一种直流电网网架构建方法

摘要

本发明涉及一种直流电网网架构建方法，该方法包括下述步骤：(1)确定直流电网网架构建原则；(2)规划直流电网网架的发展；(3)构建直流电网网架拓扑。本发明确定直流电网发展方向是：网架坚强、结构合理、安全可靠、运行灵活、技术先进，并不断提高电网输送能力、资源优化配置能力和抵御事故能力，有利于推进直流电网拓扑研究的深入。

权利要求

1.一种直流电网网架构建方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：(1)构建直流电网网架；

(2)规划直流电网网架的发展；

(3)构建直流电网网架拓扑；

所述步骤(3)中，直流电网网架拓扑描述换流站集合和输电线路集合的连接关系，用无权无向网架拓扑图描述换流站集合和输电线路集合的连接关系，包括：a.记换流站的送端或受端为一个节点；

b.两换流站之间的输电线路记为连接送端和受端的一条连边；

c.换流站节点与自己不相连，即不存在自环；

d.两换流站间最多只有一条连边，即不存在重边；

e.连边只代表节点间的连接关系，没有权重；

f.双极直流输电系统和背靠背换流站均用两个换流站及其一条输电线路描述；

直流电网网架拓扑采用由换流站集合V和输电线路集合E组成的图G＝(V，E)描述，其中，V＝(v1，v2，…，vN)；E＝(e1，e2，…，eM)；换流站节点数记为N＝|V|，输电线路连边数记为M＝|E|；任意一条输电线路连边对应于一个换流站节点的二元组：ex＝{vi，vj}；

直流电网网架拓扑采用邻接矩阵B描述；图G＝(V，E)的邻接矩阵为B，是一个N阶方阵；

如果换流站节点vi和换流站节点vj相连，则B的第i行和第j列上的元素bij＝1；否则，记为bij＝0。

2.如权利要求1所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述步骤(1)中，直流电网网架的构建包括：A、确定直流电网电压等级序列：包括特高压、超高压、高压和中低压电压等级；

B、对直流电网分区分层：根据直流电网面向电力资源配置和面向用户供电的功能，将直流电网分为输电网和配电网；结合覆盖区域和电网规模，进一步划分为国家骨干输电网、区域主干输电网、地区输电网、地区配电网、小型和微型配电网；

C、确定电源接入方式：所述电源包括集中式大电源和分布式电源；集中式大电源电厂经各自的输电回路，分层、分散接入国家骨干输电网、区域主干输电网；每一路外部电源输电容量不超过全系统总容量的20～30％；分布式电源接入负荷侧就地利用，根据容量分层、分散接入中低压配电网；

D、确定受端电网：包括直接接入直流配电网和接入与直流电网相连的受端交流电网。

3.如权利要求1所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用全局统筹和局域统筹规划直流电网网架的发展，并结合直流电网的不确定因素调整直流电网网架。

4.如权利要求1所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述步骤(3)中，构建直流电网网架拓扑包括构建规则网络、随机网络、小世界网络或无标度网络。

5.如权利要求4所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述构建规则网络包括构建星型网络、树型网络、环型网络和网格型网络。

6.如权利要求4所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述构建随机网络的规则包括：任意两节点之间独立地以概率p连边，以概率1-p不连边或完全随机建立m条节点间的连边。

7.如权利要求4所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述构建小世界网络的规则包括：从具有N个节点、分配系数为z的最近邻环网开始，对于每一条环网上的边，以概率p随机重新连，确保没有重复边。

8.如权利要求4所述的直流电网网架构建方法，其特征在于，所述构建无标度网络的规则包括：设网络初始有m0个节点，新节点从网络中已经存在的节点中选择m个节点并与之相连，其中选中某节点的几率和该节点已经直接连接的节点数目成正比。

说明书

一种直流电网网架构建方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电网构建方法，具体讲涉及一种直流电网网架构建方法。

背景技术

[0002] 与交流同步电网的自由联网方式相比，直流电网在提高电网可控性和灵活性、限制同步电网规模、降低电网复杂性、减少输电损耗等方面具有优势，是构建未来“可靠、高效、充足、灵活、洁净”的输配电网的重要途径，将对电力系统的发、输、配、送、用的各个环节产生深远的影响。随着换流阀、直流断路器和直流变压器等关键设备技术突破和性价比持续提高，点对点及多端直流输电工程建设及运行经验不断增加，跨区域、大范围电力传输及分布式新能源开发利用双重需求的推动，能够顺应能源战略和技术发展潮流的直流电网技术受到高度关注，具备在未来10年左右获得快速发展的技术经济条件，且前景广阔。

[0003] 直流电网网架顶层设计和网架拓扑评价指标是关系直流电网发展的基础问题。目前，虽然在一些区域和国家未来电网网架结构展望和设想方案中已经不同程度体现了利用直流输电和联网功能满足能源战略、电源和负荷分布、电力改革、电网改造等方面的需求，但是，直流电网网架构建目标和原则、建模方法、评价体系及指标等方面研究尚待加强。直流电网网架的系统需求，构建目标和原则、建模方法、评价指标等研究是直流电网的生成策略、容量优化、脆弱环节识别及改进、故障传播及控制等后续研究的前提，是关系直流电网规划、运行和发展的基础性问题。

[0004] 作为当今前沿和热点的新兴交叉学科，复杂网络理论发展为直流电网网架研究提供了又一理论研究工具，直流电网为复杂网络理论及工程研究提供了技术应用舞台。随着这两门新兴科学在各自领域的快速发展，两者相辅相成，相互促进，有助于加快直流电网理论研究的深入开展和向工程应用的推进，对于直流电网的规划和运行均具有重要的意义。

[0005] 分析国内外历次大停电事故发现电力系统传统还原论“分而治之”的分析方法在应对复杂电力系统日益增多的不确定性和揭示系统整体动态行为特征方面，显露出明显的不局。正如复杂网络奠基人巴拉巴西所言“在沿着还原论这条路飞奔时，我们撞上了复杂性这堵墙。”人们认识到大停电事故的发生与电网固有结构特征密不可分。近年来，通过引入复杂网络理论，优化经典电力系统研究方法，电力系统在交流复杂电网结构建模、电网脆弱性分析以及大电网事故形成与发展等方面的取得了大量研究成果，开启了从网络整体结构角度研究复杂大电网的新途径。目前，复杂网络理论主要集中于交流电网研究领域，较少涉及直流输电系统，尤其是直流电网结构方面的研究尚未起步。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种直流电网网架构建方法，该方法将对电力系统的发、输、配、送、用的各个环节产生深远的影响。

[0007] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

[0008] 本发明提供一种直流电网网架构建方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

[0009] (1)构建直流电网网架；

[0010] (2)规划直流电网网架的发展；

[0011] (3)构建直流电网网架拓扑。

[0012] 进一步地，所述步骤(1)中，直流电网网架的构建包括：

[0013] A、确定直流电网电压等级序列：包括特高压(如：±1100kV或±800kV)、超高压(如：±500kV)、高压(如：±200kV)和中低压(如：±100V)电压等级；

[0014] B、对直流电网分区分层：根据直流电网面向电力资源配置和面向用户供电的功能，将直流电网分为输电网和配电网；结合覆盖区域和电网规模，进一步划分为国家骨干输电网、区域主干输电网、地区输电网(省级)、地区配电网(城市)、小型(企业或小区)和微型配电网(家庭)；

[0015] C、确定电源接入方式：所述电源包括集中式大电源和分布式电源；集中式大电源电厂经各自的输电回路，分层、分散接入国家骨干及主干直流电网；每一路外部电源输电容量不超过全系统总容量的20～30％；分布式电源接入负荷侧就地利用，根据容量分层、分散接入中低压配电网；

[0016] D、确定受端电网：包括直接接入直流配电网和接入与直流电网相连的受端交流电网。

[0017] 进一步地，所述步骤(2)中，用全局统筹和局域统筹规划直流电网网架的发展，并结合直流电网的不确定因素调整直流电网网架。

[0018] 进一步地，所述步骤(3)中，直流电网网架拓扑描述换流站(节点)集合和输电线路(连边)集合的连接关系，用无权无向网架拓扑图描述换流站(节点)集合和输电线路(连边)集合的连接关系，包括：

[0019] a.记换流站的送端或受端为一个节点；

[0020] b.两换流站之间的输电线路记为连接送端和受端的一条连边；

[0021] c.换流站节点与自己不相连，即不存在自环；

[0022] d.两换流站(节点)间最多只有一条连边，即不存在重边；

[0023] e.连边只代表节点(换流站)间的连接关系，没有权重；

[0024] f.双极直流输电系统和背靠背换流站均用两个换流站(节点)及其一条输电线路(连边)描述；

[0025] 直流电网网架拓扑采用由换流站(节点)集合V和输电线路(连边)集合E组成的图G＝(V，E)描述，其中，V＝(v1，v2，…，vN)；E＝(e1，e2，…，eM)；换流站(节点)数记为N＝|V|，输电线路(连边)数记为M＝|E|；任意一条输电线路(连边)对应于一个换流站(节点)的二元组：ex＝{vi，vj}；

[0026] 直流电网网架拓扑采用邻接矩阵B描述。图G＝(V，E)的邻接矩阵为B，是一个N阶方阵；如果换流站(节点)vi和换流站(节点)vj相连，则B的第i行和第j列上的元素bij＝1；否则，记为bij＝0。按照上述方法从直流电网物理结构抽象的无权无向网架拓扑图为采用数学图论和复杂网络理论的方法描述、研究和评价直流电网物理结构奠定了基础。邻接矩阵通过矩阵方式描述网络拓扑图，有利于采用计算机技术深入研究直流电网结构。

[0027] 进一步地，所述步骤(3)中，构建直流电网网架拓扑包括构建规则网络、随机网络、小世界网络或无标度网络。

[0028] 进一步地，所述构建规则网络包括构建星型网络、树型网络、环型网络和网格型网络。

[0029] 进一步地，所述构建随机网络的规则包括：任意两节点之间独立地以概率p连边，以概率1-p不连边或完全随机建立m条节点间的连边。

[0030] 进一步地，所述构建小世界网络的规则包括：从具有N个节点、分配系数为z的最近邻环网开始，对于每一条环网上的边，以概率p随机重新连，确保没有重复边。

[0031] 进一步地，所述构建无标度网络的规则包括：设网络初始有m0个节点，新节点从网络中已经存在的节点中选择m个节点并与之相连，其中选中某节点的几率和该节点已经直接连接的节点数目成正比。

[0032] 与最接近的现有技术比，本发明的优异效果是：

[0033] 本发明首次系统提出直流电网网架构建方法，指出了直流电网构建的原则和途径，有助于加快直流电网理论研究的深入开展和向工程应用的推进，对于直流电网的规划和运行均具有重要的意义。

附图说明

[0034] 图1是本发明提供的直流电网网架拓扑建模示意图，其中(a)为直流电网网架示意图；(b)为直流电网网架拓扑示意图；

[0035] 图2是本发明提供的直流电网规则网络拓扑示意图，其中(a)为星型网络；(b)为树型网络；(c)环型网络；(d)为网格型网络；图中圈点为换流站(节点)；

[0036] 图3是本发明提供的直流电网随机网络拓扑图；

[0037] 图4是本发明提供的直流电网小世界网络拓扑示意图。

具体实施方式

[0038] 下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0039] 本发明提供一种直流电网网架构建方法，包括下述步骤：

[0040] (1)确定直流电网网架构建原则：

[0041] 作为未来电网的重要组成部分，直流电网发展方向与大电网发展的方向和要求一致：网架坚强、结构合理、安全可靠、运行灵活、技术先进，并不断提高电网输送能力、资源优化配置能力和抵御事故能力；直流电网网架构建原则包括：简洁的电压等级序列、清晰的电网分层和分区构架、科学的电源接入策略、坚强的受端电网等多方面，并将经历长时间的发展演化和不断优化过程。

[0042] A、电压等级序列

[0043] 确定电网电压等级序列对提高电能转换效率、降低系统损耗、实现设备标准化等意义重大。交流电网发展过程中，电压等级经历了从复杂繁多到逐渐简化清晰的漫长过程。目前，有些电压等级的存废和确定还在激烈的争论之中，电压等级序列尚未达成完全统一。

[0044] 直流电网设备种类繁多、运行和管理要求高，因此，直流电网电压等级序列的确立宜超前筹划。各等级电压的确立需结合设备制造水平、电源和负荷需求、技术经济性比较等深入研究。根据功能及应用场合不同，直流电网可初步划分为特高压、高压、中压和低压等不同等级。与交流电网相似，直流电网电压等级规划不宜过多，可以考虑4-5级，最多不宜超过6级，包括特高压(如：±1100kV或±800kV)、超高压(如：±500kV)、高压(如：±200kV)和中低压(如：±100V)电压等级；

[0045] 目前，长距离高压直流输电工程中，低压和高压电压等级已得到广泛应用；中压也有工程采用；特高压研究已取得大量成果，正在向工程迈进。考虑到工程性价比，在未来，特高压±1100kV在特高压电压等级中占据明显的优势。另一方面，受到关键设备制造技术快速发展和工程量尚小的影响，现有背靠背和柔性直流工程基本每项工程单独确定电压等级。目前，宜依据成熟技术适时规范背靠背和柔性直流工程电压等级，同时，紧密跟踪新技术突破及工程推广，逐步确定更高电压等级。

[0046] B、电网分层和分区

[0047] 综合考虑地理位置、电网运行安全及灵活性等因素，直流电网划分不同的层次和区域，有利于保证电网结构清晰，电源和负荷的分层接入，并开展差异化的规划、建设和运行管理。电网分层和分区的主要依据包括：功能、地域、电压等级和依托技术等。

[0048] 地理位置是直流电网网架形成、功能实现的重要限制因素。通常情况下，电压等级低、输电容量小的新建换流站，倾向于通过直流输(配)电线优先连接距离较近的换流站，因此，局部区域内直流电网连接紧密，区域电网间联络较弱。直流电网面向电力资源配置和面向用户供电的功能不同，可分为输电网和配电网。结合覆盖区域和电网规模，可进一步划分为国家骨干输电网、区域主干输电网、地区输电网(省级)、地区配电网(城市)小型(企业或小区)和微型配电网(家庭等)。各级电网可采用不同的规则网络形式，具有不同的核心性能要求，如表1所示。

[0049] 表1：不同层次直流电网结构展望

[0050]

[0051] C、电源接入

[0052] 按照容量和规模，电源可分为集中式大电源和分布式电源。集中式大电源和分布式电源需通过合适方式分层接入直流电网，有利于充分发挥不同电压等级及不同层次电网作用，提高运行稳定性与灵活性，优化各类资源利用。

[0053] 直流输电在远距离大容量输电方面的优势将在大电源接入方面充分发挥。大容量主电源电厂直接经各自的输电回路，分层、分散接入合适的高压骨干及主干直流电网有利于简化电厂与直流电网接线，降低开关设备等配置难度，并避免电源过于集中发生因负荷转移引发恶性连锁反应。每一路外部电源输电容量不宜超过全系统总容量的一定比例(20～30％)。间歇和不稳定分布式电源的大量接入将进一步加剧电源的时空分布不均衡和动态特性差异，并将深刻影响直流电网结构。分布式电源宜靠近负荷侧就地利用，根据容量分层、分散接入中低压配电网。

[0054] D、受端电网

[0055] 负荷接入直流电网有两种方式，一种是直接接入直流配电网，另外一种是接入与直流电网相连的受端交流电网。作为资金和技术高度集中的领域，直流电网规划通常优先满足负荷中心地区需求，围绕负荷中心建立密集的主干网架，一方面连接枢纽换流站和附近电源，另一方面提高接纳外部及远方电源输送的电能的能力。需要从不同途径加强受端直流电网：(1)加强受端系统内部最高等级电压的网络联系，提高电能大范围优化配置和功率支援能力；(2)加强受端电网电源支撑，即在受端系统内建设直接接入最高一级电压电网的主力电厂；(3)充分利用分布式电源，按供电网分区接入配电网，发挥就地平衡和事故备用能力；(4)考虑到电源建设和负荷发展不同步，在不同建设阶段需要考虑输配电网分层分区动态就地平衡能力。

[0056] 需要研究现有规范和导则对直流电网发展的适应性，并考虑适时制定直流电网专用技术导则。直流电网的有序发展需要坚持电网与电源统筹规划、合理布局、协调发展的原则，以受端电网为核心，完善电源接入，强化配电网建设，建设合理的直流电网结构。

[0057] (2)规划直流电网网架的发展：

[0058] I、统筹规划

[0059] 局部区域直流电网的发展需考虑电源、负荷、换流站、直流输电线路等地理和建设费用，权衡设备管辖区域和维护范围，兼顾调度管理便利性和权限等多方面；新换流站和线路建设，也宜考虑尽量保留和发挥原有输电能力，并保持原有规划的延续性。因此，为实现直流电网及系统整体优化，在直流电网网架形成和优化过程中，全局统筹规划占据重要地位，反复严谨的论证贯穿始终，电网规划方案执行严格。电力系统全局统筹及保持规划方案延续性的传统，有利于促进直流电网网架形成结构清晰的规则拓扑结构。

[0060] II、不确定性因素

[0061] 直流电网尚处在起步阶段，并将长期处于内、外部快速发展和变化过程中，电网结构发展面临诸多不确定性因素。(1)电力电子设备、电源结构、负荷组成等基础技术将不断出现突破；(2)社会经济需求、城乡格局变化、人口分布及流动模式等驱动发展的外部力量难以精确预测；(3)电网建设中电源、电网和负荷发展不同步。这些不确定性因素推动直流电网网架拓扑规划需因网制宜，不断滚动调整。

[0062] III、共同作用

[0063] 在不同层次和不同发展阶段，局部统筹规划和全局自组织演化两种力量将共同驱动直流电网发展，发挥不同作用。直流电网发展过程是拓扑优势和几何限制两种力量竞争平衡的结果。在不同层次和区域电网独立快速发展，逐步互联形成大范围、多层次直流电网的过程中，总体上，自组织演化将占据至关重要的基础地位，而统筹规划工作则是需要不断适时调整，长期滚动开展的工作内容。

[0064] (3)构建直流电网网架拓扑；

[0065] 综合应用经典图论、随机图理论和复杂网络理论，有利于推进直流电网拓扑研究的深入。经典图论理论优美，实用价值高，具有的丰富的动力学性质，在输配电网的规划和未来电网设想中都有体现。通过引入随机方法，随机图理论极大地拓展了经典图论的研究空间，在电力系统，尤其是电网网架分析和规划等方面获得了大量应用。复杂网络图论提供了从整体上刻画和研究直流电网结构与性能间关系的重要途径，揭示了实际电网连接度的指数分布、电力负载的幂律分布、大电网故障的幂律分布等以往数学网络模型无法体现的电网结构的系统特征，理论研究和实证分析相互促进将极大提升描述和刻画复杂直流电网的能力。

[0066] 网络拓扑图是描述和刻画直流电网网架特征的基本模型，是网络特征分析的基础。网络拓扑用统一抽象的点和线表示各种实际网络，成为各类网络拓扑性质研究的共同语言。直流电网网架拓扑描述换流站(节点)集合和输电线路(连边)集合连接关系。根据不同研究目的和需求，可以建立无权无向、无权有向、有权无向和有权有向四类直流电网结构图，并通过对称化和阈值化等方法相互转化。

[0067] 通过如下方法可以建立一种直流电网的简单无权无向拓扑图。

[0068] a.一个换流站的一端，送端或受端，记为一个节点。

[0069] b.两换流站之间的输电线路记为连接送端和受端两换流站(节点)的一条连边。

[0070] c.换流站(节点)与自己不连，即不存在自环。

[0071] d.两换流站(节点)间最多只有一条连边，即不存在重边。

[0072] e.连边只代表节点(换流站)间的连接关系，没有权重。

[0073] f.双极直流输电系统和背靠背换流站均用两个换流站(节点)及其一条输电线路(连边)描述。

[0074] 直流电网网架拓扑采用由换流站(节点)集合V和输电线路(连边)集合E组成的图G＝(V，E)描述，其中，V＝(v1，v2，…，vN)；E＝(e1，e2，…，eM)；换流站(节点)数记为N＝|V|，输电线路(连边)数记为M＝|E|；任意一条输电线路(连边)对应于一个换流站(节点)的二元组：ex＝{vi，vj}；

[0075] 直流电网网架拓扑采用邻接矩阵B描述。图G＝(V，E)的邻接矩阵为B，是一个N阶方阵；如果换流站(节点)vi和换流站(节点)vj相连，则B的第i行和第j列上的元素bij＝1；否则，记为bij＝0。

[0076] 所述步骤(3)中，构建直流电网网架拓扑包括构建规则网络、随机网络、小世界网络或无标度网络。

[0077] 规则网络结构的特点是：网络结构简单、对称性好，容易给出严格的数学定义。直流电网构建可采用的基本拓扑包括：星型(见图2a)、树型(见图2b)、环型(见图2c)、网格型(见图2d)。

[0078] 随机网络充分考虑网络构建和发展过程中的随机因素，有两种构建思路。第一种是任意两节点之间独立地以概率p连边，以概率1-p不连边；第二种是完全随机建立m条节点间的连边，如图3所示。

[0079] 小世界网络兼顾网络发展过程中的统筹规划和不确定性随机因素，同时具有簇系数大和平均距离短的网络特征。一种介于规则网络和随机网络之间的网络构造方法是从具有N各节点、分配系数为z的最近邻环网开始，对于每一条环网上的边，以概率p随机重连，同时确保没有重复边，如图4所示。

[0080] 无标度网络兼顾网络两大特征，一是网络不断发展扩大的生长特性；二是新产生的节点都倾向于和已经具有很多连接的顶点连接的偏好依附特性。网络的构成规则是：假设网络初始有m0个节点，新节点从网络中已经存在的节点中选择m个节点并与之相连，其中选中某节点的几率和该节点已经直接连接的节点数目成正比。

[0081] 根据上述方法建立的直流电网网架拓扑模型可以反映直流电网网架的基本特性，作为网架特性研究和评价的基础。

[0082] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。