曾雪松，張瀚月，廖晨淞，賀鈺涵，崔艷龍

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031;2.成都電業(yè)局，四川 成都 610021)

0 引言

云南電網(wǎng)是中國西電東送能源戰(zhàn)略的重要組成部分，至“十二五”末期擬將新建成四回直流，分別為中西部地區(qū)的云廣直流、糯扎渡直流、金中直流和瀾上直流，與東部地區(qū)的溪洛渡直流，形成一個(gè)大型的交直流混合輸電系統(tǒng)，如圖1所示。經(jīng)過十多年的發(fā)展，云南電力外送規(guī)模從零起步提高到2010年的7800 MW，500 kV主網(wǎng)架及外送通道的建設(shè)也逐步得到完善，2010年云南電網(wǎng)已建成并形成圍繞滇中和滇東的“品”字型500 kV環(huán)網(wǎng)，并輻射延伸至滇南、滇西、滇西南等區(qū)域，建成了“四交一直”的外送通道，外送能力達(dá)到9100 MW。

根據(jù)“十二五”規(guī)劃，云南的電力外送事業(yè)還將得到較大的發(fā)展，外送規(guī)模還將由7800 MW提高到21500 MW，在此基礎(chǔ)上還可能新增6000 MW季節(jié)性電能的送出?！笆濉逼陂g，為配套糯扎渡、溪洛渡電站、金沙江中游電站的電力外送，將建設(shè)糯扎渡、溪洛渡電站送廣東直流輸電工程以及金沙江中游電站送電廣西直流輸電工程，為配套瀾滄江上游電站的外送以及季節(jié)性電能的外送。到“十二五”末期，云南將建成“五交五直”的電力外送通道，外送能力達(dá)到25600～26850 MW，裕度在1100～2350 MW。如果是在外送規(guī)模較少的枯期，這一裕度將會(huì)更大。

這樣，由于高壓直流工程就不必為了提高整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平而按額度容量運(yùn)行。另外，由于交、直流輸電的損耗特性不一致，在維持外送總規(guī)模不變的前提下，合理分配同一外送斷面間的交、直流通道輸送功率分配，將能起到節(jié)能降損的效益。因此，“十二五”期間云南主網(wǎng)架及外送通道的加強(qiáng)，為斷面外送功率的優(yōu)化提供了可能。

圖1 云南電網(wǎng)外送結(jié)構(gòu)示意圖

如何在保持電網(wǎng)外送規(guī)模不變的前提下，利用直流輸送功率的可控性，合理地分配交、直流輸電通道的輸送功率，以達(dá)到輸電損耗最低的目標(biāo)，是中國西電東送亟待解決的問題，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)節(jié)能降損的重要方式。

以云南電網(wǎng)為基礎(chǔ)，研究了交流輸電通道和直流輸電通道的損耗特性，利用Matlab建立了交、直流混合輸電系統(tǒng)的最小損耗模型，通過粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization，PSO)，在維持總外送不變的情況下，求解交直流各通道輸送功率的最優(yōu)分配解，并通過回寫入BPA進(jìn)行計(jì)算，比較優(yōu)化效果。

1 交、直流輸電通道的損耗特性

1.1 交流通道損耗特性

輸電線路在輸送電力的過程中會(huì)產(chǎn)生電力損耗，線路有功功率損耗計(jì)算如下。

式中，P、Q、U為線路同一端的有功功率、無功功率、電壓幅值;U0為線路兩端的平均電壓幅值;R、X為線路串聯(lián)電阻、電抗;G0為線路并聯(lián)電導(dǎo);U20G0為電暈損耗，數(shù)值很小，一般可忽略不計(jì)。

根據(jù)有功功率損耗計(jì)算公式，對(duì)輸電線路損耗影響因素分析如下:①線路有功功率損耗與傳輸有功的平方及線路電阻值成正比;②線路有功功率損耗與傳輸功率因數(shù)的平方及系統(tǒng)運(yùn)行電壓的平方成反比。

因此，在交流通道建設(shè)方案已確定的前提下，要想降低交流通道的輸送潮流，只能通過合理安排線路潮流、合理投切電網(wǎng)無功補(bǔ)償以減小線路無功功率傳輸、適當(dāng)提高電網(wǎng)運(yùn)行電壓水平等措施來降低電網(wǎng)輸電損耗。

1.2 直流系統(tǒng)損耗特性

直流線路損耗與線路長(zhǎng)度成正比，包括與電壓相關(guān)的損耗和與電流相關(guān)的損耗。

(1)與電壓相關(guān)的損耗:線路電暈損耗和線路絕緣子串泄漏損耗。由于后者數(shù)量很小，一般可以忽略不計(jì)(如天廣直流占額定容量運(yùn)行下線路電阻損耗的3.9%)。直流線路電暈損耗比交流線路電暈損耗小，且受氣候條件的影響也小。中國國家電力公司電力科學(xué)研究院曾對(duì)500 kV直流線路進(jìn)行過實(shí)測(cè)，測(cè)得線路電暈損耗正極為3.1 W/m，負(fù)極為3.6 W/m。

(2)與電流相關(guān)的損耗:直流電流在直流線路電阻上產(chǎn)生的損耗，與輸送同樣有功功率的交流線路相比，直流線路的損耗通常較小。直流線路損耗還與直流系統(tǒng)運(yùn)行方式有關(guān)。按損耗大小從小到大排序?yàn)殡p極線并聯(lián)運(yùn)行、大地回線運(yùn)行、金屬回線運(yùn)行。

(3)接地極引線及接地電極損耗:損耗可以忽略不計(jì)。

簡(jiǎn)化模型后，直流輸電系統(tǒng)的損耗功率Ploss與輸送功率P、電流I、電壓U、電阻R之間的關(guān)系推導(dǎo)如下。

由上述兩式可看出，在其他條件不變的情況下，損耗功率P與輸送功率的平方和線路電阻成正比，與輸電電壓的平方成反比，損耗率η與輸送功率和電路電阻成正比，與輸電電壓的平方成反比。

圖2 云南電網(wǎng)各回直流輸電損耗

根據(jù)直流系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，云南電網(wǎng)各回直流系統(tǒng)在運(yùn)行過程中輸電損耗隨其輸電功率的變化曲線如圖2所示(考慮兩端換流站有功損耗為輸送功率1.5%，各回直流運(yùn)行方式為雙極平衡運(yùn)行)。

2 交、直流輸電通道最小損耗模型

設(shè)云南電網(wǎng)外送通道的輸電損耗為△P，云廣直流輸電損耗為△P1，糯扎渡直流輸電損耗為△P2，溪洛渡直流輸電損耗為△P3，金中直流輸電損耗為△P4，瀾上直流輸電損耗為△P5，交流通道輸電損耗為△P6。

總的云南外送損耗

優(yōu)化目標(biāo)為輸電損耗最小，即

約束條件為

其中，Pcon為云南電網(wǎng)交、直流外送總電力;P1max為云廣直流輸送功率極限;P2max為糯扎渡直流輸送功率極限;P3max為溪洛渡直流輸送功率極限;P4max為金中直流輸送功率極限;P5max為瀾上直流輸送功率極限。

此模型屬于帶有等式約束的混合非線性規(guī)劃問題，解決此類問題的常用算法包括外點(diǎn)法、內(nèi)點(diǎn)法、可行方向法等。

粒子群優(yōu)化(PSO)算法是Kennedy和Eberhart受人工生命研究結(jié)果的啟發(fā)，通過模擬鳥群覓食過程中的遷徙和群聚行為而提出的一種基于群體智能的全局隨機(jī)搜索算法，具有易理解、易實(shí)現(xiàn)、全局搜索能力強(qiáng)等特點(diǎn)，倍受科學(xué)與工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，成為發(fā)展最快的智能優(yōu)化算法之一。這里采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法求解以上優(yōu)化目標(biāo)，使云南電網(wǎng)外送輸電損耗值最小。

3 交、直流通道潮流最優(yōu)分配計(jì)算

至2013年，云南電網(wǎng)將投產(chǎn)三回直流，分別為云廣直流、糯扎渡直流和溪洛渡直流，其中云廣直流為±800 kV，輸電容量為5000 MW，雙極運(yùn)行;糯扎渡直流為±500 kV，輸電容量為5000 MW，單極運(yùn)行;溪洛渡直流為±500 kV，輸電容量為3200 MW，單回雙極運(yùn)行。2013年枯期大方式下，云南總體外送電力為11200 MW，各回直流均未滿送，優(yōu)化空間較大，具體優(yōu)化結(jié)果見表1。從表1中可看出，2013年枯期大方式下，原始安排各回直流未滿送，交流斷面約為3700 MW;優(yōu)化后，云廣直流和糯扎渡直流多送，溪洛渡直流少送，云電交流出口降至3000 MW以下，整個(gè)南方電網(wǎng)網(wǎng)損有功損耗由2736.2 MW降至2689.4 MW，減少約1.71%，優(yōu)化效果明顯。

至2015年，云南電網(wǎng)將新增金中直流、瀾上直流和溪洛渡直流的II回，其中金中直流和瀾上直流均為±500 kV，輸電容量為3200 MW，雙極運(yùn)行。2015年豐期小方式下，云南總體外送電力為15900 MW，除瀾上直流外其余各回直流均未滿送，優(yōu)化空間較大，具體優(yōu)化結(jié)果見表2。從表2中可看出，2015年豐期小方式下，原始安排各回直流未滿送，交流斷面約為1150 MW;優(yōu)化后，云廣直流和糯扎渡直流多送，溪洛渡直流少送，金中直流由于位于云南滇西北地區(qū)，送出損耗大，輸送容量減少，整體云電交流出口降至2400 MW以下，整個(gè)南方電網(wǎng)網(wǎng)損有功損耗由2325.8 MW降至2183.7 MW，減少約6.11%，優(yōu)化效果較明顯。

4 結(jié)語

隨著西電東送規(guī)模的不斷增加，云南電網(wǎng)將成為國家西電東送的主要組成部分。根據(jù)擬簽訂的“十二五”西電東送框架協(xié)議的主要內(nèi)容，至2015年，云南電網(wǎng)外送電力規(guī)模約占整個(gè)南方電網(wǎng)西電東送總規(guī)模的50%，云南電網(wǎng)擬將建成以五回直流、五回交流形成的外送網(wǎng)架。根據(jù)交、直流輸電損耗的理論，在保持外送功率不變的前提下，不同的各回交、直流通道的輸送功率將產(chǎn)生不同的輸電損耗;由西電東送協(xié)議中安排的各年份各方式電力流來看，云南電網(wǎng)外送電力有一定的裕度，為各通道的輸電容量調(diào)整提供了可能性。因此，如何安排各回交、直流輸電線路的輸送功率，使得輸電有功損耗最小將是電網(wǎng)節(jié)能降耗的有效措施。前面建立了云南電網(wǎng)交直流主通道的最優(yōu)功率分配模型，運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法(PSO)求解，獲得各輸電通道的最優(yōu)功率分配，從而使電網(wǎng)輸電有功損耗降到最小。

表1 2013年云南電網(wǎng)輸送功率優(yōu)化前后對(duì)比

表2 2015年云南電網(wǎng)輸送功率優(yōu)化前后對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明，基于所建立的粒子群優(yōu)化算法，可以優(yōu)化云南電網(wǎng)交直流輸送容量的分配，從而有效降低云南電網(wǎng)外送的輸電損耗，對(duì)電網(wǎng)的節(jié)能降耗有明顯作用。

［1］Kunder P.Power System Stability and Control［M］.北京:中國電力出版社，2002:351－354.

［2］王錫凡，方萬良，杜正春.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］陳維榮，張倩，王勁草，等.搜尋者優(yōu)化算法在最優(yōu)潮流中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2009，21(1):64－67.

［4］梁軍.粒子群算法在最優(yōu)化問題中的研究［D］.廣西師范大學(xué)，2008.

［5］陳佳琰，彭春華.基于 PSAT軟件的多目標(biāo)最優(yōu)潮流計(jì)算［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(2):87 －91.

［6］王志勇，梁敬成，熊小伏，等.西電東送輸電通道損耗最小最優(yōu)功率分配方法［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3(2):38－41.

［7］史丹，任震，余濤.高壓直流換流站損耗計(jì)算軟件的開發(fā)和應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(19):81－83.

［8］中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度通信中心.中國南方電網(wǎng)2011年運(yùn)行方式［Z］.廣州:中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度通信中心，2011.