基于BPA軟件的地區電網靜態電壓穩定性分析

路 敏

(上海市電力公司電網建設公司,上海 200002)

0 引言

隨著負荷中心用電需求的不斷增長,大容量遠距離輸電的不斷增加,電力系統電壓穩定性問題日益突出。電壓穩定分為大擾動電壓穩定以及靜態電壓穩定,其中靜態穩定是指系統受到小擾動后,系統電壓能夠保持或恢復到允許的范圍內,不發生電壓崩潰的能力[1-2],主要用以定義系統正常運行和事故后運行方式下的電壓靜態穩定儲備情況。

在實際工程中,電力部門往往急需電壓穩定指標來確定電壓穩定控制策略以及調度規劃,電壓靜態穩定分析由于其簡單實用,在工程中取得了較多的應用。電壓靜態穩定的分析方法很多,主要有Q-U法、潮流多解法、靈敏度法、能量函數法、最大功率法及連續潮流法等。

各種方法中,連續潮流法通過逐漸增加節點負荷,依次進行潮流計算,確定臨界值,能有效避免雅可比矩陣的奇異,能錯開收斂性問題、準確計算靜態電壓穩定裕度,還能繪制出節點功率-電壓(P-V)曲線,計算結果更接近實際,在工程應用中受到很大重視。

1 靜態電壓穩定分析模型

基于上海電網黃渡分區的受電現狀以及電力系統潮流分析軟件(BPA)的功能,尋求一種能夠模擬實際系統運行的P-V曲線求取模型,主要從負荷增長方式、發電機功率調度方式、發電機無功越限處理方式、外網輸送功率調度方式、負荷模型等方面加以分析。

1.1 區域比例負荷增長方式

負荷增長方式視功率交換方案而定,其中最簡單的負荷增長方式為區域比例負荷增長方式,如式(1)所示:

式中:NL——負荷節點數;ΔPLi——負荷節點i的有功增量;ΔQLi——負荷節點i的無功增量;PLi——負荷節點i的原始有功負荷;QLi——負荷節點 i的原始無功負荷; ΔPL——區域有功的總增量;ΔQL——區域無功的總增量;PL——區域總有功;QL——區域總無功。

1.2 負荷比例分配方式

當系統有功負荷增長時,僅由平衡機提供額外發電功率是不夠的,一般同時需要增大系統中可調節機組的有功功率以平衡需求。發電機的有功調度方式主要有比例分配、調速器響應、經濟調度、自動測調(AGC)控制等多種方式。電網內負荷及網損的波動一般由多個電廠,甚至所有的發電廠按一定的規則分擔。由于難于給出具體的分配方案,故難以給出切合實際的計算。

本文基于的初始負荷為2009年夏季典型負荷,負荷基數比較大,各發電機已經接近有功功率輸出極限,所以采用負荷比例分配方式。比例分配方式下各發電機參與有功調節所分配的功率增量與其當前有功輸出成正比,即:

1.3 發電機無功越限方式

目前,處理發電機無功越限常用的方法有兩種,一種是一旦發電機無功越限,就將該發電機節點從P-V節點轉變為P-Q節點。另一種處理方法是當發電機無功越限時,求出越限時發電機的空載電勢,并認為該空載電勢保持恒定,將發電機從P-V節點模型轉化為直軸電抗后空載電勢恒定模型。考慮到BPA分析工具的局限性,本文采用前一種處理方法。因此,在分析過程中可能會有一些誤差。

1.4 外網出力調度方式

上海電網作為一個大的受端網絡,大部分有功是通過區外電網提供的,所以外網輸送有功的調度方式對P-V曲線的求取有一定的影響。外網有功的調度,需要考慮各電網的實際互聯情況以及各電網的實際發電能力,情況比較復雜,難以得到準確的調度方式。本文采用一種較為簡單的負荷比例分配方式,高壓直流則按滿功率輸送大方式運行。

1.5 靜態負荷模型

負荷模型有動態模型和靜態模型兩種,BPA軟件不具備分析動態負荷模型的條件,一般說來,采用靜態負荷模型就能滿足要求。

本文選擇恒功率負荷作為靜態負荷模型,在這種負荷模型下,最大功率法的分析工具P-V曲線的拐點即是電網的電壓失穩點。

1.6 靜態電壓穩定分析流程

根據上述分析,靜態電壓穩定分析流程如圖1所示。

圖1 靜態電壓穩定分析流程圖

2 BPA接口程序設計

BPA是我國進行電力系統分析計算的權威軟件之一[4-5],但是BPA每次只能進行一種運行工況下的潮流計算,如果需要進行不同運行工況下的潮流計算,必須重新填寫潮流文件。靜態電壓穩定分析需要多次使用BPA進行潮流計算,所以,編寫穩定可靠的BPA接口程序,是解決該問題的關鍵。

2.1 BPA接口框架

BPA接口框架如圖2所示。BPA的接口包括4個模塊:進程處理模塊、穩定分析模塊、曲線繪制模塊、容錯處理模塊。

圖2 BPA接口框架

2.2 各模塊的功能

2.2.1 進程處理模塊

進程處理模塊是與核心計算引擎聯系最為緊密的一個模塊,負責BPA潮流分析程序的啟動、關閉以及動態調整進程運行優先級等相關任務。

2.2.2 穩定分析模塊

穩定分析模塊是整個靜態電壓穩定分析的核心,可以完成多項功能。

1)按照靜態電壓穩定分析模型中負荷增長方式、機組出力調度方式、機組無功出力越限處理等規則形成潮流計算原始文件,供BPA潮流計算使用。

2)讀取BPA潮流計算結果,并對結果進行分析計算,求取靜態電壓穩定裕度,并將分析結果存入數據庫或返回到用戶界面。

2.2.3 曲線繪制模塊

利用穩定分析模塊讀取的結果,繪制P-V曲線圖。

2.2.4 容錯處理模塊

由于程序在運行過程中可能會出現錯誤導致程序陷入死循環,所以容錯處理模塊是整個接口設計中不可或缺的一環。它對在運行過程中出現的各種錯誤及時地進行處理,并將出錯信息反饋給前臺,從而提高程序的魯棒性。

3 電壓靜穩裕度指標

在靜態電壓穩定分析中,采用連續潮流計算,通過逐漸增加負荷的方式,可以確切計算出節點臨界功率。通過臨界功率,可以計算出當前運行狀態的電壓靜穩裕度指標。

假設某節點的P-V曲線如圖3所示,圖中P o和V o分別為節點當前運行狀態的功率及電壓;P c和V c分別為臨界功率及電壓,則靜穩裕度指標SVSI計算式如式(3)所示:

圖3 P-V曲線

由式(3)可知,當運行狀態靠近臨界點,靜穩裕度指標減小,反之則增大。也就是說,靜穩裕度指標的大小,體現了當前運行狀態節點靜態電壓穩定情況。

4 黃渡分區靜態電壓穩定分析

為了研究2010年黃渡分區的靜態電壓穩定水平,選擇夏季高峰這種典型運行方式進行分析,求取正常運行情況下的有功負荷電壓穩定裕度、電壓靜穩裕度以及黃渡分區的電壓薄弱區域。

黃渡分區處于上海的西部電網,是上海電網的負荷中心。它通過黃渡站4臺主變從500 kV系統受電,分區電網呈放射狀,向西郊、威武、于田、青浦和嘉定供電。分區內部只有一臺12 MW小機組。500 kV黃渡站夏季高峰時的P-V曲線圖如圖4所示。

圖4 500 kV黃渡站夏季高峰時P-V曲線

500 kV黃渡站的初始有功負荷2250 MW;有功負荷穩定極限為6330 MW;有功負荷穩定裕度為4080 MW;初始電壓為501.62 kV;電壓靜穩極限為 429.92 kV;電壓靜穩裕度為14.30%。

對于黃渡分區所有220 kV節點,逐個等功率因數增加其負荷,逐步逼近系統的臨界狀態,全網的其他節點的負荷保持不變,得出該節點對應的P-V曲線,并計算其相應的有功裕度值。

黃渡分區總共有17個220 kV的母線節點(其中帶有負荷節點的有11個),其有功裕度由小到大排列,如表1所示。

表1 正常運行方式下黃渡分區220 kV母線有功裕度

由表1可以看出,在正常的運行方式下,青浦(SQP_29__)、古北、青浦(SQP_26__)、威武、嘉定等母線節點值最小,反映出這幾個節點的負荷較重,同時負荷增長裕度最小,成為黃渡分區承受負荷增長能力最差的幾條母線,是黃渡分區的薄弱母線。但是,在斷開黃渡分區外部昆太-徐行雙線時,系統的極限傳輸功率有較大的減少。

在正常運行方式下,系統的極限傳輸功率為30647.94 MW,負荷裕度指標為25.55%;斷開昆太-徐行雙回輸電線后,系統的極限傳輸功率降為29093 MW,系統的負荷裕度為19.18%。由此可以看出,由于系統的網架結構發生變化,斷開了和江蘇電網的其中一個交流聯絡通道,從而使得系統的極限傳輸功率發生了變化,進而造成系統的負荷裕度有了很大的降低,使系統帶負荷的能力大為減弱。

在這種運行方式下,一旦發生負荷快速增長,很可能會導致系統在來不及采取措施的情況下,發生電壓失穩事故。

斷開昆太-徐行單回線、斷開昆太-徐行雙回線以及正常運行三種運行方式下黃渡站500 kV側母線電壓和上海電網總有功負荷的P-V曲線圖如圖5所示。

對上述三種運行方式進行比較,由圖5可以清楚地看到,斷開昆太-徐行單回線時的P-V曲線和正常運行方式下的P-V曲線幾乎重合,但是斷開昆太-徐行雙回線時的P-V曲線和正常運行方式下的P-V曲線發生了較大的偏離,系統的極限傳輸功率有較大減少,黃渡站500 kV側電壓有較大程度的下降。在這種運行方式下,系統的靜態電壓穩定存在一定的問題。

圖5 斷開昆太-徐行單雙回線和正常運行方式下P-V曲線對比

5 提高電壓穩定水平的措施

提高電壓穩定水平的措施有多種。

1)加強電網建設強化電網結構 雖然目前黃渡分區電壓靜穩裕度能夠滿足負荷增長的要求,但是黃渡分區內部僅有一臺12 MW的小機組,而且分區電力仍需通過聯變來供應,所以需要加強分區電源建設。其次,要加強分區內電源與負荷、負荷與負荷之間的聯系,形成堅強網架,確保分區電網具有較高的電壓穩定裕度。另外,還要加快黃渡分區和上海電網其他分區之間的備用通道建設,解決黃渡分區聯發生變故障時的電能供應問題。

2)強化電網的無功配置 強化電網的無功配置主要通過無功補償裝置等手段來支撐系統的薄弱區域。它是運行人員處理電壓穩定相關問題的主要控制手段,能經濟有效地提高系統的負荷裕度。黃渡分區的青浦、古北、威武、嘉定等節點是分區電網的薄弱節點,需要在這些節點處投入無功補償裝置,用以提高其穩定裕度。

3)強化低壓減載措施的配置與管理 低壓減載被認為是防止系統發生電壓崩潰的有效措施,是防止系統大面積停電、維持系統安全穩定運行的第三道防線的重要組成部分。黃渡分區作為上海電網的負荷中心,其低壓減載方案的主要目的是預防靜態電壓失穩(負荷持續增長超過極限)以及大擾動時減緩電壓失穩(短時間內系統達到電壓穩定狀態,但以后由于系統內其他自動調節或控制裝置的調控,導致系統電壓緩慢下降,最終發生電壓崩潰),而不是暫態電壓失穩。

根據已有系統的運行經驗,單純的分布式或集中式低壓減載系統均難保證可靠的正確動作。因此,黃渡分區低壓減載方案,建議以集中式為主,分布式為輔,集中式和分布式方案相結合,分布式裝置作為集中式系統的后備,并在集中式系統未正確動作時維持系統電壓的穩定性。

7 結論

基于BPA軟件能有效進行單次潮流分析與計算的特點,設計并構建電力系統靜態電壓穩定分析的BPA外部接口。采用該方案可以進行連續潮流計算、確定節點靜態電壓穩定裕度、繪制節點P-V曲線,是實現電力系統靜態電壓穩定分析的一種有效工具。將該方法應用于上海黃渡分區電網的靜態電壓穩定分析與計算,證明了該方法通用性強。通過對電力系統靜態電壓穩定分析的連續潮流仿真計算。證實了采用該方法可以提高電網電壓的穩定性,這一措施對分區電網安全運行具有一定的現實意義。

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