基于安全校核的静态电压辅助决策的实用化研究

郭绍男，王存旭

（沈阳工程学院a.研究生部；b.自动化学院，辽宁沈阳 110136）

最近几年，由于用电负荷在受端电网处飞速增长，能源供应出现问题，比如主力电厂建设的不足，且与负荷中心之间的距离太远，远距离输电压力增加，一系列问题导致电压稳定性极差[1-3]。调度工作人员在对调度计划进行安全校核后，根据校核结果提出合理的辅助决策来解决出现的实际问题，保证电网安全稳定运行。通过对故障进行扫描，筛选出严重故障集，寻找出高效的并且经济性的控制措施来提高静态电压稳定裕度。因此，制定出静态电压的辅助决策已刻不容缓[4-8]。

本文通过明确调度原则并且切实整理出辽宁省电网的运行特点，再结合运行人员的多年经验，提出了一种基于严重故障集的静态电压稳定辅助决策实用化计算方法。辅助决策运用联合措施即将有功功率控制与无功功率控制两种控制无缝隙配合起来，其中无功功率控制分为调节机组机端电压、投/切并联容抗器等[9]；有功功率控制分为发电机有功功率调整、切负荷等[10]。本方法以综合代价最小为目标，其中包括控制代价和经济代价，由于考虑因素多，所以结果更加符合电网实际情况。同时，提出了基于电压模态分析结果和裕度指标综合方法来筛选出严重的故障集并进行顺序的排列，根据严重程度制定无功功率控制措施。在无功控制不足时，基于有功综合灵敏度信息补充有功功率控制措施。当出现母线上的电压值超过规定值的上限时，需要再次将无功功率进行调整，调整依据基于综合控制灵敏度[11-12]。所有计算全部基于分布式计算平台，采用PV 曲线计算来提高计算速度[13]。根据计算结果再次对空间的制定以及对范围的缩小进行指导。文本对辽宁电网实时断面进行仿真分析，结果验证了所提出方法的快速性及实用性。

1 辅助决策的流程

辅助决策的制定首先要获取电压失稳的断面；其次辅助决策实施后的结果要保证平衡性[14]，即发电与负荷之间在全系统下保持整体性的平衡；最后制定出事先指定的可以进行选择并且调整的一系列控制方法，对全系统的电压稳定性进行提高。辅助决策流程如图1 所示，具体的计算步骤如下：

步骤1：对静态电压稳定严重故障集进行精细筛选；

步骤2：检查区域内负荷母线的电压稳定功率裕度，若结果低于规定值，则利用各区域无功电源进行调整，对优化方程进行求解，依托于并行计算平台制定无功功率控制措施；

步骤3：若优化方程无解，则需要调整发电机有功功率和切负荷的控制措施，对改进后的优化方程进行求解，并制定出有功与无功相配合的控制措施；

步骤4：若出现母线的电压超过其规定的上限值，则重新计算灵敏度，对无功功率调整措施进行改进，并将改进后的方案作为新的控制措施；

步骤5：迭代修正，对最终确定实施的方案措施进行裕度的校核，若满足事先规定值则控制成功，退出程序，若裕度不符合要求值，考虑并行计算电压崩溃点和稳定极限时存在的误差，修正规定值并返回步骤1，直至将电网区域的电压稳定功率裕度或电压储备系数调整到规定值以上。

图1 辅助决策流程

2 主要技术

2.1 筛选严重故障集

电力系统的规模很庞大，为了找出所有的故障点，需要对全系统进行扫描，而严重故障点占所有故障点的比例微乎其微，正是这些严重的故障点才会导致系统的电压不稳定，最终造成严重后果，所以必须对故障集进行筛选，合成严重故障集作为需要分析调整的对象。因此，本文提出了一种综合筛选方法，如图2所示，主要过程分为以下两步：

1）以速度快为目标：采用基于灵敏度裕度计算法与最多压降估计法相结合的估算方法对所有的故障集进行初次的筛选，需要注意的是第一次筛选结果有一定的误差。筛选的判据式如下：

式中，ΔV1是在具体的系统中，通过计算以及相应的分析得出来的参数；ΔVmax是通过潮流的二次迭代后估算得到的节点电压降；α0是系统进行计算自定的常数，通常取值范围为0 ＜α0≤1。若αm≤0，即ΔVmax≥ΔV1，则视为粗略严重故障集。

2）以精准为目标：首先采用故障潮流法进行总体的识别，目的是避免因为初值的选取失误等原因造成错选安全故障的发生；接着采用精准的改进后的PV 曲线二次拟合法，筛选出最终精准的失稳严重故障集，判据式如下：

式中，αmax是最终的裕度判定指标；α2是PV 曲线上第二点对应的负荷裕度指标；β是事先设定好的规定值，一般取值为0.15。

若式（2）成立，则以αmax作为裕度指标对故障展开精细筛选。

基于此，本研究采用真假词识别任务和褒贬判断任务，利用时间分辨率较高的ERPs(event-related potentials)技术探讨两类认知内容识别和归类中的时程特点，进一步验证社群性信息在认知加工中的优势。

图2 静态电压稳定严重故障集筛选

2.2 并行计算

在2.1 节筛选阶段一中，虽然对故障集合进行了快速地筛选与排序，但在阶段二中仍然还存在很多的故障需要进行精确确定。本文在计算电压稳定裕度时，依靠并行计算平台来提高计算的速度。首先将负荷水平进行划分，划分的依据是事先设定好的步长，并且一定要按照负荷的变化方向进行等距划分，计算平台CPU 的核数也直接影响计算的速度，尽可能多的让计算机一并参与进来，快速得到功率调整方案，并将这些方案一并下发到计算平台中的每一个节点上去进行潮流计算。需要确定的是收敛与不收敛之间的临界点，将此对应的最大负荷定义为临界稳定方案，与之对应周围的便是不稳定方案，可以将负荷的水平上限对应为临界稳定方案，水平下限对应为临界不稳定方案，多次更新迭代，最终找到满足要求的方案。并行计算过程如图3所示。

图3 并行计算范围逐渐变小的过程

需要指明一点，在上述计算过程中，依托于并行计算平台，虽然可以很好地提高运算效率，这点在后续的案例中也得到了证明，但是避免不了计算过程中误差的存在，需要通过迭代修改规定值的方法进行修正。

2.3 迭代修正

在并行计算稳定极限点与电压崩溃点时，本文采用的方法是曲线拟合法，此方法可以快速地估算出我们需要得到的稳定极限点的值和电压崩溃点的值，在依托于并行计算平台中，不可避免的会出现一定的误差，因此需要对事先预定好的稳定裕度值进行精细地校核。如校核结果为稳定裕度不满足要求，则采用式（3）中的系数KP修正裕度门槛值，之后重新进行控制措施搜索、计算，直至满足裕度规定值要求。

式中，λL为稳定裕度门槛值；λ0、λ1分别为初始和控制措施校核后的稳定裕度。

3 辅助决策实用化模型

3.1 数学模型

调度辅助决策的任务是需要找一个满足安全稳定要求的运行点。这个问题可以看成是一个约束优化问题，约束是在系统运行和预想故障下安全稳定性满足要求。本文提出以综合控制成本最小为目标，静态电压稳定辅助决策描述的目标函数可表示为

式中，F1和F2分别为控制变量代价和调节量代价；α、β分别为控制量系数和调权重系数，一般设定0 ≤α≤1，0 ≤β≤1，且α+β=1。

约束条件为

约束条件分为等式约束和不等式约束，其中式（5）表示潮流约束，为等式约束；式（6）表示控制变量的运行范围，例如发电机有功、无功出力的上下限，为不等式约束；式（7）表示静态运行约束，例如母线电压不越限等，为不等式约束。

3.2 无功源调整

式中，Ma为投切式补偿器动作矩阵；Mb为连续式无功源动作矩阵；C为由各补偿器动作后无功改变量组成的列向量；ΔQ为连续式无功源的无功变化绝对值列向量；Q、Qlow和Qup分别为连续式无功源的调整后值、下限和上限列向量，维度为r；ΔV为本地区电网母线电压变化列向量，维度为本地区母线数z；V、Vlow和Vup分别为母线电压的调整后值、下限和上限列向量，维度为z；Sqv为区域电网母线电压幅值对无功注入的灵敏度，其维度为z×r；α、β分别为分组式补偿器和连续式无功源的权重。

上述各式中，T为各无功补偿器与母线的关联矩阵，如式（15)所示。

矩阵的行数为接有无功电源的母线个数r，列数为投切式无功补偿器的组数n。若第i个无功源母线上接有第j个补偿器，则Tij=1，否则Tij=0。一个母线可能接有多个补偿器，因而每列只有一个元素为1，每行可有多个非零元素。求解上述优化方程，便可得各无功补偿的调整量。

3.3 有功源调整

当上述计算无解时，则增加发电机有功作为调节手段，式（8）改为式（16），式（10）改为式（17）：

式中，ΔP为发电机有功改变量绝对值列向量，维度为发电机个数ω；Mc为发电机有功动作矩阵，是行数、列数均为ω的对角阵；Spv为区域电网母线电压幅值对发电机有功注入的灵敏度，其维度为z×w；γ为发电机有功调整的权重，为保证优先进行无功电源和无功补偿器的调整，该值应远小于α和β。

增加如下发电机有功约束：

式中，P、Plow和Pup分别为发电机有功的调整后值、下限和上限列向量，维度同样为ω。

3.4 切负荷调整

当调整发电机和无功补偿器均无解时，则采用切负荷措施[15]。式（8）、（10）分别改为式（20）、（21）。

式中，PL、QL分别为区域电网的负荷有功和无功列向量，维度为区域负荷个数h；d为切负荷比例矩阵，为行数和列数均为h的对角矩阵；Splv、Sqlv分别为区域电网母线电压幅值对负荷有功、无功注入的灵敏度矩阵，其维度为z×h；η为切负荷的权重因子，为保障最后采用切负荷手段，η应远小于λ。

由于采用等功率因素切负荷，目标函数（4）中不需要考虑最小切负荷无功量的项。增加如下约束：

式中，0、1分别为维度为h的全0和全1向量。

4 算例分析

利用文中所提出的辅助决策对辽宁电网进行测试，目标选取为2018 年冬季的某一个实时运行断面，表1 展示了计算所需的规模，设定静态电压稳定裕度事先规定值为10%，低于规定值则需实施辅助决策来提高电网稳定性。

表1 辽宁电网实施运行数据的计算规模个

利用文中所提的严重故障集筛选法对断面进行扫描，最终确定出的严重故障集如表2所示。

经过分析计算，决定将沈海、绥中、鞍钢第二发电厂的无功输出增加450 Mvar，此措施使得沈海电厂并网点的电压超过规定的上限值，所以需要将部分电厂的无功目标进行改变，对无功控制方案进行修改，修改后的数据见表3 所示，对施加辅助决策后的电压稳定裕度进行校核，均高于规定值。

表2 严重故障集排序

表3 考虑正常运行方式母线电压越上限的控制方案 Mvar

辅助决策前后的静态电压稳定裕度比较见表4，将静态电压的稳定裕度值全部进行提高，超过规定值10%以上。

表4 辅助决策前后静态电压稳定裕度比较 %

由于辽宁的南部地区多为受端电网，因此控制方案采用本文所提综合控制方法，即有功控制与无功控制相互配合，对受电区以及送电区的有功和无功进行调整，如表5 所示。降低远距离的输电比重，同时调整自身区域的输电电源，使其比重增加，通过调整使得静态电压稳定裕度超过规定值10%，如表6所示。

表5 有功与无功的联合控制措施 MW

表6 辅助决策前后静态电压稳定裕度比较 %

5 结语

本文提出了一种基于安全校核的静态电压辅助决策实用化方法，根据灵敏度预估裕度法、改进后的曲线估计法来确定严重故障集；制定出了一套有功功率和无功功率相互配合的控制方案；并提出了采用无功的综合灵敏度加以约束以确保母线电压值不超过规定值的上限，制定出无功综合调整方案；计算环节全部依托于并行计算平台，计算速度有显著地提高。本文所提方法运用到辽宁电网中，结果符合运行的实际要求，具有很高的实用性和推广性。