徐 巖，遲 成，石海勇

(1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003;2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海西寧810008)

0 引言

市場(chǎng)環(huán)境下，輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃的基本任務(wù)是在滿(mǎn)足一定的可靠性水平下，盡可能經(jīng)濟(jì)地發(fā)展電力系統(tǒng)?，F(xiàn)有輸電線(xiàn)路在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)考慮了N－1原則等多項(xiàng)指標(biāo)，但是隨著電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)，一些已經(jīng)運(yùn)行了多年的線(xiàn)路在網(wǎng)絡(luò)一些元件退出運(yùn)行時(shí)就會(huì)引起某些線(xiàn)路的重載或者過(guò)載等可靠性降低現(xiàn)象。電力企業(yè)經(jīng)常不得不采取消減負(fù)荷的方法保證電網(wǎng)運(yùn)行安全，但是因此對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模規(guī)劃更換的做法不僅會(huì)加重電力企業(yè)的投資成本，造成電力企業(yè)的損失，還會(huì)造成用電客戶(hù)的損失。所以為了提高供電可靠性，致力于服務(wù)電力客戶(hù)的宗旨，以及為以后電網(wǎng)正常安全運(yùn)行，可以采用LCC方法進(jìn)行電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃方案研究比較。

面對(duì)輸電線(xiàn)路規(guī)劃，文獻(xiàn)［1］提出基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的輸電系統(tǒng)規(guī)劃方法，考慮處理更多的不確定因素;文獻(xiàn)［2］提出基于動(dòng)態(tài)碳排放價(jià)格的電網(wǎng)規(guī)劃模型;［3］基于風(fēng)險(xiǎn)因子建立了輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃模型，采用蒙特卡羅模擬法對(duì)輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃;但是以上規(guī)劃方法在可靠與經(jīng)濟(jì)之間多偏重于可靠，有些盡管兼顧考慮了經(jīng)濟(jì)性，但是多是每個(gè)階段只考慮本階段成本，缺乏系統(tǒng)性和整體性。

因此本文采用全壽命周期管理的方法，該方法在國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)［4，5］涉及輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)的LCC 的基本概念和模型;文獻(xiàn)［6］關(guān)注在輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)中影響LCC的動(dòng)因，以斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)衡量了各成本動(dòng)因與LCC 之間的關(guān)系;文獻(xiàn)［7］提出了一種基于LCC 的特高壓直流輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)選型的模型;文獻(xiàn)［8］特別針對(duì)電力變壓器進(jìn)行了全壽命周期成本建模，提出了綜合敏感性分析方法。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，把可靠性管理遷移到設(shè)備管理的起始階段，運(yùn)用蒙特卡羅模擬和直流潮流分析方法找到電網(wǎng)薄弱點(diǎn)和建立更加詳細(xì)、科學(xué)的輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化模型，追求設(shè)備全壽命周期成本最低，比較不同發(fā)展改造方案并選出最優(yōu)方案。

1 基于LCC 的輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃模型

［9］中LCC 基本模型，建立了基于LCC 的輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化模型。

期望缺供電量(兆瓦時(shí)/期間)的計(jì)算公式:

式中:N 表示負(fù)荷水平分級(jí)數(shù);Fi表示第i 級(jí)負(fù)荷水平下系統(tǒng)失效狀態(tài)的集合;Ti表示第i 級(jí)負(fù)荷水平的時(shí)間長(zhǎng)度，h;n(s)表示抽樣中s 狀態(tài)的發(fā)生數(shù);Ni表示抽樣總數(shù);C(s)表示狀態(tài)s 的負(fù)荷消減量，MW。上述變量可以在后文公式中求解。

作為電力企業(yè)，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的同時(shí)兼顧運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，以及用電客戶(hù)的用電體驗(yàn)，故本文采用了基于LCC 的方法模型建立下述采用直流潮流優(yōu)化模型，目的是在保證系統(tǒng)可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，出現(xiàn)線(xiàn)路故障時(shí)，可以以全壽命周期成本最小為目標(biāo)運(yùn)行，保證供電可靠性，增加企業(yè)收益。

潮流計(jì)算有兩種方法，一種是非線(xiàn)性交流潮流，屬于精確潮流，一種是線(xiàn)性直流潮流，屬于非精確潮流。文獻(xiàn)［11］對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比;文獻(xiàn)［12－13］運(yùn)用直流潮流解決電力系統(tǒng)問(wèn)題;文獻(xiàn)［14］提出一種提高計(jì)算精度的類(lèi)直流潮流算法。因?yàn)樵谙到y(tǒng)規(guī)劃時(shí)，規(guī)劃方案卻十分眾多，且要進(jìn)行大量預(yù)想事故篩選等，為了提高計(jì)算速度，所以本文采用了直流潮流。

上述公式是在滿(mǎn)足功率平衡，潮流關(guān)系，支路額定容量和發(fā)電機(jī)組出力限制的條件下，建立采用直流潮流方法的優(yōu)化模型。公式中Pl表示線(xiàn)路有功潮流矢量;A 表示有功潮流和母線(xiàn)注入功率的關(guān)系矩陣;PG 表示發(fā)電機(jī)輸出矢量;PD 表示母線(xiàn)的負(fù)荷矢量;C 表示母線(xiàn)負(fù)荷消減量;PGmax和PGmin表示發(fā)電機(jī)輸出量的上下限矢量;Plmax表示線(xiàn)路額定有功功率矢量;Wi表示母線(xiàn)重要性的權(quán)重因子;ND 表示負(fù)荷母線(xiàn)集合;NG 表示發(fā)電機(jī)母線(xiàn)集合。

直流潮流有θ = XP，Pl= BlΦ，Φ = Alθ 關(guān)系，關(guān)系矩陣A 為

式中:Bl表示各支路導(dǎo)納組成的對(duì)角矩陣，設(shè)系統(tǒng)的支路數(shù)為l，則Bl為l 階方陣;Al表示網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣;θ 表示節(jié)點(diǎn)電壓相角向量;Φ 表示各支路兩端相角差向量;X 表示節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣虛部的逆矩陣。

2 基于LCC 的輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃方法

本文討論的基于LCC 的輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃方法步驟分為兩大部分:第一部分是統(tǒng)計(jì)找到網(wǎng)絡(luò)所有狀態(tài)下的重載線(xiàn)路;第二部分是針對(duì)這些線(xiàn)路提出不同發(fā)展規(guī)劃方案來(lái)解決重載造成負(fù)荷消減的問(wèn)題，再利用LCC 模型討論不同方案的優(yōu)劣。

第一部分流程如圖1所示。

圖1 找尋重載線(xiàn)路流程圖Fig.1 The flow chart of looking for heavy haul line

第二部分對(duì)造成負(fù)荷消減的重載線(xiàn)路進(jìn)行擴(kuò)容。選擇哪些重載線(xiàn)路擴(kuò)容，擴(kuò)容多少容量，以及如何選擇導(dǎo)線(xiàn)可以形成多套方案，所以要通過(guò)計(jì)算不同方案的各個(gè)階段成本，選擇總成本最小的方案為最優(yōu)方案。

第二部分具體步驟如下:

(1)建立一個(gè)多級(jí)水平負(fù)荷模型，將年負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)按不同負(fù)荷水平統(tǒng)計(jì)。

(2)選擇一個(gè)擴(kuò)容方案。

(3)選擇一個(gè)年份，再選擇該年份一個(gè)負(fù)荷水平，利用蒙特卡羅模擬方法選擇系統(tǒng)狀態(tài)。由于本文考慮的是輸電系統(tǒng)規(guī)劃，所以設(shè)定發(fā)電機(jī)組是100%可靠，輸電線(xiàn)路分為正常運(yùn)行和停運(yùn)兩種狀態(tài)進(jìn)行模擬。

(4)使用直流潮流優(yōu)化方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，求解線(xiàn)性規(guī)劃最小負(fù)荷消減模型，盡可能減少負(fù)荷消減。

(5)計(jì)算修改成本指標(biāo)期望缺供電量EENS。

(6)重復(fù)(2)到(5)步驟，直到所有年份所有負(fù)荷水平都計(jì)算完畢。

(7)計(jì)算運(yùn)行成本，檢修維護(hù)成本和故障成本，注意現(xiàn)值折算系數(shù)。

(8)統(tǒng)計(jì)投資成本和退役處置成本，計(jì)算方案的全壽命周期成本。

(9)重復(fù)(2)到(8)步驟，直到所有方案都統(tǒng)計(jì)完成。

(10)比較不同方案的全壽命周期成本，選擇出最優(yōu)方案。

圖2 輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃方法整體流程圖Fig.2 The flow chart of transmission line planning methods

3 算例分析

本文采用上述方法用MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)對(duì)IEEE39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行LCC 發(fā)展規(guī)劃。規(guī)劃所需要的起始參數(shù)如表1所示，候選輸電線(xiàn)路參數(shù)如表2所示。

節(jié)點(diǎn)的地理位置詳見(jiàn)附表1，設(shè)定年負(fù)荷運(yùn)行曲線(xiàn)形狀不發(fā)生變化，年負(fù)荷增長(zhǎng)率為2%，設(shè)定系統(tǒng)負(fù)荷點(diǎn)年負(fù)荷數(shù)據(jù)詳見(jiàn)附表2，基準(zhǔn)值是100 MW。

表1 輸電線(xiàn)路LCC 規(guī)劃參數(shù)Tab.1 Transmission lines LCC planning parameters

表2 候選輸電線(xiàn)路參數(shù)Tab.2 Candidate transmission lines parameters

首先統(tǒng)計(jì)找到所有狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)中重載嚴(yán)重的線(xiàn)路以及各重載線(xiàn)路占比例，結(jié)果見(jiàn)表3，表中線(xiàn)路標(biāo)號(hào)是由線(xiàn)路兩端母線(xiàn)號(hào)表示。

表3 找尋重載線(xiàn)路仿真結(jié)果Tab.3 The simulation results of heavy haul line searching

由表3 可知重載線(xiàn)路最嚴(yán)重的是線(xiàn)路6－11，其次依次是線(xiàn)路28－29，線(xiàn)路16－21，分別超過(guò)10%比例，三者占到總比例的67.04%，所以針對(duì)這三條線(xiàn)路進(jìn)行改造規(guī)劃，本文根據(jù)三條線(xiàn)路改造不同分為多種方案進(jìn)行仿真分析計(jì)算各方案LCC，找到最優(yōu)方案，方案討論結(jié)果見(jiàn)表4所示，由于退役處置成本，包括拆除處置人工、設(shè)備費(fèi)用以及運(yùn)輸費(fèi)等，本文設(shè)定設(shè)備處理廢品收益抵消上述成本，所以退役處置成本為零，沒(méi)有在表中討論，此外，表中的檢修維護(hù)成本只考慮了涉及到的三條線(xiàn)路，因?yàn)槠溆嗑€(xiàn)路的檢修維護(hù)成本在三種方案中基本相同，所以也沒(méi)有在表中體現(xiàn)。故障成本涉及到的EENS 數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

方案A1 是不采取任何改造措施，作為其他方案的對(duì)比。

方案A2 是線(xiàn)路6－11 擴(kuò)容到額定功率600 MW 的低故障率輸電線(xiàn)，線(xiàn)路28－2 和16－21 擴(kuò)容到額定功率700 MW 的低故障率輸電線(xiàn)。

方案A3 是線(xiàn)路線(xiàn)路6－11 擴(kuò)容到額定功率600 MW 的高故障率輸電線(xiàn)，線(xiàn)路28－2 和16－21擴(kuò)容到額定功率700 MW 的高故障率輸電線(xiàn)。

表4 方案比較結(jié)果Tab.4 Scheme comparison results

表5 各方案期望缺供電量Tab.5 The scheme of expected energy not supplied (MW)

首先比較兩個(gè)改造方案，由表4 可以比較看出，方案A3 的LCC 與方案A2 相比LCC 相差11.68 萬(wàn)元，數(shù)值很接近。盡管方案A3 的投資成本低于方案A2，但是在故障成本中大于方案A2，再由表5 可知5年內(nèi)A2 的期望缺供電量要比A3少近9 247.492 MW，平均每年減少期望缺供電量1 849.50 MW，這是一個(gè)可觀(guān)的數(shù)字。再分析對(duì)比方案A1，方案A1 的LCC 很小，主要是因?yàn)闆](méi)有多余的投資成本，但是從表4 和表5 可以看出供電和輸電網(wǎng)可靠性很差，盡管該方案相比改造方案的成本要低價(jià)的多，但是不符合我國(guó)電網(wǎng)公司屬于國(guó)企以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為目標(biāo)的國(guó)策，也不符合電力企業(yè)致力于可靠運(yùn)行，致力于客戶(hù)的宗旨。

綜上所述，從LCC 成本、提高用戶(hù)供電和輸電網(wǎng)運(yùn)行可靠性三方面考慮，應(yīng)該選擇方案A2。

4 結(jié)論

本文提出一種全壽命周期成本用于輸電線(xiàn)路發(fā)展改造方案選擇的方法。目的是在電網(wǎng)改造時(shí)，保證可靠性情況下減輕電力企業(yè)的改造投資成本和電力用戶(hù)的損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。方法中運(yùn)用了蒙特卡羅模擬和直流潮流分析方法:首先找到輸電線(xiàn)路薄弱點(diǎn)，再建立基于LCC 的輸電線(xiàn)路發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化模型，然后定量分析輸電線(xiàn)路改造方案的初始投資、運(yùn)行成本、維護(hù)成本、故障成本、廢棄成本，最后尋求經(jīng)濟(jì)性和可靠性上最優(yōu)的方案。最后通過(guò)算例中IEEE39 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行分析，發(fā)展改造方案研究比較，得出應(yīng)該選擇較高成本但故障率低的方案的結(jié)論，證明了本方法的可行性和有效性。

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