基于网损最小与供电能力最大目标的长春地区66kV联络线功率调整方法

基于网损最小与供电能力最大目标的长春地区66kV联络线
功率调整方法
李川江;王徭;焦明曦;李明;佟国冬
【摘要】联络线是连接电力系统之间的输电线路.联络线分为:单回线、双回线或多回线;直流输电线、交流输电线或直流与交流输电线并列使用.长春市共有66kV联络线最大负载率超过50％的线路17回,其中负载率超过80％的线路有3回,在运行中,须注意的是:解决功率波动、低频振荡及联络线的安全措施等问题.联络线的功率控制与调整是一个涉及多个区域、多个发电与受电单元的、融合了电力发展和经济发展的复杂问题.为了使长春电网获得电网联络线功率的安全稳定和最优效益,应考虑不同区域不同特性的发电机组对联络线功率的贡献力和效益差异,从而更好地协调各区域电网的效益诉求,研究新的联络线功率调控策略.本文基于网损最小与供电能力最大这一目标,提出了一种以优化受端电网来控制联络线传输功率的调整方法.
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2015(000)010
【总页数】6页(P45-49,99)
【关键词】联络线;网损最小;数学模型
【作者】李川江;王徭;焦明曦;李明;佟国冬
【作者单位】国网吉林省电力有限公司长春供电公司,长春 130000;国网吉林省电力有限公司长春供电公司,长春 130000;国网吉林省电力有限公司长春供电公司,长
春 130000;山东国研电力技术有限公司,济南 250101;山东国研电力技术有限公司,济南 250101
【正文语种】中文
近年来随着电力系统的发展及电网体制的改革，电网规模不断壮大，各区域电网经济独立结算，导致电网联络线功率的传输控制与调整问题变得日益突出。

联络线的功率控制与调整是一个涉及多个区域、多个发电或多个受电单元的、融合了电力发展和经济发展的复杂问题。

本文基于网损最小与供电能力最大这一目标，提出了一种以优化受端电网来控制联络线传输功率的调整方法。

先将复杂难解的电力调度问题分解成若干个易解的子问题，然后运用数学模型的建立成功获得了环境约束条件下预期的最优经济调度方案，对长春地区 66kV联络线功率进行成潮流控制调整解决部分联络线路重过载等问题，提高长春地区电网供电能力及供电可靠性。

另外，本文利用牛顿-拉夫逊法计算出
了长春电网中各区域交换控制下的潮流结果，将组合优化的概念引入到分区的方法中，通过建立优化模型，将智能算法进行求解的方法应用到多区域互联的自动发电控制中，并考虑联络线上的功率波动与频率稳定的问题，该技术的研究也已逐步深入开展。

1 长春地区66kV联络线运行状况
长春地区66kV联络线主要是以架空线路为主，主城区存在部分电缆线路，架空线路导线型号主要是以 LGJ-240，2×LGJ-240/150为主，电缆线路主要是以
YJLW03-1200、800为主。

但是存在部分线路由于导线型号的“参差不齐”，严
重制约了导线的传输能力，如其中三条双回线路，线路负载率均超过70%，如果
在一条线路出现故障时，另外一条线路将不能完全转供负荷，造成的主要原因是线
路采用2*LGJ-240、LGJ-240两种导线型号，复导线传输能力受到限制，下一步
应根据联络线的负荷发展情况，将单导线改造成复导线。

通过以上数据分析，长春地区 66kV联络线能够接带一定的负荷，对220kV变电
站之间起到较强的联络作用，但是部分线路受到线路导线截面影响，传输能力受限。

同时存在部分联络线接带变电站的数量较多，负荷较重，联络作用弱化，如长东乙线接带5座变电站，负载率达到92%，线路传输裕度仅为7.3MW，详细情况见
表1。

表1 长春地区2013年66kV联络线运行状况明细表联络线编号安全电流/A最大
负荷/A 数量容量/MVA接入变电站线路传输能力裕度/MW负载率/%1# 610 0 1 40 69.7 0.00 2# 610 109 2 71.5 57.3 17.87 3# 335 30 3 86.3 34.9 8.96 4#
600 225 2 73 42.9 37.50 5# 600 79 2 73 59.6 13.17 6# 445 227 3 46.3 24.9 51.01 7# 610 88 2 61.5 59.7 14.43 8# 610 121 1 51.5 55.9 19.84
（续）联络线编号负载率/%9# 600 309 6 333 33.3 51.50 10# 600 428 8 224.9 19.7 71.33 11# 600 463 9 310.6 15.7 77.17 12# 610 449 3 77.6 18.4 73.61
13# 610 289 7 168.4 36.7 47.38 14# 1200 0 0 0 137.2 0.00 15# 1200 0 0 0 137.2 0.00 16# 1200 3 1 80 136.8 0.25 17# 1200 27 1 80 134.1 2.25 18# 610 455 7 241.5 17.7 74.59 19# 610 378 6 202 26.5 61.97 20# 837 477 4 197.3 41.2 56.99 21# 837 773 5 205.3 7.3 92.35 22# 962 207 1 51.5 86.3 21.52
23# 962 144 1 51.5 93.5 14.97 24# 1200 183 2 140 116.3 15.25 25# 1200 156 2 140 119.3 13.00 26# 610 664 4 248 -6.17 108.85 27# 610 540 4 248 8 88.52 28# 597 442 3 223 17.7 74.04 29# 597 317 3 223 32 53.10 30# 962 246 1 80 81.8 25.57 31# 962 259 1 80 80.4 26.92 32# 837 246 2 123 67.6 29.39 33# 837 179 2 123 75.2 21.39 34# 600 391 2 143 23.9 65.17 35# 600 276 2 143 37 46.00 36# 962 231 2 120 83.6 24.01 37# 962 294 2 120 76.4
30.56 38# 541 212 2 71.5 37.6 39.19 39# 541 161 2 71.5 43.4 29.76 40# 600 167 1 40 49.5 27.83 41# 600 205 1 40 45.2 34.17 42# 600 132 2 103 53.5 22.00 43# 600 283 1 12.6 36.2 47.17 44# 811 0 2 71.5 92.7 0.00 45# 811 0 2 71.5 92.7 0.00 46# 923 492 3 103 49.3 53.30 47# 923 463 3 103 52.6 50.16 48# 845 415 2 60 49.2 49.11 49# 845 558 2 60 32.8 66.04安全电流/A最大负荷/A 数量容量/MVA接入变电站线路传输能力裕度/MW
2 220kV变电站负荷转移情况分析
2013年长春地区共有16座220kV公用变电站，其中市辖区9座，外县7座。

对各个220kV变电站主变进行“N-1”校验，同时考虑66kV联络线的转供，主变“N-1”通过率为100%。

在考虑 220kV全站失电的情况下，全市有 10座220kV变电站负荷能够通过
66kV联络线实现全部倒供，其中市辖区6座，外县4座。

市辖区三座66kV一次变在全站失电的情况下，可转移负荷比例为79%、58%和93%，主要原因是对城区负荷供电，接带变电站较多，负荷较重，现有的联络线无法满足100%转供。

外县农安、九台和双阳一次变均有2回联络线，转供能力有限，所以在变电站失电
的情况下，联络线的可转移负荷比例分别为 33%、26%和20%。

通过以上分析，长春现状66kV联络线对220kV电网起到一定的支撑，外县相对
薄弱一点，下一步市辖区通过新增220kV一次变的布点，分担现有一次变的供电
压力，优化 66kV联络线，提高其转供能力；对于外县应通过优化 66kV网架结构，加强66kV联络线的建设，提升对 220kV电网的支撑能力。

3 网损最小目标及其优化问题
网损不仅能够反映电力系统运行管理和规划设计的水平，也是国家考核电力发展经济性的重要指标。

通过对网损的计算和分析，能够指导电网的经济运行和科学管理，所以如何降低网损一直备受关注[1-3]。

网损主要受系统接网方案和发电机出力分
配这两方面的影响，为了检验长春地区电网解环方案是否能够达到研究目的，将采用发电机处理分配影响网损的情况，也就是网损越小，方案越好。

由于长春市各地区的负荷分布情况不同、负荷性质也千差万别、负荷大小也是时刻变化，因此电网的结构和运行方式也有区别，这些都给网损理论计算增加了难度。

计算网损主要有两种方法：①用节点注入功率表示，即系统总网损等于全网各节点净注入功率之和；②用支路电流或功率表示，即系统总网损等于系统中各支路功率损耗之和。

本次研究主要采用第一种方法，通过线性化最优潮流计算网损。

以下是网损计算的线性化最优潮流模型的数学描述：
以全网各节点电压的相角增量和全部发电机有功出力增量为优化变量，表示为
有功网损最小为目标函数，表示为
不等式约束条件为，发电机有功出力限制和线路传输功率限制，即
式中，：发电机有功出力变化的下限；：发电机有功出力变化的上限；：线路传输有功功率的下限；：线路传输有功功率的上限。

线路传输功率增量用优化变量可以表示为
等式约束包括节点的有功平衡约束和平衡节点的相角不变约束，节点的注入有功为
对式（4）线性化，得到有功平衡约束，因此，可以得到该线性规划问题的等式约束如下：
式中，V0、θ0变量是网络的初始状态，是常量。

4 供电能力最大目标及其优化问题
要得到既能满足系统安全、经济运行的要求，又能投入较少资金的最佳方案，需要对各种可行的建设方案进行详细计算、分析来比较。

随着社会的不断进步和发展，区域负荷也随之增长，所以一个合理的电网建设方案还应具有一定的供电裕度来满足逐步增长的负荷发展变化，即要具备较强的供电能力，这也是保证电网安全必不可少的条件。

评价电网供电能力最直接的方法就是试探法，首先对给定系统进行潮流计算，若没有发生功率穿越，则继续增大负荷，直到增加很小的负荷就会导致功率穿越发生为止。

但试探法计算过程较为繁琐，且系统各变量之间的影响也较为复杂，当系统情况较复杂时，试探法得到的结果就不准确。

为解决这个问题，本文建立了负荷增量最大的优化模型，再用线性化方法求解电网供电能力。

供电能力最大的优化模型目标函数是电网提供的有功负荷量最大，约束条件是电网的N状态安全约束。

相关的优化变量包括各节点电压相角增量、边界节点输送有功增量、负荷有功增量和发电机的有功出力增量，可以表示为
目标函数表示如下：
不等式约束包括边界节点有功增量限制，负荷有功增量限制，发电机有功出力限制和线路传输有功限制，表示如下：
式中，：电网边界节点有功增量下限；：电网边界节点有功增量上限；：负荷有功增量下限；：负荷有功增量上限；：发电机有功出力变化的下限；：发电机有功出力变化的上限；：线路传输有功功率的下限；：线路传输有功功率的上限。

ΔP Lij用优化变量可以表示为
等式约束包括节点的有功平衡约束和平衡节点的相角不变约束，节点的注入有功为
对式（9）线性化，得到有功平衡约束，可以得到该线性规划问题的等式约束如下：
式中，V0、θ0变量是网络的初始状态，是常量。

5 实例仿真与分析
为了检验联络线功率优化模型的合理性，本次研究采用IEEE-30节点系统在BPA
软件中进行样本数据的求解与计算，并在Matlab环境中对数学模型进行仿真。

实例仿真中步骤如下：
1）对电网进行供电区域划分，在各个区域内设定不同关的联性节点[5]。

2）根据电网现状，设定不同关联性节点与联络线的关联因数，将仿真划分为12
个时段。

3）匹配灵敏度系数，并计算联络线实际功率与计划功率偏差。

要达到模型预期的精度要求，就要选取合适的仿真数据样本。

被测节点分别以G1、G2、G5、G8表示，仿真结果数据见表2。

表2 联络线功率的仿真与分析时段联络线计划功率节点出力节点优化出力1 14.5 134.8 46.7 2 16.5 181.8 43.4 3 18.5 146.8 40.1 4 20.5 160.7 36.8 5 22.5 136.7 33.6 6 24.5 150.2 30.4 7 26.5 114.6 27.2 8 28.5 157.9 24 9 29.4 149 23.9 10 31.4 144.8 20.7 11 33.4 94.8 17.5 12 35.4 139.6 14.3
6 66kV联络线建设改造规划
通过对长春地区220kV变电站之间66kV联络线的转供能力进行量化分析，制定
联络线的建设原则。

图1 66kV联络线典型示意图
2015—2020年长春地区66kV联络线改造项目共有2个，分别是市辖区西平甲乙线改造工程和东九甲线改造工程，无新建联络线工程，通过 220kV变电站
66kV送出工程，新建66kV联络线路61回。

通过联络线的规划建设，上述规划实施后，至2015年，长春地区220kV变电站平均联络线回数为6.1回/站，高于2013年现状的5.5回/站，其中市辖区66kV 联络线7回/站，县级供电区3.57回/站。

至2020年，长春地区220kV变电站平均联络线回数为7.31回/站，其中市辖区66kV联络线8.5回/站，县级供电区5.0回/站。

7 结论
联络线对电网的供电可靠性起着决定性的作用，因此联络线的调整一直是电网规划与改造工作中的重点，它在牵涉电网建设经济性与可靠性的同时，对整个社会经济发展也具有重大意义。

输电网与配电网的协调发展利于提高整个电网的供电能力、供电可靠性，由于长春地区输电网运行方式的改变，对高压配电网的网架结构进行研究，其直观反映便是接线模式的优化。

由于长春地区不同区域之间建设条件存在较大的差异，因此在进行接线模式优化研究的基础上，需根据其各自的实际特点选择配电网接线模式，以指导配电网的建设，达到电网输配协调发展的效果。

本文通过建立网损最小与供电能力最大目标的数学模型，对长春地区 66kV联络线进行了功率调整与网架优化，得出如下结论：
1）提出了一种基于网损最小与供电能力最大目标的联络线功率调整方法，并建立了新的实用的电网联络线研究模型。

2）合理利用BPA软件的特性，对经典IEEE-30节点系统进行了改造，设置了相应节点为不同特性的机组，并进行网络分区使其更接近实际互联电网，而在Matlab中仿真计算所得灵敏度系数的差异验证了各发电厂机组的调节能力不同。

应指出的是，本文采用BPA软件，对所建模型进行牛拉法潮流计算，并记录各个节点电的功率变化值和联络线变化值，以此作为网络模型的样本值，反复计算过程较为繁琐，因此，该方法中样本值的获取方法有待进一步研究。

此外，该方法对模型的构建与仿真中没有加入电网联络线频率稳定约束条件，但此条件并不影响该研究方法的正确性与效用性。

参考文献
[1] 徐兴伟. 互联电网控制性能标准下自动发电控制策略的选择[J]. 电网技术, 2003.
[2] 王建学. 区域电力市场中的分区备用模型[J]. 中国电机工程学报, 2006.
[3] 唐跃中. 基于CPS的AGC控制策略研究[J]. 电网技术, 2004.
[4] 赵渊. 基于网流规划的发输电系统可靠性评估模型研究[J]. 电网技术, 2003.
[5] 赵学顺. 计及联络线功率偏差的AGC容量获取与调节策略[J]. 电力系统自动化, 2003.
[6] 刘天琪, 郑毅. 联合电力系统交换功率控制的受端减载决策法[J]. 成都科技大学学报, 1996(4): 50-54.
[7] El-KEIB A A, MA H, HART J L.Environmentally Constrained Economic Dispatch Using the LaGrangian Relaxation Method[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1994, 9(4): 1723-1729.
[8] SANTOS D, PEREIRA M J, FILHO J L R, et al. A new approach for area interchange control modeling[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2004, 19(3):1217-1276.
[9] ZEYNELGIL H L, DEMIROREN A, SENGOR N S.The application of ANN technique to automatic generation control for multi-area power
system[J].electrical power and energy systems. 2002, 24(6):345-354. [10] ARNOLD E, TATJEWSKI O, WOLOCHOWICZ P.Two Methods for Large-
scale Nonlinear Optimizations,1994, 81(2): 221-248.
[11] Yang H T, Tang P C, Huang C L. Evolution Programming Based Economic Dispatch for Units with Non-smooth Fuel Cost Functions[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1996, 11(1): 11-28.
[12] Wang K P, Fung C C. Simulate Annealing Base Economic Dispatch Algorithm[J]. IEE Proc C, 1993,140(6): 507-513.
[13] 何光宇, 郭家春, 陈雪青. 广义不均衡网络流的改进算法及其应用[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(7):59-63.
[14] Chen P H, Chang H C. Large-scale economic dispatch by genetic algorithm[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1995, (10): 1995, (10): 191-226.
[15] LEE G Z. Particle Swarm Optimization to Solving the Economic Dispatch Considering the Generator Constraints[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2003, 18(3):1187-1195.
[16] 汤奕, 于继来. 电力网络源流路径电气剖分算法[J].电力系统自动化, 2006,
30(22): 28-33.
[17] Chen D S, Jain R C. A Robust Back Propagation Learning Algorithm for Function Approximation[J].IEEE Transactions on Neural Network, 1994,
5(3):467-479.
[18] FAN J Y, Zhang L. Real-time Economic Dispatch with Line Flow and Emission Constrain Using Quadratic Programming[J]. IEEE Transactions on Power Systems,1998, 13(2): 320-325.
[19] 于贻鑫, 段刚. 基于最短路算法和遗传算法的配电网络重构[J]. 中国电机工程学
报, 2000, 20(9): 44-49.。