大型交直流并联输电网网损优化理论及其在南方电网中的实现

2 交直流网损优化数学模型
2.1 模型 调整直流输送功率是改变系统潮流分布的重 要工具，具有调整灵活，速度快等特点。在调整直 流功率时，需要确保各断面不越限，同时保持各省 区送受电计划和电厂出力不变。电网交直流输电网 损优化问题的数学模型如下：
min S ( u, x ) = A( x ) + D (u) ⎧ u, x ⎪ ⎨s.t. f [ x , Pc (u), Pr (u)] = 0(λ ) ⎪ g (u) < 0(δ ) ⎩
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第 34 卷 第 1 期 2014 年 1 月 5 日
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国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
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Vol.34 No.1 Jan.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 72
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.01.015
交流通道送电。 对于直流系统，损耗系数 k 能够较为准确的描 P2 R 2 述线损的变化规律。但是对 P 损耗 = 2 R=kP ,(k = 2 ) U U 于交流通道，损耗系数 k 将交流输电通道电阻进行 简单等效，过于粗糙并且无法在线计算，不能作为 计算网损的理论依据。 1）分配交直流潮流功率应依据网损微增率,即 2 倍的损耗系数与通道潮流功率的乘积。仅依靠损 耗系数 k 分配通道输送功率， 无法准确计算调整量， 同时可能导致某条线路线损陡升。 2）交流的损耗系数 k 无法准确描述不同送端 对于交流网络潮流分布的不同。例如对于云南和贵 州，其等效的交流通道电阻不同。 3）交流的损耗系数 k 与接线方式、交流通道 电压有关，同时它受西部送广西、龙滩等其它占用 交流通道的送电计划影响，计算十分困难。 在调整直流功率时，需要同时考虑潮流变化影 响，确保相关断面约束不越限。由于以上原因，目 前还没有能够准确指导交直流潮流分配的理论方 法和计算工具，使得系统运行人员在调整降低网损 时缺少必要的理论方法指导和技术工具支持。
0 引言
随着现代电网的发展，输电方式多样化，电力 系统日趋复杂，对电网安全性的要求日益提高，例 如南方电网 2011 年联网系统±0.1 Hz 频率合格率 100%，电压合格率 99.999 9%。与此同时，在确保 系统安全稳定的前提下，提高系统运行的经济性已 被摆到了愈加重要的地位。网损是电网经济运行管 理中的一项重要内容，它不但反映了电网结构和运 行安排的合理性，也体现了电网企业的技术水平和 管理水平。传统电力系统的网损优化问题，主要是 通过合理安排系统无功配置、变压器分接头位置、 机端电压等手段，使系统在允许的运行方式下网损 最小[1-8]。 对于交直流并联电网， 在合理配置系统无 功的同时，改变直流输送功率，将有功潮流转移至 交流通道，从而改变整个输电通道上的损耗。因此
(1. China Southern Power Grid Dispatch and Control Center, Guangzhou 510623, Guangdong Province, China; 2. Department of Electrical and Electronics Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China) ABSTRACT: The loss minimization for AC/DC hybrid power grid is different from that of traditional AC power grid. For traditional AC power grid, the transmission loss is minimized by adjusting the distribution of reactive power in the system. For AC/DC hybrid power grid, the transmission loss can be minimized by adjusting DC power which can change the active power flow allocated between AC and DC transmission corridors, and this method is important for China Southern Power Grid (CSG) where the power transfer is huge through its AC/DC hybrid transmission network. since there are few theortical studies and practical method for the loss minimization of AC/DC power grid, the dispatcher of CSG can only adjust DC power by experience to reduce the transmission loss. This paper presents the theoretical analysis of the loss minimization for AC/DC system. The optimal power flow model to minimize the system loss by adjusting DC power is proposed. The optima criteria, which is equal loss sensitivity rule of such problem is proposed. The practical computation method for large scale system, such as CSG with more than 9 000 buses, is also provided is the paper. The realization of proposed method by this paper is introduced and the effect shows that the benefit of loss minization for CSG AC/DC hybrid grid is significant. KEY WORDS: optimal power flow (OPF); loss minimization; AC/DC hybrid transmission network; Lagrange multiplier; equal loss sensitivity rule 摘要： 交直流并联电网的网损优化问题与传统无功优化问题 有很大不同， 纯交流电网主要通过合理配置系统无功以降低 网损， 而交直流并联电网则是通过调整直流功率改变有功潮 流分布， 从而实现降低全网网损。 尤其对于远距离、 大容量、 交直流并联送电的南方电网， 调整交直流潮流分布降低主网 网损则具有更加重要的意义。 然而实际运行中主要依靠经验 调整交直流潮流， 亟需一种能够指导交直流输电网损优化的 理论方法和适用于大规模系统的网损分析工具。 该文系统分 析交直流潮流分布影响网损的机理， 提出相应网损优化最优 潮流模型和最优等网损微增率原则。 同时提出适用于大区电 网规模的实用计算方法， 在保留系统完整拓扑模型基础上实 现算法的高准确性、 稳定性和快速性。 所提出的交直流并联 电网网损分析理论和实用方法， 已经应用于南方电网实际调 度运行工作，并取得了较大的降损效益。 关键词：最优潮流；网损优化；交直流混合输电；拉格朗日 乘子；网损等微增率原则
。目前调度机构主要依据损耗系
数进行交直流线路潮流分配，主要思路是优先利用
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状态变量包括电压 U 和相角 θ ； u0 为各直流调整前 功率； Pc(u)为整流站功率； Pr(u)为逆变站功率； g(u) 为直流额定容量约束和相关交流控制断面约束； f(⋅) 为系统潮流方程；优化的控制变量 u 为直流的功率 调整量(整流侧)； λ和δ为相应约束的拉格朗日乘子。 由于直流换流站自动投切电容器可实现无功就地 平衡，因此换流站无功对系统网损影响不明显，本 文为便于分析和理解将其忽略。 同时附录 A 给出了 包含换流站无功的详细模型[13]， 及相应分析和计算 方法供读者参考。 与传统无功优化问题不同，并联电网交直流优 化的控制变量不是沿线厂站的无功变量，而是各直 流的功率调整量。由于在优化过程中需要求解全系 统的潮流方程，模型式(1)不仅表示系统网损，也较 为准确的描述调整前后系统状态的变化，从而可以 通过约束 g(u)确保电网具有足够的安全裕度。另外 由于调整直流功率主要影响主网送电通道的有功 潮流分布，因此式(1)也近似等于优化主网网损。 2.2 最优解条件——网损等微增率原则 模型式(1)的拉格朗日函数如下：
1 交直流潮流分配对系统网损的影响
通过改变直流功率，可以改变潮流在交直流通 道上的分布，从而改变通道的总网损。理论上存在 一种最合理的交直流潮流分布，使得交直流通道上 的总损耗最低。线路的线损由输送功率、设备电阻 和设备运行电压决定，关系如下：
dP损耗 dP
(1)
式中： x = (U1 ,...,U N − r ,θ1 ,...,θ N )T
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刘恺等：大型交直流并联输电网网损优化理论及其在南方电网中的实现
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交直流电网的网损优化是一个与系统有功变量相 关的优化问题。目前，区域间特高压交直流联网已 成为电网发展的重要趋势。因此研究交直流电网网 损优化理论和计算工具，具有非常重要的意义。以 南方电网为例，南方电网东西跨度 2 000 km，各回 西电东送年输送 通道输送距离均在 1 000 km 以上， 电量超过 1 000 亿 kW⋅h。以主网架 4.3%的网损率 计算[9]，主网架运行的网损成本已经超过 10 亿元。 未来西电东送规模还将不断扩大，降低网损具有巨 大的潜力和经济效益。 交直流混合系统的网损优化已受到广泛关注。 特别对于南网主网，由于交直流通道送电水平很高 (超过 20 000 MW)，同时厂站无功配置主要以维持 通道电压和提高系统稳定性为主要目标，目前交直 流调整的降损空间显著。然而，迄今为止，交直流 调整降损研究还主要关注理论研究和方法验证，测 试系统较小，对于大规模交直流并联系统尚无成熟 的优化工具可供使用。实际运行中也有采用系统等 值方法进行分析，但是难以完整保留全部系统结 构，从而降低了分析精度。 本文将基于现有大系统分析工具的功能，研究 交直流并联电网网损优化问题的特点，提出相应的 数学模型。通过理论推导，提出最优解符合等网损 微增率原则。结合现有系统分析工具，提出并实现 实用化的在线计算工具，适于超大规模交直流电网 的网损优化计算。基于南网总调的运行经验[10-11]， 通过分析南网实际运行断面调整，验证所提方法的 正确性、有效性和实用性。