大電網(wǎng)運行趨勢在線安全穩(wěn)定分析系統(tǒng)

奚江惠，奚江麗，胡濟洲，徐遐齡，黨杰

(1． 國家電網(wǎng)華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢430077;2． 國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢430077;3． 中交第二公路勘測設計院，湖北 武漢430050)

“十二五”期間，華中電網(wǎng)已形成特高壓四直一交格局，特高壓交直流通道已成為西南水電、西北風火打捆電力、華北火電等跨區(qū)跨省大范圍輸送的主干通道。交直流電網(wǎng)之間、送受端電網(wǎng)之間、特高壓、超高壓不同電壓等級電網(wǎng)之間的相互關聯(lián)關系趨于復雜，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了新挑戰(zhàn)，迫切需要不斷提升大電網(wǎng)自動化、智能化的在線安全分析控制能力，以有效適應電網(wǎng)快速變化，提升監(jiān)控和應急水平。

華中電網(wǎng)已建成智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)，基于其D5000 平臺建成了在線安全分析與預警系統(tǒng)(下簡稱DSA 系統(tǒng))。相比離線人工安全分析，在線模式更適應電力系統(tǒng)運行方式不斷變化的特點〔1－4〕。DSA 系統(tǒng)的功能是對系統(tǒng)當前運行方式進行周期性安全穩(wěn)定在線分析，文中所述的新型在線分析系統(tǒng)對此功能進行了拓展，根據(jù)電力系統(tǒng)當前運行狀態(tài)，結(jié)合日前、日內(nèi)發(fā)電計劃、檢修計劃等信息，判斷未來短時間內(nèi)電網(wǎng)可能發(fā)生的變化，超前進行安全分析，預估電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題和發(fā)展趨勢，對未來狀態(tài)進行預警，實現(xiàn)傳統(tǒng)的事故報警到事故預警的新模式。該系統(tǒng)是國家科技部863 計劃“提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定和運行效率的柔性控制技術”和國家電網(wǎng)公司“大電網(wǎng)規(guī)劃與運行控制技術深化研究重大專題”項目五“大電網(wǎng)在線評估技術深化研究”的配套示范項目，已于2014年在華中網(wǎng)調(diào)建成。

1 原有在線安全分析與預警系統(tǒng)及其應用與局限性

1.1 DSA 系統(tǒng)的基本功能

智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)已在華中電網(wǎng)建成投運數(shù)年，在線安全分析與預警系統(tǒng)(DSA 系統(tǒng))是其中一項高級應用，采用調(diào)度部門通用的離線穩(wěn)定分析工具(如PSASP、BPA 等)，整合在線潮流數(shù)據(jù)和電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，基于并行計算平臺進行自動分析與應用計算，實現(xiàn)在線穩(wěn)定全面分析與評估;根據(jù)計算分析結(jié)果，對電網(wǎng)狀態(tài)進行預警，并采用可視化方法反映給調(diào)度員。其核心是進行靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、靜態(tài)電壓穩(wěn)定和小干擾穩(wěn)定分析評估，給出安全運行邊界、嚴重故障和補救措施建議作為調(diào)度員輔助決策。

DSA 系統(tǒng)由104 個計算節(jié)點組成，15 min 完成一次電網(wǎng)當前運行斷面的周期性完整在線評估。通過整合狀態(tài)估計結(jié)果、電網(wǎng)模型/參數(shù)、故障集、相量量測、輸電斷面和二次信息等信息，生成整合潮流，在這些數(shù)據(jù)準備工作完成基礎上觸發(fā)各類在線安全穩(wěn)定分析功能。因?qū)φ麄€國家電網(wǎng)主網(wǎng)是全建模，不采用簡化模型和外網(wǎng)等值，為提高計算速度，基于多核服務器硬件平臺采用分布式并行計算技術。

1.2 DSA 系統(tǒng)的應用有效性

DSA 系統(tǒng)投運后，已成為重要的電網(wǎng)調(diào)控技術支撐手段，文獻〔5〕給出了電網(wǎng)故障的在線、離線仿真結(jié)果的對比分析，對DSA 系統(tǒng)的仿真效果進行了分析，證明DSA 系統(tǒng)確實可為調(diào)度運行提供有效的快速評估。此外，DSA 系統(tǒng)仿真結(jié)果曲線與WAMS 記錄的電網(wǎng)故障后的實際運行曲線的對比也可以證明該系統(tǒng)的有效性。2014年6月19日特高壓賓金直流調(diào)試期間極方式轉(zhuǎn)換過程中，極Ⅰ突然閉鎖，未啟動切機，輸送功率突降2 432 MW，大量過剩功率在送端華中電網(wǎng)涌動。WAMS記錄曲線顯示川渝聯(lián)絡線之一的黃萬一回線功率從360 MW 突升至1 150 MW(圖1)。運行方式計算人員利用DSA 系統(tǒng)對故障發(fā)生時的電網(wǎng)進行了仿真計算，結(jié)果曲線(圖2)與WAMS 曲線一致。

圖1 黃萬一回線功率WAMS 記錄曲線

圖2 黃萬一回線功率DSA 仿真曲線

1.3 DSA 系統(tǒng)的局限性

目前DSA 系統(tǒng)雖然包括大量的計算功能，具備了短期調(diào)度計劃數(shù)據(jù)(包括發(fā)電計劃和負荷預測)，但還不具備面向穩(wěn)定分析的未來態(tài)自動安全評估功能，迫切需要超前進行安全分析，預估電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題和發(fā)展趨勢，實現(xiàn)未來狀態(tài)事故前預警，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的事故報警向事故預警的模式轉(zhuǎn)變;具備對系統(tǒng)的全面評估功能，但不具備對穩(wěn)定問題的快速定位，當前狀態(tài)數(shù)據(jù)15 min 后出結(jié)果，缺乏時效性，缺乏未來短期電網(wǎng)安全趨勢狀態(tài)的預測能力，對安全穩(wěn)定控制策略與實時狀態(tài)的匹配程度缺乏校核和評估。迫切需要根據(jù)當前狀態(tài)以及可能的變化，掌握電網(wǎng)薄弱斷面的快速識別以及重要故障的快速確定技術。

與此同時，為了達到863 課題申報中在線評估5 min，30 000 節(jié)點規(guī)模考核指標要求，在提高在線并行計算平臺調(diào)度效率的基礎上，需要進一步擴充相應配套計算資源。

即原有DSA 系統(tǒng)在功能和性能指標上均需改進和完善以適應快速變化的大電網(wǎng)的調(diào)控需求。

2 電網(wǎng)運行趨勢在線安全分析系統(tǒng)及功能應用

鑒于DSA 系統(tǒng)的局限性和對新型在線安全分析系統(tǒng)研究應用的迫切性，“跨大區(qū)交直流電網(wǎng)在線安全評估與決策研究及子系統(tǒng)開發(fā)”列入了國家863 第19 課題“提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定和運行效率的柔性控制技術”研究內(nèi)容中，其主要內(nèi)容即為完善原有DSA 系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)運行狀態(tài)變化趨勢預估。為有效支撐國家863 計劃研究，國家電網(wǎng)公司將“大電網(wǎng)在線評估技術深化研究”作為“大電網(wǎng)規(guī)劃與運行控制技術深化研究重大專項”內(nèi)容。華中電網(wǎng)是跨區(qū)交直流互聯(lián)電網(wǎng)的重要樞紐，成為了電網(wǎng)運行趨勢在線安全分析系統(tǒng)(新型DSA 系統(tǒng))的落地示范電網(wǎng)。

2.1 新型DSA 系統(tǒng)

新DSA 系統(tǒng)是基于原有DSA 系統(tǒng)進行功能完善和拓展。根據(jù)文獻〔6〕的要求，在線趨勢分析功能屬于D5000 實時監(jiān)控與預警范疇，是對原有D5000 分析計算功能的深入擴展。新DSA 系統(tǒng)需基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)D5000 平臺構(gòu)建。圖3給出了新DSA 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 新型DSA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 新型DSA 主要功能及應用

新DSA 系統(tǒng)實現(xiàn)在線安全分析的基本流程如圖4 所示。

圖4 新型DSA 系統(tǒng)流程圖

根據(jù)圖4 的流程示意，新DSA 系統(tǒng)首先通過整合計算母線數(shù)不小于35 000 的計算數(shù)據(jù)、超短期調(diào)度預測(包括聯(lián)絡線計劃、發(fā)電計劃和檢修計劃等)，采用潮流預測方法形成未來態(tài)運行狀態(tài)。第二步利用高效并行計算技術可預測15～30 min 的未來運行狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)任一個潛在的安全問題，可視化技術可展示系統(tǒng)條件，調(diào)度員有足夠的時間做出調(diào)整決策。運行趨勢分析結(jié)果既可以在本系統(tǒng)展示也支持送回EMS 展示。

在線趨勢分析系統(tǒng)已經(jīng)在華中網(wǎng)調(diào)建成，其正確性和高效性也已得到在線應用的驗證。圖5 給出的是趨勢潮流分析得到的曲線和實際變化的潮流記錄曲線，對比潮流曲線可以看出預測潮流與實際潮流曲線一致。

圖5 趨勢潮流和實際潮流曲線

圖6 顯示了隨時間變化的熱穩(wěn)定趨勢變化。一旦分析出任何一種不穩(wěn)定，新型DSA 系統(tǒng)將標記這一事件并發(fā)出預警提醒調(diào)度員這一異常狀態(tài)，為調(diào)度員及時采取避免電力系統(tǒng)失穩(wěn)的調(diào)整措施爭取更多的時間提前量。這一點對于駕馭日益復雜的大電網(wǎng)的調(diào)度員非常重要。

圖6 熱穩(wěn)定趨勢分析結(jié)果

3 電網(wǎng)運行趨勢在線安全分析系統(tǒng)的優(yōu)勢

從應用角度，相對原有DSA 系統(tǒng)，在線運行趨勢分析系統(tǒng)的功能方面有較明顯優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)實現(xiàn)了電網(wǎng)多源信息的快速整合及在線數(shù)據(jù)的自動校核。

在線趨勢分析系統(tǒng)在對多源數(shù)據(jù)動態(tài)匹配方面功能更強，可以處理SCADA，CIM/E，PSASP，CIM 等多種類型的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù);開發(fā)與集成了數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和校驗功能，能自動適應電網(wǎng)拓撲變化，實現(xiàn)壞數(shù)據(jù)辨識與過濾;優(yōu)化提高了數(shù)據(jù)處理效率，國家電網(wǎng)35 000 計算母線級數(shù)據(jù)在線整合潮流可在3 s 內(nèi)完成;提供了靈活方便的功能配置機制和輔助檢查工具，提高整合數(shù)據(jù)易維護性。

(2)運用在線綜合安全評估技術實現(xiàn)在線運行方式合理性評價功能。

在有功分布合理性評價方面，可自動識別電網(wǎng)的受電和送電區(qū)域、主要斷面功率有功分布均衡性和重載情況、不同區(qū)域有功備用容量和分布、受電比重、損耗等。在無功分布合理性方面，可判斷是否基本滿足分層分區(qū)原則、發(fā)電機無功和并聯(lián)無功分布、無功備用、發(fā)電機無功出力和負荷無功是否合理等。在電壓合理性方面，具備評估不同區(qū)域各中樞點電壓是否在合理范圍內(nèi)、是否存在電壓差較大的線路或變壓器等功能。在上述運行方式合理性評價基礎上，系統(tǒng)可進行靜態(tài)N －1 分析，找出重載和過載的線路和變壓器。

(3)具備薄弱環(huán)節(jié)自動識別功能。

在功能實現(xiàn)上，首先采用基于網(wǎng)絡拓撲節(jié)點自動收縮方法搜索所有斷面，然后通過正常，N －1，N－M 穩(wěn)定約束〔7～8〕對斷面靜態(tài)輸電能力進行快速評估以識別關鍵斷面，最后再考慮故障期間的沖擊程度和故障后網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變化的影響形成關鍵故障集。

4 結(jié)語

新型的在線運行趨勢安全分析系統(tǒng)已在華中網(wǎng)調(diào)建成，該系統(tǒng)的有效性和正確性已得到應用驗證。基于在線運行方式和超短期運行方式預測(15～30 min 后的運行方式)，在線自動識別超短期運行方式的薄弱斷面，幫助調(diào)度員提前掌握運行趨勢，更有預見性地控制電網(wǎng)，從而實現(xiàn)駕馭大電網(wǎng)能力的提升。華中網(wǎng)調(diào)示范系統(tǒng)的應用亦將為后續(xù)在國家電網(wǎng)調(diào)度部門推廣應用奠定基礎。

〔1〕石立寶，周華鋒，Peter T C，等． 電力系統(tǒng)實時動態(tài)安全評估及預警仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)〔J〕． 系統(tǒng)仿真學報，2007，19(23):5 401-5 405．

〔2〕潘志宏，張伯明． 能量管理系統(tǒng)中在線動態(tài)安全評估的研究〔J〕． 清華大學學報:自然科學版，1999，39(3):45-48．

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〔4〕郝麗麗，薛禹勝，Q H WU，等． 關于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真有效性的評價〔J〕． 電力系統(tǒng)自動化，2008，28(10):1-7．

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〔7〕李群山． 華中電網(wǎng)500 kV 系統(tǒng)相繼故障特點及調(diào)度處理方法淺析〔J〕． 華中電力，2006，19(6):29-31．

〔8〕中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會． DL 755—2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則〔S〕． 北京:中國電力出版社，2001．