新能源富集電網狀態(tài)估計方法及智能應急調度策略研究

張連勇

（內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

0 引言

我國新能源資源儲量豐富，積極發(fā)展新能源發(fā)電，是我國調整能源結構、保護環(huán)境、應對氣候變化、轉變經濟發(fā)展方式和實現可持續(xù)發(fā)展的一項戰(zhàn)略選擇[1]。近幾年，我國新能源電力發(fā)展迅猛，截至2020年底，我國新能源裝機容量累計達5.3億kW，在某些區(qū)域甚至已出現新能源規(guī)?；⒕W[2]。然而我國的新能源分布與能源需求大致呈逆向，大量新能源并入電網后勢必要進行遠距離輸送。以風能和太陽能為代表的新能源具有很強的隨機性和間歇性，新能源基地的電力電子設備具有很強的非線性，當龐大數量的新能源接入電網后，這些特性也同時被引入電網，對電網的安全穩(wěn)定構成威脅。

當前，新能源規(guī)?；⒕W引發(fā)的穩(wěn)定問題已引起國內外的廣泛關注，文獻[3]探討了間歇性電源點靜態(tài)安全域限制下的最大有功容量，通過匹配最佳集線阻抗比實現風電場的安全外送；文獻[4]研究了電網事故時的頻率應急響應，通過調節(jié)需求響應抑制輸出功率急劇波動，但該方法啟動較慢且需要設置響應負荷；文獻[5-7]分析了新能源并網后的概率潮流問題，通過細化概率范圍改進潮流計算方法，但并未深入探討電網遭受風險的應急舉措；文獻[8]提出了一種利用抗差理論進行電網狀態(tài)估計的方法，但該方法計算量較大，目前尚不能實現大數據的實時估測；文獻[9-11]研究了大電網安全性評估的復雜性理論和電網狀態(tài)評估的風險防范管理體系，但也沒有開展風險應急研究。

綜上，新能源富集電網迫切需要一種快速精準的電網狀態(tài)估計方法以及與其匹配的智能應急調度策略來保障安全和穩(wěn)定。本文在汲取國內外研究成果的基礎上，通過深入分析電網的運行狀態(tài)，從電網應急的角度提出一種適用于新能源富集電網的狀態(tài)估計方法，通過快、精、準地評估電網運行信息，第一時間感知電網存在的風險，自動啟用應急調度手段，及時消除規(guī)?；履茉磶淼姆€(wěn)定問題，保障電網的安全和穩(wěn)定。

1 新能源富集電網狀態(tài)估計

1.1 電網狀態(tài)估計功能流程

規(guī)?；履茉吹碾娋W狀態(tài)估計功能流程見圖1。在傳統(tǒng)電網中通?！耙园l(fā)定用”，若要得到理想的狀態(tài)估計結果，首先應從精準的發(fā)電預測開始。

圖1 電網狀態(tài)估計功能流程圖Fig.1 Functional process of power grid state estimation

1.2 調度大信息并網預測

調度大信息是電力數據庫中的一種廣域信息源，不僅包括已知的電網電氣量信息和非電氣量信息（氣象、地質、設備狀態(tài)等），還包括與電力生產相關的音頻、視頻等動態(tài)信息[12]。

利用調度大信息中含有諸多影響新能源并網的有用信息，如氣象和地質信息、新能源機組、電網實時數據以及電力需求等，提前對新能源并網情況進行精確預測，根據實際情況制訂靈活的短時發(fā)電計劃和電網可調節(jié)裕度等，進而減少因客觀因素約束造成的電網穩(wěn)定性事件。

1.3 電網狀態(tài)分層估計

我國的大型新能源基地通常都處在電網結末端，當規(guī)?；履茉床⒕W傳輸時，除部分有專屬輸送通道外，其余均直接或間接接入附近的220 kV變電站，再以220 kV電壓等級匯入超高壓或特高壓網絡向外傳輸。

考慮到新能源電力變動較為頻繁且跨越多電壓等級電網，狀態(tài)估計節(jié)點數據量大且繁雜，進行電網狀態(tài)計算時，為了提升電網狀態(tài)估計的速度，縮短網絡分析和決策時間，可按照電壓等級人為劃分電網層級，在多層網絡中同步進行狀態(tài)估算。

另外在進行電網狀態(tài)分析時，為提升計算速度，可將網內節(jié)點按照作用分類，將某些非重要節(jié)點進行合并或忽略，免去一些不必要的計算，只考慮網絡傳輸中重要節(jié)點的運行信息，增加電網感知風險的靈敏度。當電網出現穩(wěn)定偏差時，系統(tǒng)會第一時間察覺，為處理問題節(jié)省時間，避免事態(tài)惡化。

1.4 重要斷面潮流裕度估計

電網正常運行中，通過估計重要斷面的運行狀態(tài)，可及時調整電網的動態(tài)潮流，第一時間消除電網存在的隱性風險。在含有規(guī)?；履茉吹碾娏W絡中，大量新能源的存在增加了斷面輸送限制或線路N-1故障的概率。引入電網斷面作為約束條件可增強電網的敏感度，保證該網絡和相鄰網絡的供電可靠性。

將電網斷面單獨列出分析，等值模型結構如圖2所示。圖中，混雜新能源的電力潮流從系統(tǒng)送端端口輸入網絡，經斷面1，2，…，n進行傳輸至受端端口。根據系統(tǒng)斷面潮流平衡方程有：

圖2 電網斷面等值模型結構示意圖Fig.2 Equivalent model structure of power grid section

式中：Pi—送端系統(tǒng)節(jié)點i的有功功率；

Qi—送端系統(tǒng)節(jié)點i的無功功率；

Pi′—受端系統(tǒng)節(jié)點i′的有功功率；

Qi′—受端系統(tǒng)節(jié)點i′的無功功率；

λPi—送端節(jié)點i的有功功率增長因子；

λQi—送端節(jié)點i的無功功率增長因子；

Ui—送端系統(tǒng)節(jié)點i的電壓；

Ui′—受端系統(tǒng)節(jié)點i′的電壓；

Gii′—送端系統(tǒng)節(jié)點i與受端系統(tǒng)節(jié)點i′間的電導；

Bii′—送端系統(tǒng)節(jié)點i與受端系統(tǒng)節(jié)點i′間的電納；

θii′—送端系統(tǒng)節(jié)點i與受端系統(tǒng)節(jié)點i′間的電壓相角。

根據內點法求極值，可得出目標函數λ的最小值λmin=λPi=λQi，斷面潮流增量最小，對應系統(tǒng)送端負荷的最大電壓臨界點，此時，系統(tǒng)斷面裕度L為：

式中：Pimax—節(jié)點i在電壓極值點處的送端有功功率；

Pie—節(jié)點i的最大有功功率。

將系統(tǒng)斷面的穩(wěn)定控制極限有功功率代入式（2）計算出系統(tǒng)斷面裕度下限Lmin。這樣，在系統(tǒng)運行中，無論是新能源側負荷變動或者送端系統(tǒng)發(fā)生N-1故障，只要系統(tǒng)重要斷面的系統(tǒng)裕度值L＞Lmin，且負荷裕度變化率在限定范圍內，則可判斷系統(tǒng)斷面穩(wěn)定且能抵抗擾動風險；若L＜Lmin，則可判斷系統(tǒng)斷面超過最大負荷裕度，需要立即減少送端進入斷面潮流；若L≥Lmin，但負荷裕度變化趨近斷面最小裕度，則需及時調節(jié)新能源側動態(tài)潮流，增加斷面裕度，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2 超松弛迭代修正的狀態(tài)估計模型

及時調節(jié)電網重要斷面潮流可避免電網遭受重創(chuàng)。在實際運行過程中，為避免出現事故時電網發(fā)生重大調整，需要在網內加入各主要節(jié)點定時的狀態(tài)估計，通過綜合各節(jié)點當前狀態(tài)量及變化趨勢及時進行系統(tǒng)風險甄別。為保證電網狀態(tài)估算快速、準確，選用超松弛迭代修正的最小二乘法作為網內節(jié)點狀態(tài)的估計方法。

2.1 狀態(tài)估計前處理

考慮到規(guī)?；履茉床⒕W系統(tǒng)的計算量，同時便于快速分析網絡穩(wěn)定性，在狀態(tài)估計前需將系統(tǒng)進行如下處理。

（1）區(qū)域內新能源出力往往具有很強的趨同性，可利用調度大信息區(qū)間估計新能源潮流注入量，以減小規(guī)?；履茉床▌右鸬挠嬎阏`差；

（2）按照電壓等級將網絡結構人為分層，再按照設定的層級優(yōu)先度進入相應的網層進行節(jié)點狀態(tài)估計。

2.2 利用最小二乘法估計節(jié)點變量

改為求取J(x)min，有：

其中：

式中：n—節(jié)點數量；

σ2—實際值與估計值的方差；

利用超松弛迭代公式修正估計值x?：

式中：ω—松弛因子；—節(jié)點i第k次修正得到的數值；

bij—節(jié)點i與節(jié)點j間的節(jié)點參數；

gi—關于節(jié)點i的某一常量。

用樹枝-連枝法構建系統(tǒng)網絡，由于在新能源富集電網中節(jié)點自導納遠大于節(jié)點注入功率，構建參數矩陣可嚴格對角占優(yōu)，所以超松弛法修正的系統(tǒng)收斂，可得到收斂值。

在電力網絡中，加入網絡節(jié)點潮流、歷史狀態(tài)及控制變量等式約束：

ΔU—電壓變量；

Δδ—功角變量。

同時對于節(jié)點i加入節(jié)點電流等式約束和功率不等式約束：

在構建模型中，因獲取量測數量大于量測變量（n＞m，且各式不相關），可知構建系統(tǒng)狀態(tài)滿秩、可觀。將各層網絡中的節(jié)點分別歸類，通過狀態(tài)估計模型多次迭代逐次得到相應的估計值：

2.3 不良節(jié)點數據的辨識修正

在龐大的系統(tǒng)狀態(tài)估計計算時，難免會有不良數據出現，為了保證數據估算可靠，可在數據估算模塊加入數據修正功能，具體如下。

（1）系統(tǒng)辨識數據時，可通過兩個或兩個以上非關聯(lián)可靠數據進行比對分析，當同時認定數據異常時，可判斷所估算數據不良；

（2）每隔一定時間發(fā)現有不良數據，利用節(jié)點或最近節(jié)點的SCADA數據信息做辨識比對修正；

（3）當辨識到由于計算引起某數值越限時，為避免擾亂系統(tǒng)整體估算，可將該節(jié)點類型轉換（PV、PQ轉換），利用一個周期的正確數據進行修正。

3 智能調度應對策略

在規(guī)?；履茉摧斔偷倪^程中，狀態(tài)估計模塊連續(xù)三次計算得出某點狀態(tài)異常，則應及時啟動應急調度模塊進行系統(tǒng)智能修正。具體的電網智能調度應急流程如圖3所示。

圖3 智能調度應急功能流程圖Fig.3 Functional process of intelligent dispatching emergency

電網狀態(tài)估計監(jiān)測到異常，首先啟動智能調度功能模塊進行電網狀態(tài)安全分析校驗。系統(tǒng)辨識子模塊根據系統(tǒng)動態(tài)信息檢驗到系統(tǒng)正常，功能返回；若檢查到電網狀態(tài)發(fā)生異常，則進一步鎖定異常點來源的電壓層級，即鎖定發(fā)生異常的局部電網，縮小調整的波及面。

鎖定故障電壓層級后，在相應層中啟動電網穩(wěn)定分析子模塊，并根據電網中的相關數據指標進行判斷。電網某節(jié)點電壓越限，并超過安全裕度，電網智能調整子模塊啟動無功電壓調節(jié)功能，鎖定周邊無功發(fā)生設備，滿足調節(jié)條件后按優(yōu)先等級進行無功電壓調節(jié)，直至電網靜態(tài)穩(wěn)定滿足指標后返回。

若狀態(tài)估計數據中某斷面穩(wěn)定裕度越過指標值，電網智能調整子模塊啟動電網有功功率調節(jié)功能，按照計算的裕度、電網當前的狀況及調節(jié)的優(yōu)先順序，逐步采取安全自動裝置切機、切負荷或轉移負荷等方式進行系統(tǒng)有功功率調節(jié)，直至電網穩(wěn)定裕度滿足指標后返回。

當電網設備出現穿越性故障或輸電線路出現瞬時故障時，線路重合成功或系統(tǒng)短時間內發(fā)生潮流轉移，此時電網應根據實際情況判斷不做出調整，自適應躲過電網自調整時間[13-18]。

4 算例分析

4.1 算例簡介

選用某電網簡化的30節(jié)點系統(tǒng)進行算例分析。以IEEE-30系統(tǒng)為基礎，選取主電網（500 kV、220 kV電壓等級）30個代表性節(jié)點，按照電網拓撲由西向東走向對應節(jié)點1至節(jié)點14匹配，構建電網簡化的30節(jié)點系統(tǒng)，見圖4。

圖4 某電網簡化的30節(jié)點系統(tǒng)Fig.4 Simplified 30-node system of some power grid

在圖4所示的電網系統(tǒng)中，規(guī)模化新能源電力從網內各并網節(jié)點向節(jié)點14輸送，為保證新能源電力的安全輸送，在電能輸送沿途共設置6個重要斷面作為電網安全重要監(jiān)視面，即斷面1的KD潮流斷面（220 kV），斷面2的EW潮流斷面（220 kV），斷面3的HB潮流斷面（500 kV），斷面4的HF潮流斷面（500 kV），斷面5的外送電流潮流斷面（500 kV）和斷面6的QY潮流斷面（220 kV）。

4.2 網絡分層監(jiān)測重要斷面的穩(wěn)定程度

為快速計電網穩(wěn)定程度，按照網絡分層原則，將簡化30節(jié)點系統(tǒng)自動劃分為500 kV和220 kV電壓等級電網，并在各自電網中進行重要斷面穩(wěn)定性分析。

圖4中，斷面3、4、5為500 kV電壓等級重要斷面，斷面1、2、6為220 kV電壓等級重要斷面，由于斷面4和6是斷面5的潮流源，對斷面5的影響較大，所以斷面4和6的穩(wěn)定裕度會直接影響斷面5的穩(wěn)定；同樣，斷面1是斷面2和3的潮流源，斷面1的穩(wěn)定裕度會直接影響斷面2和3的穩(wěn)定。因此根據源側斷面優(yōu)先的原則，分別在兩層電網中按照次序同時計算，如220 kV網絡中進行斷面1、2、6的計算，同時在500 kV網絡中進行斷面3、4、5的計算，當發(fā)現某斷面異常后，可聯(lián)合兩層電網鎖定局部網絡節(jié)點迅速進行智能調整。

4.3 超松弛迭代法估算驗證電網安全性能

選用超松弛迭代法作為網內節(jié)點的狀態(tài)估算方法，為證明超松弛迭代法的估算性能，選取3個代表節(jié)點（節(jié)點6、10、14），分別用雅可比迭代法、Gai?si_Saideer（G-S）迭代法和超松弛迭代法進行節(jié)點電壓比對估算（精度取），結果如表1所示。

表1 3種迭代法節(jié)點估計數據對比結果Tab.1 Comparison of estimated node data by three iterative methods

從表1可以看出，某時刻3個代表節(jié)點估算的電壓值中，超松弛迭代法（ω取1.25時最優(yōu)[19]）的迭代計算次數最少，其次是Gaisi_Saideer迭代法，雅可比迭代法的迭代次數最多。

在計算條件無約束前提下，迭代次數越少，錯誤率越低。在新能源富集電網的計算中，選取超松弛迭代法作為估算方法數據更準確可靠，滿足狀態(tài)估算要求。

4.4 斷面穩(wěn)定的智能調度驗證

調整測試系統(tǒng)中WP2、WP4、WP5滿出力發(fā)電及區(qū)域電網的運行方式，模擬斷面5穩(wěn)定裕度不足的情況。此時系統(tǒng)估算的部分節(jié)點數據見表2。

表2 斷面5相關節(jié)點狀態(tài)估計數據Tab.2 State estimation data of relevant nodes of section 5

表2中節(jié)點均為500 kV變電站，節(jié)點14是斷面5唯一的能源輸出點。設定斷面5的輸送最大有功功率為4500 MW，系統(tǒng)基準容量為10 000 MW，計算斷面5的穩(wěn)定裕度為：

經計算，斷面5的穩(wěn)定裕度值小于額定裕度值4%，啟動智能調度模塊進行動態(tài)調節(jié)，流程如下：

（1）鎖定調節(jié)的應急區(qū)域；

（2）按照預定優(yōu)先級轉移負荷，將節(jié)點12的部分負荷倒至節(jié)點16接帶，節(jié)點23的部分負荷倒至節(jié)點15和19接帶（從表2數據及圖4可知，節(jié)點15、16、19負荷未滿，可受），來減輕斷面4的承載壓力；

（3）動態(tài)調整電廠G3和G5出力并保證相關新能源電廠出力，直至斷面5的穩(wěn)定裕度逐步恢復至額定值以上。

模擬斷面5有無智能調度應急調節(jié)，仿真節(jié)點14輸出有功潮流變化如圖5所示。經過斷面5的所有有功功率經由節(jié)點14輸出，節(jié)點14輸出有功功率即為斷面5的有功潮流。

圖5 斷面5有無智能調度調節(jié)的有功潮流對比Fig.5 Comparison of active power flow for section 5 with and without intelligent dispatching regulation

根據圖5，調節(jié)后斷面5的穩(wěn)定裕度為：

L=（4500-0.430 2×10 000）/4500=4.4%＞4%。

經過計算，調節(jié)后斷面5的穩(wěn)定裕度滿足系統(tǒng)要求，智能調度應急功能返回，系統(tǒng)調節(jié)用時為0.6~0.7 s。

4.5 重要線路突發(fā)N-1故障時的功能驗證

模擬系統(tǒng)中節(jié)點6與10之間的線路突發(fā)永久性接地故障（N-1故障），利用超松弛迭代修正的狀態(tài)估計方法進行系統(tǒng)估算，結果如表3所示。

表3 線路6—10突發(fā)N-1永久性故障的狀態(tài)估計數據Tab.3 State estimation data of line 6-10 N-1 permanent fault

根據表3與表1的數據對比可以看出，當線路6—10發(fā)生永久性接地故障時，節(jié)點6的電壓值會變大，節(jié)點10的電壓值會變小。

結合相關斷面和節(jié)點的估算數據，系統(tǒng)會綜合判明故障類型及影響區(qū)域，第一時間發(fā)出警報。智能調度系統(tǒng)在收到故障警報后，瞬時開放接收繼電保護和故障遠傳信息，隨即啟動智能調度應急功能進行調節(jié)，具體流程如下：

（1）鎖定節(jié)點6和10的相關斷面和節(jié)點，進行計算；

（2）根據計算按照預定優(yōu)先級減小電廠G1、WP1或G2的發(fā)電出力，調節(jié)斷面1的潮流裕度；

（3）同時根據預定優(yōu)先級增加電廠G3、WP6或G5的發(fā)電出力，保證節(jié)點16與17的負荷供應；

（4）適當調節(jié)節(jié)點6與10的無功功率，保證兩節(jié)點的電壓值滿足系統(tǒng)要求。

調節(jié)過程中相鄰節(jié)點7和17輸入的有功潮流數據變化曲線如圖6所示。

圖6 突發(fā)N-1永久性故障時有無智能調度方案對比Fig.6 Comparison of intelligent dispatching schemes in case of sudden N-1 permanent fault

根據圖6中節(jié)點7和17的有功潮流顯示，分層網絡通過狀態(tài)估計監(jiān)測到線路6—10突發(fā)N-1永久性故障后，在約5 s時可以看到智能調度應急調節(jié)的節(jié)點7和17有功潮流發(fā)生變化，經過約120 s，節(jié)點7和17的有功潮流恢復至故障前數值，而無智能調節(jié)功能的節(jié)點7和17有功潮流此時才開始發(fā)生變化。通過此次對比試驗可以看到通過選用的電網狀態(tài)估計及智能調度策略可以減少系統(tǒng)突發(fā)故障時的調節(jié)時間，對于保障重要節(jié)點的供電可靠性及電網安全穩(wěn)定性都能起到積極的作用。

5 結束語

新能源規(guī)?；⒕W已成趨勢，本文提出在對并網新能源精準估測的基礎上，通過電網重要斷面及分層網絡使用超松弛迭代修正的監(jiān)測方法提前感知電網的不良狀況，第一時間啟用智能應急調度策略應對新能源規(guī)?；⒕W而引發(fā)的各種電網問題，將電網遭受的沖擊降至最小。通過算例分析可知，本文提出的電網狀態(tài)估計方法及智能調度策略對于保證新能源富集電網的安全穩(wěn)定可以起到明顯的作用，具有實用性。