特高压直流输电系统的优化调度模型与算法研究

特高压直流输电系统的优化调度模型与算法研究

方彪 杨书强 郭铁 杨振宇 司战超 李志恒

国网河南直流中心   河南省郑州市450000

摘要：特高压直流输电系统对远距离、大容量输电意义重大。本研究围绕其优化调度模型与算法展开。分析特高压直流输电系统结构和原理后，确定关键影响因素，涵盖输电线路电气特性、换流站状态、负荷变化及新能源接入不确定性等。据此构建多目标优化调度模型，目标函数包括能耗最小化、可靠性最大化和适应电力市场。在算法上，探讨遗传算法、粒子群算法等智能优化算法在调度中的应用。针对算法可能出现的早熟收敛、局部最优问题提出改进策略，增强搜索与收敛能力。通过实际案例验证评估模型和算法，结果显示其能有效提升调度效率，降低输电损耗，增强系统可靠性和稳定性。在应对新能源接入波动和不确定性方面表现出良好适应性，为特高压直流输电系统智能化调度提供理论和实践参考。本研究对推动特高压直流输电技术发展、优化电力资源配置、提升电力系统运行水平有着重要价值。

关键词：特高压直流输电系统、优化调度模型、智能优化算法、可靠性、新能源接入

一、绪论

在现代电力系统中，随着能源资源与负荷中心的逆向分布日益显著，特高压直流输电系统因其具备远距离、大容量输电能力而成为解决能源传输问题的关键技术。它能够有效减少输电损耗、提高输电效率，对于保障电力供应的稳定性和安全性至关重要。

然而，特高压直流输电系统的运行面临诸多挑战，如复杂的运行工况、多变的电力负荷以及新能源接入带来的不确定性等。这些因素使得优化调度成为特高压直流输电系统高效运行的核心问题。对其优化调度模型与算法展开深入研究，能够提高系统的可靠性、降低运行成本、增强对新能源的接纳能力，从而更好地满足日益增长的电力需求，推动电力行业朝着更加智能、高效、可持续的方向发展。

二、特高压直流输电系统分析

（一）系统结构与原理

特高压直流输电系统由换流站、直流输电线路、接地极构成。换流站是交流电与直流电转换关键场所，有换流器、换流变压器、平波电抗器等设备。送端换流站将交流电转为直流电，经直流输电线路传至受端换流站，再变回交流电接入受端电网。直流输电线路低电阻、低电感，可降能量损耗，接地极为直流电流提供回路以保稳定。该系统基于电力电子和高压绝缘技术，通过控制换流器触发角等参数实现电能高效传输。

（二）影响调度关键因素

1. 输电线路电气特性：线路电阻、电感、电容等参数影响电压降和功率损耗，不同长度和结构的线路电气特性有别。
2. 换流站运行状态：设备健康状况和运行参数（如换流器触发角、电压和电流设定值）与电能转换效率和质量直接相关，设备故障或参数异常影响调度。
3. 电力负荷变化：电力负荷不同时段需求不同，高峰和低谷变化对输送功率有不同要求，需据此调整调度。
4. 新能源接入不确定性：新能源（风电、光伏等）发电比例增加，其输出功率间歇性和波动性给系统带来挑战，增加调度复杂性。

三、优化调度模型构建

（一）多目标模型设计依据

特高压直流输电系统复杂且运行要求多样，涉及大量电能传输和众多设备，单一目标调度无法满足实际需求。综合输电成本、电力供应质量、系统稳定性等因素，需构建多目标模型应对复杂工况。

（二）目标函数设定

1. 能耗最小化目标：考量输电线路和换流站等设备运行能耗，计算线路电阻损耗、换流器开关损耗等建立能耗函数。调度时通过优化控制参数，如调整换流器触发角、优化输电电压等级，降低系统能耗，提升输电效率。
2. 可靠性最大化目标：依据系统冗余度、设备故障率构建可靠性指标。在设备故障、自然灾害等突发情况时，通过合理安排备用容量、优化设备检修计划等调度措施，保障系统稳定输电能力，提高应对故障能力。
3. 适应电力市场目标：考虑电力市场价格波动和交易需求，引入价格信号，使调度方案能根据市场变化调整输电功率，满足市场主体用电需求，提高经济效益。

四、智能优化算法研究

（一）遗传算法、粒子群算法等应用分析

遗传算法模拟生物进化，把特高压直流输电系统调度方案编码成染色体，经选择、交叉、变异操作生成新个体，用适应度函数评估，将能耗、可靠性等目标纳入其中，逐步搜索近优方案。粒子群算法把调度方案视为粒子，粒子依据自身和群体最优经验调整飞行速度与位置，在多维调度决策空间寻优。这些算法在处理特高压直流输电系统复杂非线性、多约束问题时优势明显，可快速遍历调度方案。

（二）算法问题与改进策略

1. 早熟收敛问题及改进：遗传算法和粒子群算法可能过早收敛到局部最优。遗传算法可通过增加种群多样性，如自适应交叉和变异概率解决；粒子群算法引入动态惯性权重，前期扩大搜索范围，后期精细搜索。
2. 局部最优问题及改进：针对局部最优问题，可结合多种算法优势，如将模拟退火算法与遗传算法结合，利用模拟退火算法的 Metropolis 准则使算法有概率跳出局部最优，增强全局搜索能力。
3. 改进后算法的搜索与收敛能力提升分析：改进后的算法能更全面搜索解空间，降低陷入局部最优可能性。通过合理调整参数和策略，可加快向最优解收敛速度，提高求解特高压直流输电系统优化调度问题的效率与准确性。

五、模型与算法验证

（一）实际案例选取与数据收集

选取典型大型电力传输网络（含特高压直流输电线路）为案例，收集输电线路长度、型号、电阻、电感等电气参数，换流站设备参数、运行历史数据，不同季节和时段电力负荷峰谷值数据，以及新能源发电站功率数据、出力特性和电网连接信息，确保数据代表性，为验证提供充足准确数据。

（二）验证过程与结果分析

1. 调度效率提升分析：将优化调度模型与改进算法用于案例系统，对比传统方法，观察调度指令生成和执行效率。结果表明新模型和算法能更快依系统状态生成合理指令，减少调度决策时间，提升系统对负荷变化和新能源波动的响应速度，显著提高调度效率。
2. 输电损耗降低分析：监测输电线路功率损耗，新调度方案下有功功率损耗明显降低，因模型优化了输电电压、电流等参数，减少了电能传输损耗，提高了输电经济性。
3. 系统可靠性和稳定性增强分析：模拟突发情况时，优化调度系统能快速调整运行模式，保障电能稳定供应。合理安排备用容量和优化设备调度降低了故障影响，提高了系统可靠性。
4. 新能源适应性分析：针对新能源功率间歇性变化，新模型和算法能及时调整特高压直流输电系统功率分配和运行状态，在风电、光伏功率大幅波动时系统仍稳定运行，有效平抑新能源接入对电网的冲击。

六、结论与展望

本研究构建了特高压直流输电系统优化调度模型，综合多项目标，改进智能优化算法，解决早熟收敛和局部最优问题，提升算法能力。经案例验证，新模型和算法提高调度效率、降低损耗、增强系统可靠性和新能源适应性。研究成果为特高压直流输电技术应用提供支撑，利于优化资源配置、保障供电质量、推动电力系统发展。

本研究成果为特高压直流输电技术的高效应用提供了有力支撑，有助于优化电力资源配置，保障电力供应质量，推动电力系统向更智能、更绿色的方向发展，提升整个电力行业的运行水平。未来可进一步研究更复杂工况下的模型优化，如多回特高压直流输电线路相互影响。同时探索新智能算法或混合算法，适应电力系统结构变化和新能源接入规模扩大，持续提升特高压直流输电系统调度性能。

参考文献：

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