发电机组降压运行备选方案的选择方法

发电机组降压运行备选方案的选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气工程自动化领域，具体设及一种发电机组降压运行方案的选择方 法。
【背景技术】
[0002] 我国是资源大国，但是也存在着资源分布严重不均衡的现象。正因如此，我国各个 地区电源装机容量与负荷的发展不平衡，即电源主要集中在我国中西部、西北部地区，该类 地区发出的电力除被本地消耗外，还有大量的剩余电能外送;而中东部地区由于自然资源 相对不足，该类地区装机容量偏少，部分地区近年来负荷增长迅速，而电源增长则相对较 缓，甚至为0。^湖南为例，电源主要集中在常德、益阳、张家界、类底、怀化等西北部地区，约 一半的电力在本地区消纳后，有大量的剩余电能外送;湘东地区作为湖南电网的负荷中屯、， 其装机容量偏少，特别是湘南地区近年来负荷发展迅速，电源增长却几乎为0,因此该地区 电能供不应求，一半W上的电力需靠外界支援，已完全不能满足该地区负荷增长的需要。因 此，区域电源装机容量与负荷发展的不平衡是当前湖南电源接入电网，甚至是我国电源接 入电网的基本特点。
[0003] 目前，电网中大型同步发电机组根据其周边电力负荷发展情况，可接入不同电压 等级电网。而大型发电机组选择哪级电压等级接入不只对机组运行经济性，还将对电力系 统的安全稳定性产生重大的影响。同时，大型发电机组接入不同电压等级，其开停机的调度 权将属于不同层级电力调度中屯、（网调、省调）。
[0004] 受国家宏观政策和发电企业提高运行效益等因素的影响，电力系统新投运的机组 多为600MW及W上机组，未来5~10年1000MW级机组也将大量投运。目前我国600MW及W上装 机容量发电机组大多W超高压接入电网。采用超高压接入有利于提高系统的暂态稳定性， 减少高压系统网络的短路电流水平。但是随着超高压电网特别是特高压电网的发展，网架 结构逐渐加强，超高压电网短路电流水平也不断攀升。另一方面随着国家节能减排工作的 不断推进，电厂"上大压小"计划逐步落实，200兆瓦及W下的小火电机组已逐渐关停，大容 量机组逐步替代小容量机组，高压电网机组投运比例明显下降，增大了超高压变电、输电容 量需求。与此同时，负荷中屯、地区受站点选址等外部因素的影响，超高压电网建设迟缓，超 高压变电、输电能力不足的问题愈加严重。缓解运种情况的可行方法之一是将高一级电压 等级的发电机组降压接入低一级电压等级电网，即为机组降压运行。
[0005] 部分地区高压电网网架坚强、分区负荷规模大。可考虑在此类分区中将大容量机 组接入高压电网，可W节约或延后新增超高压降压容量的投资，带来明显的经济效益，也可 W使得电厂所发电能就地消纳，减少潮流迂回及电力二次变压产生的损耗，符合国家提出 的"节能减排"政策，还可W降低超高压电网短路电流水平。
[0006] 现阶段有关机组降压运行的研究，都是W实际机组降压运行工程为依托，确定此 工程中机组降压运行方案，分析机组降压后对电网的影响;该类方法无法适用于所有机组， 通用性差，而且该类方法均单一仅仅W经济性指标确定降压方案，安全性仅用来校核，其考 虑的影响因素较少，往往忽视了一些较为重要的影响因素。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种通用性好、并且综合考虑运行方式改变前后电网系统 的安全性和经济性的发电机组降压运行方案选择方法。
[0008] 本发明提供的运种发电机组降压运行方案选择方法，包括如下步骤：
[0009] S1.通过发电机组的电压等级和电源负荷的匹配度确定机组降压运行的候选方案 集合；
[0010] S2.针对步骤S1得到的候选方案，分别计算各个候选方案的经济指标、线路潮流过 载率、电压偏移率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度和短路电流的指标；
[0011] S3.针对步骤S2得到的各个候选方案的指标，建立线性加权评价模型，确定评价模 型中各个指标的加权系数，计算各个候选方案的得分，得分越高表明候选方案的性能越好；
[0012] S4.将步骤S2中得到的各个候选方案依次进行安全性能校验，候选方案通过安全 性能校验表明候选方案的施行不会影响电网的安全性能；
[0013] S5.根据步骤S3得到的各个候选方案的得分和步骤S4得到的校验结果，选取得分 最高且通过安全性能校验的备选方案作为最终的机组降压运行方案。
[0014] 步骤S1所述的电源负荷的匹配度，为采用W下公式进行匹配度计算：
[0015]
[0016] 电源负荷匹配度反映出拟降压机组所发电力是否能在拟接入供区更好地消纳：电 源负荷匹配度越小，则拟降压机组所发电力能更好地在该地区进行消纳，机组运行效益更 高，同时机组出力波动对地区电网影响更小，风险水平越低。
[0017] 步骤S2所述的计算各个候选方案的指标，包括如下步骤：
[001引1)计算经济指标：
[0019] 所述的经济指标为基于系统网损和线路投资成本的经济指标，采用如下算式进行 经济指标的计算：
[0020] Ip = 8760 X Pld X T X C+Xi X Ei
[0021] 式中为Pld系统网损;Τ为规划周期，取为10年;C为电价;&为新建线路的长度;El为 每千米线路投资费用；
[0022] 2)计算电压偏移率指标：
[0023]
[0024] 式NB为节点总数;Vi为节点i的实际电压;V为节点i的额定电压；
[0025] 3)计算线路潮流过载率指标：
[0026]
[0027] 式中NC为系统线路数；为线路潮流;tSf"为线路潮流限值；
[0028] 4)计算静态电压稳定裕度指标：
[0029] 用功率储备系数ΚΡ和电压储备系数KV来反映系统的静态电压稳定裕度：
[0030]
[0031] 式中Kp为功率储备系数;Pmax为系统极限有功功率;P为正常运行系统有功功率;Κν 为电压储备系数;Vo为正常运行电压;Vcr为临界电压；
[0032] 5)计算静态灵敏度指标：
[0033]
[0034] 式中L为静态灵敏度;dV为电压幅值产生的变化;dQ为系统内某节点的无功补偿的 变化；
[0035] 6)计算短路电流指标：
[0036]
[0037] 式中Im为主要母线短路电流;Iz为母线遮断电流。
[0038] 步骤S3所述的线性加权评价模型为：
[0039] F(x) = ω ifi(x)+ω 2f2(x)+ω 3f3(x)+ω 江4(x)+ω 5f5(x)+ω 6f6(x)
[0040] 式中F(x)为候选方案的得分;fi(x)~f6(x)分别为方案的经济指标、节点电压、支 路潮流过载率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度及短路电流指标;相应的ω 1~ω 6为上述指 标的权重。
[0041 ]步骤S3所述的线性加权评价模型，还包括约束条件，具体约束条件如下：
[0045] 式中化i、化i分别为发电机组的有功出力和无功出力;PDi、Q〇i分别为系统的总有功 和无功负荷；|Vi巧节点i的电压幅值;Gu、Bi^别为连接节点i、j的电导和电纳；θι功不同 节点间电压相角；Vimax、Vimin分别为第i个节点的最大允许电压值和最小允许电压值； 尸cT、分别为发电机的最小有功和无功出力，巧分别为发电机的最大有功 和无功出力。
[0046] 步骤S3所述的加权系数，为采用变异系数法确定，具体包括如下步骤：
[0047] 1)建立评价矩阵：
[004引评价矩阵:Υ=[ΥιΥ2...Υη]
[0049] 评价向量指标:Yj=[yij y2r'Tmj]T
[0050] 权重向量：ω =[ ωι c02... ωη]τ;
[0051] 式中Yj为第j个机组的降压方案评价指标;m为评价指标数量;η为机组降压方案编 号；
[0052] 2)针对步骤1)建立的评价矩阵Υ，将评价指标同向化：
[0053] 若评价指标中有负向指标，即指标值越小越好，则利用下式将该指标转化为正向 指标：
[0化4]
[0055] 式中/υ为同向化后的评价指标;yu为同向化前的评价指标;Yi为评价向量指标;k 为偏差系数；
[0056] 3)针对步骤2)的同向化后的评价矩阵Y'，进行去量纲化处理得到标准矩阵r : [0化7]
[005引4)针对步骤3)得到的标准矩阵r，计算指标均值和标准差：
[0061] 式中;^为指标均值，Si为指标标准差；
[0062] 5)利用步骤4)中得到的指标均值和标准差，计算权重ωι:
[0065] 式中Vi为变异系数，ωι为各指标的权重。
[0066] 步骤S4所述的安全性能校验，包括Ν-1校验和暂态电压稳定性校验。
[0067] 本发明提供的运种发电机组降压运行方案选择方法，综合考虑了各类备选的降压 运行方案，针对各备选降压运行方案进行评分和降压运行后的稳定性判定，综合考虑了降 压运行前和降压运行后的电网稳定性;并且本方法通用性好，能够适用于各类型的降压运 行方案制定。
【附图说明】
[006引图1为本发明方法的流程图。
[0069] 图2为本发明实施例的湖南东部电网简化后的系统结构图。
[0070] 图3为本发明实施例的初选机组降压方案1图。
[0071 ]图4为本发明实施例的初选机组降压方案2图。
[0072] 图5为本发明实施例的初选机组降压方案3图。
[0073] 图6为本发明实施例的初选机组降压方案4图。
[0074] 图7为本发明实施例的初选机组降压方案5图。
[0075] 图8为本发明实施例的初选方案和原方案的P-V曲线图。
[0076] 图9为本发明实施例的初选方案和原方案的Q-V曲线图。
[0077] 图10为本发明实施例的初选方案和原方案的关键节点电压曲线图。
【具体实施方式】
[0078] 如图1所示，为本发明方法的流程图：本发明提供的运种发电机组降压运行方案选 择方法，包括如下步骤：
[0079] S1.通过发电机组的电压等级和电源负荷的匹配度确定机组降压运行的候选方案 集合：
[0080] 所述的电源负荷的匹配度，为采用W下公式进行匹配度计算：
[0081]
[0082] 电源负荷匹配度反映出拟降压机组所发电力是否能在拟接入供区更好地消纳：电 源负荷匹配度越小，则拟降压机组所发电力能更好地在该地区进行消纳，机组运行效益更 高，同时机组出力波动对地区电网影响更小，风险水平越低。
[0083] S2.针对步骤S1得到的候选方案，分别计算各个候选方案的经济指标、线路潮流过 载率、电压偏移率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度和短路电流的指标：
[0084] 利用下述算式计算各个候选方案的指标：
[0085] 1)所述的经济指标为基于系统网损和线路投资成本的经济指标，采用如下算式进 行经济指标的计算：
[0086] Ip = 8760 X Pld X T X C+Xi X Ei
[0087] 式中为Pld系统网损;Τ为规划周期，取为10年;C为电价;&为新建线路的长度;El为 每千米线路投资费用；
[0088] 2)计算电压偏移率指标：
[0089]
[0090] 式NB为节点总数;Vi为节点i的实际电压;V为节点i的额定电压；
[0091 ] 3)计算线路潮流过载率指标：
[0092]
[0093] 式中NC为系统线路数;爲为线路潮流；为线路潮流限值；
[0094] 4)计算静态电压稳定裕度指标：
[00M]用功率储备系数KP和电压储备系数KV来反映系统的静态电压稳定裕度：
[0096]
[0097] 式中Kp为功率储备系数;Pmax为系统极限有功功率;P为正常运行系统有功功率;Κν 为电压储备系数;Vo为正常运行电压;Vcr为临界电压；
[0098] 5)计算静态灵敏度指标：
[0099]
[0100] 式中L为静态灵敏度;dV为电压幅值产生的变化;dQ为系统内某节点的无功补偿的 变化；
[0101] 6)计算短路电流指标：
[0102]
[0103] 式中Im为主要母线短路电流;Iz为母线遮断电流。
[0104] S3.针对步骤S2得到的各个候选方案的指标，建立线性加权评价模型，确定评价模 型中各个指标的加权系数，计算各个候选方案的得分：
[0105] 首先建立线性加权评价模型为：
[0106] F(X)= Wifi(X)+C〇2f2(X)+?3f3(X)+W 江 4(X)+Q5f5(X)+C〇6f6(X)
[0107] 式中F(x)为候选方案的得分;fi(x)~f6(x)分别为方案的网损、节点电压、支路潮 流过载率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度及短路电流指标;相应的ωι~《6为上述指标的 权重。
[0108] 具体约束条件如下：
[0112]式中化i、化i分别为发电机组的有功出力和无功出力;P〇i、QDi分别为系统的总有功 和无功负荷；I Vi巧节点i的电压幅值;Gij、Bij分别为连接节点i、j的电导和电纳；Θij为不同 节点间电压相角；Vimax、Vi"in分别为第i个节点的最大允许电压值和最小允许电压值； 巧Γ、谷;f分别为发电机的最小有功和无功出力；巧T"、分别为发电机的最大有功 和无功出力；
[0113] 第一约束条件(s.t.l)为系统的功率平衡约束;第二约束条件(s.t.2)为系统的节 点电压约束;第Ξ约束条件(s.t.3)为发电机的出力约束。
[0114] 然后采取变异系数法确定各个权重的值，具体方法为：
[0115] 1)建立评价矩阵：
[0116] 评价矩阵:Υ=[Υι Y2. . .Υη]
[0117] 评价向量指标:Yj=[yij γ2Γ·Τη?]τ
[0118] 权重向量："=["! C02..."n]T;
[0119] 式中Yj为第j个机组的降压方案评价指标;m为评价指标数量;η为机组降压方案编 号；
[0120] 2)针对步骤1)建立的评价矩阵Υ，将评价指标同向化：
[0121] 若评价指标中有负向指标，即指标值越小越好，则利用下式将该指标转化为正向 指标：
[0122]
[0123] 式中/υ为同向化后的评价指标;yu为同向化前的评价指标;Yi为降压方案评价指 标;k为偏差系数；
[0124] 3)针对步骤2)同向化后的评价矩阵Y'，进行去量纲化处理得到标准矩阵r :
[0125]
[0126] 4)针对步骤3)得到的标准矩阵r，计算指标均值和标准差：
[0129] 式中;^为指标均值，S功指标标准差；
[0130] 5)利用步骤4)中得到的指标均值和标准差，计算权重ωι:
[0133] 式中Vi为变异系数，Qi为各指标的权重。
[0134] S4.将步骤S2中得到的各个候选方案依次进行N-1校验和稳定性计算；
[0135] S5.根据步骤S3得到的各个候选方案的得分和步骤S4得到的校验结果，得到最终 的机组降压运行方案:为选取得分最高且通过N-1校验和稳定性计算的方案作为最终的机 组降压运行方案。
[0136] W下结合一个具体实施例，W及图2~图10对本发明的方法进行进一步说明：
[0137] 按如图2所示为湖南东部电网简化后的系统图为研究对象，根据实际参数来确定 每个发电厂机组与电源的匹配度从而确定了机组降压初选方案，其中，降压方案如图3~7 所示。
[0 138] 首先，运用ma化ower软件包计算初选方案的最优潮流;然后，根据最优潮流得出的 结果计算初选方案的电压偏移率指标和线路潮流过载率指标;然后运用PSD-BPA软件计算 静态电压裕度指标、静态灵敏度指标和短路电流指标。从而得出初选方案评价指标结果如 表1所示。
[0139] 表1机组降压运行方案指标数据
[0140]
[0141] ~根据变异系数法生成评价矩阵，并对评价矩阵进行同向化处理，同时将各个评价 指标转化为正向指标，最后对矩阵进行去量纲化处理，从而得到标准矩阵Y"
[0142]
[0143] 最后，根据变异系数法求解权重，可得到指标均值歹和标准差Si，进而得到变异系 数Vi、指标权重ω 1，结果如表2所示。
[0144] 表2指标参数计算结果
[0145]
[0147] 从计算结果看，静态电压稳定裕度、静态灵敏度、短路电流和节点电压指标的权重 较大。因此，可得到如下的机组降压运行方案优选的目标函数：
[0148] F = 0.3546fi(x)+0.03343f2(x)+0.05964f3(x)+0.29899f4(x)+0.02892f5(x) + 0.22441f6(x)
[0149] 据此可得 Fq = 0.3933617, Fi = 0.375546，F2 = 0.4243626，F3 = 0.40567，F4 = 0.417426，F5 = 0.422146，易知尸2〉尸5〉尸4〉尸3〉尸〇〉尸1。由此可知，方案2为最优方案。
[0150] 图9与图10所示为初选方案和原方案的P-V和Q-V曲线，5个机组降压方案的有功和 无功裕度相较于降压前均有所增加，其中方案2的有功和无功裕度最大。
[0151] 图11所示为初选方案和原方案关键节点的电压稳定曲线，在500kV电压等级线路 星沙~星城发生Ξ相接地短路故障时，所得关键母线电压曲线如图11所示。由相关暂稳计 算可知，各个方案在相关线路故障消除后，电压都能趋于稳定。由"Ν-Γ校核可知，各方案沙 坪，星沙、星城、云田供区相关500千伏、220千伏主变及线路均满足"Ν-Γ校核。由此可见，各 个降压方案都不会影响系统的稳定性。因此，综合考虑经济性和安全性，最终选择方案二为 机组降压运行的优化方案。
【主权项】
1. 一种发电机组降压运行方案选择方法，包括如下步骤：51. 通过发电机组的电压等级和电源负荷的匹配度确定机组降压运行的候选方案集 合；52. 针对步骤Sl得到的候选方案，分别计算各个候选方案的经济指标、线路潮流过载 率、电压偏移率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度和短路电流的指标；53. 针对步骤S2得到的各个候选方案的指标，建立线性加权评价模型，确定评价模型中 各个指标的加权系数，计算各个候选方案的得分，得分越高表明候选方案的性能越好；54. 将步骤S2中得到的各个候选方案依次进行安全性能校验，候选方案通过安全性能 校验表明候选方案的施行不会影响电网的安全性能；55. 根据步骤S3得到的各个候选方案的得分和步骤S4得到的校验结果，选取得分最高 且通过安全性能校验的备选方案作为最终的机组降压运行方案。2. 根据权利要求1所述的发电机组降压运行方案选择方法，其特征在于步骤Sl所述的 电源负荷的匹配度，为采用以下公式进行匹配度计算：3. 根据权利要求1或2所述的发电机组降压运行方案选择方法，其特征在于步骤S2所述 的计算各个候选方案的指标，包括如下步骤： 1) 计算经济指标： 所述的经济指标为基于系统网损和线路投资成本的经济指标，采用如下算式进行经济 指标的计算： Ip = 8760 X Pld X T X C+Xi X Ei 式中为Pld系统网损;T为规划周期，取为10年;C为电价;Xi为新建线路的长度;Ei为每千 米线路投资费用； 2) 计算电压偏移率指标：式NB为节点总数;Vi为节点i的实际电压;V为节点i的额定电压； 3) 计算线路潮流过载率指标：式中NC为系统线路数；劣为线路潮流；为线路潮流限值； 4) 计算静态电压稳定裕度指标： 用功率储备系数KP和电压储备系数KV来反映系统的静态电压稳定裕度：式中Kp为功率储备系数;PmaxS系统极限有功功率;P为正常运行系统有功功率;Kv为电 压储备系数;Vo为正常运行电压;Vcr为临界电压； 5) 计算静态灵敏度指标：式中L为静态灵敏度；dV为电压幅值产生的变化；dQ为系统内某节点的无功补偿的变 化； 6) 计算短路电流指标：式中1^为主要母线短路电流;Iz为母线遮断电流。4. 根据权利要求1或2所述的发电机组降压运行方案选择方法，其特征在于步骤S3所述 的建立线性加权评价模型为 F(x)=〇ifi(x)+0 2?2(χ)+ω 3f3(x)+?4f4(x)+ ω 5f5(x)+? 6f6(x) 式中F(X)为候选方案的得分;fKx)~f6(x)分别为方案的经济指标、节点电压、支路潮 流过载率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度及短路电流指标；ω :-(0 6为上述指标所对应的 权重。5. 根据权利要求4所述的发电机组降压运行方案选择方法，其特征在于步骤S3所述的 线性加权评价模型，还包括约束条件，具体约束条件如下：式中Pci、Qci分别为发电机组的有功出力和无功出力;PDi、QDi分别为系统的总有功和无 功负荷；I Vi I为节点i的电压幅值;Gij、Bij分别为连接节点i、j的电导和电纳；Θ为不同节点 间电压相角；V imax、Vimin*别为第i个节点的最大允许电压值和最小允许电压值；分别为发电机的最小有功和无功出力；分别为发电机的最大有功 和无功出力。6. 根据权利要求1或2所述的发电机组降压运行方案选择方法，其特征在于步骤S3所述 的加权系数，为采用变异系数法确定，具体包括如下步骤： 1) 建立评价矩阵： 评价矩阵:Y= [Yi Y2…Yn] 评价向量指标:Yj = [yij y2j…ymj]T 权重向量：O=Eco1 c〇2… ωη]τ; 式中Yj为第j个机组的降压方案评价指标;m为评价指标数量;η为机组降压方案编号； 2) 针对步骤1)建立的评价矩阵Y，将评价指标同向化： 若评价指标中有负向指标，即指标值越小越好，则利用下式将该指标转化为正向指标：式中y' ij为同向化后的评价指标;yij为同向化前的评价指标;Yi为降压方案评价指标;k 为偏差系数； 3) 针对步骤2)的同向化后的评价矩阵Y'，进行去量纲化处理得到标准矩阵Y" ：4) 针对步骤3)得到的标准矩阵Y"，计算指标均值和标准差：式中&为指标均值，Si为指标标准差； 5) 利用步骤4)中得到的指标均值和标准差，计算权重ω ,:式中Vi为变异系数，Coi为各指标的权重。7.根据权利要求1或2所述的发电机组降压运行方案选择方法，其特征在于步骤S4所述 的安全性能校验，包括N-I校验和暂态电压稳定性校验。
【专利摘要】本发明公开了一种发电机组降压运行方案选择方法，包括确定机组降压运行的候选方案集合；计算各候选方案的经济指标、线路潮流过载率、电压偏移率、静态电压稳定裕度、静态灵敏度和短路电流的指标；建立评价模型，计算各个候选方案的得分；对各个候选方案依次进行安全性校验；根据各个候选方案的得分和校验结果，得到最终的机组降压运行方案。本发明提供的这种发电机组降压运行方案选择方法，综合考虑了各类备选的降压运行方案，针对各备选降压运行方案进行评分和降压运行后的稳定性判定，综合考虑了降压运行前和降压运行后的电网稳定性；并且本方法通用性好，能够适用于各类型的降压运行方案制定。
【IPC分类】H02J3/46
【公开号】CN105490311
【申请号】CN201610051899
【发明人】谭玉东, 谢欣涛, 蔡晔, 侯益灵, 黄冰, 李勇, 杨高才, 李梦骄, 陈佳
【申请人】国家电网公司, 国网湖南省电力公司, 国网湖南省电力公司经济技术研究院, 湖南大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月26日