基于潮流跟蹤的受端電網(wǎng)穩(wěn)控切負荷方法

楊揚，陳義宣，何燁，王昆新

（1.中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司，昆明 650051；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明 650011）

0 前言

受端電網(wǎng)系統(tǒng)是指以負荷集中區(qū)域為中心，通過接受外部及遠方電源輸入的有功電力和電能，以實現(xiàn)供需平衡[1]。當受端電網(wǎng)與系統(tǒng)連接的主要斷面N-2故障后，可能引起受端大量功率缺額或者剩余斷面過載，穩(wěn)控切負荷裝置動作切除部分負荷，可以消除功率缺額和過載，是維持受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要措施。

傳統(tǒng)穩(wěn)控切負荷方法中，根據(jù)預(yù)計的運行方式和潮流狀態(tài)，設(shè)定各種可能的偶發(fā)故障，離線計算分析后得出相應(yīng)的各種控制策略，實際運行時查找控制策略表將可切負荷逐個累加以匹配需切負荷總量，同時可切負荷排序也有所不同，大致可以分成幾種：按元件功率或優(yōu)先級排序、按元件最優(yōu)組合排序、按負荷輪次與廠站優(yōu)先級排序、按優(yōu)先級與最優(yōu)組合排序等[2-7]。這些方法由典型工況和故障來索引，離線計算依賴于運行人員的經(jīng)驗，執(zhí)行時大多讓所有負荷均參與切除，適應(yīng)性差且存在過切的可能。

本文利用潮流跟蹤算法分析了受端電網(wǎng)斷面故障對下游節(jié)點的影響程度，通過定義的切負荷系數(shù)將需切負荷量分配到各個下游節(jié)點，形成了統(tǒng)一的切負荷分配和排序方法，仿真表明該方法更有利于故障后的受端電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定。

1 潮流跟蹤算法

潮流跟蹤算法最初由英國的Janusz Bialek[8]和Daniel Kirschen[9]提出，該算法服從按比例分配原則[10]，用于分析電網(wǎng)拓撲中電源、負荷與潮流的關(guān)系，可以求解出任一支路或元件上的潮流分別是由哪些電源、負荷提供，各自貢獻有多大。近年來，潮流跟蹤算法在電網(wǎng)安全穩(wěn)定和運行經(jīng)濟分析中得到廣泛引用[11-12]。結(jié)合受端電網(wǎng)的定義，系統(tǒng)位于受端電網(wǎng)上游并為其提供功率輸入，在任意時刻這些饋入功率一方面為下游負荷供電，另一方面承擔受端電網(wǎng)的網(wǎng)損。

圖1 節(jié)點功率流向示意圖

對于有n個節(jié)點饋入功率的受端電網(wǎng)，觀察節(jié)點i，根據(jù)流過功率等于總流出功率的條件，節(jié)點i流過功率：

其中：i=1,2,3,….,n，Di是節(jié)點i的下游節(jié)點集合，PLi是節(jié)點i的負荷功率；設(shè)是節(jié)點i緊鄰的下游支路線損合并值，上式寫成矩陣形式為：

其中：P=[P1P2...Pn]T是節(jié)點流過功率列向量；PL=[PL1PL2...PLn]T是節(jié)點負荷功率列向量；Pd,loss=[Pd1,loss Pd2,loss...Pdn,loss]T是節(jié)點下游網(wǎng)損列向量；Ad∈Rn×n是節(jié)點下游分布矩陣，其元素可按下式計算：

支路j-i上的功率為節(jié)點j流向節(jié)點i，設(shè)|Pij|為該支路流入節(jié)點i的功率，求解式（2）可以算出|Pij|對下游節(jié)點k的負荷貢獻份額，用Pij,Lk表示；以及所承擔的下游網(wǎng)損Pij,loss，如下：

式中，ei,ek∈Rn，是第i個和第k個元素為1，其余元素為0的單位列向量。

上述推導(dǎo)并未對系統(tǒng)的運行方式和運行時刻做任何假定，潮流跟蹤算法不僅適用于穩(wěn)態(tài)潮流，也適用于動態(tài)過程的任意時刻，即任意節(jié)點的流入功率總是等于流出功率，即式（1）總是成立的。

正如施秉銀所說，不只是西安交大一附院，推行目標管理的醫(yī)院普遍面臨一些問題。如由于醫(yī)院工作的特殊性和復(fù)雜性，不同科室工作性質(zhì)不同，工作難易程度和工作量大小不同，目標及考核標準難以確定；指標設(shè)計缺乏公平性和合理性，選擇的指標主次不分明、重點不突出，對定性指標和定量指標設(shè)置也不夠科學(xué)；過程管理缺乏科學(xué)性和規(guī)范性，中期及結(jié)果的考核管理辦法仍須探究。

2 受端電網(wǎng)穩(wěn)控切負荷方法

假設(shè)受端電網(wǎng)與系統(tǒng)連接的節(jié)點i相關(guān)的支路j因故障而切除，則對于支路j-i下游的所有負荷節(jié)點k都將發(fā)生功率的變化，即定義在故障后的一段時間內(nèi)使下式成立的節(jié)點集合為Ci：

這表明支路j-i故障，將對受端電網(wǎng)Ci節(jié)點集合中的負荷減少供電。針對于系統(tǒng)N-2安穩(wěn)裝置動作的需要，下面分兩種情況討論：

由此，定義針對支路j-i故障退出后負荷節(jié)點k的切負荷系數(shù)λij,Lk

式中，A為j-i中任意兩個支路故障的集合。根據(jù)故障的發(fā)展過程，積分下限t0可選為故障前的最近一個采樣時刻；穩(wěn)控切負荷裝置通常在監(jiān)測到受端頻率減低或某元件過載時啟動計時，在經(jīng)過一定的延時后出口切除負荷，因此積分上限t1可選為穩(wěn)控切負荷裝置啟動前的最近一個采樣時刻。

上式表明，在[t0～ t1]時間區(qū)間內(nèi)，變化量做功更大的負荷將有更大的切負荷系數(shù)，該負荷的變化量做功更大，說明故障支路更多的減少了對其供電，這部分減少的供電功率將由其他支路進行補償；換句話說，其他有可能過載的支路將會更多的支援變化量做功更大的負荷。因此，穩(wěn)控動作時更多的切除該負荷將有利于受端的穩(wěn)定。

式中，K為切除裕度，一般K≈1，當K＜1時為欠切，K＞1時為過切，具體取值可根據(jù)斷面控制目標和下游負荷情況選擇。

節(jié)點k所需切除的負荷量為

按上式即可求出支路j-i故障后受端電網(wǎng)孤網(wǎng)或剩余斷面元件過載時應(yīng)切除的下游各節(jié)點負荷量，構(gòu)造的切負荷系數(shù)能準確反映功率缺額情況下各負荷節(jié)點受到的影響，切除受影響較大的負荷對于受端電網(wǎng)的快速恢復(fù)效果較好。

圖2 IEEE 14節(jié)點系統(tǒng)電路

3 仿真驗證

仿真采用了IEEE 5機14節(jié)點系統(tǒng)[12]，接線圖如圖2所示。每臺發(fā)電機組均包含勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并采用次暫態(tài)過程變化模型；負荷采用50%感應(yīng)電動機+50%恒阻抗的綜合負荷模型，計及頻率對負荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)變化；系統(tǒng)基準容量為100 MVA，額定頻率50 Hz。仿真中考察斷面構(gòu)成為支路5-6、支路4-7、支路4-9，斷面以下為受端電網(wǎng)，同時認為所有負荷均可按計算量進行切除；支路參數(shù)采用原系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對發(fā)電機出力和節(jié)點負荷進行了局部調(diào)整，調(diào)整后初始參數(shù)如表1-表3所示。

表1 發(fā)電機組初始出力

表2 負荷初始大小

表3 考察斷面初始潮流

3.1 斷面正常N-2的情況

圖3 斷面正常N-2后負荷節(jié)點變化量做功

在0.02 s時支路4-7和支路4-9因故障切除，受端電網(wǎng)僅通過支路5-6與系統(tǒng)相連，該支路有功潮流為92.4 MW。假設(shè)支路5-6的主變?nèi)萘繛?0 MVA，則N-2后主變過載，需要切除部分負荷，此時斷面N-2后所引起的負荷變化量所做的功如圖3所示。圖3中積分起點為故障時刻0.02 s，積分終止時刻為穩(wěn)控動作時刻，一般為0.3 s，各負荷節(jié)點-ΔP直線下的面積分別對應(yīng)這部分時間內(nèi)減少供電所做的功：

本算例中，斷面N-2后對下游所有負荷節(jié)點都減少了供電，即C4={6,9,10,11,12,13,14}，根據(jù)式（7）、式（8）和式（9）可分別計算出各節(jié)點應(yīng)切除的負荷，如下：

表4 斷面正常N-2各節(jié)點負荷切除量計算結(jié)果

本文選取了應(yīng)用最廣泛、最典型的按負荷輪次與廠站優(yōu)先級為原則的方法[5-6]進行仿真對比，共切除負荷52 MW。本文方法（實線）和傳統(tǒng)方法（虛線）切除部分負荷后的系統(tǒng)慣量中心頻率變化如圖4所示。

圖4 斷面正常N-2切負荷后系統(tǒng)頻率變化

3.2 斷面檢修N-2的情況

支路5-6檢修，同時在0.02 s時支路4-7和支路4-9因故障切除，受端電網(wǎng)形成孤網(wǎng)，故障前斷面有功潮流為90.8 MW，故障后需要切除部分負荷，此時所引起的負荷變化量所做的功如圖5所示。圖5中積分起點為故障時刻0.02 s，積分終止時刻為穩(wěn)控動作時刻，一般為0.3 s，各負荷節(jié)點-ΔP直線下的面積分別對應(yīng)這部分時間內(nèi)減少供電所做的功：

圖5 斷面檢修N-2后負荷節(jié)點變化量做功

受端孤網(wǎng)后所有負荷節(jié)點都減少了供電，即C檢修4={6,9,10,11,12,13,14}，根據(jù)式（7）、式（8）和式（9）可分別計算出各節(jié)點應(yīng)切除的負荷，如下：

表5 斷面檢修N-2各節(jié)點負荷切除量計算結(jié)果

同樣的，選取傳統(tǒng)穩(wěn)控切負荷方法進行仿真對比，共切除負荷95 MW。本文方法（實線）和傳統(tǒng)方法（虛線）切除部分負荷后的系統(tǒng)慣量中心頻率變化如圖6所示。

圖6 斷面檢修N-2切負荷后系統(tǒng)頻率變化

由以上算例可知，本文提出的穩(wěn)控切負荷方法較傳統(tǒng)穩(wěn)控切負荷方法有更快的頻率恢復(fù)特性，這是由于本文方法體現(xiàn)了故障對不同節(jié)點負荷的影響程度，更有針對性，而傳統(tǒng)穩(wěn)控切負荷方法并不能體現(xiàn)這一特性，適應(yīng)性較差且存在大量過切的可能。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文提出的受端電網(wǎng)穩(wěn)控切負荷方法理論基礎(chǔ)為潮流跟蹤，通過定義各節(jié)點的切負荷系數(shù)，將功率缺額按一定規(guī)律分配到各個下游節(jié)點，有利于系統(tǒng)擾動后的頻率穩(wěn)定恢復(fù)，適應(yīng)性較好。實際中，可將此方法應(yīng)用于穩(wěn)控系統(tǒng)在線決策，利用廣域測量系統(tǒng)WAMS實時采集線路和負荷節(jié)點的功率并上傳，由程序進行潮流跟蹤計算，將結(jié)果下發(fā)至執(zhí)行站動作，要求計算程序足夠高效，傳輸通道穩(wěn)定快速。