一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法

摘要

本发明公开了一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法，包括：根据工程参数，建立交直流系统模型，得到交直流系统模型的运行参数，根据工程参数和运行参数得到潮流分布指标和安全稳定性指标，然后进行层次分析得到潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标权重；利用潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标权重，绘制扇形雷达图，利用扇形雷达图提取潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标的特征量；构造评价函数，得到评价函数值，当评价函数值最大时，对应的特高压交直流混联系统中特高压直流系统接入特高压交流系统的接入方式最优。本发明有效全面的评估直流受端接入方式的优缺点，并且能提高受端交流系统的安全稳定水平。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法。

背景技术

极随着越来越多落点东中部电网的特高压直流输电工程的建成投运，东中部受端交流系统逐渐演变为多馈入直流接入系统。由于这些特高压直流工程大多采用电网换相换流器(1ine commutated converter，LCC)，需要受端交流电网提供足够的换相电压，当受端系统较弱时易引起换相失败，威胁着受端电网的安全稳定。而特高压直流输电受端接入方式对受端交流系统的强弱和其对直流系统的支撑能力将产生影响。因此，研究特高压直流受端接入方式的影响将具有重要意义。

当前特高压直流受端接入方式可分为单层接入方式和分层接入方式两种。采用单层接入方式的特高压直流输电工程，其逆变站仅接入一个电压等级的交流系统中。而分层接入方式下的逆变站馈入的直流功率注入到两个不同电压等级的受端交流电网中。目前对这两种接入方式影响的定量分析主要围绕短路比指标开展，但是，仅仅依靠短路比指标来衡量受端交流系统的强弱是不全面的，而且现有技术对接入方式在潮流分布和安全稳定性等方面的其他影响分析主要为定性分析。

由此可见，现有技术存在无法全面地评价直流输电受端接入方式的影响的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法，由此解决现有技术存在无法全面地评价直流输电受端接入方式的影响的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法，包括：

(1)根据特高压交直流混联系统的工程参数，建立交直流系统模型，对交直流系统模型进行仿真分析，得到交直流系统模型的运行参数，运行参数包括各线路传递有功功率、各母线电压、各发电机相对功角、受扰后各交流线路的功率摇摆峰值和各交流线路故障后稳态运行功率，工程参数包括；各线路热稳定极限功率、各受端电网特高压交流主变压器的下网功率和各换流站容量；

(2)根据各线路传递有功功率、各线路热稳定极限功率和各受端电网特高压交流主变压器的下网功率得到潮流分布指标，潮流分布指标包括潮流均匀度指标、线路负荷率指标、断面热稳定水平指标和特高压主变下网功率指标，根据各换流站容量、各母线电压、各发电机相对功角、受扰后各交流线路的功率摇摆峰值和各交流线路故障后稳态运行功率得到安全稳定性指标，安全稳定性指标包括短路比指标、换相失败系数指标、功角严重度指标和故障摇摆严重度指标；

(3)将短路比指标和断面热稳定水平指标作为静态稳定性指标，将换相失败系数指标、功角严重度指标和故障摇摆严重度指标作为暂态稳定性指标，将潮流均匀度指标、线路负荷率指标和特高压主变下网功率指标作为经济性指标，分别为静态稳定性指标、暂态稳定性指标和经济性指标进行层次分析得到潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标权重；

(4)利用潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标权重，得到8个扇形的半径和圆心角，利用8个扇形的半径和圆心角绘制扇形雷达图，利用扇形雷达图提取潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标的特征量；

(5)利用潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标的特征量，构造评价函数，得到评价函数值，当评价函数值最大时，对应的特高压交直流混联系统中特高压直流系统接入特高压交流系统的接入方式最优。特高压交直流混联系统中，特高压直流系统为±1100kV直流系统或者±800kV直流系统；特高压交流系统为1000kV及以上电压等级交流系统。

进一步的，潮流均匀度指标为：

其中，σ为潮流均匀度指标，为直流落点一级断面的线路负荷率平均值，P_i是线路i传递有功功率，P_ti是线路i热稳定极限功率，N为直流落点一级断面的线路总数。

进一步的，线路负荷率指标为：

其中，k_LLR为线路负荷率指标，D_i是惩罚函数，若线路i传递有功功率大于等于热稳定极限功率，则D_i为1，否则D_i为0，P_i是线路i传递有功功率，P_ti是线路i热稳定极限功率，N为直流落点一级断面的线路总数。

进一步的，断面热稳定水平指标为：

其中，k_TI为断面热稳定水平指标，P_i是线路i传递有功功率，P_ti是线路i热稳定极限功率，N为直流落点一级断面的线路总数。

进一步的，特高压主变下网功率指标为：

其中，k_t为特高压主变下网功率指标，P_Ti为受端电网第a个特高压交流主变压器的下网功率，n为特高压交流主变压器的总数，S_B为基准容量，S_B设为10000MVA。

进一步的，短路比指标为：

其中，MISCR_i为短路比指标，S_aci1为换流站i1处的短路容量，换流母线i2电压U_i2变化为ΔU_i2时换流母线j的电压变化量ΔUj，P_dNi3为直流系统i3的额定输送容量，P_dNj为直流系统j的额定输送容量，n1为特高压交直流混联系统中的直流线路总数。

进一步的，换相失败系数指标为：

其中，k_CF为换相失败系数指标，N₁和N₂分别为直流落点近区线路进行N-1和N-2故障校验的总次数，直流落点近区受端电网线路均为同杆并架双回输电线路，N-1指的是切除同杆并架双回输电线路中的一回，N-2指的是切除两回同杆并架输电线路，若出现换相失败，则D_1i和D_2i置1，否则D_1i和D_2i置0。

进一步的，功角严重度指标为：

其中，δ_ang为功角严重度指标，θ_i和θ_j分别是发电机j1和发电机j2的相对功角。

进一步的，故障摇摆严重度指标为：

其中，k_sw为故障摇摆严重度指标，N1为特高压交直流混联系统中的交流线路总数，P_maxi4是受扰后交流线路i4的功率摇摆峰值，P_ssi4是交流线路i4在故障后稳态运行功率。

进一步的，评价函数为：

其中，v_i1为总体水平评价值，v_i2为均衡度评价值，m表示评价对象总数，每个评价对象的特高压交直流混联系统中特高压直流系统接入特高压交流系统的接入方式不同，_i5表示第_i5个评价对象，s_i5为第_i5个评价对象的各扇形面积之和，σ_i5为第_i5个评价对象的各扇形半径标准差，根据扇形雷达图得到各扇形半径标准差和各扇形面积之和。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)为了定量全面地评价特高压直流受端接入方式的影响，本发明从潮流分布和安全稳定性两个方面入手建立了直流受端接入方式的评价指标体系。提出一种特高压直流接入方式综合评估方法，能有效评估直流受端接入方式的优缺点，为确定特高压直流受端接入时适宜选择的接入方式提供依据。

(2)本发明基于层次分析法和扇形雷达图，提出了适用于特高压直流接入方式的综合评价方法，可以衡量不同接入方式的总体水平高低。

(3)本发明根据指标值计算结果，发现分层接入方式相对于单层接入方式具有优越性，主要体现在短路比、潮流分布和经济性上。此外，分层接入方式下合理安排直流落点出线可以使直流落点附近潮流分布更为均匀，并且能提高受端交流系统的安全稳定水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种特高压接入方式的量化评估指标体系框架图；

图3是本发明实施例提供的扇形雷达图；

图4是本发明实施例提供的直流受端可行接入方式示意图；

图5是本发明实施例提供的不同接入方式综合评价结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种特高压接入方式的量化评估指标体系及综合评估方法，包括：

(1)根据特高压交直流混联系统的工程参数，建立交直流系统模型，对交直流系统模型进行仿真分析，得到交直流系统模型的运行参数，运行参数包括各线路传递有功功率、各母线电压、各发电机相对功角、受扰后各交流线路的功率摇摆峰值和各交流线路故障后稳态运行功率，工程参数包括；各线路热稳定极限功率、各受端电网特高压交流主变压器的下网功率和各换流站容量；

(2)根据各线路传递有功功率、各线路热稳定极限功率和各受端电网特高压交流主变压器的下网功率得到潮流分布指标，如图2所示，潮流分布指标包括潮流均匀度指标、线路负荷率指标、断面热稳定水平指标和特高压主变下网功率指标，根据各换流站容量、各母线电压、各发电机相对功角、受扰后各交流线路的功率摇摆峰值和各交流线路故障后稳态运行功率得到安全稳定性指标，安全稳定性指标包括短路比指标、换相失败系数指标、功角严重度指标和故障摇摆严重度指标；为了描述直流落点近区线路潮流分布的均匀程度，潮流均匀度指标为：

其中，σ为潮流均匀度指标，为直流落点一级断面的线路负荷率平均值，P_i是线路i传递有功功率，P_ti是线路i热稳定极限功率，N为直流落点一级断面的线路总数。

考虑直流落点近区的线路负荷率情况，线路负荷率指标为：

其中，k_LLR为线路负荷率指标，D_i是惩罚函数，若线路i传递有功功率大于等于热稳定极限功率，则D_i为1，否则D_i为0，P_i是线路i传递有功功率，P_ti是线路i热稳定极限功率，N为直流落点一级断面的线路总数。若线路功率越限，通过惩罚函数在线路负荷率指标中引入一个较大的增量，通过线路负荷率可以清晰地识别出这一情况。

断面热稳定水平指标为：

其中，k_TI为断面热稳定水平指标，P_i是线路i传递有功功率，P_ti是线路i热稳定极限功率，N为直流落点一级断面的线路总数。

特高压主变下网功率指标为：

其中，k_t为特高压主变下网功率指标，P_Ti为受端电网第a个特高压交流主变压器的下网功率，n为特高压交流主变压器的总数，S_B为基准容量，S_B设为10000MVA。

短路比指标反映了直流间的相互作用及电网对换流母线的无功电压支撑能力大小，对系统电压稳定性具有一定表征作用，利用该指标能够直观初步地评估系统保持电压稳定的能力。短路比指标为：

其中，MISCR_i为短路比指标，S_aci1为换流站i1处的短路容量，换流母线i2电压U_i2变化为ΔU_i2时换流母线j的电压变化量ΔUj，P_dNi3为直流系统i3的额定输送容量，P_dNj为直流系统j的额定输送容量，n1为特高压交直流混联系统中的直流线路总数。

换相失败系数指标为：

其中，k_CF为换相失败系数指标，N₁和N₂分别为直流落点近区线路进行N-1和N-2故障校验的总次数，直流落点近区受端电网线路均为同杆并架双回输电线路，N-1指的是切除同杆并架双回输电线路中的一回，N-2指的是切除两回同杆并架输电线路，若出现换相失败，则D_1i和D_2i置1，否则D_1i和D_2i置0。

交流系统的发电机相对功角在稳定运行时保持恒定，受到故障等扰动时，发电机的机械功率和电磁功率失去平衡，转子不再以同步转速旋转，各机组功角发生摇摆。若某些发电机间的相对角度不断增大直至超过180°，则将导致系统失去暂态稳定。功角暂态稳定的判别原则为：电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，若系统内大机组之间的相对功角大于180°，则认为失步。为了量化分析不同接入方式下受端电网的功角稳定裕度，功角严重度指标为：

其中，δ_ang为功角严重度指标，θ_i和θ_j分别是发电机j1和发电机j2的相对功角。

运行经验表明，长距离互联电力系统的特高压联络线易遭受扰动，产生大幅度、长周期的功率摇摆。由于联络线功率摇摆峰值影响着系统的安全稳定性，考虑利用这一指标来观察直流接入方式对受端系统暂态稳定性的影响。故障摇摆严重度指标为：

其中，k_sw为故障摇摆严重度指标，N1为特高压交直流混联系统中的交流线路总数，P_maxi4是受扰后交流线路i4的功率摇摆峰值，P_ssi4是交流线路i4在故障后稳态运行功率。

(3)将短路比指标和断面热稳定水平指标作为静态稳定性指标，将换相失败系数指标、功角严重度指标和故障摇摆严重度指标作为暂态稳定性指标，将潮流均匀度指标、线路负荷率指标和特高压主变下网功率指标作为经济性指标，分别为静态稳定性指标、暂态稳定性指标和经济性指标进行层次分析得到潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标权重；

(31)将实际问题分解为多个指标后对其层次化，形成有序的逐级层次结构。然后针对逐层对各指标的相对重要性进行比较，建立判断矩阵。若存在n个指标，判断矩阵构造如下：

其中，a_ij＝f(x_i，x_j)为指标x_i和x_j之间的相对重要性的标度，当i＝j时，a_ij＝1，当i≠j时，a_ji＝1/a_ij，f(x_i，x_j)的采用成对比较法和1～9比较尺度确定，如表1所示为判断矩阵元素取值及含义。

表1判断矩阵元素取值及含义

x_i相比x_j的重要性相等较重要重要很重要绝对重要介于两者之间a_ij135782，4，6，8

(32)判断矩阵后需要利用一致性判据对判断矩阵做一致性校验。当一致性比率C_R＜0.1时，说明判断矩阵构建合理；否则需要调整判断矩阵使其满足一致性校验。定义的一致性比率CR如下：

其中λ_max是判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵阶数，R_I为平均随机一致性指标，它只与判断矩阵的阶数n相关，其取值如表2所示。

表2平均随机一致性指标

n123456789R_I000.520.891.121.241.361.411.46

一致性校验通过后，计算判断矩阵的最大特征向量，将其进行归一化处理后可得权重向量W。

其中为判断矩阵每一行元素的乘积的n次方根组成的n行1列矩阵，其中每一个元素

层次分析法中计算的指标权重向量W与模糊关系矩阵R通过模糊矩阵合成运算，得到模糊综合评价向量：

然后根据最大隶属度原则，确定评价对象所处的评价等级。若模糊综合评价向量满足b_r＝max_1≤j≤n(b_j)，则说明评价对象整体来说隶属于第r等级在本发明中根据评价指标构建原则和对电力系统安全稳定性、可靠性和经济性的要求，对潮流分布和安全稳定性方面的各项指标进行重新归类、总结，定义了静态稳定性指标、暂态稳定性指标、经济性指标这3大类评价指标。每类指标由多个下级指标构成。如表3所示。

表3不同接入方式的评价指标体系

对静态稳定性指标中2项子指标进行对比，得到静态稳定性指标的判断矩阵为：

计算得到的静态稳定性指标中2项子指标的权重向量W＝[0.75 0.25]^T，并针对指标权重向量进行一致性校验。由步骤(32)中公式计算得到C_I＝0，当n＝2时，R_I＝0，因此C_R＝0，满足一致性校验结果，说明判断矩阵合理。

对暂态稳定性指标中3项子指标进行对比，得到暂态稳定性指标的判断矩阵为：

计算得到的暂态稳定性指标中3项子指标的权重向量W＝[0.6694 0.25 0.0879]^T，并针对指标权重向量进行一致性校验。由公式(12)计算得到C_I＝0.0035，当n＝3时，R_I＝0.52，因此C_R＝0.0067，满足一致性校验结果，说明判断矩阵合理。

对经济性指标中3项子指标进行对比，得到经济性指标的判断矩阵为：

计算得到的经济性性指标中3项子指标的权重向量W＝[0.5584 0.3196 0.1220]^T，并针对指标权重向量进行一致性校验。由公式(12)计算得到C_I＝0.0091，当n＝3时，R_I＝0.52，因此C_R＝0.0175，满足一致性校验结果，说明判断矩阵合理。

下面确定静态稳定性指标、暂态稳定性和经济性指标这3项的判断矩阵为：

计算得到的静态稳定性、暂态稳定性和经济性性指标的权重向量W＝[0.41260.3275 0.2599]^T，并针对指标权重向量进行一致性校验。由公式(12)计算得到C_I＝0.0268，当n＝3时，R_I＝0.52，因此C_R＝0.0515，满足一致性校验结果，说明判断矩阵合理。

最终得到的8个评价指标(短路比指标、断面热稳定水平指标、换相失败系数指标、功角严重度指标、故障摇摆严重度指标、潮流均匀度指标、线路负荷率指标、特高压主变下网功率指标)的权重向量为

W＝[0.3094 0.1031 0.2192 0.0795 0.0288 0.1451 0.0831 0.0317]^T。

(4)利用潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标权重，得到8个扇形的半径和圆心角，利用8个扇形的半径和圆心角绘制扇形雷达图，如图3所示，利用扇形雷达图提取潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标的特征量；

(41)构造判断矩阵并对判断矩阵作一致性校验

对n个指标进行两两比较，根据1-9标度法，得出n个指标组成的判断矩阵。一致性校验的方法与上节层次分析法中的介绍相一致。求判断矩阵的特征向量W＝[W₁，W₂，...，W_n]^T。

(42)m个方案的n个指标用矩阵A表示并作标准化处理：

(43)计算n个指标的扇形圆心角组成的向量，画出扇形雷达图

α＝2πW＝[α₁，α₂，...，α_n]^T，其中即以a_ij为第j个指标的扇形的半径，以α_ij为该扇形的圆心角，画出由行个指标的扇形所组成的扇形雷达图。

(44)提取扇形雷达图的特征向量

求取特征向量u_i＝[S_i，σ_i]，其中S_i是各扇形面积之和，是扇形雷达图的等效半径，σ_i是各扇形半径的标准差。

S_i、和σ_i的值不会随指标排列顺序不同而变化。S_i表示项目实施效果总体水平的高低，图形面积越大，表明该工程项目实施效果的总体水平愈高，反之越低；σ_i表示项目实施效果各方面的发展协调程度，当面积一定时，各扇形半径标准差越小，说明各指标最均衡。

(5)利用潮流分布指标和安全稳定性指标中各指标的特征量，构造评价函数，得到评价函数值，当评价函数值最大时，对应的特高压交直流混联系统中特高压直流系统接入特高压交流系统的接入方式最优。特高压交直流混联系统中，特高压直流系统为±1100kV直流系统或者±800kV直流系统；特高压交流系统为1000kV及以上电压等级交流系统。评价函数为：

其中，v_i1为总体水平评价值，v_i2为均衡度评价值，m表示评价对象总数，每个评价对象的特高压交直流混联系统中特高压直流系统接入特高压交流系统的接入方式不同，_i5表示第_i5个评价对象，s_i5为第_i5个评价对象的各扇形面积之和，σ_i5为第_i5个评价对象的各扇形半径标准差，根据扇形雷达图得到各扇形半径标准差和各扇形面积之和。

实施例1

本发明的仿真平台为Window2007/Xp平台中文版BPA潮流及暂态稳定程序，采用数据为国家电网2018年冬季平峰运行方式，直流模型采用基于ABB实际直流控制系统的DA准稳态模型。目前特高压直流受端接入方式主要分为单层和分层接入方式两类。本发明设计了8种±1100kV直流受端可行的接入方式，如表所示。接入方式3和4中受端换流站单层接入1000kV等级交流电网，接入方式5和6中受端换流站单层接入500kV等级交流电网，其余接入方式为分层接入方式。如图4所示，显示了接入方式1的示意图，该接入方式中±1100kV直流受端换流站落点皖南，受端换流站500kV出线6回，双开断环入500kV繁昌-敬亭双回线路中并新增双回线路至芜三变电站；受端换流站1000kV出线2回，直接接入1000kV皖南特高压变电站。

表4评价对象：±1100kV受端可行的接入方式

对于±1100kV直流接入方式的评价，本文已从潮流分布和安全稳定性两个方面建立了8个不同的指标。根据评价指标构建原则和电力系统安全稳定性、可靠性和经济性要求，得到各个指标的权重向量及对应的扇形夹角如表5所示，在不同的接入方式下各个指标的具体值如表6所示。

表5评价对象：指标权重及扇形夹角

指标权重扇形夹角/°短路比指标0.3094111.384断面热稳定水平指标0.103137.116换相失败系数指标0.219278.912功角严重度指标0.079528.62故障摇摆严重度指标0.028810.368潮流均匀度指标0.145152.236线路负荷率指标0.083129.916特高压主变下网功率0.031711.412

表6标准化处理后不同接入方式评价指标

由表可知，选择接入方式1时，直流落点出线的潮流分布最为均匀，馈入的直流功率最为均匀地扩散开。由线路负荷率指标和断面热稳定水平可知，采用接入方式5和接入方式6这两个单层接入500kV电压等级的接入方式时，导致500kV层级电网的潮流较重、输电断面的热稳定水平较低，使得系统运行面临风险较大，在故障或扰动情况下其线路上传输的有功功率有很大可能会超过其热稳定极限功率，不利于受端电网的稳定性。由特高压主变下网功率指标可知，采用接入方式3和方式4时，所需特高压主变的投资较大，经济性不高。由短路比指标可知采用分层接入方式的两个落点的短路比指标值均大于单层接入方式，可见采用分层接入方式能提高受端系统的电压支撑能力，有助于提高受端交流系统的电压稳定性。从换相失败系数可知，采用接入方式3～5，其直流落点近区交流系统故障引起直流换相失败的可能性要高于其他接入方式。由功角严重度指标和故障摇摆严重度指标可知，采用接入方式3和接入方式4时，受端交流系统受到扰动后系统振荡较其他接入方式要严重。

将表6中标准化后的指标值作为扇形雷达图的半径，扇形图夹角见表5，由此绘制出每种接入方式的扇形雷达图，提取出的扇形图特征量和总体评价如图5和表7所示。

表7接入方式总体评价值

由此可知，本发明实施例1所研究的8种±1100kV直流受端接入方式的综合排名为：

方式1>方式8>方式2>方式7>方式6>方式4>方式3>方式5。

由综合评价结果可知，接入方式1具有最优的综合评价值，其面积评价值最高，说明该接入方式在所研究的接入方式中总体水平最高，并且接入方式1的指标均衡度也最高，说明其各项指标的发展最为均衡。因此接入方式1是所设计的可行接入方式中最优的接入方式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。