，并将惠民-滨州线和滨州-高青线在站外短接，形成惠民-高青线路。

综合两个阶段的优化结果，形成最终的山东电网特高压网架优化方案，并进行潮流分析、短路电流分析和n-1校验，结果分别如表3、表4和表5所示。

表3500kv主要线路潮流

表4优化前后短路电流

表5n-1校验结果

由表3、表4和表5可知，潮流分析、短路电流分析和n-1校验的结果均在合理范围内，验证了本发明方法的有效性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。