基于源流路径电气剖分法的电压仿真分析

尹建林

(国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730050)

0 引言

2018年，全国累计风电并网装机容量达到1.84亿kW，占全部发电装机容量的9.7 %。风电发电量达3 660亿kWh，占全部发电量的5.2 %，比2017年提高约0.4 %。风电机组的大规模集中并网，对电网的安全稳定运行造成较大的影响，也对含大量风电场的风电电力系统的分析带来新的挑战。基于此背景，提出一种基于源流路径电气剖分信息的风电系统关键节点识别方法，实现对电力网络的高效剖分。

1 源流路径双向电气剖分算法概述

双向电气剖分算法在电力网络源流路径链的联合电气剖分关系的基础上，沿有功潮流相反方向对路径链进行分支电气剖分关系分析，得到所有路径链的彻底电气剖分参数。

1.1 模型构建

对于某一具有N个节点和Nl条支路的电力网络，p为电源节点总数，q为负荷节点总数。在某特定运行状态下，双向电气剖分后共有NL条源流路径链，路径链记为，其中i=1，2…p，j=1，2…q，k=1，2…NL。G和L分别表示网络源、流，(e，n)和(n，f)表示路径链的构成支路。对源和流之间某一源流路径链，如图1所示。

对某一网络源流路径链，可获得向路径链的各段剖分子支路供给功率的剖分子网络的源功率以及从路径链汲取功率的剖分子网络的流功率。

1.2 剖分算法流程

首先根据电力网络的拓扑结构得出系统的潮流分布，从而得到全网所有的源流路径链集合，以有功潮流的方向为正方向，对每一条电力网络源流路径链进行正向联合电气剖分，得到初步的电气剖分参数，在此基础上，按照电力网络源流路径分支电气剖分方法进行反向分支电气剖分，得到路径链的详细电气剖分参数。源流路径双向电气剖分的算法流程如图2所示。

2 关键节点识别思路

所提方法主要用于电力网络关键节点识别，该节点能够有效降低因系统内故障导致风电机组连锁脱网的概率，假设关键节点上动态无功补偿装置具有足够的响应速度和补偿容量。全网源流路径链的彻底电气剖分参数能够反应网络源、流的功率具体走向，因此，网络节点的关键度很大程度上依赖于剖分后的源流对之间的功率传输路径。考虑到实际电网的运行情况，有必要对辨识出的关键节点进行仿真验证。关键节点辨识的基本思路如图3所示。

(1) 根据实时电力系统结构和电网参数信息，可获得系统的具体潮流分布情况。基于计算得到的实时潮流信息，由图3的具体算法流程，对网络中所有源流对进行双向电气剖分，获得全网路径链的最终详细电气剖分参数。

(2) 基于最终详细电气剖分参数，提取剖分子网络的源功率、流功率以及子支路的阻抗信息。

(3) 根据已得到的全网源流路径链信息，分析有多少电源成分通过何种路径传输至某一负荷以及有多少负荷成分通过何种路径从某一电源汲取功率的详细供求信息。

(4) 根据源流对的电气剖分信息，按照所提的方法计算获得所有机组对电网节点的支撑度，根据支撑度数值大小确定网络的关键节点集。

(5) 通过在关键节点加无功动态无功补偿装置，可以得出关键节点上的补偿装置对风电场节点的电压支撑度以及其对提升全局电压平均水平的贡献，并将计算结果进行对比，验证所提关键节点辨识方法的有效性和合理性。

3 关键节点识别指标

3.1 源流路径链电气特征参数

(1) 剖分子网络源、流节点关键度。根据某一源流路径链的相关电气信息，可分别求取子网络源节点输出的功率和流节点输入的功率占全网源、流功率的比例。所占比例越高，说明源节点和流节点在全网中关键度越高。

源、流节点的重要度具有间接反映电网运行状态特性的作用。在关键度高的剖分子支路上进行无功补偿，可以有效降低电网故障时可能导致的大规模风机脱网的概率。

假设某源流路径链中，该剖分子网络从送端源中获得的有功功率为，受端流从该源流路径输入的有功功率为，该子网络中源、流节点的关键度可定义为：

当电网结构或系统运行状态发生改变时，源流对之间的路径链及路径链传输的功率会随之发生改变，并在一定程度上表现为源、流节点的重要度的数值变化。

(2) 剖分路径链电气距离。由于线路的电阻相对于电抗可忽略不计，因此采取剖分子支路的电抗作为衡量源流节点之间的电气距离。对某一源流路径链中的第m段剖分子支路，其电气距离可表示为：

源流路径链上的节点n和送端源之间的电气距离可表示为:

式中：M为节点n和送端源之间的剖分子支路总数。越小，说明送端源利用源流路径链传输功率时经过该剖分子支路的等效距离越短，较短的电气长度会增强之间的电气联系，对辨识关键节点影响更大。

相对于仅从网络结构计算得到的电气距离，采用以上方法得到的线路电抗能同时反映网络结构和系统运行状态特性，联系电气距离较短的剖分子支路，其作用更为重要。

综合以上电气特征参数，可定义源流路径链的送端源和受端流对路径链中任意节点n的支撑度为：

式中：λ为发电机和节点之间的电气联系系数。基于双向电气剖分后源流路径链，若发电机通过该节点传输功率时，说明发电机和该节点没有直接的电气联系，则λ=0；反之λ=1。

3.2 节点关键度指标

式(5)求得的是源流路径链上源节点对节点n的支撑度。由于节点n还可能出现在其他源流路径链中，即原始网络中其他发电机组对其仍有支撑作用，因此在衡量原始网络中对应节点n的关键度时，需要考虑其在不同源流路径链中受到支撑度的综合累积效应。当风电系统发生故障时，采用节点关键度指标可以评估出最能有效阻止故障连锁反应的节点，通过在该点加动态无功补偿设备，使得该节点控制效果最优，从而达到防御连锁故障的最佳效果。

将原始网络中所有发电机组对节点n的支撑度之和定义为节点n的关键度：

与传统关键节点识别方法不同，从电气原理出发，既可发现节点关键度指标随系统运行状态变化的规律，又可获得关键节点上的无功源与系统其他节点之间发生电气供求关系的路径关系，从而辨识出最能有效防御连锁故障发生的节点。

4 算例分析

为验证所提方法的合理性和实用性，以西部某典型风电场42节点系统为例进行分析，该系统共有10个电源节点、20个负荷节点、48条支路和42个节点，其中节点32与无穷大电网相连。

风电场均由2 MW双馈感应风电机组构成，且机组的无功出力在额定有功出力时功率因数超前和滞后0.95所确定的无功容量内动态可调。各电源节点接入的风电场输出有功功率和无功功率大小如表1所示。根据系统当前运行状态对网络进行关于网络源流对的第3类双向电气剖分，可得到全网源流路径集合。

表1 风电场的输出功率

以节点30接风电场为例，经拓扑分析获得全网所有源流路径链集合，共计63条。经统计得出经过节点16的源流路径链数目最多，从源节点{33,35,36}始发的路径链中分别有6条、12条和6条经过该节点将功率送往相应的流节点，若能在系统故障时对节点16进行有效的无功控制，则有望避免流节点{3,4,15,16,23,24}全部失电。

根据式(6)可得到的节点关键度，取关键度最高的三个节点组成关键节点集。表2给出了风电场从不同电源点接入时的关键节点集分布及对应的关键度数值，运行方式1～9代表电源点30，32～39分别接风电场时的情况。

由表2可知，在运行方式5时流节点26的关键度数值相对较大。双向电气剖分得到的全网路径链分析，有9条路径链经过节点26为源节点{37,38}和流节点{25,26,27,28,29}提供输电通道，且流节点{26,27,29}的功率完全由经过节点26的路径链提供。运行方式8下，从源节点{35,36}始发的路径链有18条经过流节点24将功率送往相应的流节点，因此，节点24的关键度数值较大。

表2 节点关键度指标

对于不同运行方式，在关键节点加一定容量的动态无功补偿，评估关键节点对风电场节点的电压支撑度以及补偿前后全网平均电压水平。表3为运行方式1～9下，在关键节点和其他节点分别加无功补偿时对风电场节点的电压支撑度以及全网电压平均水平比较。

5 结论

在运行方式7下，节点26上的无功源对风电场电压支撑度更大，这是由于从网络拓扑结构角度出发，风电场节点离节点26更近，因此无功电压支撑作用更明显。同样，对于运行方式8，节点29上加动态无功补偿时风电场的电压升高较多。由表3可知，采用提出的关键度指标辨识出的关键节点既能对风电场节点提供电压支撑，又能保证各节点的电压处于合理水平和提升区域电网平均电压水平。在风电系统发生故障时，利用无功源对关键节点进行合理的无功优化控制，就能达到防御阻止连锁故障的最优效果。

表3 不同运行方式下的结果验证