尹建林

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

2018年，全國(guó)累計(jì)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.84億kW，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9.7 %。風(fēng)電發(fā)電量達(dá)3 660億kWh，占全部發(fā)電量的5.2 %，比2017年提高約0.4 %。風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模集中并網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大的影響，也對(duì)含大量風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電電力系統(tǒng)的分析帶來(lái)新的挑戰(zhàn)?；诖吮尘埃岢鲆环N基于源流路徑電氣剖分信息的風(fēng)電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的高效剖分。

1 源流路徑雙向電氣剖分算法概述

雙向電氣剖分算法在電力網(wǎng)絡(luò)源流路徑鏈的聯(lián)合電氣剖分關(guān)系的基礎(chǔ)上，沿有功潮流相反方向?qū)β窂芥溸M(jìn)行分支電氣剖分關(guān)系分析，得到所有路徑鏈的徹底電氣剖分參數(shù)。

1.1 模型構(gòu)建

對(duì)于某一具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)和Nl條支路的電力網(wǎng)絡(luò)，p為電源節(jié)點(diǎn)總數(shù)，q為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)總數(shù)。在某特定運(yùn)行狀態(tài)下，雙向電氣剖分后共有NL條源流路徑鏈，路徑鏈記為，其中i=1，2…p，j=1，2…q，k=1，2…NL。G和L分別表示網(wǎng)絡(luò)源、流，(e，n)和(n，f)表示路徑鏈的構(gòu)成支路。對(duì)源和流之間某一源流路徑鏈，如圖1所示。

對(duì)某一網(wǎng)絡(luò)源流路徑鏈，可獲得向路徑鏈的各段剖分子支路供給功率的剖分子網(wǎng)絡(luò)的源功率以及從路徑鏈汲取功率的剖分子網(wǎng)絡(luò)的流功率。

1.2 剖分算法流程

首先根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得出系統(tǒng)的潮流分布，從而得到全網(wǎng)所有的源流路徑鏈集合，以有功潮流的方向?yàn)檎较?，?duì)每一條電力網(wǎng)絡(luò)源流路徑鏈進(jìn)行正向聯(lián)合電氣剖分，得到初步的電氣剖分參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，按照電力網(wǎng)絡(luò)源流路徑分支電氣剖分方法進(jìn)行反向分支電氣剖分，得到路徑鏈的詳細(xì)電氣剖分參數(shù)。源流路徑雙向電氣剖分的算法流程如圖2所示。

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別思路

所提方法主要用于電力網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別，該節(jié)點(diǎn)能夠有效降低因系統(tǒng)內(nèi)故障導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)的概率，假設(shè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置具有足夠的響應(yīng)速度和補(bǔ)償容量。全網(wǎng)源流路徑鏈的徹底電氣剖分參數(shù)能夠反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)源、流的功率具體走向，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵度很大程度上依賴(lài)于剖分后的源流對(duì)之間的功率傳輸路徑?？紤]到實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行情況，有必要對(duì)辨識(shí)出的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)辨識(shí)的基本思路如圖3所示。

(1) 根據(jù)實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)參數(shù)信息，可獲得系統(tǒng)的具體潮流分布情況。基于計(jì)算得到的實(shí)時(shí)潮流信息，由圖3的具體算法流程，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有源流對(duì)進(jìn)行雙向電氣剖分，獲得全網(wǎng)路徑鏈的最終詳細(xì)電氣剖分參數(shù)。

(2) 基于最終詳細(xì)電氣剖分參數(shù)，提取剖分子網(wǎng)絡(luò)的源功率、流功率以及子支路的阻抗信息。

(3) 根據(jù)已得到的全網(wǎng)源流路徑鏈信息，分析有多少電源成分通過(guò)何種路徑傳輸至某一負(fù)荷以及有多少負(fù)荷成分通過(guò)何種路徑從某一電源汲取功率的詳細(xì)供求信息。

(4) 根據(jù)源流對(duì)的電氣剖分信息，按照所提的方法計(jì)算獲得所有機(jī)組對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的支撐度，根據(jù)支撐度數(shù)值大小確定網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集。

(5) 通過(guò)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加無(wú)功動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以得出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的補(bǔ)償裝置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓支撐度以及其對(duì)提升全局電壓平均水平的貢獻(xiàn)，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所提關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)辨識(shí)方法的有效性和合理性。

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別指標(biāo)

3.1 源流路徑鏈電氣特征參數(shù)

(1) 剖分子網(wǎng)絡(luò)源、流節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度。根據(jù)某一源流路徑鏈的相關(guān)電氣信息，可分別求取子網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)輸出的功率和流節(jié)點(diǎn)輸入的功率占全網(wǎng)源、流功率的比例。所占比例越高，說(shuō)明源節(jié)點(diǎn)和流節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)中關(guān)鍵度越高。

源、流節(jié)點(diǎn)的重要度具有間接反映電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)特性的作用。在關(guān)鍵度高的剖分子支路上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以有效降低電網(wǎng)故障時(shí)可能導(dǎo)致的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的概率。

假設(shè)某源流路徑鏈中，該剖分子網(wǎng)絡(luò)從送端源中獲得的有功功率為，受端流從該源流路徑輸入的有功功率為，該子網(wǎng)絡(luò)中源、流節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵度可定義為：

當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，源流對(duì)之間的路徑鏈及路徑鏈傳輸?shù)墓β蕰?huì)隨之發(fā)生改變，并在一定程度上表現(xiàn)為源、流節(jié)點(diǎn)的重要度的數(shù)值變化。

(2) 剖分路徑鏈電氣距離。由于線路的電阻相對(duì)于電抗可忽略不計(jì)，因此采取剖分子支路的電抗作為衡量源流節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離。對(duì)某一源流路徑鏈中的第m段剖分子支路，其電氣距離可表示為：

源流路徑鏈上的節(jié)點(diǎn)n和送端源之間的電氣距離可表示為:

式中：M為節(jié)點(diǎn)n和送端源之間的剖分子支路總數(shù)。越小，說(shuō)明送端源利用源流路徑鏈傳輸功率時(shí)經(jīng)過(guò)該剖分子支路的等效距離越短，較短的電氣長(zhǎng)度會(huì)增強(qiáng)之間的電氣聯(lián)系，對(duì)辨識(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)影響更大。

相對(duì)于僅從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的電氣距離，采用以上方法得到的線路電抗能同時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)特性，聯(lián)系電氣距離較短的剖分子支路，其作用更為重要。

綜合以上電氣特征參數(shù)，可定義源流路徑鏈的送端源和受端流對(duì)路徑鏈中任意節(jié)點(diǎn)n的支撐度為：

式中：λ為發(fā)電機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的電氣聯(lián)系系數(shù)?；陔p向電氣剖分后源流路徑鏈，若發(fā)電機(jī)通過(guò)該節(jié)點(diǎn)傳輸功率時(shí)，說(shuō)明發(fā)電機(jī)和該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，則λ=0；反之λ=1。

3.2 節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度指標(biāo)

式(5)求得的是源流路徑鏈上源節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)n的支撐度。由于節(jié)點(diǎn)n還可能出現(xiàn)在其他源流路徑鏈中，即原始網(wǎng)絡(luò)中其他發(fā)電機(jī)組對(duì)其仍有支撐作用，因此在衡量原始網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)n的關(guān)鍵度時(shí)，需要考慮其在不同源流路徑鏈中受到支撐度的綜合累積效應(yīng)。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，采用節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度指標(biāo)可以評(píng)估出最能有效阻止故障連鎖反應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在該點(diǎn)加動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，使得該節(jié)點(diǎn)控制效果最優(yōu)，從而達(dá)到防御連鎖故障的最佳效果。

將原始網(wǎng)絡(luò)中所有發(fā)電機(jī)組對(duì)節(jié)點(diǎn)n的支撐度之和定義為節(jié)點(diǎn)n的關(guān)鍵度：

與傳統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法不同，從電氣原理出發(fā)，既可發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度指標(biāo)隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的規(guī)律，又可獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的無(wú)功源與系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生電氣供求關(guān)系的路徑關(guān)系，從而辨識(shí)出最能有效防御連鎖故障發(fā)生的節(jié)點(diǎn)。

4 算例分析

為驗(yàn)證所提方法的合理性和實(shí)用性，以西部某典型風(fēng)電場(chǎng)42節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，該系統(tǒng)共有10個(gè)電源節(jié)點(diǎn)、20個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、48條支路和42個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)32與無(wú)窮大電網(wǎng)相連。

風(fēng)電場(chǎng)均由2 MW雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，且機(jī)組的無(wú)功出力在額定有功出力時(shí)功率因數(shù)超前和滯后0.95所確定的無(wú)功容量?jī)?nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。各電源節(jié)點(diǎn)接入的風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無(wú)功功率大小如表1所示。根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)于網(wǎng)絡(luò)源流對(duì)的第3類(lèi)雙向電氣剖分，可得到全網(wǎng)源流路徑集合。

表1 風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率

以節(jié)點(diǎn)30接風(fēng)電場(chǎng)為例，經(jīng)拓?fù)浞治霁@得全網(wǎng)所有源流路徑鏈集合，共計(jì)63條。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)16的源流路徑鏈數(shù)目最多，從源節(jié)點(diǎn){33,35,36}始發(fā)的路徑鏈中分別有6條、12條和6條經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)將功率送往相應(yīng)的流節(jié)點(diǎn)，若能在系統(tǒng)故障時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)16進(jìn)行有效的無(wú)功控制，則有望避免流節(jié)點(diǎn){3,4,15,16,23,24}全部失電。

根據(jù)式(6)可得到的節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度，取關(guān)鍵度最高的三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集。表2給出了風(fēng)電場(chǎng)從不同電源點(diǎn)接入時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集分布及對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵度數(shù)值，運(yùn)行方式1～9代表電源點(diǎn)30，32～39分別接風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的情況。

由表2可知，在運(yùn)行方式5時(shí)流節(jié)點(diǎn)26的關(guān)鍵度數(shù)值相對(duì)較大。雙向電氣剖分得到的全網(wǎng)路徑鏈分析，有9條路徑鏈經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)26為源節(jié)點(diǎn){37,38}和流節(jié)點(diǎn){25,26,27,28,29}提供輸電通道，且流節(jié)點(diǎn){26,27,29}的功率完全由經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)26的路徑鏈提供。運(yùn)行方式8下，從源節(jié)點(diǎn){35,36}始發(fā)的路徑鏈有18條經(jīng)過(guò)流節(jié)點(diǎn)24將功率送往相應(yīng)的流節(jié)點(diǎn)，因此，節(jié)點(diǎn)24的關(guān)鍵度數(shù)值較大。

表2 節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度指標(biāo)

對(duì)于不同運(yùn)行方式，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加一定容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，評(píng)估關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓支撐度以及補(bǔ)償前后全網(wǎng)平均電壓水平。表3為運(yùn)行方式1～9下，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)分別加無(wú)功補(bǔ)償時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓支撐度以及全網(wǎng)電壓平均水平比較。

5 結(jié)論

在運(yùn)行方式7下，節(jié)點(diǎn)26上的無(wú)功源對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓支撐度更大，這是由于從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度出發(fā)，風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)離節(jié)點(diǎn)26更近，因此無(wú)功電壓支撐作用更明顯。同樣，對(duì)于運(yùn)行方式8，節(jié)點(diǎn)29上加動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的電壓升高較多。由表3可知，采用提出的關(guān)鍵度指標(biāo)辨識(shí)出的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)既能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)提供電壓支撐，又能保證各節(jié)點(diǎn)的電壓處于合理水平和提升區(qū)域電網(wǎng)平均電壓水平。在風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用無(wú)功源對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的無(wú)功優(yōu)化控制，就能達(dá)到防御阻止連鎖故障的最優(yōu)效果。

表3 不同運(yùn)行方式下的結(jié)果驗(yàn)證