基于安全校核的靜態(tài)電壓輔助決策的實用化研究

郭紹男，王存旭

（沈陽工程學院a.研究生部；b.自動化學院，遼寧沈陽 110136）

最近幾年，由于用電負荷在受端電網(wǎng)處飛速增長，能源供應出現(xiàn)問題，比如主力電廠建設的不足，且與負荷中心之間的距離太遠，遠距離輸電壓力增加，一系列問題導致電壓穩(wěn)定性極差[1-3]。調(diào)度工作人員在對調(diào)度計劃進行安全校核后，根據(jù)校核結果提出合理的輔助決策來解決出現(xiàn)的實際問題，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。通過對故障進行掃描，篩選出嚴重故障集，尋找出高效的并且經(jīng)濟性的控制措施來提高靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。因此，制定出靜態(tài)電壓的輔助決策已刻不容緩[4-8]。

本文通過明確調(diào)度原則并且切實整理出遼寧省電網(wǎng)的運行特點，再結合運行人員的多年經(jīng)驗，提出了一種基于嚴重故障集的靜態(tài)電壓穩(wěn)定輔助決策實用化計算方法。輔助決策運用聯(lián)合措施即將有功功率控制與無功功率控制兩種控制無縫隙配合起來，其中無功功率控制分為調(diào)節(jié)機組機端電壓、投/切并聯(lián)容抗器等[9]；有功功率控制分為發(fā)電機有功功率調(diào)整、切負荷等[10]。本方法以綜合代價最小為目標，其中包括控制代價和經(jīng)濟代價，由于考慮因素多，所以結果更加符合電網(wǎng)實際情況。同時，提出了基于電壓模態(tài)分析結果和裕度指標綜合方法來篩選出嚴重的故障集并進行順序的排列，根據(jù)嚴重程度制定無功功率控制措施。在無功控制不足時，基于有功綜合靈敏度信息補充有功功率控制措施。當出現(xiàn)母線上的電壓值超過規(guī)定值的上限時，需要再次將無功功率進行調(diào)整，調(diào)整依據(jù)基于綜合控制靈敏度[11-12]。所有計算全部基于分布式計算平臺，采用PV 曲線計算來提高計算速度[13]。根據(jù)計算結果再次對空間的制定以及對范圍的縮小進行指導。文本對遼寧電網(wǎng)實時斷面進行仿真分析，結果驗證了所提出方法的快速性及實用性。

1 輔助決策的流程

輔助決策的制定首先要獲取電壓失穩(wěn)的斷面；其次輔助決策實施后的結果要保證平衡性[14]，即發(fā)電與負荷之間在全系統(tǒng)下保持整體性的平衡；最后制定出事先指定的可以進行選擇并且調(diào)整的一系列控制方法，對全系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進行提高。輔助決策流程如圖1 所示，具體的計算步驟如下：

步驟1：對靜態(tài)電壓穩(wěn)定嚴重故障集進行精細篩選；

步驟2：檢查區(qū)域內(nèi)負荷母線的電壓穩(wěn)定功率裕度，若結果低于規(guī)定值，則利用各區(qū)域無功電源進行調(diào)整，對優(yōu)化方程進行求解，依托于并行計算平臺制定無功功率控制措施；

步驟3：若優(yōu)化方程無解，則需要調(diào)整發(fā)電機有功功率和切負荷的控制措施，對改進后的優(yōu)化方程進行求解，并制定出有功與無功相配合的控制措施；

步驟4：若出現(xiàn)母線的電壓超過其規(guī)定的上限值，則重新計算靈敏度，對無功功率調(diào)整措施進行改進，并將改進后的方案作為新的控制措施；

步驟5：迭代修正，對最終確定實施的方案措施進行裕度的校核，若滿足事先規(guī)定值則控制成功，退出程序，若裕度不符合要求值，考慮并行計算電壓崩潰點和穩(wěn)定極限時存在的誤差，修正規(guī)定值并返回步驟1，直至將電網(wǎng)區(qū)域的電壓穩(wěn)定功率裕度或電壓儲備系數(shù)調(diào)整到規(guī)定值以上。

圖1 輔助決策流程

2 主要技術

2.1 篩選嚴重故障集

電力系統(tǒng)的規(guī)模很龐大，為了找出所有的故障點，需要對全系統(tǒng)進行掃描，而嚴重故障點占所有故障點的比例微乎其微，正是這些嚴重的故障點才會導致系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定，最終造成嚴重后果，所以必須對故障集進行篩選，合成嚴重故障集作為需要分析調(diào)整的對象。因此，本文提出了一種綜合篩選方法，如圖2所示，主要過程分為以下兩步：

1）以速度快為目標：采用基于靈敏度裕度計算法與最多壓降估計法相結合的估算方法對所有的故障集進行初次的篩選，需要注意的是第一次篩選結果有一定的誤差。篩選的判據(jù)式如下：

式中，ΔV1是在具體的系統(tǒng)中，通過計算以及相應的分析得出來的參數(shù)；ΔVmax是通過潮流的二次迭代后估算得到的節(jié)點電壓降；α0是系統(tǒng)進行計算自定的常數(shù)，通常取值范圍為0 ＜α0≤1。若αm≤0，即ΔVmax≥ΔV1，則視為粗略嚴重故障集。

2）以精準為目標：首先采用故障潮流法進行總體的識別，目的是避免因為初值的選取失誤等原因造成錯選安全故障的發(fā)生；接著采用精準的改進后的PV 曲線二次擬合法，篩選出最終精準的失穩(wěn)嚴重故障集，判據(jù)式如下：

式中，αmax是最終的裕度判定指標；α2是PV 曲線上第二點對應的負荷裕度指標；β是事先設定好的規(guī)定值，一般取值為0.15。

若式（2）成立，則以αmax作為裕度指標對故障展開精細篩選。

基于此，本研究采用真假詞識別任務和褒貶判斷任務，利用時間分辨率較高的ERPs(event-related potentials)技術探討兩類認知內(nèi)容識別和歸類中的時程特點，進一步驗證社群性信息在認知加工中的優(yōu)勢。

圖2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定嚴重故障集篩選

2.2 并行計算

在2.1 節(jié)篩選階段一中，雖然對故障集合進行了快速地篩選與排序，但在階段二中仍然還存在很多的故障需要進行精確確定。本文在計算電壓穩(wěn)定裕度時，依靠并行計算平臺來提高計算的速度。首先將負荷水平進行劃分，劃分的依據(jù)是事先設定好的步長，并且一定要按照負荷的變化方向進行等距劃分，計算平臺CPU 的核數(shù)也直接影響計算的速度，盡可能多的讓計算機一并參與進來，快速得到功率調(diào)整方案，并將這些方案一并下發(fā)到計算平臺中的每一個節(jié)點上去進行潮流計算。需要確定的是收斂與不收斂之間的臨界點，將此對應的最大負荷定義為臨界穩(wěn)定方案，與之對應周圍的便是不穩(wěn)定方案，可以將負荷的水平上限對應為臨界穩(wěn)定方案，水平下限對應為臨界不穩(wěn)定方案，多次更新迭代，最終找到滿足要求的方案。并行計算過程如圖3所示。

圖3 并行計算范圍逐漸變小的過程

需要指明一點，在上述計算過程中，依托于并行計算平臺，雖然可以很好地提高運算效率，這點在后續(xù)的案例中也得到了證明，但是避免不了計算過程中誤差的存在，需要通過迭代修改規(guī)定值的方法進行修正。

2.3 迭代修正

在并行計算穩(wěn)定極限點與電壓崩潰點時，本文采用的方法是曲線擬合法，此方法可以快速地估算出我們需要得到的穩(wěn)定極限點的值和電壓崩潰點的值，在依托于并行計算平臺中，不可避免的會出現(xiàn)一定的誤差，因此需要對事先預定好的穩(wěn)定裕度值進行精細地校核。如校核結果為穩(wěn)定裕度不滿足要求，則采用式（3）中的系數(shù)KP修正裕度門檻值，之后重新進行控制措施搜索、計算，直至滿足裕度規(guī)定值要求。

式中，λL為穩(wěn)定裕度門檻值；λ0、λ1分別為初始和控制措施校核后的穩(wěn)定裕度。

3 輔助決策實用化模型

3.1 數(shù)學模型

調(diào)度輔助決策的任務是需要找一個滿足安全穩(wěn)定要求的運行點。這個問題可以看成是一個約束優(yōu)化問題，約束是在系統(tǒng)運行和預想故障下安全穩(wěn)定性滿足要求。本文提出以綜合控制成本最小為目標，靜態(tài)電壓穩(wěn)定輔助決策描述的目標函數(shù)可表示為

式中，F(xiàn)1和F2分別為控制變量代價和調(diào)節(jié)量代價；α、β分別為控制量系數(shù)和調(diào)權重系數(shù)，一般設定0 ≤α≤1，0 ≤β≤1，且α+β=1。

約束條件為

約束條件分為等式約束和不等式約束，其中式（5）表示潮流約束，為等式約束；式（6）表示控制變量的運行范圍，例如發(fā)電機有功、無功出力的上下限，為不等式約束；式（7）表示靜態(tài)運行約束，例如母線電壓不越限等，為不等式約束。

3.2 無功源調(diào)整

式中，Ma為投切式補償器動作矩陣；Mb為連續(xù)式無功源動作矩陣；C為由各補償器動作后無功改變量組成的列向量；ΔQ為連續(xù)式無功源的無功變化絕對值列向量；Q、Qlow和Qup分別為連續(xù)式無功源的調(diào)整后值、下限和上限列向量，維度為r；ΔV為本地區(qū)電網(wǎng)母線電壓變化列向量，維度為本地區(qū)母線數(shù)z；V、Vlow和Vup分別為母線電壓的調(diào)整后值、下限和上限列向量，維度為z；Sqv為區(qū)域電網(wǎng)母線電壓幅值對無功注入的靈敏度，其維度為z×r；α、β分別為分組式補償器和連續(xù)式無功源的權重。

上述各式中，T為各無功補償器與母線的關聯(lián)矩陣，如式（15)所示。

矩陣的行數(shù)為接有無功電源的母線個數(shù)r，列數(shù)為投切式無功補償器的組數(shù)n。若第i個無功源母線上接有第j個補償器，則Tij=1，否則Tij=0。一個母線可能接有多個補償器，因而每列只有一個元素為1，每行可有多個非零元素。求解上述優(yōu)化方程，便可得各無功補償?shù)恼{(diào)整量。

3.3 有功源調(diào)整

當上述計算無解時，則增加發(fā)電機有功作為調(diào)節(jié)手段，式（8）改為式（16），式（10）改為式（17）：

式中，ΔP為發(fā)電機有功改變量絕對值列向量，維度為發(fā)電機個數(shù)ω；Mc為發(fā)電機有功動作矩陣，是行數(shù)、列數(shù)均為ω的對角陣；Spv為區(qū)域電網(wǎng)母線電壓幅值對發(fā)電機有功注入的靈敏度，其維度為z×w；γ為發(fā)電機有功調(diào)整的權重，為保證優(yōu)先進行無功電源和無功補償器的調(diào)整，該值應遠小于α和β。

增加如下發(fā)電機有功約束：

式中，P、Plow和Pup分別為發(fā)電機有功的調(diào)整后值、下限和上限列向量，維度同樣為ω。

3.4 切負荷調(diào)整

當調(diào)整發(fā)電機和無功補償器均無解時，則采用切負荷措施[15]。式（8）、（10）分別改為式（20）、（21）。

式中，PL、QL分別為區(qū)域電網(wǎng)的負荷有功和無功列向量，維度為區(qū)域負荷個數(shù)h；d為切負荷比例矩陣，為行數(shù)和列數(shù)均為h的對角矩陣；Splv、Sqlv分別為區(qū)域電網(wǎng)母線電壓幅值對負荷有功、無功注入的靈敏度矩陣，其維度為z×h；η為切負荷的權重因子，為保障最后采用切負荷手段，η應遠小于λ。

由于采用等功率因素切負荷，目標函數(shù)（4）中不需要考慮最小切負荷無功量的項。增加如下約束：

式中，0、1分別為維度為h的全0和全1向量。

4 算例分析

利用文中所提出的輔助決策對遼寧電網(wǎng)進行測試，目標選取為2018 年冬季的某一個實時運行斷面，表1 展示了計算所需的規(guī)模，設定靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度事先規(guī)定值為10%，低于規(guī)定值則需實施輔助決策來提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

表1 遼寧電網(wǎng)實施運行數(shù)據(jù)的計算規(guī)模個

利用文中所提的嚴重故障集篩選法對斷面進行掃描，最終確定出的嚴重故障集如表2所示。

經(jīng)過分析計算，決定將沈海、綏中、鞍鋼第二發(fā)電廠的無功輸出增加450 Mvar，此措施使得沈海電廠并網(wǎng)點的電壓超過規(guī)定的上限值，所以需要將部分電廠的無功目標進行改變，對無功控制方案進行修改，修改后的數(shù)據(jù)見表3 所示，對施加輔助決策后的電壓穩(wěn)定裕度進行校核，均高于規(guī)定值。

表2 嚴重故障集排序

表3 考慮正常運行方式母線電壓越上限的控制方案 Mvar

輔助決策前后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度比較見表4，將靜態(tài)電壓的穩(wěn)定裕度值全部進行提高，超過規(guī)定值10%以上。

表4 輔助決策前后靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度比較 %

由于遼寧的南部地區(qū)多為受端電網(wǎng)，因此控制方案采用本文所提綜合控制方法，即有功控制與無功控制相互配合，對受電區(qū)以及送電區(qū)的有功和無功進行調(diào)整，如表5 所示。降低遠距離的輸電比重，同時調(diào)整自身區(qū)域的輸電電源，使其比重增加，通過調(diào)整使得靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度超過規(guī)定值10%，如表6所示。

表5 有功與無功的聯(lián)合控制措施 MW

表6 輔助決策前后靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度比較 %

5 結語

本文提出了一種基于安全校核的靜態(tài)電壓輔助決策實用化方法，根據(jù)靈敏度預估裕度法、改進后的曲線估計法來確定嚴重故障集；制定出了一套有功功率和無功功率相互配合的控制方案；并提出了采用無功的綜合靈敏度加以約束以確保母線電壓值不超過規(guī)定值的上限，制定出無功綜合調(diào)整方案；計算環(huán)節(jié)全部依托于并行計算平臺，計算速度有顯著地提高。本文所提方法運用到遼寧電網(wǎng)中，結果符合運行的實際要求，具有很高的實用性和推廣性。