在線動態安全評估及決策支持系統關鍵技術研究

李世明　高波　向德軍

摘 要：在線動態安全評估及決策支持系統以分布式并行計算平臺為支撐運行平臺，有效地整合日計劃數據和年度月度檢修計劃數據和EMS模型數據、在線歷史數據、電網離線分析數據，形成計劃潮流數據，進行安全穩定分析。在此基礎上，集成基態潮流分析、靜態安全分析、連鎖故障分析、暫（動態）態穩定分析、靜態安全輔助決策等多種穩定分析計算功能，實現日計劃和年度、月度檢修計劃的動態安全校核，并根據校核結果，給出迅速有效的控制措施或調整策略。在線動態安全評估及決策支持系統由智能運行策劃管理平臺提交計算申請，計算完成后將計算結果返回，由智能運行策劃管理平臺統一展示。

關鍵詞：動態安全；電網系統；潮流分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.188

0 引言

動態安全校核系統涉及面廣，不僅涵蓋了包括電網的運行與控制技術、電力系統分析與并行計算技術等多學科、多領域的技術，而且在實際的開發中還要考慮對電網中已有的能量管理系統（EMS）、離線檢修管理和安全分析以及離線方式計算等現有資源的有效集成和充分利用。因此，對動態安全校核系統的研究與開發是漫長而復雜的工程。本文開發的動態安全校核系統可實現廣東電網計劃檢修的動態安全校核和穩定隱患監測，為提高廣東電網運行決策及運行方式的科學性和預見性、提升電網的輸送能力和安全穩定水平提供技術支撐。

1 多斷面功率模型

在傳統的牛頓潮流算法的基礎上進行動態安全校核的數據整合算法研究。牛頓潮流計算理論已經純熟且在眾多電力教材中已經詳細介紹，在本文就不在重復介紹。數據整合算法不僅適合多機協調控制而且還適合單機控制。數據整合算法的具體步驟可包括：（1）對基于牛頓法的傳統潮流方程進行修改和改進以滿足多斷面功率控制的需求；（2）斷面功率需要借助分布式平衡機模型實現控制；（3）求解模型的潮流方程并給出提高方程求解收斂性的方法。

若一個斷面由一個機組群控制，則附加功率體現著發電機的調控作用。第m個斷面由第i臺機控制的有功功率方程和無功功率方程分別可由方程（1）、（2）表示：

α（m）表示有功功率控制因子，β（m）表示無功功率控制因子，其中有功功率控制因子和無功功率控制因子均與m斷面相關。有功、無功權重大小與發電機的調速器以及勵磁調節器性能有關，代表著發電機承擔負荷的快慢，且有功無功權重的數值是在每輪的計算之前給定。當斷面約束每增加一個，就會同時增加有功功率控制因子和無功功率控制因子兩個變量。參與控制斷面無功的發電機類型受系統節點無功注入表達式fq（i）的影響而變成PQ型。

對應斷面功率方程，新增雅可比矩陣的行。對每個斷面而言，對每個斷面，這兩行中的非0元素是該斷面有無功功率方程對組成該斷面所有線路端節點電壓的實部和虛部的導數（公式均用直角坐標），表示m斷面雅可比矩陣行中與k線路對應的元素，即該斷面功率方程對組成該斷面的k線路I側和J側電壓實部和虛部的導數。組成m斷面的其余Nm-1條線路可依此類推。其它斷面對應的雅可比陣行與此類似。

在雅可比矩陣中，若某一斷面由端點相同的兩條線路組成，則可將該斷面處由端點相同的兩條線路組成的該節點電壓的導數相加并作為該節點電壓的雅克比元素，因此，可以將參與調控的發電機功率方程的雅可比矩陣做出相應修改。如果第m斷面功率的功率受第i臺發電機控制，則參與調控的發電機功率方程的雅可比矩陣的增加對應于聯絡線端節點相對應的元素，而發電機對應的兩行增加則對應于有功功率控制因子和無功功率控制因子對應的元素。

基于上述建立的模型進行實際實驗，在實驗驗證的過程中發現存在以下問題：

（1）當多個斷面出現在某一個區域時，該區域內的發電機群控制多個斷面中的哪一個將會很難確定；

（2）方程收斂性出現的容易與否受斷面功率接近目標值距離的影響，即當端木功率接近目標值時，方程收斂性出現困難。出現這種情況的原因是ΔPc（m）、ΔQc（m），導致系數也變得非常小，改變機組功率變得困難。同時，位于雅可比矩陣對角線上的元素也變得非常小。

綜上所述為排除所建立模型存在的問題，可在調控機組中通過去除斷面功率偏差的反饋環節對所建立的模型做出進一步的改造。通過改造，所建立的模型的收斂性不受斷面功率與目標值非常相近情況的影響；同時，斷面和調控集群不一定非要滿足一一對應關系只要調控機群可以保證系統中每個斷面的功率變化和系統損耗變化都能得到調控或平衡即可。發電機的調控作用仍可通過附加功率項體現。在第n個調控機群中，第i臺發電機的有功功率和無功功率的表達式可由公式（6）、（7）表示：

在公式（6）、（7）中，fp（i）、fq（i）與傳統的潮流方程一致，表示發電機的節點拓撲約束；ΔPvail（i）表示帶權重的發電機有功可調出力；ΔQvail（i）表示帶權重的發電機無功可調出力。α（m）表示第n個機群的有功功率控制因子，β（m）表示第n個機群的無功功率控制因子。

同時，只需通過增加起調控作用機組的機附加項對所在調控機群的控制因子的導數便可得到改造后的雅克比矩陣。例如，n號協調機群包含第i臺發電機，則第i臺發電機對應的雅克比矩陣不僅有有功功率的行新增元素，而且還有無功功率行新增元素。

根據上述分析可知，本文所建立的多機協調控制多斷面的功率模型為：（1）在基于牛頓法的傳統潮流方程中增加斷面功率偏差方程（1）、（2）；（2）控制機組和雅克比矩陣

對應的行增加式（6）、（7）的元素。

2 分布式平衡機模型

分布式平衡機模型適用于由斷面功率變化時可能引起的電網不平衡功率增多的情況，這種情況需要多臺機組共同承擔系統協調平衡。在每一個電氣島內，有且僅有一組布式平衡機存在；在布式平衡機的功率表達式中，有功平衡可由帶權重的有功功率出力進行承擔；而無功功率的表達式與普通機組沒有差異，當電網定電壓運行時，無功功率起到平衡周圍區域內無功缺額的作用。endprint

為實現與電網中電氣島的總數一致，需要分布式平衡機算法中增加有功控制變量的個數，從而實現分布式平衡機算法在正在處于裂解運行狀態或者其他運行狀態下的多個電氣島的電力系統計算中。對于每一個電氣島而言，需要增加一個相角基準方程，其方程表達式如公式（8）所示：

在公式（9）中，唯一出現的非0元素與公式（8）中的θi相應，其位置也和θi的位置一致。

由上述所示，分布式平衡機算法可由公式（3）代替承擔功率損耗的機組有功方程，分布式平衡機算法對應的雅克比矩陣的增加修正元素可由公式（6）表示，而其修正元素的定義可由公式（7）表示。同時在方程和雅可比陣中分別新增式（8）和（9）。

方程式（1）和（2）僅僅涉及到電網聯絡線的端節點，由于電網聯絡線的端節點通常不接發電機，所以公式（1）和公式（2）不能與新增的有功功率控制因子α（n）和無功功率控制因子β（n）建立直接的方程上的聯系。而本文中通過采用基于三角分解的前代回代法求解牛頓方程。為確保方程式（1）、（2）對角線非零元素的過大，需要采取以下措施：

（1）由方程式（1）和（2）構成的斷面功率偏差的表達式應該放置與斷面控制因子對應的行上面；

（2）在同一機群中，ΔPvail（i）或ΔQvail（i）不能太小，至少得保證其中一臺機組帶有有功或無功權重可調出力。否則，式（6）或（7）整列都為很小元素，經消元后在式（1）、（2）對角線元素位置不能產生較大的非零元，從而影響方程組的收斂性。

3 基本模型的實現流程

由上述分析可知，為簡化研究，控制集群可表示為控制斷面功率的發電機群，而平衡機群可表示為分布式平衡機組。在基于牛頓法的傳統潮流計算方程中，在進行多機協調控制多斷面的模型建立時，需要對所建立的模型進行初步改造以滿足大型電網的不同斷面組合方式；而對發電機進行控制時必須滿足機組功率不能越限以及斷面功率與目標值不能相差太大等情況。為實現上述目標保證斷面的可控，需要采用專門的控制措施，而控制措施和平衡機群的設置需要遵循以下準則：

（1）在每一個斷面的兩側必須存在控制集群或者平衡機群；

（2）在每一個電氣島中，平衡機群和控制集群的總和一定要比控制的斷面多1個。

第一個原則的設置主要是為了實現和確保受控斷面兩端有功和無功出力的可調性。如果一個斷面功率不發生變化時則說明斷面的功率是不可控的。第二個原則的設置主要是確保電網潮流計算中新增加的方程的數目和電網中新增加的變量數目相同。當然，針對不同的斷面組合需要提出不同的機群設置方法。然而，同一機群的設置也不是越多越好，需要滿足以下準則：

（1）在機群中，各個機群間機組的電氣距離應大于同一機組內部各個機組間的電氣距離；

（2）各個控制集群和平衡機群應盡量靠近不同的斷面。在潮流方程中，為使新增加的方程的個數與未知數的個數相平衡，需要將環形斷面區域進行拆分，具體拆分結果為分成左、右兩個子區域，然后在兩個子區域內分別設置控制機群和平衡機群。在調整這兩個斷面時，為盡量減小相互間的干擾，需要在設置機群時使兩個機群分別靠近不同的斷面。該種設置機群的方法不是唯一的，在設置集群的過程中，只要按照上述設置機群的原則進行操作，就可以得到根據電網的具體情況和計算需要而設置的不同控制方案。其控制措施可以分為單步控制和多步控制，具體控制措施要根據斷面功率偏離目標值的大小而定。多步控制是由單步控制發展而來，而單步控制是簡化的多步控制。

4 結束語

在線動態安全評估及決策支持系統建立在電網仿真技術最新發展的基礎之上，技術層面處于國內領先水平。整個系統從規劃設計到最終投運，分階段、有序地展開，工程開發具有前瞻性，對今后國內其它各級電網開展相關研究提供了寶貴經驗和重要借鑒作用，為動態安全校核技術的推廣提供了途徑。得益于在線動態安全評估及決策支持系統的實用性和技術先進性，該系統將極大方便電網運行人員進行計劃校核等方式分析計算，提高電網分析計算水平，為電網安全、穩定、優質、可靠運行提供有力的支撐。對保證電網的安全穩定運行、提升駕馭電網安全穩定經濟運行的能力、提高電網抵御擾動和嚴重事故的能力，具有十分重要的現實意義。

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作者簡介：李世明（1984-），四川隆昌人，碩士，工程師，研究方向：調度自動化系統運行與管理。endprint