110 kV變電站主變過載聯切優(yōu)化控制方法

黃道友,康 健,王春輝,言巍巍

(1.國網安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230061;2.南京南瑞信息通信科技有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著我國電力系統的建設和發(fā)展,跨區(qū)域電網得到了廣泛應用,緩解了電力系統與負載系統之間的反向分配問題,使各地區(qū)間的資源得到了最優(yōu)分配,促使電力系統高效運行[1]。由于各區(qū)域電力市場的迅速發(fā)展,許多區(qū)域電力系統的負載迅速增加,在電力系統運行過程中,大多數采取110 kV主變的中間低壓側并行工作,以保證電力系統的穩(wěn)定性[2]。因此,如果某變壓器因為自身故障或其他原因而被拆除,則所有負載都會被轉移到其他變壓器上。在這種情況下,剩余運轉的電力變壓器會發(fā)生較大的超載現象,對電力系統的安全造成極大的威脅[3]。采用主變過載串聯式控制器,當2個并聯的主變機出現事故或停機時,可以立即將其余主變的負載全部移走,以保證電力系統的正常工作。

丁肇豪等[4]提出了一種基于DLR不確定度的輸電線路超載危險評價的新思路,并通過模擬實驗證明了該方法的有效性和可行性;章立宗等[5]提出了一種最優(yōu)的電力恢復方式,將薄弱環(huán)節(jié)的常規(guī)電力供應轉移到其他變電所,減少薄弱環(huán)節(jié)的加載率,增加斷電地區(qū)的電力回收率。綜合考慮,對變電器進行多目標優(yōu)化處理,對于停電負載的電路進行容量恢復,通過對某區(qū)域的電路進行模擬實驗,證明了該方法具有較高的負荷轉化率,可以在變電站發(fā)生故障時將經濟損失降到最低。

基于以上研究背景,本文針對110 kV變電站提出一種主變過載聯切優(yōu)化控制方法,從而避免變壓器主變線路出現過載的問題。

1 主變過載聯切優(yōu)化控制方法設計

1.1 制定主變過載聯切方案

為了保障電力系統的可靠供電,目前大多數220 kV或110 kV電網采用鏈式結構提供電能[6],即兩端電源、鏈式結構和中間開環(huán)工作。鏈式結構如圖1所示。

圖1 鏈式串供系統

假設在常規(guī)操作中,開環(huán)點切換為E2,220 kV站A對110 kV站C、D、E供電。

當K1出現錯誤時,線路保護器會斷開C1、D1

的斷路器。自動恢復裝置依據現場操作情況,對D1斷路器進行補償,關閉E2斷路器,重新啟動電源。C站的電力供應由A站提供,B站負責給D站和E站提供電能。當K2失效時,接線器跳閘,D1、D2恢復電源。C站電力供應由A站提供,B站負責給E站提供電力。自動恢復E1切換,關閉E2。

圖2為智能變電站的站間聯切架構,該裝置按分級管理原理,在電力站和各串供變電所內部設置一個子系統,在其中一個變電所設置一個主站,該主站依據子站所提供的資料,對該系統進行邏輯判定,然后向各子站發(fā)出操作指令[7]。主要基站和副基站的所有通信都是采用光纖通信方式實現。

圖2 變電站的站間聯切架構

對于110 kV變電站而言,各站間智能聯切系統的工作過程如下:

a.變電站與變電站之間的智能連接,是依據鏈式結構串供實現電力變電所的常規(guī)操作,在開閉電時,自動判別出斷路器。

b.在不同的操作模式下,自動修復行為也是有區(qū)別的。以開環(huán)點處的切換為基點,設定對應此操作模式下出現各種失效情況的自修復系統操作邏輯。

c.獲得該站點的有關操作信息,其中包含相應線路的切換點信息、切換后電壓值和小電源信息等。

d.在系統出現問題時,由主站根據網絡拓撲結構、開關位置和電氣容量來判斷故障位置[8]。

e.將離失效地點最近的一個失效變電站的主機供電斷路器跳出,并判定該斷路器與連接網絡開閉點之間的工廠站點有無小功率電源,若有,則發(fā)出切斷小功率電源命令。

f.在確定相鄰失效點失能電廠的總線沒有壓力后,關閉串供的開閉器,從另外一端開始對全部的發(fā)電量進行恢復,同時小電源由人工控制。

1.2 約束主變線路容量

對于主變線,假設有一條線路有足夠的容量,可以保證主電網負載和其他變電站之間的傳輸是順暢的,并且可以平均分配[9]。對于一條主要的輸電線路,每個輸電線路都有一定的制約能力,所以輸電線路的負載傳輸受到輸電線路類型和數量的制約,也就是說,輸電能力不能超出主變之間的最大容量[10]。為了約束主變線路容量,本文提出了輸電線路容量的二次負載轉移方案。確定的線路容量矩陣W為

(1)

wi,j為主變線路i和線路j之間的容量。如果2條主變線路沒有關聯,即Ωi,j=0時,主變線路的容量wi,j=0。

對變電站主變線路的容量進行約束,定義判斷矩陣Z為

Z=max{GT1-Wi,0}

(2)

Wi為主變線路容量W的負荷量;GT1為主變負荷矩陣。當Z=0時,表明主變線路容量滿足線路容量供給需求,可以按照標準主變容量Pj,T1進行供給;當Z>0時,表明主變線路容量無法滿足線路容量供給的需求[11],此時,應該按照標準主變容量標準對wi,j進行補給,即Pj,T1=wi,j。為保證變電站的正常運行,對滿足主變線路容量供給需求進行調整,即

(3)

p為約束矩陣Z中標準主變線路的數目;Qi為主變線路i的運行負荷;QBi為主變線路i運行過程中的負荷總數;Rg為超負荷運行g的容量;Rk1和Rk2分別為主變k1和k2的容量比。

當主變線路i出現故障時,對主變線路容量Qi的約束結果表示為

ΔQi=Qi-QBi-sum(PT2)

(4)

sum(PT2)為主變線路的容載比。當ΔQi=0時,說明主變線路i的負荷能夠全部傳輸到電力系統中;當ΔQi>0時,說明在主變線路容量的約束下,主變線路i的負荷不能全部傳輸到電力系統中,需要引入人工干預的方式進行轉供處理[12]。

1.3 主變過載聯切優(yōu)化控制的實現

利用改進和聲搜索法對110 kV變電站進行優(yōu)化控制,得到主變過載聯切優(yōu)化控制策略。

a.對變電站各項運行參數進行初始化處理。

b.生成主變過載聯切和聲記憶庫[13],得到主變控制變量為

(5)

ΔHG-1,…,ΔHG-m為m個機組的主變量;ΔHL1,…,ΔHLn為n個負荷節(jié)點的主變過載負荷量;ΔHG+1,…,ΔHG+h為h個變電機組的增發(fā)量;T為變壓器總運行時間。

利用改進和聲搜索算法[14],對主變過載聯切進行優(yōu)化,初始和聲庫表示為

(6)

針對電力系統超負荷運行,需要預先確定各時間段內各機組的有功、減出力和負荷量。這樣在一個和聲檢索的基礎上,每個單元都表示一種控制策略,即

(7)

c.歸一化處理,得到新的解[15]。對比主變過載聯切搜索概率P與標準搜索概率p的大小。如果p值不超過P,則從當前數據庫中提取元素作為主變過載聯切優(yōu)化元素;若大于P,則根據主變過載聯切優(yōu)化控制策略優(yōu)化該元素,即

(8)

形成新的主變過載數據庫后,需要進一步判斷數據的準確性。對比概率p*與隨機生成概率p的大小,即

(9)

ξ為線路負荷量。若p不超過p*,則對元素R(0,1)ξ進行調整;若大于p*,則滿足約束條件不需要進行調整。

d.對主變過載聯切數據庫進行升級。將新生成的主變過載策略和存儲器中原有優(yōu)化控制策略進行比較,如果新生成的過載聯切策略更優(yōu),那么用新的過載聯切方案代替原有方案;如果新生成的過載聯切優(yōu)化方案不能滿足相應控制策略,保持原有方案。

e.當迭代次數與最大迭代次數相同時,停止迭代計算,獲取最優(yōu)控制方案。

2 實驗分析

為了驗證本文方法在主變過載聯切優(yōu)化控制中的有效性,以某110 kV變電站的數據為實驗對象,依托PSASP軟件進行驗證。

2.1 設置實驗參數

以變電站主變輸電斷面為實例,在輸電線路上設置N-2故障,通過潮流轉移,使得變電站的穩(wěn)定性變差。

實驗過程中,設置實驗參數為:和聲初始值,30;和聲記憶庫的搜索概率,0.90;迭代次數,500;音調微調概率,0.75;頻帶寬度,0.2 Hz。

2.2 制定潮流轉移控制方案

確定實驗參數之后,以此為依據,制定潮流轉移控制方案,給出不同發(fā)電廠將負荷從一個設備(如主變、發(fā)電機等)切換到號一個設備的過程中,實際切換的負荷量,即切負荷量,如表1所示。

表1 潮流轉移控制方案

2.3 變電站主變輸電穩(wěn)定性控制

分別從主變線路功率、母線電壓和發(fā)電機功角等方面驗證本文方法的有效性,控制結果如圖3所示。圖3b中,母線電壓為標幺值。

從圖3的結果可以看出,當輸電線路出現N-2故障后,采用本文方法能夠下達切機和切負荷指令,輸電線路上的功率、母線電壓和發(fā)電機功角都得到了有效控制,3個指標的波動幅值越來越小,最后恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于本文方法依據制定的主變過載聯切方案,采用改進和聲搜索算法生成主變過載聯切和聲記憶庫,并更新和聲記憶庫,實現變電站主變過載聯切的優(yōu)化控制。

2.4 性能對比

本文方法雖然能夠有效控制主變線路功率、母線電壓和發(fā)電機功角,但是還需要將其與考慮動態(tài)輸送容量機制的控制方法和考慮二次轉供的控制方法作對比,測試主變過載聯切控制的精度,結果如圖4所示。

圖4 主變過載聯切控制的精度

根據圖4的結果可知,采用考慮動態(tài)輸送容量機制的控制方法和考慮二次轉供的控制方法時,在110 kV變電站主變過載聯切優(yōu)化控制時的精度較低,在40%～80%之間,其中考慮二次轉供的控制方法優(yōu)于考慮動態(tài)輸送容量機制的控制方法,在60%～80%之間;采用本文方法時,對8個發(fā)電廠主變過載聯切控制的精度都高于85%,說明該方法能夠通過主變過載聯切的高精度控制,保證110 kV變電站達到穩(wěn)定狀態(tài)。

變電站主變過載問題會引起變壓器過載跳閘,因此,通過分析不同方法控制下的跳閘次數,驗證本文方法的控制效果,結果如表2所示。

由表2可知,在本文方法控制下,其變壓器過載跳閘次數明顯更低,其中,發(fā)電廠G和發(fā)電廠H更是沒有發(fā)生過載跳閘;而考慮動態(tài)輸送容量機制的控制方法和考慮二次轉供的控制方法的過載跳閘次數較高,最高值分別達到了10次和12次。通過對比可知,本文方法通過主變線路容量的約束,實現了變壓器過載跳閘的有效控制,保證了變電站的穩(wěn)定運行。

3 結束語

本文研究了110 kV變電站主變過載聯切優(yōu)化控制方法,經過實驗測試發(fā)現,該方法能夠對110 kV變電站的主變線路功率、母線電壓和發(fā)電機功角進行有效控制,并提高控制精度。但是本文的研究還存在很多不足,在今后的研究中,希望可以將新能源和交直流混聯系統接入到110 kV變電站中,確保變電站的穩(wěn)定運行。