電網(wǎng)規(guī)劃又稱輸電系統(tǒng)規(guī)劃

1、電力網(wǎng)絡規(guī)劃摘要：本文簡要闡述了電網(wǎng)規(guī)劃的分類、電網(wǎng)規(guī)劃的基本內(nèi)容、輸電網(wǎng)與配 電網(wǎng)規(guī)劃的特點以及電壓等級與輸電能力方面的內(nèi)容，并詳細分析了直流潮流模 型，最后簡單介紹了直流輸電系統(tǒng)。關鍵詞：輸電網(wǎng) 配電網(wǎng) 電壓等級 輸電能力 直流潮流模型0.引言電網(wǎng)規(guī)劃又稱輸電系統(tǒng)規(guī)劃，以負荷預測和電源規(guī)劃為基礎。電網(wǎng)規(guī)劃確定 在何時、何地投建何種類型的輸電線路及其回路數(shù)，以達到規(guī)劃周期內(nèi)所需要的 輸電能力，在滿足各項技術指標的前提下使輸電系統(tǒng)的費用最小。電網(wǎng)規(guī)劃的分類電網(wǎng)規(guī)劃按照時間分類，可以分為短期規(guī)劃、中長期規(guī)劃和遠景規(guī)劃。另外還可以按照不同專業(yè)進行分類，比如通信規(guī)劃、營銷規(guī)劃和煤礦電 源規(guī)劃等各種專

2、項規(guī)劃。短期規(guī)劃分為1-5年，規(guī)劃的內(nèi)容比較具體仔細，可直接用來指導建設。 一般的電網(wǎng)5年規(guī)劃與國民經(jīng)濟5年規(guī)劃的時間同步。如，十一五規(guī)劃、十 二五規(guī)劃等。中長期規(guī)劃一般為5- 15年。在三種規(guī)劃中，它起著十分重要的作用。 一方面，遠景規(guī)劃所做出的技術選擇可通過中長期電網(wǎng)實際狀況進行修正。 另一方面，它又可以指導短期規(guī)劃，確保短期決策同中長期電網(wǎng)發(fā)展相一致; 反過來，中長期規(guī)劃中所引入的一些假設可通過更精確的分析或短期規(guī)劃得 到驗證。遠景規(guī)劃則需要考慮比輸變電工程建設周期更長的發(fā)展情況，一般規(guī)劃 15-30年。遠景電網(wǎng)規(guī)劃需要列舉各種可能的過度反感、估計各種不確定因 素的影響等。遠景規(guī)劃的方案

3、并不一定在建設中原封不動的實施。由于客觀 條件或環(huán)境的改變，規(guī)劃方案也將不斷變化。電網(wǎng)規(guī)劃的基本內(nèi)容與電源規(guī)劃相比，電網(wǎng)規(guī)劃問題更為復雜。首先，電網(wǎng)規(guī)劃要考慮具體 的網(wǎng)絡拓撲結構，各待選路徑都必須作為獨立的決策變量來處理，因此電網(wǎng) 規(guī)劃決策變量的維數(shù)比電源規(guī)劃更高。其次，電網(wǎng)規(guī)劃應滿足的約束條件非 常復雜，其中一些約束條件不僅涉及非線性方程（如電壓水平限制等），甚 至還涉及微分方程（如系統(tǒng)穩(wěn)定問題）。所以，要構成一個完整的電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)學模型是比較困難的，對這樣的問題進行求解就更加困難。為避免上述困難，一般將電網(wǎng)規(guī)劃問題分為方案形成和方案校驗兩個階 段。規(guī)劃中要按不同類型的輸電線和變電站的性質(zhì)、任

4、務來考慮電網(wǎng)結構。 一般來說，電網(wǎng)規(guī)劃應解決下列問題：（1）在何處投建新輸電線路。（2）何時投建新輸電線路。（3）投建何種類型的輸電線路。輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)規(guī)劃的特點電力系統(tǒng)是指發(fā)電，輸電，配電，用電的整個過程。輸電電網(wǎng)只是其中的部 分。電網(wǎng)穩(wěn)定就是發(fā)電功力和負荷之間的平衡。輸電網(wǎng)主要討論的是輸電過程中由于輸送功力的損耗而引起電壓損耗，事故 情況下潮流波動，參數(shù)改變時系統(tǒng)震蕩，輸送不平衡時頻率的變化，這些都是相 隨相伴的，這就要考慮無功補償，穩(wěn)控切機和減少不必要的負荷問題。電力系統(tǒng) 線路模型可以分為：集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。一般來說，電力系統(tǒng)的參數(shù) 是均勻分布的。但是，對于中等長度以下的電力線

5、路可以按集中參數(shù)建模。所謂 中等長度以下，一般是指110KV220KV下的在100300km內(nèi)的架空線路。對于集中參數(shù)模型，輸電線路可以用以下四個參數(shù)描述：表示熱能效應的電 阻R，表示磁場效應的電感L，表示電場效應的電容C和表示漏電流和電暈的電 導G。然后等效成兀型等效電路，利用電路知識解答。對于分布參數(shù)模型，其 多用微分方程表示，線路的各種分析都是基于微分方程的求解。當然，兩者各有 優(yōu)缺點和使用范圍。短線路用集中模型分析，計算簡單，可以滿足一定要求。對 于長線路，則必須用分布參數(shù)模型，尤其是長線路高電壓的情況下，可以利用行 波的特點進行故障分析和線路保護。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是

6、城鄉(xiāng)基礎設施建設的重要組成部分， 它的規(guī)劃、建設與改造直接影響到整個電力部門的經(jīng)濟效益和對廣大電力用戶供 電的安全可靠。由于配電網(wǎng)規(guī)劃工作的特殊性，使其具有如下一些特點：（1）接線模式多樣，呈輻射狀結構運行。（2）電源供應的不確定性，隨著電力市場改革的深入，日后條件成熟時，最 終在配電領域的零售業(yè)務中也將引入自由競爭，今后用戶可以自由地選擇電源， 配電網(wǎng)規(guī)劃有必要適應未來用戶可自由地選擇電源的要求，對配電網(wǎng)規(guī)劃需考慮 因素更多，更加復雜。（3）環(huán)境對配電網(wǎng)絡的要求，如外形協(xié)調(diào)、電磁干擾、入地化等。（4）政策法規(guī)的變化如用電制度的規(guī)定，利率的調(diào)整及變化，規(guī)程、導則的 變化，各種運行參數(shù)的調(diào)整等。

7、電壓等級與輸電能力電壓等級即電力系統(tǒng)及電力設備的額定電壓級別系列。額定電壓是電力 系統(tǒng)及電力設備規(guī)定的正常電壓，即與電力系統(tǒng)及電力設備某些運行特性有 關的標稱電壓。電力系統(tǒng)各點的實際運行電壓允許在一定程度上偏離其額定 電壓，在這一允許偏離范圍內(nèi)，各種電力設備及電力系統(tǒng)本身仍能正常運行。我國最高交流電壓等級是1000KV （長治-荊門線），于2008年12月 30日投入運行。在建輸電線路（向家壩-上海，錦屏-蘇南特高壓直流800kV），其下有 500KV、330KV、220KV、110KV、60KV、35KV、10KV, 380/220V，其中 60kV是由于歷史原因遺留下來的，目前僅在我國東北

8、地區(qū)存在。我國最高直流電壓等級為正負500KV（葛洲壩-上海南橋線、天生橋- 廣州線、貴州-廣東線、三峽-廣東線），另有正負50KV （上海-嵊泗 群島線），100KV （寧波-舟山線），南方電網(wǎng)公司將建設正負800KV特高 壓直流輸電線。目前我國常用的電壓等級：220V、380V、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、 330kV、500kV，1000KV。電力系統(tǒng)一般是由發(fā)電廠、輸電線路、變電所、配 電線路及用電設備構成。通常將35kV及35kV以上的電壓線路稱為送電線路。 10kV及其以下的電壓線路稱為配電線路。將額定1kV以上電壓稱為“高電 壓”，額定電壓在1kV以下電壓

9、稱為“低電壓”。我國規(guī)定安全電壓為36V、 24V、12V 三種。輸電能力是指在電力系統(tǒng)之間或在電力系統(tǒng)中從一個局部系統(tǒng)（或發(fā)電廠） 到另一個局部系統(tǒng)（或變電所）之間的輸電系統(tǒng)容許的最大送電功率（一般按受電 端計）。如果該輸電系統(tǒng)是一回送電線路時，輸電能力即等于該線路容許的最大 送電功率；如果該輸電系統(tǒng)是由多回線路（包括不同電壓等級或不同導線截面的 線路）所組成，或者有中間系統(tǒng)接入，輸電能力指容許的綜合最大送電功率。影響輸電能力的因素很多，主要有：送受端之間輸電系統(tǒng)的電壓等級，送電 距離，電力網(wǎng)結構，線路回數(shù)，導線分裂根數(shù)和截面，以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水 平和標準等。電力網(wǎng)結構越緊密（線路回數(shù)越

10、多，中間有開關站或變電所，或者 有中間系統(tǒng)接入），線路導線的分裂根數(shù)越多、截面越大，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定水平 越高，則輸電能力越大；反之則越小。直流潮流模型直流潮流模型是把非線性電力潮流問題簡化為線形電路問題，從而使分析 計算非常方便。雖然它的精度不如交流潮流計算方法，但在輸電系統(tǒng)規(guī)劃中由于 需要大量過負荷校驗計算，且原始資料本身也并不精確，因此仍得到了廣泛的應 用。在電網(wǎng)規(guī)劃中，關鍵是如何把有功功率從電源處輸送給負荷，即架線方案首 先要保證有功潮流的輸送。至于輸電線上的無功潮流相對較小，可近似認為它對 有功潮流分布沒有影響，基于這種分析的成立，則產(chǎn)生了只反映有功潮流分布的 直流潮流模型。在電力系統(tǒng)

11、穩(wěn)態(tài)分析中，當節(jié)點電壓以極坐標形式表示時，則電力系統(tǒng)交 流潮流方程為P. = u.U. （G. cos 0. + B. sin 0.）jei（i=1,2,.N-1） （5-1）支路有功潮流表達式為P. = U.U.y Ceos . + B. sin . t. G. U?1J 1 J/_JJ1J 1J 1J 1J 1J 1（5-2）卜面對式（5-1）和式（5-2）中的各符號作一說明：式中N 一系統(tǒng)節(jié)點數(shù)；P.-節(jié)點i的注入有功功率；U.節(jié)點i電壓的幅值；jei表示所有與i直接相連的節(jié)點，包括；j=i%支路ij的變壓器非標準變比；%支路ij兩端節(jié)點電壓的相角差；G.，B.節(jié)點導納矩陣元素的實部和虛

12、部。 其中電壓的相角差為% = z -1實部和虛部的參數(shù)表示(5-3)_r.+ jRj + 咯r. + jx. r2 + X2ij iJ ij ijr2 + X2 ij ij(5-4)其中，柘，X.為支路ij的電阻和電抗 當i=j時，則有BjjG ij jei j歸B. ij jei即導納矩陣對角元素為非對角元素之和的負值。根據(jù)電力系統(tǒng)的實際情況,將交流潮流方程依據(jù)以下條件進行簡化，就可以得 到直流潮流方程。(1)高壓輸電線路的電阻一般遠小于其電抗，即rjjXjj，因而根據(jù)式(5-4) 可以假定 TOC o 1-5 h z Gjj 就 0(5-5)(2 )輸電線路兩端電壓相角差一般不大( V1

13、0%),可取cosOjj 1(5-6)sin 0. 0.(5-7)假定系統(tǒng)中各節(jié)點電壓的標么值都等于1,則U10(5-8)不考慮接地支路及變壓器非標準變比的影響，即七.蘆1 (5-9)以上簡化條件較符合高壓輸電網(wǎng)的一般特性，對有功潮流分布不致引起較大 誤差。將(5-5)至(5-8)各式代入式(5-1)可得pi =Bjjjei（i=1,2,.N-1）（5-10）以上簡化條件中，即電阻為零，電壓相角差較小,節(jié)點電壓不變化,不考慮非標 準變比。我們定義由式（5-4）可知，但為了以下應用方便起見Bjj1X.1J(5-11)因此Bjj1幻 jei 1J j歸(5-12)最后，我們得到Pi =Bjjei(

14、i=1,2,.N1)(5-13)其中上式推導:BjjRj =( B料jeijeijeijeijei由于不考慮接地支路影響，則導納矩陣對角元素為非對角元素之和的負值, 且有B. = 0j=i即對某節(jié)點i,對角元素與相關非對角元素之和等于零，為應用方便，將負號放 入矩陣元素中，最后可得式（5-13）的形式。寫成矩陣形式，為P=B0 （5-14）式中P 一節(jié)點注入功率向量，其中元素P.=PG.PDi，這里PG.和PD分別為節(jié) 點i的發(fā)電出力和負荷；e一節(jié)點電壓相角向量；B 一節(jié)點導納矩陣的虛部，其元素由式（5-11）和式（5-12）構成。式（5-14）也可寫成另一種形式e=XP（5-15）這里X為系

15、統(tǒng)節(jié)點阻抗矩陣，且X=B-1（5-16）將簡化條件式代入支路潮流方程式（5-2），可以得到支路潮流計算式為(5-17)(5-18)%*冉=呻Xij將式（5-17）寫成矩陣形式，有Pi=Bi*式中Pl -各支路有功潮流構成的向量；各支路兩端相角差向量；B-由各支路導納組成的對角矩陣，設系統(tǒng)的支路數(shù)為1,則其為l階 方陣。其中，設網(wǎng)絡關聯(lián)矩陣為A,貝U*=A0（5-19）式（5-14）、（5-17）、（5-18）均為線性方程，它們是直流潮流方程的基本形 式。由此可見，其方程已全部為實數(shù)運算形式。當系統(tǒng)運行方式及接線方式給定時，即得到關于0的方程式（5-14），通過 三角分解或矩陣直接求逆可以由式（

16、5-15）求出狀態(tài)向量0，并進而由式（5-18） 求出各支路的有功潮流P.。顯然，應用直流潮流模型求解輸電系統(tǒng)的狀態(tài)和有功潮流非常簡單?，F(xiàn)在我 們還要指出，由于模型是線性的，可直接求解，無需迭代過程，即不存在收斂問 題，故可以快速進行追加或開斷線路后的潮流估算。由式_ 0. - 0.ij = X.ij參照直流電路式UI = R比較，故稱為直流潮流模型。靈敏度分析法靈敏度分析法即逐步倒推法和逐步擴展法。逐步倒推法的基本思路是，首先根據(jù)水平年的原始資料構成一個虛擬網(wǎng)絡， 該網(wǎng)絡包含系統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡，所有孤立節(jié)點和所有待選線路。這樣的虛擬網(wǎng)絡其特 點是一個連通的，無過負荷線路，但卻是個冗余度很高的而不經(jīng)

17、濟的網(wǎng)絡。然后 對虛擬網(wǎng)絡進行潮流分析，比較各待選線路在系統(tǒng)中的作用或有效性。最后逐步 去除有效性低的線路，形成直到網(wǎng)絡基本沒有冗余線路為止的網(wǎng)絡擴展方案。此時從另一種角度講，若再去掉任何新增線路都會引起過負荷或系統(tǒng)解列的 現(xiàn)象發(fā)生。在逐步倒推法中，衡量一條線路是否有效性是以該線路在系統(tǒng)中的載流量大 小來判斷的。此外考慮到線路投資影響后，則認為投資小且載流多的線路即為有 效線路。因此，定義線路有效性指標為El = |PL|/CL2LeSe（5-57）其中：PL線路L上的功率潮流；CL 線路L的建設投資；Se 待選線路集。上式不難理解，若某線路上通過的潮流越大，而投資相應較小，則指標就越 大，這

18、說明其作用越好。有關CL的計算一般采用簡化形式，即設線路投資只與長度成正比，此時可 用單位長度表示投資大小進行分析。而CL的平方是考慮對較短線路給予優(yōu)先選 擇，因為短線可允許通過較大功率，只受發(fā)熱限制。因此，無論從系統(tǒng)的穩(wěn)定性 還是從經(jīng)濟性的角度考慮，較短線路對于擴展網(wǎng)絡都是較為有利的。逐步倒推法網(wǎng)絡規(guī)劃模型的計算流程圖逐步擴展法是啟發(fā)式方法中又一常用規(guī)劃方法。當規(guī)劃水平年與起始年相隔較近時，現(xiàn)有網(wǎng)絡相對較強，系統(tǒng)中孤立節(jié)點(包 括新的電源點和負荷中心)不是很多的情況下，而其選擇線路的目的又是有針對 性的消除某些線路上的過負荷。此時應用逐步擴展法較為合適。(1).方案形成策略根據(jù)各待選線路對過

19、負荷支路過負荷量消除的有效度，選擇恰當待選線路加 到網(wǎng)絡上，直到網(wǎng)絡無過負荷為止。為計算各待選線路的有效度，需要計算各待選線路電納增加后對過負荷支路潮流的影響，即需要進行變結構時的潮流計算。這里采用直流潮流模型。設網(wǎng)絡中出現(xiàn)了過負荷，由直流潮流模型可知，線路上的潮流與其兩端的相 角差成正比，即1Pk=xk kK顯然,只要減小線路k兩端的相角差就可以減輕或消除其過負荷。因此關鍵 是通過靈敏度分析尋找待選線路1，使得該線路加入系統(tǒng)后能夠最有效的降低相 角差k。逐步擴展網(wǎng)絡，直到系統(tǒng)沒有過負荷為止。首先根據(jù)水平規(guī)劃的原始資料計算出各支路潮流。然后計算各待選線路對所 有過負荷支路的綜合有效性指標，將綜

20、合有效性指標最大者加入電網(wǎng)中，重新計 算網(wǎng)絡的潮流分析。如此循環(huán)迭代由直流潮流模型式（5-17）可知，線路上的 即Pk =玨 Xk（2）.計算公式設網(wǎng)絡中線路k出現(xiàn)了過負荷潮流與其兩端節(jié)點的相角差成正比因此，只要減小線路k兩端的相角差就可以減輕或消除其過負荷。我們的任 務是通過靈敏度分析尋找待選線路L，使得該線路加入系統(tǒng)后能夠最有效地降 低相角差Ok。其過程是:設線路L加入系統(tǒng)，使各節(jié)點相角修正有3乙，相應對支 路k兩端的相角差改變量為kl，設線路L的建設投資為CL則待選線路的有效性指標可定義為EKL =剪kl,其大者優(yōu)先加入規(guī)劃網(wǎng)絡。CL逐步擴展法網(wǎng)絡規(guī)劃模型的計算流程圖直流輸電系統(tǒng)將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端，再用逆 變器將直流電變換成交流電送到受端交流電網(wǎng)的一種輸電方式。主要應用于 遠距離大功率輸電和非同步交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，具有線路投資少、不存在系統(tǒng) 穩(wěn)定問題、調(diào)節(jié)快速、運行可靠等優(yōu)點。直流輸電與交流輸電相比有以下優(yōu)點：當輸送相同功率時，直流線路造價低，架空線路桿塔結構較簡單，線 路走廊窄，同絕緣水平的電纜可以運行于較高的電壓；直流輸電的功率和能量損耗小；對通信干擾?。痪€路穩(wěn)態(tài)運行時沒有電容電流，沒有電抗壓降，