110 kV变电站主变过载联切优化控制方法

2023-10-08黄道友王春辉言巍巍

机械与电子 2023年9期

黄道友,康健,王春辉,言巍巍

(1.国网安徽省电力有限公司,安徽合肥 230061;2.南京南瑞信息通信科技有限公司,江苏南京 211106)

0 引言

随着我国电力系统的建设和发展,跨区域电网得到了广泛应用,缓解了电力系统与负载系统之间的反向分配问题,使各地区间的资源得到了最优分配,促使电力系统高效运行[1]。由于各区域电力市场的迅速发展,许多区域电力系统的负载迅速增加,在电力系统运行过程中,大多数采取110 kV主变的中间低压侧并行工作,以保证电力系统的稳定性[2]。因此,如果某变压器因为自身故障或其他原因而被拆除,则所有负载都会被转移到其他变压器上。在这种情况下,剩余运转的电力变压器会发生较大的超载现象,对电力系统的安全造成极大的威胁[3]。采用主变过载串联式控制器,当2个并联的主变机出现事故或停机时,可以立即将其余主变的负载全部移走,以保证电力系统的正常工作。

丁肇豪等[4]提出了一种基于DLR不确定度的输电线路超载危险评价的新思路,并通过模拟实验证明了该方法的有效性和可行性;章立宗等[5]提出了一种最优的电力恢复方式,将薄弱环节的常规电力供应转移到其他变电所,减少薄弱环节的加载率,增加断电地区的电力回收率。综合考虑,对变电器进行多目标优化处理,对于停电负载的电路进行容量恢复,通过对某区域的电路进行模拟实验,证明了该方法具有较高的负荷转化率,可以在变电站发生故障时将经济损失降到最低。

基于以上研究背景,本文针对110 kV变电站提出一种主变过载联切优化控制方法,从而避免变压器主变线路出现过载的问题。

1 主变过载联切优化控制方法设计

1.1 制定主变过载联切方案

为了保障电力系统的可靠供电,目前大多数220 kV或110 kV电网采用链式结构提供电能[6],即两端电源、链式结构和中间开环工作。链式结构如图1所示。

图1 链式串供系统

假设在常规操作中,开环点切换为E2,220 kV站A对110 kV站C、D、E供电。

当K1出现错误时,线路保护器会断开C1、D1

的断路器。自动恢复装置依据现场操作情况,对D1断路器进行补偿,关闭E2断路器,重新启动电源。C站的电力供应由A站提供,B站负责给D站和E站提供电能。当K2失效时,接线器跳闸,D1、D2恢复电源。C站电力供应由A站提供,B站负责给E站提供电力。自动恢复E1切换,关闭E2。

图2为智能变电站的站间联切架构,该装置按分级管理原理,在电力站和各串供变电所内部设置一个子系统,在其中一个变电所设置一个主站,该主站依据子站所提供的资料,对该系统进行逻辑判定,然后向各子站发出操作指令[7]。主要基站和副基站的所有通信都是采用光纤通信方式实现。

图2 变电站的站间联切架构

对于110 kV变电站而言,各站间智能联切系统的工作过程如下:

a.变电站与变电站之间的智能连接,是依据链式结构串供实现电力变电所的常规操作,在开闭电时,自动判别出断路器。

b.在不同的操作模式下,自动修复行为也是有区别的。以开环点处的切换为基点,设定对应此操作模式下出现各种失效情况的自修复系统操作逻辑。

c.获得该站点的有关操作信息,其中包含相应线路的切换点信息、切换后电压值和小电源信息等。

d.在系统出现问题时,由主站根据网络拓扑结构、开关位置和电气容量来判断故障位置[8]。

e.将离失效地点最近的一个失效变电站的主机供电断路器跳出,并判定该断路器与连接网络开闭点之间的工厂站点有无小功率电源,若有,则发出切断小功率电源命令。

f.在确定相邻失效点失能电厂的总线没有压力后,关闭串供的开闭器,从另外一端开始对全部的发电量进行恢复,同时小电源由人工控制。

1.2 约束主变线路容量

对于主变线,假设有一条线路有足够的容量,可以保证主电网负载和其他变电站之间的传输是顺畅的,并且可以平均分配[9]。对于一条主要的输电线路,每个输电线路都有一定的制约能力,所以输电线路的负载传输受到输电线路类型和数量的制约,也就是说,输电能力不能超出主变之间的最大容量[10]。为了约束主变线路容量,本文提出了输电线路容量的二次负载转移方案。确定的线路容量矩阵W为

(1)

wi,j为主变线路i和线路j之间的容量。如果2条主变线路没有关联,即Ωi,j=0时,主变线路的容量wi,j=0。

对变电站主变线路的容量进行约束,定义判断矩阵Z为

Z=max{GT1-Wi,0}

(2)

Wi为主变线路容量W的负荷量;GT1为主变负荷矩阵。当Z=0时,表明主变线路容量满足线路容量供给需求,可以按照标准主变容量Pj,T1进行供给;当Z>0时,表明主变线路容量无法满足线路容量供给的需求[11],此时,应该按照标准主变容量标准对wi,j进行补给,即Pj,T1=wi,j。为保证变电站的正常运行,对满足主变线路容量供给需求进行调整,即

(3)

p为约束矩阵Z中标准主变线路的数目;Qi为主变线路i的运行负荷;QBi为主变线路i运行过程中的负荷总数;Rg为超负荷运行g的容量;Rk1和Rk2分别为主变k1和k2的容量比。

当主变线路i出现故障时,对主变线路容量Qi的约束结果表示为

ΔQi=Qi-QBi-sum(PT2)

(4)

sum(PT2)为主变线路的容载比。当ΔQi=0时,说明主变线路i的负荷能够全部传输到电力系统中;当ΔQi>0时,说明在主变线路容量的约束下,主变线路i的负荷不能全部传输到电力系统中,需要引入人工干预的方式进行转供处理[12]。

1.3 主变过载联切优化控制的实现

利用改进和声搜索法对110 kV变电站进行优化控制,得到主变过载联切优化控制策略。

a.对变电站各项运行参数进行初始化处理。

b.生成主变过载联切和声记忆库[13],得到主变控制变量为

(5)

ΔHG-1,…,ΔHG-m为m个机组的主变量;ΔHL1,…,ΔHLn为n个负荷节点的主变过载负荷量;ΔHG+1,…,ΔHG+h为h个变电机组的增发量;T为变压器总运行时间。

利用改进和声搜索算法[14],对主变过载联切进行优化,初始和声库表示为

(6)

针对电力系统超负荷运行,需要预先确定各时间段内各机组的有功、减出力和负荷量。这样在一个和声检索的基础上,每个单元都表示一种控制策略,即

(7)

c.归一化处理,得到新的解[15]。对比主变过载联切搜索概率P与标准搜索概率p的大小。如果p值不超过P,则从当前数据库中提取元素作为主变过载联切优化元素;若大于P,则根据主变过载联切优化控制策略优化该元素,即

(8)

形成新的主变过载数据库后,需要进一步判断数据的准确性。对比概率p*与随机生成概率p的大小,即

(9)

ξ为线路负荷量。若p不超过p*,则对元素R(0,1)ξ进行调整;若大于p*,则满足约束条件不需要进行调整。

d.对主变过载联切数据库进行升级。将新生成的主变过载策略和存储器中原有优化控制策略进行比较,如果新生成的过载联切策略更优,那么用新的过载联切方案代替原有方案;如果新生成的过载联切优化方案不能满足相应控制策略,保持原有方案。

e.当迭代次数与最大迭代次数相同时,停止迭代计算,获取最优控制方案。

2 实验分析

为了验证本文方法在主变过载联切优化控制中的有效性,以某110 kV变电站的数据为实验对象,依托PSASP软件进行验证。

2.1 设置实验参数

以变电站主变输电断面为实例,在输电线路上设置N-2故障,通过潮流转移,使得变电站的稳定性变差。

实验过程中,设置实验参数为:和声初始值,30;和声记忆库的搜索概率,0.90;迭代次数,500;音调微调概率,0.75;频带宽度,0.2 Hz。

2.2 制定潮流转移控制方案

确定实验参数之后,以此为依据,制定潮流转移控制方案,给出不同发电厂将负荷从一个设备(如主变、发电机等)切换到号一个设备的过程中,实际切换的负荷量,即切负荷量,如表1所示。

表1 潮流转移控制方案

2.3 变电站主变输电稳定性控制

分别从主变线路功率、母线电压和发电机功角等方面验证本文方法的有效性,控制结果如图3所示。图3b中,母线电压为标幺值。

从图3的结果可以看出,当输电线路出现N-2故障后,采用本文方法能够下达切机和切负荷指令,输电线路上的功率、母线电压和发电机功角都得到了有效控制,3个指标的波动幅值越来越小,最后恢复到稳定状态。这是由于本文方法依据制定的主变过载联切方案,采用改进和声搜索算法生成主变过载联切和声记忆库,并更新和声记忆库,实现变电站主变过载联切的优化控制。

2.4 性能对比

本文方法虽然能够有效控制主变线路功率、母线电压和发电机功角,但是还需要将其与考虑动态输送容量机制的控制方法和考虑二次转供的控制方法作对比,测试主变过载联切控制的精度,结果如图4所示。

图4 主变过载联切控制的精度

根据图4的结果可知,采用考虑动态输送容量机制的控制方法和考虑二次转供的控制方法时,在110 kV变电站主变过载联切优化控制时的精度较低,在40%～80%之间,其中考虑二次转供的控制方法优于考虑动态输送容量机制的控制方法,在60%～80%之间;采用本文方法时,对8个发电厂主变过载联切控制的精度都高于85%,说明该方法能够通过主变过载联切的高精度控制,保证110 kV变电站达到稳定状态。

变电站主变过载问题会引起变压器过载跳闸,因此,通过分析不同方法控制下的跳闸次数,验证本文方法的控制效果,结果如表2所示。

由表2可知,在本文方法控制下,其变压器过载跳闸次数明显更低,其中,发电厂G和发电厂H更是没有发生过载跳闸;而考虑动态输送容量机制的控制方法和考虑二次转供的控制方法的过载跳闸次数较高,最高值分别达到了10次和12次。通过对比可知,本文方法通过主变线路容量的约束,实现了变压器过载跳闸的有效控制,保证了变电站的稳定运行。