電網(wǎng)潮流計算與仿真

電網(wǎng)潮流計算與仿真 摘要：目前國內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)多采用閉環(huán)設計、開環(huán)運行的供電方式。在倒負荷和檢修時，通過合、解環(huán)操作可以減少停電時間，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保護誤動，造成停電。因此合環(huán)潮流計算需要很高的準確性，以達到提高供電可靠性和配網(wǎng)安全運行的目的。同時，闡述引進德國西門子公司NETOMAC仿真軟件后開展的一系列對某電網(wǎng)電力系統(tǒng)先進技術(shù)的科研項目。重點介紹了具有代表性的先進項目研究，例如，Y-H500kV線路可控串補方案研究。 關鍵詞：電網(wǎng)；潮流計算；仿真 一、新型合環(huán)潮流計算 （一）利用疊加原理分解合環(huán)配電網(wǎng)絡 由于前推回代法只適用于輻射型網(wǎng)絡，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行改進，在合環(huán)點處將環(huán)網(wǎng)打開，對合環(huán)開關兩側(cè)負荷功率進行修正，如圖1所示。 圖1 配電網(wǎng)絡合環(huán)模型 圖1（a）中a、b為待閉合合環(huán)開關的兩側(cè)節(jié)點，合環(huán)前所帶負荷分別為SLa、SLb；圖1（b）為合環(huán)后示意圖，合環(huán)開關閉合后由a、b兩側(cè)節(jié)點電壓差所產(chǎn)生的環(huán)網(wǎng)功率Sc，相應的電流為Ic。若合環(huán)前UaUb，為模擬合環(huán)時的狀態(tài)在節(jié)點a添加一個電流源，方向為流出，在節(jié)點b添加一電流源，方向為流入，大小均為Ic。圖1（c）為合環(huán)后等值網(wǎng)絡，將環(huán)網(wǎng)功率Sc分別轉(zhuǎn)移到負荷點a、b上，即a節(jié)點負荷為SLa+Sc，b節(jié)點負荷為SLb-Sc。若合環(huán)前Ua0時，則在下一次迭代對l增加步長l；當Uer0時，則在下一次迭代時對l減小步長l。 當?shù)^程中，Uer的值來回震蕩時，可以根據(jù)變步長系數(shù)pr將步長l縮小，即l=lpr，繼續(xù)進行迭代，便可求出l的值，進而可以求出Zeq。 （三）配電網(wǎng)合環(huán)潮流計算步驟 配電網(wǎng)合環(huán)潮流計算分兩階段迭代，第一階段迭代計算純輻射型網(wǎng)絡潮流和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)開關兩側(cè)節(jié)點負荷功率，第m+1次迭代過程如下： 初始化SLa（0），SLb（0）分別為合環(huán)開關兩側(cè)節(jié)點負荷，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，合環(huán)開關兩側(cè)節(jié)點的電壓差小于給定的收斂指標。 階段一： （1）讀入網(wǎng)絡參數(shù)，建立節(jié)點鏈接表。 （2）通過迭代法求得上級電網(wǎng)的等值阻抗Zeq。通過拓撲分析從合環(huán)點向上搜索，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）通過前推回代計算純輻射網(wǎng)絡潮流。按式（11）計算斷開合環(huán)點處開口電壓。 （4）求得合環(huán)穩(wěn)態(tài)環(huán)流。 階段二： （1）修正合環(huán)開關兩側(cè)節(jié)點負荷功率。 （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)的應用研究 2000年某電力公司電力科學研究院從德國西門子公司引進了電力系統(tǒng)仿真軟件包NETOMAC，2001年5月又從加拿大RTDS公司引進了RTDS電力系統(tǒng)實時仿真裝置，此后，開展了一系列華東電網(wǎng)電力系統(tǒng)先進技術(shù)的應用研究，其中包括了該電網(wǎng)第一個柔性輸電項目“YH500kV線路可控串補方案研究”。 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，能進行電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)等各種電力系統(tǒng)過程的仿真計算。NETOMAC歷經(jīng)工程考驗，在德國，西門子公司在FACTS裝置的開發(fā)、大型工程項目（如可控串補）預研，保護和自動裝置測試之前，均利用NETOMAC進行詳細的仿真研究，降低了開發(fā)成本，保證了工程項目的順利完成。NETOMAC程序的特點是：（1）眾多的時域仿真功能；（2）在整個時域仿真中，可分時間段采用不同的數(shù)學模型；（3）頻域計算；（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線路可控串補方案研究”項目是該電網(wǎng)第一個柔性交流輸電項目，NETOMAC仿真軟件作為該項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固定串補模型和可控串補模型的建立 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。受端落點為H地區(qū)，輸送距離長達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)裝設有補償度為40%的串聯(lián)補償電容器。 圖3YH500kV系統(tǒng)示意圖 圖4和圖5分別是Y固定串補和可控串補的示意圖，包括了隔離開關、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)的固定串補相比，可控串補在結(jié)構(gòu)上增加了旁路電感和雙向晶閘管回路。另外，可控串補在控制和保護方面也要增加相應的內(nèi)容。 圖4Y固定串補主電路示意圖 圖5Y可控串補主電路示意圖 （二）基于NETOMAC的Y可控串補暫態(tài)穩(wěn)定控制策略研究 在YH500kV線路采用可控串補的主要目的是為了提高其暫穩(wěn)特性。可控串補還具有許多其他的功能和優(yōu)點，本項目的研究主要集中在穩(wěn)定控制上。面向?qū)嶋H工程應用的可能，Y可控串補暫態(tài)穩(wěn)定控制策略重點考察如下4種：（1）強補控制（簡單控制）；（2）強補和阻尼相結(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)法切換的強補和阻尼相結(jié)合的控制（改進常規(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，由機電暫態(tài)仿真得出的發(fā)電機功角搖擺指標匯總。 表1 不同線路三相故障不同穩(wěn)定措施和控制策略發(fā)電機功角搖擺指標匯總 故障線路 故障點 發(fā)電機功角搖擺指標J（deg.s） FSC 切Y機組 TCSC 簡單控制 TCSC 常規(guī)控制 TCSC Bangbang控制 TCSC改進 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)電機功角搖擺指標，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)法切換的強補和阻尼相結(jié)合的控制（改進常規(guī)控制）的功角搖擺指標相對于其它兩種控制策略明顯要小一些，性能較優(yōu)；強補和阻尼相結(jié)合的控制（常規(guī)控制）的功角搖擺指標居于中間，性能較前兩者差一些；強補控制（簡單控制）的功角搖擺指標最大，性能相對較差。與FSC切機穩(wěn)定措施比較，除強補控制外其他3種TCSC控制的功角搖擺指標都比常規(guī)切機措施小。 （三）YH500kV線路可控串補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)為研究對象進行了Y送出的穩(wěn)定計算，并對計算網(wǎng)絡進行了等值簡化，形成了3個等值簡化網(wǎng)絡。通過等值前后系統(tǒng)動態(tài)特性的比較，驗證了等值網(wǎng)絡對于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方案后系統(tǒng)仍存在較嚴重的暫態(tài)穩(wěn)定問題，對采用可控串補方案作可行性的研究。在可控串補穩(wěn)定控制機理和控制策略研究的基礎上，在現(xiàn)有參數(shù)的條件下，對Y可控串補方案作初步的設計。面向今后工程實際應用的可能，提出了4種Y可控串補的控制策略。研制了可控串補綜合控制試驗裝置，用于研究可控串補的各種控制規(guī)律。通過詳細的機電暫態(tài)模式和電磁暫態(tài)模式下的NETOMAC數(shù)字仿真以及RTDS實時模擬試驗，并與固定串補方案作比較，系統(tǒng)研究了可控串補方案作為解決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行了校驗。 NETOMAC數(shù)字仿真分析和RTDS實時模擬試驗結(jié)論表明，可控串補方案根本上解決了固定串補方案Y送電的暫態(tài)穩(wěn)定問題。 結(jié)語 在電網(wǎng)的潮流計算中，采用傳統(tǒng)的計算方式會導致計算過程復雜，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)的潮流計算方式進行改進，使其適應越來越智能化的管理與控制系統(tǒng)，應充分利用計算機的功能實現(xiàn)自動化計算與分析，從而使潮流計算結(jié)果甚至能成