試論電力系統(tǒng)運(yùn)行及安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

陳娟++陳慶濤

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.010

摘 要：隨著電網(wǎng)互聯(lián)工作的開(kāi)展，電力系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也越來(lái)越復(fù)雜。電網(wǎng)在規(guī)模不斷增大，復(fù)雜性不斷增強(qiáng)的同時(shí)，傳統(tǒng)的單一依靠自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的方式已經(jīng)不適用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行需要。行業(yè)的發(fā)展需要新的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)的監(jiān)控。該文就電力系統(tǒng)運(yùn)行及安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)做簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)運(yùn)行 安全監(jiān)控仿真系統(tǒng) 研究與開(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0010-02

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大及復(fù)雜性的增加，人們對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理的認(rèn)識(shí)沒(méi)有保持同步發(fā)展，尤其是在系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全方面，對(duì)電力系統(tǒng)認(rèn)識(shí)受限主要是緣于安全監(jiān)控的理論及方法。電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段主要是設(shè)備監(jiān)控，監(jiān)控的手段還比較薄弱，與電力系統(tǒng)的發(fā)展需求不能有效適應(yīng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)運(yùn)行及安全監(jiān)控?fù)?jù)仿真系統(tǒng)包括了電力系統(tǒng)仿真與安全監(jiān)控仿真兩個(gè)部分。前者又包括了多個(gè)子系統(tǒng)。如電力系統(tǒng)安全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用在于實(shí)時(shí)模擬大規(guī)模電力系統(tǒng)的運(yùn)行，并提供仿真數(shù)據(jù)為其它的子系統(tǒng)所用。電力市場(chǎng)仿真子系統(tǒng)，對(duì)各種交易規(guī)則及類型，市場(chǎng)模式進(jìn)行仿真，作用在于交易市場(chǎng)的仿真與培訓(xùn)。PMU/WAMS子系統(tǒng)，作用在于對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)并分析。SCADA/EMS子系統(tǒng)，對(duì)仿真電力系統(tǒng)監(jiān)控并分析。故障信息管理子系統(tǒng)，對(duì)故障信息進(jìn)行管理與應(yīng)用。電力仿真系統(tǒng)由以上幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建，通過(guò)高效數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換并從中獲取需要的數(shù)據(jù)，掛靠的結(jié)果也通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)總線。整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)在總線上都可以獲得，為電力系統(tǒng)安全監(jiān)控應(yīng)用仿真打下基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)安全監(jiān)控仿真則包括了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估與預(yù)警。電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取可以來(lái)自于SCADA/EMS子系統(tǒng)，也可以通過(guò)獲取市場(chǎng)仿真系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃，對(duì)未來(lái)計(jì)劃運(yùn)行進(jìn)行安全考核。

2 系統(tǒng)涉及到的技術(shù)

2.1 大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真

廣站拓樸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜交流電網(wǎng)并行仿真與直流電網(wǎng)機(jī)電態(tài)—電磁暫態(tài)混合并行仿真。

交流電網(wǎng)仿真實(shí)時(shí)與超時(shí)仿真計(jì)算主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分割與并行計(jì)算。其不足之處在于開(kāi)關(guān)、刀閘等網(wǎng)絡(luò)接線方式無(wú)法考慮，變電站內(nèi)刀閘與開(kāi)關(guān)模擬工作開(kāi)展時(shí)不是特別的方便，會(huì)受到一定影響。將廣站拓樸結(jié)構(gòu)引入到并行仿真系統(tǒng)中，結(jié)合拓樸變化分析，電網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中投運(yùn)、切除、參數(shù)變化、刀閘相繼動(dòng)作、開(kāi)關(guān)等方面都可以被考慮進(jìn)去。母線分裂與合并等結(jié)構(gòu)變化情況也可以被考慮。安全自動(dòng)裝置與繼電裝置進(jìn)行模擬可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)干擾進(jìn)行模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。如繼電保護(hù)的誤動(dòng)，拒動(dòng)，正確動(dòng)作，線路開(kāi)斷，系統(tǒng)解列，同并列操作，從而提升模擬工作的真實(shí)性，營(yíng)造一個(gè)真實(shí)良好的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為各種實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供一定的基礎(chǔ)。

在某些故障存在的情況下，如交流電網(wǎng)發(fā)生的不對(duì)稱故障，換相失敗等，則可以采用機(jī)電暫態(tài)—電磁暫態(tài)混合并行仿真。為了避免單純的機(jī)電暫態(tài)仿真所帶來(lái)的誤差，更加準(zhǔn)確的對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，電磁暫態(tài)仿真可以用于直流輸電系統(tǒng)，機(jī)電暫態(tài)仿真用于交流電網(wǎng)[1]。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)家電網(wǎng)骨干購(gòu)網(wǎng)架的實(shí)時(shí)仿真，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過(guò)1∶1時(shí)間仿真，不間斷的運(yùn)行，對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行真實(shí)的模擬。

2.2 系統(tǒng)評(píng)估與安全預(yù)警

該項(xiàng)技術(shù)又包括了多項(xiàng)技術(shù)于其中，如在/離線數(shù)據(jù)整合，任務(wù)調(diào)度，穩(wěn)定極限并行計(jì)算，輔助決策并行計(jì)算，基于PMU低頻振蕩安全分析與預(yù)警。

大規(guī)模的電網(wǎng)互聯(lián)涉及到的數(shù)據(jù)范圍廣，數(shù)據(jù)量也較大，對(duì)應(yīng)關(guān)系也比較復(fù)雜，傳統(tǒng)方法主要是人工維護(hù)，在現(xiàn)階段已經(jīng)不適合。在/離線數(shù)據(jù)整合，主要是通過(guò)變壓器進(jìn)行拼接。拼接采用的是跨區(qū)拼接的方式，并且是跨電壓等級(jí)的，支持等值電網(wǎng)、設(shè)備的在/離線動(dòng)態(tài)智能映射技術(shù)。可以依據(jù)三級(jí)調(diào)度在線EMS與離線方式數(shù)據(jù)，生成可進(jìn)行暫態(tài)仿真的計(jì)算數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠適應(yīng)電網(wǎng)的拓樸變化。

為了確保任務(wù)在有限的時(shí)間內(nèi)完成，就需要多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。通常情況采用的是分布式計(jì)算平臺(tái)，應(yīng)用的技術(shù)手段有數(shù)據(jù)廣播，計(jì)算流程時(shí)序控制，任務(wù)預(yù)分項(xiàng)等。穩(wěn)定極限并行計(jì)算可以在潮流調(diào)控中對(duì)多個(gè)斷面功率進(jìn)行同步控制。可以同時(shí)考慮到斷面暫態(tài)、電壓、熱穩(wěn)定。在考慮縮短計(jì)算時(shí)間的情況下，可以在穩(wěn)定校核時(shí)采用此技術(shù)。輔助決策的作用在于找出滿足穩(wěn)定性靜態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，使系統(tǒng)對(duì)故障的應(yīng)對(duì)能力得以提升。動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題的求解通常是轉(zhuǎn)化為靜態(tài)約束非線性優(yōu)化問(wèn)題。

3 電力市場(chǎng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)

該技術(shù)包括了仿真建模，仿真平臺(tái)，智能代理技術(shù)。仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是基于計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)，實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)，系統(tǒng)控制理論，智能代理技術(shù)，電力市場(chǎng)等。并將SOA，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用于其中，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)動(dòng)作、系統(tǒng)運(yùn)行、參與行為模擬仿真為市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)平臺(tái)（見(jiàn)圖1）。

4 電力仿真系統(tǒng)的功能

仿真系統(tǒng)可以依據(jù)子系統(tǒng)所形成的運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，進(jìn)行暫仿真計(jì)算，對(duì)故障情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)環(huán)境下系統(tǒng)仿真研究。

仿真系統(tǒng)可以對(duì)一系列的監(jiān)控技術(shù)與新系統(tǒng)進(jìn)行研究測(cè)試。這些技術(shù)包括了，安全分析與評(píng)估，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，系統(tǒng)故障診斷，系統(tǒng)恢復(fù)控制等。

為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行分析與穩(wěn)評(píng)估。主要包括了兩種方式：一方面是將電網(wǎng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)提供給安全評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)；另一方式則是將數(shù)據(jù)提供仿真子系統(tǒng)，通過(guò)暫態(tài)仿真計(jì)算，并結(jié)合案例評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)安全穩(wěn)定性的分析與評(píng)估。

事故原因排查及相應(yīng)的措施研究。安全仿真系統(tǒng)可以將在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行暫態(tài)仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)事故在狀態(tài)下動(dòng)作、運(yùn)作、自動(dòng)調(diào)控過(guò)程，并結(jié)全相關(guān)子系統(tǒng)對(duì)事故進(jìn)行分析，并在采取措施后對(duì)效果進(jìn)行觀察。

對(duì)自動(dòng)化設(shè)備及控制系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的內(nèi)容包含了母線電壓、線路電流、有功功率、系統(tǒng)穩(wěn)定器等。

發(fā)電計(jì)劃校核測(cè)試與試驗(yàn)。市場(chǎng)仿真子系統(tǒng)進(jìn)行市場(chǎng)交易仿真，并將計(jì)劃發(fā)送給安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)基于計(jì)劃與負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流整合，給出符合計(jì)劃的潮流并對(duì)計(jì)劃運(yùn)行方式進(jìn)行安全校核。將結(jié)果反饋于仿真子系統(tǒng)，若未通過(guò)則對(duì)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整并重復(fù)上述步驟。

5 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)運(yùn)行及安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)融合了多項(xiàng)技術(shù)，能夠?qū)Υ笠?guī)模電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)施模擬，并對(duì)新技術(shù)與監(jiān)控手段進(jìn)行效果測(cè)試。其應(yīng)用的范圍較廣，涉及到了科研、生產(chǎn)、教育等多個(gè)方面。作為系統(tǒng)運(yùn)行，調(diào)度與控制的重要手段，其應(yīng)用的市場(chǎng)前景廣闊。仿真系統(tǒng)為電網(wǎng)運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 田芳，董春暉，李亞樓，等.電力系統(tǒng)運(yùn)行及安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（28）：80-86.

[2] 王丹.電網(wǎng)和變電站聯(lián)合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].華北電力大學(xué)，2015.