新能源對隨州電網(wǎng)影響的評估軟件開發(fā)與應(yīng)用

陳治道，孫朝霞，王 亮，羅 猛，湯海霞，王武林，熊 楓

（國網(wǎng)隨州供電公司，湖北 隨州 441300）

0 引言

近年來，隨州地區(qū)的新能源呈井噴式的發(fā)展趨勢，新能源出力的不確定性、隨機(jī)性和波動性，影響了電力系統(tǒng)的正常運行。如何優(yōu)化新能源的位置和容量，是當(dāng)前隨州電網(wǎng)規(guī)劃面臨的一個具有重大實際意義的問題[1]。建立科學(xué)的電力系統(tǒng)評價指標(biāo)體系是實現(xiàn)新能源接入方案評價的基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的評價指標(biāo)體系是衡量配電系統(tǒng)現(xiàn)有水平和規(guī)劃成效的重要工具，是保證電網(wǎng)規(guī)劃質(zhì)量和電網(wǎng)建設(shè)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的重要手段。

本文提出了分布式電源對配電網(wǎng)綜合影響的各類指標(biāo)，指標(biāo)共分為五類：安全穩(wěn)定性[2-3]、電能質(zhì)量[4]、可靠性[5]、經(jīng)濟(jì)性[6]、風(fēng)險性[7]。通過對指標(biāo)的深入解析，構(gòu)建分布式電源對配電網(wǎng)綜合影響的指標(biāo)體系，并根據(jù)指標(biāo)計算結(jié)果對隨州電網(wǎng)提出正確的規(guī)劃和建議。

1 自動評估系統(tǒng)總體評估指標(biāo)體系

自動評估系統(tǒng)軟件立足于對給定接入新能源的電網(wǎng)方案進(jìn)行分析，明確各功能模塊的數(shù)據(jù)來源，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和功能接口開發(fā)，最終形成自動評估系統(tǒng)。本文提出共計18個指標(biāo)，如圖1所示。

部分主要指標(biāo)的計算方法如下：

1）母線電壓分布指數(shù)：描述新能源并網(wǎng)后電網(wǎng)中母線電壓隨機(jī)分布的特征，計算公式為：

式中：Ui為第i次電壓觀測值，為電壓平均值，m為樣本容量。

2）母線電壓保持指數(shù)：描述新能源并網(wǎng)后電網(wǎng)中母線電壓保持在一定范圍內(nèi)的數(shù)值比例，計算公式為：

圖1 系統(tǒng)指標(biāo)體系圖Fig.1 Index system

式（2）、（3）中：C(Ω)表示集合 Ω 中元素的個數(shù)，m為樣本容量，a表示對電壓波動范圍的限制閾值，可根據(jù)評價需要自行指定。

3）系統(tǒng)電壓分布指數(shù)：描述新能源并網(wǎng)后電網(wǎng)中母線電壓分布指數(shù)的平均值。其計算公式為：

式中：N表示母線數(shù)目。

4）系統(tǒng)電壓保持指數(shù)：描述新能源并網(wǎng)后電網(wǎng)中母線電壓保持指數(shù)的平均值。計算公式為：

式中：N表示母線數(shù)目。

5）電力不足時間概率：研究期間內(nèi)可用發(fā)電容量不滿足負(fù)荷需求所造成的停電概率值。計算公式為：

其中，N為系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)的數(shù)目；FLOLP為與LOLP對應(yīng)的試驗函數(shù)，由系統(tǒng)的隨機(jī)狀態(tài)Xi按式（7）決定：

式中：PD,j為節(jié)點j的有功負(fù)荷為節(jié)點j的原始有功負(fù)荷。

6）電量不足期望：指研究期間內(nèi)由于發(fā)輸電設(shè)備停運造成的少供電量。計算公式：

其中，C(Xi)為隨機(jī)狀態(tài)Xi負(fù)荷削減量。

式（9）中：ND為負(fù)荷節(jié)點數(shù)目，PD,j為節(jié)點j的有功負(fù)荷為節(jié)點j的原始有功負(fù)荷。

7）母線失負(fù)荷風(fēng)險：確定各節(jié)點負(fù)荷的調(diào)整量，并通過統(tǒng)計各節(jié)點負(fù)荷調(diào)整的大小，判斷對風(fēng)險消除最有利的負(fù)荷調(diào)整位置，可指導(dǎo)隨州電網(wǎng)制定各站的風(fēng)險減負(fù)荷策略。

計算公式為：

式（10）、（11）中：wi為母線i對應(yīng)的失負(fù)荷量(標(biāo)幺值)，ai為負(fù)荷重要程度因子，是根據(jù)GB50052-1995《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的對供電負(fù)荷分級來取值。

8）新能源受限風(fēng)險：確定各新能源場站的出力調(diào)整量，并通過統(tǒng)計新能源場站出力調(diào)整的大小，判斷對風(fēng)險消除最有利的新能源場站位置，可指導(dǎo)電網(wǎng)制定風(fēng)險事件中新能源場站出力的調(diào)整措施。計算公式：

式（12）中為機(jī)組i的有功出力上限，PG,i為機(jī)組i的有功出力。

9）母線電壓越限風(fēng)險：通過統(tǒng)計分析各節(jié)點電壓的上下界約束對應(yīng)的拉格朗日算子，獲得對風(fēng)險消除最有利的無功電壓控制節(jié)點，可甄別電網(wǎng)電壓薄弱環(huán)節(jié)。計算公式：

式（13）中：λ-V,i為節(jié)點i電壓下限約束對應(yīng)的拉格朗日算子。

10）支路潮流越限風(fēng)險：通過統(tǒng)計分析各支路潮流的上界約束對應(yīng)的拉格朗日算子，確定對支路潮流處于上限的線路，可甄別故障中隨州電網(wǎng)最易發(fā)生潮流越限的線路。計算公式：

式（14）中為支路i潮流上限約束對應(yīng)的拉格朗日算子。

2 自動評估系統(tǒng)指標(biāo)實現(xiàn)方案

自動評估系統(tǒng)各指標(biāo)的計算充分利用了PSASP的電網(wǎng)分析計算能力，通過計算控制模塊實現(xiàn)對整個評估過程的自動控制，實現(xiàn)工程文件與作業(yè)文件的轉(zhuǎn)換，調(diào)用計算程序與評估計算，實現(xiàn)整個評估過程的高度自動化。其實現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于PSASP指標(biāo)計算示意圖Fig.2 Calculation of index based on PSASP

2.1 自動評估系統(tǒng)構(gòu)成

1）PSASP程序包，包括用于電力系統(tǒng)分析的各種計算模塊，如潮流計算程序，短路計算模塊，N-1故障計算模塊等。

2）PSASP工程文件，用以管理電力系統(tǒng)模型及計算參數(shù)，包括電力系統(tǒng)模型文件，計算控制參數(shù)文件。

3）PSASP作業(yè)文件，供PSASP程序包計算使用的數(shù)據(jù)文件。

4）PSASP結(jié)果文件，用以存放PSASP的計算結(jié)果。

5）數(shù)據(jù)解析模塊，用以實現(xiàn)PSASP工程文件向PSASP作業(yè)文件轉(zhuǎn)換，PSASP結(jié)果文件解析的功能。

6）評估指標(biāo)計算模塊，利用PSASP計算結(jié)果數(shù)據(jù)對自動評估系統(tǒng)各指標(biāo)進(jìn)行計算。

7）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用以存儲評估結(jié)果。

8）結(jié)果展示模塊，用以展示評估結(jié)果。

9）計算控制模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析模塊，評估指標(biāo)計算模塊，PSASP程序包中電力系統(tǒng)分析軟件的調(diào)用功能。

2.2 自動評估系統(tǒng)工作過程

1）準(zhǔn)備好PSASP工程文件，開始進(jìn)行間歇性能源并網(wǎng)方案評估。

2）評估系統(tǒng)將調(diào)用數(shù)據(jù)解析模塊，將PSASP工程文件轉(zhuǎn)換為PSASP作業(yè)文件[13]。

3）評估系統(tǒng)將自動調(diào)用PSASP程序包中的電網(wǎng)分析程序，對并網(wǎng)方案進(jìn)行計算。

4）評估系統(tǒng)自動調(diào)用數(shù)據(jù)解析模塊，讀取步驟3中計算得到的結(jié)果，并將結(jié)果數(shù)據(jù)輸入到評估指標(biāo)計算模塊中進(jìn)行指標(biāo)計算。評估指標(biāo)計算模塊將計算的結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

5)結(jié)果展示模塊從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中讀取步驟4中存儲的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

2.3 自動評估系統(tǒng)評估指標(biāo)計算模塊實現(xiàn)方法

評估指標(biāo)模塊實現(xiàn)方法分兩種：一種是采用C++編程實現(xiàn)，一種是采用C++和MATLAB混合編程實現(xiàn)。實現(xiàn)流程圖大致如圖3所示。

圖3 評估指標(biāo)計算模塊示意圖Fig.3 Evaluation index calculation module

C++編程實現(xiàn)的評估指標(biāo)有安全穩(wěn)定性指標(biāo)模塊和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)模塊，這兩個模塊指標(biāo)的計算是讀取PSASP計算的結(jié)果文件，通過指標(biāo)計算方法，把評估結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中,整個過程都是通過程序自動化處理完成。

C++和MATLAB混合編程實現(xiàn)的評估指標(biāo)有電能質(zhì)量指標(biāo)模塊、可靠性模塊和風(fēng)險性模塊。這3個指標(biāo)模塊在實現(xiàn)過程中是運用matlab編程采用蒙特卡洛法進(jìn)行計算，為了實現(xiàn)自動化評估計算，首先需要將計算指標(biāo)的matlab程序轉(zhuǎn)換為C++所能識別的動態(tài)庫程序，然后通過C++程序自動調(diào)用matlab所轉(zhuǎn)換的動態(tài)庫，從而得出指標(biāo)計算結(jié)果，最后把結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中和界面展示。

3 自動評估系統(tǒng)指標(biāo)結(jié)果分析

自動評估系統(tǒng)可視化界面分為主畫面和詳細(xì)界面兩種。主界面主要展示各功能模塊的主要信息，讓操作員能夠快速抓取各模塊指標(biāo)的重要信息，詳細(xì)界面顯示各模塊指標(biāo)的詳細(xì)內(nèi)容，便于操作員精確分析。

下面所展示的結(jié)果數(shù)據(jù)是針對隨州電網(wǎng)處于極小負(fù)荷情況下的評估結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖4 評估系統(tǒng)主畫面Fig.4 Evaluation system

3.1 自動評估系統(tǒng)主畫面

圖4為自動評估系統(tǒng)的主畫面。左側(cè)從上到下為加載程序數(shù)據(jù)包，調(diào)用指標(biāo)計算接口；右側(cè)依次為安全穩(wěn)定性指標(biāo)、電能質(zhì)量指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、風(fēng)險性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)結(jié)果顯示。點擊每個指標(biāo)模塊的詳情可以快速定位到該模塊指標(biāo)下面的指標(biāo)詳細(xì)信息。

3.2 安全穩(wěn)定性

圖5為安全穩(wěn)定性模塊線路負(fù)載率詳細(xì)內(nèi)容顯示。結(jié)合圖4可知，在常規(guī)運行方式下，220 kV鐘隨線負(fù)載率為110.3%，出現(xiàn)過載情況；110 kV烈殷線負(fù)載率為91.6808%，110 kV天烈線負(fù)載率為90.5351%，出現(xiàn)重載的情況。220 kV烈1號主變負(fù)載率為261.492%，出現(xiàn)嚴(yán)重過載情況。

圖5 常規(guī)潮流計算線路負(fù)載率Fig.5 Conventional power flow calculation load ratio

圖6為安全穩(wěn)定性模塊N-1校驗中在不同運行方式下切除方案的數(shù)目、切除方案類型、所切除方案對應(yīng)的支路設(shè)備。由圖6可知，極小負(fù)荷運行方式和極大運行方式的切除方案都為58個。

圖6 N-1校驗切除方案Fig.6 N-1 Check removal scheme

3.3 電能質(zhì)量

圖7為母線電壓保持指數(shù)詳細(xì)內(nèi)容顯示。除烈山變10 kV母線電壓保持指數(shù)約為0.507 1外，其他母線的電壓保持指數(shù)都為1。即除烈山變10 kV母線外，其余母線電壓均在合格范圍內(nèi)。

3.4 可靠性

可靠性有兩個評估指標(biāo)：電力不足時間概率和電量不足期望。由圖4可知，電力不足時間概率為99.973%，表示區(qū)域內(nèi)停電概率為99.973%；電量不足期望為3.596 4，表示由于輸電設(shè)備停運造成的少供電量為3.596 4 MW。

圖7 母線電壓保持指數(shù)Fig.7 Bus voltage retention index

3.5 風(fēng)險性

圖8為母線失負(fù)荷風(fēng)險的詳細(xì)內(nèi)容顯示，其中負(fù)荷調(diào)整量最大的是永陽變10 kV 2號母線，其失負(fù)荷風(fēng)險為1.508 4 MW。

圖9為新能源受限風(fēng)險詳細(xì)內(nèi)容顯示，其中受限風(fēng)險最大的兩條母線為萬和風(fēng)電場和界山風(fēng)電場，受限風(fēng)險分別為62.779 3 MW和28.886 2 MW，說明這兩個風(fēng)力發(fā)電場需要調(diào)整的發(fā)電量比較大。

圖8 母線失負(fù)荷風(fēng)險Fig.8 Bus load loss risk

圖9 新能源受限風(fēng)險Fig.9 New energy limited risk

3.6 經(jīng)濟(jì)性

圖10為線路的負(fù)荷率詳細(xì)內(nèi)容，結(jié)合圖4可知，220 kV隨永線負(fù)荷率最高，其負(fù)荷率達(dá)到了91.134 2%，負(fù)荷率越接近100%，表示線路設(shè)備的利用率越高，越有利于減損節(jié)能。

圖10 線路負(fù)荷率Fig.10 Lines load ratio

4 隨州電網(wǎng)未來規(guī)劃建議

依照極小負(fù)荷下的自動評估結(jié)果，對隨州電網(wǎng)近期的規(guī)劃提出如下建議：

（1）由于220 kV鐘隨線是500 kV編鐘變下網(wǎng)的重要220 kV線路，建議將隨州變220 kV母線以及鐘隨線改為大截面導(dǎo)線，緩解重過載問題。

圖11 隨州電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.11 Suizhou power grid structure

（2）220 kV烈山站現(xiàn)有風(fēng)電220.5 MW，光伏200 MW，造成主變過載嚴(yán)重，建議推進(jìn)220 kV烈2號主變擴(kuò)建工程，推進(jìn)220 kV江頭店輸變電工程建設(shè)，緩解烈山供區(qū)新能源上網(wǎng)卡口問題。

（3）建議推進(jìn)220 kV永陽主變增容工程，將永1號主變更換為240 MVA的大容量主變，緩解永陽供區(qū)新能源上網(wǎng)卡口問題。

綜合以上3點改進(jìn)措施，再次進(jìn)行潮流計算、N-1校核、電能質(zhì)量計算、經(jīng)濟(jì)性計算、可靠性和風(fēng)險性計算，計算結(jié)果表明線路和變壓器均無越限情況，同時改善了母線的電能質(zhì)量，各線路和各母線存在的風(fēng)險性和受限情況得到了大大的改善。

5 結(jié)論

本文所述的自動評估系統(tǒng)有如下幾個重要的技術(shù)特點：

（1）實現(xiàn)了電網(wǎng)分析、評估指標(biāo)計算等功能的自動化，大大提高了多種間歇性能源并網(wǎng)方案評估的自動化水平，進(jìn)而提高了電網(wǎng)分析工作人員的工作效率；

（2）對隨州地區(qū)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行方式、新能源發(fā)電裝機(jī)、消納等情況進(jìn)行全面分析，為風(fēng)電場和系統(tǒng)建模等后續(xù)分析工作提供數(shù)據(jù)支撐；

（3）提供了友好、簡潔的人機(jī)交互界面，可以讓電網(wǎng)分析工作人員快速定位重要問題；

（4）為電網(wǎng)分析工作人員提供區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)電壓的薄弱點和輸電薄弱環(huán)節(jié)所在，方便電網(wǎng)分析工作人員快速制定有針對性的改進(jìn)方案。

最后，結(jié)合隨州電網(wǎng)實際運行情況表明：本文研究結(jié)果能夠應(yīng)用于隨州電網(wǎng)的實際運行中，并且可以極大地改善當(dāng)前隨州電網(wǎng)的運行情況，有效改善新能源發(fā)電的外送難題，為隨州電網(wǎng)未來規(guī)劃提供了強(qiáng)有力的支撐保障作用。

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