在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估及決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李世明　高波　向德軍

摘 要：在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估及決策支持系統(tǒng)以分布式并行計(jì)算平臺(tái)為支撐運(yùn)行平臺(tái)，有效地整合日計(jì)劃數(shù)據(jù)和年度月度檢修計(jì)劃數(shù)據(jù)和EMS模型數(shù)據(jù)、在線歷史數(shù)據(jù)、電網(wǎng)離線分析數(shù)據(jù)，形成計(jì)劃潮流數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全穩(wěn)定分析。在此基礎(chǔ)上，集成基態(tài)潮流分析、靜態(tài)安全分析、連鎖故障分析、暫（動(dòng)態(tài)）態(tài)穩(wěn)定分析、靜態(tài)安全輔助決策等多種穩(wěn)定分析計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)日計(jì)劃和年度、月度檢修計(jì)劃的動(dòng)態(tài)安全校核，并根據(jù)校核結(jié)果，給出迅速有效的控制措施或調(diào)整策略。在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估及決策支持系統(tǒng)由智能運(yùn)行策劃管理平臺(tái)提交計(jì)算申請(qǐng)，計(jì)算完成后將計(jì)算結(jié)果返回，由智能運(yùn)行策劃管理平臺(tái)統(tǒng)一展示。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)安全；電網(wǎng)系統(tǒng)；潮流分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.188

0 引言

動(dòng)態(tài)安全校核系統(tǒng)涉及面廣，不僅涵蓋了包括電網(wǎng)的運(yùn)行與控制技術(shù)、電力系統(tǒng)分析與并行計(jì)算技術(shù)等多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)，而且在實(shí)際的開發(fā)中還要考慮對(duì)電網(wǎng)中已有的能量管理系統(tǒng)（EMS）、離線檢修管理和安全分析以及離線方式計(jì)算等現(xiàn)有資源的有效集成和充分利用。因此，對(duì)動(dòng)態(tài)安全校核系統(tǒng)的研究與開發(fā)是漫長而復(fù)雜的工程。本文開發(fā)的動(dòng)態(tài)安全校核系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)廣東電網(wǎng)計(jì)劃檢修的動(dòng)態(tài)安全校核和穩(wěn)定隱患監(jiān)測，為提高廣東電網(wǎng)運(yùn)行決策及運(yùn)行方式的科學(xué)性和預(yù)見性、提升電網(wǎng)的輸送能力和安全穩(wěn)定水平提供技術(shù)支撐。

1 多斷面功率模型

在傳統(tǒng)的牛頓潮流算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全校核的數(shù)據(jù)整合算法研究。牛頓潮流計(jì)算理論已經(jīng)純熟且在眾多電力教材中已經(jīng)詳細(xì)介紹，在本文就不在重復(fù)介紹。數(shù)據(jù)整合算法不僅適合多機(jī)協(xié)調(diào)控制而且還適合單機(jī)控制。數(shù)據(jù)整合算法的具體步驟可包括：（1）對(duì)基于牛頓法的傳統(tǒng)潮流方程進(jìn)行修改和改進(jìn)以滿足多斷面功率控制的需求；（2）斷面功率需要借助分布式平衡機(jī)模型實(shí)現(xiàn)控制；（3）求解模型的潮流方程并給出提高方程求解收斂性的方法。

若一個(gè)斷面由一個(gè)機(jī)組群控制，則附加功率體現(xiàn)著發(fā)電機(jī)的調(diào)控作用。第m個(gè)斷面由第i臺(tái)機(jī)控制的有功功率方程和無功功率方程分別可由方程（1）、（2）表示：

α（m）表示有功功率控制因子，β（m）表示無功功率控制因子，其中有功功率控制因子和無功功率控制因子均與m斷面相關(guān)。有功、無功權(quán)重大小與發(fā)電機(jī)的調(diào)速器以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器性能有關(guān)，代表著發(fā)電機(jī)承擔(dān)負(fù)荷的快慢，且有功無功權(quán)重的數(shù)值是在每輪的計(jì)算之前給定。當(dāng)斷面約束每增加一個(gè)，就會(huì)同時(shí)增加有功功率控制因子和無功功率控制因子兩個(gè)變量。參與控制斷面無功的發(fā)電機(jī)類型受系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)無功注入表達(dá)式fq（i）的影響而變成PQ型。

對(duì)應(yīng)斷面功率方程，新增雅可比矩陣的行。對(duì)每個(gè)斷面而言，對(duì)每個(gè)斷面，這兩行中的非0元素是該斷面有無功功率方程對(duì)組成該斷面所有線路端節(jié)點(diǎn)電壓的實(shí)部和虛部的導(dǎo)數(shù)（公式均用直角坐標(biāo)），表示m斷面雅可比矩陣行中與k線路對(duì)應(yīng)的元素，即該斷面功率方程對(duì)組成該斷面的k線路I側(cè)和J側(cè)電壓實(shí)部和虛部的導(dǎo)數(shù)。組成m斷面的其余Nm-1條線路可依此類推。其它斷面對(duì)應(yīng)的雅可比陣行與此類似。

在雅可比矩陣中，若某一斷面由端點(diǎn)相同的兩條線路組成，則可將該斷面處由端點(diǎn)相同的兩條線路組成的該節(jié)點(diǎn)電壓的導(dǎo)數(shù)相加并作為該節(jié)點(diǎn)電壓的雅克比元素，因此，可以將參與調(diào)控的發(fā)電機(jī)功率方程的雅可比矩陣做出相應(yīng)修改。如果第m斷面功率的功率受第i臺(tái)發(fā)電機(jī)控制，則參與調(diào)控的發(fā)電機(jī)功率方程的雅可比矩陣的增加對(duì)應(yīng)于聯(lián)絡(luò)線端節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的元素，而發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的兩行增加則對(duì)應(yīng)于有功功率控制因子和無功功率控制因子對(duì)應(yīng)的元素。

基于上述建立的模型進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）當(dāng)多個(gè)斷面出現(xiàn)在某一個(gè)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)群控制多個(gè)斷面中的哪一個(gè)將會(huì)很難確定；

（2）方程收斂性出現(xiàn)的容易與否受斷面功率接近目標(biāo)值距離的影響，即當(dāng)端木功率接近目標(biāo)值時(shí)，方程收斂性出現(xiàn)困難。出現(xiàn)這種情況的原因是ΔPc（m）、ΔQc（m），導(dǎo)致系數(shù)也變得非常小，改變機(jī)組功率變得困難。同時(shí)，位于雅可比矩陣對(duì)角線上的元素也變得非常小。

綜上所述為排除所建立模型存在的問題，可在調(diào)控機(jī)組中通過去除斷面功率偏差的反饋環(huán)節(jié)對(duì)所建立的模型做出進(jìn)一步的改造。通過改造，所建立的模型的收斂性不受斷面功率與目標(biāo)值非常相近情況的影響；同時(shí)，斷面和調(diào)控集群不一定非要滿足一一對(duì)應(yīng)關(guān)系只要調(diào)控機(jī)群可以保證系統(tǒng)中每個(gè)斷面的功率變化和系統(tǒng)損耗變化都能得到調(diào)控或平衡即可。發(fā)電機(jī)的調(diào)控作用仍可通過附加功率項(xiàng)體現(xiàn)。在第n個(gè)調(diào)控機(jī)群中，第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率的表達(dá)式可由公式（6）、（7）表示：

在公式（6）、（7）中，fp（i）、fq（i）與傳統(tǒng)的潮流方程一致，表示發(fā)電機(jī)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浼s束；ΔPvail（i）表示帶權(quán)重的發(fā)電機(jī)有功可調(diào)出力；ΔQvail（i）表示帶權(quán)重的發(fā)電機(jī)無功可調(diào)出力。α（m）表示第n個(gè)機(jī)群的有功功率控制因子，β（m）表示第n個(gè)機(jī)群的無功功率控制因子。

同時(shí)，只需通過增加起調(diào)控作用機(jī)組的機(jī)附加項(xiàng)對(duì)所在調(diào)控機(jī)群的控制因子的導(dǎo)數(shù)便可得到改造后的雅克比矩陣。例如，n號(hào)協(xié)調(diào)機(jī)群包含第i臺(tái)發(fā)電機(jī)，則第i臺(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的雅克比矩陣不僅有有功功率的行新增元素，而且還有無功功率行新增元素。

根據(jù)上述分析可知，本文所建立的多機(jī)協(xié)調(diào)控制多斷面的功率模型為：（1）在基于牛頓法的傳統(tǒng)潮流方程中增加斷面功率偏差方程（1）、（2）；（2）控制機(jī)組和雅克比矩陣

對(duì)應(yīng)的行增加式（6）、（7）的元素。

2 分布式平衡機(jī)模型

分布式平衡機(jī)模型適用于由斷面功率變化時(shí)可能引起的電網(wǎng)不平衡功率增多的情況，這種情況需要多臺(tái)機(jī)組共同承擔(dān)系統(tǒng)協(xié)調(diào)平衡。在每一個(gè)電氣島內(nèi)，有且僅有一組布式平衡機(jī)存在；在布式平衡機(jī)的功率表達(dá)式中，有功平衡可由帶權(quán)重的有功功率出力進(jìn)行承擔(dān)；而無功功率的表達(dá)式與普通機(jī)組沒有差異，當(dāng)電網(wǎng)定電壓運(yùn)行時(shí)，無功功率起到平衡周圍區(qū)域內(nèi)無功缺額的作用。endprint

為實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)中電氣島的總數(shù)一致，需要分布式平衡機(jī)算法中增加有功控制變量的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)分布式平衡機(jī)算法在正在處于裂解運(yùn)行狀態(tài)或者其他運(yùn)行狀態(tài)下的多個(gè)電氣島的電力系統(tǒng)計(jì)算中。對(duì)于每一個(gè)電氣島而言，需要增加一個(gè)相角基準(zhǔn)方程，其方程表達(dá)式如公式（8）所示：

在公式（9）中，唯一出現(xiàn)的非0元素與公式（8）中的θi相應(yīng)，其位置也和θi的位置一致。

由上述所示，分布式平衡機(jī)算法可由公式（3）代替承擔(dān)功率損耗的機(jī)組有功方程，分布式平衡機(jī)算法對(duì)應(yīng)的雅克比矩陣的增加修正元素可由公式（6）表示，而其修正元素的定義可由公式（7）表示。同時(shí)在方程和雅可比陣中分別新增式（8）和（9）。

方程式（1）和（2）僅僅涉及到電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的端節(jié)點(diǎn)，由于電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的端節(jié)點(diǎn)通常不接發(fā)電機(jī)，所以公式（1）和公式（2）不能與新增的有功功率控制因子α（n）和無功功率控制因子β（n）建立直接的方程上的聯(lián)系。而本文中通過采用基于三角分解的前代回代法求解牛頓方程。為確保方程式（1）、（2）對(duì)角線非零元素的過大，需要采取以下措施：

（1）由方程式（1）和（2）構(gòu)成的斷面功率偏差的表達(dá)式應(yīng)該放置與斷面控制因子對(duì)應(yīng)的行上面；

（2）在同一機(jī)群中，ΔPvail（i）或ΔQvail（i）不能太小，至少得保證其中一臺(tái)機(jī)組帶有有功或無功權(quán)重可調(diào)出力。否則，式（6）或（7）整列都為很小元素，經(jīng)消元后在式（1）、（2）對(duì)角線元素位置不能產(chǎn)生較大的非零元，從而影響方程組的收斂性。

3 基本模型的實(shí)現(xiàn)流程

由上述分析可知，為簡化研究，控制集群可表示為控制斷面功率的發(fā)電機(jī)群，而平衡機(jī)群可表示為分布式平衡機(jī)組。在基于牛頓法的傳統(tǒng)潮流計(jì)算方程中，在進(jìn)行多機(jī)協(xié)調(diào)控制多斷面的模型建立時(shí)，需要對(duì)所建立的模型進(jìn)行初步改造以滿足大型電網(wǎng)的不同斷面組合方式；而對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)必須滿足機(jī)組功率不能越限以及斷面功率與目標(biāo)值不能相差太大等情況。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)保證斷面的可控，需要采用專門的控制措施，而控制措施和平衡機(jī)群的設(shè)置需要遵循以下準(zhǔn)則：

（1）在每一個(gè)斷面的兩側(cè)必須存在控制集群或者平衡機(jī)群；

（2）在每一個(gè)電氣島中，平衡機(jī)群和控制集群的總和一定要比控制的斷面多1個(gè)。

第一個(gè)原則的設(shè)置主要是為了實(shí)現(xiàn)和確保受控?cái)嗝鎯啥擞泄蜔o功出力的可調(diào)性。如果一個(gè)斷面功率不發(fā)生變化時(shí)則說明斷面的功率是不可控的。第二個(gè)原則的設(shè)置主要是確保電網(wǎng)潮流計(jì)算中新增加的方程的數(shù)目和電網(wǎng)中新增加的變量數(shù)目相同。當(dāng)然，針對(duì)不同的斷面組合需要提出不同的機(jī)群設(shè)置方法。然而，同一機(jī)群的設(shè)置也不是越多越好，需要滿足以下準(zhǔn)則：

（1）在機(jī)群中，各個(gè)機(jī)群間機(jī)組的電氣距離應(yīng)大于同一機(jī)組內(nèi)部各個(gè)機(jī)組間的電氣距離；

（2）各個(gè)控制集群和平衡機(jī)群應(yīng)盡量靠近不同的斷面。在潮流方程中，為使新增加的方程的個(gè)數(shù)與未知數(shù)的個(gè)數(shù)相平衡，需要將環(huán)形斷面區(qū)域進(jìn)行拆分，具體拆分結(jié)果為分成左、右兩個(gè)子區(qū)域，然后在兩個(gè)子區(qū)域內(nèi)分別設(shè)置控制機(jī)群和平衡機(jī)群。在調(diào)整這兩個(gè)斷面時(shí)，為盡量減小相互間的干擾，需要在設(shè)置機(jī)群時(shí)使兩個(gè)機(jī)群分別靠近不同的斷面。該種設(shè)置機(jī)群的方法不是唯一的，在設(shè)置集群的過程中，只要按照上述設(shè)置機(jī)群的原則進(jìn)行操作，就可以得到根據(jù)電網(wǎng)的具體情況和計(jì)算需要而設(shè)置的不同控制方案。其控制措施可以分為單步控制和多步控制，具體控制措施要根據(jù)斷面功率偏離目標(biāo)值的大小而定。多步控制是由單步控制發(fā)展而來，而單步控制是簡化的多步控制。

4 結(jié)束語

在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估及決策支持系統(tǒng)建立在電網(wǎng)仿真技術(shù)最新發(fā)展的基礎(chǔ)之上，技術(shù)層面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。整個(gè)系統(tǒng)從規(guī)劃設(shè)計(jì)到最終投運(yùn)，分階段、有序地展開，工程開發(fā)具有前瞻性，對(duì)今后國內(nèi)其它各級(jí)電網(wǎng)開展相關(guān)研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和重要借鑒作用，為動(dòng)態(tài)安全校核技術(shù)的推廣提供了途徑。得益于在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估及決策支持系統(tǒng)的實(shí)用性和技術(shù)先進(jìn)性，該系統(tǒng)將極大方便電網(wǎng)運(yùn)行人員進(jìn)行計(jì)劃校核等方式分析計(jì)算，提高電網(wǎng)分析計(jì)算水平，為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、可靠運(yùn)行提供有力的支撐。對(duì)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、提升駕馭電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的能力、提高電網(wǎng)抵御擾動(dòng)和嚴(yán)重事故的能力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡介：李世明（1984-），四川隆昌人，碩士，工程師，研究方向：調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行與管理。endprint