基于態(tài)勢感知理論的大電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)應(yīng)用

， ， ，，，，，

(1.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450000;2.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引言

電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，運行控制難度大幅提升，使得傳統(tǒng)以人工經(jīng)驗為基礎(chǔ)的運行控制方法難以滿足電網(wǎng)運行要求，電網(wǎng)運行安全性、經(jīng)濟性難以保證。

為適應(yīng)上述發(fā)展要求，引入態(tài)勢感知理念構(gòu)建大電網(wǎng)運行控制平臺,已成為電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢。文獻[1-2]介紹了配電網(wǎng)中引入態(tài)勢感知技術(shù)后的運行控制策略，其重點在于實現(xiàn)對故障的快速辨識。文獻[3-4]介紹了輸電網(wǎng)中的態(tài)勢感知技術(shù)，提出了輸電網(wǎng)態(tài)勢感知的關(guān)鍵要素。文獻[5]介紹了考慮電能質(zhì)量態(tài)勢感知的分布式電源運行控制策略，給出了其運行控制方法。文獻[6]將態(tài)勢感知結(jié)果以圖形化方式展現(xiàn)，實現(xiàn)了多時間電網(wǎng)運行展示。此外，在電機控制、園區(qū)電網(wǎng)管理和變電站監(jiān)控等方面,態(tài)勢感知技術(shù)也得到了不同程度應(yīng)用[7-9]。

上述研究表明了態(tài)勢感知技術(shù)在電力系統(tǒng)生產(chǎn)運行的有效性。但是從大電網(wǎng)運行控制角度出發(fā)，態(tài)勢感知相關(guān)的研究與應(yīng)用還比較少。隨著電網(wǎng)調(diào)度運行控制精益化水平的不斷提升，態(tài)勢感知技術(shù)的研究與應(yīng)用將成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。

圍繞基于態(tài)勢感知技術(shù)的大電網(wǎng)運行控制技術(shù)這一主題，剖析了態(tài)勢感知理念內(nèi)涵和外延，結(jié)合大電網(wǎng)運行控制要求，提出了基于態(tài)勢感知的大電網(wǎng)運行控制模型與方法，并構(gòu)建了大電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)，詳細設(shè)計了該系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能。

1 大電網(wǎng)態(tài)勢感知模型與方法研究

1.1 態(tài)勢感知理論內(nèi)涵

態(tài)勢感知是近年來興起的自動控制理念，其目的在于解決復(fù)雜系統(tǒng)的運行控制問題。傳統(tǒng)自動控制所面臨的問題規(guī)模較小、復(fù)雜程度不高，依靠人工分析就能得到比較準(zhǔn)確的控制策略，獲得較高的控制效果。但是隨著系統(tǒng)規(guī)模增加、復(fù)雜度提高，人工經(jīng)驗式的運行控制方法弊端日益凸顯，其控制有效性和決策速度均難以滿足復(fù)雜系統(tǒng)在線分析的要求。

所謂態(tài)勢感知就是將運行控制關(guān)口前移，通過捕捉系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢，辨識運行薄弱環(huán)節(jié)，給出運行控制策略。從實施流程來說，態(tài)勢感知一般包括未來態(tài)勢分析、控制策略制定、實際運行執(zhí)行和執(zhí)行效果反饋4個步驟。其中,控制策略制定是態(tài)勢感知理念的核心，也是其實施的重點。

1.2 基于態(tài)勢感知的大電網(wǎng)運行控制方法

大電網(wǎng)運行控制的重點內(nèi)容是合理調(diào)整各發(fā)電廠的發(fā)電功率，在滿足電網(wǎng)運行安全邊界的基本要求下提升運行經(jīng)濟性。傳統(tǒng)調(diào)度運行中，主要依賴人工經(jīng)驗，根據(jù)當(dāng)前功率偏差被動式響應(yīng)調(diào)整。而引入態(tài)勢感知理念后，必須建設(shè)系統(tǒng)負荷預(yù)測系統(tǒng)、新能源功率預(yù)測系統(tǒng)等預(yù)測分析系統(tǒng)，將運行控制所需要的各方面數(shù)據(jù)信息反饋至控制中心，供其決策分析。該決策分析過程可用一個規(guī)劃優(yōu)化問題描述。

1.2.1 優(yōu)化目標(biāo)

以運行經(jīng)濟性為決策優(yōu)化目標(biāo)，該目標(biāo)可表示為：

(1)

(2)

1.2.2 約束條件

主要包括電網(wǎng)運行約束、機組運行約束和N-1故障安全約束。

a.電網(wǎng)運行約束。

電網(wǎng)運行約束包括電力平衡約束、運行特性約束、傳輸能力約束和備用容量約束[10-11]，可表示為：

?t=1,…,NT

(3)

b.機組運行約束

機組運行約束包括機組出力上、下限約束，機組出力爬坡約束，備用預(yù)留合理性約束，可表示為：

?i=1，…，Np,t=1，…，NT

(4)

c.N-1故障安全約束

N-1故障安全約束，指納入N-1掃描故障集中的線路跳閘均能保證剩余線路潮流在其限值內(nèi)。該約束為電網(wǎng)實時運行控制的基本要求，可表示為：

?t=1,…,NT,i=1,…,NL,i≠j

(5)

1.2.3 求解算法

上述運行控制模型實際上為凸二次目標(biāo)規(guī)劃問題，可以通過現(xiàn)有商業(yè)規(guī)劃軟件包直接優(yōu)化求解得到[11]，這里對其求解方法不再贅述。

2 基于態(tài)勢感知理論的運行控制系統(tǒng)體系架構(gòu)與功能設(shè)計

2.1 體系架構(gòu)

按照態(tài)勢感知理論，大電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)也可分為未來態(tài)勢分析、控制策略制定、實際運行執(zhí)行和執(zhí)行效果反饋4個步驟，其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 體系架構(gòu)

2.2 未來態(tài)勢分析

未來態(tài)勢分析是基于態(tài)勢感知技術(shù)的大電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所謂未來態(tài)勢實際上是未來一段時間電網(wǎng)運行的邊界數(shù)據(jù)的變化情況，包括負荷預(yù)測，風(fēng)電、光伏等新能源功率預(yù)測，火電、水電等常規(guī)機組的運行狀態(tài)變化，考慮設(shè)備缺陷的N-1掃描故障集更新，考慮輸變電設(shè)備停運的電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)變化等信息。

其中，負荷預(yù)測，風(fēng)電、光伏等新能源功率預(yù)測是需要依據(jù)當(dāng)前氣溫、濕度等因素進行預(yù)測分析；當(dāng)水電水位變化，來水變化時，水電廠的發(fā)電能力就會發(fā)生改變；火電來煤變化或設(shè)備故障時，其出力能力就會改變；輸變電設(shè)備存在計劃性停運或發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷時，就必須對N-1掃描故障集和電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行改變。上述幾方面變化信息構(gòu)成了大電網(wǎng)運行控制的邊界條件，也是態(tài)勢感知分析的基礎(chǔ)。

2.3 控制策略制定

控制策略制定是基于上述未來態(tài)勢分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用1.2節(jié)所提出的大電網(wǎng)運行控制模型與方法，制定未來對應(yīng)時段的運行控制策略。

水電、火電等常規(guī)機組出力調(diào)整，是調(diào)度員實際運行中進行運行控制的主要手段。在實際運行中，必須同時滿足電網(wǎng)電力平衡要求、斷面?zhèn)鬏斠?、備用裕度和N-1掃描故障集安全要求，而上述運行要求相互關(guān)聯(lián)，相互影響。在傳統(tǒng)調(diào)度模式下調(diào)度員主要憑借經(jīng)驗進行調(diào)控。而在態(tài)勢感知模式下，上述運行要求均以約束條件的形式內(nèi)嵌于運行控制模型中，優(yōu)化得到的分析結(jié)果將自動滿足上述運行要求。同時，目標(biāo)函數(shù)可根據(jù)運行要求進行自適應(yīng)匹配，從而在滿足運行要求的前提下實現(xiàn)了運行效益的最大化。

2.4 實際運行執(zhí)行

由基于態(tài)勢感知技術(shù)的大電網(wǎng)運行控制模型，可以得到未來一段時間的火電、水電常規(guī)電廠出力計劃。實際執(zhí)行環(huán)節(jié)，上述機組出力計劃將通過發(fā)電計劃系統(tǒng)下發(fā)至各電廠。電廠的控制系統(tǒng)將根據(jù)上述控制目標(biāo)值調(diào)控進煤、水門開度等控制變量以滿足上述運行控制要求。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)超過未來態(tài)勢分析N-1掃描故障集的緊急設(shè)備跳閘故障時，則終止上述控制過程，轉(zhuǎn)入人工事故處置；否則依據(jù)上述控制要求控制執(zhí)行。

2.5 執(zhí)行效果反饋

執(zhí)行完畢后，則必須跟蹤分析執(zhí)行效果，并將運行評價結(jié)果反饋調(diào)度員，以便與其修正運行控制策略，不斷改進提升。

執(zhí)行效果評價分析的基礎(chǔ)是運行情況的對比分析，對比分析內(nèi)容包括：

a.負荷預(yù)測，風(fēng)電、光伏功率預(yù)測等未來態(tài)勢分析中的邊界數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)。

b.火電、水電等常規(guī)電廠的出力計劃執(zhí)行情況。

c.系統(tǒng)運行備用，關(guān)鍵輸電斷面潮流的實際執(zhí)行情況。

在對上述3方面數(shù)據(jù)信息對比分析的基礎(chǔ)上，還需要進一步分析系統(tǒng)運行備用等控制目標(biāo)偏差與邊界數(shù)據(jù)和控制對象等偏差的相互關(guān)系，掌握內(nèi)部規(guī)律，以提升控制效果。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實踐應(yīng)用

本文所提出的基于態(tài)勢感知技術(shù)的大電網(wǎng)運行控制技術(shù)，已成功用于河南電網(wǎng)的運行控制中，該系統(tǒng)于2015年部署實施，至今已成功運行2年時間，取得了顯著的運行效益。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合河南電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的實際水平，河南態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)如圖2所示。在態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)上線實施前，河南電網(wǎng)已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用了“負荷預(yù)測系統(tǒng)”、“新能源功率預(yù)測系統(tǒng)”、“網(wǎng)絡(luò)拓撲分析系統(tǒng)”、“發(fā)電計劃系統(tǒng)”和“能量管理系統(tǒng)”。

圖2 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)拓撲分析系統(tǒng)部署于安全生產(chǎn)Ⅰ區(qū)；負荷預(yù)測系統(tǒng)、新能源功率預(yù)測系統(tǒng)、發(fā)電計劃系統(tǒng)部署于安全生產(chǎn)Ⅱ區(qū)。安全生產(chǎn)Ⅰ區(qū)與安全生產(chǎn)Ⅱ區(qū)之間通過防火墻進行數(shù)據(jù)交換。態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)所需要的未來態(tài)勢分析分析數(shù)據(jù)，來源于負荷預(yù)測系統(tǒng)、吸能能源功率預(yù)測系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)拓撲分析系統(tǒng)；其運行控制策略則傳遞至發(fā)電計劃系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果通過能量管理系統(tǒng)反饋至態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)。

3.2 功能設(shè)計

在態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)中，一方面將負荷預(yù)測、新能源功率預(yù)測系統(tǒng)等預(yù)測信息匯總分析，另一方面將運行控制策略發(fā)送至發(fā)電計劃系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)，付諸實施，其地位實際上相當(dāng)于電網(wǎng)實時運行控制中樞神經(jīng)。具體來說,其功能包括：

a.依托負荷預(yù)測、新能源功率預(yù)測系統(tǒng)所提供的未來態(tài)勢分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對大電網(wǎng)的超前控制，降低了人工分析決策工作量，提升運行控制效益。

b.通過對比控制策略執(zhí)行效果和控制目標(biāo)，能夠不斷優(yōu)化所制定的運行控制策略，給出負荷預(yù)測偏差、新能源預(yù)測偏差等數(shù)據(jù)信息對運行控制效益的影響程度。

c.實現(xiàn)了電網(wǎng)運行效益指標(biāo)的自動統(tǒng)計分析，依托指標(biāo)體系實現(xiàn)了對運行效益的評價分析，成為重要的管理抓手。

3.3 運行效益

態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)實現(xiàn)了大電網(wǎng)超前運行控制，在河南電網(wǎng)部署實施2年以來，取得了顯著的運行效益，表現(xiàn)在：

a.降低調(diào)度員人工運行控制工作量，符合電網(wǎng)企業(yè)降本提質(zhì)的發(fā)展需要。在系統(tǒng)實施的2年時間內(nèi)河南電網(wǎng)220 kV網(wǎng)架規(guī)模較實施前增大了近50%，但是得益于該系統(tǒng)，省調(diào)調(diào)度員在值班人數(shù)不變的情況下工作效率大幅提升，完全能夠勝任電網(wǎng)規(guī)?？焖贁U大背景下的調(diào)度運行業(yè)務(wù)要求。

b.運行控制效益顯著，備用容量不合格時間、關(guān)鍵輸變電斷面越限次數(shù)等不良指標(biāo)大幅降低。以備用容量不合格時間為例，河南電網(wǎng)該指標(biāo)由系統(tǒng)實施前的每年46 h大幅下降到8 h。

c.調(diào)度員運行分析水平顯著提升。傳統(tǒng)模式下調(diào)度員關(guān)注點僅是當(dāng)前時刻電網(wǎng)運行情況，對未來的發(fā)展趨勢關(guān)注不足，造成線路跳閘、負荷突變等情況下響應(yīng)不及時的事件時有發(fā)生。本系統(tǒng)上線實施后，依托于系統(tǒng)的自動在線分析，調(diào)度員能夠?qū)⒏嗟木杏谶\行分析和超前控制上，大大提升了其決策分析的能力和水平。

4 結(jié)束語

通過引入態(tài)勢感知理論，提出了大電網(wǎng)運行控制模型與方法，并在此基礎(chǔ)上提出了態(tài)勢感知運行控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。從河南電網(wǎng)的實際運行情況來看，該系統(tǒng)能大大提升電網(wǎng)運行效率和調(diào)度員的工作效率，降低調(diào)度員人工運行控制工作量的同時顯著提升調(diào)度員的運行分析水平，有利于調(diào)度員業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)變，更加符合大電網(wǎng)發(fā)展要求。

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