交直流混聯(lián)電網(wǎng)多級調(diào)度協(xié)調(diào)控制策略及輔助決策研究

譚文忠，王啟盛，梅紅興，謝昊，張思遠(yuǎn)

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著特高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)，尤其是交直流混聯(lián)電網(wǎng)成為主干網(wǎng)架，當(dāng)前“源-網(wǎng)-荷-儲”電網(wǎng)呈現(xiàn)全新的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特征[1]。一方面，特高壓線路故障或閉鎖，使系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生較大的缺額、潮流瞬時(shí)發(fā)生巨大改變，電壓、頻率急劇波動；另一方面，風(fēng)能、光伏等新能源的大規(guī)模接入以及配套儲能設(shè)施的入網(wǎng)，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來新的物理特性，故障暫態(tài)過程呈現(xiàn)全新的非線性振蕩，為電網(wǎng)集中控制帶來巨大挑戰(zhàn)[2-4]。為此，傳統(tǒng)的“源隨荷動”集中調(diào)度模式亟需向“源網(wǎng)荷儲多元協(xié)調(diào)調(diào)度”控制模式方向轉(zhuǎn)變。另一方面，《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》的出臺，尤其是對配網(wǎng)用戶連續(xù)供電要求的提高，要求主網(wǎng)事故情況下，需以最小低電壓負(fù)荷損失代價(jià)來恢復(fù)電網(wǎng)安全[5]。

當(dāng)前電網(wǎng)故障處置依賴于D5000調(diào)度平臺的在線安全穩(wěn)定分析系統(tǒng)，是基于靜態(tài)潮流越限的定期安全掃描及預(yù)想方式分析，本質(zhì)上是以電網(wǎng)安全為唯一控制目標(biāo)的靜態(tài)分區(qū)處置方案[6]。

為兼顧電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，最近，業(yè)界提出了一種綜合計(jì)及經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性指標(biāo)的動態(tài)分區(qū)控制方案[7]。因此，研究基于最優(yōu)動態(tài)分區(qū)與最小低電壓負(fù)荷損失相結(jié)合的多級調(diào)度協(xié)調(diào)控制策略很有必要。

1 省地一體化聯(lián)合控制技術(shù)

特高壓線路故障或閉鎖、系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生較大的缺額時(shí)，通過動態(tài)調(diào)整電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)解除對控制時(shí)限要求不高的緊急狀態(tài)，從而減少下一級電網(wǎng)切負(fù)荷量，降低事故處置代價(jià)。當(dāng)故障過程存在多個動態(tài)分區(qū)方案可以解除電網(wǎng)緊急狀態(tài)時(shí)，需要考慮動態(tài)分區(qū)與下一級電網(wǎng)切負(fù)荷措施協(xié)調(diào)配合，從備選方案中選擇最優(yōu)分區(qū)方案[8]。

尋求最優(yōu)輔助決策的過程實(shí)質(zhì)是一個包含多種約束的優(yōu)化調(diào)度問題[6]。本文結(jié)合省級電網(wǎng)調(diào)度原則、控制要求及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了一種省地一體化聯(lián)合控制方案。在如圖1所示技術(shù)線路中，省調(diào)圍繞“源-網(wǎng)”為中心，通過動態(tài)分區(qū)來調(diào)節(jié)電源出力控制斷面潮流，安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)下發(fā)切負(fù)荷命令來控制功率缺額(ΔP)及頻率波動(Δf)；地調(diào)以“荷-儲”為調(diào)節(jié)手段，依據(jù)斷面靈敏度順次切除低壓負(fù)荷以控制節(jié)點(diǎn)電壓水平(ΔU)和無功平衡(ΔQ)[9-10]。

圖1 省地一體化智能輔助決策

在圖1所示省地一體化智能輔助決策路線中，故障處置包含兩個層級。①省調(diào)層級:基于電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力和改變電網(wǎng)運(yùn)行方式來調(diào)節(jié)斷面潮流、啟動安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)向聯(lián)切裝置下發(fā)切負(fù)荷命令來控制功率缺額及頻率波動。②地調(diào)層級:基于斷面靈敏度切負(fù)荷控制技術(shù)，根據(jù)各事故斷面靈敏度大小順次執(zhí)行多輪切低壓負(fù)荷以控制節(jié)點(diǎn)電壓。

2 基于動態(tài)分區(qū)的省調(diào)控制模型和實(shí)現(xiàn)流程

2.1 動態(tài)分區(qū)決策目標(biāo)函數(shù)

為了從諸多動態(tài)分區(qū)備選方案中選擇解除電網(wǎng)緊急狀態(tài)的最優(yōu)方案，首先需要研究一套綜合考量安全性和經(jīng)濟(jì)性的動態(tài)分區(qū)評價(jià)指標(biāo)。

在研究靜態(tài)分區(qū)評價(jià)工作的基礎(chǔ)上，綜合計(jì)及經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性指標(biāo)后，可用函數(shù)式(1)表示電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)切負(fù)荷的代價(jià)[11-12]。

式中，F(xiàn)1為切負(fù)荷造成負(fù)荷損失的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，見式(2)；F2為電網(wǎng)規(guī)模；δ1、δ2為其責(zé)任代價(jià)的權(quán)重系數(shù)，δ1+δ2=1，一般1≥δ1＞δ2≥0。

式中，ΔP為期望缺失供電量；為因停電造成社會經(jīng)濟(jì)損失的賠償代價(jià)；為切負(fù)荷造成電網(wǎng)損失的賠償代價(jià)；為切負(fù)荷造成發(fā)電損失的賠償代價(jià)。

針對不同規(guī)模的電網(wǎng)，F(xiàn)2有不同的表達(dá)形式，參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]，以及《電力安全應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合實(shí)際省級電網(wǎng)規(guī)模，得到F2為相應(yīng)地區(qū)電網(wǎng)減供負(fù)荷比例α的分段函數(shù)。責(zé)任代價(jià)函數(shù)制定如下:

2.2 基于動態(tài)分區(qū)的協(xié)調(diào)控制流程

動態(tài)分區(qū)與切負(fù)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化方案應(yīng)滿足minF，即綜合考慮動態(tài)分區(qū)和切負(fù)荷協(xié)調(diào)后切負(fù)荷措施造成控制代價(jià)最小[12]。圖2給出了動態(tài)分區(qū)與切負(fù)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化方法流程。

圖2 電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)與切負(fù)荷決策流程

具體步驟如下:

步驟1、2:根據(jù)預(yù)想故障下設(shè)備的過載安全裕度，確定最大可用動態(tài)分區(qū)操作數(shù)，在最大操作數(shù)約束下，校核綜合控制性能滿足要求的各動態(tài)分區(qū)操作執(zhí)行后是否能解決預(yù)想故障下的設(shè)備過載。

步驟3、4、5:若能解決，則從中根據(jù)多目標(biāo)決策方法選擇最優(yōu)的動態(tài)分區(qū)操作組合方案。

步驟6、7、8:若不能解決，則選擇綜合控制性能最好的動態(tài)分區(qū)操作組合，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各備選切負(fù)荷點(diǎn)計(jì)及電力安全事故風(fēng)險(xiǎn)的切負(fù)荷性能代價(jià)比，迭代切除性能代價(jià)比最高的負(fù)荷，直至預(yù)想故障下的過載問題解決。

2.3 算例分析

以中部某特高壓直流落點(diǎn)近區(qū)電網(wǎng)為例驗(yàn)證所提方法在保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定、減少事故后切負(fù)荷量、降低電力安全事故等級方面的有效性，如圖3所示，CY換流站為特高壓直流逆變站，直流雙極高端滿送時(shí)落地約640萬kW，HB、HZ、HD三個負(fù)荷分區(qū)，L1、L2分別為HZ區(qū)向HD區(qū)輸送負(fù)荷的直流通道，圖中實(shí)線為500 kV線路。其中系統(tǒng)全接線方式下，斷面L1穩(wěn)定限額560萬kW，L2穩(wěn)定限額640萬kW，L3穩(wěn)定限額240萬kW，斷面L4穩(wěn)定限額130萬kW，正常運(yùn)行方式下各斷面功率均在穩(wěn)定限額內(nèi)。若L2發(fā)生單極閉鎖故障，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，直流輸送的2 400 MW電力將轉(zhuǎn)移到該區(qū)域電網(wǎng)500 kV交流系統(tǒng)；L2繼續(xù)發(fā)展為雙極閉鎖故障時(shí)，巨大的功率缺額將導(dǎo)致近區(qū)潮流重新分布，斷面L3、L4功率均超穩(wěn)定限額，如果不采取任何穩(wěn)控措施，將導(dǎo)致該區(qū)域電網(wǎng)的機(jī)組與系統(tǒng)主網(wǎng)失步，為保證故障后各斷面功率不超穩(wěn)定限額，需采取緊急控制措施?；趫D2的動態(tài)分區(qū)優(yōu)化控制方案經(jīng)過9次迭代后，目標(biāo)代價(jià)函數(shù)minF趨于最小值，并得到切負(fù)荷量及電網(wǎng)事故等級見表1。

圖3 電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)算例示意圖

表1 不同穩(wěn)定控制方案下系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值

通過比較表1不同穩(wěn)定控制方案下系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值，可以分析得出如下結(jié)論:

1)比較方案A和B，以及方案C和D1可見，《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》的出臺使得切負(fù)荷的代價(jià)較高，安全穩(wěn)定控制措施中考慮切負(fù)荷方案的風(fēng)險(xiǎn)較高。

2)從方案B和C可見，考慮L1直流有功功率調(diào)制輔助切機(jī)措施可以減少切機(jī)量，降低暫態(tài)失穩(wěn)控制風(fēng)險(xiǎn)。

3)從方案D1—D6的結(jié)果可見，L1直流調(diào)制量越大，切機(jī)量越小，系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)控制風(fēng)險(xiǎn)越小[13]。

3 基于低壓切負(fù)荷的地調(diào)控制模型和實(shí)現(xiàn)流程

3.1 目標(biāo)函數(shù)

在主網(wǎng)事故處置過程中，省級調(diào)度根據(jù)目標(biāo)代價(jià)函數(shù)minF選取最優(yōu)動態(tài)分區(qū)后，地區(qū)調(diào)度需配合上級調(diào)度，繼續(xù)根據(jù)事故斷面靈敏度順次多輪切除低壓負(fù)荷，從而以最小的控制代價(jià)將不安全電壓節(jié)點(diǎn)拉回到安全區(qū)域內(nèi)[11]，模型目標(biāo)函數(shù)見式(4)。

式中，Ui、Uoibj分別為節(jié)點(diǎn)i的當(dāng)前電壓和切負(fù)荷啟動電壓；SLC為切負(fù)荷控制節(jié)點(diǎn)集；SLC0為初始切負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集，對應(yīng)式(5)中各SLC0節(jié)點(diǎn)的切負(fù)荷靈敏度系數(shù)，ΔPk為低電壓切負(fù)荷控制量[14]。

3.2 約束條件

系統(tǒng)運(yùn)行約束包含靈敏度約束、節(jié)點(diǎn)平衡約束和潮流約束。

1)靈敏度約束

式中，、分別表示為與節(jié)點(diǎn)i相連線路k的視在有功、電壓相角。

2)節(jié)點(diǎn)平衡約束

式中，N為所有節(jié)點(diǎn)集合；和為與節(jié)點(diǎn)n相連線路k的首端點(diǎn)和末端點(diǎn)集合；Pk，t為線路k中的潮流；Pn，t為節(jié)點(diǎn)n負(fù)荷。

3)潮流約束

潮流約束包含線路傳輸潮流約束式(7)和相角約束式(8)。

式中，θn，t、θmin、θmax為節(jié)點(diǎn)n電壓相角及運(yùn)行上、下限額，θn，t∈[-∏，∏]；K為所有線路集合；Pn，t、、為節(jié)點(diǎn)n相連線路k中的有功功率及其潮流上、下限額。

3.3 地調(diào)低電壓切負(fù)荷優(yōu)化控制流程

地調(diào)低電壓切負(fù)荷流程如圖4所示，當(dāng)存在節(jié)點(diǎn)電壓Ui低于切負(fù)荷啟動值Uoibj時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)離線阻抗矩陣行元素Zi，k生成初始切負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集SLC0、切負(fù)荷靈敏度系數(shù)及其初始切負(fù)荷控制節(jié)點(diǎn)集SLC[15-16]。根據(jù)式(6)得出第k輪次低電壓切負(fù)荷控制量ΔPk。如此循環(huán)直至節(jié)點(diǎn)電壓Ui恢復(fù)至啟動值。

圖4 地調(diào)切負(fù)荷優(yōu)化控制流程

3.4 算例分析

采用改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)作為測試系統(tǒng)，系統(tǒng)基準(zhǔn)功率為100 MW，分區(qū)如圖5所示，送端系統(tǒng)區(qū)域1通過聯(lián)絡(luò)線4-12、6-10、9-10和28-27向受端區(qū)域2供電。

圖5 IEEE 30節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)

當(dāng)某特高壓直流落點(diǎn)近區(qū)故障，智能輔助決策系統(tǒng)根據(jù)省調(diào)電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)結(jié)果選擇最優(yōu)協(xié)調(diào)控制方案，向相關(guān)地區(qū)調(diào)度推送基于節(jié)點(diǎn)電壓的切負(fù)荷協(xié)調(diào)控制策略，圖6為節(jié)點(diǎn)3電壓水平與切負(fù)荷次數(shù)關(guān)系。

圖6 節(jié)點(diǎn)電壓水平與切負(fù)荷次數(shù)關(guān)系

圖6給出了兩輪切負(fù)荷控制的效果，其中，切負(fù)荷次數(shù)4—6為按靈敏度大小順序執(zhí)行第2輪切負(fù)荷控制。從圖6可以看出，在第2輪切負(fù)荷控制后，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)3的電壓恢復(fù)到了相對較好的水平。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建基于最優(yōu)動態(tài)分區(qū)與最小切負(fù)荷相結(jié)合的多級調(diào)度協(xié)調(diào)控制策略，圍繞故障處置過程的不同控制層級展開詳細(xì)論述，并通過仿真驗(yàn)證模型與控制的正確有效。

1)構(gòu)建綜合計(jì)及經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性指標(biāo)的動態(tài)分區(qū)決策目標(biāo)函數(shù)，以動態(tài)分區(qū)切負(fù)荷的代價(jià)最小minF，求解省調(diào)最優(yōu)分區(qū)控制方案。

2)相關(guān)聯(lián)的地調(diào)根據(jù)事故斷面靈敏度順次多輪切除低壓負(fù)荷，以最小的控制代價(jià)恢復(fù)節(jié)點(diǎn)電壓。

省級、地級調(diào)度分別作為多級調(diào)度協(xié)調(diào)控制策略的一部分，融合了主網(wǎng)故障連續(xù)動態(tài)控制和低壓負(fù)荷的離散投切，并共同作用于優(yōu)化結(jié)果。同時(shí)，由于滾動優(yōu)化和遞進(jìn)式的優(yōu)化求解過程，可在控制過程中實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶或饋線側(cè)的控制要求。