王 奇,張 晗,宋云海
(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 檢修試驗(yàn)中心,廣東 廣州 510663)
由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,以及人們的生活水平的不斷提高,電力行業(yè)異軍突起,對(duì)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和提高人們生活質(zhì)量占據(jù)重要地位,特別是近年來電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)展,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜,以及潮流計(jì)算不確定因素的逐漸增多,電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制面臨巨大挑戰(zhàn)[1-2]。雷電災(zāi)害的頻繁發(fā)生,導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行的故障,使建立的電網(wǎng)運(yùn)行可視化模型的精準(zhǔn)性下降,無法真實(shí)反映配電節(jié)點(diǎn)和支路的負(fù)載狀況,不能制定出有效的預(yù)警方案。當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制存在效率不高、準(zhǔn)確性較差、且具有一定的盲目性和局限性的缺點(diǎn)[3]。如何依靠信息技術(shù)方面的高新技術(shù)手段來提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性,保障電力系統(tǒng)通信能力,以及如何在突發(fā)事件和緊急情況下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的及時(shí)指揮調(diào)度,提高反應(yīng)靈敏度,同時(shí)依據(jù)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用程序即監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,是電力系統(tǒng)各信調(diào)部門面臨的最主要問題,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化能夠?qū)崟r(shí)反映電力系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)等,能夠?qū)⒂嘘P(guān)電網(wǎng)運(yùn)行的各類信息更加直觀、形象、具體地呈現(xiàn)出來,為電力系統(tǒng)中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)輸電運(yùn)行、故障檢修、設(shè)備維護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)等業(yè)務(wù)提供監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析、檢索、操作的“一站式”服務(wù)[4-5]。非常適合在復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境下,隨時(shí)隨地向用戶提供準(zhǔn)確的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),同時(shí)確保電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的安全性能和全景可視化,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的信號(hào)源和大規(guī)模的顯示終端之間的無縫切換,且不出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象,確保電力系統(tǒng)的調(diào)度與決策能夠及時(shí)傳達(dá)給用戶[6]。
針對(duì)傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確獲得雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)情況,未對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,存在較多測(cè)量誤差[7],采集獲得的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可用性較差等導(dǎo)致最終對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過程中各個(gè)配電節(jié)點(diǎn)和支路的負(fù)載情況分析結(jié)果有誤,無法提出有效預(yù)警方案以平衡負(fù)載的問題,提出一種基于數(shù)據(jù)融合的雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化建模方法。
采用全量抽取和增量抽取的方式從電力系統(tǒng)各個(gè)獨(dú)立輸電設(shè)備中抽取需要的雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)序列,但由于抽取的數(shù)據(jù)序列存在格式不統(tǒng)一、輸入存在錯(cuò)誤或不完整等問題,需要對(duì)抽取獲得的雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和加工處理,按照電網(wǎng)運(yùn)行需求和相應(yīng)的管理規(guī)范,將抽取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成需要的形式,同時(shí)對(duì)存在的輸入錯(cuò)誤和格式不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和加工,并將轉(zhuǎn)換與加工后的電網(wǎng)運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,并對(duì)數(shù)據(jù)融合后存在的有功功率不平衡量和無功功率不平衡量進(jìn)行分區(qū)分配和潮流調(diào)整,實(shí)現(xiàn)雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化建模[8]。
在進(jìn)行雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)融合過程中,由于監(jiān)測(cè)環(huán)境、運(yùn)行設(shè)備本身以及被監(jiān)測(cè)設(shè)備等多重干擾因素作用下,難免存在一些誤差;通常情況下在處理雷電影響下電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)真實(shí)誤差與預(yù)測(cè)誤差相差甚遠(yuǎn)的現(xiàn)象,這些被疏漏的誤差數(shù)據(jù)稱為疏失誤差或過失誤差,這種誤差的產(chǎn)生通常是由于工作人員操作有誤或者電力系統(tǒng)本身內(nèi)部元件發(fā)生損壞引發(fā)的[9]。
采用一種具有編程簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,實(shí)時(shí)性強(qiáng)的分布圖法能夠有效剔除這些被疏漏的誤差數(shù)據(jù),具體操作步驟如下:
(1)假設(shè)N表示測(cè)量獲得的雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)數(shù)目,將這N個(gè)數(shù)據(jù)按照從小到大的順序進(jìn)行排列,得到一個(gè)有序的測(cè)量序列,表示為X1,X2,…,XN;
(2)計(jì)算這N個(gè)雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的中位值XM:
(1)
(3)假設(shè)fH和fL分別表示XM的上四分位數(shù)和下四分位數(shù),且fH和fL分別為[XM,XN]和[X1,XM]區(qū)間的中位數(shù),計(jì)算與上述步驟(2)同理。
(4)假設(shè)β為常數(shù),df表示雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)序列的四分位數(shù)離散程度:
df=fH-fL。
(2)
(5)根據(jù)上述計(jì)算,確定雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行有效數(shù)據(jù)區(qū)間[ρ1,ρ2],則:
(3)
(6)對(duì)于雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行過程中的有序測(cè)量數(shù)據(jù),如果滿足Xi≤ρ1或者Xi≥ρ2,其中,i=1,2,…,N,則將該測(cè)量數(shù)據(jù)從序列中剔除,否則將該測(cè)量數(shù)據(jù)保留。
采用算術(shù)平均值方法對(duì)上述剔除了雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行疏失誤差后的測(cè)量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行一致性檢查,則:
(4)
如果滿足以下條件,則判定Xk為電網(wǎng)運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)一致性采樣值;相反,則剔除Xk。則:
(5)
PSD-BPA格式的運(yùn)行方式基本覆蓋了網(wǎng)、省、地三級(jí)所有的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),由于各區(qū)域的調(diào)度系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)不同,采用的電網(wǎng)運(yùn)行基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)也存在差異,如果盲目對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)機(jī)械能轉(zhuǎn)換和拼接,可能會(huì)導(dǎo)致雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)發(fā)生失效,需要以PSD-BPA格式的運(yùn)行方式為基礎(chǔ),建立基于電壓等價(jià)的雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)架簡(jiǎn)化模型,具體步驟如下。
(1)選定網(wǎng)、省、地三級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化調(diào)度管理模式作為基礎(chǔ)方式,對(duì)其進(jìn)行潮流計(jì)算,并對(duì)潮流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)解析;
(2)確定要保留雷電影響下電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)架的電壓等級(jí)和系統(tǒng)下網(wǎng)節(jié)點(diǎn);
(3)從電力系統(tǒng)下網(wǎng)節(jié)點(diǎn)開始遍歷并關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與通信支路;
(4)依據(jù)解析后的潮流計(jì)算結(jié)果讀取系統(tǒng)下網(wǎng)店潮流數(shù)據(jù),并將其設(shè)置為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的有功負(fù)荷與無功負(fù)荷;
(5)對(duì)雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)架簡(jiǎn)化后仍然存在的孤網(wǎng)進(jìn)行單獨(dú)處理。
圖1給出了220 kV電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程,根據(jù)該流程圖能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化的各個(gè)步驟的詳細(xì)設(shè)計(jì)。
圖1 220 kV電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程
通過關(guān)聯(lián)關(guān)系模型對(duì)雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,形成完整可用的可視化數(shù)據(jù),在上述220 kV電網(wǎng)運(yùn)行簡(jiǎn)化網(wǎng)架下,形成電力系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)的可視化數(shù)據(jù)集,并根據(jù)以下分配準(zhǔn)則將雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)分配到PSD-BPA格式的運(yùn)行方式各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,建立雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化模型。雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化潮流數(shù)據(jù)自動(dòng)融合流程如圖2所示。
圖2 雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化潮流數(shù)據(jù)自動(dòng)融合流程
匹配準(zhǔn)則為:
(1)對(duì)于雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)中的出力數(shù)據(jù),如果是電力系統(tǒng)機(jī)組給出,在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)直接進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換即可;如果是以電力系統(tǒng)電站形式給出,則需要按照機(jī)組出力分配后再進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換,該數(shù)據(jù)融合不影響潮流計(jì)算;
(2)對(duì)于雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)中的負(fù)荷數(shù)據(jù),通常情況下按照電力系統(tǒng)變電站及其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的形式給出,數(shù)據(jù)融合方法與上述同理;
(3)對(duì)于雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)中的檢修數(shù)據(jù),由于獲得的雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化測(cè)量數(shù)據(jù)均為狀態(tài)估計(jì)后的數(shù)據(jù),包含了電網(wǎng)檢修數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,只需要在處理出力數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)之前,對(duì)電力系統(tǒng)中計(jì)劃?rùn)z修的設(shè)備作停運(yùn)操作即可,檢修數(shù)據(jù)融合處理有利于雷電災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)的潮流可計(jì)算性。
對(duì)于數(shù)據(jù)直接融合處理后的電網(wǎng)運(yùn)行方式,由于雷電災(zāi)害下電力系統(tǒng)外部與電網(wǎng)運(yùn)行方式的功率分布不一致,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的功率存在不平衡,這部分不平衡功率由系統(tǒng)平衡機(jī)承擔(dān),但如果系統(tǒng)平衡機(jī)元件與功率不平衡區(qū)域之間的電氣距離較大,會(huì)導(dǎo)致潮流計(jì)算的收斂性能,有必要對(duì)數(shù)據(jù)融合后的電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行功率調(diào)整。
對(duì)于系統(tǒng)中的有功不平衡功率,將電力系統(tǒng)目標(biāo)區(qū)域劃分為n個(gè)子區(qū)域;i表示電力系統(tǒng)分區(qū)標(biāo)號(hào),PG和PL分布表示雷電災(zāi)害影響下電力系統(tǒng)子區(qū)域有功出力和有功負(fù)荷;Pw表示電網(wǎng)運(yùn)行預(yù)測(cè)網(wǎng)損;考慮電力系統(tǒng)分區(qū)和平衡機(jī)組的最大發(fā)電能力和最小出力限制,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)子區(qū)域網(wǎng)損計(jì)算估計(jì),將電網(wǎng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不平衡功率均勻分配到各個(gè)平衡機(jī)組,實(shí)現(xiàn)功率平衡調(diào)整,則:
(6)
式中;j和k分別表示電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷標(biāo)號(hào)和平衡機(jī)組標(biāo)號(hào)Si表示電力系統(tǒng)分區(qū);PL,j表示系統(tǒng)中第j個(gè)符合的有功負(fù)荷;PGk表示系統(tǒng)第k個(gè)平衡機(jī)組的有功出力;PWi表示系統(tǒng)第i個(gè)子區(qū)域的預(yù)測(cè)網(wǎng)損;Puei表示電網(wǎng)運(yùn)行過程中允許的最小功率不平衡量。
根據(jù)上述分析與計(jì)算可知,對(duì)于雷電影響下電網(wǎng)運(yùn)行過程中無功功率的不平衡量,采用就地補(bǔ)償機(jī)制,在電力系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn),將電網(wǎng)運(yùn)行樞紐節(jié)點(diǎn)設(shè)置為PV節(jié)點(diǎn),并對(duì)系統(tǒng)電壓值進(jìn)行合理設(shè)置時(shí)雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化數(shù)據(jù)潮流計(jì)算具有較好的收斂性;根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果,在系統(tǒng)中就近選取負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償,直到所有設(shè)置的補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的功率在電網(wǎng)運(yùn)行過程中允許的最小功率不平衡量范圍內(nèi),將PV節(jié)點(diǎn)恢復(fù)原始類型,實(shí)現(xiàn)雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)中的無功不平衡量的調(diào)節(jié)。
在Microsoft Windows7操作系統(tǒng),版本為JDK1.6的Microsoft Visual Studio 2016編譯器開發(fā)環(huán)境,Inte酷睿四核處理器,2 GB獨(dú)立顯卡,4GB運(yùn)行內(nèi)存,MyEclipse Enterprise Workbench 7.5的可視化系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行性能檢驗(yàn)。圖3給出了一條10 kV饋線作為電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù),針對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的超載、低電壓、網(wǎng)損過高等情況進(jìn)行全景可視化建模分析,提出相應(yīng)預(yù)警方案。
圖3 電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)
按照上述基于數(shù)據(jù)融合的雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化建模方法計(jì)算圖3中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線,其中一部分結(jié)果顯示如圖4所示。圖4中的橫坐標(biāo)代表電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間;縱坐標(biāo)代表電網(wǎng)運(yùn)行過程中有功功率標(biāo)幺值。電網(wǎng)運(yùn)行潮流計(jì)算需要的數(shù)據(jù)有:系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷和無功負(fù)荷、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)額定容量。
圖4 10 kV饋線部分配電節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線
圖5繪制了該線路支路1隨時(shí)間的負(fù)載率變化曲線,從圖5中可以看出,區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行過程中的整體負(fù)荷變化情況,支路1始終處于負(fù)荷超載狀態(tài),且在測(cè)試時(shí)間為15:30時(shí)達(dá)到負(fù)荷最大值。為了改變雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行過程中支路1的負(fù)荷超載狀態(tài),可以考慮通過圖4中的回路對(duì)支路1中的部分功率負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)帶,但是如果轉(zhuǎn)帶過后的支路1的負(fù)載率仍然沒有較大好轉(zhuǎn),應(yīng)該及時(shí)對(duì)支路1進(jìn)行線路容量擴(kuò)展。根據(jù)圖5可以看出,在測(cè)試時(shí)間為15:30時(shí)該支路達(dá)到負(fù)荷最大值,此時(shí)該10 kV饋線1~30個(gè)支路的負(fù)載率變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出,10 kV饋線中的支路1、2、3、4處于嚴(yán)重過載狀態(tài),支路6、8、22、27同樣也處于過載狀態(tài),但是相比支路1、2、3、4程度較輕,而該饋線的10、16、19、21、25支路卻處于輕載狀態(tài),此時(shí)可以考慮將重載狀態(tài)下支路上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到輕載支路上,實(shí)現(xiàn)功率平衡調(diào)節(jié)。
針對(duì)圖6所示的10 kV饋線各支路負(fù)載率情況提出以下預(yù)警方案(嚴(yán)重預(yù)警用紅色代表;較嚴(yán)重預(yù)警用黃色代表):
(1)10 kV饋線支路1、2、3、4屬于重載嚴(yán)重預(yù)警,用紅色標(biāo)識(shí);
(2)支路6、8、22、27屬于重載較嚴(yán)重預(yù)警,用黃色警示;
(3)支路11屬于輕載嚴(yán)重預(yù)警,用紅色標(biāo)識(shí);
(4)支路10、16、19、21、25屬于輕載較嚴(yán)重預(yù)警,用黃色警示。
綜合實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,10 kV饋線各個(gè)支路重載情況比較嚴(yán)重,電網(wǎng)運(yùn)行短時(shí)間內(nèi)可以考慮通過聯(lián)絡(luò)各個(gè)業(yè)務(wù)開關(guān)將重載負(fù)荷轉(zhuǎn)帶給輕載節(jié)點(diǎn);從電網(wǎng)運(yùn)行長(zhǎng)期考慮,則應(yīng)該通過對(duì)10 kV饋線中的部分支路進(jìn)行容量擴(kuò)展。
圖7為10 kV饋線出現(xiàn)最大負(fù)荷時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率變化情況。從圖7中可以看出,電網(wǎng)運(yùn)行過程中配電所在節(jié)點(diǎn)(7)和(31)處于重載運(yùn)行狀態(tài),節(jié)點(diǎn)(6)、(8)、(15)、(23)處于輕載運(yùn)行狀態(tài),觀察整個(gè)雷電影響下的電網(wǎng)運(yùn)行過程發(fā)現(xiàn),并未出現(xiàn)特別嚴(yán)重的超載、重載和輕載狀況,但是雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行過程中大多數(shù)配變負(fù)載率都低于50%,存在經(jīng)濟(jì)性較差的問題,可以通過減小線路容量的方式提供電力系統(tǒng)設(shè)備利用率。
圖7 10 kV饋線在15:30時(shí)所有配電所在節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率
配電網(wǎng)是用戶與電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)之間相互連接的重要環(huán)節(jié),與雷電災(zāi)害影響下電力系統(tǒng)中的輸電網(wǎng)相比較,配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,規(guī)模也更加龐大,自動(dòng)化技術(shù)水平相對(duì)較低,電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集困難程度更大,實(shí)現(xiàn)雷電災(zāi)害影響下配電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化建模對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。
(1) 針對(duì)這一現(xiàn)狀,提出以一種基于數(shù)據(jù)融合的雷電災(zāi)害影響下電網(wǎng)運(yùn)行全景可視化建模方法,并通過實(shí)例分析結(jié)果證明了所提方法的合理性與可行性。
(2) 本文通過對(duì)分布圖法對(duì)雷電災(zāi)害后電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,通過關(guān)聯(lián)關(guān)系模型對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)融合,根據(jù)分配準(zhǔn)則匹配對(duì)應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)全景可視化模型的建立。