基于新型電力系統(tǒng)運(yùn)行模式下的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)VAC

李西明,薛 濤,趙 斌,楊 溢,李偉男

(1.國網(wǎng)沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110052;2.華電電力科學(xué)研究院有限公司東北分公司,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

目前應(yīng)用在各級(jí)電網(wǎng)調(diào)控中心的自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)(AVC)［1-5］,在多電源激勵(lì)下,電網(wǎng)特征不能用開式網(wǎng)特性代替多源網(wǎng)特性,例如主變升降檔,到底產(chǎn)生多少電壓變化量,已不能估算。同時(shí),對(duì)于多電源供電模式下,無法有效換算無功出力及優(yōu)化有功,導(dǎo)致電廠勵(lì)磁電流、SVG導(dǎo)通角只能“爬調(diào)”,特別是SVG,改變一次調(diào)節(jié)量需要若干次動(dòng)作才能到位。本文提出的基于新型電力系統(tǒng)運(yùn)行模式下的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)(VAC),可智能匹配多電源接入模式,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從不同點(diǎn)供入多少有功功率、無功功率,保證電網(wǎng)電能質(zhì)量合格,電網(wǎng)電能損耗最小,對(duì)現(xiàn)行電網(wǎng)調(diào)度已很必要。同時(shí),VAC系統(tǒng)很好解決了原有只能逐個(gè)設(shè)備操作,等待執(zhí)行結(jié)果,再?zèng)Q策下一步操作,即不能并行執(zhí)行、效率低的問題。還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系,對(duì)于不斷擴(kuò)大的電網(wǎng)規(guī)模和變化頻繁的運(yùn)行方式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別,滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)變化需求。

1 VAC系統(tǒng)基礎(chǔ)功能

1.1 動(dòng)靜態(tài)混合潮流計(jì)算

VAC系統(tǒng)可自動(dòng)讀取電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理后,得出各節(jié)點(diǎn)初始PQV值;通過在線快速電網(wǎng)潮流,計(jì)算變壓器和線路損耗,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制;合理規(guī)劃電源容量及接入點(diǎn)、合理規(guī)劃網(wǎng)架,選擇無功補(bǔ)償方案,滿足規(guī)劃水平的大、小方式下潮流交換控制、調(diào)峰、調(diào)相、調(diào)壓的要求;供調(diào)度員日常調(diào)度控制參考,并對(duì)規(guī)劃、基建部門提出改進(jìn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),加快基建進(jìn)度等建議。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí),如容抗器手車推出或推入、主變分/并列運(yùn)行、供電電源調(diào)整等均會(huì)自動(dòng)重新生成導(dǎo)納方程［6］。

由于動(dòng)靜態(tài)潮流計(jì)算采用迭代牛拉法求解,矩陣方程階數(shù)較大,迭代次數(shù)較多,無法用常規(guī)服務(wù)器求解。

經(jīng)過多方比較,將原有的處理器CPU換成了可編程GPU,是高度并行化、多線程多核、擁有強(qiáng)悍的計(jì)算馬力和內(nèi)存帶寬的處理器。VAC基于GPU/ K800/cuda9.0開發(fā)潮流計(jì)算程序,自動(dòng)完成動(dòng)靜態(tài)潮流計(jì)算,該計(jì)算時(shí)間不受電網(wǎng)規(guī)模影響,大大縮短了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。

1.2 控制模式的選擇

VAC系統(tǒng)提供了建議控制和自動(dòng)控制2種控制模式。

1.2.1 建議控制

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況,系統(tǒng)作出調(diào)節(jié)指令,但不下發(fā)到前置執(zhí)行。調(diào)控人員可通過需求選擇是否執(zhí)行該操作。

1.2.2 自動(dòng)控制

a.控制無功電壓

主要負(fù)責(zé)控制的設(shè)備包括電容器、電抗器、有載開關(guān)、SVG、電廠及新能源等設(shè)備的無功出力［7］,確保電網(wǎng)電壓最大范圍合格,電網(wǎng)有功損耗最小,確保設(shè)備動(dòng)作次數(shù)最少。

約束條件有:①母線電壓不越限;②有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作次數(shù)不越限;③電容器每天投切次數(shù)不越限;④發(fā)電機(jī)出力不越限。

b.控制變電站的功率因數(shù)范圍

VAC系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)的設(shè)置范圍比省調(diào)考核指標(biāo)范圍更小一點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)提前干預(yù)功率因數(shù)不合格的情況,如表1所示。VAC系統(tǒng)在整點(diǎn)和半點(diǎn)考核點(diǎn)前幾分鐘,VAC動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間為20 s,其他不在考核點(diǎn)時(shí)間段動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng),目的是保證合格率的情況下減少設(shè)備動(dòng)作次數(shù)。

表1 功率因數(shù)控制范圍

c.控制越限情況

VAC系統(tǒng)采用了禁忌搜索算法［8］(tabu search,TS)來對(duì)無功電壓進(jìn)行組合最優(yōu)化求解。與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比,這種啟發(fā)式的算法具有在較短時(shí)間內(nèi)以較大概率搜索到全局最優(yōu)解的能力,且能夠盡可能地避免陷入局部極值點(diǎn)。

針對(duì)變電站內(nèi)的無功補(bǔ)償設(shè)備(如電容),當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷確定后,根據(jù)如圖1所示的“九區(qū)圖”明確要操作的設(shè)備［9］。圖1中,Q為主變高壓側(cè)無功功率,Q>0為感性,Q<0為容性,Q+為感性無功上限,Q-為感性無功下限;U為主變低壓側(cè)母線電壓。設(shè)操作后［0］域的電壓合理范圍［10,10.7］,無功的合理范圍［-Qf,Qf］。

圖1 變電站“九區(qū)圖”

VAC在巡邏過程中,優(yōu)先查詢各節(jié)點(diǎn)動(dòng)作需求,再進(jìn)行全網(wǎng)動(dòng)靜態(tài)潮流計(jì)算,看各節(jié)點(diǎn)電壓是否合格,全網(wǎng)損耗是否相比較小,即可進(jìn)行相應(yīng)操作。

如流過關(guān)口無功負(fù)荷為Q,進(jìn)行補(bǔ)償后無功負(fù)荷應(yīng)為［-Qf,Qf］是合理的,當(dāng)然趨向0是最好的。

當(dāng)Q>Qf時(shí),投入電容器;當(dāng)-Qf≤Q≤Qf時(shí),無需補(bǔ)償無功;當(dāng)Q<-Qf時(shí),切電容器,如表2所示。

表2 越限控制對(duì)策表

VAC在巡邏過程中,優(yōu)先查詢各節(jié)點(diǎn)動(dòng)作需求,再進(jìn)行全網(wǎng)動(dòng)靜態(tài)潮流計(jì)算,看各節(jié)點(diǎn)電壓是否合格,全網(wǎng)損耗是否相比較小,即可進(jìn)行相應(yīng)操作。

1.3 在線仿真

調(diào)度人員可在主界面進(jìn)行手動(dòng)參數(shù)設(shè)置、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整,然后進(jìn)行在線仿真計(jì)算,即顯示操作后預(yù)測(cè)結(jié)果,包括電流、壓降、功率、損耗、過載、越限等?？蛇M(jìn)行多重復(fù)合仿真,其結(jié)果用于并行操作,如圖2所示。

圖2 VAC系統(tǒng)操作工具

圖2中,“卸”為自動(dòng)構(gòu)畫本市電網(wǎng)模型圖;“序”為根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整某一主變?cè)诮缑嫔巷@示的順序;“刷”為讀取主變檔位及設(shè)備遙測(cè)信息、也可通過該按鍵刷新界面;“構(gòu)”為運(yùn)方變化人工重構(gòu);“障”為定位故障點(diǎn)位置;“牌”為對(duì)檢修的設(shè)備掛置檢修牌;“靜”為關(guān)閉播放系統(tǒng)動(dòng)作的各項(xiàng)語音播報(bào);“鎖”為封鎖設(shè)備信息一覽表,雙擊某一設(shè)備界面自動(dòng)切換到該設(shè)備。各監(jiān)控中心僅可看到自己所管轄廠站設(shè)備封鎖信息;“定位”為輸入廠站名“定位”廠站。

2 VAC系統(tǒng)應(yīng)用功能

2.1 主配互動(dòng)

由于分布式光伏、風(fēng)電等新能源的接入,配電網(wǎng)逐漸從被動(dòng)接受電能的無源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)實(shí)施電能管理的主動(dòng)配電網(wǎng),從以往的被動(dòng)、單向的配電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂须p向供電特性的主動(dòng)配電網(wǎng),導(dǎo)致其安全穩(wěn)定運(yùn)行水平大受影響。

由于配電網(wǎng)和主網(wǎng)之間是相互依存的,在調(diào)度時(shí)不僅要考慮成本,還要考慮兩者的協(xié)調(diào)程度。傳統(tǒng)配電網(wǎng)沒有自己的主動(dòng)性,其作用僅僅是傳輸和分配電能,主要依賴于輸電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)度的目的。但隨著各類因素的增加,例如分布式能源并入電網(wǎng),改變了電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的功率流向,在提升現(xiàn)有配電網(wǎng)主動(dòng)性的同時(shí),其隨機(jī)性及不穩(wěn)定性也日益加強(qiáng)。

VAC系統(tǒng)可統(tǒng)籌考慮配電網(wǎng)要求,結(jié)合主網(wǎng)運(yùn)行情況,下發(fā)設(shè)備動(dòng)作指令?？紤]到風(fēng)電、光伏的隨機(jī)性,隨機(jī)波動(dòng)分布式電源出力無法在配電網(wǎng)內(nèi)部平衡、消納,VAC系統(tǒng)可充分考慮配電網(wǎng)分布式電源設(shè)備出力,實(shí)現(xiàn)分布式電源有功功率分配并保障電壓穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)主、配電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度。

有學(xué)者認(rèn)為作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)編輯，要提升信息產(chǎn)品的原創(chuàng)力與掌控力、平臺(tái)適應(yīng)力與創(chuàng)新力以及與信息用戶的親和力[18]。作為新時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容編輯，不僅要精通網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容的生產(chǎn)和制作，而且要懂得如何設(shè)計(jì)和營銷信息內(nèi)容，使內(nèi)容信息能夠促進(jìn)行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，提高網(wǎng)絡(luò)信息的應(yīng)用價(jià)值，擴(kuò)大信息的傳播力和影響力，在為社會(huì)傳播正能量、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，有效促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)媒介自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

同時(shí),VAC系統(tǒng)也可根據(jù)主網(wǎng)運(yùn)行情況,向配電網(wǎng)發(fā)送指令,使其接入的分布式電源在必要時(shí)按照系統(tǒng)需求進(jìn)行控制,緩解主網(wǎng)運(yùn)行壓力,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào),提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

VAC系統(tǒng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)主網(wǎng)和配電網(wǎng)資源,在保證降低電網(wǎng)運(yùn)行成本和損失的前提下,提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平,并實(shí)現(xiàn)能源的最大化消納。

2.2 省地互動(dòng)

省地協(xié)調(diào)互動(dòng)主要具備獨(dú)立運(yùn)行模式(中斷模式)和協(xié)調(diào)互動(dòng)模式2種模式。

獨(dú)立運(yùn)行模式:省調(diào)VAC系統(tǒng)和地調(diào)VAC系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換中斷,各自獨(dú)立運(yùn)行,地調(diào)VAC系統(tǒng)告警提示省地協(xié)調(diào)互動(dòng)中斷告警。

協(xié)調(diào)互動(dòng)模式:地調(diào)VAC向協(xié)調(diào)互動(dòng)代理傳送關(guān)口電壓期望范圍和關(guān)口無功的控制能力(可控?zé)o功設(shè)備情況),省調(diào)VAC向協(xié)調(diào)代理互動(dòng)傳送關(guān)口無功的期望范圍(功率因數(shù)范圍)和對(duì)關(guān)口電壓的控制能力,省調(diào)VAC系統(tǒng)和地調(diào)VAC系統(tǒng)都只和協(xié)調(diào)互動(dòng)代理通信。協(xié)調(diào)互動(dòng)代理匯總上述信息,進(jìn)行協(xié)調(diào)控制狀態(tài)判斷并產(chǎn)生協(xié)調(diào)約束集,協(xié)調(diào)約束集包括地調(diào)和省調(diào)2個(gè)方向,向地調(diào)VAC下發(fā)關(guān)口無功約束條件,向省調(diào)VAC發(fā)送關(guān)口電壓約束條件,省調(diào)VAC系統(tǒng)和地調(diào)VAC系統(tǒng)在滿足相應(yīng)約束條件的前提下進(jìn)行控制策略計(jì)算。

省地協(xié)調(diào)互動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步降低電網(wǎng)傳輸損耗,實(shí)現(xiàn)省地AVC之間的協(xié)調(diào)控制,保證地調(diào)VAC的控制策略能夠與省調(diào)AVC本身的控制策略匹配,避免在正常情況下,出現(xiàn)省地之間過多的無功流動(dòng),進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新能源電廠

(1)

式中:VAC子站投運(yùn)須同時(shí)滿足VAC子站遠(yuǎn)方運(yùn)行及VAC子站投入;VAC子站可投時(shí)間為新能源出力大于總裝容量的10%。

(2)

式中:VAC調(diào)節(jié)合格須同時(shí)滿足條件1和2或者單獨(dú)條件3。

條件1:調(diào)節(jié)后的電壓/無功和主站目標(biāo)值之差在死區(qū)范圍內(nèi)為合格,具體死區(qū)值參見表3。

表3 電壓/無功死區(qū)表

條件2:指令下發(fā)后,150 s內(nèi)至少采集5個(gè)電壓采樣點(diǎn),其中至少有1個(gè)合格點(diǎn)。

條件3:指令下發(fā)后,150 s內(nèi)至少采集5個(gè)電壓采樣點(diǎn),沒有1個(gè)合格,但上送與調(diào)壓方向一致的單向閉鎖信號(hào)。

3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

VAC系統(tǒng)是在D5000平臺(tái)環(huán)境下開發(fā)的［10］,遵循D5000程序開發(fā)接口規(guī)范,服務(wù)器和工作站操作系統(tǒng)和D5000一樣安裝麒麟操作系統(tǒng),并需要拷貝D5000平臺(tái)環(huán)境(主要需要include、lib、QT環(huán)境)。如圖3所示,運(yùn)行VAC系統(tǒng)的服務(wù)器需要運(yùn)行D5000的public、scada、pas應(yīng)用(VAC用的實(shí)時(shí)庫接口讀取表里面數(shù)據(jù),需要開啟應(yīng)用才能讀取到)。VAC是獨(dú)立的應(yīng)用程序,跟D5000平臺(tái)下各個(gè)應(yīng)用是并立的關(guān)系,各自并立運(yùn)行。

圖3 VAC系統(tǒng)運(yùn)行方式

3.1 數(shù)據(jù)交互

VAC整個(gè)工作過程中有3處需要跟D5000平臺(tái)有數(shù)據(jù)交互。

a.模型數(shù)據(jù)。VAC需要pas應(yīng)用的模型數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的數(shù)量,設(shè)備的連接點(diǎn)號(hào)(自動(dòng)生成拓?fù)潢P(guān)系),設(shè)備參數(shù)(用于計(jì)算)。

b.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。VAC需要scada應(yīng)用的遙信、遙測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),需要所有隔離開關(guān)、斷路器、電容器開關(guān)、電抗器開關(guān)的遙信值,需要母線的電壓值、有功無功值。

c.控制數(shù)據(jù)。VAC根據(jù)模型數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電容器、電抗器、變壓器分接頭進(jìn)行控制使電網(wǎng)更為優(yōu)化運(yùn)行。

現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)用D5000實(shí)時(shí)庫的開發(fā)接口函數(shù)進(jìn)行讀取模型數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)只會(huì)在系統(tǒng)第1次運(yùn)行讀取1次,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)每10 s讀取1次。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

VAC系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)不會(huì)存儲(chǔ)到D5000平臺(tái)的DM6數(shù)據(jù)庫中,VAC系統(tǒng)本身使用的數(shù)據(jù)庫為DM7。目前DM7安裝在備用服務(wù)器上(備用服務(wù)器也是數(shù)據(jù)服務(wù)器,可以考慮增加1臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器),VAC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不會(huì)對(duì)D5000產(chǎn)生任何影響。

3.3 安全控制

在下發(fā)控制指令前會(huì)到前置的保護(hù)信號(hào)表里去查看安全保護(hù)信號(hào),如有保護(hù)該指令不發(fā)送。

以地調(diào)管轄電網(wǎng)為1個(gè)單元,主系統(tǒng)服務(wù)器部署在地調(diào)機(jī)房,客戶端部署在地調(diào)監(jiān)控中心、縣調(diào)監(jiān)控中心、配調(diào)監(jiān)控中心及其他集控中心。本系統(tǒng)運(yùn)行于國產(chǎn)Linux系統(tǒng),使用國產(chǎn)達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫,與調(diào)度自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)內(nèi)嵌為一體。

4 結(jié)語

本文提出了針對(duì)于新型電力系統(tǒng)運(yùn)行模式下的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)VAC,解決了傳統(tǒng)AVC系統(tǒng)無法動(dòng)態(tài)展示電壓變化、只能單一調(diào)節(jié)無功功率、無法實(shí)現(xiàn)主配網(wǎng)的協(xié)調(diào)調(diào)度、不直觀且只能手動(dòng)調(diào)節(jié)等問題。VAC系統(tǒng)通過在線快速電網(wǎng)潮流計(jì)算變壓器和線路損耗,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。VAC系統(tǒng)通過指導(dǎo)發(fā)電廠開機(jī)方式,生成針對(duì)問題現(xiàn)狀的有功、無功及負(fù)荷的調(diào)整方案,滿足線路、變壓器熱穩(wěn)定及保證電壓質(zhì)量的要求。與此同時(shí),調(diào)度人員在VAC系統(tǒng)中,手動(dòng)設(shè)置參數(shù),調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)于電網(wǎng)的電流、壓降、功率、損耗及至過載、越限等進(jìn)行在線多重復(fù)和仿真計(jì)算,使電網(wǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果更加直觀展示出來,可針對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、技術(shù)降損、電壓質(zhì)量等問題,給出更全面的線路優(yōu)化配置及控制建議。保障在雙碳目標(biāo)指引下,多源供電的新型電力系統(tǒng)在線仿真、并行操作、精準(zhǔn)控制,3次調(diào)頻等運(yùn)行模式更加常態(tài)化、平穩(wěn)化。