含風電系統的線路阻塞預防

李澤琦，李宏強，陳定輝，劉月賢，先逸

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2. 四川省西昌電業局，四川 西昌 615000)

含風電系統的線路阻塞預防

李澤琦1，李宏強1，陳定輝2，劉月賢1，先逸1

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2. 四川省西昌電業局，四川 西昌 615000)

風電場出力的不確定性增加了風電并網后線路阻塞可能性。為防止因風電功率波動導致的線路阻塞，在.NET平臺上開發了基于風電功率預測結果的調度輔助決策系統。根據超短期風電功率預測的結果和實時電網數據，并考慮預測時刻電網的調度計劃，校驗15min后電網是否存在線路阻塞。分析阻塞線路上功率對可控節點單位功率增減的響應情況，提出通過調用PSASP軟件計算阻塞線路靈敏度的方法，為調度人員消除線路阻塞提供參考策略。將研發系統應用于實際電網中，驗證了所提出的消除線路阻塞的輔助決策的有效性。

風電功率；PSASP；線路阻塞；靈敏度

1 引言

近年來風力發電技術發展迅速，風電并網技術日益趨于成熟，但是風電功率的不確定性使電網線路上功率的變化也具有不確定性,增加了發生阻塞的可能性。提前獲取因風電功率波動導致的電網線路阻塞的相關信息，這有利于運行人員了解阻塞情況,方便調度員預防或緩解可能發生的線路阻塞。

電力網絡作為發電站和用戶負荷之間的電能傳輸通道，是否正常運行影響著系統的安全和可靠性。在發電側開放的電力市場條件下，為保證參與的各電廠公平競爭，須按各電廠的競價曲線，合理分配各電廠出力。風電作為清潔能源，在盡可能的對其消納的前提下，根據競價確定的各發電機組出力更加增加了線路阻塞的可能性。在靜態安全分析中，對電力網絡進行潮流計算，以確定是否存在線路阻塞[1]。如果預計某些設備會出現阻塞,可以通過發電機逆序運行、調整備用、分配傳輸容量所有權以及建立阻塞價格體系等方式來消除阻塞[2]。如果在實時運行過程中出現阻塞,則通常采用發電機的重新調度或切負荷來消除阻塞[3]。常見消除阻塞的算法主要有基于最優潮流計算的優化規劃類算法[4-8]和基于靈敏度分析的調整類算法[3,9-11]。

靈敏度分析法常采用建立直流潮流模型或交流潮流模型計算靈敏度，再通過PSASP等仿真軟件校驗模型的正確性[12]，而本文則通過設計外部程序與PSASP的接口，直接調用PSASP潮流計算模塊進行靈敏度計算。

在實際電網中，電網對新接入風電進行完全消納時，風電功率的波動將會增加線路阻塞的可能性。針對實際存在的問題，為預防線路阻塞，開發一套風電預測調度輔助系統。本系統以.NET平臺為開發環境，對風電功率進行15min滾動預測，利用PSASP計算阻塞線路相對于調度可控節點的靈敏度，為調度人員預防線路阻塞提供參考。

2 風電預測與調度輔助系統

根據風電場向調度中心上傳的實時信息，對風電場輸出功率進行15min一點的實時滾動預測；將超短期風電功率預測的結果和實時電網數據，并考慮預測時刻電網的調度計劃導入PSASP模型數據庫中，進行潮流計算，校驗是否存在線路阻塞；若存在線路阻塞，則利用系統與PSASP的接口進行阻塞線路靈敏度計算，給出消除線路阻塞方案。

2.1 PSASP數據庫及接口

電力系統分析綜合程序(Power System Analysis Software Package)簡稱PSASP，基于電網基礎數據庫、固定模型庫可進行電力系統的各種計算分析，利用PSASP潮流計算模塊進行潮流計算可以確定網絡是否存在線路阻塞。在PSASP安裝默認安裝文件夾有各種功能模塊和數據表，可以從數據表opdir.dbf獲取算例路徑；可以運行潮流計算模塊hlfcal.exe對算例進行潮流計算。在調用PSASP時，需要對算例中相關數據庫進行操作，Commdata.dbc是基礎數據庫，用于存放發電機負荷等信息；L_data.dbc是潮流作業數據庫，潮流計算模塊進行分析時，會首先從L_data.dbc中讀取相關數據；Lfresult.dbc是潮流計算結果數據庫，可以從中讀取線路潮流。

為了達到控制PSASP潮流計算模塊并獲取計算結果的目的，基于.NET平臺開發本系統，系統應用C#語言、SQL語句實現外部程序直接與PSASP算例數據庫的接口，能夠自動修改讀取數據庫Commdata.dbc、L_data.dbc、Lfresult.dbc中數據信息，而無需在通過PSASP軟件界面進行操作，并且通過API(Application Programming Interface,應用程序編程接口)獲取潮流計算模塊的句柄，實現自動快速的控制潮流計算模塊的打開與關閉。

2.2 基于PSASP軟件靈敏度計算方法

正常情況下，線路和變壓器支路傳輸的無功功率很小，實行“無功就地平衡”以減少網損。因而對于解決阻塞問題，等效于解決支路所傳輸的有功功率越限問題。

靈敏度分析是一種經典的電力網絡分析方法，系統穩態運行時，線路潮流可以表示為：

(1)

式中：Pi為節點注入功率；Sk,j=?Lk/?Pi為線路k相對于節點i的靈敏度系數。

寫成矩陣形式為：

L=SP

(2)

式中：L為m維列向量，P為n維列向量，m為線路數目，n為節點數目，S為m×n的靈敏度矩陣。

在電力系統網絡拓撲不變的正常運行情況下，線路潮流不會發生突變，假定一個小范圍內靈敏度系數不變，在系統穩定運行點線性化，寫成增量形式：

ΔL=SΔP

(3)

(4)

ΔP=(0,0…Δp…0,0)T

(5)

ΔP為第i個元素為Δp，其余元素為0的n維列向量，因此靈敏度矩陣S中第i列為Si=ΔL/ΔP，如果依次改變每個節點節點注入功率，可以得到靈敏度矩陣S。

程序基本流程圖如圖1所示(圖1為圖3虛線部分)：

步驟1 讀取阻塞線路信息，包含阻塞線路數目、對應于PSASP模型的唯一識別編號、實際名稱和有功功率。

步驟2 從第一個可控節點開始，建立程序與PSASP潮流模型數據庫L_data.dbc的連接，修改數據庫，改變Δp有功出力。修改完畢后，關閉到數據庫的連接。

步驟3 進行PSASP潮流計算模塊的調用，進行潮流計算，計算完畢后程序將自動關閉潮流計算模塊。PSASP潮流計算模塊運行時必須先關閉潮流模型數據庫，潮流計算模塊還未完全關閉時不能操作修改數據庫，在程序設計上采用句柄控制的方法，當需要修改數據庫時，檢測PSASP潮流計算模塊程序句柄返回值是否為0，如果不為0，則發送關閉潮流計算模塊程序消息，進行一個延遲時間后繼續檢測，直至返回值為0后方可對數據庫進行操作。

步驟4 連接并讀取潮流計算結果數據庫Lfresult.dbc計算出節點對所有阻塞線路靈敏度的值，并還原L_data.dbc數據庫。

步驟5 連接PSASP數據庫，修改節點有功功率值，模型還原到初始狀態后關閉數據庫。

步驟6 是否已對所有可控節點進行計算，如果沒有重復2～5步，如果已經進行完畢，則進行7步。

步驟7 使用冒泡排序法對“可減出力發電機”、“可加出力發電機”、“可切負荷”按靈敏度大小排序。

步驟8 將輸出結果顯示與界面。

所有計算出的靈敏度結果都是相對于平衡機而言，因此平衡機的靈敏度為0，同時由于減少發電機出力導致的不平衡功率全部由平衡機提供，增加了平衡機壓力，相對于過載線路靈敏度為負的發電機可以增加發電機出力，按照反向等量配對法，消除線路阻塞。

圖1 調用PSASP計算靈敏度方法

2.3 風電預測與調度輔助系統設計

對接入風電場輸出功率進行實時滾動的15min超短期預測，將預測結果導入到PSASP數據庫Commdata.dbc中對應的風電機組；同時，在數據庫Commdata.dbc中導入下一15min各個發電機組開停機及發電計劃(調度計劃)，為PSASP軟件校驗下一15min是否可能存在線路阻塞提供必要數據。PSASP軟件將數據庫Commdata.dbc中潮流計算所需數據導入數據庫L_data.dbc中，通過PSASP安裝文件夾下opdir.dbf數據表讀取算例路徑，調用PSASP潮流計算模塊hlfcal.exe對下個15min網絡潮流進行安全校驗，是否存在線路阻塞，程序流程圖如圖2所示。

圖2 線路阻塞校驗

判斷線路是否存在阻塞，若不存在，程序結束；若存在阻塞線路，則調用PSASP進行過載線路相對于調度可控節點的靈敏度計算；將過載線路名稱以及計算結果顯示與界面為調度人員修改調度計劃提供輔助參考；修改數據導入PSASP潮流計算數據庫L_data.dbc進行潮流計算，再次檢驗是否仍然存在線路過載，如果仍存在則重復上述過程。程序流程圖如圖3所示。

3 系統實際應用及測試

以某含風電的實際電網為例，根據風電場向調度提供的實時信息，對風電場輸送功率進行15min超短期滾動預測，將預測主程序結果讀入PSASP模型中并顯示于人機界面。風電預測系統構架和數據流如圖4所示，人機界面如圖5所示。

圖4 風電預測系統總體架構和數據流

圖5 人機界面

在某運行工況下，預測下一時刻可能出現“110kV樹屯線”阻塞，啟動軟件靈敏度計算功能計算各個可控發電機節點、負荷節點對過載線路的靈敏度。運行結果界面如圖6顯示。

圖6 程序運行結果顯示界面

根據發電機對阻塞線路靈敏度的大小，分別對“可減出力發電機”的發電站減少出力，驗證阻塞線路有功功率的下降及其消除阻塞的情況，如表1所示。

表1 阻塞線路有功隨發電站出力變化

根據負荷對阻塞線路靈敏度的大小，分別減少負載，驗證阻塞線路有功功率的下降及其消除阻塞的情況，如表2所示。

表2 阻塞線路有功隨負荷變化

由表1和表2可以看出，按照程序運行結果，優先考慮排在前面的發電機或負荷更能消除線路阻塞，為調度人員預防線路阻塞提供參考，但調度人員可根據經驗，選擇合理的操作。在本例中：德牽負荷是牽引變電站負荷，屬于重要負荷，不應優先考慮切除，而中屯負荷靈敏度與德昌負荷比較接近。當減少三棵樹電站2MW出力、切除2MW中屯負荷時，過載線路有功功率下降1.843MW，并消除了線路阻塞。

4 結語

本文通過對PSASP潮流計算功能模塊和數據庫的運行機制進行分析，現實外部程序與PSASP的接口。為防止因風電功率波動引起的線路阻塞，基于實時超短期風電預測結果校驗網絡安全性，提出一種利用PSASP計算過載線路相對于各個節點靈敏度的方法，為調度人員提出一種消除線路阻塞的參考決策。

為防止數據沖突，在調用PSASP計算靈敏度時，通過控制API獲取的潮流計算模塊的句柄，實現計算模塊的自動關閉，無需手動操作，大大減少了工作量。

本文中所開發的系統在實際電網中經過測試驗證了其有效性。

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Preventive Measures of Line Congestion with Wind Power Integration

LIZe-qi1,LIHong-qiang1,CHENDing-hui2,LIUYue-xian1,XIANYi1

(1.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Xichang Electrical Industry Bureau of Sichuan Province,Xichang 615000,China)

The probability of lines congestion is increased as the result of the uncertainty of wind farm output for the wind power integrated grid.In this paper，a dispatching auxiliary decision-making system based on the prediction results of wind power was developed on the.NET platform in order to prevent the line congestion caused by fluctuations of wind power.Considering the results of short-term wind power prediction，the real-time grid data and the grid scheduling plan，the future grid of 15minutes later was checked whether there are the line congestions.By analyzing the response of congested lines′ power to the regulation of controlled nodes′ power and calling the PSASP software to calculate the sensitivity of congested line，a method which could provide the reference strategies to eliminate line congestion for dispatchers were proposed.The developed system has been applied in an actual grid and the effectiveness of the proposed auxiliary decision-making was validated to eliminate line congestion.

wind power；PSASP；line congestion；sensitivity

1004-289X(2015)02-0048-05

TM71

B

2014-02-28

李澤琦(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與運行控制； 李宏強(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與建模仿真； 陳定輝(1982-)，男，工程師，研究方向為電力系統運行與控制、新能源發電與智能電網； 劉月賢(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與運行控制； 先 逸(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行及其自動化。