張 睿，盧史杰

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.鄞州供電局，浙江寧波315000)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大、新型負(fù)荷的接入以及分布式電源的并網(wǎng)，地區(qū)電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)及負(fù)荷側(cè)面呈現(xiàn)日益復(fù)雜的特征，電壓穩(wěn)定問題逐漸凸顯。電力界的學(xué)者對(duì)其十分關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了機(jī)理研究［1，2］、特征分類及計(jì)算方法［3－5］的探索，形成了一套切實(shí)可行的電壓穩(wěn)定理論，由此，跨區(qū)及網(wǎng)省級(jí)電網(wǎng)的在線電壓穩(wěn)定評(píng)估系統(tǒng)也逐漸興起［6，7］。

本文以河南信陽(yáng)電網(wǎng)公司投入運(yùn)行的信陽(yáng)電網(wǎng)在線電壓預(yù)警系統(tǒng)為例，介紹該系統(tǒng)利用能量管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)斷面信息，開發(fā)滿足了實(shí)時(shí)運(yùn)行分析需要的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析模塊。模塊中包含風(fēng)電場(chǎng)模型的搭建及電鐵負(fù)荷的建模，可給出表征靜態(tài)電壓穩(wěn)定的多個(gè)指標(biāo)，為地調(diào)提供了實(shí)時(shí)、直觀、可信的運(yùn)行監(jiān)控及故障應(yīng)急處理指導(dǎo)，確保了地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 核心框架

在線電壓穩(wěn)定預(yù)警系統(tǒng)以分布式仿真平臺(tái)作為支撐計(jì)算平臺(tái)，對(duì)WAMS實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)、調(diào)度方式處離線分析計(jì)算數(shù)據(jù)以及調(diào)度自動(dòng)化EMS在線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成在線電壓預(yù)警系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù);在此基礎(chǔ)上，計(jì)算地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)值，最終對(duì)電網(wǎng)可能出現(xiàn)的電壓穩(wěn)定問題進(jìn)行評(píng)估及預(yù)警。

1.1 硬件構(gòu)架示意圖

在線電壓預(yù)警系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算，為滿足計(jì)算速度及精度的要求，本系統(tǒng)基于預(yù)分配/多任務(wù)并行計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立了分布式計(jì)算仿真平臺(tái)，包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器、多計(jì)算終端等硬件部分，硬件整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 在線電壓預(yù)警系統(tǒng)硬件構(gòu)架示意圖

1.2 軟件構(gòu)架示意圖

地區(qū)電網(wǎng)在線電壓預(yù)警系統(tǒng)可基于多類潮流數(shù)據(jù)，支持用戶進(jìn)行參數(shù)修改及自定義過(guò)渡方式，最終給出基于當(dāng)前在線運(yùn)行數(shù)據(jù)的電壓穩(wěn)定性重要指標(biāo)及預(yù)警信號(hào)。軟件整體構(gòu)架如圖2所示。包括模型搭建、參數(shù)配置、薄弱點(diǎn)定位、電壓穩(wěn)定裕度評(píng)估等模塊。

圖2 軟件構(gòu)架示意圖

模型搭建是電壓穩(wěn)定計(jì)算及預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，提供電網(wǎng)模型和基礎(chǔ)潮流。為了實(shí)現(xiàn)廣域測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)量測(cè)的引入，在主站和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)之間建立了秒級(jí)數(shù)據(jù)傳輸通道，定周期地自動(dòng)下載WAMS主站采集的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)合并技術(shù)，對(duì)各類運(yùn)行數(shù)據(jù)源進(jìn)行自動(dòng)拼接，形成全網(wǎng)的電網(wǎng)模型和運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到結(jié)構(gòu)完整的全網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行方式，以便為在線電壓穩(wěn)定計(jì)算提供數(shù)據(jù)源。

參數(shù)配置模塊是電壓穩(wěn)定計(jì)算及預(yù)警系統(tǒng)的控制模塊，可由客戶端設(shè)定電壓穩(wěn)定計(jì)算中風(fēng)電場(chǎng)模型及電鐵模型的參數(shù)，同時(shí)可對(duì)分區(qū)及斷面進(jìn)行定義、設(shè)置安全約束、制定發(fā)電機(jī)負(fù)荷增長(zhǎng)方式等。

薄弱點(diǎn)定位模塊是電壓穩(wěn)定計(jì)算及預(yù)警系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)視模塊，展示電壓穩(wěn)定計(jì)算中薄弱節(jié)點(diǎn)排序的變化，繪制實(shí)時(shí)最薄弱節(jié)點(diǎn)的PV曲線，并給出其穩(wěn)定裕度值。在預(yù)測(cè)或規(guī)劃數(shù)據(jù)情況下，可事先定位系統(tǒng)在某一控制方式下極限點(diǎn)處的薄弱節(jié)點(diǎn)，給出預(yù)防電壓崩潰的控制決策。

電壓穩(wěn)定裕度評(píng)估模塊是電壓穩(wěn)定計(jì)算及預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)果模塊，提供三維可視化的結(jié)果展示，在線監(jiān)視分區(qū)負(fù)荷的裕度、重要斷面的傳輸容量裕度、薄弱節(jié)點(diǎn)的PV曲線。模塊以固定時(shí)段觸發(fā)及人工觸發(fā)兩種觸發(fā)方式作為計(jì)算的起始點(diǎn)，可自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行、實(shí)時(shí)評(píng)估，并以曲線、列表等形式在客戶端展示，當(dāng)掃描發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重越限時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。

2 算法原理

2.1 電鐵負(fù)荷的建模及等值

電鐵負(fù)荷具有非線性、不對(duì)稱性及沖擊性特征，我國(guó)牽引變電站一般接于系統(tǒng)110kV配網(wǎng)側(cè)，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響不容忽視。文獻(xiàn)［8］、［9］對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行單一針對(duì)性的建模，文獻(xiàn)［10］建立了電鐵負(fù)荷的綜合負(fù)荷模型，但存在大量需辨識(shí)的參數(shù)，不利于電鐵負(fù)荷建模應(yīng)用到在線系統(tǒng)。

典型牽引列車的電氣負(fù)荷由車廂負(fù)荷、機(jī)車牽引電機(jī)負(fù)荷、機(jī)車輔助機(jī)組負(fù)荷3部分構(gòu)成。其中，機(jī)車牽引負(fù)荷和機(jī)車輔助負(fù)荷約占牽引列車總負(fù)荷的85%［10］，該系統(tǒng)等值模型如圖3所示。

圖3 牽引負(fù)荷等值模型結(jié)構(gòu)

圖3中靜態(tài)負(fù)荷描述車廂照明類、加熱類的恒定負(fù)荷，屬恒阻抗負(fù)荷;設(shè)恒阻抗對(duì)應(yīng)恒導(dǎo)納YS，則靜態(tài)負(fù)荷功率為

式中:V(t)為系統(tǒng)電壓;YS=G－jB為恒導(dǎo)納，由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件確定。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)描述車廂空調(diào)及輔助機(jī)組的負(fù)荷，由于靜態(tài)電壓穩(wěn)定屬穩(wěn)態(tài)特征，采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1階模型即可準(zhǔn)確描述此類負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，所以本文感應(yīng)電動(dòng)機(jī)部分采用1階模型，機(jī)械負(fù)載特性采用PM=K1(1－S)n解析描述。

牽引電機(jī)模型中對(duì)與機(jī)車運(yùn)行工況密切相關(guān)的自然因素如風(fēng)速、坡度等進(jìn)行了詳細(xì)的描述。為適應(yīng)本項(xiàng)目建模的需要，將由上述因素引起的負(fù)載變動(dòng)歸結(jié)為牽引電機(jī)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)，并以轉(zhuǎn)速的2次函數(shù)模型描述?？紤]到牽引回路主極分路電流較小，且機(jī)車的行駛速度也可由牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)，因而采用簡(jiǎn)化模型:

式中:Vd為牽引電機(jī)機(jī)端電壓;Id和ω分別為等值牽引電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速;L和R分別為牽引電機(jī)回路的電感和電阻;CM=CTKs為牽引電機(jī)廣義等值特性參數(shù);CT和Ks分別為牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和勵(lì)磁系數(shù);J和T1分別為牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械負(fù)荷轉(zhuǎn)矩。

基于大量的仿真試驗(yàn)分析，本項(xiàng)目取:

式中:A，B，C 為特性參數(shù)，滿足 A+B+C=1;γl0為牽引電機(jī)負(fù)載率。

為簡(jiǎn)化牽引回路的輸出方程，并計(jì)及牽引電機(jī)特性，可按式(4)計(jì)算等值牽引電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率Ptm:

牽引回路中其他相關(guān)組件如整流器、機(jī)車主變壓器及牽引電機(jī)的無(wú)功消耗均可通過(guò)等值綜合負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)中的靜態(tài)負(fù)荷平衡。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)建模及等值

風(fēng)能是電力界公認(rèn)的技術(shù)上最成熟的綠色能源，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行的建模及并網(wǎng)分析逐年增多。但截至今日，業(yè)界仍沒有形成一致認(rèn)同的風(fēng)電場(chǎng)模型。鑒于目前絕大部分風(fēng)機(jī)為雙饋異步式，且信陽(yáng)電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)由多臺(tái)G58－850kW型號(hào)的異步風(fēng)機(jī)構(gòu)成，所以本預(yù)警系統(tǒng)中的風(fēng)電場(chǎng)采用中國(guó)電力科學(xué)研究院搭建的模型，如圖4所示?；经h(huán)節(jié)包括風(fēng)輪葉片、起連接和傳動(dòng)作用的裝置、發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)。

圖4 雙饋異步風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)速－功率關(guān)系為:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;Vw為風(fēng)速;A=π為風(fēng)機(jī)葉片的掃風(fēng)面積，Rae為葉輪機(jī)半徑，m;Vin、Vout分別為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速;Cp是風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)所吸收的風(fēng)能與通過(guò)葉片旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比。按照貝茲理論，Cp最大值為0.593。它與風(fēng)力機(jī)的葉尖速比λ(風(fēng)力機(jī)葉片頂端線速度與風(fēng)速之比λ=ωaeRae/Vw)和槳距角θ有關(guān)，在動(dòng)態(tài)仿真中，將其表示為λ和θ的非線性函數(shù):

由于雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組采用變頻器控制，其發(fā)出的有功與無(wú)功功率可解耦控制，風(fēng)電機(jī)組可控制整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處與電網(wǎng)沒有無(wú)功交換，即整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)為1。

為便于仿真建模及快速計(jì)算，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的部分參數(shù)進(jìn)行了等值。由于所應(yīng)用系統(tǒng)各風(fēng)機(jī)型號(hào)相同且并聯(lián)接入系統(tǒng)，等值機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)應(yīng)與單臺(tái)機(jī)組相同，等值阻抗參數(shù)應(yīng)為各風(fēng)機(jī)阻抗參數(shù)的并聯(lián)，而等效掃風(fēng)面積則用單臺(tái)風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積疊加來(lái)近似模擬。

2.3 外網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

預(yù)警系統(tǒng)建立在實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量運(yùn)用外網(wǎng)的在線數(shù)據(jù)，避免過(guò)多的外網(wǎng)等值處理，即計(jì)算規(guī)模不宜過(guò)小，而對(duì)于地區(qū)級(jí)別電網(wǎng)的在線預(yù)警信號(hào)應(yīng)保證在分鐘級(jí)內(nèi)給出，從這一點(diǎn)來(lái)講，計(jì)算所帶外網(wǎng)規(guī)模不宜過(guò)大。綜合考慮，本文將計(jì)算數(shù)據(jù)擴(kuò)展為省級(jí)電網(wǎng)規(guī)模，在省級(jí)電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)下進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性計(jì)算。省網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)關(guān)口功率值等值為網(wǎng)調(diào)計(jì)劃關(guān)口功率值。

2.4 負(fù)荷模型及節(jié)點(diǎn)類型轉(zhuǎn)換

為考慮負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際特點(diǎn)，本系統(tǒng)變電站電網(wǎng)負(fù)荷采用50%恒阻抗并聯(lián)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，發(fā)電廠廠用電負(fù)荷采用35%恒阻抗并聯(lián)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。

對(duì)于非風(fēng)力發(fā)電機(jī)或具備電壓控制能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)其無(wú)功越界時(shí)，發(fā)電機(jī)母線類型由PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)。若風(fēng)機(jī)不具備電壓控制能力，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)可通過(guò)并聯(lián)電容器的投切和自身變頻器保持一定的功率因數(shù)，在潮流數(shù)據(jù)中將此類風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置為PQ節(jié)點(diǎn)。

2.5 病態(tài)潮流的求解方法

在極限點(diǎn)附近，潮流方程雅克比矩陣接近奇異，對(duì)于這種病態(tài)的潮流方程，無(wú)法用常規(guī)的潮流計(jì)算方法求得。本系統(tǒng)采用固定參數(shù)修正法對(duì)極限點(diǎn)附近的潮流進(jìn)行求解。

固定參數(shù)修正法是一種連續(xù)潮流計(jì)算方法，如圖5所示。它以連續(xù)潮流解曲線上變化最快的變量為連續(xù)性參數(shù)，計(jì)算過(guò)程采用線性預(yù)測(cè)，沿連續(xù)潮流解曲線切線方向預(yù)測(cè)下一運(yùn)行點(diǎn)的初值，再采用牛頓法校正的形式追蹤連續(xù)潮流解曲線。因其不破壞雅克比矩陣的稀疏性，更加有易于實(shí)際工程應(yīng)用。

圖5 固定參數(shù)修正法示意圖

3 應(yīng)用情況

3.1 應(yīng)用系統(tǒng)

采用C++及Qt開發(fā)此地區(qū)電網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在河南信陽(yáng)電網(wǎng)成功運(yùn)行。圖6為信陽(yáng)電網(wǎng)包含發(fā)電廠、牽引站以及220 kV以上變電站的地理接線圖。

信陽(yáng)供電區(qū)地處河南南部，是鄂豫聯(lián)網(wǎng)的重要通道，電網(wǎng)以220 kV網(wǎng)絡(luò)為主網(wǎng)架，呈東西狹長(zhǎng)狀，主干輸電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，兩處電源－華豫電廠和平橋電廠集中在西部，因此形成了西電東送的格局。電網(wǎng)內(nèi)5座110 kV牽引變電站分別接于五座不同的220 kV變電所，位于西南部的雞公山風(fēng)電站及東南部的黃柏山風(fēng)電站通過(guò)110 kV并網(wǎng)。

3.2 結(jié)果分析及技術(shù)指標(biāo)性能

相對(duì)功角穩(wěn)定，電壓穩(wěn)定往往表現(xiàn)為一種局部現(xiàn)象，電壓失穩(wěn)總是從系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性最薄弱的節(jié)點(diǎn)開始引發(fā)，并逐漸向周圍比較薄弱的區(qū)域蔓延。

經(jīng)模態(tài)法仿真分析，得出了引入風(fēng)電場(chǎng)及電鐵負(fù)荷前后的極限點(diǎn)參與因子排序?qū)Ρ鹊那笆荒妇€，如表1所示。圖7、圖8分別繪出了引入風(fēng)電場(chǎng)及電鐵負(fù)荷前后最薄弱母線－弦城110的PV曲線。此外，表2列出了本預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)性能。

表1 極限點(diǎn)參與因子排序?qū)Ρ缺?/p>

由表1分析可知，潢川、弦城及蓼城為系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，浉河220－潢川220、曹灣220－弦城220，蓼城220－桂園220三條線路屬信陽(yáng)電網(wǎng)西電東送的主要干線，此三條線路組成的斷面為關(guān)鍵斷面。經(jīng)計(jì)算斷面電壓穩(wěn)定裕度僅為18.4%。

表2 技術(shù)指標(biāo)性能表

圖7 弦城110母線PV曲線1

圖7 弦城110母線PV曲線2

由圖7、圖8分析可知，對(duì)于信陽(yáng)電網(wǎng)，由于風(fēng)電場(chǎng)及電鐵負(fù)荷容量均較小，且風(fēng)電場(chǎng)保持與接入點(diǎn)無(wú)功交換為0，所以在引入風(fēng)電及電鐵負(fù)荷后，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性變化不大，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度降低至16.1%，且系統(tǒng)的薄弱區(qū)域基本不變，各母線薄弱程度較未引入風(fēng)電及電鐵負(fù)荷前分布均勻。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)將風(fēng)電場(chǎng)及電鐵負(fù)荷引入地區(qū)電網(wǎng)在線預(yù)警系統(tǒng)中，能夠有效地監(jiān)視地區(qū)電網(wǎng)薄弱區(qū)域及電壓穩(wěn)定裕度，給出在線電壓預(yù)警信號(hào)，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義;計(jì)算規(guī)模擴(kuò)展至省級(jí)電網(wǎng)，可更準(zhǔn)確的描述地區(qū)電網(wǎng)特性;同時(shí)客戶端可自行設(shè)置多類參數(shù)，使計(jì)算更貼近實(shí)際情況;具有觸發(fā)時(shí)間短，計(jì)算速度快的特點(diǎn);便于運(yùn)行人員監(jiān)控。為地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行合理的無(wú)功補(bǔ)償分配，優(yōu)化運(yùn)行方式提供了實(shí)時(shí)可靠依據(jù)。

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