含电铁及风电的地区电网在线电压稳定预警系统的开发

张 睿，卢史杰

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012;2.鄞州供电局，浙江宁波315000)

0 引言

近年来，随着城市规模的扩大、新型负荷的接入以及分布式电源的并网，地区电网在结构及负荷侧面呈现日益复杂的特征，电压稳定问题逐渐凸显。电力界的学者对其十分关注，并对其进行了机理研究［1，2］、特征分类及计算方法［3－5］的探索，形成了一套切实可行的电压稳定理论，由此，跨区及网省级电网的在线电压稳定评估系统也逐渐兴起［6，7］。

本文以河南信阳电网公司投入运行的信阳电网在线电压预警系统为例，介绍该系统利用能量管理系统的实时断面信息，开发满足了实时运行分析需要的静态电压稳定分析模块。模块中包含风电场模型的搭建及电铁负荷的建模，可给出表征静态电压稳定的多个指标，为地调提供了实时、直观、可信的运行监控及故障应急处理指导，确保了地区电网的安全稳定运行。

1 核心框架

在线电压稳定预警系统以分布式仿真平台作为支撑计算平台，对WAMS实时量测数据、调度方式处离线分析计算数据以及调度自动化EMS在线数据进行整合，形成在线电压预警系统的计算数据;在此基础上，计算地区电网静态电压稳定性指标值，最终对电网可能出现的电压稳定问题进行评估及预警。

1.1 硬件构架示意图

在线电压预警系统需要进行大量的电力系统潮流计算，为满足计算速度及精度的要求，本系统基于预分配/多任务并行计算的基础上，建立了分布式计算仿真平台，包括动态数据服务器、调度服务器、多计算终端等硬件部分，硬件整体构架如图1所示。

图1 在线电压预警系统硬件构架示意图

1.2 软件构架示意图

地区电网在线电压预警系统可基于多类潮流数据，支持用户进行参数修改及自定义过渡方式，最终给出基于当前在线运行数据的电压稳定性重要指标及预警信号。软件整体构架如图2所示。包括模型搭建、参数配置、薄弱点定位、电压稳定裕度评估等模块。

图2 软件构架示意图

模型搭建是电压稳定计算及预警系统的基础模块，提供电网模型和基础潮流。为了实现广域测量系统的实时量测的引入，在主站和动态数据平台之间建立了秒级数据传输通道，定周期地自动下载WAMS主站采集的数据，采用数据合并技术，对各类运行数据源进行自动拼接，形成全网的电网模型和运行数据，得到结构完整的全网实时运行方式，以便为在线电压稳定计算提供数据源。

参数配置模块是电压稳定计算及预警系统的控制模块，可由客户端设定电压稳定计算中风电场模型及电铁模型的参数，同时可对分区及断面进行定义、设置安全约束、制定发电机负荷增长方式等。

薄弱点定位模块是电压稳定计算及预警系统的过程监视模块，展示电压稳定计算中薄弱节点排序的变化，绘制实时最薄弱节点的PV曲线，并给出其稳定裕度值。在预测或规划数据情况下，可事先定位系统在某一控制方式下极限点处的薄弱节点，给出预防电压崩溃的控制决策。

电压稳定裕度评估模块是电压稳定计算及预警系统的结果模块，提供三维可视化的结果展示，在线监视分区负荷的裕度、重要断面的传输容量裕度、薄弱节点的PV曲线。模块以固定时段触发及人工触发两种触发方式作为计算的起始点，可自动连续运行、实时评估，并以曲线、列表等形式在客户端展示，当扫描发现严重越限时给出报警信号。

2 算法原理

2.1 电铁负荷的建模及等值

电铁负荷具有非线性、不对称性及冲击性特征，我国牵引变电站一般接于系统110kV配网侧，对地区电网的影响不容忽视。文献［8］、［9］对牵引供电系统进行单一针对性的建模，文献［10］建立了电铁负荷的综合负荷模型，但存在大量需辨识的参数，不利于电铁负荷建模应用到在线系统。

典型牵引列车的电气负荷由车厢负荷、机车牵引电机负荷、机车辅助机组负荷3部分构成。其中，机车牵引负荷和机车辅助负荷约占牵引列车总负荷的85%［10］，该系统等值模型如图3所示。

图3 牵引负荷等值模型结构

图3中静态负荷描述车厢照明类、加热类的恒定负荷，属恒阻抗负荷;设恒阻抗对应恒导纳YS，则静态负荷功率为

式中:V(t)为系统电压;YS=G－jB为恒导纳，由稳态运行条件确定。

感应电动机描述车厢空调及辅助机组的负荷，由于静态电压稳定属稳态特征，采用感应电动机1阶模型即可准确描述此类负荷对系统静态电压稳定性的影响，所以本文感应电动机部分采用1阶模型，机械负载特性采用PM=K1(1－S)n解析描述。

牵引电机模型中对与机车运行工况密切相关的自然因素如风速、坡度等进行了详细的描述。为适应本项目建模的需要，将由上述因素引起的负载变动归结为牵引电机机械负载转矩的变动，并以转速的2次函数模型描述。考虑到牵引回路主极分路电流较小，且机车的行驶速度也可由牵引电机转速表达，因而采用简化模型:

式中:Vd为牵引电机机端电压;Id和ω分别为等值牵引电机电流和转速;L和R分别为牵引电机回路的电感和电阻;CM=CTKs为牵引电机广义等值特性参数;CT和Ks分别为牵引电机的转矩常数和励磁系数;J和T1分别为牵引电机的转动惯量和机械负荷转矩。

基于大量的仿真试验分析，本项目取:

式中:A，B，C 为特性参数，满足 A+B+C=1;γl0为牵引电机负载率。

为简化牵引回路的输出方程，并计及牵引电机特性，可按式(4)计算等值牵引电机从电网吸收的有功功率Ptm:

牵引回路中其他相关组件如整流器、机车主变压器及牵引电机的无功消耗均可通过等值综合负荷模型结构中的静态负荷平衡。

2.2 风电场建模及等值

风能是电力界公认的技术上最成熟的绿色能源，针对风电场进行的建模及并网分析逐年增多。但截至今日，业界仍没有形成一致认同的风电场模型。鉴于目前绝大部分风机为双馈异步式，且信阳电网内风电场由多台G58－850kW型号的异步风机构成，所以本预警系统中的风电场采用中国电力科学研究院搭建的模型，如图4所示。基本环节包括风轮叶片、起连接和传动作用的装置、发电机、风电机控制系统。

图4 双馈异步风机模型

风速－功率关系为:

式中:ρ为空气密度，kg/m3;Vw为风速;A=π为风机叶片的扫风面积，Rae为叶轮机半径，m;Vin、Vout分别为风机的切入风速和切出风速;Cp是风力机的风能利用系数，即单位时间内风力机所吸收的风能与通过叶片旋转面的全部风能之比。按照贝兹理论，Cp最大值为0.593。它与风力机的叶尖速比λ(风力机叶片顶端线速度与风速之比λ=ωaeRae/Vw)和桨距角θ有关，在动态仿真中，将其表示为λ和θ的非线性函数:

由于双馈感应电机的变速风电机组采用变频器控制，其发出的有功与无功功率可解耦控制，风电机组可控制整个风电场并网点处与电网没有无功交换，即整个风电场功率因数为1。

为便于仿真建模及快速计算，对风电机组的部分参数进行了等值。由于所应用系统各风机型号相同且并联接入系统，等值机组的惯性时间常数和阻尼系数应与单台机组相同，等值阻抗参数应为各风机阻抗参数的并联，而等效扫风面积则用单台风机扫风面积叠加来近似模拟。

2.3 外网数据处理

预警系统建立在实时的基础上，应尽量运用外网的在线数据，避免过多的外网等值处理，即计算规模不宜过小，而对于地区级别电网的在线预警信号应保证在分钟级内给出，从这一点来讲，计算所带外网规模不宜过大。综合考虑，本文将计算数据扩展为省级电网规模，在省级电网整体数据下进行地区电网的电压稳定性计算。省网间联络关口功率值等值为网调计划关口功率值。

2.4 负荷模型及节点类型转换

为考虑负荷的动态特性，根据电网实际特点，本系统变电站电网负荷采用50%恒阻抗并联感应电动机模型，发电厂厂用电负荷采用35%恒阻抗并联感应电动机模型。

对于非风力发电机或具备电压控制能力的风力发电机，当其无功越界时，发电机母线类型由PV节点转化为PQ节点。若风机不具备电压控制能力，稳态运行时风机可通过并联电容器的投切和自身变频器保持一定的功率因数，在潮流数据中将此类风电场设置为PQ节点。

2.5 病态潮流的求解方法

在极限点附近，潮流方程雅克比矩阵接近奇异，对于这种病态的潮流方程，无法用常规的潮流计算方法求得。本系统采用固定参数修正法对极限点附近的潮流进行求解。

固定参数修正法是一种连续潮流计算方法，如图5所示。它以连续潮流解曲线上变化最快的变量为连续性参数，计算过程采用线性预测，沿连续潮流解曲线切线方向预测下一运行点的初值，再采用牛顿法校正的形式追踪连续潮流解曲线。因其不破坏雅克比矩阵的稀疏性，更加有易于实际工程应用。

图5 固定参数修正法示意图

3 应用情况

3.1 应用系统

采用C++及Qt开发此地区电网在线电压稳定预警系统。该系统已在河南信阳电网成功运行。图6为信阳电网包含发电厂、牵引站以及220 kV以上变电站的地理接线图。

信阳供电区地处河南南部，是鄂豫联网的重要通道，电网以220 kV网络为主网架，呈东西狭长状，主干输电网环网运行，两处电源－华豫电厂和平桥电厂集中在西部，因此形成了西电东送的格局。电网内5座110 kV牵引变电站分别接于五座不同的220 kV变电所，位于西南部的鸡公山风电站及东南部的黄柏山风电站通过110 kV并网。

3.2 结果分析及技术指标性能

相对功角稳定，电压稳定往往表现为一种局部现象，电压失稳总是从系统电压稳定性最薄弱的节点开始引发，并逐渐向周围比较薄弱的区域蔓延。

经模态法仿真分析，得出了引入风电场及电铁负荷前后的极限点参与因子排序对比的前十位母线，如表1所示。图7、图8分别绘出了引入风电场及电铁负荷前后最薄弱母线－弦城110的PV曲线。此外，表2列出了本预警系统的技术指标性能。

表1 极限点参与因子排序对比表

由表1分析可知，潢川、弦城及蓼城为系统的薄弱点，浉河220－潢川220、曹湾220－弦城220，蓼城220－桂园220三条线路属信阳电网西电东送的主要干线，此三条线路组成的断面为关键断面。经计算断面电压稳定裕度仅为18.4%。

表2 技术指标性能表

图7 弦城110母线PV曲线1

图7 弦城110母线PV曲线2

由图7、图8分析可知，对于信阳电网，由于风电场及电铁负荷容量均较小，且风电场保持与接入点无功交换为0，所以在引入风电及电铁负荷后，系统电压稳定性变化不大，静态电压稳定裕度降低至16.1%，且系统的薄弱区域基本不变，各母线薄弱程度较未引入风电及电铁负荷前分布均匀。

4 结论

本系统将风电场及电铁负荷引入地区电网在线预警系统中，能够有效地监视地区电网薄弱区域及电压稳定裕度，给出在线电压预警信号，具有较强的实际意义;计算规模扩展至省级电网，可更准确的描述地区电网特性;同时客户端可自行设置多类参数，使计算更贴近实际情况;具有触发时间短，计算速度快的特点;便于运行人员监控。为地区电网进行合理的无功补偿分配，优化运行方式提供了实时可靠依据。

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