趙良，易海瓊，吳耀武

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206；2.國家電網(wǎng)公司，北京市100031； 3. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102206； 4. 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，武漢市 430074)

特高壓交直流建設(shè)時序優(yōu)化評估指標(biāo)體系

趙良1, 2，易海瓊3，吳耀武4

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206；2.國家電網(wǎng)公司，北京市100031； 3. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102206； 4. 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，武漢市 430074)

為全面衡量整個建設(shè)期內(nèi)特高壓交直流工程不同時序方案的合理性并比較優(yōu)劣性，建立包含經(jīng)濟、技術(shù)、安全穩(wěn)定及社會環(huán)境等因素的評估指標(biāo)體系。結(jié)合特高壓交直流電網(wǎng)發(fā)展的特點，提出采用輸電阻塞費用、結(jié)構(gòu)均衡度、社會環(huán)境影響等指標(biāo)，與靜態(tài)安全性等常規(guī)輸電網(wǎng)規(guī)劃評估指標(biāo)共同組成綜合評估指標(biāo)體系，用以反映不同時序方案對清潔能源接入的適應(yīng)性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均衡性和節(jié)能減排效果等。

時序優(yōu)化；評估指標(biāo)；輸電阻塞；電網(wǎng)利用率；結(jié)構(gòu)均衡度；節(jié)能減排

0 引 言

目前，我國電網(wǎng)最高電壓等級達到交流 1 000 kV、直流±800 kV，建成“三交六直”特高壓工程，全面掌握世界領(lǐng)先的特高壓交、直流輸電技術(shù)，取得了成熟的運行經(jīng)驗。特高壓電網(wǎng)已具備加快建設(shè)的條件。

特高壓交直流工程規(guī)劃建設(shè)過程中，除了考慮目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的合理性之外，還需要關(guān)注各過渡階段交直流工程建設(shè)的協(xié)調(diào)性。哈密南—鄭州特高壓直流現(xiàn)已投運，酒泉—湘潭特高壓直流正在建設(shè)，華北與華中電網(wǎng)通過晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程單線聯(lián)系，“強直弱交”問題十分突出，接入華中電網(wǎng)的特高壓直流滿功率運行后，一旦發(fā)生故障，極易引發(fā)大面積停電，特高壓直流輸送能力將受到嚴(yán)重制約。只有特高壓交直流協(xié)調(diào)發(fā)展、相互補充、相互支撐，才能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢[1-2]，確保電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。

本文借鑒已有輸電網(wǎng)規(guī)劃評估研究成果，在滿足過渡階段負荷需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮特高壓交直流工程建設(shè)時序?qū)﹄娋W(wǎng)建設(shè)成本、運行費用、電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平、可再生能源利用率和節(jié)能減排等方面的影響，提出一套完整的綜合評估指標(biāo)體系，為開展特高壓交直流工程建設(shè)時序優(yōu)化研究，進一步拓展與完善輸電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方法提供理論參考。

1 輸電網(wǎng)規(guī)劃評估研究現(xiàn)狀

我國輸電網(wǎng)規(guī)劃理論方面的研究始于20世紀(jì)80年代，主要采用線性優(yōu)化模型，解決水平年輸電網(wǎng)規(guī)劃問題，以輸電年費用最小為目標(biāo)比選確定最優(yōu)的規(guī)劃方案。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和對電網(wǎng)規(guī)劃問題研究的深入，電網(wǎng)規(guī)劃模型不僅需要考慮電網(wǎng)運行的安全可靠性等要求，還要考慮方案的經(jīng)濟性，形成多目標(biāo)、非線性的規(guī)劃問題。常規(guī)輸電網(wǎng)規(guī)劃考慮的約束主要有潮流計算的功率平衡約束、發(fā)電機出力約束、線路傳輸容量約束、N-1靜態(tài)安全約束、節(jié)點電壓約束等[3-8]，如式(1)所示：

(1)

在此基礎(chǔ)上，文獻[9-17]還考慮了網(wǎng)絡(luò)損耗、負荷供應(yīng)能力、網(wǎng)絡(luò)阻塞、多階段因素優(yōu)化等的影響，提出了多目標(biāo)優(yōu)化模型，即以輸電系統(tǒng)建設(shè)費用和運行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，同時考慮電力供應(yīng)不足造成的缺電損失，如式(2)所示：

(2)

式中:F1表示輸電系統(tǒng)建設(shè)費用；I1表示待建輸電系統(tǒng)集合；Ci表示第i個輸電系統(tǒng)單位線路長度和單位變電容量建設(shè)成本；Ki表示第i個輸電系統(tǒng)線路回路數(shù)和變電設(shè)備臺數(shù)；Li表示第i個輸電系統(tǒng)單回線路長度和單臺變電設(shè)備容量；F2表示輸電系統(tǒng)運行費用，即網(wǎng)絡(luò)損耗費用；I2表示規(guī)劃區(qū)域所有已投運輸電系統(tǒng)集合；FLossi表示第i個輸電系統(tǒng)損耗；F3表示系統(tǒng)缺電損失成本；I3表示系統(tǒng)缺電場景集合；FOffi表示第i個缺電場景下造成的用戶損失。

綜上，常規(guī)輸電網(wǎng)評估指標(biāo)研究主要集中在對暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)安全域、輸電能力、建設(shè)費用和運行成本等方面的計算分析，未涉及特高壓交直流工程建設(shè)時序協(xié)調(diào)問題。當(dāng)前，需要在水平年輸電網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)上，重點研究解決過渡期特高壓交直流工程建設(shè)時序的合理安排問題。

2 特高壓交直流建設(shè)時序評估指標(biāo)構(gòu)架

2.1 評估指標(biāo)選取原則

(1)系統(tǒng)性原則：應(yīng)全面反映特高壓交直流電網(wǎng)的整體性；

(2)一致性原則：評估指標(biāo)的選取應(yīng)與評估目標(biāo)一致，達到體現(xiàn)特高壓交直流建設(shè)時序優(yōu)化的目的；

(3)獨立性原則：同層次上的指標(biāo)不應(yīng)具有包含關(guān)系；

(4)可測性原則：指標(biāo)可分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，定性指標(biāo)含義要明確，定量指標(biāo)能夠被計算或度量，數(shù)據(jù)規(guī)范、易收集。

2.2 評估指標(biāo)體系構(gòu)成

特高壓交直流建設(shè)時序優(yōu)化需要根據(jù)時序優(yōu)化的動態(tài)性和交直流協(xié)調(diào)輸電特點，選擇滿足可靠供電要求的經(jīng)濟性、高效性、安全穩(wěn)定性和社會環(huán)境性最優(yōu)的結(jié)果?；诔Ｒ?guī)電網(wǎng)規(guī)劃項目綜合評估方法，本文提出了包含經(jīng)濟性、高效性、安全穩(wěn)定性和社會環(huán)境性的特高壓交直流建設(shè)時序優(yōu)化評估指標(biāo)體系，如表1所示。

3 經(jīng)濟性評估指標(biāo)

(1)建設(shè)成本

電網(wǎng)建設(shè)成本是指在電網(wǎng)工程項目建設(shè)階段所需要的全部費用，主要包括用于購買項目所需各種設(shè)備的成本、用于建筑施工和安裝施工、購置土地等所需支出的成本等。

不同于水平年電網(wǎng)規(guī)劃的建設(shè)成本，時序優(yōu)化過程的建設(shè)成本更關(guān)注在不同工程建設(shè)時序下的投資差異，即需要綜合考慮每個時序過渡年的建設(shè)成本，并考慮資金的流動性。對于每個過渡年t電網(wǎng)建設(shè)費用fIvt可通過式(3)表示：

(3)

式中：NL表示規(guī)劃期內(nèi)待建線路的集合；Cj表示線路j單位長度的建設(shè)費用(包括線路成本及其安裝成本等)；Zjt表示到第t年為止線路j的投建情況(“0”表示未投建，“1”表示已投建)；Lj表示線路j的長度。變電工程可類似處理。

表1 評估指標(biāo)體系

Table 1 Evaluation index system

(2)可變運行費用

可變運行費用主要包括網(wǎng)絡(luò)損耗費用和輸電阻塞費用2個部分。

網(wǎng)絡(luò)損耗費用。需要計及新建線路和原有線路的全網(wǎng)損耗。這里引入單位網(wǎng)損費用，將網(wǎng)損指標(biāo)折算成經(jīng)濟性指標(biāo)，即網(wǎng)絡(luò)損耗費用，對電網(wǎng)建設(shè)時序方案各過渡階段的網(wǎng)損情況進行評估。可將全年劃分為多個典型場景來進行計算。根據(jù)系統(tǒng)負荷大小、風(fēng)電和水力發(fā)電出力大小方式下的不同情況，可選取若干具有代表性的典型場景進行計算，各場景持續(xù)時間之和為全年8 760 h。在分場景的網(wǎng)損計算過程中，需要預(yù)先確定每個場景的系統(tǒng)發(fā)電、負荷情況以及場景持續(xù)時間：

(4)

(5)

實際工程中難以對1年8 760 h或各場景持續(xù)時間都進行準(zhǔn)確計算。因此，在大多數(shù)情況下可以用最大網(wǎng)損情況作為代表，來簡化系統(tǒng)網(wǎng)損成本的計算，即：

(6)

(7)

式中：f″LOt表示簡化計算時年網(wǎng)絡(luò)損耗費用；Tmax表示年最大負荷損耗小時數(shù)，h；ELOSSt表示第t年年網(wǎng)損電量，kW·h。

輸電阻塞費用。用來衡量不同建設(shè)時序方案中各過渡階段電網(wǎng)的輸電阻塞對系統(tǒng)發(fā)電成本及新能源利用率的影響。由于輸電阻塞導(dǎo)致系統(tǒng)不能按最經(jīng)濟的方式運行時，需要調(diào)節(jié)各類機組的出力。為提高可再生能源的利用率，調(diào)節(jié)過程按如下原則進行：為盡量滿足風(fēng)電和水電按最大出力運行，首先調(diào)節(jié)火電機組，盡可能解決輸電阻塞狀況并且滿足負荷的需求；當(dāng)火電機組的調(diào)節(jié)量不足時，考慮調(diào)節(jié)風(fēng)電和水電。根據(jù)上述調(diào)節(jié)原則可知，調(diào)節(jié)風(fēng)電和水電的過程實際是壓風(fēng)電和水電出力運行，風(fēng)電/水電出力下降造成的棄風(fēng)/棄水將導(dǎo)致電力缺額完全轉(zhuǎn)移到火電中，使得火電出力上升，此過程伴隨著一次能源的消耗增加，系統(tǒng)發(fā)電費用上升，系統(tǒng)運行經(jīng)濟性降低。

考慮火電、風(fēng)電和水電3類電源的實際經(jīng)濟運行情況，可將輸電阻塞費用表示為以下形式：

fRGt=fRTt+fRWt+fRHt

(8)

式中：fRGt表示第t年所有機組的阻塞費用之和；fRTt表示第t年火電機組的阻塞費用；fRWt表示第t年風(fēng)電機組的阻塞費用；fRHt表示第t年水電機組的阻塞費用。

分別計算，火電阻塞費用計算公式如下：

(9)

火電出力調(diào)節(jié)過程滿足：

(10)式中：fRTt表示火電機組的年阻塞費用；NGt表示第t年的電源節(jié)點集合；PGi0表示第i個節(jié)點火電機組經(jīng)濟出力；PGi表示第i個節(jié)點火電機組調(diào)節(jié)后的出力；CGi0表示第i個節(jié)點火電機組調(diào)節(jié)前的發(fā)電成本，元/(kW·h)；CGi表示第i個節(jié)點火電機組調(diào)節(jié)后的發(fā)電成本，元/(kW·h)。

風(fēng)電阻塞費用計算公式如下

(11)

風(fēng)電出力的調(diào)節(jié)量ΔPW可表示為

ΔPWits=PWi0ts-PWits

(12)

式中：fRW表示風(fēng)電的阻塞費用；風(fēng)電的最大出力為PWi0；調(diào)節(jié)后的風(fēng)電出力為PWi；不管在何種情況下都存在PWi0≥PWi；CG為火電機組的單位發(fā)電成本，可取火電機組的平均單位發(fā)電成本或邊際單位發(fā)電成本。

水電阻塞費用計算公式如下：

(13)

水電機組的調(diào)節(jié)量ΔPH可表示為：

ΔPHits=PHi0ts-PHits

(14)

式中：fRH表示水電的阻塞費用；水電的最大出力為PHi0；調(diào)節(jié)后的水電出力為PHi。

(3)運行維護費用

需要計及所有存在的輸電線路，即規(guī)劃期前的初始線路和規(guī)劃期間新投運的線路，但不同時序優(yōu)化結(jié)果所對應(yīng)的系統(tǒng)初始電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是確定的，即規(guī)劃前已投建線路的年運行維護費用是相同的。為減少計算量可不計及這部分費用的影響，僅考慮優(yōu)化期間新建線路的固定運行維護費用。因此，系統(tǒng)的運行維護費用可表示如下：

(15)

式中：fMt表示第t年運行維護費用；εj表示維護費用系數(shù)，按照運行經(jīng)驗，ε取值常在1%～2%間。

4 高效性評估指標(biāo)

在傳統(tǒng)的電網(wǎng)潮流指標(biāo)基礎(chǔ)上，通過潮流計算結(jié)果來評估系統(tǒng)運行情況，從電網(wǎng)潮流分布和結(jié)構(gòu)均衡度的角度出發(fā)，提出了電網(wǎng)利用率、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)均衡度等指標(biāo)。

(1)電網(wǎng)利用率

主要包括線路利用率、電網(wǎng)平均利用率、主要斷面利用率等指標(biāo)。

線路利用率。用來描述系統(tǒng)單條線路運行情況的指標(biāo)，通過線路上實際流過的潮流和線路的最大傳輸容量之比來描述該線路的利用水平：

(16)

電網(wǎng)平均利用率。一定程度上反映了輸電網(wǎng)絡(luò)的利用水平，其數(shù)值越大，說明此網(wǎng)絡(luò)的整體運行負載率越高，若電網(wǎng)平均利用率過高則需加強網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以緩解系統(tǒng)運行壓力，增強功率傳輸能力，滿足負荷增長及事故調(diào)度的需要；反之，則說明該網(wǎng)絡(luò)能較好地滿足未來負荷增長和系統(tǒng)調(diào)度的需求。本文使用加權(quán)指標(biāo)，將線路長度作為加權(quán)因子，強調(diào)遠距離輸送的關(guān)鍵線路對系統(tǒng)的影響(直流線路運行時，輸送功率一般是確定的，因此在計算平均負載率指標(biāo)時僅考慮交流線路)。

(17)

式中：αt表示第t年電網(wǎng)的平均利用率；NAC表示交流線路的集合。

主要斷面利用率。為了量化地反映系統(tǒng)各種運行場景下重要輸電斷面的潮流分布情況，引入主要輸電斷面利用率，對時序優(yōu)化各過渡階段電網(wǎng)的關(guān)鍵輸電斷面利用情況進行衡量，進而得出整個時序優(yōu)化結(jié)果關(guān)鍵輸電斷面的綜合利用情況：

(18)

(2)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)均衡度

主要包括電網(wǎng)利用率標(biāo)準(zhǔn)差、電網(wǎng)最大最小利用率、電氣介數(shù)等指標(biāo)。

電網(wǎng)利用率標(biāo)準(zhǔn)差。綜合反映系統(tǒng)的負載水平，但不能刻畫出線路利用率的個體差異情況。在相同的電網(wǎng)平均利用率情況下，有些方案可能各線路利用率情況相對一致，而另一些方案各線路的利用率則可能相差較大，因此需要有一個指標(biāo)對線路利用率分布離散情況進行描述，故提出系統(tǒng)利用率標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)，同樣需考慮的是時序優(yōu)化結(jié)果對應(yīng)各過渡階段電網(wǎng)利用的離散情況。

(19)

式中σt表示第t年電網(wǎng)利用率標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)。

電網(wǎng)最大、最小利用率。某些情況下，需要更為關(guān)注電網(wǎng)線路利用率的極限情況，保證系統(tǒng)線路利用率水平在合理范圍內(nèi)，可以簡化采用電網(wǎng)最大、最小利用率指標(biāo)來直接地反映線路利用率的最大分布范圍。時序優(yōu)化過程可對各過渡階段的電網(wǎng)極限利用情況進行綜合比較：

(20)

(21)

式中：αmaxt表示第t年電網(wǎng)的最大利用率指標(biāo)；αmint表示第t年電網(wǎng)的最小利用率指標(biāo)。

電氣介數(shù)。是電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域新近提出的指標(biāo)，目前主要用于電力系統(tǒng)關(guān)鍵線路的識別，進而衡量系統(tǒng)的脆弱性。本文引入該指標(biāo)對時序優(yōu)化過程各過渡階段電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)均衡度進行衡量，定義線路(m,n)的電氣介數(shù)如下：

(22)

5 安全穩(wěn)定評估指標(biāo)

(1)暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)

主要包括斷面故障暫態(tài)穩(wěn)定裕度、故障臨界切除時間、極限傳輸功率、負荷損失、失步相交差、多饋入直流短路比等指標(biāo)。

斷面故障暫態(tài)穩(wěn)定裕度。能夠直觀反映特高壓交直流電網(wǎng)的暫態(tài)安全性。基于暫態(tài)能量函數(shù)法(直接法)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度是指系統(tǒng)在受到擾動時計算系統(tǒng)暫態(tài)能量與系統(tǒng)臨界能量的差值，并通過該差值來定量分析系統(tǒng)在受到擾動時的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。系統(tǒng)關(guān)鍵斷面故障的暫態(tài)穩(wěn)定裕度指的是組成關(guān)鍵斷面的各條輸電線路(故障)的最小暫態(tài)穩(wěn)定裕度值。通過關(guān)鍵斷面暫態(tài)穩(wěn)定裕度來反映系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，關(guān)鍵斷面暫態(tài)穩(wěn)定裕度越大表明系統(tǒng)承受給定暫態(tài)擾動的能力越強。系統(tǒng)故障的暫態(tài)穩(wěn)定裕度的計算通常采用基于直接法，暫態(tài)穩(wěn)定裕度即為系統(tǒng)臨界能量與故障后系統(tǒng)暫態(tài)能量的計算差值：

ΔVt=Vcrt-Vct

(23)

式中：Vcrt為第t年系統(tǒng)的臨界能量；Vct為第t年故障時系統(tǒng)的暫態(tài)能量。

斷面故障臨界切除時間，是系統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子抵達極限切除角所用的時間，又可稱為極限切除時間或稱作臨界切除時間(tCCT)。定義系統(tǒng)關(guān)鍵斷面故障臨界切除時間為組成關(guān)鍵斷面各條輸電線路中最短的臨界切除時間，通過關(guān)鍵斷面故障臨界切除時間來反映系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，關(guān)鍵斷面故障臨界切除時間越大表明系統(tǒng)承受給定暫態(tài)擾動的能力越強。故障臨界切除時間的計算公式如下：

ΔVt=Vcrt-Vct(tCCTt)=0

(24)

比較關(guān)鍵斷面各線路的臨界切除時間，取其中的最小值作為該關(guān)鍵斷面的臨界切除時間。

斷面極限傳輸功率。在暫態(tài)穩(wěn)定分析和安全控制分析中，通常需要計算切除時間極限值、能量極限值以及斷面功率極限值等臨界參數(shù)，但是由于故障臨界切除時間和能量極限值對于調(diào)度運行方來說難以駕馭，而斷面的功率可以通過運行方式的安排控制在極限值以內(nèi)，因此斷面的功率極限值是從安排電力系統(tǒng)運行方式的角度把握特高壓交直流電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定能力的一個重要依據(jù)。求解方法一般選用將目標(biāo)斷面的傳輸功率作為目標(biāo)函數(shù)，選取交流線路N-1故障系統(tǒng)保持穩(wěn)定作為約束條件，同時還需考慮并列直流線路發(fā)生單極閉鎖故障向交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)移功率，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，通過改變控制變量解得斷面極限傳輸功率。其目標(biāo)函數(shù)如下：

(25)

損失負荷。在特高壓交直流混合輸電系統(tǒng)運行超過靜態(tài)運行域，由于1回直流發(fā)生雙極閉鎖或多回直流同時發(fā)生雙極閉鎖，超過暫態(tài)運行域時，若系統(tǒng)在發(fā)電機出力約束和輸電線功率輸送約束下無法保證受端系統(tǒng)全部負荷的有功需求，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應(yīng)采取切負荷的穩(wěn)定措施保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。切負荷是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定緊急控制的措施之一，快速切除部分負荷可以減小發(fā)電機組輸入和輸出之間的功率不平衡，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)能量裕度隨切負荷量變化的特性求取暫態(tài)穩(wěn)定切負荷有功容量極限，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定切負荷有功容量極限值計算如下：

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

(26)

式中：P0和P1為2種不同的切負荷量；CP0、CP1為2種不同的切負荷量對應(yīng)的穩(wěn)定裕度，采用暫態(tài)能量函數(shù)法計算穩(wěn)定裕度根。

失步相交差。電力系統(tǒng)在受到嚴(yán)重擾動時需要通過失步解列來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，判別失步較直觀和較可靠的判據(jù)是失步中心兩側(cè)(或2部分)的相角差超過180°，因此，失步中心兩側(cè)的相角差可作為失步解列的指標(biāo)。失步解列指標(biāo)計算如下：

Δδ=δa-δb

(27)

式中： 為失步中心兩側(cè)的相角差；δa、δb為失步中心兩側(cè)的相角，失步中心是在一次失步振蕩過程中，發(fā)生異步振蕩的聯(lián)絡(luò)線上電壓出現(xiàn)最低值的點，即發(fā)生異步振蕩聯(lián)絡(luò)線的振蕩中心的位置。

多饋入直流短路比。隨著受端系統(tǒng)直流輸電規(guī)模的增大及直流落點個數(shù)的增多，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題等更加突出。國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)直流工作組提出采用多饋入直流短路比來評估多饋入直流受端電網(wǎng)的電壓支撐能力[18]，多饋入直流系統(tǒng)短路比定義如下：

(28)

式中：Mi為第i回直流所對應(yīng)的多饋入短路比；Ui為第i回換流母線上的額定電壓；Zeqii為等值阻抗矩陣中第i回換流母線所對應(yīng)的自阻抗；Zeqij為等值阻抗矩陣中第i回換流母線和第j回換流母線之間的互阻抗；Pdi為第i回直流的額定功率；Pdj為第j回直流的額定功率。

(2)靜態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)

可采用常規(guī)電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定分析指標(biāo)，主要分析靜態(tài)N-1校驗、節(jié)點電壓裕度、靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)、節(jié)點電壓水平、電壓越限節(jié)點個數(shù)、節(jié)點電壓最大偏離量、線路負荷水平等指標(biāo)，本文不再贅述。

6 社會環(huán)境評估指標(biāo)

(1)可再生能源利用率

主要包括水電利用率、風(fēng)電利用率等指標(biāo)。

水電利用率。為提高電網(wǎng)的運行經(jīng)濟性，減少環(huán)境污染，在理論上希望水電能完全上網(wǎng)，最大程度地輸送到負荷端，來減少火電的發(fā)電量，降低化石能源的消耗量。本文在電網(wǎng)時序優(yōu)化過程中，僅考慮由于網(wǎng)絡(luò)輸電容量限制造成的水電棄水。

多場景下的棄水電量可表示為

(29)

不失一般性，可以選取棄風(fēng)、棄水量綜合最大的場景為代表場景進行簡化計算：

(30)

式中：s1為最大發(fā)電機組調(diào)節(jié)量對應(yīng)的場景，該場景的求取方法在輸電阻塞費用中已給出。

由此可得水平年的水電利用率βHt，即為年上網(wǎng)電量與年最大發(fā)電量之比：

(31)

式中：EH表示保持水電滿發(fā)，對應(yīng)的水電年最大發(fā)電量；PHis0為水電站i在s時刻的最大出力。

(32)

風(fēng)電利用率。風(fēng)電的利用由許多復(fù)雜因素決定的。為減少一次能源的消耗，降低環(huán)境污染，在發(fā)電調(diào)度時盡量多利用風(fēng)電。電網(wǎng)時序優(yōu)化評估過程主要著眼于過渡階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對風(fēng)電輸送能力的影響，因此本文主要考慮由于網(wǎng)絡(luò)輸電容量限制造成的風(fēng)電棄風(fēng)量。不同的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案對應(yīng)的棄風(fēng)電量的多少，反映了網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)電的利用水平，多場景下的棄風(fēng)量則表示為

(33)

在簡化計算時，亦可以僅考慮棄風(fēng)、棄水量綜合最大的場景

(34)

水平年的風(fēng)電利用率可表示為

(35)

(36)

式中：EW表示風(fēng)電全部入網(wǎng)，對應(yīng)的風(fēng)電年最大發(fā)電量，可通過式(36)求得；PWis0表示風(fēng)電場i在s時刻的最大出力。

(2)節(jié)能減排效果

主要包括化石能源消耗、大氣污染排放等指標(biāo)。

化石能源消耗。不考慮網(wǎng)絡(luò)損耗及輸電容量約束情況下，各方案中機組的經(jīng)濟出力相同，則火電機組發(fā)電消耗等量的化石能源；在電網(wǎng)時序優(yōu)化結(jié)果比較中，需要考慮的是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的能源消耗的差異量，即計算由于網(wǎng)絡(luò)損耗及網(wǎng)絡(luò)阻塞造成發(fā)電機再調(diào)節(jié)，進而導(dǎo)致化石能源增加的消耗量。網(wǎng)絡(luò)損耗電量或網(wǎng)絡(luò)阻塞造成的棄風(fēng)、棄水需要靠增加火電出力來彌補，這間接導(dǎo)致火電機組的煤耗增多，故電網(wǎng)時序優(yōu)化中的化石能源消耗量表示為

EFt=KF(ELOSSt+QHt+QWt)

(37)

式中：EF表示由于網(wǎng)絡(luò)損耗及網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的一次能源消耗量，t；KF表示火電機組單位發(fā)電量對應(yīng)的一次能源消耗，t/(kW·h)；年網(wǎng)損電量ELOSS、棄水電量QH、棄風(fēng)電量QW的計算方法在前文已給出。

大氣污染排放。本文采用的大氣污染排放指標(biāo)主要指由于網(wǎng)絡(luò)阻塞和網(wǎng)絡(luò)損耗造成的大氣污染排放增量，與化石能源消耗的計算原理相似，網(wǎng)絡(luò)阻塞和網(wǎng)絡(luò)損耗造成清潔的風(fēng)電和水電不得不壓出力運行，火電相應(yīng)增加的一部分出力導(dǎo)致了額外的污染物排放，其公式表示如下：

EPOL=KPOL(ELOSS+QH+QW)

(38)

KPOL=KFKP

(39)

式中：EPOL表示由于網(wǎng)絡(luò)損耗及網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的污染物排放量；KPOL表示火電機組單位發(fā)電量對應(yīng)的污染物排放量；KF表示火電機組單位發(fā)電量對應(yīng)的化石能源消耗量，t/(kW·h)；KP表示火電機組的排放系數(shù)。年網(wǎng)損電量ELOSS、棄水電量QH、棄風(fēng)電量QW的計算方法在前文中已給出。

7 結(jié) 論

(1)研究提出了反映特高壓交直流電網(wǎng)經(jīng)濟性、高效性、安全穩(wěn)定性、社會環(huán)境影響的綜合評估指標(biāo)體系，明確了相關(guān)評估指標(biāo)的計算方法，通過分析比較不同特高壓交直流工程建設(shè)時序在電網(wǎng)投資、運行成本、一次能源消耗、系統(tǒng)運行技術(shù)要求、電網(wǎng)安全穩(wěn)定性、社會環(huán)境成本等方面的差異，可以為優(yōu)化特高壓工程建設(shè)時序提供理論參考依據(jù)。

(2)在經(jīng)濟性評估方面，采用了輸電阻塞費用指標(biāo)，計算不同時序建設(shè)過程中由于輸電阻塞所引起的棄風(fēng)棄水費用，評估電網(wǎng)對清潔能源接入的適應(yīng)性；在高效性評估方面，提出電網(wǎng)利用率標(biāo)差、最大和最小利用率、電氣介數(shù)等結(jié)構(gòu)均衡度指標(biāo)，用于評估電網(wǎng)利用效率和結(jié)構(gòu)合理性；在安全穩(wěn)定性評估方面，采用多饋入直流短路比等指標(biāo)，度量交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)支撐能力的強弱；在社會環(huán)境影響評估方面，提出水電、風(fēng)電利用率指標(biāo)和能耗排放指標(biāo)，衡量電網(wǎng)對可再生能源的輸送能力和對環(huán)境的影響。

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(編輯 劉文瑩)

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

國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項資助項目(SGCC-MPLG026-2012)

TM 71

A

1000-7229(2016)01-0056-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.009

2015-09-21

趙良(1972)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究工作；

易海瓊(1979)，女，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究工作；

吳耀武(1963)，男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性及電力系統(tǒng)運行分析研究工作。