劉繼成，崔曦文，張運(yùn)厚，李巖春，吳昊

（1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧沈陽 110000；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192；3.太原理工大學(xué)，山西太原 030024）

0 引言

電力負(fù)荷可調(diào)節(jié)特性準(zhǔn)確評(píng)估是保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件之一。影響用電負(fù)荷波動(dòng)特性的因素較多且作用機(jī)理復(fù)雜，往往難以對(duì)其可調(diào)節(jié)極限做出準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)[1]，[2]。電力負(fù)荷可調(diào)節(jié)特性評(píng)估可根據(jù)特定時(shí)間尺度的用電負(fù)荷及溫度、濕度、日期類型等負(fù)荷相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來不同時(shí)間尺度下用電負(fù)荷曲線及其可能的最大可調(diào)節(jié)范圍。對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估預(yù)測(cè)不僅有利于提高電網(wǎng)功率平衡調(diào)控效率，也可為電力系統(tǒng)安穩(wěn)運(yùn)行控制策略優(yōu)化提供依據(jù)。

大量分布式新能源發(fā)電的并網(wǎng)，往往會(huì)導(dǎo)致配網(wǎng)側(cè)負(fù)荷特性發(fā)生變化，原有的負(fù)荷模型已不能準(zhǔn)確地反映出負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性[3]～[5]。目前，電力負(fù)荷極限評(píng)估方法主要分為負(fù)荷預(yù)測(cè)與需求側(cè)響應(yīng)兩類。負(fù)荷預(yù)測(cè)主要分為基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)[6]～[8]、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)[9]～[11]等方法?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的負(fù)荷極限預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)便，負(fù)荷特征量表征能力水平不強(qiáng)，對(duì)特殊場(chǎng)景的感知能力較差?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的負(fù)荷極限預(yù)測(cè)方法具有較優(yōu)的表征能力水平，但易出現(xiàn)負(fù)荷數(shù)據(jù)信號(hào)丟失的問題，難以對(duì)負(fù)荷極限進(jìn)行量化[12]。電力負(fù)荷極限評(píng)估還可以基于需求側(cè)響應(yīng)對(duì)負(fù)荷可調(diào)節(jié)極限進(jìn)行優(yōu)化，分析負(fù)荷的可轉(zhuǎn)移、可削減、可平移特性，利用可控負(fù)荷改變?cè)械呢?fù)荷極限，提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力[13]。目前，關(guān)于負(fù)荷極限評(píng)估方法研究的文獻(xiàn)大多是針對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)水平的精度提高進(jìn)行探討，或考慮需求側(cè)響應(yīng)對(duì)負(fù)荷極限進(jìn)行調(diào)節(jié)，但忽略了網(wǎng)絡(luò)阻抗關(guān)聯(lián)度對(duì)負(fù)荷極限的影響，關(guān)于新能源雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷特性還未進(jìn)行深入研究。

雙環(huán)網(wǎng)在提高供電可靠性的同時(shí)，也帶來了運(yùn)行方式復(fù)雜、電網(wǎng)等效參數(shù)隨運(yùn)行方式變化頻繁等問題。因此，在不同的運(yùn)行方式場(chǎng)景下，雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限特性將出現(xiàn)不同的特征，而這一極限特征又與雙環(huán)網(wǎng)間的關(guān)聯(lián)阻抗參數(shù)有關(guān)。本文基于雙環(huán)網(wǎng)這一特性，綜合考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限、雙環(huán)網(wǎng)供電能力等參數(shù)，首先建立雙環(huán)網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)和等效關(guān)聯(lián)阻抗模型，并考慮新能源出力的不確定性，提出改進(jìn)的分布式路由算法。最后提出新能源雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限優(yōu)化方法，并通過仿真算例證明模型的有效性。

1 雙環(huán)網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)和等效關(guān)聯(lián)阻抗模型

新能源電力接入配網(wǎng)后，根據(jù)新能源出力波動(dòng)特性，雙環(huán)網(wǎng)須要依據(jù)負(fù)荷、分布式新能源、傳統(tǒng)火電機(jī)組等源網(wǎng)荷組合特征調(diào)整環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式。在不同的運(yùn)行方式下，雙環(huán)網(wǎng)的阻抗關(guān)聯(lián)模型也不同，則雙環(huán)網(wǎng)等效電路及其分布特性也不同。因此，須要研究雙環(huán)網(wǎng)電壓、電流特性與關(guān)聯(lián)阻抗之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the double-ring network

雙環(huán)網(wǎng)戴維南關(guān)聯(lián)阻抗對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的作用取決于關(guān)聯(lián)阻抗的電壓降，且受到節(jié)點(diǎn)電流變化的影響。根據(jù)以上特性，將雙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)等值節(jié)點(diǎn)的電壓影響分為等效電勢(shì)和等效阻抗兩方面。根據(jù)戴維南定理，節(jié)點(diǎn)等值開路電壓與等值電勢(shì)數(shù)值上是相等的，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i的開路電壓可分別表示為

式（3）為與等值節(jié)點(diǎn)負(fù)荷電流大小無關(guān)的電源節(jié)點(diǎn)對(duì)等值節(jié)點(diǎn)電壓的作用。

考慮到環(huán)網(wǎng)之間的關(guān)聯(lián)性，雙環(huán)網(wǎng)耦合等效電勢(shì)為

與式（3）聯(lián)立，可得:

通過上述兩式可分別得到負(fù)荷和發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)阻抗模型。

負(fù)荷、發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)阻抗為

式（10）的物理意義為考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)荷電流變化影響下的負(fù)荷耦合特性的關(guān)聯(lián)阻抗。

節(jié)點(diǎn)i的雙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷等值關(guān)聯(lián)阻抗可表示為

2 雙環(huán)網(wǎng)的有向圖模型

雙環(huán)網(wǎng)可以以有向圖G（V，E）來表示。其中V={0，1，…，N-1}為節(jié)點(diǎn)集；E為邊的集合。為便于求解雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限，首先從雙環(huán)網(wǎng)有向圖鏈路可達(dá)性的方面進(jìn)行分析。

對(duì)于負(fù)荷極限優(yōu)化的阻抗關(guān)聯(lián)度a1，a2，…，ak∈{f，b}符合以下條件:

式中:?a1a2…ak∈{f，b}，a1與a2可互換，即?k∈V，?[a1a2(k)=a2a1(k)]。

對(duì)雙環(huán)網(wǎng)有向圖G（V，E）中任兩節(jié)點(diǎn)k1和k2，若有函數(shù)a1a2…a7符合k2=a1a2…a7（k1），則稱a1a2…a7為從k1到k2的路徑函數(shù)。

設(shè)a1a2…ak為從n1到n2的一路徑函數(shù)，若?i∈（1≤i，k）V，使ai=f，則稱a1a2…ak為從n1到n2的節(jié)點(diǎn)阻抗關(guān)聯(lián)度。

對(duì)任一新能源雙環(huán)網(wǎng)的路徑L=a1a2…ak，路徑函數(shù)式如下:

式中:preL(j)和postL(j)為雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限路徑的輸入和輸出表達(dá)式。

3 基于分布式路由算法負(fù)荷極限優(yōu)化

3.1 不考慮不確定性的最佳路由算法

路由算法通過提高協(xié)議功能，減少路由計(jì)算時(shí)精度、速度低的問題，可通過路由算法尋找到雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限最優(yōu)的最佳鏈路。

(1)新能源雙環(huán)網(wǎng)的路由傳遞路徑新能源雙環(huán)網(wǎng)G（V，E）中任兩節(jié)點(diǎn)n1到n2的最短傳輸路徑包含以下兩種情況。

②最優(yōu)路徑至少包含一后向鏈，設(shè)為a1…axbax+1…ak，ai∈{f，b}，1≤i≤k，由前文可知，ba1…ak也是從n1到n2的最短路徑。

雙環(huán)網(wǎng)有向圖中n1到n2的傳輸路徑確定后，能夠確保信包的路徑最短，即雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限值達(dá)到最優(yōu)。

(2)新能源雙環(huán)網(wǎng)的路由傳遞特性

①若（j-i）mod（N）≤d（N），i到j(luò)的最短路徑為i到j(luò)的前向路徑；

②否則，必存在一條從i到j(luò)的最短路徑，其中至少包含一條后向鏈b0，此時(shí)，定義d（N）為G（V，E）的前后分界點(diǎn)。

為快速、準(zhǔn)確地得到新能源雙環(huán)網(wǎng)G（V，E）負(fù)荷極限邊界點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)i=0進(jìn)行分析。設(shè)新能源雙環(huán)網(wǎng)效數(shù)xmin為大于N/（1+h）的最小整數(shù)，即雙環(huán)網(wǎng)0節(jié)點(diǎn)開始到xmin+1條后向鏈b時(shí)，所經(jīng)過的b鏈將不會(huì)再次途經(jīng)0節(jié)點(diǎn)。新能源雙環(huán)網(wǎng)的路由傳遞特性可表示如下:

④對(duì)節(jié)點(diǎn)k=N-xmin·h+h，有xmin-1≤k。0的后向鏈到k的最短路徑為雙環(huán)網(wǎng)最優(yōu)路徑。其中，xmin≤N/（1+h）+1；

⑤（N-xmin·h+h，N-1]的某節(jié)點(diǎn)k，從0到k的一條最短路徑為從0的后向鏈出發(fā)到k的最短路徑。

3.2 基于分布式容錯(cuò)路由算法負(fù)荷極限計(jì)算

設(shè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，負(fù)荷極限邊界點(diǎn)為d，分布式容錯(cuò)路由算法（DFRA）將信包s向g節(jié)點(diǎn)傳送。

由于風(fēng)速、光照強(qiáng)度等因素的不確定性會(huì)導(dǎo)致新能源出力具有不可控性，易造成電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)。隨著新能源發(fā)電滲透率的不斷提高，過于追求負(fù)荷的最大化調(diào)節(jié)可能會(huì)使電壓越限。

將新能源雙環(huán)網(wǎng)中電壓越限的節(jié)點(diǎn)稱為故障節(jié)點(diǎn)，以CNLs表示。DFRA將網(wǎng)絡(luò)分成3種區(qū)域:[s，（s+d）mod（N）]，[（s-h）mod（N），（s-1）mod（N）]，[（s+d）mod（N）]。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)g的分布區(qū)域和信包來源，判斷信包的傳送路徑。雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信包的傳送流程如圖2所示。

圖2 雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信包的傳送流程Fig.2 Transmission process of double ring network envelope

若g處于s到（s+d）mod（N）的前向鏈中，即（g-s）mod（N）≤d，則執(zhí)行如圖3所示的流程。

圖3 雙環(huán)網(wǎng)路徑傳輸判斷Fig.3 Path transmission judgment of double ring network

若g位于（s+d）mod（N）到（s-h）mod（N）的前向鏈中，但沒有處在該路徑的始末端，則執(zhí)行以下流程。

②如果后向鏈b中不含新能源雙環(huán)網(wǎng)的故障點(diǎn)，那么新能源雙環(huán)網(wǎng)沿后向鏈傳送信包，可分為3種場(chǎng)景。

場(chǎng)景1:如果s到g的前向鏈中無故障，同時(shí)（g-s）mod（N）≤k+h，則沿前向鏈發(fā)送信包。

場(chǎng)景2:如果（s-h）mod（N）到s的前向鏈含有故障節(jié)點(diǎn)，信包傳送同場(chǎng)景1。

場(chǎng)景3:如果不符合場(chǎng)景1，2，沿后向鏈傳送信包。

4 仿真及結(jié)果分析

以遼寧電網(wǎng)為例，驗(yàn)證所提方法的有效性。源側(cè)可供電負(fù)荷最大功率小系統(tǒng)仿真算例如圖4所示。考慮實(shí)際電網(wǎng)中源側(cè)短路電流通常為58 kA，500 kV線路標(biāo)幺值0.01/100 km，考慮60 km500 kV線路阻抗為0.006。依據(jù)本文所提出的基于等效阻抗關(guān)聯(lián)模型的雙環(huán)網(wǎng)最大負(fù)荷規(guī)模評(píng)估模型，可得出源側(cè)可供電負(fù)荷最大功率為10 000 MW。

圖4 算例結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of the calculation example

圖6 考慮不確定性的負(fù)荷極限優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Load limit optimization results considering uncertainty

圖5，6為不考慮和考慮不確定性負(fù)荷的極限優(yōu)化結(jié)果。從圖5，6中可以看出，考慮不確定性的負(fù)荷極限可調(diào)節(jié)量較小。利用本文的負(fù)荷極限優(yōu)化方法能夠有效增大負(fù)荷可調(diào)節(jié)量，這是因?yàn)榭紤]負(fù)荷關(guān)聯(lián)阻抗特性，能夠使負(fù)荷參與響應(yīng)。另一方面，應(yīng)用DFRA算法能夠?qū)ふ易顑?yōu)的負(fù)荷極限路徑。

圖5 不考慮不確定性的負(fù)荷極限優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Load limit optimization results for zone 1 without considering uncertainty

以遼寧電網(wǎng)為例證明所提理論的有效性。遼寧電網(wǎng)北經(jīng)4回500 kV線路（蒲梨#1線、蒲梨#2線、豐徐#1線、豐徐#2線）與吉林電網(wǎng)相連；西北部經(jīng)500 kV科沙#1線、#2線與內(nèi)蒙古通遼電網(wǎng)相連；西部經(jīng)500 kV元燕#1線、青燕#2線和500 kV青寧#1、#2線與赤峰電網(wǎng)相連；西南部通過500 kV高嶺背靠背換流站與華北電網(wǎng)相連；中部通過±500 kV呼遼直流與蒙東電網(wǎng)相連。

斷開梨樹-永安500 kV雙回線、滿科爾-沙嶺500 kV雙回線，吉林電網(wǎng)與遼中電網(wǎng)僅由東豐-徐家雙回線相聯(lián)，增加遼中電網(wǎng)地區(qū)負(fù)荷，計(jì)算東豐-徐家雙回線靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限為3 900 MW，如圖7所示。

圖7 雙環(huán)網(wǎng)的電壓極限計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of voltage limit of double loop network

豐徐線線路阻抗為0.1，利用PSD-BPA短路電流計(jì)算程序求得徐家站短路容量為38 844.8 MW。根據(jù)本文所提出理論，可求得豐徐線傳輸功率極限有名值為4 000 MW，與仿真計(jì)算結(jié)果3 900 MW相比，相對(duì)誤差為3%。

5 結(jié)論

本文針對(duì)新能源雙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷可調(diào)節(jié)極限量化問題，建立了考慮電壓穩(wěn)定的雙環(huán)網(wǎng)等效關(guān)聯(lián)阻抗模型。在此基礎(chǔ)上，建立了含分布式新能源并網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限評(píng)估模型，并提出相應(yīng)的求解算法。

①基于戴維南等效電路方法，建立含新能源的雙環(huán)網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)和等效關(guān)聯(lián)阻抗模型。

②為準(zhǔn)確評(píng)估雙環(huán)網(wǎng)負(fù)荷極限，提出一種分布式路由算法進(jìn)行量化，并考慮新能源出力的不確定性，提出改進(jìn)的分布式容錯(cuò)路由算法。

③以某地雙環(huán)網(wǎng)為背景數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，基于本文提出的分布式路由算法能夠?qū)Σ煌瑫r(shí)段的負(fù)荷極限進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。