存在假電氣孤島情況下的地區(qū)電網(wǎng)潮流計(jì)算

黃小耘

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，佛山 528000）

地區(qū)電網(wǎng)的配電網(wǎng)（包括110 k V的高壓配電網(wǎng)）一般開(kāi)環(huán)運(yùn)行，地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)度員合環(huán)潮流計(jì)算是在合環(huán)操作前進(jìn)行潮流計(jì)算以校核設(shè)備是否過(guò)載，在電網(wǎng)安全運(yùn)行方面有很大作用。由于地區(qū)電網(wǎng)是省級(jí)電網(wǎng)的一部分，邊界以外的信息需要從上一級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)獲得。外網(wǎng)等值是解決邊界外信息的一個(gè)方法，但由于模型的構(gòu)建和傳輸?shù)确矫娴睦щy，其應(yīng)用效果很差。

地區(qū)電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)ESM（energy management system）中高級(jí)應(yīng)用軟件的主要功能是狀態(tài)估計(jì)和調(diào)度員潮流。狀態(tài)估計(jì)得出各母線電壓的幅值和相角數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)用于調(diào)度員潮流計(jì)算［1］。

假設(shè)SCADA／EMS（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集／能量管理系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition／energy management system）的測(cè)量是完整的，也就是說(shuō)各母線電壓幅值和各線路的有功、無(wú)功、電流的測(cè)量是完備的。在上面假設(shè)的情形上，對(duì)于一個(gè)完整的互聯(lián)電網(wǎng)其狀態(tài)估計(jì)和潮流計(jì)算都是沒(méi)有問(wèn)題的。由于地區(qū)電網(wǎng)只是互聯(lián)電網(wǎng)的一部分，地區(qū)電網(wǎng)EMS只有本地?cái)?shù)據(jù)，在電氣拓?fù)渖峡赡軙?huì)出現(xiàn)幾個(gè)假電氣孤島的情況。

在“孤島”的情況下回存在幾條平衡母線，“孤島”之間的合環(huán)潮流計(jì)算肯定是不可能的，因?yàn)槠胶饽妇€的電壓角度為0，而實(shí)際上只有一條平衡母線，其余的"平衡母線"由于與真正的平衡母線有電氣聯(lián)系，其電壓角度并不為0。

解決以上問(wèn)題的一個(gè)方法是外網(wǎng)等值［2］，這時(shí)可以利用上一級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)在地區(qū)電網(wǎng)EMS構(gòu)建一個(gè)超越其邊界的更大的模型來(lái)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和潮流計(jì)算，由上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)計(jì)算等值的邊界模型向下級(jí)發(fā)送，地區(qū)EMS根據(jù)上級(jí)的等值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算。

由于外網(wǎng)等值數(shù)據(jù)不能直觀地加以檢驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用中較難取得良好的效果。本文提出解決問(wèn)題的第二個(gè)方法是由上一級(jí)調(diào)度定時(shí)向地區(qū)調(diào)度EMS發(fā)送狀態(tài)估計(jì)后地區(qū)電網(wǎng)邊界母線電壓的相角，地區(qū)電網(wǎng)根據(jù)以上數(shù)據(jù)修正其各個(gè)孤島的母線電壓相角，最后修正全地區(qū)母線電壓的相角。

本文提出解決問(wèn)題的第三個(gè)方法是是直接測(cè)量地區(qū)電網(wǎng)各個(gè)孤島平衡母線電壓的相角，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果修正各個(gè)母線電壓的相角。

本文分3節(jié)描述以上3種方法。第二節(jié)介紹上一級(jí)調(diào)度下發(fā)等值電網(wǎng)數(shù)據(jù)的方法，第三節(jié)提出上一級(jí)調(diào)度下發(fā)狀態(tài)估計(jì)后母線電壓相角信號(hào)，第四節(jié)提出應(yīng)用同步相量測(cè)量系統(tǒng)于地區(qū)調(diào)度員潮流計(jì)算的方法。

1 上一級(jí)調(diào)度下發(fā)等值電網(wǎng)數(shù)據(jù)

圖1是一個(gè)地區(qū)主干電網(wǎng)的示意。在該種情形下，對(duì)于兩個(gè)電氣"孤島"間的潮流計(jì)算是不可能的。大圓里面是地區(qū)EMS的“視界”，大圓外面是上級(jí)調(diào)度的EMS。實(shí)線的連線代表連通的線路，如AC、CD、DB、BF；虛線代表斷開(kāi)的線路，如線路EF。在上面情況下，地區(qū)EMS的“視界”有兩個(gè)“孤島”，一個(gè)由A、E點(diǎn)組成，另一個(gè)電氣島由點(diǎn)B、F組成。當(dāng)然，在上一級(jí)調(diào)度的“視界”看來(lái)，這兩個(gè)電氣島其實(shí)是同一個(gè)電氣島，因?yàn)锳、C、D、B是連通的。

地區(qū)電網(wǎng)是整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)的一部分，如果某個(gè)地區(qū)電網(wǎng)試圖對(duì)其內(nèi)部電網(wǎng)進(jìn)行分析，它的外部互聯(lián)電網(wǎng)需要用合適的方式予以表達(dá)。由于地區(qū)電網(wǎng)分析只對(duì)其內(nèi)部潮流感興趣，外部網(wǎng)絡(luò)就以等值的形式表達(dá)。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)EMS的困境Fig.1 Dilemma of EMS in an area network

潮流方程如下：

式中：Y為系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣；V為電壓向量矩陣；I為電流向量矩陣。

將式（1）以下標(biāo)區(qū)分為內(nèi)部（i）節(jié)點(diǎn)，邊界（b）節(jié)點(diǎn)和外部（e）節(jié)點(diǎn)，可以寫(xiě)成

將外網(wǎng)等值，就可以消去外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，等值的潮流方程為

以上就是Ward等值電路的原理。

由于地區(qū)電網(wǎng)沒(méi)有外網(wǎng)的數(shù)據(jù)，上級(jí)調(diào)度可以定時(shí)計(jì)算地區(qū)電網(wǎng)需要的外網(wǎng)等值數(shù)據(jù)，即計(jì)算出Y′BB和I′B然后將其向地區(qū)調(diào)度發(fā)送。地區(qū)電網(wǎng)根據(jù)外網(wǎng)等值網(wǎng)絡(luò)計(jì)算其內(nèi)部潮流。

以上過(guò)程要涉及外網(wǎng)等值模型的傳送、解釋和維護(hù)，國(guó)內(nèi)有其實(shí)際應(yīng)用［3］。在實(shí)際運(yùn)行中，由于較難校驗(yàn)外網(wǎng)等值數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，同時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常發(fā)生變化，給等值模型的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不少難度。

2 上一級(jí)調(diào)度下發(fā)狀態(tài)估計(jì)后母線電壓相角信號(hào)

上一級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)的EMS具有全局的電網(wǎng)模型和實(shí)時(shí)信號(hào)，可以將狀態(tài)估計(jì)后的所有“平衡母線”的電壓相角信號(hào)發(fā)到地區(qū)調(diào)度EMS。

這樣做以后，地區(qū)調(diào)度EMS就不用維護(hù)外部的模型和數(shù)據(jù)了。

上一級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)的EMS定時(shí)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)運(yùn)算，將地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)需要的邊界節(jié)點(diǎn)的電壓相量信息下送地區(qū)電網(wǎng)EMS系統(tǒng)，然后地區(qū)電網(wǎng)EMS根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)的電壓向量修正其全局的電壓相量。

需要解決的問(wèn)題是EMS中的運(yùn)算結(jié)果不同于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為遙測(cè)數(shù)據(jù)的格式才能下發(fā)。

對(duì)于圖1，如果將節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B分別作為兩個(gè)孤島的平衡母線，則它們的電壓相角都是0°。通過(guò)測(cè)量可以在主站計(jì)算出AB兩點(diǎn)的相角差，將這個(gè)相角差疊加到狀態(tài)估計(jì)后的其他節(jié)點(diǎn)，就可以得出正確的節(jié)點(diǎn)電壓相角作為修正后的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果，該結(jié)果可以用于潮流計(jì)算。

例如圖1中在兩個(gè)孤島的狀態(tài)估計(jì)中，E點(diǎn)對(duì)A點(diǎn)電壓相角為5°，F(xiàn)點(diǎn)對(duì)B點(diǎn)電壓相角為4°，測(cè)量得出B點(diǎn)對(duì)A點(diǎn)之間的電壓相角為6°，則F點(diǎn)對(duì)A點(diǎn)的電壓相角實(shí)際為4°＋6°＝10°，F(xiàn)點(diǎn)對(duì)E點(diǎn)電壓相角實(shí)際為10°－5°＝5°。

假設(shè)地區(qū)EMS存在兩個(gè)假電氣孤島M和N，孤島M是地區(qū)電網(wǎng)的大島，孤島N是小島。本文目標(biāo)是將孤島N合并到孤島M形成一個(gè)全地區(qū)唯一的電氣島。G是電氣島M的平衡母線；H是電氣孤島N與外網(wǎng)的邊界母線，同時(shí)也設(shè)定它為電氣孤島N的平衡母線。

兩個(gè)電氣島之間用一條虛擬的線路GH來(lái)代替外網(wǎng)，以后G為平衡節(jié)點(diǎn)，H化為一般的PQ節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)在要計(jì)算線路GH的參數(shù)電阻R和電抗X。如圖2所示。

圖2 在同一個(gè)地區(qū)中的兩個(gè)假電氣孤島Fig.2 Two false electric islands in an area network

假定系統(tǒng)額定電壓為U，GH的電壓幅值差為ΔU，電壓相角差為Δθ。線路GH的有功值為P，無(wú)功值為Q。

對(duì)于阻抗為R＋j X的線路，可以得出兩端的電壓幅值和相角差［4］（線路兩端P和Q有差異，取其平均值）為

對(duì)于高壓電網(wǎng)來(lái)講，X?R，P?Q，則XP?RQ，式（5）可以簡(jiǎn)化為

由式（4）、式（6）得

這里取內(nèi)外網(wǎng)潮流的總加的有功和無(wú)功分別作為P和Q。

經(jīng)過(guò)上面等價(jià)以后，地區(qū)潮流計(jì)算就可以用一個(gè)電氣島來(lái)計(jì)算，其單一的平衡節(jié)點(diǎn)在A點(diǎn)。

電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換一般僅限于SCADA數(shù)據(jù)，高級(jí)應(yīng)用軟件計(jì)算后的結(jié)果一般不在其中。運(yùn)用該方法時(shí)上級(jí)調(diào)度要將狀態(tài)估計(jì)后的關(guān)鍵電壓相角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一般的遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)往地區(qū)調(diào)度，由地區(qū)調(diào)度根據(jù)上級(jí)的電壓相角數(shù)據(jù)修正其狀態(tài)估計(jì)結(jié)果并進(jìn)行調(diào)度員潮流計(jì)算。

本方法比較直觀，容易維護(hù)，效果較好。

3 同步相量測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

全球定位系統(tǒng)GPS（global position system）等高精度同步時(shí)鐘信號(hào)的出現(xiàn)使得同步相量的直接測(cè)量成為可能。同步相量測(cè)量系統(tǒng)由相量測(cè)量單元PMU（phasor measurement unit）、高速通信設(shè)備和主站處理系統(tǒng)組成，能直接測(cè)量電力系統(tǒng)的母線電壓相角。電力系統(tǒng)中電壓相角可測(cè)或可以求出的節(jié)點(diǎn)為可觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，否側(cè)為不可觀測(cè)節(jié)點(diǎn)。配置PMU的節(jié)點(diǎn)和相鄰節(jié)點(diǎn)為可觀測(cè)節(jié)點(diǎn)［5］。

PMU是獨(dú)立于變電站已有的自動(dòng)化設(shè)備的一套設(shè)備，一般采用獨(dú)立的2M數(shù)據(jù)通道，采用IEEE1344規(guī)約；在調(diào)度端有獨(dú)立的主站系統(tǒng)。PMU采集線路數(shù)據(jù)，采集的點(diǎn)數(shù)較多，價(jià)格很高，一般只在500 k V變電站部署。如果PMU全面部署，則狀態(tài)估計(jì)就會(huì)變成線性的［6］。

同步相量測(cè)量系統(tǒng)的主站一般只在中調(diào)及以上的調(diào)度機(jī)構(gòu)部署，地區(qū)電網(wǎng)如需要其數(shù)據(jù)只能通過(guò)上級(jí)的轉(zhuǎn)發(fā)。

同步相量測(cè)量的精度0.1°［7］，基本滿足調(diào)度員潮流計(jì)算的要求。

如果在任意一個(gè)電氣島中都有至少一條母線的電壓相角數(shù)據(jù)得以獲取，就能如上一節(jié)的方法一樣修正全局母線的電壓相角，得出正確的全局狀態(tài)估計(jì)，構(gòu)筑統(tǒng)一的電氣島以進(jìn)行調(diào)度員潮流計(jì)算。

由于PMU只有在某些站點(diǎn)有布點(diǎn)，例如只在500 k V變電站有部署，在某個(gè)“電氣孤島”不一定有PMU部署，這是就要從上級(jí)獲取PMU布點(diǎn)母線到邊界母線的連線的SCADA信息以建立起電氣聯(lián)系。如圖3所示，需要有上一級(jí)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)線路BD的SCADA數(shù)據(jù)。并且將BD之間的電氣部分納入該電氣島的狀態(tài)估計(jì)。

圖3 邊界節(jié)點(diǎn)與有PMU節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)Fig.3 Connection of border nodes and PMU nodes

應(yīng)用同步相量測(cè)量數(shù)據(jù)于地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度員潮流計(jì)算的數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 同步相量測(cè)量數(shù)據(jù)用于潮流計(jì)算的數(shù)據(jù)流Fig.4 Synchronized phasor measurement data for the data flow of power－flow calculation

同步相量測(cè)量系統(tǒng)將其測(cè)量處理后的邊界母線電壓相角數(shù)據(jù)發(fā)送到同級(jí)的EMS系統(tǒng)，然后由上級(jí)EMS將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到地區(qū)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，由地區(qū)調(diào)度根據(jù)上級(jí)的電壓相角數(shù)據(jù)修正其狀態(tài)估計(jì)結(jié)果并進(jìn)行調(diào)度員潮流計(jì)算。

本方法直觀，容易維護(hù)，效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

由于地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)觀測(cè)性的限制，在地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象時(shí)進(jìn)行調(diào)度員潮流計(jì)算就需要上級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的支持。本文描述的三個(gè)方法的核心都是由上級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)將地區(qū)調(diào)度員潮流計(jì)算必需的數(shù)據(jù)發(fā)往地區(qū)EMS，由地區(qū)EMS根據(jù)外網(wǎng)等值數(shù)據(jù)或電壓相角數(shù)據(jù)正確的計(jì)算出調(diào)度員潮流。

對(duì)于存在電氣假孤島現(xiàn)象的地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)，利用本文第三節(jié)和第四節(jié)提出的方法可以較為準(zhǔn)確計(jì)算合環(huán)潮流，避免合環(huán)操作引起的跳閘，大大提高調(diào)度員對(duì)系統(tǒng)的掌控能力，提高電力系統(tǒng)可靠性，而系統(tǒng)的維護(hù)又較為直觀方便。

假電氣孤島現(xiàn)象是地區(qū)電網(wǎng)普遍存在的問(wèn)題，以前由于地區(qū)電網(wǎng)ESM運(yùn)維水平較低，一直沒(méi)有很好處理。隨著電網(wǎng)日益復(fù)雜，調(diào)度和方式專業(yè)的需求日漸提高，到現(xiàn)在必須正視假電氣孤島的問(wèn)題。由于各地情況不一，可以靈活運(yùn)用本文提出的方法，以期取得較好效果。

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