最優化潮流計算的多小水電地區電網經濟運行方案

陳思明

（云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650000）

0 前言

降低網絡損耗，提高經濟效益是目前電網面臨的重要問題，在傳輸過程中，約有4%-10%的電力能源因發熱、電暈等原因被消耗，其中，35kV 及以上電網消耗的電能約占2%-5%[1-5]。研究電網“節能降損”的技術措施，提出網損最小的優化運行方案，對電力部門實現“降損增效”目的具有重要的意義。某些水電資源極其豐富的地區，小水電的建設規模和裝機容量迅速擴大，總裝機容量已超過地區最大負荷，對電力部門節約電能和改善電壓質量有著重要的影響[6]。而小水電多為徑流式，且一般處于遠離負荷中心的山區，水電出力受氣候、降雨等因素的影響，在水電大發期，大量上網潮流使某些設備負載量大增，設備的重載運行不但加大了電網安全運行風險，也使網損大幅增加[7]?？菟谒姵隽Φ?，近區負荷需從省網通道下網，傳輸距離長，消耗了大量無功。因此，多小水電地區電網運行方式復雜多變，受水電出力影響嚴重。

目前國內外對各種降損措施做了大量研究，主要有：根據運行方式的變化改變電網運行方式，實現潮流的優化運行；根據負荷變化合理安排變電站主變投、退方式，降低主變損耗；優化無功潮流，實現無功功率的最短路徑傳輸；采用新材料、新技術等方案。根據電網運行特征，利用最優潮流OPF 求解功率優化問題，綜合利用各種降損方案，是實現電網安全、經濟、優質運行的重要手段[8-11]。本文根據多小水電地區電網的運行特點，以實現網損最小為目的，采用遺傳算法求解電網最優潮流，并提出了相應的降損方案。

1 多小水電地區電網特性分析

1.1 電網運行特性分析

圖1 某地區35 kV及以上電網地理接線圖

如圖1 所示為某地區35 kV 及以上電網地理接線圖，由圖1 可知，該地區電網以一座220 kV 省網變電站為中心，以110 kV 變電站為支撐進行輻射。片區內的水電資源主要集中在東部地區，而負荷中心則處于縣城及周邊的西部地區。每年3～8 月的豐水期，東部片區電網水電大發，電網潮流呈現東電西送的特點，9～第二年2 月的枯水期期間，負荷主要經220 kV省網通道下網供應，呈現出西電東送的特點。

隨著經濟社會的發展，電網的負荷結構中，取暖和降溫負荷所占比重越來越突出，夏季天氣炎熱，空調降溫負荷增多，電網總體負荷水平增大，冬季天氣寒冷，降溫負荷增多，電網總體負荷水平增大，電網運行存在夏季和冬季兩個大方式[12]。又因為徑流式小水電具有調節能力差、受上游來水量影響嚴重的特點，存在豐水期和枯水期兩個極端的發電方式[13]。因此，多小水電地區電網運行方式可以分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四種典型運行方式。圖2 為四種典型運行方式的電網日負荷曲線對比。

圖2 四種典型運行方式電網日負荷曲線對比

電網日負荷曲線受氣溫、降雨、節假日、大用戶生產方式等方面的影響，片區內的負荷結構中，某鋼廠負荷所占比重較大，約為1/3，一般為晚上22 點至次日8 時開機生產，8 時之后停產。由圖2 可知，8 時后的負荷水平在豐水期大方式時最大，其次是枯水期大方式、枯水期小方式、豐水期小方式。豐水期境內低壓側水電負荷可就地補償一部分負荷，豐水期小方式下的電網負荷水平要低于枯水期小方式。圖3為四種方式下典型日的水電出力曲線對比。

圖3 四種典型運行方式下代表日的水電出力曲線對比

豐水期小方式一般出現在5、6 月份氣溫較為溫和、降雨最為豐富的時期，受氣候的影響，豐水期大方式下的降雨量，相對于小方式時有所減少。由圖3 可知，豐水期小方式下片區內的水電出力最大，水電出力基本能夠在片區內消耗，負荷低谷時段有負荷經220 kV 變電站送入省網。因此，豐水期小方式下，水電出力達到極大值，網內潮流方向呈現出東電西送的格局，潮流大、損耗大。豐水期大方式下，負荷水平有較大幅度的增長，水電出力相對降低，電網潮流呈現出由220 kV 省網和東部水電密集區兩個源頭向負荷中心輸送的格局，網內潮流相對減小，損耗可能降低?？菟谒姵隽θ曜畹?，受用戶負荷水平的影響，小方式時水電出力基本可以實現就地消耗，對省網的負荷需求較少，電網潮流規模小，損耗相對??；大方式時水電出力不足，對省網的負荷需求大，電網潮流規模增大，且呈現出西電東送的格局，損耗相應增加。

圖4 繪制了不同程度降雨量下的降雨時小水電出力曲線圖，圖4 中降雨量為0 時的水電出力基本維持在2 MW 左右的水平，隨著降雨量的增長，水電出力也逐漸增長。文獻[14]對浙江某地區的小水電出力特性進行了分析，認為徑流式小水電的出力曲線具有氣象相關性、時間滯后性、累計效應的特征，當該地區進入持續且較強幅度的降雨階段時，水電站上游來水持續維持在較高的水平，水電出力相應也維持在很高的水平，一旦降雨消失，上游來水減少，因徑流式小水電庫容量小使得出力迅速降低，最后逐漸恢復到不降雨時的水平。

圖4 不同降雨量下的小水電出力曲線對比

1.2 網損分析

為了分析不同運行方式下多小水電電網網損特性，分別選取豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四種典型方式下代表日的負荷數據為樣本，進行潮流計算，四種典型方式下的網損率按從大到小排序依次是：豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式。豐水期小方式代表日下，地區小水電大發，發電量超過了地區用電量，大量水電上網占用了輸電通道，導致網損率最大，達到7.65%。網損結構中，110 kV 和35 kV 線路損耗所占比例最大，合計超過85%，由于歷史原因，東部小水電35 kV 送出通道線徑普遍較小，水電大發期間線路重載運行，損耗異常增大。豐水期大方式下，地區負荷有所增長，雖水電出力仍保持較高規模，但短距離消耗的比例有所增加，使得遠距離傳輸的電量有所減少，變壓器損耗和線路損耗都有大幅降低?？菟谛》绞綍r，負荷和水電出力都達到全年的一個極小值，東部小水電出力的減少使得各條送出通道的載流量相對于豐水期大方式繼續減少，網損進一步降低?？菟诖蠓绞较?，水電出力低，送出通道的載流量水平低，負荷中心的用電需求基本經過220 kV 省網通道下網，此時，220 kV 主變銅損與110 kV 主變銅損都達到了全年的最大值，經省網通道下網到負荷中心的輸送距離短，線路損耗小，網損率達到了全年的最低值。因此，多小水電地區電網在水電大發時，大量的水電出力使各條輸電通道重載運行，損耗異常升高，應采取相應措施，降低網絡損耗，實現降損增效的目的。

2 電網優化計算模型

2.1 數學模型

目前，國內外對最優潮流問題OPF 做了大量的研究，OPF 是指在滿足正常功率平衡及各種安全指標的約束下，調整電力系統中各種控制設備的參數，實現目標函數最小化的優化過程[15]。本文以網損最小為優化目標，建立的目標函數數學模型如下：

式中，PL為電網在不同運行狀態下的網損計算值，主要包括線路損耗、主變空載損耗和負載損耗等。P、Q、V、θ的變化范圍必須滿足一定約束條件，以保證電力系統的安全穩定運行。首先，潮流約束方程如下：

各節點電壓限制和因徑流式小水電機組特性決定的功率因素限制，即：

2.2 優化算法

優化算法采用遺傳算法，潮流求解使用潮流計算軟件。將220 kV 母線作為平衡節點，變電站主變低壓側斷路器和發電廠高壓側母線作為PQ 節點進行潮流計算。正常運行方式下電網參數及潮流情況作為初值，調整不同參數，將計算所得結果與初值計算結果進行比較，若初值結果最優，則舍棄改變參數后的計算結果，再次改變參數，進行循環比較；若改變參數后計算結果最優，則舍棄初值計算結果，將改變參數后的計算結果作為最優計算結果，再與下一次計算結果進行比較，循環往復，得到最優解。

3 降損方案研究

3.1 調整電網運行方式

根據電源和負荷結構的變化，將多小水電群地區電網運行方式分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四種典型運行方式。豐水期小方式下負荷中心的用電需求量相對較小，但小水電群出力大發補償了當地大部分負荷，甚至有部分負荷經220 kV省網通道送入其它地區。

調整電網運行方式，盡量實現水電出力通過最短路徑實現消耗，避免遠距離迂回送電。

將負荷從電源中心輸送至用戶需經過一段距離，在傳輸過程中產生了損耗，傳輸路徑越短，損耗越低，合理安排電網運行方式，實現電網負荷的最短路徑傳輸，是降低網損的重要措施。

圖5 某地區110 kV電網運行方式簡圖

圖5 為根據圖1 繪制的電網運行方式圖，東部小水電群可分為以110 kV 波水變為核心的北部小水電群、以110 kV 分水嶺變為核心的中部小水電群和以110 kV 高石頭變為核心的南部小水電群。竹坪、新區、焦嶺、團山、秀水、杉杉、綠華、瓦家坳是電網內的主要負荷中心。水電大發期間，北部波水變負荷經竹波線、110 kV 竹坪變送入220 kV 焦嶺變，調整竹坪變電網運行方式，使35 kV 三都變、周源山變、唐洞變負荷轉由竹坪供電，增大竹坪變的負荷水平，即可實現波水變上網負荷的就地消耗，降低了竹坪變- 焦竹線- 焦嶺110 kV 母線的潮流，使電網網損降低。中部分水嶺變負荷經瓦分線-瓦家坳旁母-瓦新線并入新區變，使得分水嶺變的水電出力在新區變實現了消耗，避免了負荷從焦新線迂回送電至新區消耗。南部高石頭變負荷經瓦涼線-瓦家坳變-秀瓦線-秀水變-團秀線-團山變-焦團線并入焦嶺變，雖部分負荷于瓦家坳、秀水、團山消耗，但水電大發期間，南部小水電群出力就地消耗了一部分后，仍有很大一部分負荷經輸送通道送入焦嶺變，再經其它路徑輸送至其它負荷中心。此時，若將南部水電群的部分負荷轉至新區變并網，將實現降低網損目標。

3.2 合理安排主變投、退方式

電網的負荷水平受氣溫、降雨、節假日、社會經濟發展等因素的影響，隨著經濟和社會的發展，生活負荷中取暖和降溫負荷所占比例在不斷增大，而這兩部分負荷與氣溫具有很強的相關性[16]。根據運行經驗，一年當中的冬季寒冷時段和夏季高溫時段某些變電站負荷最重，即：大方式運行；春季和秋季氣溫相對溫和的時段負荷相對較小，即小方式運行。因此，一年內變電站負荷的變化曲線為一雙峰曲線，含2個高峰時段和2 個低谷時段。當負荷向高峰時段發展的適當時間，投入備用變壓器，向低谷負荷時段發展的適當時間，退出備用變壓器。該方案實施后，一個變電站一年內主變因經濟運行的投切次數變為4 次，操作頻次大大減少，有利于向全網推廣。

3.3 小水電無功出力優化

將地區電網的小水電群按照地理位置合網點劃分為三個部分：北部水電群、中部水電群和南部水電群。北部小水電群出力傳輸至220 kV 焦嶺變，途中基本無大消納，可近似為純電源送出線路。很顯然，提高北部水電群小水電的功率因數將有利于降低網損和電站電壓。最佳的小水電運行功率因數應該接近1.0，但另一方面，考慮到機組的穩定性，小水電應該產生少量的無功功率，功率因素不可能達到1.0。與理論分析結果一致，純電源送出線路的小水電功率因素越高，網絡損耗越大，水電出力越大時，提高小水電機組的功率因素時，網絡損耗降低的效果越明顯。從采樣日北部電網網絡損耗的實際值來看，豐水期下水電機組的功率因素普遍較高，超過0.9，枯水期水電機組功率因素較低，低于0.85。豐水期上游來水充足，機組盡量多發有功以提升效益，枯水期上游來水減少，機組盡量多發無功以到達無功年度考核指標。但因受機組穩定性等因素的限制，小水電機組功率因素不可能達到1.0，豐水期水電大發時，無功功率過剩，大量無功的遠距離傳輸，增大了網絡損耗[17]。因此，小水電并網點配置充足的電抗器補償設備，實現就地消納無功的目的，對降低網損有重要的意義。

3.4 用戶側無功補償

電網無功補償的原則是：分層分區、就地補償，煉鋼廠、水泥廠、煉硅廠等大型工業用戶，若本身無功補償容量不足，將向電網吸收大量無功，造成無功的遠距離傳輸，增加了線路損耗，產生不利影響[21-22]。汛期水電大發的情況下，南部片區各水電機組向電網輸送了大量無功潮流，在億興鋼廠消耗一部分后，向上級電網輸送的無功潮流減少，有利于降低網絡損耗。但枯水期高石頭、涼亭坳周邊機組出力低，億興鋼廠生產所需無功從220 kV 焦嶺變得到補償，在輸送過程中增加了焦嶺220 kV 主變、焦團線、團秀線、秀瓦線的有功損耗。

4 結束語

根據本文分析，可以得到以下幾點結論：

1）小水電眾多的地區電網，水電出力變化對運行方式產生了重大影響，根據水電出力即負荷情況的變化特征，將該電網運行方式分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四種典型運行方式。豐水期下若東部小水電大發，電網損耗將大幅增長，其中35 kV 及110 kV 線路損耗增幅較大。

2）根據電網運行方式的變化調整電網運行方式是降低網損的重要手段，調整電網運行方式的目的主要是實現電網有功的最短路徑消耗和無功的優化傳輸。汛期電網損耗異常的主要原因是35 kV 線路線徑小、負荷重，更換線徑大的導線是降低35 kV 線路損耗的最直接和有效的手段。

3）根據電網運行特征，提出了一種安排主變投、退方式的判據，一個變電站一年內的操作次數最多僅有4 次，有利于向全網推廣。

4）對參數不對稱主變并列運行、35 kV 系統三相電壓不平衡和用戶無功補償容量不足等造成附加線損的機理進行了分析，提出了相應的改造措施。