孫惠娟，彭春華，廖成

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

基于Power World的電網(wǎng)穩(wěn)定性可視化分析

孫惠娟，彭春華，廖成

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

為了快速直觀地掌握電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展?fàn)顟B(tài)，應(yīng)用新型的面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)分析和計(jì)算程序Power World對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性進(jìn)行了可視化分析。以IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為仿真對(duì)象，基于Power World對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了N－1故障計(jì)算和對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了QV曲線分析，并對(duì)系統(tǒng)從正常運(yùn)行到發(fā)生大面積電壓崩潰的整個(gè)發(fā)展過程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)仿真，通過分析尋找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)并提出了電網(wǎng)的改善措施。研究結(jié)果表明:性能優(yōu)越的Power World可為電網(wǎng)穩(wěn)定性分析提供一個(gè)新的思路與方法。

電力系統(tǒng);Power World;穩(wěn)定性分析;可視化

隨著我國電力市場化、地區(qū)能源結(jié)構(gòu)不平衡和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得電網(wǎng)愈加復(fù)雜，數(shù)據(jù)激增，經(jīng)濟(jì)性與電網(wǎng)調(diào)度所帶來的各種約束條件使電網(wǎng)常處于穩(wěn)定極限附近運(yùn)行，近年來世界上許多國家電力系統(tǒng)陸續(xù)發(fā)生的電網(wǎng)失穩(wěn)崩潰事故則更加深刻地說明電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的重要性。對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度員與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，找到一種直觀有效的方法來展示大量而枯燥的電網(wǎng)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性隱患，從而準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)存在的缺陷與定位事故情況下系統(tǒng)的運(yùn)行方式，為進(jìn)一步采取切實(shí)可行的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)方案和控制措施來保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與充裕性顯得格外重要，而原有EMS(能量管理系統(tǒng))中的數(shù)據(jù)交互方式已難以滿足實(shí)際要求。因此，如何利用現(xiàn)有的系統(tǒng)分析技術(shù)、數(shù)值分析理論以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和顯示技術(shù)構(gòu)成新的電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析可視化平臺(tái)，已成為亟待解決的問題［1－3］。為此，本文將結(jié)合實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用新型的面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)分析和計(jì)算程序Power World來對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行可視化分析，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供有效的指導(dǎo)。

1 Power World簡介

Power World由美國Illinois大學(xué)的T.J.Overbye教授和M.J.Laufenberg博士開發(fā)，不僅集電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、靈敏度分析、靜態(tài)安全分析等多種龐大復(fù)雜功能于一體，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大豐富的三維可視化顯示技術(shù)［4］。其核心是一個(gè)功能強(qiáng)大的潮流計(jì)算軟件，可有效求解多達(dá)100 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型復(fù)雜電力系統(tǒng)。同時(shí)它通過彩色的單線圖來模擬實(shí)際的系統(tǒng)，通過廣泛應(yīng)用動(dòng)畫和圖形功能，使發(fā)電機(jī)、線路、變壓器的投切只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成。Power World主要模式為編輯模式與運(yùn)行模式。在編輯模式中，可以創(chuàng)建新的實(shí)例，創(chuàng)建修改單線圖等;運(yùn)行模式則主要用于解決潮流計(jì)算與系統(tǒng)仿真等。除了潮流計(jì)算，程序還集成了以下主要功能:

(1)最優(yōu)潮流分析

最優(yōu)潮流分析提供常規(guī)最優(yōu)潮流計(jì)算、考慮各種運(yùn)行約束和經(jīng)濟(jì)約束的最優(yōu)潮流計(jì)算以及相關(guān)參與最優(yōu)潮流的系統(tǒng)各種原件參數(shù)的設(shè)定和修改。

(2)電壓穩(wěn)定性分析

電壓安全性和穩(wěn)定性分析工具以內(nèi)置的牛頓－拉夫遜法進(jìn)行潮流計(jì)算為基礎(chǔ)，允許用戶在某特定傳輸容量下求解多重潮流解，從而得到給定節(jié)點(diǎn)的PV或QV曲線與相關(guān)數(shù)據(jù)。

(3)事故分析

事故分析工具箱提供的功能不僅可以分析電力系統(tǒng)基本示例的拓?fù)潢P(guān)系，而且可以分析系統(tǒng)的各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)事件的結(jié)果。

(4)等高線功能

Power World利用地理中等高線的概念，用一系列的色譜表示電壓的高低，從而將枯燥的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成直觀的色彩畫面，有助于從整體上去觀察和發(fā)現(xiàn)全網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)。

同時(shí)，Power World將電力系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。通過地理信息系統(tǒng)支持功能，可確定系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)和變電站對(duì)象的緯度/經(jīng)度坐標(biāo)，然后根據(jù)對(duì)象坐標(biāo)自動(dòng)將它們插入到系統(tǒng)圖中;可在系統(tǒng)中直接導(dǎo)入ESRI格式地理信息形狀文件數(shù)據(jù)以簡化系統(tǒng)圖的創(chuàng)建，并能在圖上顯示實(shí)時(shí)天氣信息;圖形中地理邊界可由Power World邊界庫或用戶自定義邊界文件自動(dòng)插入，而Power World邊界庫包含了全世界的地理邊界;畫面背景連線可轉(zhuǎn)化為輸電線路、變電站或節(jié)點(diǎn)，并允許作為傳輸單元導(dǎo)入形狀文件，然后轉(zhuǎn)換成模型化地理信息系統(tǒng)對(duì)象。此外，軟件還支持經(jīng)濟(jì)調(diào)度、可用傳輸容量計(jì)算、無功優(yōu)化、三維視圖等功能，能夠滿足用戶各種需求。

圖1展示了采用Power World構(gòu)建的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行模式下的三維視圖。圖中采用了黑白色譜，白色表示電壓偏高，黑色表示電壓偏低;并用運(yùn)動(dòng)箭頭和立體柱狀圖直觀地展現(xiàn)了系統(tǒng)各部分的功率傳輸狀態(tài)，這樣用戶可一目了然地掌握全網(wǎng)的潮流分布。

新中國成立以后，我國開始建立農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣體，到目前為止，已經(jīng)建立起了具有較為明確農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣職能的省、市、縣、鄉(xiāng)四級(jí)農(nóng)業(yè)推廣體系。董金和[4]、夏刊[5]、顧紅[6]認(rèn)為，我國的農(nóng)技術(shù)推廣服務(wù)體系發(fā)展歷程有以下四個(gè)發(fā)展階段。

圖1 Power World運(yùn)行界面

2 電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

2.1 電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象

電力系統(tǒng)中電壓失穩(wěn)與電壓崩潰是失去電壓穩(wěn)定性具體的物理現(xiàn)象。對(duì)于靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，主要是由以下2個(gè)方面引起的:

(1)負(fù)荷持續(xù)增加，系統(tǒng)無功儲(chǔ)備緊張，傳輸線潮流接近極限，系統(tǒng)無功的不足難以維持節(jié)點(diǎn)電壓水平。

(2)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)或設(shè)備發(fā)生故障后，相關(guān)設(shè)備動(dòng)作引發(fā)電壓崩潰。主要情況有:失去重要的發(fā)電機(jī)組，重載線路跳閘引起負(fù)荷轉(zhuǎn)移后發(fā)生的輸電線路相繼跳閘，有載調(diào)壓變壓器的負(fù)調(diào)壓作用引發(fā)無功缺額進(jìn)一步擴(kuò)大等。

2.2 電壓穩(wěn)定性分析模型

對(duì)于如圖2所示的簡單電力系統(tǒng)，電源電壓為ES，變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)變比為k，輸電線路的阻抗為ZL∠θ，負(fù)荷阻抗為ZD∠φ。當(dāng)k=1時(shí)，負(fù)荷獲得的功率或輸電線路傳輸?shù)墓β士杀硎緸椋?］

由式(1)進(jìn)一步可導(dǎo)出式(2):

考慮到q=p·tgφ，則由式(2)可得到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在恒定功率因數(shù)下的PV曲線，或得到恒定P下的QV曲線，可通過所得曲線判斷系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。圖3為一PV曲線示意圖，可見在正常負(fù)荷水平下系統(tǒng)存在2個(gè)電壓運(yùn)行點(diǎn):高值電壓U1和低值電壓U2。一般情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于高壓U1處，當(dāng)負(fù)荷逐漸加重，運(yùn)行點(diǎn)向拐點(diǎn)B靠近并最終達(dá)到B點(diǎn)，如果負(fù)荷持續(xù)加重，則會(huì)導(dǎo)致分歧，出現(xiàn)電壓崩潰。拐點(diǎn)B表明系統(tǒng)能夠傳輸?shù)墓β蚀嬖谝粋€(gè)極值Pmax。QV曲線可參見圖5，曲線上升過程表明增加注入負(fù)荷母線的感性無功功率可使節(jié)點(diǎn)電壓升高，說明此時(shí)系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的;反之，曲線下降過程表明系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的;在曲線最低點(diǎn)為臨界運(yùn)行點(diǎn)。對(duì)于大型電力系統(tǒng)，可通過一系列的潮流計(jì)算得到指定節(jié)點(diǎn)的QV曲線，但如采用常規(guī)潮流模型計(jì)算，不僅非常耗時(shí)，且在臨界點(diǎn)附近一般難以收斂，不易得到分析穩(wěn)定性的有用信息［6］。而Power World則為電壓安全性和穩(wěn)定性分析提供了有力工具。

圖2 簡單電力系統(tǒng)示意圖

圖3 PV曲線

3 應(yīng)用與分析

3.1 電網(wǎng)靜態(tài)安全性分析

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的目的是實(shí)現(xiàn)在正常運(yùn)行和偶然事故情況下都能保證電網(wǎng)各運(yùn)行參數(shù)均在允許范圍內(nèi)，安全、可靠地向用戶供給質(zhì)量合格的電能。系統(tǒng)規(guī)劃人員在進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)用靜態(tài)安全分析考慮各種可能的設(shè)備開斷情況，評(píng)估其后果是否滿足安全性的要求，并根據(jù)結(jié)果增加一些冗余設(shè)備或調(diào)整計(jì)劃減少中斷供電的可能性。Power World靜態(tài)安全分析組件可根據(jù)需求選擇全網(wǎng)或局部進(jìn)行N－1故障計(jì)算，或?qū)χ付ǖ那谐桨高M(jìn)行計(jì)算，能快速地檢查在給定元件故障條件下系統(tǒng)的狀態(tài)，指出系統(tǒng)運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，為電網(wǎng)運(yùn)行、規(guī)劃提供依據(jù)。

在此以IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，首先根據(jù)地理信息系統(tǒng)GIS建立仿真模型如圖1所示，然后運(yùn)行Power World靜態(tài)安全分析組件對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行N－1計(jì)算，在事故定義對(duì)話框中選取切除單個(gè)線路、變壓器或發(fā)電機(jī)作為檢驗(yàn)事故，總計(jì)加入59個(gè)事故。在運(yùn)行模式下打開靜態(tài)安全計(jì)算組件，設(shè)置元件監(jiān)視電壓高為1.10 p.u，低為0.97 p.u，線路極限電流為額定電流?？傻貌糠诌\(yùn)行結(jié)果如表1所示。

可見除去最后一個(gè)事故造成越限較嚴(yán)重外，其它事故導(dǎo)致越限均不高，都在合理的線路過載范圍內(nèi)。而當(dāng)28號(hào)節(jié)點(diǎn)與27號(hào)節(jié)點(diǎn)之間的變壓器線路斷開后，將造成7處元件越限，具體越限結(jié)果見表2所示。

由表2可知，28號(hào)節(jié)點(diǎn)與27號(hào)節(jié)點(diǎn)之間的變壓器線路斷開后將造成2條輸電線路過載，5個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓偏低。因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)所帶負(fù)荷遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)，而其主要功率傳輸靠28號(hào)與27號(hào)節(jié)點(diǎn)相連線路。當(dāng)失去這條線路后，其傳輸?shù)墓β兽D(zhuǎn)移到22號(hào)于24號(hào)節(jié)點(diǎn)線路和24號(hào)與25號(hào)連接線路，造成這兩條線路過載，且負(fù)荷得到不到足夠的功率支持，造成了電壓降低。

若在28號(hào)節(jié)點(diǎn)與27號(hào)節(jié)點(diǎn)之間在增加一回線路，再次進(jìn)行仿真得表3結(jié)果?？梢娋W(wǎng)絡(luò)改善后當(dāng)該2回輸電線路中的任意一回?cái)嚅_后，不會(huì)造成系統(tǒng)元件發(fā)生越限事故，其它元件結(jié)果基本不變，可顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)靜態(tài)安全分析結(jié)果

表2 事故(TR00028－00027C1)具體越限

表3 IEEE30節(jié)點(diǎn)改善系統(tǒng)靜態(tài)安全分析結(jié)果

3.2 QV曲線分析

因PV曲線與QV曲線分析原理相似，在此僅以QV曲線分析為主。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電壓穩(wěn)定性分析時(shí)，Power World可模擬在所選節(jié)點(diǎn)加入一臺(tái)虛擬同步調(diào)相機(jī)并不斷改變其無功輸出以得到該節(jié)點(diǎn)的QV曲線。運(yùn)行QV分析后，程序可以自動(dòng)得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)QV曲線。QV曲線可表示節(jié)點(diǎn)電壓隨節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的魯棒性，同時(shí)表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓和需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率的關(guān)系。調(diào)度人員可以根據(jù)結(jié)果及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)發(fā)電機(jī)無功出力、無功補(bǔ)償?shù)染S持電壓穩(wěn)定，而設(shè)計(jì)人員可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4展示了21號(hào)節(jié)點(diǎn)的QV曲線分析運(yùn)行過程中系統(tǒng)單線圖的變化，動(dòng)態(tài)顯示了系統(tǒng)從初期局部電壓下降(圖4(a))到系統(tǒng)發(fā)生大面積崩潰(圖4(b))的發(fā)展過程，圖中色譜等高線深色區(qū)域表示電壓失穩(wěn)區(qū)。通過實(shí)時(shí)仿真顯示，可以很清晰直觀地了解一次電壓崩潰的完整動(dòng)態(tài)過程以及相關(guān)元件的各種狀態(tài)。

通過QV曲線分析可計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的臨界電壓(拐點(diǎn))及無功裕度等數(shù)據(jù)，可得本系統(tǒng)的臨界節(jié)點(diǎn)是1號(hào)節(jié)點(diǎn)，其臨界電壓為0.9 p.u，無功裕度為124.75 Mvar;弱節(jié)點(diǎn)是10號(hào)節(jié)點(diǎn)，其臨界電壓為0.632 7 p.u，無功裕度為137.85 Mvar(該節(jié)點(diǎn)已裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備，可適當(dāng)提高無功補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)償度);30號(hào)節(jié)點(diǎn)的臨界電壓為0.528 0 p.u，無功裕度僅為34.22 Mva且遠(yuǎn)離電源，并由前面的靜態(tài)安全分析可知，當(dāng)其相鄰線路開斷后(LN00027－00030C1事故)會(huì)導(dǎo)致電壓偏低，因此可考慮在30號(hào)節(jié)點(diǎn)添加無功補(bǔ)償設(shè)備。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)30的QV曲線如圖5所示。

圖4 QV分析時(shí)單線圖顯示

圖5 QV曲線

綜上分析可知，影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)一般主要有兩種:

(1)重負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和離電源較遠(yuǎn)(即與之相聯(lián)支路的R和X較大)節(jié)點(diǎn);

(2)帶有較重負(fù)荷的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)。如1號(hào)節(jié)點(diǎn)，其為系統(tǒng)主要出力發(fā)電廠，切除后將會(huì)造成系統(tǒng)較大的有功和無功的缺額。

3.3 電力系統(tǒng)教學(xué)與培訓(xùn)

Power World融合了多種可視化手段來展現(xiàn)電力系統(tǒng)的關(guān)鍵電氣信息，包括動(dòng)畫潮流、等高線、三維視圖、動(dòng)態(tài)縮放餅圖、高亮突顯功能、地理信息功能等。能夠?qū)⒊绷?、功率等抽象的電氣量以及電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程以圖形的方式形象地展現(xiàn)出來，且有良好的交互性。用戶可利用Power World方便而直觀地模擬出復(fù)雜而抽象的電力系統(tǒng)，如采用動(dòng)畫潮流不僅可表征數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向，同時(shí)還可給出線路負(fù)載的直觀感覺，借助線路餅圖的自動(dòng)變色及放大功能則可方便地獲取具體的越限信息等。對(duì)于初學(xué)者更好地理解電力系統(tǒng)相關(guān)概念非常有效，是極好的教學(xué)輔助手段，同時(shí)也是學(xué)術(shù)研究人員深入發(fā)掘數(shù)據(jù)規(guī)律的有益工具;此外，其簡捷的操作方式和身臨其境的模擬環(huán)境，以及可方便讀取實(shí)時(shí)或歷史斷面數(shù)據(jù)功能，不僅有助于理解系統(tǒng)變化過程的各個(gè)細(xì)節(jié)，同時(shí)還可訓(xùn)練利用計(jì)算機(jī)仿真來解決問題的能力，使得Power World在電力系統(tǒng)運(yùn)行人員仿真培訓(xùn)方面也得到了廣泛應(yīng)用［7］。

4 結(jié)語

電壓穩(wěn)定性并不是電網(wǎng)中一個(gè)孤立的技術(shù)問題，而是在系統(tǒng)各個(gè)層面互相關(guān)聯(lián)，既取決于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，也與電網(wǎng)能否正常運(yùn)行、是否有足夠的備用容量有關(guān)，在規(guī)劃中保證電源的合理分布、保證系統(tǒng)充足的無功備用、采取合理的運(yùn)行方式等都可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Power World通過加強(qiáng)數(shù)據(jù)綜合與可視化表達(dá)手段以及顏色與3D顯示技術(shù)，為從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度來觀察、分析和處理系統(tǒng)問題提供了一個(gè)新的思路與方法，有助于快速掌握系統(tǒng)變化狀態(tài)從而為電網(wǎng)安全運(yùn)行和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供有效的指導(dǎo)。此外，Power World也為電力系統(tǒng)教學(xué)和培訓(xùn)提供了一個(gè)良好的可視化平臺(tái)。

［1］劉嬈，李衛(wèi)東，呂陽.電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化技術(shù)綜述［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(8):92－99.

［2］韓禎祥，呂捷，邱家駒.科學(xué)計(jì)算可視化及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1996，20(7):22－27.

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(責(zé)任編輯 劉棉玲)

Visualization Analysis of Power System Stability Based on Power World

Sun Huijuan，Peng Chunhua，Liao Cheng

(School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

In order to quickly and intuitively grasp the operation state of power system，a new type of object－oriented power system analysis and the calculation program Power World are applied to analyze visually security and stability of grid.With IEEE 30－bus system as the simulation object，based on Power World，N－1 fault calculation and various nodes of the QV curve are analyzed，and a dynamic simulation of the entire developing process of the system from the normal operation to voltage collapse occurred in a large area is conducted.The weak links in the system is found through the analysis，and ultimately measures are put forward to improve the power grid.The study results show that Power World can provide a new way of thinking and methods of analyzing power system stability.

power system;Power World;stability analysis;visualization

TM761

A

1005－0523(2010)04－0057－06

2010－03－22

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2009GZS0016);江西省教育廳科技基金項(xiàng)目(GJJ10455)

孫惠娟(1982－)，女，碩士，助教，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可視化分析與計(jì)算、電力通信等。