張建新，吳峰，黃磊，鮑顏紅，徐偉，徐光虎，楊君軍

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510530；2.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著我國特高壓交直流電網(wǎng)的建設(shè)，目前已初步形成特高壓交直流、多直流混聯(lián)格局。以華東電網(wǎng)為例，2019年華東跨區(qū)直流總?cè)萘考s占華東汛期一般低谷負(fù)荷的46%，負(fù)荷規(guī)模大、區(qū)外受電占比高，常規(guī)機(jī)組大量被替代導(dǎo)致電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，頻率和電壓安全風(fēng)險(xiǎn)突出[1—3]。

華東電網(wǎng)已建成頻率協(xié)控系統(tǒng)，即系統(tǒng)保護(hù)，提高電網(wǎng)整體頻率穩(wěn)定水平。并通過制定事故預(yù)案，即緊急調(diào)控策略，應(yīng)對(duì)故障過渡到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后可能出現(xiàn)的過載、電壓、頻率安全問題。但離線事故預(yù)案基于較為惡劣的典型方式制定，經(jīng)濟(jì)性不足，也無法計(jì)及發(fā)電機(jī)、直流、容抗器等可控設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)想的故障后準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方式與實(shí)際差別較大，且具體控制量需要調(diào)度運(yùn)行人員根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際狀態(tài)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步確定。此外，間歇性新能源大規(guī)模接入和電力市場(chǎng)逐步推進(jìn)使得電網(wǎng)運(yùn)行方式與離線典型方式偏差日益增大[4—5]，離線事故預(yù)案難以有效保障交直流電網(wǎng)的安全運(yùn)行[6—8]。

目前，在線方式下已初步實(shí)現(xiàn)了電壓安全問題緊急調(diào)控預(yù)決策。文獻(xiàn)[10]提出“事前決策、事后匹配”的緊急調(diào)控方法，決策過程未考慮電網(wǎng)頻率越限，也未考慮同時(shí)影響電壓、頻率的直流功率調(diào)制、減負(fù)荷等措施。文獻(xiàn)[11]提出基于啟發(fā)式的多類安全問題預(yù)防控制決策方法，但忽略了有功措施對(duì)交流電壓、無功措施對(duì)系統(tǒng)潮流的影響，也未計(jì)及系統(tǒng)保護(hù)裝置實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化結(jié)果存在偏差。文獻(xiàn)[12]建立考慮頻率特性的故障后潮流模型，系統(tǒng)的功率缺額由機(jī)組和負(fù)荷的一次調(diào)節(jié)作用共同承擔(dān)，但未考慮無功調(diào)節(jié)措施，生成的穩(wěn)態(tài)方式不夠準(zhǔn)確。緊急調(diào)控實(shí)時(shí)決策能夠?yàn)檎{(diào)度運(yùn)行人員提供校正控制策略[13]，但故障后電網(wǎng)處于動(dòng)態(tài)過程且校正控制決策計(jì)算耗時(shí)較長，并不能保證策略的準(zhǔn)確可靠[14—15]。

為彌補(bǔ)離線事故預(yù)案制定方式與故障發(fā)生時(shí)刻方式差異導(dǎo)致的預(yù)案欠控或失配風(fēng)險(xiǎn)，文中考慮系統(tǒng)保護(hù)、機(jī)組一次調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)和自動(dòng)電壓控制(automatic voltage control,AVC)等裝置動(dòng)作對(duì)實(shí)際運(yùn)行電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)注入的影響，計(jì)及系統(tǒng)保護(hù)當(dāng)值策略識(shí)別故障后準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方式，構(gòu)建以綜合控制代價(jià)最小為目標(biāo)的頻率和電壓協(xié)調(diào)決策模型。通過有功、無功多類措施枚舉組合形成校核方案，并基于措施調(diào)整量快速估算實(shí)現(xiàn)校核方案篩選，兼顧頻率和電壓安全問題進(jìn)行預(yù)決策策略迭代搜索，提升電網(wǎng)抵御嚴(yán)重故障事故風(fēng)險(xiǎn)的能力。

1 在線預(yù)決策基本思路

頻率和電壓緊急調(diào)控在線預(yù)決策可解決由暫態(tài)過程平息過渡到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)頻率越限或電壓越限問題[16—17]。其首先獲取狀態(tài)估計(jì)、氣象環(huán)境等多源數(shù)據(jù)生成電網(wǎng)運(yùn)行方式和預(yù)想故障集，計(jì)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)當(dāng)值策略識(shí)別；然后，基于交直流設(shè)備詳細(xì)模型進(jìn)行暫態(tài)時(shí)域仿真，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓和頻率波動(dòng)情況判斷系統(tǒng)是否達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)注入量自動(dòng)生成穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式，通過故障后電壓、頻率安全裕度計(jì)算識(shí)別需要在線預(yù)決策的故障集?？紤]到在線計(jì)算時(shí)效性的要求，利用方案枚舉組合、集群并行迭代的求解策略，進(jìn)行頻率和電壓緊急調(diào)控預(yù)決策。緊急調(diào)控在線預(yù)決策基本思路如圖1所示。

圖1 緊急調(diào)控在線預(yù)決策Fig.1 Online pre-decision for emergency regulation

緊急調(diào)控在線預(yù)決策的關(guān)鍵問題之一是事故后電網(wǎng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方式生成的準(zhǔn)確性。因此仿真中需要基于電網(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確模擬安控、系統(tǒng)保護(hù)、發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、AGC和AVC等自動(dòng)裝置動(dòng)作，獲取故障后各節(jié)點(diǎn)注入量和控制量，生成準(zhǔn)確的事故后電網(wǎng)運(yùn)行方式。此外，在線預(yù)決策需要快速搜索同時(shí)滿足電壓和頻率安全要求的控制措施，對(duì)于交直流混聯(lián)電網(wǎng)，有功和無功措施不能完全解耦，須要以綜合控制代價(jià)最小為目標(biāo)，迭代搜索同時(shí)滿足電壓、頻率等多類安全穩(wěn)定約束的控制策略，克服離線預(yù)案僅能給出處置要點(diǎn)的弊端。

2 計(jì)及設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方式生成

為獲取準(zhǔn)確的電網(wǎng)故障后運(yùn)行方式，需要計(jì)及設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)保護(hù)[18—20]、機(jī)組一次調(diào)頻等動(dòng)作。設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)指系統(tǒng)保護(hù)或安控裝置、常規(guī)機(jī)組、容抗器等設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，包括投停狀態(tài)、實(shí)時(shí)出力等。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)指故障發(fā)生后在設(shè)定的Δt時(shí)間內(nèi)各母線頻率波動(dòng)不超過Δf(通常設(shè)定為0.01 Hz)，同時(shí)各母線電壓波動(dòng)幅度不超過Δu(通常設(shè)定為0.05 kV)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 系統(tǒng)保護(hù)當(dāng)值策略模擬

系統(tǒng)保護(hù)策略模型包括：故障約束、方式約束、潮流約束、控制約束、執(zhí)行約束、措施約束、控制策略表達(dá)式、執(zhí)行策略表達(dá)式以及優(yōu)先級(jí)表達(dá)式。需采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)包括：電網(wǎng)一次設(shè)備的投停狀態(tài)、系統(tǒng)保護(hù)裝置及其壓板的投退狀態(tài)、可控設(shè)備的有功功率、電流以及當(dāng)前處于發(fā)電狀態(tài)還是抽水蓄能狀態(tài)等。

根據(jù)電網(wǎng)故障前運(yùn)行方式和預(yù)想故障，對(duì)系統(tǒng)保護(hù)策略進(jìn)行在線分析和轉(zhuǎn)化，將策略分配到相應(yīng)控制子站、執(zhí)行站執(zhí)行或在本地執(zhí)行，進(jìn)而正確模擬系統(tǒng)保護(hù)的動(dòng)作措施，為準(zhǔn)確獲取節(jié)點(diǎn)注入量變化和進(jìn)行預(yù)決策策略計(jì)算奠定基礎(chǔ)[21—24]。

2.2 機(jī)組一次調(diào)頻模擬

故障后節(jié)點(diǎn)有功注入量變化與發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻參數(shù)、負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性和功率不平衡量等有關(guān)。

首先，針對(duì)特高壓直流所連接的交流電網(wǎng)，根據(jù)以檢測(cè)到交直流故障為啟動(dòng)判據(jù)的安控和系統(tǒng)保護(hù)控制策略，運(yùn)行狀態(tài)，以及電網(wǎng)運(yùn)行方式的實(shí)時(shí)信息，確定故障當(dāng)值控制措施，計(jì)算各交流電網(wǎng)因故障和當(dāng)值措施實(shí)施所引起的有功功率不平衡量ΔPdis。

其次，計(jì)算當(dāng)值措施和發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻動(dòng)作后發(fā)電機(jī)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)有功潮流，具體步驟如下。

步驟一：計(jì)算各發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻限幅對(duì)應(yīng)的頻率變化量Δfi。

Δfi=min(|PGNi-PGi|,σGiPGNi)/KGii=1,…,NG

(1)

式中：PGNi，PGi，σGi，KGi分別為發(fā)電機(jī)i的有功功率上、下限，故障前有功出力，一次調(diào)頻限幅和調(diào)差系數(shù)；NG為發(fā)電機(jī)數(shù)目。

步驟二：將各發(fā)電機(jī)按|Δfi|由小到大排序，排序后滿足|Δfi-1|≤|Δfi|。置k=1，Δf0=0，ΔPS=0，ΔPS為發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)整量之和。

步驟三：計(jì)算發(fā)電機(jī)k參與一次調(diào)頻時(shí)系統(tǒng)的調(diào)頻系數(shù)KSk。

(2)

式中：KDj為節(jié)點(diǎn)j負(fù)荷的有功靜態(tài)頻率特性系數(shù)；NS為負(fù)荷數(shù)目。

步驟四：計(jì)算頻率偏差由Δfk-1變化到Δfk對(duì)應(yīng)的有功功率調(diào)整量ΔPSk。

ΔPSk=KSk(Δfk-Δfk-1)

(3)

更新ΔPS=ΔPS+ΔPSk。

步驟五：如果ΔPS<ΔPdis，則置k=k+1，返回步驟三；否則，計(jì)算系統(tǒng)有功功率缺額ΔPdis對(duì)應(yīng)的頻率偏差Δfdis。

Δfdis=Δfk-(ΔPS-ΔPdis)/KSk

(4)

步驟六：計(jì)算系統(tǒng)頻率偏差為Δfdis時(shí)各發(fā)電機(jī)和負(fù)荷分?jǐn)偟挠泄β?。如果Δfdis<Δfi，則發(fā)電機(jī)i分?jǐn)偟挠泄β师Gi為：

ΔPGi=KGiΔfdis

(5)

否則，發(fā)電機(jī)i分?jǐn)偟挠泄β师Gi為：

ΔPGi=min(|PGNi-PGi|,σGiPGNi)

(6)

負(fù)荷j分?jǐn)偟挠泄β蕿椋?/p>

ΔPDj=KGjΔfdis

(7)

2.3 無功電壓控制策略模擬

基于故障后有功功率和無功功率計(jì)算電網(wǎng)中樞母線電壓，故障后中樞母線電壓未越限時(shí)，該母線電壓無需修正。當(dāng)中樞母線電壓越限時(shí)，獲取越限中樞母線所在分區(qū)中的控制策略、運(yùn)行狀態(tài)、可調(diào)整空間信息。通過歸一化處理構(gòu)建當(dāng)前計(jì)算方式數(shù)據(jù)下AVC電壓控制優(yōu)化模型。其目標(biāo)函數(shù)如下：

J1=min(ω1J1,1+ω2J1,2)

(8)

式中：ω1，ω2均為權(quán)重因子；J1,1，J1,2分別為電壓偏差目標(biāo)和無功調(diào)整目標(biāo)。

選用機(jī)組無功功率、可投切電容器和變壓器分接頭作為控制變量，以節(jié)點(diǎn)電壓幅值作為狀態(tài)變量，優(yōu)化計(jì)算時(shí)必須滿足狀態(tài)變量約束、控制變量約束和潮流計(jì)算約束等約束條件。

3 頻率和電壓預(yù)決策策略迭代求解

對(duì)于計(jì)及系統(tǒng)保護(hù)、調(diào)頻調(diào)壓策略后仍然存在的電壓、頻率越限等安全問題，以控制代價(jià)最小為目標(biāo)，通過頻率、電壓迭代求解，搜索緊急調(diào)控預(yù)決策策略，提供具體控制設(shè)備和控制量。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

預(yù)決策目標(biāo)是總控制代價(jià)最小，式(9)為決策目標(biāo)函數(shù)。主要考慮的安全約束有穩(wěn)態(tài)頻率越限、設(shè)備過載/斷面越限和穩(wěn)態(tài)電壓越限。

(9)

式中：ni為發(fā)電機(jī)可控措施數(shù)目；CGP,i，ΔPG,i分別為第i個(gè)發(fā)電機(jī)單位有功調(diào)整代價(jià)和發(fā)電機(jī)有功變化量；CGQ,i，ΔQG,i分別為第i個(gè)發(fā)電機(jī)單位無功調(diào)整代價(jià)和發(fā)電機(jī)無功變化量；nj為負(fù)荷可控措施總數(shù)；CLP,j，ΔPL,j分別為第j個(gè)負(fù)荷單位有功調(diào)整代價(jià)和負(fù)荷有功變化量；CLQ,j，ΔQL,j分別為第j個(gè)負(fù)荷單位無功調(diào)整代價(jià)和負(fù)荷無功變化量；nk為直流可控措施總數(shù)；CD,k，ΔPD,k分別為第k個(gè)直流單位有功調(diào)整代價(jià)和直流有功變化量；nl為容抗器可控措施總數(shù)；CX,l，ΔQX,l分別為第l個(gè)容抗器無功調(diào)整代價(jià)和容抗器無功變化量。

約束條件包括設(shè)備和斷面有功限額、母線電壓安全上下限、系統(tǒng)頻率安全上下限。

3.2 措施控制性能指標(biāo)計(jì)算

對(duì)于實(shí)際大電網(wǎng)而言，頻率和電壓安全穩(wěn)定問題具有高維、強(qiáng)時(shí)變、強(qiáng)非線性的本質(zhì)，基于性能指標(biāo)的啟發(fā)式方法易于滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于計(jì)算方法適應(yīng)性和計(jì)算速度的需求。

針對(duì)頻率跌落安全穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)有功調(diào)整措施控制性能指標(biāo)計(jì)算方法如下，頻率上升安全穩(wěn)定以及直流有功調(diào)整、負(fù)荷有功調(diào)整計(jì)算方法與之類似。

(10)

式中：J1為頻率跌落安全薄弱集中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)/發(fā)電機(jī)數(shù)；ηtfd,j1為第j1個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)/發(fā)電機(jī)的頻率跌落安全裕度；(1-ηtfd,j1)k為ygfd,j1的權(quán)重系數(shù)，k為設(shè)定的大于1的參數(shù)，該參數(shù)用以調(diào)節(jié)裕度作為權(quán)重系數(shù)的大小，k值大表明排序靠前的措施優(yōu)先解決裕度較低的節(jié)點(diǎn)，k值小則表明排序靠前的措施需兼顧更多的不安全節(jié)點(diǎn)，ygfd,j1為發(fā)電機(jī)所連接的節(jié)點(diǎn)與第j1個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)/發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間電氣距離的倒數(shù)，措施距離頻率薄弱節(jié)點(diǎn)電氣距離越近，表明該措施越有效；Cg為發(fā)電機(jī)單位有功功率控制代價(jià)。式(10)中頻率薄弱節(jié)點(diǎn)指頻率跌落安全裕度小于設(shè)定門檻值的節(jié)點(diǎn)(門檻值一般設(shè)置為0)。電壓控制措施性能指標(biāo)計(jì)算方法與頻率類似。

3.3 策略在線搜索

基于頻率和電壓安全穩(wěn)定問題的特點(diǎn)和影響范圍，按照頻率、電壓安全穩(wěn)定問題分類優(yōu)先原則進(jìn)行優(yōu)化決策。在線計(jì)算通常利用集群并行計(jì)算方法提升計(jì)算效率，流程如圖2所示。為減少枚舉組合方案數(shù)目，需對(duì)枚舉方案進(jìn)行篩選：若存在頻率安全問題，則需根據(jù)K系數(shù)估算頻率安全問題，預(yù)估調(diào)整量Pre，估算調(diào)整量大于設(shè)定門檻值(通常為2 000 MW)時(shí)，將排序靠前的N個(gè)措施調(diào)整至上限，僅對(duì)接近并超出估算量的M個(gè)措施進(jìn)行分檔枚舉和組合，從而縮小校核方案數(shù)目；否則，若僅存在電壓安全問題，則無需計(jì)算預(yù)估調(diào)整量，所有措施均納入后續(xù)分檔枚舉和組合。

圖2 頻率和電壓緊急調(diào)控在線預(yù)決策方法Fig.2 Online pre-decision method for emergency regulation of frequency and voltage

需要說明的是，對(duì)于故障后可能出現(xiàn)的設(shè)備過載安全問題，可在頻率和電壓決策的基礎(chǔ)上基于發(fā)電機(jī)措施靈敏度進(jìn)行優(yōu)化決策。

4 算例驗(yàn)證

4.1 電網(wǎng)運(yùn)行方式簡介

采用華東電網(wǎng)2019-08-18斷面時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行算例驗(yàn)證。該方式下，賓金直流雙極輸送功率5 379 MW，復(fù)奉直流雙極輸送功率5 353 MW。預(yù)想賓金+復(fù)奉兩回直流雙極閉鎖故障，根據(jù)系統(tǒng)保護(hù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息識(shí)別當(dāng)值控制策略，抽蓄機(jī)組全部為發(fā)電狀態(tài)，切負(fù)荷裝置通信異常，直流緊急提升1 562 MW，故障后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率49.80 Hz。其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。表1為故障后電壓和頻率越限信息。

表1 電壓和頻率越限信息Table 1 Voltage and frequency limit information

圖3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of power grid

4.2 頻率緊急控制決策

根據(jù)式(5)計(jì)算發(fā)電機(jī)措施控制性能指標(biāo)，性能指標(biāo)排序靠前的8臺(tái)機(jī)組指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 措施控制性能指標(biāo)Table 2 Performance index of measures control

系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)K系數(shù)按照3 800 MW/0.1 Hz考慮，估算調(diào)整量Pre為5 700 MW。因直流已無可調(diào)空間，因此僅需對(duì)發(fā)電機(jī)措施進(jìn)行枚舉組合。根據(jù)3.3節(jié)方法計(jì)算，可得N=37，M=4，ΔPG取50 MW。

表3為估算量附近的6個(gè)調(diào)整方案，方案4調(diào)整量為6 002.8 MW，雖然大于方案3的5 990.1 MW，但由于發(fā)電機(jī)控制代價(jià)較小，其總代價(jià)小于方案3，滿足目標(biāo)函數(shù)和約束條件。因此，選取方案4作為頻率預(yù)決策措施，即通過增加機(jī)組出力約6 000 MW將系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.95 Hz。

表3 不同控制方案詳細(xì)信息Table 3 Details of different control schemes

4.3 電壓緊急控制決策

在頻率預(yù)決策基礎(chǔ)上進(jìn)行電壓預(yù)決策，頻率策略實(shí)施后浙江仁和站500 kVⅡ母線穩(wěn)態(tài)電壓為509.12 kV(限值設(shè)置為510 kV)，計(jì)算電壓控制性能指標(biāo)，結(jié)果如表4所示，無功控制代價(jià)均設(shè)置為0.01萬元/Mvar，共篩選出4個(gè)有效措施。對(duì)措施進(jìn)行枚舉組合共形成16個(gè)待校核方案，表5列出其中4個(gè)方案的校核結(jié)果，可知方案3滿足安全約束且總代價(jià)最小。因此，退仁和1號(hào)和2號(hào)電抗、投喬司4號(hào)電容解決電壓越下限問題，共調(diào)整無功功率170 Mvar，經(jīng)校核，控制后仁和500 kV母線電壓升至512.19 kV，滿足事故后電壓控制要求，頻率和電壓緊急調(diào)控預(yù)決策策略搜索結(jié)束。

表4 措施控制性能指標(biāo)Table 4 Performance index of measures control

表5 不同控制方案詳細(xì)信息Table 5 Details of different control schemes

5 結(jié)語

為了彌補(bǔ)目前調(diào)度運(yùn)行人員采用基于離線典型方式制定事故預(yù)案時(shí)面臨的方式適應(yīng)性差、經(jīng)濟(jì)性不佳以及僅能給出處置要點(diǎn)的不足，文中提出了考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的頻率和電壓緊急調(diào)控在線預(yù)決策方法。計(jì)及系統(tǒng)保護(hù)、機(jī)組一、二次調(diào)頻等設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在線準(zhǔn)確識(shí)別故障后準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式，構(gòu)建以綜合控制代價(jià)最小為目標(biāo)的頻率和電壓協(xié)調(diào)決策模型。通過有功、無功多類措施枚舉組合形成校核方案，兼顧頻率和電壓安全問題進(jìn)行預(yù)決策策略迭代搜索，實(shí)際故障發(fā)生后通過匹配故障和故障后問題實(shí)現(xiàn)緊急調(diào)控，提升電網(wǎng)抵御嚴(yán)重故障事故風(fēng)險(xiǎn)的能力。

后續(xù)將融合人工智能技術(shù)，探索智能化的在線緊急調(diào)控決策方法。

本文得到南瑞集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目“交直流混聯(lián)電網(wǎng)多時(shí)態(tài)計(jì)劃快速校核與協(xié)同決策關(guān)鍵技術(shù)研究”資助，謹(jǐn)此致謝！