適應(yīng)電網(wǎng)與仿真技術(shù)發(fā)展的交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)等值

胡濤，朱藝穎，李芳，習(xí)工偉，劉翀，王薇薇，董鵬

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 概述

在電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中，動(dòng)態(tài)等值是復(fù)雜電力系統(tǒng)計(jì)算分析中的一個(gè)重要課題。研究這一課題的必要性在于:在電力系統(tǒng)分析中，往往只對(duì)某一區(qū)域感興趣，而忽略其他區(qū)域，這有助于突出主要矛盾，抓住感興趣的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)研究［1］。通過(guò)對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)等值，用等值系統(tǒng)的研究取代原系統(tǒng)的研究，在保證必要的精度條件下，可極大地節(jié)省人力物力，提高工作效率。

動(dòng)態(tài)等值主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，其等值目的是保證等值前后研究系統(tǒng)在大擾動(dòng)下的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)性能基本能夠得到保持，常用的動(dòng)態(tài)等值法可以分為3類(lèi)［2-3］:模態(tài)等值、同調(diào)等值、估計(jì)等值。

模態(tài)等值［4-5］是一種基于線性系統(tǒng)分析的方法，其保留待簡(jiǎn)化系統(tǒng)的起主導(dǎo)作用的特征值，略去次要特征值，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)階次。但由于其等值的前提是外部系統(tǒng)的線性化，因此對(duì)于擾動(dòng)過(guò)大或靠近等值邊界點(diǎn)的故障，會(huì)造成較大的誤差。

同調(diào)等值 是根據(jù)發(fā)電機(jī)在某種確定的干擾下，在一定時(shí)間段內(nèi)的暫態(tài)過(guò)程中具有相同形式的搖擺這一原則劃分同調(diào)機(jī)群，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的化簡(jiǎn)和發(fā)電機(jī)的聚合。在實(shí)際應(yīng)用中，同調(diào)等值法比較依賴(lài)研究人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。

估計(jì)等值［8-9］主要應(yīng)用于外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不清楚的情況下，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或在外部系統(tǒng)施加擾動(dòng)，用參數(shù)識(shí)別的方法或估計(jì)法求取等效系統(tǒng)參數(shù)。

上述3類(lèi)等值方法中，估計(jì)等值法主要用于在線應(yīng)用;而在離線仿真中，同調(diào)等值法得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用，是目前實(shí)際工程中通常采用的一種等值方法。

1 特高壓交直流電網(wǎng)的發(fā)展

1981年，中國(guó)建成第1條 500 kV線路(平頂山—武漢)［10］，開(kāi)始了以 500 kV輸電線為骨干的大區(qū)電網(wǎng)建設(shè)，500 kV線路逐步成為各地區(qū)電網(wǎng)的骨架和跨省跨地區(qū)的聯(lián)絡(luò)線。

在以500 kV為骨干網(wǎng)架的發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要有以下特征:各省內(nèi)部逐漸形成500 kV環(huán)網(wǎng)，220 kV線路逐步解環(huán)運(yùn)行;各省之間以500 kV線路作為跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線;通過(guò)直流遠(yuǎn)距離輸電或背靠背輸電，形成了西北電網(wǎng)、華中電網(wǎng)、華北電網(wǎng)、華東電網(wǎng)和東北電網(wǎng)之間的異步聯(lián)網(wǎng)。在此階段，直流輸電系統(tǒng)數(shù)量較少，且直流電壓水平和輸送容量都較低，以±500 kV電壓和3 000 MW功率為主。

這一時(shí)期的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，大區(qū)電網(wǎng)之間通過(guò)超高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，大區(qū)電網(wǎng)中各省網(wǎng)之間通過(guò)500 kV聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)連接。

圖1 500 kV為骨干網(wǎng)架時(shí)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Grid structure of 500 kV period

2009年1月6日首個(gè)1 000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流工程投入運(yùn)行［11］，自此國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)入了以1 000 kV特高壓交流為骨干網(wǎng)架的電網(wǎng)建設(shè)階段。

2013年9月25日，皖電東送“淮滬”交流特高壓線路投入商業(yè)運(yùn)行，這是“華東特高壓環(huán)網(wǎng)”中的“南半環(huán)”，即淮南—浙北—上海工程，“北半環(huán)”即淮南—南京—上海擴(kuò)建工程目前正在進(jìn)行中，預(yù)計(jì)2016年投運(yùn)。待全部建成后，將在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)形成一個(gè)特高壓環(huán)網(wǎng)。按照電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)將形成一個(gè)以1 000 kV交流特高壓線路為骨干網(wǎng)架的“華北—華中—華東”三華同步電網(wǎng)，各區(qū)電網(wǎng)之間聯(lián)系緊密，互為支援。

在此階段，特高壓直流輸電得到了快速發(fā)展，自2010年7月8日國(guó)家電網(wǎng)首條特高壓向上直流工程投運(yùn)以來(lái)，目前國(guó)網(wǎng)公司已經(jīng)建設(shè)了向上、錦蘇、哈鄭、溪浙等4回特高壓直流輸電系統(tǒng)，靈紹特高壓直流即將于2016年初投運(yùn)。特高壓直流輸送電壓和輸送容量都較高，目前以±800 kV電壓及6 000～8 000 MW功率為主。

隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，目前國(guó)家電網(wǎng)逐步形成了各區(qū)域電網(wǎng)或省網(wǎng)互聯(lián)的特高壓交流同步網(wǎng)架，同時(shí)系統(tǒng)中包含多個(gè)超、特高壓直流輸電系統(tǒng)，形成了交/直流并列運(yùn)行和受端直流多饋入的格局［1-3］。

這一時(shí)期的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中較粗線條表示特高壓交直流線路。由圖2可知，各大區(qū)電網(wǎng)之間通過(guò)1 000 kV特高壓交流聯(lián)絡(luò)線及超/特高壓直流輸電系統(tǒng)形成了一個(gè)交直流并列運(yùn)行的大規(guī)模同步電網(wǎng);且各大區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部構(gòu)建了1 000 kV的骨干網(wǎng)絡(luò)，省網(wǎng)之間的聯(lián)系更加緊密，模糊了區(qū)內(nèi)和區(qū)外的概念。

圖2 1 000 kV為骨干網(wǎng)架時(shí)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(規(guī)劃)Fig.2 Grid structure of 1 000 kV period(planed)

2 新條件下的等值原則

在500 kV骨干網(wǎng)架發(fā)展階段，由于各網(wǎng)省電網(wǎng)之間僅通過(guò)幾回500 kV線路互聯(lián)，其電氣聯(lián)系并不緊密;且由于直流輸送容量較小，這個(gè)時(shí)期的交直流相互作用并不太強(qiáng)烈。因此這一時(shí)期的等值研究，通常只需做區(qū)外等值即可:如假定浙江電網(wǎng)為研究區(qū)域，則僅需保留浙江省內(nèi)主要網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以及浙江與江蘇、安徽、上海、福建4省之間的500 kV聯(lián)絡(luò)線，而把江蘇、安徽、上海、福建電網(wǎng)作為區(qū)外電網(wǎng)等值消去即可。

如此實(shí)現(xiàn)的等值簡(jiǎn)化電網(wǎng)，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部的研究具有較高的準(zhǔn)確度。在早期各網(wǎng)省調(diào)通常即采用這種方式，將區(qū)外電網(wǎng)進(jìn)行化簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)各自轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)的仿真研究應(yīng)用。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)展至目前的特高壓交直流并列運(yùn)行格局，原有的區(qū)外等值方法不再適用。首先，通過(guò)特高壓交流聯(lián)絡(luò)線將各區(qū)電網(wǎng)連接為一個(gè)大的同步電網(wǎng)，各區(qū)之間電氣聯(lián)系緊密，某個(gè)地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生的故障，可能影響到其他地理距離較遠(yuǎn)的地區(qū)，難以對(duì)區(qū)內(nèi)和區(qū)外進(jìn)行明顯區(qū)分，因此可能需要保留整個(gè)大區(qū)的主要網(wǎng)架結(jié)構(gòu);而由于直流輸送容量的提高，直流輸電系統(tǒng)對(duì)交流故障的響應(yīng)特性對(duì)于交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定具有重要的影響，因此直流換流站附近的交流網(wǎng)架亦需要較詳細(xì)地保留，以使得直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時(shí)能夠正確響應(yīng)，該需求在華東直流多落點(diǎn)地區(qū)尤為突出。

由此，從交流網(wǎng)架和直流輸電系統(tǒng)研究等兩個(gè)方面，都提出了對(duì)等值電網(wǎng)保留區(qū)域規(guī)模擴(kuò)大的需求。而過(guò)大的保留區(qū)域，又違背了等值研究的初衷，或在實(shí)際工程應(yīng)用中可能難以實(shí)現(xiàn)，因此，需要研究新形勢(shì)下的等值研究方法。

對(duì)于電網(wǎng)的仿真，目前機(jī)電暫態(tài)程序已經(jīng)可以做到3萬(wàn)節(jié)點(diǎn)以上規(guī)模，且常用的電腦配置已經(jīng)可以滿足快速仿真的要求，從仿真效率和仿真準(zhǔn)確度2個(gè)方面綜合考慮，已無(wú)需對(duì)原始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)。

現(xiàn)有的等值應(yīng)用，主要用于電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真。在電磁暫態(tài)仿真中，可以詳細(xì)模擬直流輸電系統(tǒng)的響應(yīng)特性，對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)條件下交直流系統(tǒng)的相互影響進(jìn)行更深入的研究;此外，為了外接物理直流控制保護(hù)裝置，或其他用于交直流混聯(lián)電網(wǎng)的新型控制裝置，需要一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的電磁暫態(tài)交直流電網(wǎng)模型。目前所有的全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置從設(shè)計(jì)之初，包括RTDS、HYPERSIM和ADPSS等，均不能達(dá)到極大規(guī)模電網(wǎng)的純電磁暫態(tài)仿真應(yīng)用，因而必須對(duì)原始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)。

全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置的仿真規(guī)模受到仿真平臺(tái)的硬件規(guī)模及硬件性能制約，其仿真規(guī)模將隨著硬件規(guī)模的擴(kuò)充及硬件性能的提高而增大。以

為例，其仿真能力隨著其所基于高性能服務(wù)器SGI的性能提升而提升(SGI是美國(guó)硅圖公司的簡(jiǎn)稱(chēng)，同時(shí)也是其所生產(chǎn)的高性能服務(wù)器的名稱(chēng)，是世界上最優(yōu)秀的高性能服務(wù)器之一)。如電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡嬷行牡?期工程購(gòu)買(mǎi)的Altix4700型號(hào)SGI，其每個(gè)CPU配置為雙核，而第3期工程購(gòu)買(mǎi)的SGI-UV2000，其每塊 CPU配置達(dá)到8核，且由于CPU主頻以及通信速度的提高，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試，每個(gè)CPU的仿真能力達(dá)到了Altix4700每個(gè)CPU仿真能力的8倍左右。

因此，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，基于新型SGI的HYPERSIM全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)與之前相比，具備了對(duì)更大規(guī)模電網(wǎng)的仿真能力，可以從一定程度上適應(yīng)目前大規(guī)模交直流同步混聯(lián)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真需求，其他全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置也具有相類(lèi)似的發(fā)展趨勢(shì)。從充分發(fā)揮全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置仿真能力，并盡可能準(zhǔn)確地保留原始電網(wǎng)暫態(tài)特性角度出發(fā)，可以根據(jù)實(shí)際仿真能力放寬對(duì)等值規(guī)模的要求。

綜上所述，根據(jù)新時(shí)期的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合近年全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置的仿真能力，本文提出新條件下等值研究的基本原則，如下所述:

(1)保留1 000 kV交流骨干網(wǎng)架，使得系統(tǒng)的主要電氣特性得以保留。

(2)保留系統(tǒng)中主要的直流輸電系統(tǒng)，特別是直流比較密集的華東多饋入地區(qū)或送端電氣距離相距較近的直流輸電系統(tǒng)。

(3)保留直接接入1 000 kV網(wǎng)架的發(fā)電機(jī)組，以及保留區(qū)域中直接接入500 kV網(wǎng)架的主力機(jī)組;對(duì)330，220 kV及以下電壓等級(jí)的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行等值合并。

(4)對(duì)于華東直流多饋入地區(qū)、華中或西北的直流送端站密集地區(qū)，需要保留直流換流站所連接電壓等級(jí)的交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。通常對(duì)于西北電網(wǎng)，主要指的是750 kV交流網(wǎng)架;對(duì)于華北、華中、華東電網(wǎng)，則指的是500 kV交流網(wǎng)架。

(5)通常情況下，對(duì)330，220 kV及以下電壓等級(jí)的交流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)。

從上述原則可以看出，針對(duì)新時(shí)期的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出的等值研究方法由傳統(tǒng)的區(qū)外等值，發(fā)展為根據(jù)電壓等級(jí)決定的分層式區(qū)內(nèi)等值。此處提到的區(qū)內(nèi)等值，指的是在某研究區(qū)域內(nèi)部，高電壓等級(jí)電網(wǎng)得到保留，而低電壓等級(jí)電網(wǎng)被等值消去。根據(jù)此等值原則實(shí)現(xiàn)的等值電網(wǎng)，其規(guī)模將會(huì)大于傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的等值電網(wǎng)，匹配近年來(lái)仿真能力得到大幅提高的全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置，在工程實(shí)際應(yīng)用上是可行的。

3 華東電網(wǎng)等值研究應(yīng)用

華東電網(wǎng)包括華東地區(qū)的上海、江蘇、安徽、浙江和福建四省一市。目前，華東電網(wǎng)已建成華東特高壓環(huán)網(wǎng)的南半環(huán)(淮南—浙北—上海)，以及特高壓環(huán)網(wǎng)南延線(浙北—浙中—浙南—福州)，并通過(guò)7回超/特高壓直流輸電系統(tǒng)與華北—華中電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)。7回饋入華東直流在上海、江蘇形成了直流多饋入系統(tǒng)，相互之間電氣聯(lián)系緊密，在交流系統(tǒng)故障時(shí)交互作用較強(qiáng)。

華東電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中較粗線條為1 000 kV交流線路，較細(xì)線條為500 kV交流線路，直流輸電系統(tǒng)用名稱(chēng)進(jìn)行標(biāo)注。饋入華東電網(wǎng)的直流輸電系統(tǒng)如表1所示。

為了對(duì)華東直流多饋入地區(qū)的交直流電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定特性進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真研究，本文采用上節(jié)所述原則對(duì)華東電網(wǎng)進(jìn)行了等值簡(jiǎn)化，提出的詳細(xì)等值研究方案如下:

圖3 2015水平年華東電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of 2015 East China power grid

表1 落點(diǎn)華東直流列表Table 1 HVDC systems feeding into East China power grid

(1)由于上海電網(wǎng)規(guī)模相對(duì)較小，直流饋入比較密集，原始網(wǎng)架全部保留，與BPA中的網(wǎng)架一致，不予等值化簡(jiǎn);

(2)江蘇、浙江、安徽、福建4省保留全部500 kV站及1 000 kV站網(wǎng)架，包括全部主變及出線;

(3)對(duì)江蘇、浙江、安徽、福建4省的220 kV及以下電壓等級(jí)網(wǎng)架進(jìn)行等值化簡(jiǎn)，等值電網(wǎng)中保留了部分220 kV主要聯(lián)絡(luò)線;

(4)對(duì)江蘇、浙江、安徽、福建、上海四省一市的所有發(fā)電機(jī)進(jìn)行等值合并，主要按照相同電廠相同類(lèi)型發(fā)電機(jī)組進(jìn)行合并，接入220 kV網(wǎng)架的電廠可適當(dāng)進(jìn)行合并;

(5)保留全部7回饋入華東超/特高壓直流輸電系統(tǒng)，其中特高壓直流3回，常規(guī)直流4回。

采用同調(diào)等值法對(duì)華東原網(wǎng)進(jìn)行等值計(jì)算，等值前后的電網(wǎng)規(guī)模對(duì)比如表2所示。由表2可以看到，等值后的系統(tǒng)規(guī)模約為原網(wǎng)的1/3。

表2 等值前后電網(wǎng)規(guī)模比較Table 2 Grid scale comparison between before and after equivalence

圖4和圖5所示為蘇北電網(wǎng)等值前后比較圖，可以看到，等值工作基本消去了220 kV及以下低電壓等級(jí)。

對(duì)等值前后的潮流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，部分對(duì)比結(jié)果如表3、表4所示。由表3和表4可知，等值后的電網(wǎng)很好地保證了原網(wǎng)潮流基本不變。

圖4 等值前蘇北電網(wǎng)Fig.4 North-Jiangsu grid before equivalence

圖5 等值后蘇北電網(wǎng)Fig.5 North Jiangsu grid after equivalence

表3 等值前后線路功率比較Table 3 Comparison of line power before and after equivalence

表4 等值前后母線電壓比較Table 4 Comparison of bus voltage before and after equivalence

圖6至圖9所示為華東電網(wǎng)等值前后的暫態(tài)特性比較。故障1為在浙江電網(wǎng)與江蘇電網(wǎng)之間的瓶窯—武南500 kV聯(lián)絡(luò)線武南側(cè)發(fā)生三相永久短路故障;故障2為在上海電網(wǎng)與江蘇電網(wǎng)之間的徐行—太倉(cāng)500 kV聯(lián)絡(luò)線徐行側(cè)發(fā)生三相永久短路故障。

圖6 故障1時(shí)皖南—浙北線路有功功率對(duì)比Fig.6 Comparison of Wannan-Zhebei active power under fault 1

圖7 故障1時(shí)皖南站母線電壓對(duì)比Fig.7 Comparison of Wannan station bus voltage under fault 1

圖8 故障2時(shí)皖南—浙北線路有功功率對(duì)比Fig.8 Comparison of Wannan-Zhebei active power under fault 2

圖9 故障2時(shí)皖南站母線電壓對(duì)比Fig.9 Comparison of Wannan station bus voltage under fault 2

從故障仿真結(jié)果波形看，等值電網(wǎng)很好地保留了原網(wǎng)的暫態(tài)及動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)論

隨著特高壓交直流電網(wǎng)的建設(shè)，同步電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，各區(qū)域電網(wǎng)之間聯(lián)系愈加緊密。對(duì)于新的以1 000 kV特高壓交流線路為骨干網(wǎng)架，同時(shí)系統(tǒng)中包含多回特高壓直流輸電系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，等值研究難以對(duì)區(qū)內(nèi)電網(wǎng)和區(qū)外電網(wǎng)進(jìn)行劃分。

隨著全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置仿真能力的提高，能夠仿真的電網(wǎng)規(guī)模也隨之?dāng)U大，放寬了對(duì)等值研究的規(guī)模要求。

綜合以上條件，本文提出了新形勢(shì)下等值研究的區(qū)內(nèi)等值等基本原則，并在2015水平年華東電網(wǎng)的等值研究上得到應(yīng)用。對(duì)2015水平年華東電網(wǎng)等值研究的結(jié)果表明，采用該等值原則，可以有效地縮減仿真電網(wǎng)規(guī)模，并很好地保證等值化簡(jiǎn)后的電網(wǎng)潮流及暫態(tài)特性。

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