電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制對策表的實(shí)時(shí)生成
| 0 引言 華中電網(wǎng)在地理上跨越河南、湖北、湖南和江西四省，并通過500kV直流輸電線與華東電網(wǎng)相連，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對較弱。為提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，華中電網(wǎng)應(yīng)用了很多穩(wěn)定控制措施和裝置，如快速故障切除、帶PSS的快速勵(lì)磁機(jī)、電氣制動(dòng)、靜止無功補(bǔ)償器、自動(dòng)切機(jī)切負(fù)荷裝置、快速單相和三相自動(dòng)重合閘等。 傳統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制(TSC)采用事先對各種運(yùn)行方式進(jìn)行離線計(jì)算得到的對策表。當(dāng)有事故發(fā)生并可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)，安裝在不同地方的TSC裝置將根據(jù)年初制定的對策表執(zhí)行本地的(如切機(jī)切負(fù)荷)控制措施[1]。這種控制方式有如下明顯的缺點(diǎn)：①僅湖北就有約300個(gè)控制裝置，最多切負(fù)荷量達(dá)到1．1 GW，系統(tǒng)調(diào)度員很難找到在某一給定時(shí)刻下最合適的對策；②一些TSC裝置必須根據(jù)不同的運(yùn)行方式進(jìn)行手動(dòng)修改，這給系統(tǒng)調(diào)度員帶來沉重的負(fù)擔(dān)；③對策表的失配可能會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 目前在一些電網(wǎng)中也有根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)形成TSC對策表進(jìn)行穩(wěn)定控制，但主要限于單個(gè)發(fā)電廠及其出線。國內(nèi)尚無用TSC裝置控制整個(gè)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定。華中電網(wǎng)和武漢大學(xué)合作研究了基于在線信息的TSC裝置并將其應(yīng)用于華中電網(wǎng)的運(yùn)行。 實(shí)時(shí)對策表的生成是這個(gè)工程的一個(gè)重要部分。它采用“在線生成，實(shí)時(shí)匹配”的方法，比傳統(tǒng)的離線對策表更有效、經(jīng)濟(jì)[2]。本文結(jié)合整個(gè)TSC系統(tǒng)對實(shí)時(shí)對策生成方法進(jìn)行討論。下文將對所開發(fā)的TSC裝置的結(jié)構(gòu)、算法以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)討論。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) TSC裝置系統(tǒng)的主站用于產(chǎn)生對策表，放置于華中電網(wǎng)的調(diào)度中心。它共享由華中電網(wǎng)EMS經(jīng)過狀態(tài)估計(jì)后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，并不斷被周期性地刷新。另外，由網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒑鸵恍╇姎庠?shù)信息(每個(gè)發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、調(diào)節(jié)器、負(fù)荷、直流輸電線和其他非線性元件的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型)構(gòu)成靜態(tài)數(shù)據(jù)庫。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫都存放于主站中；靜態(tài)數(shù)據(jù)庫可以手動(dòng)離線修改。主站中整個(gè)軟件包的核心模塊是暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算及通信模塊；它根據(jù)在線實(shí)時(shí)信息和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中的信息對整個(gè)華中電網(wǎng)不斷進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算。新的對策生成后通過通信模塊經(jīng)電話線或微波系統(tǒng)傳給每個(gè)TSC子站，并保證所有的TSC子站同步保存同一個(gè)對策表。 華中電網(wǎng)的10個(gè)TSC子站放置于控制點(diǎn)的附近，每個(gè)子站通過不斷采集獲取電網(wǎng)的電氣量并對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測[3]。每個(gè)子站安裝有1個(gè)工控機(jī)，并集成有采樣模塊、16位A／D轉(zhuǎn)換器、通信端口和執(zhí)行元件。每個(gè)子站所采集的電氣量包括有功和無功功率、電壓幅值和相角、開關(guān)狀態(tài)以及繼電保護(hù)信息；這些量都被打上同一個(gè)GPS時(shí)標(biāo)。由主站傳來的新的對策通過通信端門進(jìn)入子站并被添加到對策表中。當(dāng)某個(gè)事故發(fā)生后，子站的軟件包將根據(jù)所采集的當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息搜索一個(gè)合適的對策；當(dāng)對策需要執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行元件就將具體的緊急控制作用到附近的執(zhí)行對象上。切機(jī)、切負(fù)荷和投制動(dòng)電阻可以分別在150ms，210ms和180ms內(nèi)完成?？梢妼τ诒ＷC整個(gè)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定而言，主站和子站之間的配合至關(guān)重要。必須注意到，每當(dāng)主站產(chǎn)生新的對策時(shí)，并不意味著要執(zhí)行一條緊急控制。一旦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蜻\(yùn)行方式發(fā)生改變，主站軟件包將對整個(gè)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行重新計(jì)算，并判斷是否產(chǎn)生新的對策。各區(qū)域子站只在電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)才會(huì)接受新的對策。對策產(chǎn)生的越多，失穩(wěn)條件的描述就越細(xì)；當(dāng)運(yùn)行方式改變時(shí)，需要主站計(jì)算的情況就越少；當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，所執(zhí)行的緊急控制對策也就越準(zhǔn)確。 2．1 與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫的接口 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫為主站中的軟件包提供在線運(yùn)行狀況。大量的離線計(jì)算表明，華中電網(wǎng)的運(yùn)行狀況主要取決于以下3個(gè)方面：①葛洲壩水電廠的輸出；②湖北省東部的負(fù)荷功率；⑧相鄰省網(wǎng)間的功率交換。 根據(jù)這3個(gè)方面，可對華中電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行穩(wěn)定控制目的的分類。例如，可以把運(yùn)行狀況分成幾個(gè)“級別”，同一個(gè)“級別”的運(yùn)行狀況，其相同事故下對應(yīng)的對策可以差別不大或者相同。這樣，分類越細(xì)，“級別”越多；由于對策是根據(jù)每個(gè)“級別”形成的，因而對策也越準(zhǔn)確。在系統(tǒng)生成初期，需要運(yùn)行人員通過將不同的拓?fù)湫畔⒑瓦\(yùn)行參數(shù)結(jié)合起來形成運(yùn)行狀況分類的“級別”，并放在靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中。例如，葛洲壩電廠輸出每改變50 MW，湖北和湖南之間交換功率達(dá)到100 MVA，某500 kV輸電線路正在檢修等都可以作為劃分“級別”的因素。 TSC主站在讀入反映電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)后，就根據(jù)所讀入的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前運(yùn)行狀況所屬的“級別”。只有在當(dāng)前的運(yùn)行狀況所在的“級別”發(fā)生改變，而且該“級別”沒有相應(yīng)的對策時(shí)，軟件包才進(jìn)行生成對策的計(jì)算。因而，平常只有在某些運(yùn)行狀況下，才會(huì)產(chǎn)生新的對策。大多數(shù)TSC對策在系統(tǒng)初始化后很短的時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)產(chǎn)生。此外，運(yùn)行人員可以通過在線對“級別”進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化來優(yōu)化TSC對策。 2．2 潮流計(jì)算 為縮短計(jì)算時(shí)間，采用快速解耦法。 嚴(yán)格地說，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫得到的經(jīng)過狀態(tài)估計(jì)后的EMS數(shù)據(jù)，可以直接用于下面的穩(wěn)定計(jì)算，而不必進(jìn)行潮流計(jì)算。但有時(shí)在天氣惡劣、線路或通信故障等情況下可能有一些遠(yuǎn)方節(jié)點(diǎn)的重要電氣信息得不到。因而，為順利進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，程序必須保留潮流計(jì)算。由于各節(jié)點(diǎn)電氣量離穩(wěn)態(tài)位置偏離得不多，在幾次迭代后都可收斂。通過潮流計(jì)算，同時(shí)也可以檢驗(yàn)出一些壞數(shù)據(jù)。 2．3 預(yù)想事故集 根據(jù)《暫態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)則》，系統(tǒng)必須能在持續(xù)時(shí)間100ms至15oms之間三相對地故障情況下保持暫態(tài)穩(wěn)定。傳統(tǒng)的TSC對策的形成要遵循這條準(zhǔn)則，對于其他不對稱故障，所采取的對策就會(huì)變得相當(dāng)保守。 TSC主站的軟件包則考慮每條500kV線路以及220 kV聯(lián)絡(luò)線可能發(fā)生的各種故障方式。所有這些故障形成預(yù)想事故集，每個(gè)事故的持續(xù)時(shí)間由其所在線路繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間所決定。預(yù)想事故集可以包括雙回線同時(shí)發(fā)生故障的情況。另外，軟件包可以根據(jù)每個(gè)運(yùn)行條件所對應(yīng)的“級別”，分別制定相應(yīng)的預(yù)想事故集，從而大大改善TSC所產(chǎn)生的對策。 2．4 穩(wěn)定計(jì)算過程 雖然采用時(shí)域仿真進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算比較耗時(shí)，但這仍然是描述系統(tǒng)穩(wěn)定狀況的最可靠、最準(zhǔn)確的方法。實(shí)際中可以認(rèn)為在某個(gè)確定時(shí)間間隔內(nèi)，電網(wǎng)運(yùn)行狀況變化不大。在這段間隔內(nèi)，TSC系統(tǒng)利用高性能的個(gè)人電腦就可以完成穩(wěn)定計(jì)算，時(shí)域仿真可以進(jìn)行到第3個(gè)搖擺周期；同時(shí)產(chǎn)生一組新的對策。圖3給出了詳細(xì)的穩(wěn)定計(jì)算流程。 這里采用的計(jì)算模型和傳統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算模型相同：①發(fā)電機(jī)采用5階派克模型；②勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用 4階模型；③調(diào)速器采用4階水、火電廠發(fā)電機(jī)組均適用的通用模型；④負(fù)荷采用包括恒定阻抗Z和電 動(dòng)機(jī)的綜合模型，并考慮靜態(tài)特性；⑤靜止無功補(bǔ)償器采用4階模型；⑥直流輸電線采用2階模型；⑦積分時(shí)間段可以從0 s～l s至0 s～5 s不等，并在計(jì)算過程中可以根據(jù)不同的中間結(jié)果和計(jì)算要求自動(dòng)調(diào)整；⑧積分步長為10ms；⑨積分模型采用自適應(yīng)歐拉算法(這里歐拉算法和隱式梯形法以及4階龍格庫塔法的計(jì)算結(jié)果差別不大，相對誤差可以忽略，采用這種算法可以加快計(jì)算速度)。 在進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算之前，預(yù)先設(shè)定好預(yù)想事故集，故障切除時(shí)間由相應(yīng)線路的繼電保護(hù)所決定。對每個(gè)故障切除時(shí)刻的中間計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲，后面程序中如有完全一樣的計(jì)算流程就可以直接取其結(jié)果，減少重復(fù)運(yùn)算以縮短計(jì)算時(shí)間。從故障發(fā)生時(shí)刻起，積分1 s就可以仿真第1個(gè)搖擺周期系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。相對功角大于閾值(180°)的機(jī)組將被視為失穩(wěn)機(jī)組，程序?qū)⑦@些機(jī)組的名字和地區(qū)同時(shí)存儲起來作為下面產(chǎn)生TSC對策的一個(gè)考慮因素。 2．5 對策表的產(chǎn)生與匹配 系統(tǒng)擾動(dòng)后，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定最有效的措施是切除失穩(wěn)機(jī)組上的過剩功率。如果每個(gè)失穩(wěn)機(jī)組都能由TSC裝置控制，采用文獻(xiàn)[4]所述的因子系數(shù)法來決定切機(jī)量及切機(jī)點(diǎn)是比較理想的。但這種情況不適用于華中電網(wǎng)，因?yàn)檎麄€(gè)華中電網(wǎng)所能受控的機(jī)組在地理上、數(shù)量上都有規(guī)定和限制，并非所有失穩(wěn)機(jī)組都是可切的，所以只能通過控制可控機(jī)組使系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定。這種狀況增加了快速生成優(yōu)化對策的難度。 TSC主站在確定優(yōu)化對策時(shí)，考慮了以下幾個(gè)方面： a．離線仿真表明：為確保系統(tǒng)穩(wěn)定，切機(jī)點(diǎn)的選擇要比切機(jī)量的選擇更為重要。我們對所有可控 (即事故時(shí)可以切除或部分切除)機(jī)組和負(fù)荷按地理位置分成不同的類別，并將分類信息存儲于靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中。在某個(gè)事故下搜尋對策時(shí)，與故障點(diǎn)越近的可切機(jī)組和負(fù)荷其優(yōu)先級越高，越遠(yuǎn)的優(yōu)先級越低；優(yōu)先級高的先被選中，當(dāng)優(yōu)先級高的切機(jī)和切負(fù)荷的量不能滿足暫態(tài)穩(wěn)定控制需要時(shí)，才逐級選中優(yōu)先級低的。這樣產(chǎn)生的對策能確保在實(shí)際中可以被TSC子站執(zhí)行。 b．可切機(jī)組中，慣性常數(shù)較小的具有較高的優(yōu)先級。 c．可切負(fù)荷中，電壓等級越低、負(fù)荷量越小，具有的優(yōu)先級越高。 用公式表達(dá)如下：  其中，△Pi與失穩(wěn)機(jī)組過剩能量相同；fGi，fLi、分別為可切機(jī)組和可切負(fù)荷的罰因子；PGni,PLni分別為可切機(jī)組和可切負(fù)荷從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中得到的實(shí)際可控的功率。 上式中，如果確定了f,△Pi，就確定了對策。這里采用逐步尋求某個(gè)適當(dāng)數(shù)值的罰因子(即f的值)的方法逐步形成對策。具體過程是：TSC主站中軟件包針對每個(gè)事故，每試探一個(gè)新的對策時(shí)，如果故障點(diǎn)附近的可切機(jī)組或負(fù)荷都已被選中的話，則罰因子數(shù)值逐漸加大以使一些新的可切機(jī)組或負(fù)荷加入該次對策中。下面的積分時(shí)間可以從故障切除時(shí)刻(該故障切除時(shí)刻的中間計(jì)算結(jié)果已被預(yù)先存儲)開始，積分過程中如果發(fā)現(xiàn)在該對策下有機(jī)組失穩(wěn)(說明該次對策不可行)則停止積分，進(jìn)行下一個(gè)新對策的嘗試；直至找到該事故的最終對策，使系統(tǒng)能在該對策下穩(wěn)定。罰因子尋求的次數(shù)和對策的嘗試次數(shù)視實(shí)際系統(tǒng)而定。此外,罰因子的大小也可以由調(diào)度人員手動(dòng)確定。 模擬試驗(yàn)表明：雖然全網(wǎng)所有對策表的產(chǎn)生相對比較耗時(shí)，但總能尋求到一個(gè)比較優(yōu)化的對策。針對華中電網(wǎng)16條500kV線路首末發(fā)生故障形成的預(yù)想事故集，在積分時(shí)間分別為1 s, 2 s，3 s時(shí)，產(chǎn)生一組對策所需的計(jì)算時(shí)間分別為141 s，189 s， 243 s(采用CPU主頻為PⅢ550 MHz，RAM為 64 MB的PC機(jī))。一組新的對策產(chǎn)生后將向各TSC子站進(jìn)行廣播(由各TSC子站的通信模塊完成，約需200ms)，作為發(fā)生相應(yīng)故障的實(shí)際執(zhí)行策略。 每個(gè)TSC子站由前置機(jī)和后臺機(jī)組成。前置機(jī)對電網(wǎng)模擬量和開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；后臺機(jī)負(fù)責(zé)對策表的匹配。對策表的匹配采用“實(shí)時(shí)匹配”方式，即當(dāng)區(qū)域子站附近發(fā)生故障時(shí)，該TSC子站最先得到故障信息，并立即查找相應(yīng)對策；這樣就避免了故障信息先到主站，由主站做出決定后再傳至子站并執(zhí)行這樣一個(gè)迂回的過程。由于此時(shí)僅僅是一個(gè)查找對策的過程，所以從保護(hù)動(dòng)作到開出相應(yīng)的對策在5ms內(nèi)即可完成。例如對于三相短路故障，0 s發(fā)生，0．02 s繼電保護(hù)動(dòng)作,0．08 s繼電保護(hù)返回，0．06 s斷路器動(dòng)作(三相斷路器聯(lián)跳)；這些繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作信號經(jīng)子站的開關(guān)量采集裝置進(jìn)入前置機(jī)。前置機(jī)將所采集到的開關(guān)量和模擬量進(jìn)行 處理后傳給后臺機(jī)。該故障信息(故障類型、故障位置)被后臺機(jī)循環(huán)檢測程序檢測后，后臺機(jī)可根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行狀況(由本地開關(guān)量和模擬量共同反映)在對策表(由主站在故障發(fā)生前很久就已傳來)中查找該故障對應(yīng)的對策，然后再將此對策傳給執(zhí)行裝置予以執(zhí)行。 3 試驗(yàn)算例 華中電網(wǎng)主網(wǎng)接線簡圖如圖4所示。其中500kV主網(wǎng)在湖北和湖南形成2個(gè)環(huán)網(wǎng)；河南和江西則呈輻射狀與主網(wǎng)相連接，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對較弱。華中電網(wǎng)的很多電廠，如葛洲壩水電廠、隔河巖水電廠、五強(qiáng)溪水電廠，位于電網(wǎng)西部；最多時(shí)有3 GW的功率通過352 km的長輸電線送往東部負(fù)荷中心。而遠(yuǎn)方負(fù)荷中心僅有少量無功電源用來維持當(dāng)?shù)仉妷核?。?dāng)發(fā)生嚴(yán)重的緊急事故，由于功角失穩(wěn)而導(dǎo)致主網(wǎng)解列時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將分為幾個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。在一些由不同電壓水平構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)中，潮流有時(shí)變化很大。華中電網(wǎng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)及某典型嚴(yán)重運(yùn)行方式下潮流如圖5所示，圖中節(jié)點(diǎn)編號和實(shí)際母線名稱對照見表1。限于篇幅，這里僅給出試驗(yàn)中某個(gè)預(yù)想事故集其中一個(gè)事故生成對策的一個(gè)簡單算例。 預(yù)想事故：母線BUS2至母線BUS22支路在與母線BUS22距離1％處發(fā)生三相接地短路，該事故持續(xù)0．15 s。 對策生成過程：首先直接進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算故障發(fā)生后的3s內(nèi)發(fā)電機(jī)功角擺動(dòng)和系統(tǒng)穩(wěn)定情況。圖6給出了這段時(shí)間內(nèi)各臺發(fā)電機(jī)相對于平衡機(jī)的功角曲線?？梢姡?s～3s內(nèi)，Gen2失穩(wěn)。在線實(shí)時(shí)計(jì)算程序根據(jù)故障類型、故障位置等信息，嘗試設(shè)置的f,△Pi值，并生成擾動(dòng)信息為在o．15s時(shí)，切除Genl的50％有功功率。在該擾動(dòng)信息下再次對系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，以校驗(yàn)該措施是否可行；計(jì)算結(jié)果其功角曲線如圖7所示。由圖可知，該措施下系統(tǒng)可維持穩(wěn)定。因此，計(jì)算程序判定該擾動(dòng)信息即為在該類運(yùn)行方式(所在的“級別”)下，發(fā)生該故障時(shí)相應(yīng)的穩(wěn)定對策。即在故障發(fā)生后o．15s時(shí)，切除Genl的50％有功功率。程序生成該條對策所需時(shí)間約6 s多。 4 結(jié)論 本文描述了所開發(fā)的華中電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)(TSC)實(shí)時(shí)對策表的生成方法。基于在線信息生成對策，理論和試驗(yàn)均證明可行，并具有很好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)行人員可以通過細(xì)分一些運(yùn)行條件“級別”從而產(chǎn)生優(yōu)化對策來控制電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。該TSC系統(tǒng)將大大提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平。 |
