在线动态安全评估及决策支持系统关键技术研究

李世明　高波　向德军

摘 要：在线动态安全评估及决策支持系统以分布式并行计算平台为支撑运行平台，有效地整合日计划数据和年度月度检修计划数据和EMS模型数据、在线历史数据、电网离线分析数据，形成计划潮流数据，进行安全稳定分析。在此基础上，集成基态潮流分析、静态安全分析、连锁故障分析、暂（动态）态稳定分析、静态安全辅助决策等多种稳定分析计算功能，实现日计划和年度、月度检修计划的动态安全校核，并根据校核结果，给出迅速有效的控制措施或调整策略。在线动态安全评估及决策支持系统由智能运行策划管理平台提交计算申请，计算完成后将计算结果返回，由智能运行策划管理平台统一展示。

关键词：动态安全；电网系统；潮流分析

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

0 引言

动态安全校核系统涉及面广，不仅涵盖了包括电网的运行与控制技术、电力系统分析与并行计算技术等多学科、多领域的技术，而且在实际的开发中还要考虑对电网中已有的能量管理系统（EMS）、离线检修管理和安全分析以及离线方式计算等现有资源的有效集成和充分利用。因此，对动态安全校核系统的研究与开发是漫长而复杂的工程。本文开发的动态安全校核系统可实现广东电网计划检修的动态安全校核和稳定隐患监测，为提高广东电网运行决策及运行方式的科学性和预见性、提升电网的输送能力和安全稳定水平提供技术支撑。

1 多断面功率模型

在传统的牛顿潮流算法的基础上进行动态安全校核的数据整合算法研究。牛顿潮流计算理论已经纯熟且在众多电力教材中已经详细介绍，在本文就不在重复介绍。数据整合算法不仅适合多机协调控制而且还适合单机控制。数据整合算法的具体步骤可包括：（1）对基于牛顿法的传统潮流方程进行修改和改进以满足多断面功率控制的需求；（2）断面功率需要借助分布式平衡机模型实现控制；（3）求解模型的潮流方程并给出提高方程求解收敛性的方法。

若一个断面由一个机组群控制，则附加功率体现着发电机的调控作用。第m个断面由第i台机控制的有功功率方程和无功功率方程分别可由方程（1）、（2）表示：

α（m）表示有功功率控制因子，β（m）表示无功功率控制因子，其中有功功率控制因子和无功功率控制因子均与m断面相关。有功、无功权重大小与发电机的调速器以及励磁调节器性能有关，代表着发电机承担负荷的快慢，且有功无功权重的数值是在每轮的计算之前给定。当断面约束每增加一个，就会同时增加有功功率控制因子和无功功率控制因子两个变量。参与控制断面无功的发电机类型受系统节点无功注入表达式fq（i）的影响而变成PQ型。

对应断面功率方程，新增雅可比矩阵的行。对每个断面而言，对每个断面，这两行中的非0元素是该断面有无功功率方程对组成该断面所有线路端节点电压的实部和虚部的导数（公式均用直角坐标），表示m断面雅可比矩阵行中与k线路对应的元素，即该断面功率方程对组成该断面的k线路I侧和J侧电压实部和虚部的导数。组成m断面的其余Nm-1条线路可依此类推。其它断面对应的雅可比阵行与此类似。

在雅可比矩阵中，若某一断面由端点相同的两条线路组成，则可将该断面处由端点相同的两条线路组成的该节点电压的导数相加并作为该节点电压的雅克比元素，因此，可以将参与调控的发电机功率方程的雅可比矩阵做出相应修改。如果第m断面功率的功率受第i台发电机控制，则参与调控的发电机功率方程的雅可比矩阵的增加对应于联络线端节点相对应的元素，而发电机对应的两行增加则对应于有功功率控制因子和无功功率控制因子对应的元素。

基于上述建立的模型进行实际实验，在实验验证的过程中发现存在以下问题：

（1）当多个断面出现在某一个区域时，该区域内的发电机群控制多个断面中的哪一个将会很难确定；

（2）方程收敛性出现的容易与否受断面功率接近目标值距离的影响，即当端木功率接近目标值时，方程收敛性出现困难。出现这种情况的原因是ΔPc（m）、ΔQc（m），导致系数也变得非常小，改变机组功率变得困难。同时，位于雅可比矩阵对角线上的元素也变得非常小。

綜上所述为排除所建立模型存在的问题，可在调控机组中通过去除断面功率偏差的反馈环节对所建立的模型做出进一步的改造。通过改造，所建立的模型的收敛性不受断面功率与目标值非常相近情况的影响；同时，断面和调控集群不一定非要满足一一对应关系只要调控机群可以保证系统中每个断面的功率变化和系统损耗变化都能得到调控或平衡即可。发电机的调控作用仍可通过附加功率项体现。在第n个调控机群中，第i台发电机的有功功率和无功功率的表达式可由公式（6）、（7）表示：

在公式（6）、（7）中，fp（i）、fq（i）与传统的潮流方程一致，表示发电机的节点拓扑约束；ΔPvail（i）表示带权重的发电机有功可调出力；ΔQvail（i）表示带权重的发电机无功可调出力。α（m）表示第n个机群的有功功率控制因子，β（m）表示第n个机群的无功功率控制因子。

同时，只需通过增加起调控作用机组的机附加项对所在调控机群的控制因子的导数便可得到改造后的雅克比矩阵。例如，n号协调机群包含第i台发电机，则第i台发电机对应的雅克比矩阵不仅有有功功率的行新增元素，而且还有无功功率行新增元素。

根据上述分析可知，本文所建立的多机协调控制多断面的功率模型为：（1）在基于牛顿法的传统潮流方程中增加断面功率偏差方程（1）、（2）；（2）控制机组和雅克比矩阵

对应的行增加式（6）、（7）的元素。

2 分布式平衡机模型

分布式平衡机模型适用于由断面功率变化时可能引起的电网不平衡功率增多的情况，这种情况需要多台机组共同承担系统协调平衡。在每一个电气岛内，有且仅有一组布式平衡机存在；在布式平衡机的功率表达式中，有功平衡可由带权重的有功功率出力进行承担；而无功功率的表达式与普通机组没有差异，当电网定电压运行时，无功功率起到平衡周围区域内无功缺额的作用。endprint

为实现与电网中电气岛的总数一致，需要分布式平衡机算法中增加有功控制变量的个数，从而实现分布式平衡机算法在正在处于裂解运行状态或者其他运行状态下的多个电气岛的电力系统计算中。对于每一个电气岛而言，需要增加一个相角基准方程，其方程表达式如公式（8）所示：

在公式（9）中，唯一出现的非0元素与公式（8）中的θi相应，其位置也和θi的位置一致。

由上述所示，分布式平衡机算法可由公式（3）代替承担功率损耗的机组有功方程，分布式平衡机算法对应的雅克比矩阵的增加修正元素可由公式（6）表示，而其修正元素的定义可由公式（7）表示。同时在方程和雅可比阵中分别新增式（8）和（9）。

方程式（1）和（2）仅仅涉及到电网联络线的端节点，由于电网联络线的端节点通常不接发电机，所以公式（1）和公式（2）不能与新增的有功功率控制因子α（n）和无功功率控制因子β（n）建立直接的方程上的联系。而本文中通过采用基于三角分解的前代回代法求解牛顿方程。为确保方程式（1）、（2）对角线非零元素的过大，需要采取以下措施：

（1）由方程式（1）和（2）构成的断面功率偏差的表达式应该放置与断面控制因子对应的行上面；

（2）在同一机群中，ΔPvail（i）或ΔQvail（i）不能太小，至少得保证其中一台机组带有有功或无功权重可调出力。否则，式（6）或（7）整列都为很小元素，经消元后在式（1）、（2）对角线元素位置不能产生较大的非零元，从而影响方程组的收敛性。

3 基本模型的实现流程

由上述分析可知，为简化研究，控制集群可表示为控制断面功率的发电机群，而平衡机群可表示为分布式平衡机组。在基于牛顿法的传统潮流计算方程中，在进行多机协调控制多断面的模型建立时，需要对所建立的模型进行初步改造以满足大型电网的不同断面组合方式；而对发电机进行控制时必须满足机组功率不能越限以及断面功率与目标值不能相差太大等情况。为实现上述目标保证断面的可控，需要采用专门的控制措施，而控制措施和平衡机群的设置需要遵循以下准则：

（1）在每一个断面的两侧必须存在控制集群或者平衡机群；

（2）在每一个电气岛中，平衡机群和控制集群的总和一定要比控制的断面多1个。

第一个原则的设置主要是为了实现和确保受控断面两端有功和无功出力的可调性。如果一个断面功率不发生变化时则说明断面的功率是不可控的。第二个原则的设置主要是确保电网潮流计算中新增加的方程的数目和电网中新增加的变量数目相同。当然，针对不同的断面组合需要提出不同的机群设置方法。然而，同一机群的设置也不是越多越好，需要满足以下准则：

（1）在机群中，各个机群间机组的电气距离应大于同一机组内部各个机组间的电气距离；

（2）各个控制集群和平衡机群应尽量靠近不同的断面。在潮流方程中，为使新增加的方程的个数与未知数的个数相平衡，需要将环形断面区域进行拆分，具体拆分结果为分成左、右两个子区域，然后在两个子区域内分别设置控制机群和平衡机群。在调整这两个断面时，为尽量减小相互间的干扰，需要在设置机群时使两个机群分别靠近不同的断面。该种设置机群的方法不是唯一的，在设置集群的过程中，只要按照上述设置机群的原则进行操作，就可以得到根据电网的具体情况和计算需要而设置的不同控制方案。其控制措施可以分为单步控制和多步控制，具体控制措施要根据断面功率偏离目标值的大小而定。多步控制是由单步控制发展而来，而单步控制是简化的多步控制。

4 结束语

在线动态安全评估及决策支持系统建立在电网仿真技术最新发展的基础之上，技术层面處于国内领先水平。整个系统从规划设计到最终投运，分阶段、有序地展开，工程开发具有前瞻性，对今后国内其它各级电网开展相关研究提供了宝贵经验和重要借鉴作用，为动态安全校核技术的推广提供了途径。得益于在线动态安全评估及决策支持系统的实用性和技术先进性，该系统将极大方便电网运行人员进行计划校核等方式分析计算，提高电网分析计算水平，为电网安全、稳定、优质、可靠运行提供有力的支撑。对保证电网的安全稳定运行、提升驾驭电网安全稳定经济运行的能力、提高电网抵御扰动和严重事故的能力，具有十分重要的现实意义。

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作者简介：李世明（1984-），四川隆昌人，硕士，工程师，研究方向：调度自动化系统运行与管理。endprint