新能源对随州电网影响的评估软件开发与应用

陈治道，孙朝霞，王 亮，罗 猛，汤海霞，王武林，熊 枫

（国网随州供电公司，湖北 随州 441300）

0 引言

近年来，随州地区的新能源呈井喷式的发展趋势，新能源出力的不确定性、随机性和波动性，影响了电力系统的正常运行。如何优化新能源的位置和容量，是当前随州电网规划面临的一个具有重大实际意义的问题[1]。建立科学的电力系统评价指标体系是实现新能源接入方案评价的基础。科学合理的评价指标体系是衡量配电系统现有水平和规划成效的重要工具，是保证电网规划质量和电网建设安全、可靠、经济的重要手段。

本文提出了分布式电源对配电网综合影响的各类指标，指标共分为五类：安全稳定性[2-3]、电能质量[4]、可靠性[5]、经济性[6]、风险性[7]。通过对指标的深入解析，构建分布式电源对配电网综合影响的指标体系，并根据指标计算结果对随州电网提出正确的规划和建议。

1 自动评估系统总体评估指标体系

自动评估系统软件立足于对给定接入新能源的电网方案进行分析，明确各功能模块的数据来源，建立统一的数据平台，进行数据整合和功能接口开发，最终形成自动评估系统。本文提出共计18个指标，如图1所示。

部分主要指标的计算方法如下：

1）母线电压分布指数：描述新能源并网后电网中母线电压随机分布的特征，计算公式为：

式中：Ui为第i次电压观测值，为电压平均值，m为样本容量。

2）母线电压保持指数：描述新能源并网后电网中母线电压保持在一定范围内的数值比例，计算公式为：

图1 系统指标体系图Fig.1 Index system

式（2）、（3）中：C(Ω)表示集合 Ω 中元素的个数，m为样本容量，a表示对电压波动范围的限制阈值，可根据评价需要自行指定。

3）系统电压分布指数：描述新能源并网后电网中母线电压分布指数的平均值。其计算公式为：

式中：N表示母线数目。

4）系统电压保持指数：描述新能源并网后电网中母线电压保持指数的平均值。计算公式为：

式中：N表示母线数目。

5）电力不足时间概率：研究期间内可用发电容量不满足负荷需求所造成的停电概率值。计算公式为：

其中，N为系统随机状态的数目；FLOLP为与LOLP对应的试验函数，由系统的随机状态Xi按式（7）决定：

式中：PD,j为节点j的有功负荷为节点j的原始有功负荷。

6）电量不足期望：指研究期间内由于发输电设备停运造成的少供电量。计算公式：

其中，C(Xi)为随机状态Xi负荷削减量。

式（9）中：ND为负荷节点数目，PD,j为节点j的有功负荷为节点j的原始有功负荷。

7）母线失负荷风险：确定各节点负荷的调整量，并通过统计各节点负荷调整的大小，判断对风险消除最有利的负荷调整位置，可指导随州电网制定各站的风险减负荷策略。

计算公式为：

式（10）、（11）中：wi为母线i对应的失负荷量(标幺值)，ai为负荷重要程度因子，是根据GB50052-1995《供配电系统设计规范》中规定的对供电负荷分级来取值。

8）新能源受限风险：确定各新能源场站的出力调整量，并通过统计新能源场站出力调整的大小，判断对风险消除最有利的新能源场站位置，可指导电网制定风险事件中新能源场站出力的调整措施。计算公式：

式（12）中为机组i的有功出力上限，PG,i为机组i的有功出力。

9）母线电压越限风险：通过统计分析各节点电压的上下界约束对应的拉格朗日算子，获得对风险消除最有利的无功电压控制节点，可甄别电网电压薄弱环节。计算公式：

式（13）中：λ-V,i为节点i电压下限约束对应的拉格朗日算子。

10）支路潮流越限风险：通过统计分析各支路潮流的上界约束对应的拉格朗日算子，确定对支路潮流处于上限的线路，可甄别故障中随州电网最易发生潮流越限的线路。计算公式：

式（14）中为支路i潮流上限约束对应的拉格朗日算子。

2 自动评估系统指标实现方案

自动评估系统各指标的计算充分利用了PSASP的电网分析计算能力，通过计算控制模块实现对整个评估过程的自动控制，实现工程文件与作业文件的转换，调用计算程序与评估计算，实现整个评估过程的高度自动化。其实现的基本结构如图2所示。

图2 基于PSASP指标计算示意图Fig.2 Calculation of index based on PSASP

2.1 自动评估系统构成

1）PSASP程序包，包括用于电力系统分析的各种计算模块，如潮流计算程序，短路计算模块，N-1故障计算模块等。

2）PSASP工程文件，用以管理电力系统模型及计算参数，包括电力系统模型文件，计算控制参数文件。

3）PSASP作业文件，供PSASP程序包计算使用的数据文件。

4）PSASP结果文件，用以存放PSASP的计算结果。

5）数据解析模块，用以实现PSASP工程文件向PSASP作业文件转换，PSASP结果文件解析的功能。

6）评估指标计算模块，利用PSASP计算结果数据对自动评估系统各指标进行计算。

7）数据库系统，用以存储评估结果。

8）结果展示模块，用以展示评估结果。

9）计算控制模块，实现数据解析模块，评估指标计算模块，PSASP程序包中电力系统分析软件的调用功能。

2.2 自动评估系统工作过程

1）准备好PSASP工程文件，开始进行间歇性能源并网方案评估。

2）评估系统将调用数据解析模块，将PSASP工程文件转换为PSASP作业文件[13]。

3）评估系统将自动调用PSASP程序包中的电网分析程序，对并网方案进行计算。

4）评估系统自动调用数据解析模块，读取步骤3中计算得到的结果，并将结果数据输入到评估指标计算模块中进行指标计算。评估指标计算模块将计算的结果存储到数据库系统中。

5)结果展示模块从数据库系统中读取步骤4中存储的结果数据进行展示。

2.3 自动评估系统评估指标计算模块实现方法

评估指标模块实现方法分两种：一种是采用C++编程实现，一种是采用C++和MATLAB混合编程实现。实现流程图大致如图3所示。

图3 评估指标计算模块示意图Fig.3 Evaluation index calculation module

C++编程实现的评估指标有安全稳定性指标模块和经济性指标模块，这两个模块指标的计算是读取PSASP计算的结果文件，通过指标计算方法，把评估结果存入数据库中,整个过程都是通过程序自动化处理完成。

C++和MATLAB混合编程实现的评估指标有电能质量指标模块、可靠性模块和风险性模块。这3个指标模块在实现过程中是运用matlab编程采用蒙特卡洛法进行计算，为了实现自动化评估计算，首先需要将计算指标的matlab程序转换为C++所能识别的动态库程序，然后通过C++程序自动调用matlab所转换的动态库，从而得出指标计算结果，最后把结果保存到数据库中和界面展示。

3 自动评估系统指标结果分析

自动评估系统可视化界面分为主画面和详细界面两种。主界面主要展示各功能模块的主要信息，让操作员能够快速抓取各模块指标的重要信息，详细界面显示各模块指标的详细内容，便于操作员精确分析。

下面所展示的结果数据是针对随州电网处于极小负荷情况下的评估结果数据。

图4 评估系统主画面Fig.4 Evaluation system

3.1 自动评估系统主画面

图4为自动评估系统的主画面。左侧从上到下为加载程序数据包，调用指标计算接口；右侧依次为安全稳定性指标、电能质量指标、可靠性指标、风险性指标、经济性指标结果显示。点击每个指标模块的详情可以快速定位到该模块指标下面的指标详细信息。

3.2 安全稳定性

图5为安全稳定性模块线路负载率详细内容显示。结合图4可知，在常规运行方式下，220 kV钟随线负载率为110.3%，出现过载情况；110 kV烈殷线负载率为91.6808%，110 kV天烈线负载率为90.5351%，出现重载的情况。220 kV烈1号主变负载率为261.492%，出现严重过载情况。

图5 常规潮流计算线路负载率Fig.5 Conventional power flow calculation load ratio

图6为安全稳定性模块N-1校验中在不同运行方式下切除方案的数目、切除方案类型、所切除方案对应的支路设备。由图6可知，极小负荷运行方式和极大运行方式的切除方案都为58个。

图6 N-1校验切除方案Fig.6 N-1 Check removal scheme

3.3 电能质量

图7为母线电压保持指数详细内容显示。除烈山变10 kV母线电压保持指数约为0.507 1外，其他母线的电压保持指数都为1。即除烈山变10 kV母线外，其余母线电压均在合格范围内。

3.4 可靠性

可靠性有两个评估指标：电力不足时间概率和电量不足期望。由图4可知，电力不足时间概率为99.973%，表示区域内停电概率为99.973%；电量不足期望为3.596 4，表示由于输电设备停运造成的少供电量为3.596 4 MW。

图7 母线电压保持指数Fig.7 Bus voltage retention index

3.5 风险性

图8为母线失负荷风险的详细内容显示，其中负荷调整量最大的是永阳变10 kV 2号母线，其失负荷风险为1.508 4 MW。

图9为新能源受限风险详细内容显示，其中受限风险最大的两条母线为万和风电场和界山风电场，受限风险分别为62.779 3 MW和28.886 2 MW，说明这两个风力发电场需要调整的发电量比较大。

图8 母线失负荷风险Fig.8 Bus load loss risk

图9 新能源受限风险Fig.9 New energy limited risk

3.6 经济性

图10为线路的负荷率详细内容，结合图4可知，220 kV随永线负荷率最高，其负荷率达到了91.134 2%，负荷率越接近100%，表示线路设备的利用率越高，越有利于减损节能。

图10 线路负荷率Fig.10 Lines load ratio

4 随州电网未来规划建议

依照极小负荷下的自动评估结果，对随州电网近期的规划提出如下建议：

（1）由于220 kV钟随线是500 kV编钟变下网的重要220 kV线路，建议将随州变220 kV母线以及钟随线改为大截面导线，缓解重过载问题。

图11 随州电网结构Fig.11 Suizhou power grid structure

（2）220 kV烈山站现有风电220.5 MW，光伏200 MW，造成主变过载严重，建议推进220 kV烈2号主变扩建工程，推进220 kV江头店输变电工程建设，缓解烈山供区新能源上网卡口问题。

（3）建议推进220 kV永阳主变增容工程，将永1号主变更换为240 MVA的大容量主变，缓解永阳供区新能源上网卡口问题。

综合以上3点改进措施，再次进行潮流计算、N-1校核、电能质量计算、经济性计算、可靠性和风险性计算，计算结果表明线路和变压器均无越限情况，同时改善了母线的电能质量，各线路和各母线存在的风险性和受限情况得到了大大的改善。

5 结论

本文所述的自动评估系统有如下几个重要的技术特点：

（1）实现了电网分析、评估指标计算等功能的自动化，大大提高了多种间歇性能源并网方案评估的自动化水平，进而提高了电网分析工作人员的工作效率；

（2）对随州地区的网架结构、运行方式、新能源发电装机、消纳等情况进行全面分析，为风电场和系统建模等后续分析工作提供数据支撑；

（3）提供了友好、简洁的人机交互界面，可以让电网分析工作人员快速定位重要问题；

（4）为电网分析工作人员提供区域内电网电压的薄弱点和输电薄弱环节所在，方便电网分析工作人员快速制定有针对性的改进方案。

最后，结合随州电网实际运行情况表明：本文研究结果能够应用于随州电网的实际运行中，并且可以极大地改善当前随州电网的运行情况，有效改善新能源发电的外送难题，为随州电网未来规划提供了强有力的支撑保障作用。

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