基于新型电力系统运行模式下的智能优化控制系统VAC

李西明,薛 涛,赵 斌,杨 溢,李伟男

(1.国网沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110052;2.华电电力科学研究院有限公司东北分公司,辽宁 沈阳 110167)

0 引言

目前应用在各级电网调控中心的自动电压控制系统(AVC)［1-5］,在多电源激励下,电网特征不能用开式网特性代替多源网特性,例如主变升降档,到底产生多少电压变化量,已不能估算。同时,对于多电源供电模式下,无法有效换算无功出力及优化有功,导致电厂励磁电流、SVG导通角只能“爬调”,特别是SVG,改变一次调节量需要若干次动作才能到位。本文提出的基于新型电力系统运行模式下的智能优化控制系统(VAC),可智能匹配多电源接入模式,实时监测从不同点供入多少有功功率、无功功率,保证电网电能质量合格,电网电能损耗最小,对现行电网调度已很必要。同时,VAC系统很好解决了原有只能逐个设备操作,等待执行结果,再决策下一步操作,即不能并行执行、效率低的问题。还能实时监测电网系统的拓扑关系,对于不断扩大的电网规模和变化频繁的运行方式可实现自动识别,满足电网实时变化需求。

1 VAC系统基础功能

1.1 动静态混合潮流计算

VAC系统可自动读取电网实时数据,对实时数据处理后,得出各节点初始PQV值;通过在线快速电网潮流,计算变压器和线路损耗,实现最优控制;合理规划电源容量及接入点、合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求;供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度等建议。当电网运行方式发生变化时,如容抗器手车推出或推入、主变分/并列运行、供电电源调整等均会自动重新生成导纳方程［6］。

由于动静态潮流计算采用迭代牛拉法求解,矩阵方程阶数较大,迭代次数较多,无法用常规服务器求解。

经过多方比较,将原有的处理器CPU换成了可编程GPU,是高度并行化、多线程多核、拥有强悍的计算马力和内存带宽的处理器。VAC基于GPU/ K800/cuda9.0开发潮流计算程序,自动完成动静态潮流计算,该计算时间不受电网规模影响,大大缩短了计算时长。

1.2 控制模式的选择

VAC系统提供了建议控制和自动控制2种控制模式。

1.2.1 建议控制

根据电网实时运行情况,系统作出调节指令,但不下发到前置执行。调控人员可通过需求选择是否执行该操作。

1.2.2 自动控制

a.控制无功电压

主要负责控制的设备包括电容器、电抗器、有载开关、SVG、电厂及新能源等设备的无功出力［7］,确保电网电压最大范围合格,电网有功损耗最小,确保设备动作次数最少。

约束条件有:①母线电压不越限;②有载调压开关动作次数不越限;③电容器每天投切次数不越限;④发电机出力不越限。

b.控制变电站的功率因数范围

VAC系统对功率因数的设置范围比省调考核指标范围更小一点,可实现提前干预功率因数不合格的情况,如表1所示。VAC系统在整点和半点考核点前几分钟,VAC动作反应时间为20 s,其他不在考核点时间段动作反应时间加长,目的是保证合格率的情况下减少设备动作次数。

表1 功率因数控制范围

c.控制越限情况

VAC系统采用了禁忌搜索算法［8］(tabu search,TS)来对无功电压进行组合最优化求解。与传统的优化方法相比,这种启发式的算法具有在较短时间内以较大概率搜索到全局最优解的能力,且能够尽可能地避免陷入局部极值点。

针对变电站内的无功补偿设备(如电容),当节点负荷确定后,根据如图1所示的“九区图”明确要操作的设备［9］。图1中,Q为主变高压侧无功功率,Q>0为感性,Q<0为容性,Q+为感性无功上限,Q-为感性无功下限;U为主变低压侧母线电压。设操作后［0］域的电压合理范围［10,10.7］,无功的合理范围［-Qf,Qf］。

图1 变电站“九区图”

VAC在巡逻过程中,优先查询各节点动作需求,再进行全网动静态潮流计算,看各节点电压是否合格,全网损耗是否相比较小,即可进行相应操作。

如流过关口无功负荷为Q,进行补偿后无功负荷应为［-Qf,Qf］是合理的,当然趋向0是最好的。

当Q>Qf时,投入电容器;当-Qf≤Q≤Qf时,无需补偿无功;当Q<-Qf时,切电容器,如表2所示。

表2 越限控制对策表

VAC在巡逻过程中,优先查询各节点动作需求,再进行全网动静态潮流计算,看各节点电压是否合格,全网损耗是否相比较小,即可进行相应操作。

1.3 在线仿真

调度人员可在主界面进行手动参数设置、电网结构调整,然后进行在线仿真计算,即显示操作后预测结果,包括电流、压降、功率、损耗、过载、越限等。可进行多重复合仿真,其结果用于并行操作,如图2所示。

图2 VAC系统操作工具

图2中,“卸”为自动构画本市电网模型图;“序”为根据实际需要调整某一主变在界面上显示的顺序;“刷”为读取主变档位及设备遥测信息、也可通过该按键刷新界面;“构”为运方变化人工重构;“障”为定位故障点位置;“牌”为对检修的设备挂置检修牌;“静”为关闭播放系统动作的各项语音播报;“锁”为封锁设备信息一览表,双击某一设备界面自动切换到该设备。各监控中心仅可看到自己所管辖厂站设备封锁信息;“定位”为输入厂站名“定位”厂站。

2 VAC系统应用功能

2.1 主配互动

由于分布式光伏、风电等新能源的接入,配电网逐渐从被动接受电能的无源网络转变为主动实施电能管理的主动配电网,从以往的被动、单向的配电网逐步转变为具有双向供电特性的主动配电网,导致其安全稳定运行水平大受影响。

由于配电网和主网之间是相互依存的,在调度时不仅要考虑成本,还要考虑两者的协调程度。传统配电网没有自己的主动性,其作用仅仅是传输和分配电能,主要依赖于输电网中的发电机来实现调度的目的。但随着各类因素的增加,例如分布式能源并入电网,改变了电网系统内部的功率流向,在提升现有配电网主动性的同时,其随机性及不稳定性也日益加强。

VAC系统可统筹考虑配电网要求,结合主网运行情况,下发设备动作指令。考虑到风电、光伏的随机性,随机波动分布式电源出力无法在配电网内部平衡、消纳,VAC系统可充分考虑配电网分布式电源设备出力,实现分布式电源有功功率分配并保障电压稳定,从而实现主、配电网协调调度。

有学者认为作为移动互联网时代的网络编辑，要提升信息产品的原创力与掌控力、平台适应力与创新力以及与信息用户的亲和力[18]。作为新时代的网络内容编辑，不仅要精通网络信息内容的生产和制作，而且要懂得如何设计和营销信息内容，使内容信息能够促进行业企业的生产经营，提高网络信息的应用价值，扩大信息的传播力和影响力，在为社会传播正能量、促进社会经济发展的同时，有效促进网络媒介自身的经济发展。

同时,VAC系统也可根据主网运行情况,向配电网发送指令,使其接入的分布式电源在必要时按照系统需求进行控制,缓解主网运行压力,实现全网统筹协调,提升系统运行可靠性。

VAC系统统筹协调主网和配电网资源,在保证降低电网运行成本和损失的前提下,提高电网安全稳定运行水平,并实现能源的最大化消纳。

2.2 省地互动

省地协调互动主要具备独立运行模式(中断模式)和协调互动模式2种模式。

独立运行模式:省调VAC系统和地调VAC系统之间数据交换中断,各自独立运行,地调VAC系统告警提示省地协调互动中断告警。

协调互动模式:地调VAC向协调互动代理传送关口电压期望范围和关口无功的控制能力(可控无功设备情况),省调VAC向协调代理互动传送关口无功的期望范围(功率因数范围)和对关口电压的控制能力,省调VAC系统和地调VAC系统都只和协调互动代理通信。协调互动代理汇总上述信息,进行协调控制状态判断并产生协调约束集,协调约束集包括地调和省调2个方向,向地调VAC下发关口无功约束条件,向省调VAC发送关口电压约束条件,省调VAC系统和地调VAC系统在满足相应约束条件的前提下进行控制策略计算。

省地协调互动功能的实现,进一步降低电网传输损耗,实现省地AVC之间的协调控制,保证地调VAC的控制策略能够与省调AVC本身的控制策略匹配,避免在正常情况下,出现省地之间过多的无功流动,进一步提高电网运行的经济效益。

2.3 动态监测新能源电厂

(1)

式中:VAC子站投运须同时满足VAC子站远方运行及VAC子站投入;VAC子站可投时间为新能源出力大于总装容量的10%。

(2)

式中:VAC调节合格须同时满足条件1和2或者单独条件3。

条件1:调节后的电压/无功和主站目标值之差在死区范围内为合格,具体死区值参见表3。

表3 电压/无功死区表

条件2:指令下发后,150 s内至少采集5个电压采样点,其中至少有1个合格点。

条件3:指令下发后,150 s内至少采集5个电压采样点,没有1个合格,但上送与调压方向一致的单向闭锁信号。

3 系统开发环境

VAC系统是在D5000平台环境下开发的［10］,遵循D5000程序开发接口规范,服务器和工作站操作系统和D5000一样安装麒麟操作系统,并需要拷贝D5000平台环境(主要需要include、lib、QT环境)。如图3所示,运行VAC系统的服务器需要运行D5000的public、scada、pas应用(VAC用的实时库接口读取表里面数据,需要开启应用才能读取到)。VAC是独立的应用程序,跟D5000平台下各个应用是并立的关系,各自并立运行。

图3 VAC系统运行方式

3.1 数据交互

VAC整个工作过程中有3处需要跟D5000平台有数据交互。

a.模型数据。VAC需要pas应用的模型数据,现场所有设备的数量,设备的连接点号(自动生成拓扑关系),设备参数(用于计算)。

b.实时数据。VAC需要scada应用的遥信、遥测实时数据,需要所有隔离开关、断路器、电容器开关、电抗器开关的遥信值,需要母线的电压值、有功无功值。

c.控制数据。VAC根据模型数据和实时数据计算后对现场的电容器、电抗器、变压器分接头进行控制使电网更为优化运行。

现在已经能够实现用D5000实时库的开发接口函数进行读取模型数据和实时数据。模型数据只会在系统第1次运行读取1次,实时数据每10 s读取1次。

3.2 数据存储

VAC系统本身的数据不会存储到D5000平台的DM6数据库中,VAC系统本身使用的数据库为DM7。目前DM7安装在备用服务器上(备用服务器也是数据服务器,可以考虑增加1台数据服务器),VAC数据存储不会对D5000产生任何影响。

3.3 安全控制

在下发控制指令前会到前置的保护信号表里去查看安全保护信号,如有保护该指令不发送。

以地调管辖电网为1个单元,主系统服务器部署在地调机房,客户端部署在地调监控中心、县调监控中心、配调监控中心及其他集控中心。本系统运行于国产Linux系统,使用国产达梦数据库,与调度自动化SCADA系统内嵌为一体。

4 结语

本文提出了针对于新型电力系统运行模式下的智能优化控制系统VAC,解决了传统AVC系统无法动态展示电压变化、只能单一调节无功功率、无法实现主配网的协调调度、不直观且只能手动调节等问题。VAC系统通过在线快速电网潮流计算变压器和线路损耗,实现最优控制。VAC系统通过指导发电厂开机方式,生成针对问题现状的有功、无功及负荷的调整方案,满足线路、变压器热稳定及保证电压质量的要求。与此同时,调度人员在VAC系统中,手动设置参数,调整电网结构,对于电网的电流、压降、功率、损耗及至过载、越限等进行在线多重复和仿真计算,使电网预测结果更加直观展示出来,可针对电网经济运行、技术降损、电压质量等问题,给出更全面的线路优化配置及控制建议。保障在双碳目标指引下,多源供电的新型电力系统在线仿真、并行操作、精准控制,3次调频等运行模式更加常态化、平稳化。