电力系统规划与可靠性-3电网规划

LOGO电力系统规划与可靠性第3讲电网规划内容安排概述直流潮流模型输电线路的输送能力电网电压等级的选择变电站的站址及容量选择架空送电线路导线截面的选择和校验网络结构规划的常规方法优化规划方法启发式规划方法LOGO一、概述电网规划的内容定义：以负荷预测和电源规划为基础，解决在何时、何地投建或改造何种类型的输电线路及其回路数问题基本原则：为实现规划期内所需要的输电能力，在满足各项技术指标的前提下，使方案总投入费用达到最少主要内容：1.确定输电方式2.选择电网电压3.确定变电站布局和规模4.确定网络结构电网规划的内容在输电方式上，我国现阶段仍以交流输电为主，只有在500kV及以上电压时才考虑直流输电的必要性电网规划的重点是对主网网架进行规划。目前，我国电网规划主要的解决问题为：1.大型水、火电厂及核电厂接入系统规划2.各大区电网或省级电网的受端主干电网规划3.大区电网或省级电网之间联网规划4.城市电网规划5.大型工矿企业的供电网规划电网规划应具备的条件电网规划的最终结果取决于原始资料和规划方法原始资料包括：1.规划年度用电负荷的电力、电量资料2.规划年度电源（现有和新增）的情况3.现有电网（包括在建设和已列入基建计划的线路和变电站）的基础资料电网规划方法电网规划方法主要包括：1.传统规划方法2.优化规划方法3.启发式规划方法优化规划方法和启发式规划方法均属于电网规划的数学方法。电网规划方法传统规划方法以方案比较为基础，参与比较的几个方案由规划人员根据经验提出。优点是：方法简单易操作。缺点是：方案的拟定由技术人员来完成，很大程度上依赖于规划者的经验，具有较大的主观性，所提出的若干个可行方案很可能不包含理论上的最优方案，难以保证决策的正确性和实施的可靠性。电网规划方法优化规划方法主要是运用运筹学中的规划理论，将电网规划的实际问题描述为各种数学优化模型，并利用计算机求解的一种方法。数学优化模型包含变量、目标函数、约束条件三个要素。优点是：考虑了各变量之间的相互影响，理论上可以自动形成规划问题的全部可能存在方案，并一定包含有最优方案。缺点是：电网规划的变量数很多、约束条件复杂，存在求解困难，在建立数学优化模型时不得不对具体问题做大量简化；有些规划决策因素难以用数学模型表达，因此数学上的最优解未必是符合工程实际的最优方案。电网规划方法启发式规划方法：以直观分析为依据，通常基于系统某一性能指标对可行路径上的一些线路参数进行灵敏度分析，根据一定原则，选择最有效的线路加入系统进行网络扩展。优点是：直观、灵活、计算时间短，便于人工参与决策且能给出符合工程实际的较优解。缺点是：难以选择既容易计算又能真正反映规划问题实质的性能指标，并且网络规模较大时，指标对于一组方案差别都不大，难以优化选择。LOGO二、直流潮流模型直流潮流模型在电网规划中，无论采用什么规划方法，贯穿始终的一项内容就是潮流计算。未来网络结构是否合理，往往就集中表现在网络的潮流分布是否合理。电力系统稳态分析课程所学的高斯-塞德尔法和牛顿-拉夫逊法等潮流计算方法都是交流潮流计算方法，需要多次迭代求解非线性方程组，精度较高但计算量较大，不适应形成电网规划方案时多次而反复的潮流计算要求。直流潮流模型直流潮流模型是把非线性电力潮流问题简化为线形电路问题，从而使分析计算非常方便。虽然它的精度不如交流潮流计算方法，但在输电网规划中，由于需要大量的过负荷校验计算，且原始资料本身也并不精确，因此仍得到了广泛的应用。在电网规划中，关键是如何把有功功率从电源处输送给负荷，即架线方案首先要保证有功潮流的输送。至于输电线上的无功潮流相对较小，可近似认为它对有功潮流分布没有影响。基于这种分析的成立，则产生了只反映有功潮流分布的直流潮流模型。直流潮流模型基础知识2134G1G21GP2GP2LP4LP3LPUIP2.节点注入电流1,2,3,4iiiUUiUU——节点电压相量；——电压幅值——电压相角1.节点有功功率注入112233344GLGLLPPPPPPPPP112233344GLGLLIIIIIIIII3.节点电压4.与的关系式IUT1234T1234IIIIUUUUIYUIU——节点注入电流列向量——节点电压列向量11121314212223243132333441424344j1,2,3,4jiiiiiiijijijYYYYYYYYYYYYYYYYYGBiYGBjiY节点导纳矩阵:自导纳：互导纳：直流潮流模型节点导纳矩阵Y的组成元素中:互导纳:自导纳:式中：yij——支路i-j的导纳，yij=1/zij；Rij，Xij——支路i-j的电阻和电抗，zij=Rij+jXij节点导纳矩阵Y中，每一行的对角元素Yii等于同一行其他非对角元素Yij之和的负值。22221jjjijijijijiijijijijijijjijRGRXRYXXyBRXj=(j)jiiijijjijijijiiijjijiijijjijiiijiijiijGBBGGYyYB直流潮流模型当节点电压以极坐标形式表示时，节点有功功率注入的交流潮流方程为：支路有功功率的交流潮流方程为：式中：N——系统节点数；Pi——节点i的有功功率注入；Pij——支路i-j流过的有功功率；Ui,Uj——节点i和节点j的电压幅值；——表示所有与节点i直接相连的节点，包括j=i；θij——支路i-j两端节点的电压相角差，θij=θi－θj；Gij，Bij——节点导纳矩阵Y中各元素的实部和虚部；tij——支路i-j的变压器非标准变比；2cossinijijijijijijijijiPUUGBtGUjicossin1,2,...,1iijijijijijjiPUUGBiN直流潮流模型考虑高压输电网的一般特性，依据以下条件对交流潮流方程进行简化，就可以得到直流潮流方程：1.高压输电线路的电阻一般远小于其电抗，即RijXij，因而可以假定：2.输电线路两端电压相角差一般不大(θij＜10%)，可取：220ijijijijRGRXcos1sinijijij直流潮流模型考虑高压输电网的一般特性，依据以下条件对交流潮流方程进行简化，就可以得到直流潮流方程：3.假定系统中各节点电压的标么值都等于1，则有：4.不考虑接地支路及变压器非标准变比的影响，即有：以上简化条件对有功潮流分布不致引起较大误差！1ijt11,2,...,1iUiN直流潮流模型将以上简化条件表达式代入如下节点有功功率注入的交流潮流方程式：可得：已知：cossin1,2,...,1iijijijijijjiPUUGBiN1,2,...,1iijijjiPBiN221ijijijijijXBRXX0iiijijjijijiBBB直流潮流模型代入推导可得：()iijijijijijiijjjijijijiiijijjjijijijjjijiijPBBBBBBBX直流潮流模型将上式写成矩阵形式，并将负号放入矩阵元素中可得：P=Bθ式中：P—节点注入有功功率向量,向量元素Pi=PGi－PDi，PGi和PDi分别为节点i的发电出力和负荷B—节点电纳矩阵θ—节点电压相角向量，11ijiiijjijiijijjijiBBBXX1T21,,[,]NPPPP1T21,,,[]Nθ直流潮流模型节点电纳矩阵B的结构形式1234B1B2B3B411121314212223243132333441424344BBBBBBBBBBBBBBBBB1212121223242324232334342434243411001111111111011110XXXXXXXXXXXXXXXXB直流潮流模型将简化条件表达式代入如下支路有功潮流方程式：可得：写成矩阵形式，有：Pl=BlΦ式中：Pl—各支路有功潮流构成的向量；Bl—由各支路电纳组成的对角矩阵；Φ—各支路两端电压相角差向量;2cossinijijijijijijijijiPUUGBtGUijijijijijPBX直流潮流模型设网络关联矩阵为A，则Φ=Aθ1234B1B2B3B41100B10110B20011B30101B4A1122233344421100011000110101ΦAθ直流潮流模型支路电纳对角矩阵Bl的结构形式：1234B1B2B3B412233442000000000000lBBBBB122334421000100010001000lXXXXB直流潮流模型P=Bθ和Pl=BlΦ均为线性方程式，它们是直流潮流方程的基本形式。由此可见，其方程已全部为实数运算形式。当系统运行方式及接线方式给定时，即P和B均给定时，由P=Bθ，通过三角分解或矩阵直接求逆可以求出状态向量θ，并进而由Φ=Aθ和Pl=BlΦ求出各支路的有功潮流Pij。由，参照对比直流电路基本关系式，故称为直流潮流模型。ijijijijijPBXUIR直流潮流模型直流潮流算法流程步骤1：输入电网原始数据，包括：节点发电出力、负荷；线路阻抗；节点编号、线路始末节点编号等步骤2：生成节点电纳矩阵B、支路电纳对角矩阵Bl、节点注入有功功率向量P、网络关联矩阵A等参数步骤3：由P=Bθ计算节点电压相角向量θ步骤4：由Φ=Aθ计算支路两端电压相角差向量Φ步骤5：由Pl=BlΦ计算支路有功潮流向量Pl步骤6：输出潮流计算结果直流潮流模型应用直流潮流模型求解输电系统的有功潮流分布非常简单。由于方程式是线性的，可以直接求解，无需迭代过程，即不存在收敛问题，故可以快速进行追加或开断线路后的潮流估算。通过直流潮流模型求出的有功功率与交流法计算结果相比，其误差并不大。显然，在输电网规划中，相比于交流潮流算法，采用直流潮流模型进行反复多次的有功潮流分析，其计算量大幅降低，同时也可以满足工程设计的要求。LOGO三、输电线路的输送能力输电线路的输送能力在规划架线方案时，最基本的一个技术约束条件就是线路输送功率要有限度，以满足系统的稳定要求以及设备本身的发热条件的限制。一般说来，线路输送能力主要与输送距离和电压等级有关：1.输送距离一定时，线路输送功率与其电压等级的平方成正比L＝常数时，2NLNLNNLUPUIUUX输电线路的输送能力2.电压等级确定的情况下，线路输送功率与其输送距离的变化关系如下图所示。输送距离较短时，输送容量几乎不随距离的改变而变化，此时输送功率主要受导线热稳定条件的限制；随着输送距离的增长，输送能力不断下降，这时输送功率则受线路动稳定条件的限制。电网规划设计时其电压等级已知，而且输送距离一般都较长，因此，线路的输送能力主要由动稳定条件来决定。输电线路的输送能力动稳定短路电流、短路冲击电流通过导体时，相邻载流导体间将产生巨大的电动力，严重时会造成导体的机械损坏。衡量电路及元件能否承受短路时最大电动力的这种能力，称作动稳定。动稳定电流表明了导体承受电动力的能力，大小由导电部分的机械强度来决定。热稳定电流通过导体时，导体要产生热量，并且该热量与电流的平方成正比，当有短路电流通过导体时，将产生巨大的热量，由于短路时间很短，热量来不及向周围介质散发，