基于調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定極限分析

周 悅，蔡 田，盧子敬

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000)

0 引言

對于電網(wǎng)安全運(yùn)行，最具有指導(dǎo)意義的參照物就是離線穩(wěn)定極限，它由系統(tǒng)方式專業(yè)人員根據(jù)相關(guān)規(guī)定制定，同時(shí)以相對更直觀、更可控的有功功率來表示，但穩(wěn)定極限的制定過程中往往會(huì)預(yù)留一定的裕度[1]，以保證穩(wěn)定極限能夠適應(yīng)各種電網(wǎng)運(yùn)行方式，即目前電網(wǎng)的穩(wěn)定極限可以以極高的概率保證“穩(wěn)定”，但往往并非實(shí)際的“極限”。

隨著電力市場化的推進(jìn)，新能源電廠的大量接入，使得在部分時(shí)段內(nèi)，水電新能源基地的外送能力被穩(wěn)定極限限制，因此若能對穩(wěn)定極限的裕度進(jìn)行合理的評估，在保證安全的前提下充分發(fā)揮線路的外送能力，對于充分消納清潔能源、降低碳排放有著非常重要的意義。

湖北宜昌地區(qū)近兩年由于產(chǎn)業(yè)調(diào)整，本地用電負(fù)荷降低，而根據(jù)原負(fù)荷規(guī)劃而配套建設(shè)的大量水電廠在集中來水的情況下，需要外送的電力遠(yuǎn)超外送斷面的輸送能力，此外，新能源電廠的接入也進(jìn)一步加重了外送壓力。針對宜昌外送斷面之一的“220 kV遠(yuǎn)雙+坡掇”斷面，本文以28個(gè)月的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對運(yùn)行極限進(jìn)行分析，對離線穩(wěn)定斷面的裕度進(jìn)行評估。

1 偏差來源

對于離線穩(wěn)定極限的計(jì)算過程，計(jì)算誤差的主要來源如下：

（1）模型偏差：由于離線計(jì)算建模的問題，導(dǎo)致計(jì)算線路參數(shù)與實(shí)際不符，進(jìn)而造成穩(wěn)定計(jì)算結(jié)論出現(xiàn)偏差。模型偏差只能通過實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行很粗略的校驗(yàn)，只有出現(xiàn)對應(yīng)線路的計(jì)劃檢修或者跳閘時(shí)才能檢驗(yàn)穩(wěn)定斷面的適用性，同時(shí)還必須排除其他線路的停運(yùn)以及SCADA的測量誤差引起的偏差。

（2）轉(zhuǎn)換偏差：穩(wěn)定規(guī)定給出的控制對象是有功功率，而熱穩(wěn)定的控制對象是電流，雖然兩者之間在220 kV以上輸電網(wǎng)中存在很高的線性性[2]，但轉(zhuǎn)換邊界條件的設(shè)置仍會(huì)造成相當(dāng)可觀的誤差。以《2017年華中主網(wǎng)穩(wěn)定規(guī)定（第二版）》為例，在500 kV線路的控制有功和控制電流的轉(zhuǎn)換上，電壓取500 kV，功率因素取0.95，而在實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行中500 kV母線電壓通常都在525 kV到540 kV之間，即使出現(xiàn)N-1或者同桿N-2故障，也不會(huì)出現(xiàn)電壓大幅下降的情況，同樣的，對于輸送有功功率在300 MW以上的500 kV線路來講，其功率因素往往都在0.98以上，此時(shí)引起的偏差至少在5%以上，當(dāng)控制條件更加苛刻時(shí)[3-4]，所引起的誤差顯然會(huì)進(jìn)一步增大。

（3）不確定因素偏差[5]：對于同樣的穩(wěn)定斷面運(yùn)行功率，由于斷面包含線路的功率分配不同，其故障后的功率分布肯定會(huì)存在一定的不同，在某些極端情況下甚至可能出現(xiàn)相同的斷面功率，不同的穩(wěn)定結(jié)論。因此由于在離線計(jì)算中難以窮盡各種可能的運(yùn)行方式，因此方式人員往往在最后確定斷面極限時(shí)留有一定的裕度，然而具體的裕度大小卻難以有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2 分析方法

在文獻(xiàn)[6]中證明了對于給定支路k（兩端節(jié)點(diǎn)編號為m和n）和j（兩端節(jié)點(diǎn)編號為p和q），斷開支路k后，其電流將以一個(gè)恒定的比例a轉(zhuǎn)移至支路j，具體公式為：

其中：為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；Zj為支路j的阻抗。

需要指出的是式（1）中轉(zhuǎn)移比a為一個(gè)矢量，為便于分析，后續(xù)分析中所指的轉(zhuǎn)移比均指a的模量。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，取相同的電網(wǎng)接線方式下（近區(qū)全接線運(yùn)行）的多個(gè)時(shí)刻在線DSA計(jì)算數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行遠(yuǎn)雙線（安全電流515 A）、坡掇線（安全電流710 A）的N-1計(jì)算。

其中選擇宜昌及近區(qū)電網(wǎng)全接線方式的時(shí)段，以避免由于近區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞造成的轉(zhuǎn)移比偏差；對于不同開機(jī)、不同負(fù)荷水平、不同無功設(shè)備投退情況下對于電壓、無功的影響，則采取對多個(gè)時(shí)間點(diǎn)多次抽樣分析的方法，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 遠(yuǎn)雙線、坡掇線相互之間的轉(zhuǎn)移比Table 1 The transfer ratio between AC line Yuanshang and Poduo

由表1可知，兩條線之間轉(zhuǎn)移比偏差在不同時(shí)刻差別很小，轉(zhuǎn)移比最大值和最小值之差不超過1%，因此可以認(rèn)為文獻(xiàn)中提出的轉(zhuǎn)移比恒定是在電網(wǎng)準(zhǔn)確建模的前提下是可以精準(zhǔn)確定故障后電流分布的。但是，計(jì)算數(shù)據(jù)的建模正確與否只能通過實(shí)際停電/跳閘檢驗(yàn)，在進(jìn)行分析的24個(gè)月的實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，遠(yuǎn)雙線、坡掇線各有3次停電，其中遠(yuǎn)雙線的全部三次以及坡掇線的第三次停電時(shí)，近區(qū)電網(wǎng)都不是全接線運(yùn)行，因此無分析意義。表2是坡掇線第一、第二次停送電時(shí)對遠(yuǎn)雙線的轉(zhuǎn)移比（SCADA數(shù)據(jù)采樣周期300 s）。

表2 坡掇線停(送)電時(shí)，對遠(yuǎn)雙線的轉(zhuǎn)移比Tab.2 The transfer ratio to AC line Yuanshuang while AC line Poduo is on(off)

由于實(shí)測的轉(zhuǎn)移比會(huì)因?yàn)椴蓸娱g隔的問題（采樣周期300 s），導(dǎo)致在相鄰的采樣周期中電網(wǎng)的發(fā)用電情況略有不同，而在在線DSA計(jì)算中，停電前后的發(fā)用電情況是完全一致。為消除采樣周期過長的影響，在第一次坡掇線送電時(shí)，調(diào)整SCADA的采樣周期至5 s，這時(shí)得到的坡掇線對遠(yuǎn)雙線的轉(zhuǎn)移比為16.2%。

3 誤差分析

由以上分析可知，在通過縮短采樣周期至5 s后，可以認(rèn)為近區(qū)機(jī)組和負(fù)荷無變化，此時(shí)坡掇線對遠(yuǎn)雙線的轉(zhuǎn)移比為16.2%，在忽略裝置測量誤差的前提下，可以認(rèn)為該值就是坡掇線對遠(yuǎn)雙線的實(shí)際轉(zhuǎn)移比。

3.1 模型偏差

由于潮流計(jì)算中都是采用的Π型等效電路（如圖1所示，假設(shè)線路首末段分別為i和j），第二節(jié)中所指的線路電流對應(yīng)圖1中的iij，而表1中用于轉(zhuǎn)移比計(jì)算的線路電流為圖1中的i1，兩者相差為ic（線路電容電流的一半），只有在忽略線路導(dǎo)納時(shí)，才可以認(rèn)為iij=i1；此外，考慮到母線電壓的變化幅度很小，可認(rèn)為ic為一個(gè)恒定值（對于坡掇線約為12 A的容性電流），因此當(dāng)相關(guān)線路電流越大時(shí)，模型引起的偏差會(huì)越小。故即使計(jì)算模型和參數(shù)完全一致，由于線路首端電流（i1）與支路電流（iij）存在略微的差別，造成在不同的時(shí)刻計(jì)算得到的轉(zhuǎn)移比略有不同。

圖1 線路Π型等效模型Fig.1 Type-Π equivalent model of AC line

由表1可知，不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)移比均值與時(shí)間轉(zhuǎn)移比16.2%完全一致，雖然不同時(shí)刻之間的轉(zhuǎn)移比略有不同，但只要線路電流能夠遠(yuǎn)大于電容電流，這時(shí)由于模型引起的誤差是可以忽略的。

3.2 轉(zhuǎn)換偏差、不確定因素偏差

選取2014年9月至2016年12月，28個(gè)月中遠(yuǎn)雙+坡掇斷面有功在300 MW以上的運(yùn)行采樣點(diǎn)，共計(jì)12 199個(gè)（采樣周期300 s）。由于這些時(shí)刻中，遠(yuǎn)雙線、坡掇線的電流均遠(yuǎn)大于線路的電容電流，因此遠(yuǎn)雙線對坡掇線轉(zhuǎn)移比以及坡掇線對遠(yuǎn)雙線轉(zhuǎn)移比根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果分別取27.5%和16.2%。

通過轉(zhuǎn)移比可以非常準(zhǔn)確地推測出遠(yuǎn)雙線、坡掇線任一線路跳閘后運(yùn)行線路上的電流，若此時(shí)運(yùn)行線路的電流超過線路規(guī)定安全電流，則認(rèn)為此時(shí)斷面是不安全的（圖2、圖3中紅色部分）。

圖2 穩(wěn)定邊界（按電流）Fig 2 Stable boundary(by current)

圖3 穩(wěn)定邊界（按有功）Fig 3 Stable boundary（by active power）

4 斷面裕度的評估

將圖1中運(yùn)行點(diǎn)的電流坐標(biāo)改為對應(yīng)運(yùn)行點(diǎn)的有功坐標(biāo)（如圖2所示），由圖2可知穩(wěn)定規(guī)定中遠(yuǎn)雙線、坡掇線的穩(wěn)定極限300 MW可以保證所有運(yùn)行點(diǎn)出現(xiàn)任一線路N-1后，運(yùn)行線路均不過載，但顯然在300 MW的穩(wěn)定極限以上仍有相當(dāng)一塊區(qū)域是不存在N-1問題，這部分運(yùn)行點(diǎn)占所有穩(wěn)定極限300 MW以上運(yùn)行點(diǎn)的85.1%（10385/12199），在所有的安全運(yùn)行點(diǎn)中，斷面功率最大值為387.155 MW，在所有不安全運(yùn)行點(diǎn)中，斷面功率最小值為337.636 MW，在斷面功率不同時(shí)，安全/不安全運(yùn)行點(diǎn)的分布表3所示。

表3 安全/不安全運(yùn)行點(diǎn)的分布Tab.3 Distribution of safe/unsafe spot

定義斷面功率為P時(shí)的不安全運(yùn)行概率：

不安全運(yùn)行點(diǎn)的頻數(shù)分布以及斷面不安全運(yùn)行概率（ΔP=5 MW）的分布如圖4、圖5所示。

圖4 不安全運(yùn)行點(diǎn)的頻數(shù)分布Fig 4 Frequency distribution of unsafe spot

圖5 不安全運(yùn)行概率Fi.g 5 Unsafe operation’s probability

由圖4、圖5可知，若將穩(wěn)定極限P增加到332 MW，仍可保證p(P)=100%，原超穩(wěn)定極限的12 199個(gè)運(yùn)行點(diǎn)中4 457個(gè)運(yùn)行點(diǎn)（占比36.49%）將被視為穩(wěn)定極限以內(nèi)的運(yùn)行點(diǎn)，即可以在完全保證電網(wǎng)穩(wěn)定，且留有一定裕度（ΔP=5 MW）的情況下，同時(shí)釋放出相當(dāng)?shù)脑６取?/p>

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，對于近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，且有充分運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累的穩(wěn)定斷面，通過對長時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，特別是結(jié)合線路檢修或事故停電時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以得到非常精確的斷面限值。對于本文中分析的穩(wěn)定斷面，經(jīng)過24個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及數(shù)次斷面組成線路停電前后的記錄數(shù)據(jù)，精確地確定了該斷面的運(yùn)行極限，對照穩(wěn)定規(guī)定要求，規(guī)定的斷面穩(wěn)定極限確實(shí)可以完全保證“穩(wěn)定”，但距離“極限”仍有一定空間，而這一部分運(yùn)行空間如能合理使用，則能夠在該地區(qū)水電及新能源電廠大發(fā)時(shí)做到既保證電網(wǎng)安全又能最大程度消納清潔能源。

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