電網(wǎng)潮流計(jì)算與仿真

電網(wǎng)潮流計(jì)算與仿真 摘要：目前國內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)多采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的供電方式。在倒負(fù)荷和檢修時(shí)，通過合、解環(huán)操作可以減少停電時(shí)間，提高供電可靠性。但由此引起的合環(huán)電流可能使饋線開關(guān)保護(hù)誤動，造成停電。因此合環(huán)潮流計(jì)算需要很高的準(zhǔn)確性，以達(dá)到提高供電可靠性和配網(wǎng)安全運(yùn)行的目的。同時(shí)，闡述引進(jìn)德國西門子公司NETOMAC仿真軟件后開展的一系列對某電網(wǎng)電力系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的科研項(xiàng)目。重點(diǎn)介紹了具有代表性的先進(jìn)項(xiàng)目研究，例如，Y-H500kV線路可控串補(bǔ)方案研究。 關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；潮流計(jì)算；仿真 一、新型合環(huán)潮流計(jì)算 （一）利用疊加原理分解合環(huán)配電網(wǎng)絡(luò) 由于前推回代法只適用于輻射型網(wǎng)絡(luò)，因此對于合環(huán)后的環(huán)網(wǎng)，利用疊加原理對前推回代法進(jìn)行改進(jìn)，在合環(huán)點(diǎn)處將環(huán)網(wǎng)打開，對合環(huán)開關(guān)兩側(cè)負(fù)荷功率進(jìn)行修正，如圖1所示。 圖1 配電網(wǎng)絡(luò)合環(huán)模型 圖1（a）中a、b為待閉合合環(huán)開關(guān)的兩側(cè)節(jié)點(diǎn)，合環(huán)前所帶負(fù)荷分別為SLa、SLb；圖1（b）為合環(huán)后示意圖，合環(huán)開關(guān)閉合后由a、b兩側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓差所產(chǎn)生的環(huán)網(wǎng)功率Sc，相應(yīng)的電流為Ic。若合環(huán)前UaUb，為模擬合環(huán)時(shí)的狀態(tài)在節(jié)點(diǎn)a添加一個電流源，方向?yàn)榱鞒?，在?jié)點(diǎn)b添加一電流源，方向?yàn)榱魅?，大小均為Ic。圖1（c）為合環(huán)后等值網(wǎng)絡(luò)，將環(huán)網(wǎng)功率Sc分別轉(zhuǎn)移到負(fù)荷點(diǎn)a、b上，即a節(jié)點(diǎn)負(fù)荷為SLa+Sc，b節(jié)點(diǎn)負(fù)荷為SLb-Sc。若合環(huán)前Ua0時(shí)，則在下一次迭代對l增加步長l；當(dāng)Uer0時(shí)，則在下一次迭代時(shí)對l減小步長l。 當(dāng)?shù)^程中，Uer的值來回震蕩時(shí)，可以根據(jù)變步長系數(shù)pr將步長l縮小，即l=lpr，繼續(xù)進(jìn)行迭代，便可求出l的值，進(jìn)而可以求出Zeq。 （三）配電網(wǎng)合環(huán)潮流計(jì)算步驟 配電網(wǎng)合環(huán)潮流計(jì)算分兩階段迭代，第一階段迭代計(jì)算純輻射型網(wǎng)絡(luò)潮流和a、b值，第二階段迭代以環(huán)路功率為變量疊加修正，按以上公式修正合環(huán)開關(guān)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率，第m+1次迭代過程如下： 初始化SLa（0），SLb（0）分別為合環(huán)開關(guān)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，I（m）c為合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的共扼值，式為迭代終止判據(jù)，即在m+1次迭代時(shí)，合環(huán)開關(guān)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓差小于給定的收斂指標(biāo)。 階段一： （1）讀入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立節(jié)點(diǎn)鏈接表。 （2）通過迭代法求得上級電網(wǎng)的等值阻抗Zeq。通過拓?fù)浞治鰪暮檄h(huán)點(diǎn)向上搜索，將合環(huán)支路的阻抗與上級電網(wǎng)的等值阻抗Zeq相加而得合環(huán)環(huán)路的總阻抗。 （3）通過前推回代計(jì)算純輻射網(wǎng)絡(luò)潮流。按式（11）計(jì)算斷開合環(huán)點(diǎn)處開口電壓。 （4）求得合環(huán)穩(wěn)態(tài)環(huán)流。 階段二： （1）修正合環(huán)開關(guān)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率。 （2）檢查迭代終止判據(jù)式，若不滿足則轉(zhuǎn)到階段一中。 二、NETOMAC仿真軟件在某電網(wǎng)的應(yīng)用研究 2000年某電力公司電力科學(xué)研究院從德國西門子公司引進(jìn)了電力系統(tǒng)仿真軟件包NETOMAC，2001年5月又從加拿大RTDS公司引進(jìn)了RTDS電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真裝置，此后，開展了一系列華東電網(wǎng)電力系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用研究，其中包括了該電網(wǎng)第一個柔性輸電項(xiàng)目“YH500kV線路可控串補(bǔ)方案研究”。 NETOMAC是一套集成化的大型電力系統(tǒng)仿真軟件包，它可以模擬幾乎電力系統(tǒng)中所有的元件，能進(jìn)行電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)等各種電力系統(tǒng)過程的仿真計(jì)算。NETOMAC歷經(jīng)工程考驗(yàn)，在德國，西門子公司在FACTS裝置的開發(fā)、大型工程項(xiàng)目（如可控串補(bǔ)）預(yù)研，保護(hù)和自動裝置測試之前，均利用NETOMAC進(jìn)行詳細(xì)的仿真研究，降低了開發(fā)成本，保證了工程項(xiàng)目的順利完成。NETOMAC程序的特點(diǎn)是：（1）眾多的時(shí)域仿真功能；（2）在整個時(shí)域仿真中，可分時(shí)間段采用不同的數(shù)學(xué)模型；（3）頻域計(jì)算；（4）參數(shù)識別與優(yōu)化；（5）元件模型全；（6）靈活的自定義模型。 “YH兩地500kV線路可控串補(bǔ)方案研究”項(xiàng)目是該電網(wǎng)第一個柔性交流輸電項(xiàng)目，NETOMAC仿真軟件作為該項(xiàng)目的一個主要研究工具發(fā)揮著舉足輕重的作用。 （一）基于NETOMAC的YH固定串補(bǔ)模型和可控串補(bǔ)模型的建立 500kVY電廠送出工程，從Y電廠以“專廠、專線、專供”（“三?！保┓绞剿碗姷浇K。Y電廠一期工程規(guī)模為6350MW，扣除廠用電外，一期輸送容量為1950MW。受端落點(diǎn)為H地區(qū)，輸送距離長達(dá)700余km。 圖3是Y電廠送出工程的系統(tǒng)示意圖。在M至B雙回線B側(cè)裝設(shè)有補(bǔ)償度為40%的串聯(lián)補(bǔ)償電容器。 圖3YH500kV系統(tǒng)示意圖 圖4和圖5分別是Y固定串補(bǔ)和可控串補(bǔ)的示意圖，包括了隔離開關(guān)、串聯(lián)電容器組、氧化鋅非線性電阻、觸發(fā)型火花間隙、旁路斷路器、阻尼電抗、阻尼電阻等主要電氣元件。其中串聯(lián)電容器組容抗是29.92（對應(yīng)106.4F），持續(xù)額定電流為2360A（有效值），10min過載電流為3540A（有效值）。與常規(guī)的固定串補(bǔ)相比，可控串補(bǔ)在結(jié)構(gòu)上增加了旁路電感和雙向晶閘管回路。另外，可控串補(bǔ)在控制和保護(hù)方面也要增加相應(yīng)的內(nèi)容。 圖4Y固定串補(bǔ)主電路示意圖 圖5Y可控串補(bǔ)主電路示意圖 （二）基于NETOMAC的Y可控串補(bǔ)暫態(tài)穩(wěn)定控制策略研究 在YH500kV線路采用可控串補(bǔ)的主要目的是為了提高其暫穩(wěn)特性?？煽卮a(bǔ)還具有許多其他的功能和優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目的研究主要集中在穩(wěn)定控制上。面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的可能，Y可控串補(bǔ)暫態(tài)穩(wěn)定控制策略重點(diǎn)考察如下4種：（1）強(qiáng)補(bǔ)控制（簡單控制）；（2）強(qiáng)補(bǔ)和阻尼相結(jié)合的控制（常規(guī)控制）；（3）基于能量函數(shù)法的投切控制（Bangbang控制）；（4）基于能量函數(shù)法切換的強(qiáng)補(bǔ)和阻尼相結(jié)合的控制（改進(jìn)常規(guī)控制）。這4種TCSC控制方式對于改善YH500kV交流輸電系統(tǒng)性能（特別是提高暫態(tài)穩(wěn)定性能）的適用性和有效性將通過詳細(xì)的仿真分析來研究和論證。 表1為各種不同線路三相故障下采用各種不同穩(wěn)定措施和控制策略，由機(jī)電暫態(tài)仿真得出的發(fā)電機(jī)功角搖擺指標(biāo)匯總。 表1 不同線路三相故障不同穩(wěn)定措施和控制策略發(fā)電機(jī)功角搖擺指標(biāo)匯總 故障線路 故障點(diǎn) 發(fā)電機(jī)功角搖擺指標(biāo)J（deg.s） FSC 切Y機(jī)組 TCSC 簡單控制 TCSC 常規(guī)控制 TCSC Bangbang控制 TCSC改進(jìn) 常規(guī)控制 D線C側(cè) 143.30 167.21 137.57 105.66 105.50 D線M側(cè) 131.30 137.51 118.23 90.16 94.29 S線M側(cè) 133.60 151.53 126.27 69.68 118.99 S線B側(cè) 138.85 143.88 127.46 70.21 114.85 R線B側(cè) 128.68 131.86 104.28 89.16 91.67 R線Z側(cè) 120.02 117.59 102.28 79.18 71.21 通過比較表1中各種不同故障下各種不同穩(wěn)定措施和控制策略的發(fā)電機(jī)功角搖擺指標(biāo)，可以得出：在4種TCSC暫態(tài)穩(wěn)定控制策略中，基于能量函數(shù)法的投切控制（Bangbang控制）和基于能量函數(shù)法切換的強(qiáng)補(bǔ)和阻尼相結(jié)合的控制（改進(jìn)常規(guī)控制）的功角搖擺指標(biāo)相對于其它兩種控制策略明顯要小一些，性能較優(yōu)；強(qiáng)補(bǔ)和阻尼相結(jié)合的控制（常規(guī)控制）的功角搖擺指標(biāo)居于中間，性能較前兩者差一些；強(qiáng)補(bǔ)控制（簡單控制）的功角搖擺指標(biāo)最大，性能相對較差。與FSC切機(jī)穩(wěn)定措施比較，除強(qiáng)補(bǔ)控制外其他3種TCSC控制的功角搖擺指標(biāo)都比常規(guī)切機(jī)措施小。 （三）YH500kV線路可控串補(bǔ)方案研究的主要研究成果 利用德國西門子公司開發(fā)研制的電力系統(tǒng)仿真軟件NETOMAC，以聯(lián)合電網(wǎng)為研究對象進(jìn)行了Y送出的穩(wěn)定計(jì)算，并對計(jì)算網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了等值簡化，形成了3個等值簡化網(wǎng)絡(luò)。通過等值前后系統(tǒng)動態(tài)特性的比較，驗(yàn)證了等值網(wǎng)絡(luò)對于Y送出穩(wěn)定問題研究的有效性。 針對Y送出一期工程采用固定串補(bǔ)方案后系統(tǒng)仍存在較嚴(yán)重的暫態(tài)穩(wěn)定問題，對采用可控串補(bǔ)方案作可行性的研究。在可控串補(bǔ)穩(wěn)定控制機(jī)理和控制策略研究的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有參數(shù)的條件下，對Y可控串補(bǔ)方案作初步的設(shè)計(jì)。面向今后工程實(shí)際應(yīng)用的可能，提出了4種Y可控串補(bǔ)的控制策略。研制了可控串補(bǔ)綜合控制試驗(yàn)裝置，用于研究可控串補(bǔ)的各種控制規(guī)律。通過詳細(xì)的機(jī)電暫態(tài)模式和電磁暫態(tài)模式下的NETOMAC數(shù)字仿真以及RTDS實(shí)時(shí)模擬試驗(yàn)，并與固定串補(bǔ)方案作比較，系統(tǒng)研究了可控串補(bǔ)方案作為解決Y輸電工程暫態(tài)穩(wěn)定問題的一種手段的可行性及所能帶來的效益，并對提出的4種控制策略的有效性進(jìn)行了校驗(yàn)。 NETOMAC數(shù)字仿真分析和RTDS實(shí)時(shí)模擬試驗(yàn)結(jié)論表明，可控串補(bǔ)方案根本上解決了固定串補(bǔ)方案Y送電的暫態(tài)穩(wěn)定問題。 結(jié)語 在電網(wǎng)的潮流計(jì)算中，采用傳統(tǒng)的計(jì)算方式會導(dǎo)致計(jì)算過程復(fù)雜，且不利于與電網(wǎng)智能化控制之間的相互銜接。因此，必須根據(jù)電網(wǎng)的特征對傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方式進(jìn)行改進(jìn)，使其適應(yīng)越來越智能化的管理與控制系統(tǒng)，應(yīng)充分利用計(jì)算機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)自動化計(jì)算與分析，從而使潮流計(jì)算結(jié)果甚至能成