（电力系统及其自动化专业论文）考虑电磁环网因素的电网规划模型的研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fp o w e rn e t w o r k ，t h e5 0 0 k vl o o pn e t w o r kh a sb e e nf i n i s h e d ，w h i c h i sc o n j o i n e dw i t ht h ee x i s t i n g2 2 0 k vl o o pn e t w o r k ，f o r m i n ga l le l e c t r o m a g n e t i cl o o pw i t ht h et w ov o l t a g e l e v e l s w i t ht h en e t w o r kb e c o m i n gs t r o n g ，t h es h o r tc i r c u i tc m r e n ti ns o m es u b s t a t i o n sw i l le x c e e dt h er a t e d v a l u eo f2 2 0 k vc i r c u i tb r e a k e r s t ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t ，b a s i n gt h el o a dl e v e la n dt h en e t w o r k s t r u c t u r eo ft h en c x ty e a r , a n a l y s i st h es c h e d u l eo fo p e n i n gt h el o o p ，w h i c h b e l o n gt ot h eo p e r a t i o n p l a n n i n g e x c e p to ft h i s ，s o m ep e o p l eb e g i nt os t u d yt h ep r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r kf r o mt h e a s p e c to fl o n gt e r mp l a n n i n g t h et h e s i ss t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r k ，a n dd i s c u s si td e e p l y t oa v o i d e l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r kr a d i c a l l y , p u tt h ef a c t o ro fe l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r ki n t on e t w o r k p l a n n i n g i ti st h et y p i c a lm i x e da n di n t e g r a ln o n - l i n e a rp l a n n i n gp r o b l e mt h a tt h e r ea r cm a n yc o n t r o l v a r i a b l e sa n dt h ec o m p l e x i t yi sh i g h e v e nt h ep l a n n i n gw i t ht h ef a c t o ro fe l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r kn e e d t oc o n s i d e rt h ep r o b l e mo ft h en e t w o r kw i t hd i f f e r e n tv o l t a g el e v e l sc o r r e s p o n dw i t he a c ho t h e r t h u s i n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo ft h er e s e a r c ht h er e s u l to fs p a c e t h ep r o b l e mw a st r a n s f o r m e di n t ot h ep r o b l e mo f p l a n n i n gt h el o w v o l t a g e l e v e ln e t w o r ki nc a s eo ft h ehj i g h v o l t a g e l e v e ln e t w o r kw a sc o n f i r m e d 。t h u s d e c r e a s et h eq u a n t i t yo f c a l c u l a t i o n u n d e rt h eb a c k g r o u n do fr e a l i z i n gt h ev o l t a g e g r a d i n ga n dt h ed i s t r i c t - d i v i d i n gi nt h en e t w o r k ，t h i s t h e s i sa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r k ，a n dp u tt h ef a c t o r o fe l e c t r o m a g n e t i cl o o p n e t w o r ki n t ot h em o d e lo fn e t w o r kp l a n n i n g w i t ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o no fm i n i m u mi n v e s t m e n tc o s ta n d m i n i m u mo p e r a t i o nc o s t ，t h ef a c t o ro fn - 1 、o v e r l o a d 、e l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r ke e t ，am o d e lw a s p r e s e n t k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r k ；v o l t a g e - g r a d i n g d i s t r i c t - d i v i d i n g ；p o w e rn e t w o r k p l a n n i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 导师签名：i 墨亟坠 日期：。6 ，u 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和目的 改革开放以来，随着国民经济的持续快速发展，我国电力工业呈现出加快发展的态势。全国联 网的格局已经逐步形成，目前全国已经形成了华北、东北、华东、华中、西北、南方六个区域电网。 电网跨区的资源优化配置能力进一步增强。我国电网发展已进入跨大区域电网互联、推进电力资源 在更大范围内优化配置的新阶段。 电网结构的高速发展，引起了新的突出问题，其中短路电流问题是不容忽视的问题。目前，许 多区域电网已经形成了5 0 0 k v 环网线路，并且5 0 0 k v 和2 2 0 k v 电磁环网运行情况比较多，如果仍 保持电磁环网运行，一些变电所的母线短路容量超过开关设备的遮断容量，将会对系统的安全、稳 定运行不利。并且电磁环网问题，涉及到电网稳定极限低、大电网单一故障导致的大面积转移负荷 等一系列问题。 目前，对于电磁环网的研究，大部分是从运行角度加以分析讨论；是在电网发展到短路容量必 须加以限制的情况下，来讨论何时、何地解开电磁环网问题。然而电磁环网问题，要想从根本上加 以解决，必须从规划角度考虑如何避免电磁环网的产生。 对电磁环网问题的研究，需要深入到电力系统规划进行当中。本文的目的就是从规划角度，考 虑将电磁环网因素加入到电网规划模型当中。电力系统规划通常包括电源规划和电网规划两部分。 电源规划是电力系统发展的核心，是电网建设的基础 电网规划是在电源点确定的基础上，进行网 架规划。电磁环网问题，涉及到电力系统规划中电源规划和电网规划相互关系的平衡；涉及到输电 网规划和配电网规划相互关系的平衡。 对电磁环网结构、分层分区问题的深刻剖析，使电网结构问题从规划一开始就被重视，这对电 网的长期、合理的发展提供了基础，使未来电网的更加安全可靠。 1 2 电网运行中的网架结构问题 1 2 i 我国电网现状分析 随着经济建设的发展，我国的电力工业正在迅速成长，随着三峡电厂和部分核电厂的建成， 5 0 0 k v 交直流输电网的形成，我国电力系统步入了大电网、高电压、大机组时代，最终华北、东北、 华东、华中、西北、南方等大区电网将互联形成全国统一的电力系统。 电网发展的主要标志是： i 各区域电网装机容量快速增长。其中华东、华中电网装机容量均超过6 0 0 0 万千瓦，华东、 华中电网甚至超过7 0 0 0 万千瓦。南方电力联营系统连结广东、广西、贵州，云南四省电网，实现了 西电东送。到2 0 0 4 年，我国电力装机容量约为4 4 0 0 0 万千瓦。预计2 0 2 0 年我国全社会用电量将达 到约4 6 0 0 t w h ，需要装机容量约1 0 0 0 0 0 万千瓦。全国各区域电网装机容量，见表1 i 。 表1 1 各区域电网2 0 0 5 年底统调装机容量及分类构成 电网名称2 0 0 5 年底统调装机容量( 万千瓦) 总容量火电水电核电 国网系统3 5 2 4 32 8 1 1 5 6 7 2 23 0 7 东南大学硕士学位论文 国网直调 1 1 9 02 1 0 9 8 0 华北8 9 5 18 6 9 8 2 5 3 东北3 7 4 63 2 2 7 5 1 9 华东 1 0 3 7 48 8 1 0 1 2 5 83 0 7 华中 7 2 4 94 7 2 2 2 5 2 7 西北 3 7 3 32 4 4 9i 1 8 5 2 我国电网，正由超高压电网，向特高压电网发展。自1 9 8 1 年我国第一条超高压5 0 0 k v 输 电线路投入运行以来，超高压输电线路已迅速建设和发展，可以说超高压输电线路已经成为我国区 域大电网的骨架。部分地区的5 0 0 k v 网架已不满足负荷的需求，为满足远距离大容量输电的需要， 提高功率传输容量，限制系统的短路电流，更高电压等级的送电方式已在研讨。随着国内第一条7 5 0 千伏的输变电示范工程在西北电网的正式投入运行，我国电网技术已跨入世界先进行列。 直流输电方面，我国已有葛一上、天一广、三一常、贵一广一回、三一广5 条5 0 0 k v 直流线 路在运行，在建的贵一广二回及三一上两条直流工程竣工后，我国5 0 0 k v 直流线路的总长度将达 7 0 0 k m 左右f 1 1 1 2 | 。 3 单机容量不断增大。发电机单机容量由3 0 0 m w 、6 0 0 m w 向8 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 方向发展。 与此同时，大容量水轮发电机与蓄能电站电机也不断发展。长江三峡7 0 0 m w 水轮发电机组的投入 运行与研制是我国水电行业的新里程碑，其容量己接近世界之最。在抽水蓄能方面，国外已投入运 行的蓄能水电机组最大单机容量已达6 6 0 m w 。 随着三峡输变电工程、西电东送工程的实施，电网发展已开始进入跨大区联网、全国电网互联 的新阶段。全国联网是实现最大范围内能源资源优化配置和电力结构战略性调整的客观性需要；由 于我国一次能源和经济发展在区域上极不均衡，煤炭基地在北部、丰富的水力资源主要集中在西部、 西南部，而经济发展较块的地区主要集中在东南沿海地区，我国能源资源和经济发展的特点决定了 “全国联网，西电东送，南北互供”的电力工业发展模式。大电网具有较强的资源配置能力，全国 联网可以取得巨大的经济效益，包括电力电量效益、错峰效益、水火互补效益、水电跨流域补偿调 节效益、减少备用和紧急事故支援效益、调节余缺效益。然而全国联网更加要求有合理的电网结构， 文章【4 】【5 】5 6 】谈及了全国联网对我国电网结构的要求。 1 2 2 电网结构的合理性 电网结构与电压等级、电源、负荷点的容量和数目、它们之间的地理位置以及可靠性要求等因 素有关。图t 1 为我国目前存在电网的基本结构形式。 a ) 放射式 负荷 ( d ) 多电源环式 i b ) 链式( c ) 环式 2 第一章绪论 m 千缱式 1 ) 同格式 图1 - 1 电网的基本结构 其中： ( a ) 放射式是一种最简单的电网结构，运行调度和控制最为方便，但单回送电线路供电可靠性 不高。 c o ) 链式结构是放射式的扩展，但可靠性低于放射式。 ( c ) 环网式结构有较好的可靠性与经济性，但当某一线路退出运行后，电压质量可能较差。 ( d ) 、( c ) 具有多个电源的电网有环网式和串链式两种常用结构，两者均有很高的可靠性，但多 个闭环结构电网的调度和控制比较复杂。 ( d 干线式结构投资最省，但可靠性较差，只适用于负荷密度小，可靠性要求不高的配电网。 ( g ) 网格式结构适用于负荷密度很大，电压质量和供电可靠性要求很高的城市配电网。 电网结构对电力系统运行的安全性、经济性、电能质量以及调度控制的方便性和灵活性等均有 很大的影响。任何电网都需要根据自身的特点研究并解决其可能出现的安全可靠性问题，因为安全 和稳定都是电力系统正常运行不可或缺的基本条件。电力系统必须同时满足同步运行稳定性、频率 稳定性和电压稳定性的要求。因此规划合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的物质基础。 1 2 3 电网结构存在的问题 在电网规划中，由于一些客观和主观因素，导致了规划的电网结构并不合理。因此，规划出的 电网结构往往不能满足运行的要求，在运行过程中会出现各种各样的问题。文【7 】中，总结了一些极 易引发稳定破坏、电压崩溃、电网瓦解等大面积停电事故的电网结构，其中就包括了：高低压电磁 环网，环形距离过长，环套环、多环互联几种涉及环网的结构。并阐述了电网结构布局应体现的原 则是：分层分区，主次分明。 下面是一些典型的不合理的电网结构： 高低压电磁环网结构。电磁环网的问题，是在6 0 年代”1 国外发生大面积停电事故之后，引 起国内外关注重视的。1 9 7 0 1 9 8 0 年，我国的电网处在一个特殊的发展时期。即省电网和跨省电网 的形成时期，许多地区的电网相继互联，逐步由孤立的1 1 0 k v 电网互联形成2 2 0 k v 及以上的全省 乃至跨省电网。原来的i l o k v 电网一旦发生事故，只影响本地区电网；2 2 0 k v 电网形成后，一旦 发生事故，将会影响到电网稳定运行。 随着5 0 0 k v 电压等级电网的建设，又出现了新的5 0 0 1 2 2 0 k v 的电磁环网。如何避免电磁环网 是今后要研究的方向。 单回线大环网结构。我国东北大连、营口、水丰、鞍山的8 0 0 k i n 单回线大环网结构稳定性 非常差，过去曾多次发生开环运行时静稳定破坏事故，以及闭环运行时单相接地就可能造成暂态稳 定破坏事故。 美国的w s c c 电力系统的大环网结构。w s c c 整个电网像一个大面包圈。其中经常有较大 的环流，由西北到南部和由东到西传输电力容量很大，而且要经过很多电力公司的电网，西部太平 洋+ 5 0 0 k v 直流输电与5 0 0 k v 双回交流输电线并联送电，电网结构上存在许多问题，因而在5 0 0 k v 直流或5 0 0 k v 交流输电线跳闸时不得不采取各种稳定措施，包括切机、切负荷、投入制动电阻和在 3 东南大学硕士学位论文 预定点解列的措施以保护系统的稳定。 大电源集中的远距离向负荷中心送电方式。瑞典4 0 0 k v 输电网和加拿大魁北克7 3 5 k v 电 网的共同特点是水电资源比较集中，又远距负荷中心，通过多回路并列的超高压输电线由集中电源 向负荷中心送电。当然形成这种结构的方式受电源和负荷地理条件的限制，实践证明这种结构在单 一故障时，稳定不会有问题，但如出现多重故障，就有发生全网性大停电事故的可能。 大容量发电机组接入低电压等级电网。 在我国电网中，有不少几十万千瓦的电厂应该接入2 2 0 k v 电网的、而没有直接接入2 2 0 k v 电网 而接入i i o k v 电网或更低电压电网，应该接入5 0 0 k v 电网的却接入到2 2 0 k v 电网。这样的结构给 电网运行带来了许多问题，如引出线过多，网络复杂，短路容量大，有的不得不因断路器遮断容量 而分厂运行，甚至有“卡脖子”等一系列问题。 当然，从电网的两大元素( 电源和电网) 的角度来说，电网结构的问题，包括电源结构和电网 网架结构两部分。 1 2 4 事故介绍及总结 文章 9 ，l o ，1 1 ，1 2 l 介绍了，近几十年来国内外的典型事故。现介绍典型事故如下： l 、1 9 6 5 年的美加大停电事故l l 1 9 6 5 年1 1 月9 日，由于继电保护的不正确动作，切除了一条从加拿大安大略省贝克发电厂( b e c k p o w e r p l a n t ) 到多伦多地区5 条2 3 0 k v 中的一条线路，当潮流重新分配到剩余的4 条线路时，由于 线路的过载这4 条线路相继跳闸，导致了这次电网大面积停电事故。停电恢复时间长达1 3 小时，损 失负荷超过2 0 0 0 万千瓦，对美国经济构成了严重的影响。 2 、1 9 8 0 年7 月2 7 日安徽电网大面积停电事故1 1 5 1 9 8 0 年7 月2 7 日安徽电网发生一次大面积停电事故。事故起因是由于一台2 2 0 k v 电压互感器 爆炸起火，保护拒动，二条2 2 0 k v 线路先后跳闸，大量负荷转移到一条与之环网运行的i l o k v 线 路上，造成稳定破坏，系统剧烈振荡，最后导致系统瓦解。造成皖中、皖南地区大部分停电，甩负 荷及停电3 2 0 m w ，少送电2 4 万千瓦，影响工农业产值6 0 万元，事故后经2 0 3 0 m i n 陆续恢复供 电。其中事故扩大原因之一就是高低压环网影响。二条2 2 0 k v 线路与一条i l o k v 线路环网运行， 未考虑二回2 2 0 k v 线路同时中断时，会引起稳定破坏，没有采取相应的技术措施。 3 、华北5 2 8 电网事故【“l l ” 1 9 9 6 年5 月2 8 日，由于沙岭子电厂高压试验人员的误接线，使沙岭子电厂两条5 0 0 k v 线路相 继跳闸。张家口地区仅剩5 0 0 k v 一条线和2 0 0 k v 上京双回线与主系统相连，形成较弱的电磁环网 运行，其送出功率超出暂稳极限。造成了系统失去稳定，引起系统振荡，损失负荷8 0 0 m w ! ”1 6 1 1 9 9 6 年5 月2 8 日华北电网的“5 2 8 ”事故提醒我们，要重视5 0 0 ，2 2 0 k v 电磁环网问题。 4 、美加。8 1 4 ”大停电事故1 1 4 1 删 2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东部时间1 6 ：1 1 ( 北京时间8 月1 5 日4 ：1 1 ) 开始，美国东北部电网和 加拿大联合电网发生了有史以来影响最大的电网停电事故。事故起因是由于俄亥俄南北通道上一条 3 4 5 k v 线路因故障跳闸，而导致其他联络线因过载而相继跳闸；2 5 r a i n 后，北俄亥俄地区从俄亥俄 东部和东南部受电的通道完全断开；事故波及9 3 0 0 平方公里的地区，受影响的人口据外电报道涉及 5 0 0 0 万人，事故共计损失负荷6 1 8 0 万千瓦，事故中美、加共有超过1 0 0 座电厂停机，其中包括2 2 座核电站。纽约市在停电2 9 小时后恢复供电。事故的最主要原因是潮流大范围转移导致的快速电压 崩溃。俄亥俄南北通道上的多条线路相继跳闸，最终导致的潮流大转移是引发电压崩溃最终导致大 停电发生的直接原因。 5 、莫斯科“5 2 5 ”大停电事故1 1 7 1 1 s l l l g l 自2 0 0 5 年5 月2 5 日晚1 9 ：5 7 起，俄罗斯莫斯科地区电网发生一系列故障，到5 月2 5 日l l ： 0 0 左右，莫斯科市大部地区及附近2 5 个城市发生大面积停电事故，莫斯科电网共断开了3 2 1 座变 电站，除最先停电的5 0 0 k v 恰吉诺变电站外，还包括1 6 座2 2 0 k v 变电站，2 0 1 座1 1 0 k v 变电站， 4 第一章绪论 1 0 4 座3 5 k v 变电站。直接损失负荷达3 5 3 9 5 m w ，近4 0 0 万人的生活受到影响。造成了1 5 2 0 亿 美元的直接经济损失。 这次莫斯科大停电事故。反应了电网结构不合理的问题。莫斯科电网是俄罗斯统一电力公司电 网的一部分，主要负责莫斯科及周边地区的供电，其最高电压等级为7 5 0 k v ，有1 座7 5 0 k v 变电 站，6 座5 0 0 k v 变电站。5 0 0 k v 及以上电网构成莫斯科地区的双环网运行。可见，莫斯科的主网架 还很强壮，就是在失去一个恰吉诺变电站后，全网仍能正常运行。然而，向莫斯科供电的其他 2 2 0 1 1 0 k v 线路，在恰吉诺变电站退出运行后，出现重载与过载的情况，导致事故范围进一步扩大。 6 、总结： 总结国内外大电网恶性事故，往往是祸不单行，电网结构不合理是重要原因，其中电磁环网是 大规模电网出现事故的主要原因。验证电网结构是否合理并不是由“n l ”故障下的稳定水平所确 定的，而是由当发生严重故障或多重故障时，系统结构具有防止因大量负荷转移引起连锁反应事故 的能力所决定的。 电网结构是电力系统安全稳定运行的基础，电网规划历来强调全局观念和远近结合，建立合理 的电网结构是电网规划设计部门的重要使命。预计“十一五”初全国互联电网基本形成，一个区域 电网内的网架结构和运行方式的改变，可能对另一个区域电网内的稳定水平产生影响，特别是对内 部网架结构相对薄弱的电网，在采用交流弱联网的条件下，这种相互影响如果处理不当，容易引起 连锁反应而造成大面积停电事故。 因此，无论是从国内的经验还是从国外的经验，电磁环网问题是我国未来电网的一大隐患，是 迫切需要解决的问题。 1 2 5 对电网结构的要求 合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的重要物质基础。在一般的电网结构条件下，采用常 用的提高稳定的措施，可以保证在单一故障情况下的电网安全稳定运行。但对于可能的多重故障， 为了防止发生恶性连锁反应造成全网大事故，就必须有一个精心规划和设计的电网结构，配合必要 而可靠的自动化措施才能奏效。一般地，一个合理的电网结构应该具备下列要求： 1 )能适应发展变化和各种运行方式下潮流的变化，并具一定的灵活性。 2 )任一元件故障断开情况下。应能保持电网的稳定运行，且不会使其它元件超过事故过负荷 的规定。 3 )有较强的抗扰动能力。 对于电网结构的规划问题，电力系统安全稳定导则唧1 和电力系统技术导则( 试行) 口” 中都有相关的论述。电力系统安全稳定导则2 2 3 2 条明确指出“随着高一级电压电网的建设，下 级电压电网应逐步实现分区运行。相邻分区之间保持互为备用。应避免和消除严重影响电网安全稳 定的不同电压等级的电磁环网”。 1 、电网结构的分层 所谓分层，是指按网络电压等级，即网络的传输能力大小，将电力系统划分为由上至下的若干 结构层次。对电源点的规划问题，是分层的工作。为了充分合理地发挥各级电压网络的传输效益， 一般说来，不同容量的电厂和负荷，应当分别接到相适应的电压网络上。我国有的百万千瓦以上的 大型骨干电厂的出线电压过低；其中的主要原因有：一是对电厂的最终容量缺乏确切的规划，事后 一扩再扩；二是高压5 0 0 k v 电压的电网规划和实际出现得过晚。在我国，一些负荷中心附近建设的 中型主力电厂的出线电压过低，以致最终被迫升压改造，其中主要原因是过多地考虑了直接供应地 区负荷，而未顾及低压接入后对系统安全稳定的影响。出线电压过低，还产生了地区电压电网断路 器遮断容量不足的问题，结果迫使一个设计完整的电厂母线分裂运行。反之，当需要由系统向地区 大量供应负荷时，又可能出现有电送不进的情况。另外，部分电厂内部设置联络变压器，不但增加 投资，复杂了电厂接线，增加了运行损耗，还不得不形成地区高、低压电磁环网的运行方式。 5 东南大学硕士学位论文 2 ，电网结构的分区 电力系统的分区是一个电的概念。是对电力系统组成部分的一种认识，它不应该和地理的行政 的分区概念相混淆。建立电力系统分区的概念，是为了能更好地指导电力网络的规划、建设和运行 按照分区的概念，一个大的电力系统是以受端系统为核心，包括远方电源在内的一个供需平衡或基 本平衡( 当与外系统相联络时) 的区域。在每一个受端系统的内部，实际上是以最高级电压线路为骨 干网络组成的区域系统，并以其枢纽变电所为中心，用低一级电压线路将附近的负荷和地区电源联 结在一起，成为一个独立的供电子系统。这样，便形成了由上而下的辐射状的分区结构。电力系统 的合理分区，有助于安全而经济地实现有功电力和无功电力的调整和平衡，也有助于实现科学的调 度管理。对电源点供电范围的问题，是分区的工作。 1 3 对电磁环网问题的研究概况 1 9 8 1 年，大连召开的全国电网稳定会议，总结了l o 年问出现的电网稳定破坏事故，交流了我 国各高压电网在这方面的经验和教训，随后颁发了电力系统安全稳定导则：其后又组织专家组进 一步总结全国各大区电网建设和运行经验，1 9 8 4 年颁发了电力系统技术导则( 试行) 。这两个文 件，主要结合我国的具体条件和取得的经验，对如何保证电力系统安全稳定运行以及对高压电网的 建设，都明确了原则和报本性的指导方针。高低压电磁环网的运行方式在1 9 8 1 年大连召开的全国电 网稳定会议后大都得到了改变。但尚有部分地区未改，以致在1 9 8 1 1 9 8 5 年中，这种结构方式的电 网中所发生的稳定破坏事故仍居首位。 从电磁环网的结构来看，可分为弱电磁环网和强电磁环网。如5 0 0 k v 线路单回线运行，并且原 有的2 2 0 k v 线路还不具备解环条件，形成了弱电磁环网。在弱电磁环网的运行中，当发生单回5 0 0 k v 线路三相跳闸，可能诱发电网失稳事故。对于弱电磁环网，一般主张没有必要进行解环1 2 2 1 硎，可以 保持电磁环网运行。而对于强电磁环网，主张在具备解环条件的情况下，解开电磁环网。而对电 磁环网解环后可靠性的问题，需要进一步研究。 八十年代到九十年代，主要是研究2 2 0 1 1 0 k v 的电磁环网运行及解环问题。随着5 0 0 k v 电压 等级电网的建设，又出现了新的5 0 0 忆2 0 k v 的电磁环网。对5 0 q ，2 2 0 k v 电磁环网的研究根据各地区 网络发展的速度不同，研究的进度也不尽相同。1 9 9 2 年华东电网总工会议”j ，讨论了华东电网省际 开断的问题；其目的是随着华东电网的发展要解开省际间5 0 0 忆2 0 k v 的电磁环网。近年来，由于全 国各地区5 0 0 k v 网架不断健全，电磁环网问题得到了重视。 从研究的内容看，也存在不同的研究方向。对于电磁环网运行的问题，文章【2 6 】着重研究利用 高低压电磁环网运行方式提高供电可靠性的可行性。而文章【2 4 介绍广西电网解决不同时期 5 0 0 忪2 0 k v 电磁环网运行问题的方法，主张解开电磁环网。 对电磁环网解环的问题的处理在不断完善，目前的处理方法主要是从电力平衡、潮流计算、静 态安全分析、有功网损几个因素进行考虑，并且在对解环地点和解环时间进行了详细分析的基础上， 讨论电磁环网解环问题。 对电磁环网问题的研究从电网运行的角度，发展到电网规划的角度。文章 2 7 2 8 2 9 1 3 0 1 1 3 1 】 都是从规划的角度，分析了不同地区分层分区的问题。文章【3 l 】根据浙江电网的实际情况，从规划 的角度，进行了分层分区安全稳定性分析，并得出2 0 0 1 年浙江电网不具备分层分区运行的条件，2 0 0 3 年可以局部解环，2 0 0 5 年可以实施初步分层分区的结论。文章【2 8 】从电网规划角度探讨了湖北电磁 环网解环的时间和解环地点。文章 3 0 1 以保证湖南电网安全稳定运行为目标，针对“十一五”期间 湖南电磁环网解环问题作了详细的分析，研究表明2 0 1 0 年前在娄底与湘潭之间2 2 0 k v 网络开环是 合适的。文章 2 9 】介绍“十五”期间湖南电网结构特点及分层分区的主要研究成果。首先从分析湖 南电网现有的特点及存在的问题出发，提出电网规划发展战略主要原则；其次通过对“十五”期间 电网演变过程，比较分析5 0 0 2 2 0 k v 电网开环前后的输送能力、稳定水平及变电站母线的短路容量， 对规划电网存在的合理性及不足之处有更深刻全面的认识，并展望2 0 1 0 年湖南电网分层分区条件以 6 第一章绪论 及具体实施意见。其中文章 2 7 1 分析了电磁环网解环运行的基本条件，提出了福建5 0 0 k v 2 2 0 k v 电 磁环网解决方案。从福建电网潮流、有功网损、暂态稳定等方面分析了电磁环网解环方案对福建电 网的影响，探讨了近期福建电网实现分层分区运行的可行性。提出了福建电网远期分层分区的目标 及加强网架结构等具体建议。 而以上对电磁环网解环问题的讨论，是在电磁环网已经形成，或近期将要形成的情况下，分析 电磁环网运行的问题。并不是从一开始就去避免电磁环网运行。如何在规划过程中避免电磁环网的 产生，是未来要研究的问题。 1 4 电网规划 1 4 1 电网规划的概念 电力工业的发展水平不仅会对国民经济的其他部门产生巨大的影响，而且一次能源消耗和投资 的数量也相当巨大，所以。电力系统规划的失误会给国家建设带来不可弥补的损失。因此，对电力 系统规划问题进行研究，以期最大限度地提高规划质量，具有重大的现实意义。 电力系统规划研究通常包括电源规划和电网规划两部分内容，而电网规划直接关系到电源发出 的电能能否可靠地送出，以及电力系统供电的安全性及经济学能否实现的问题，在整个电力系统规 划中占据着非常重要的地位。 电网规划是一个相当复杂的问题，它涉及到在时间及空间上的大量决策。为了便于研究，往往 将规划问题分解成相对简单的子问题，由此产生了多种类型的电网规划子问题。如按照时间划分， 可分为短期规划( 约5 年) 、中期规划( 1 0 2 0 年) 和长期规划( 2 0 3 0 年) 。按照对规划期处理的 不同，分为单阶段规划和多阶段规划。按照规划对象的不同，分为输电网规划和配电网规划。按照 规划的作用不同，分为扩展规划和运行规划等。 在形成电网规划方案时，原则上分为静态电网规划和动态电网规划。静态电网规划只对未来某 一负荷水平年的电网接线方案感兴趣，不要求考虑接线方案的过渡问题，因而又称为水平年规划。 这种规划不涉及何时投建新输电线路的问题，因此在进行费用比较时，可以不考虑资金的贴现。当 规划期较长时，需要将规划期分为几个水平年并考虑各水平年规划方案的过渡问题。在这种情况下， 必须同时确定在何时、何处投建新输电线路。这种规划称为长期电网规划或动态电网规划。 根据电网规划方案是否考虑了未来环境中的各种不确定信息，并在此基础上进行相应处理，对 电网规划又可分为确定性规划和灵活规划两类。确定性规划假定未来环境中各种因素均为已知的、 确定的，根据确定的条件、约束，建立数学模型，求得确定的网络规划方案。灵活电网规划又称为 电网柔性规划，在进行电网规划时，计及各种不确定性因素对规划结果的影响，以一种柔性的规划 方案来适应未来环境因素的变化，使规划方案在总体上达到最优。 1 4 2 电网规划模型的发展【3 2 】 3 3 1 数学模型方面。迄今国内外已发表了不少电力系统优化规划的数学模型，它们各有所长，但还 没有一个公认的完美模型。事实上，电力系统规划涉及问题很广。近年来随着电网规划优化方法的 发展，电网规划的模型也不断发展。 1 静态规划模型 在静态规划过程中，根据可靠性和经济性指标的处理方法，电网规划模型又可分为经济性模型 和可靠性模型两类。 1 1 经济性模型 a )无明确目标函数的规划模型 7 东南大学硕士学位论文 在最初的传统启发式方法中，没有明确的目标函数，而是将线路投资等隐含目标与线路的有效 性指标相结合。规划运算过程结束的原则是网络中没有冗余线路( 逐步减线法) 或网络中没有过负 荷线路( 逐步加线法) 。模型以隐式的直流潮流方程为约束，具有简单、易于计算等特点。 b )以明确的经济性指标为目标函数的模型 该模型以网络投资费用、运行费用、设备折旧维修费用和电能损耗费用等经济性指标之和为目 标函数，其中应用最广泛、最为大家所接受的是“水平年电网规划数学模型”。该模型以预测的某一 规划水平年的负荷水平为已知条件，以待选线路为决策变量，以线路建设投资和系统运行费用为目 标函数。根据具体情况，可以增、减一些经济性指标作为目标函数。 根据约束条件的不同，又可分为直流( d c ) 模型、运输( t r a n s p o r t a t i o n ) 模型、混合( h y b r i d ) 模型和分离( d i s j u n c t i v e ) 模型。 直流潮流模型 它要求规划网络完全满足直流潮流约束，包括全网( 现有和待扩建) 各节点功率守恒，即满足 k c l 方程；全网电压满足k v l 方程；各支路潮流限制：各电源出力满足上下限等。对待选线路而 言，只有当其被选中时，才满足k v l 方程；未被选中时，其潮流应为0 。即待选线路的k v l 约束 为非线性。因而该模型是一个约束较完备的混合整数非线性规划模型，是目前应用最广泛的一种模 型，但求解有难度。 运输模型 该模型只考虑各节点的功率守恒( k c l ) ，而忽略各支路应满足的电压平衡方程( k v l ) 。由于 忽略了非线性约束，该模型变为一个混合整数线性规划模型，比之d c 模型，较易于求解。但由于 忽略了一些约束，因而求得的最优规划方案无法满足直流潮流方程，需要在过负荷支路处追加一些 线路使网络满足直流潮流约束，而这将导致投资的增加。 混合模型 该模型综合了直流潮流模型和运输模型的特点。对于全网所有节点，均考虑满足k c l 约束。对 于k v l 方程，则只考虑现有线路应满足该约束，待选线路可以忽略该约束。该模型保留了运输模 型的线性特性，也较易于求解。 分离模型 该模型的特殊之处在于对待选线路的k v l 约束做了一些改进，将原来的k v l 平衡约束改为两 个上下限约束，避免了直流潮流模型中出现的非线性，而且也全面考虑了各种约束，具有较好的应 用价值。 1 2 可靠性模型 需求侧管理 3 4 1 的兴起使人们的可靠性观念发生了变化。人们不再仅以供电方节省投资为目的， 而开始注重投资的效益，认识到由于减少投资造成的停电损失超过节省资金的可能性，于是以用户 的停电损失为基础提出了可靠性价值。影响停电损失的因素很多，如不同用户对电力服务的不同要 求，有些用户可能愿意牺牲高可靠性而换取低的电价，而另外一些用户则愿意支付较高的电价得到 高可靠性的电力服务，如何合理估算电网的停电损失是电网扩展规划中起步不久的一个方面。需要 继续深入研究。 2 动态规划模型 动态规划模型中，决策变量在各阶段的取值相互制约，当线路在某一阶段被选中后，就不能在 其他阶段再被选中。对于目标函数，长期规划还必须考虑资金的时间价值。相对于静态规划，动态 规划模型要求一条线路最多只能在一个阶段被选中，因此应满足附加约束条件：x j ”1 ( n p t - - i 为规划总阶段数) 。如何很好地在求解过程中满足这一约束条件，是动态规划模型求解的难点，也是 其计算量大大增加的地方。动态规划方案的优劣，直接影响系统未来的再发展，而目前关于动态规 划的研究工作尚不充分，仍有大量工作有待去完成。 3 灵活规划模型 8 第一章绪论 随着社会、经济、科学技术的迅猛发展，以及日益加重的环境压力和各种新机制的引入，电网 规划正面l 临着越来越难以预测的因素。传统的电网规划方法显然无法适应这些不确定性因素的挑战， 其数学上严格的最优解对于未来的实际情况而言并非最优，甚至可能由于未来不确定性因素的影响 而不得不进行大量的补偿投资，因而降低甚至失去了最优规划的意义。近年来，弥补传统规划方法 的不足，计及不确定性因素的影响，提高规划方案的适应性，灵活电网规划方法的研究日益受到国 内外的广泛关注，成为近年电网规划研究的热点。 在前述各种静态和动态规划模型基础上，再考虑各种不确定性信息并做相应的处理【“，即可得 到各种灵活规划模型。 按照规划结果对约束条件满足情况的不同，电网灵活规划模型可分为两类：严格约束模型和柔 性约束模型 3 1 严格约束模型 在这类模型中，要求规划结果必须严格地满足约束条件。按照对不确定性信息处理方法的不同， 又可以分为对不确定性信息直接建立准确数学模型和无法建立其准确数学模型两类。相应地灵活规 划模型也可以分为两类： a )建立不确定性信息的准确数学模型 用一些数学方法对不确定信息处理，得到描述和处理不确定性信息的准确数学模型，再通过求 解该模型，得到规划结果。 i 随机规划模型 随机规划模型采用统计参数描述和处理电网规划中已有的经验和规律，用概率方法处理未来随 机环境中的各种参数，并通过随机潮流方法得到潮流指标，为随机规划提供数据。 随机规划模型需要的原始数据量大，而且电力系统中很多不确定性因素并不具有随机的性质， 故有一定的应用局限性，目前主要是对设备故障、运行状态，系统负荷状态等具有随机性质的事件 进行处理。 i i 模糊规划模型 模糊规划较适用于处理不同量纲、相互冲突的多目标优化和综合评判问题，最后的目标通常不 是某一指标达到最优，而是最大的综合满意度。在模糊规划模型中，通过模糊化处理各种不确定性 数据，并通过计算模糊潮流得到潮流指标，为模糊规划提供数据。模糊规划模型也是目前电网规划 中研究比较完善的一种灵活规划模型。 i i i 灰色规划模型 灰色理论是描述信息不确定性因素的工具。灰色规划模型将一些不确定性信息( 如节点负荷信 息、电源容量) 进行灰色建模，然后通过信息的白化处理，将灰色信息转化为确定性信息。目前在 电力系统灵活规划中灰色方法已经得到了初步的应用，但是灰色方法由于对灰色信息的处理不够缜 密，并且缺乏严格的数学理论支持，还有待改进和完善。 i v 盲数规划模型 盲数理论1 是近年来新出现的研究不确定性信息的数学理论，可以处理同时具有随机性、灰性、 未确知性和模糊性等两种及以上不确定性的信息。通过盲数b m 模型对不确定性信息进行建模，计 算盲数潮流m j ，求得在不同的线路盲数潮流过负荷概率值下的规划方案，然后通过成本效益分析， 求得综合最优规划方案。盲数理论能很好地处理具有多种性质的不确定性信息，值得大力研究。 b )多场景规划模型 对无法用数学方法给出准确数学模型的不确定性信息，一般采用预估的方法进行处理，比较有 效的方法是建立多场景规划模型。首先对未来环境中的各种不确定性因素进行分析，得到它们一系 列的可能取值。再通过组合的方法将各种不确定性信息可能的取值分别组合为一个个未来可能的环 境( 场景) 。通过计算，寻找出一个具有最好适应性和灵活性的规划方案，则此规划方案即为综合最 优方案。多场景规划模型的实质是通过将难以用数学模型表示的不确定性因素转变为较易求解的多 个确定性场景问题来处理，避免建立十分复杂的电网规划模型，大大降低了建模和求解的难度。其 难点在于如何合理地分析、预测出各种场景，以及如何判断规划方案的综合最优性。目前，有学者 9 东南大学硕士学位论文 通过等微增率准则，考虑线路被选概率和权衡方法建立并求解了多场景规划模型，取得了不错的效 果。 3 2 柔性约束模型 在前一类电网灵活规划模型中，约束条件是不可逾越的，规划方法是被动地适应约束条件。在 规划过程中，往往会为了降低某一条线路较小的过负荷率，使整个规划的投资费用大大提高。由于 规划数据都是对未来情况的预测，以高昂的代价来严格遵守预测情况，有时未必值得。这时可以考 虑在规划过程中允许部分线路出现一定的过负荷率，以此来寻求一种经济性和可靠性之间的平衡。 其目的不在于寻求一种严格满足约束的最优解，而是考虑如何能够在尽可能小的违反约束条件的情 况下，使目标函数的经济性大幅度得到提高。最后再根据规划的结果调整约束条件。就是说，柔性 约束规划是主动地从约束条件和规划决策两方面去求解问题的结果。 在电网规划中，由于实际问题的复杂性，为了对其进行合理的建模，可能会将前述一种或多种 模型有机结合，以期能最精确地反映实际问题。 随着电力市场的兴起和可靠性价值概念的形成，使得电网扩展规划方面产生了一系列的新概念， 如：最小成本规划、综合资源规划，它们追求的是全社会最大的收益。现在越来越多的电力公司要 求用可靠性成本效益的方法评价投资效益，可靠性模型越来越受到重视。可靠性模型的目标函数取 可靠性成本和可靠性效益的现值之和。可靠性成本为投资费用，可靠性