電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析
0引言
在中國，中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)電力科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估和預(yù)警系統(tǒng)(powersystemdynamicsecurityassessment&earlywarningsystem，PDSA)，并成功應(yīng)用于國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)進(jìn)行周期不間斷在線安全穩(wěn)定分析，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定裕度評(píng)估和預(yù)防控制輔助決策[16-19]。清華大學(xué)張伯明教研組研發(fā)了基于EMS/DTS的電網(wǎng)控制中心安全預(yù)警和決策支持系統(tǒng)并實(shí)施于江西電網(wǎng)[20-23]，石立寶教研組著眼于動(dòng)態(tài)安全裕度，研發(fā)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估及預(yù)警仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了極限傳輸容量的高效計(jì)算[24-25]。在各機(jī)構(gòu)或?qū)＜覍W(xué)者的研究成果中，或?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行全面安全分析，或針對(duì)某一特定穩(wěn)定問題進(jìn)行評(píng)估，而在線安全穩(wěn)定分析均是實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估的核心技術(shù)。基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析綜合利用穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)多角度在線安全分析評(píng)估以及穩(wěn)定裕度評(píng)估，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了大電網(wǎng)運(yùn)行的全面安全預(yù)警和多維多層協(xié)調(diào)的主動(dòng)安全防御[26-27]。然而，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析仍存在以下幾個(gè)問題：1）在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需要時(shí)間間隔內(nèi)(如5~15min)，進(jìn)行周期、事件和人工觸發(fā)計(jì)算，運(yùn)算結(jié)果合理性保證的前提條件是計(jì)算周期內(nèi)，電網(wǎng)不發(fā)生明顯的拓?fù)浜碗姎饬康淖兓?）電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行人員會(huì)經(jīng)常對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，如開關(guān)刀閘操作、發(fā)電量調(diào)節(jié)、電網(wǎng)元件投切，需要對(duì)調(diào)整后的電網(wǎng)安全穩(wěn)定情況進(jìn)行預(yù)先校核。3）由于存在電網(wǎng)模型等值，對(duì)跨區(qū)電網(wǎng)的在線安全穩(wěn)定分析，上級(jí)與下級(jí)調(diào)度控制中心之間、兩級(jí)調(diào)度控制中心之間僅依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算無法滿足電網(wǎng)潮流和動(dòng)態(tài)行為的一致性。4）新能源發(fā)電、負(fù)荷的快速變化對(duì)電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定情況的預(yù)知提出了實(shí)際要求，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析無法滿足。上述原因?qū)υ诰€安全穩(wěn)定分析提出了更高的要求?；诖?，深化關(guān)于電力系統(tǒng)在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估和預(yù)警系統(tǒng)方面的研究，提出滿足實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行需求的在線安全穩(wěn)定分析應(yīng)用模式具有重要意義。
1在線安全穩(wěn)定分析介紹
在線安全穩(wěn)定分析的服務(wù)對(duì)象是電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，包括提出電網(wǎng)運(yùn)行的主要問題和解決方案2方面含義。在線安全穩(wěn)定分析中，同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、小干擾穩(wěn)定分析和短路電流計(jì)算，并進(jìn)行穩(wěn)定裕度評(píng)估；若系統(tǒng)存在不安全的問題，針對(duì)不同穩(wěn)定問題，即時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)預(yù)防控制輔助決策計(jì)算，提供運(yùn)行方式調(diào)整的可行方案，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在線安全穩(wěn)定分析整體上可劃分為4個(gè)過程：數(shù)據(jù)整合(dataintegration，DI)、動(dòng)態(tài)安全穩(wěn)定分析(dynamicsecurity/stabilityanalysis，DSA)、穩(wěn)定裕度評(píng)估(stabilitymarginevaluation，SME)和預(yù)防控制輔助決策(preventivecontroldecisionmaking，PCDM)?；谥悄茈娋W(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)，獲取電網(wǎng)模型、故障集等計(jì)算參數(shù)，分別接入來自狀態(tài)估計(jì)、上級(jí)調(diào)控機(jī)構(gòu)下發(fā)的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)準(zhǔn)備生成滿足在線安全穩(wěn)定分析要求的計(jì)算數(shù)據(jù)，基于并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評(píng)估(或預(yù)防控制輔助決策)功能。圖1是在線安全分析總體框架。
2應(yīng)用模式
在應(yīng)用模式上，完整的在線安全穩(wěn)定分析應(yīng)分為實(shí)時(shí)分析模式、研究分析模式和趨勢分析模式。實(shí)時(shí)分析模式對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評(píng)估和預(yù)防控制輔助決策；研究分析模式對(duì)研究方式進(jìn)行潮流調(diào)整，并進(jìn)行安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評(píng)估和預(yù)防控制輔助決策；趨勢分析模式基于當(dāng)前實(shí)時(shí)方式數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)度計(jì)劃類數(shù)據(jù)生成未來一段時(shí)間內(nèi)的電網(wǎng)趨勢運(yùn)行方式，并依時(shí)序滾動(dòng)進(jìn)行安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評(píng)估和預(yù)防控制輔助決策。
2.1實(shí)時(shí)分析模式
實(shí)時(shí)分析模式是實(shí)現(xiàn)在線安全穩(wěn)定分析的主要功能。其主要特點(diǎn)是，基于未經(jīng)任何修改的在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，不允許任何人工對(duì)模型、數(shù)據(jù)的修改，自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)分析過程，對(duì)電力系統(tǒng)做出客觀的安全穩(wěn)定分析結(jié)論和穩(wěn)定裕度評(píng)估結(jié)論(或輔助決策計(jì)算結(jié)果)。實(shí)時(shí)分析模式分析對(duì)象的形成如圖2所示。在流程上，首先通過實(shí)現(xiàn)與調(diào)度支持系統(tǒng)的接口，獲取調(diào)度支持系統(tǒng)中的各類安全穩(wěn)定分析所需要的在線數(shù)據(jù)；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)交換，送入到并行計(jì)算平臺(tái)中；并行計(jì)算平臺(tái)通過高效的計(jì)算組織方法，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電力系統(tǒng)應(yīng)用軟件的并行分析，并通過統(tǒng)一規(guī)范接口送回計(jì)算結(jié)論到調(diào)度支持系統(tǒng)。圖3是完整計(jì)算執(zhí)行過程流程圖，從上至下按執(zhí)行時(shí)間順序描述執(zhí)行過程，同時(shí)體現(xiàn)了硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流向。具體可劃分為4個(gè)過程。1）計(jì)算觸發(fā)階段。支持周期觸發(fā)、事件觸發(fā)和人工觸發(fā)3種啟動(dòng)方式：周期觸發(fā)自動(dòng)完成對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式的安全掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式的評(píng)估、預(yù)警和輔助決策；事件觸發(fā)獲取事件信息，從狀態(tài)估計(jì)獲取設(shè)備故障后電網(wǎng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障后電網(wǎng)運(yùn)行方式的評(píng)估、預(yù)警和輔助決策；人工觸發(fā)支持調(diào)度運(yùn)行人員手動(dòng)觸發(fā)在線分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式的評(píng)估、預(yù)警和輔助決策。依3種啟動(dòng)方式的重要程度，其優(yōu)先級(jí)為人工觸發(fā)最高，事件觸發(fā)次之，周期觸發(fā)最次。周期觸發(fā)為以每5或15min為周期的不間斷觸發(fā)計(jì)算。觸發(fā)計(jì)算后，計(jì)算平臺(tái)狀態(tài)和計(jì)算任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)被全過程跟蹤，調(diào)度運(yùn)行人員對(duì)在線分析的計(jì)算狀態(tài)全景掌握。2）數(shù)據(jù)整合階段。計(jì)算觸發(fā)后，從EMS/SCADA等系統(tǒng)獲取計(jì)算數(shù)據(jù)，經(jīng)過狀態(tài)估計(jì)和潮流計(jì)算，得到支持的潮流數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。然后將完整計(jì)算數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算配置文件發(fā)送至調(diào)度服務(wù)器。3）安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度計(jì)算階段?；诓⑿杏?jì)算技術(shù)，利用數(shù)據(jù)整合形成的計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、小干擾穩(wěn)定分析、短路電流計(jì)算和穩(wěn)定裕度評(píng)估。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，并發(fā)送至人機(jī)界面。安全穩(wěn)定分析結(jié)束后，執(zhí)行穩(wěn)定裕度評(píng)估計(jì)算，穩(wěn)定裕度計(jì)算考慮靜穩(wěn)裕度、熱穩(wěn)裕度和暫穩(wěn)裕度。4）調(diào)度輔助決策計(jì)算階段。對(duì)于DSA計(jì)算存在不安全的分析結(jié)果，進(jìn)行預(yù)防控制輔助決策的計(jì)算。其中不安全結(jié)果包括熱穩(wěn)越限、暫態(tài)失穩(wěn)、電壓失穩(wěn)、低頻振蕩、短路電流超標(biāo)。整個(gè)計(jì)算完成后，運(yùn)行方式數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)運(yùn)行模式依靠并行計(jì)算的高速計(jì)算能力和開放的集成性能，完全實(shí)現(xiàn)基于在線數(shù)據(jù)的全部穩(wěn)定分析計(jì)算，整個(gè)分析計(jì)算可在5min完成。其全面快速的安全預(yù)警功能，改變傳統(tǒng)的基于典型方式進(jìn)行離線穩(wěn)定分析的模式，分析結(jié)果更全面客觀，解決電力系統(tǒng)長過程連續(xù)故障(或開斷)情況下的安全分析的速度、全面性和可信度的問題，為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的大面積停電事故提供寶貴的技術(shù)手段。
2.2研究分析模式
研究分析模式主要實(shí)現(xiàn)調(diào)度運(yùn)行操作前的安全穩(wěn)定分析功能。其主要特點(diǎn)是，通過人工修改運(yùn)行方式，對(duì)即將在系統(tǒng)中發(fā)生的調(diào)度運(yùn)行參與事件進(jìn)行安全穩(wěn)定評(píng)估。在作用上，研究分析模式可以對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行方式進(jìn)行干預(yù)，研究調(diào)度運(yùn)行操作對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響和校核；也可以對(duì)歷史潮流斷面進(jìn)行研究，可用于事故反演和分析。研究分析模式分析對(duì)象的形成如圖4所示。在流程上，首先通過人機(jī)界面，記錄下用戶的修改內(nèi)容并計(jì)算潮流；然后送入到并行計(jì)算平臺(tái)中；最后并行計(jì)算平臺(tái)通過高效可靠的任務(wù)分配方法，實(shí)現(xiàn)各種穩(wěn)定計(jì)算并行分析，并推送計(jì)算結(jié)論到人機(jī)界面。圖5是完整計(jì)算執(zhí)行過程流程圖。與實(shí)時(shí)分析相區(qū)別的是，研究分析在觸發(fā)計(jì)算之前，允許對(duì)潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。因而基于在線數(shù)據(jù)的研究分析本質(zhì)上屬于一種在線研究態(tài)分析，基于歷史數(shù)據(jù)的研究分析本質(zhì)上已經(jīng)屬于離線分析，所以其計(jì)算觸發(fā)僅支持人工觸發(fā)即可。在形式上，包括獨(dú)立推演和聯(lián)合推演2種形式，當(dāng)調(diào)度運(yùn)行人員僅對(duì)管轄范圍內(nèi)電氣元件進(jìn)行操作時(shí)，可利用獨(dú)立推演對(duì)操作后電網(wǎng)的穩(wěn)定情況進(jìn)行研究；當(dāng)調(diào)度運(yùn)行人員的操作影響會(huì)波及到相鄰或遠(yuǎn)方電網(wǎng)時(shí)，可以進(jìn)行上下級(jí)調(diào)度和不同區(qū)域調(diào)度間進(jìn)行聯(lián)合推演。
2.3趨勢分析模式
由于實(shí)時(shí)分析模式基于當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)即將發(fā)生的變化缺少應(yīng)對(duì)手段。趨勢分析實(shí)現(xiàn)對(duì)短期內(nèi)電網(wǎng)安全穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展趨勢的預(yù)先評(píng)估。趨勢分析可以拓展在線安全穩(wěn)定分析的覆蓋范圍，能給出電網(wǎng)運(yùn)行即將發(fā)生的重大變化及其穩(wěn)定狀態(tài)。在電網(wǎng)安全穩(wěn)定趨勢發(fā)生惡化或者沒有改善的情況下，給出電網(wǎng)短期控制的輔助決策，調(diào)整電網(wǎng)未來運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行安全的預(yù)防控制。趨勢分析基于在線運(yùn)行方式，利用未來短時(shí)間內(nèi)的計(jì)劃數(shù)據(jù)(如斷面功率計(jì)劃、交直流聯(lián)絡(luò)線功率計(jì)劃、實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃、檢修計(jì)劃等)和預(yù)測數(shù)據(jù)(如新能源發(fā)電超短期預(yù)測、超短期負(fù)荷預(yù)測等)，將實(shí)時(shí)運(yùn)行方式與計(jì)劃和預(yù)測數(shù)據(jù)匹配在一起，形成未來短時(shí)間內(nèi)的潮流解。趨勢分析模式分析對(duì)象的形成如圖6所示。在分析流程上，趨勢分析與實(shí)時(shí)分析并無不同，只是趨勢分析僅需支持周期觸發(fā)啟動(dòng)，由于研究對(duì)象本質(zhì)上屬于對(duì)電網(wǎng)未來態(tài)的預(yù)測，無事件觸發(fā)和人工觸發(fā)功能的必要性。圖7是完整計(jì)算執(zhí)行過程流程圖。顯然，趨勢分析模式一方面是實(shí)時(shí)分析模式在時(shí)間尺度上的向前延伸，另一方面通過一系列穩(wěn)定指標(biāo)的對(duì)比判斷電網(wǎng)安全穩(wěn)定情況是趨向更安全還是更危險(xiǎn)。但應(yīng)說明的是，由于趨勢運(yùn)行方式本質(zhì)上為對(duì)電網(wǎng)未來態(tài)的預(yù)測，仍存在著很大的不確定性，預(yù)測運(yùn)行方式與實(shí)際運(yùn)行方式之間存在差別不可避免，因而在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行應(yīng)用中，趨勢分析模式并不能取代實(shí)時(shí)分析模式。
2.4應(yīng)用模式比較
表1是3種應(yīng)用模式的比較。3種應(yīng)用模式的根本區(qū)別在于研究數(shù)據(jù)源范圍的差異，因而導(dǎo)致各自的分析對(duì)象的不同。實(shí)時(shí)分析和趨勢分析要求客觀的反映電網(wǎng)實(shí)際或預(yù)測的安全穩(wěn)定情況，因而不允許對(duì)電網(wǎng)潮流進(jìn)行人工調(diào)整，不允許人工參與分析過程，依據(jù)客觀要求形成了各自需要滿足的觸發(fā)方式。實(shí)時(shí)分析和趨勢分析在時(shí)間上要求的快速性導(dǎo)致必須利用高效可靠的大規(guī)模并行計(jì)算平臺(tái)；而研究分析模式用于十幾分鐘至小時(shí)時(shí)間尺度內(nèi)的調(diào)度操作校核或事故反演，因而關(guān)心的往往是特定的穩(wěn)定任務(wù)，利用小規(guī)?；騿螜C(jī)計(jì)算即可滿足運(yùn)算速度的要求。
3算例分析
以某省級(jí)實(shí)際電網(wǎng)實(shí)例進(jìn)行分析，該電網(wǎng)調(diào)度控制中心具備實(shí)時(shí)分析和趨勢分析同時(shí)進(jìn)行周期觸發(fā)計(jì)算，觸發(fā)周期為15min。2014年11月4日00:15:00—03:00:00期間，實(shí)時(shí)分析和趨勢分析同時(shí)給出靜態(tài)安全分析預(yù)警：若BXI線發(fā)生N-1故障，將造成BXII熱穩(wěn)越限。次日進(jìn)行研究分析模式仿真重演、并依據(jù)調(diào)度輔助決策給出的方式調(diào)整進(jìn)行研究分析，實(shí)時(shí)分析、趨勢分析、研究分析的結(jié)果比對(duì)如圖9所示。算例結(jié)果可見，實(shí)時(shí)分析對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)斷面安全穩(wěn)定情況進(jìn)行分析，同時(shí)，趨勢分析可對(duì)電網(wǎng)未來時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性進(jìn)行有效預(yù)測。由于趨勢分析的分析對(duì)象為基于當(dāng)前斷面和計(jì)劃數(shù)據(jù)生成的未來態(tài)趨勢潮流，與15min后實(shí)際潮流斷面的誤差不可避免，因而基于趨勢潮流的安全穩(wěn)定分析結(jié)果與實(shí)際分析結(jié)果也存在定量上的誤差。但在計(jì)劃執(zhí)行和預(yù)測數(shù)據(jù)滿足一定準(zhǔn)確性的范圍內(nèi)，分析結(jié)果并不影響其對(duì)未來電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析的定性結(jié)論。研究分析的重演可以與實(shí)時(shí)分析結(jié)論相印證，通過調(diào)度輔助決策給出的建議，利用研究分析對(duì)電網(wǎng)潮流斷面進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行BXI線N-1斷開的靜態(tài)安全分析，BXII線熱穩(wěn)定分析的越限情況消失，有效遏制了電網(wǎng)熱穩(wěn)越限風(fēng)險(xiǎn)。
4結(jié)論
在線安全穩(wěn)定分析經(jīng)過多年實(shí)踐，在一些國家電力調(diào)度中發(fā)揮了重要作用，且已經(jīng)在中國國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)調(diào)控工作中常態(tài)化、標(biāo)準(zhǔn)化。提出在線安全穩(wěn)定分析的3種應(yīng)用方式，能夠?yàn)檎{(diào)度運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)掌控、判斷和決策提供有力的技術(shù)支撐。實(shí)時(shí)分析模式改變了傳統(tǒng)基于典型方式進(jìn)行離線分析的模式，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)安全穩(wěn)定情況實(shí)時(shí)判斷并提供決策。研究分析模式在實(shí)時(shí)分析模式基礎(chǔ)上，在調(diào)度運(yùn)行操作進(jìn)行前預(yù)先進(jìn)行校核，為調(diào)度操作安全性提供重要保障，并能夠?qū)﹃P(guān)心的歷史事件進(jìn)行反演，有利于調(diào)度人員深度掌握系統(tǒng)特性。趨勢分析模式基于未來態(tài)趨勢潮流，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)變化趨勢進(jìn)行判定，提供面向電網(wǎng)運(yùn)行趨勢調(diào)整的預(yù)防控制輔助決策。3種分析模式分別對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)度操作進(jìn)行實(shí)時(shí)判定和預(yù)先判定和預(yù)先判定，互為補(bǔ)充，協(xié)調(diào)運(yùn)行，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。
豫公網(wǎng)安備 41010202002689號(hào)