計算機在電力系統(tǒng)計算中的應用

熊方揚　熊方江

在電力系統(tǒng)的計算方面,計算機廣泛應用于電力系統(tǒng)的潮流計算、短路電流計算和穩(wěn)定計算等。多年來,這三種計算在數(shù)學模型計算方法和程序技巧上不斷得到改進和完善,計算程序的課題規(guī)模、計算速度等也達到了較高水平。

在電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行方式的研究中,潮流計算被用來定量分析、比較供電方案或運行方式的合理性、可靠性和經(jīng)濟性,是計算電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定的基礎。潮流計算是根據(jù)給定的運行條件及系統(tǒng)接線情況來確定整個電力系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài),如各母線的電壓、各元件中流過的功率、系統(tǒng)的功率損耗等,它分為離線計算和在線計算。前者主要用于系統(tǒng)規(guī)劃設計和安排系統(tǒng)的運行方式,后者則用于正在運行系統(tǒng)的經(jīng)常監(jiān)視及實時控制。離線潮流計算問題的數(shù)學模型是一組多元非線性方程式,其解法主要采用以節(jié)點導納矩陣為基礎的牛頓迭代法和P—Q分解法。前一種方法的原理比較簡單,占有內(nèi)存量少,但它的收斂性較差。以阻抗矩陣為基礎的分塊阻抗法,改善了系統(tǒng)潮流計算問題的收斂性,還提高了計算速度,節(jié)省了內(nèi)存占有量。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,系統(tǒng)中的電流比正常運行方式大得多,使系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓降低,正常工作的設備就會受到影響,甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,造成大面積的停電事故。所以在電力系統(tǒng)的設計和運行中要進行一系列的短路電流的計算,以求出在給定系統(tǒng)參數(shù)和接線情況下,各種短路故障時通過系統(tǒng)各部分的電流及各節(jié)點的電壓。短路電流計算廣泛應用于以阻抗矩陣為基礎的計算方法。近年來,發(fā)展了以導納矩陣三角分解為基礎的計算方法,提高了計算速度,節(jié)省了內(nèi)存。

電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定計算的主要目的是確定系統(tǒng)受到大擾動(如發(fā)生短路故障,負荷瞬間發(fā)生較大的突變,切除大容量的發(fā)電、輸電和變電設備等)以后,系統(tǒng)各發(fā)電機組是否能繼續(xù)維持同步運行,分析影響電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的各種因素,并在此基礎上研究提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施。電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在運行過程中受到微小的擾動(如個別負載的接入、切除或負荷大小變化等),出現(xiàn)暫態(tài)過程后,系統(tǒng)仍然回復到擾動前的運行情況。為了保證電力系統(tǒng)安全、可靠的運行,在電力系統(tǒng)設計和運行中,必須分析某些參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的影響。例如,分析線路串聯(lián)電容補償度對靜態(tài)穩(wěn)定的影響,以便決定補償度;分析調(diào)節(jié)器某些參數(shù)對靜態(tài)穩(wěn)定的影響,從而決定調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定值等等。靜態(tài)穩(wěn)定的計算方法主要是采用小振蕩法和實用計算法。實用計算法是在應用交流計算臺計算系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的基礎上發(fā)展起來的方法。這一方法較簡單,計算工作量較小,但它采用了一些簡化假定,使它的應用范圍有一定的局限性。小振蕩法是列出描述電力系統(tǒng)運行的微分方程組,然后進行線性化,得出“一次近似”的微分方程組,再根據(jù)這一線性微分方程組的特征方程式根的性質(zhì)來判斷其穩(wěn)定性,這一方法是以李雅普諾夫關(guān)于運動穩(wěn)定性的理論為基礎的,在理論上是比較嚴格的,但它的計算工作量較大,所以只有采用計算機才有可能進行計算。

應用計算機進行電力系統(tǒng)計算時,需要掌握電力系統(tǒng)的數(shù)學模型、計算方法和程序設計技巧等方面的知識,這在許繼電氣股份有限公司開發(fā)CBZ-8000 變電站自動化系統(tǒng)中得到了較好地體現(xiàn)。

CBZ-8000變電站自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),保證了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性和功能配置的方便性。系統(tǒng)整體上分為站控層和間隔層,站控層和間隔層之間通過通信網(wǎng)絡相連(見圖1)。系統(tǒng)在設計時充分考慮了電力系統(tǒng)信息化的要求,設計了與MIS系統(tǒng)和繼電保護信息管理系統(tǒng)等多種信息化系統(tǒng)的接口,提供了變電站全面的信息服務支持。

圖1 CZB-8000變電站自動化系統(tǒng)配置圖

站控層設備包括操作員站、遠動主站、繼保工程師站、微機五防系統(tǒng)網(wǎng)絡接口。站控層為變電值班員、調(diào)度運行人員提供了變電站監(jiān)測、控制和管理功能,是整個變電站監(jiān)視、測量、控制和管理的智能化中心。

操作員站監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用分層設計、構(gòu)件化、標準化、開放化等先進的開發(fā)思想,自主開發(fā)的擁有自主版權(quán)的監(jiān)控軟件,具有數(shù)據(jù)采集和處理、報警處理、事故追憶、數(shù)據(jù)庫建立和管理維護、歷史紀錄處理、控制(具備就地/主站/遠方三級控制),系統(tǒng)自診斷與自恢復、運行管理、報表功能、電壓無功綜合控制VQC等功能。

遠動主站是變電站對外通信控制器,其軟件設計采用模塊化。遵循開放系統(tǒng)要求,提供高級數(shù)據(jù)訪問接口;遵守多種遠程通訊規(guī)則,支持多調(diào)度主站和多種通信口,支持多種硬件配置方式,具有就地監(jiān)控功能和調(diào)試功能,主備機雙機運行方式等功能。

繼電保護工程師站與繼電保護裝置、故障錄波器、安全自動裝置等一起構(gòu)成“繼電保護故障錄波信息處理系統(tǒng)”的子站系統(tǒng)。工程師站采用高性能計算機通過網(wǎng)絡直接同間隔層的測量和保護設備直接通訊。通過對變電站的故障信息進行綜合分析,為分析事故、故障定位和整定計算工作提供科學依據(jù),讓主管部門及時了解電力系統(tǒng)故障情況,以做出正確的分析和決策,保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。繼電保護工程師站具有系統(tǒng)設置功能、監(jiān)視和采集功能、操作功能、信息管理功能、界面顯示功能、信息安全保護功能、數(shù)據(jù)庫管理功能、故障錄波分析等多種功能。

間隔層按照不同的電壓等級、不同的電器間隔單元、不同的控制對象設置在各個設備單元中,或下放到高壓設備現(xiàn)場。在站控層或通訊網(wǎng)絡發(fā)生故障情況下,間隔層仍能獨立完成間隔層的監(jiān)測和控制功能。

間隔層設備設計采用統(tǒng)一的硬件平面和軟件平臺,以32位的浮點型DSP(數(shù)據(jù)處理器)作為裝置的核心器件,引入成熟可靠的嵌入式RTOS(實時多任務操作系統(tǒng))。間隔層設備包括:保護裝置、測控裝置、自動裝置、操作切換裝置以及其他的智能設備和附屬設備。

(作者單位:江西省廣電局江西人民廣播電臺)

欄目責編:肖月