基于BPA軟件的地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

路 敏

(上海市電力公司電網(wǎng)建設(shè)公司,上海 200002)

0 引言

隨著負(fù)荷中心用電需求的不斷增長,大容量遠(yuǎn)距離輸電的不斷增加,電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題日益突出。電壓穩(wěn)定分為大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定以及靜態(tài)電壓穩(wěn)定,其中靜態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后,系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi),不發(fā)生電壓崩潰的能力[1-2],主要用以定義系統(tǒng)正常運(yùn)行和事故后運(yùn)行方式下的電壓靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備情況。

在實(shí)際工程中,電力部門往往急需電壓穩(wěn)定指標(biāo)來確定電壓穩(wěn)定控制策略以及調(diào)度規(guī)劃,電壓靜態(tài)穩(wěn)定分析由于其簡單實(shí)用,在工程中取得了較多的應(yīng)用。電壓靜態(tài)穩(wěn)定的分析方法很多,主要有Q-U法、潮流多解法、靈敏度法、能量函數(shù)法、最大功率法及連續(xù)潮流法等。

各種方法中,連續(xù)潮流法通過逐漸增加節(jié)點(diǎn)負(fù)荷,依次進(jìn)行潮流計(jì)算,確定臨界值,能有效避免雅可比矩陣的奇異,能錯(cuò)開收斂性問題、準(zhǔn)確計(jì)算靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度,還能繪制出節(jié)點(diǎn)功率-電壓(P-V)曲線,計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際,在工程應(yīng)用中受到很大重視。

1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析模型

基于上海電網(wǎng)黃渡分區(qū)的受電現(xiàn)狀以及電力系統(tǒng)潮流分析軟件(BPA)的功能,尋求一種能夠模擬實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的P-V曲線求取模型,主要從負(fù)荷增長方式、發(fā)電機(jī)功率調(diào)度方式、發(fā)電機(jī)無功越限處理方式、外網(wǎng)輸送功率調(diào)度方式、負(fù)荷模型等方面加以分析。

1.1 區(qū)域比例負(fù)荷增長方式

負(fù)荷增長方式視功率交換方案而定,其中最簡單的負(fù)荷增長方式為區(qū)域比例負(fù)荷增長方式,如式(1)所示:

式中:NL——負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù);ΔPLi——負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i的有功增量;ΔQLi——負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i的無功增量;PLi——負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i的原始有功負(fù)荷;QLi——負(fù)荷節(jié)點(diǎn) i的原始無功負(fù)荷; ΔPL——區(qū)域有功的總增量;ΔQL——區(qū)域無功的總增量;PL——區(qū)域總有功;QL——區(qū)域總無功。

1.2 負(fù)荷比例分配方式

當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷增長時(shí),僅由平衡機(jī)提供額外發(fā)電功率是不夠的,一般同時(shí)需要增大系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)機(jī)組的有功功率以平衡需求。發(fā)電機(jī)的有功調(diào)度方式主要有比例分配、調(diào)速器響應(yīng)、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、自動(dòng)測調(diào)(AGC)控制等多種方式。電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷及網(wǎng)損的波動(dòng)一般由多個(gè)電廠,甚至所有的發(fā)電廠按一定的規(guī)則分擔(dān)。由于難于給出具體的分配方案,故難以給出切合實(shí)際的計(jì)算。

本文基于的初始負(fù)荷為2009年夏季典型負(fù)荷,負(fù)荷基數(shù)比較大,各發(fā)電機(jī)已經(jīng)接近有功功率輸出極限,所以采用負(fù)荷比例分配方式。比例分配方式下各發(fā)電機(jī)參與有功調(diào)節(jié)所分配的功率增量與其當(dāng)前有功輸出成正比,即:

1.3 發(fā)電機(jī)無功越限方式

目前,處理發(fā)電機(jī)無功越限常用的方法有兩種,一種是一旦發(fā)電機(jī)無功越限,就將該發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)從P-V節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)镻-Q節(jié)點(diǎn)。另一種處理方法是當(dāng)發(fā)電機(jī)無功越限時(shí),求出越限時(shí)發(fā)電機(jī)的空載電勢,并認(rèn)為該空載電勢保持恒定,將發(fā)電機(jī)從P-V節(jié)點(diǎn)模型轉(zhuǎn)化為直軸電抗后空載電勢恒定模型。考慮到BPA分析工具的局限性,本文采用前一種處理方法。因此,在分析過程中可能會(huì)有一些誤差。

1.4 外網(wǎng)出力調(diào)度方式

上海電網(wǎng)作為一個(gè)大的受端網(wǎng)絡(luò),大部分有功是通過區(qū)外電網(wǎng)提供的,所以外網(wǎng)輸送有功的調(diào)度方式對P-V曲線的求取有一定的影響。外網(wǎng)有功的調(diào)度,需要考慮各電網(wǎng)的實(shí)際互聯(lián)情況以及各電網(wǎng)的實(shí)際發(fā)電能力,情況比較復(fù)雜,難以得到準(zhǔn)確的調(diào)度方式。本文采用一種較為簡單的負(fù)荷比例分配方式,高壓直流則按滿功率輸送大方式運(yùn)行。

1.5 靜態(tài)負(fù)荷模型

負(fù)荷模型有動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型兩種,BPA軟件不具備分析動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型的條件,一般說來,采用靜態(tài)負(fù)荷模型就能滿足要求。

本文選擇恒功率負(fù)荷作為靜態(tài)負(fù)荷模型,在這種負(fù)荷模型下,最大功率法的分析工具P-V曲線的拐點(diǎn)即是電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)點(diǎn)。

1.6 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析流程

根據(jù)上述分析,靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析流程如圖1所示。

圖1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析流程圖

2 BPA接口程序設(shè)計(jì)

BPA是我國進(jìn)行電力系統(tǒng)分析計(jì)算的權(quán)威軟件之一[4-5],但是BPA每次只能進(jìn)行一種運(yùn)行工況下的潮流計(jì)算,如果需要進(jìn)行不同運(yùn)行工況下的潮流計(jì)算,必須重新填寫潮流文件。靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析需要多次使用BPA進(jìn)行潮流計(jì)算,所以,編寫穩(wěn)定可靠的BPA接口程序,是解決該問題的關(guān)鍵。

2.1 BPA接口框架

BPA接口框架如圖2所示。BPA的接口包括4個(gè)模塊:進(jìn)程處理模塊、穩(wěn)定分析模塊、曲線繪制模塊、容錯(cuò)處理模塊。

圖2 BPA接口框架

2.2 各模塊的功能

2.2.1 進(jìn)程處理模塊

進(jìn)程處理模塊是與核心計(jì)算引擎聯(lián)系最為緊密的一個(gè)模塊,負(fù)責(zé)BPA潮流分析程序的啟動(dòng)、關(guān)閉以及動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程運(yùn)行優(yōu)先級等相關(guān)任務(wù)。

2.2.2 穩(wěn)定分析模塊

穩(wěn)定分析模塊是整個(gè)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的核心,可以完成多項(xiàng)功能。

1)按照靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析模型中負(fù)荷增長方式、機(jī)組出力調(diào)度方式、機(jī)組無功出力越限處理等規(guī)則形成潮流計(jì)算原始文件,供BPA潮流計(jì)算使用。

2)讀取BPA潮流計(jì)算結(jié)果,并對結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算,求取靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度,并將分析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫或返回到用戶界面。

2.2.3 曲線繪制模塊

利用穩(wěn)定分析模塊讀取的結(jié)果,繪制P-V曲線圖。

2.2.4 容錯(cuò)處理模塊

由于程序在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致程序陷入死循環(huán),所以容錯(cuò)處理模塊是整個(gè)接口設(shè)計(jì)中不可或缺的一環(huán)。它對在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤及時(shí)地進(jìn)行處理,并將出錯(cuò)信息反饋給前臺(tái),從而提高程序的魯棒性。

3 電壓靜穩(wěn)裕度指標(biāo)

在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析中,采用連續(xù)潮流計(jì)算,通過逐漸增加負(fù)荷的方式,可以確切計(jì)算出節(jié)點(diǎn)臨界功率。通過臨界功率,可以計(jì)算出當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的電壓靜穩(wěn)裕度指標(biāo)。

假設(shè)某節(jié)點(diǎn)的P-V曲線如圖3所示,圖中P o和V o分別為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的功率及電壓;P c和V c分別為臨界功率及電壓,則靜穩(wěn)裕度指標(biāo)SVSI計(jì)算式如式(3)所示:

圖3 P-V曲線

由式(3)可知,當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)靠近臨界點(diǎn),靜穩(wěn)裕度指標(biāo)減小,反之則增大。也就是說,靜穩(wěn)裕度指標(biāo)的大小,體現(xiàn)了當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定情況。

4 黃渡分區(qū)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

為了研究2010年黃渡分區(qū)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平,選擇夏季高峰這種典型運(yùn)行方式進(jìn)行分析,求取正常運(yùn)行情況下的有功負(fù)荷電壓穩(wěn)定裕度、電壓靜穩(wěn)裕度以及黃渡分區(qū)的電壓薄弱區(qū)域。

黃渡分區(qū)處于上海的西部電網(wǎng),是上海電網(wǎng)的負(fù)荷中心。它通過黃渡站4臺(tái)主變從500 kV系統(tǒng)受電,分區(qū)電網(wǎng)呈放射狀,向西郊、威武、于田、青浦和嘉定供電。分區(qū)內(nèi)部只有一臺(tái)12 MW小機(jī)組。500 kV黃渡站夏季高峰時(shí)的P-V曲線圖如圖4所示。

圖4 500 kV黃渡站夏季高峰時(shí)P-V曲線

500 kV黃渡站的初始有功負(fù)荷2250 MW;有功負(fù)荷穩(wěn)定極限為6330 MW;有功負(fù)荷穩(wěn)定裕度為4080 MW;初始電壓為501.62 kV;電壓靜穩(wěn)極限為 429.92 kV;電壓靜穩(wěn)裕度為14.30%。

對于黃渡分區(qū)所有220 kV節(jié)點(diǎn),逐個(gè)等功率因數(shù)增加其負(fù)荷,逐步逼近系統(tǒng)的臨界狀態(tài),全網(wǎng)的其他節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷保持不變,得出該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的P-V曲線,并計(jì)算其相應(yīng)的有功裕度值。

黃渡分區(qū)總共有17個(gè)220 kV的母線節(jié)點(diǎn)(其中帶有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有11個(gè)),其有功裕度由小到大排列,如表1所示。

表1 正常運(yùn)行方式下黃渡分區(qū)220 kV母線有功裕度

由表1可以看出,在正常的運(yùn)行方式下,青浦(SQP_29__)、古北、青浦(SQP_26__)、威武、嘉定等母線節(jié)點(diǎn)值最小,反映出這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷較重,同時(shí)負(fù)荷增長裕度最小,成為黃渡分區(qū)承受負(fù)荷增長能力最差的幾條母線,是黃渡分區(qū)的薄弱母線。但是,在斷開黃渡分區(qū)外部昆太-徐行雙線時(shí),系統(tǒng)的極限傳輸功率有較大的減少。

在正常運(yùn)行方式下,系統(tǒng)的極限傳輸功率為30647.94 MW,負(fù)荷裕度指標(biāo)為25.55%;斷開昆太-徐行雙回輸電線后,系統(tǒng)的極限傳輸功率降為29093 MW,系統(tǒng)的負(fù)荷裕度為19.18%。由此可以看出,由于系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,斷開了和江蘇電網(wǎng)的其中一個(gè)交流聯(lián)絡(luò)通道,從而使得系統(tǒng)的極限傳輸功率發(fā)生了變化,進(jìn)而造成系統(tǒng)的負(fù)荷裕度有了很大的降低,使系統(tǒng)帶負(fù)荷的能力大為減弱。

在這種運(yùn)行方式下,一旦發(fā)生負(fù)荷快速增長,很可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在來不及采取措施的情況下,發(fā)生電壓失穩(wěn)事故。

斷開昆太-徐行單回線、斷開昆太-徐行雙回線以及正常運(yùn)行三種運(yùn)行方式下黃渡站500 kV側(cè)母線電壓和上海電網(wǎng)總有功負(fù)荷的P-V曲線圖如圖5所示。

對上述三種運(yùn)行方式進(jìn)行比較,由圖5可以清楚地看到,斷開昆太-徐行單回線時(shí)的P-V曲線和正常運(yùn)行方式下的P-V曲線幾乎重合,但是斷開昆太-徐行雙回線時(shí)的P-V曲線和正常運(yùn)行方式下的P-V曲線發(fā)生了較大的偏離,系統(tǒng)的極限傳輸功率有較大減少,黃渡站500 kV側(cè)電壓有較大程度的下降。在這種運(yùn)行方式下,系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定存在一定的問題。

圖5 斷開昆太-徐行單雙回線和正常運(yùn)行方式下P-V曲線對比

5 提高電壓穩(wěn)定水平的措施

提高電壓穩(wěn)定水平的措施有多種。

1)加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)強(qiáng)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu) 雖然目前黃渡分區(qū)電壓靜穩(wěn)裕度能夠滿足負(fù)荷增長的要求,但是黃渡分區(qū)內(nèi)部僅有一臺(tái)12 MW的小機(jī)組,而且分區(qū)電力仍需通過聯(lián)變來供應(yīng),所以需要加強(qiáng)分區(qū)電源建設(shè)。其次,要加強(qiáng)分區(qū)內(nèi)電源與負(fù)荷、負(fù)荷與負(fù)荷之間的聯(lián)系,形成堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架,確保分區(qū)電網(wǎng)具有較高的電壓穩(wěn)定裕度。另外,還要加快黃渡分區(qū)和上海電網(wǎng)其他分區(qū)之間的備用通道建設(shè),解決黃渡分區(qū)聯(lián)發(fā)生變故障時(shí)的電能供應(yīng)問題。

2)強(qiáng)化電網(wǎng)的無功配置 強(qiáng)化電網(wǎng)的無功配置主要通過無功補(bǔ)償裝置等手段來支撐系統(tǒng)的薄弱區(qū)域。它是運(yùn)行人員處理電壓穩(wěn)定相關(guān)問題的主要控制手段,能經(jīng)濟(jì)有效地提高系統(tǒng)的負(fù)荷裕度。黃渡分區(qū)的青浦、古北、威武、嘉定等節(jié)點(diǎn)是分區(qū)電網(wǎng)的薄弱節(jié)點(diǎn),需要在這些節(jié)點(diǎn)處投入無功補(bǔ)償裝置,用以提高其穩(wěn)定裕度。

3)強(qiáng)化低壓減載措施的配置與管理 低壓減載被認(rèn)為是防止系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰的有效措施,是防止系統(tǒng)大面積停電、維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第三道防線的重要組成部分。黃渡分區(qū)作為上海電網(wǎng)的負(fù)荷中心,其低壓減載方案的主要目的是預(yù)防靜態(tài)電壓失穩(wěn)(負(fù)荷持續(xù)增長超過極限)以及大擾動(dòng)時(shí)減緩電壓失穩(wěn)(短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)達(dá)到電壓穩(wěn)定狀態(tài),但以后由于系統(tǒng)內(nèi)其他自動(dòng)調(diào)節(jié)或控制裝置的調(diào)控,導(dǎo)致系統(tǒng)電壓緩慢下降,最終發(fā)生電壓崩潰),而不是暫態(tài)電壓失穩(wěn)。

根據(jù)已有系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),單純的分布式或集中式低壓減載系統(tǒng)均難保證可靠的正確動(dòng)作。因此,黃渡分區(qū)低壓減載方案,建議以集中式為主,分布式為輔,集中式和分布式方案相結(jié)合,分布式裝置作為集中式系統(tǒng)的后備,并在集中式系統(tǒng)未正確動(dòng)作時(shí)維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

7 結(jié)論

基于BPA軟件能有效進(jìn)行單次潮流分析與計(jì)算的特點(diǎn),設(shè)計(jì)并構(gòu)建電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的BPA外部接口。采用該方案可以進(jìn)行連續(xù)潮流計(jì)算、確定節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、繪制節(jié)點(diǎn)P-V曲線,是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的一種有效工具。將該方法應(yīng)用于上海黃渡分區(qū)電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析與計(jì)算,證明了該方法通用性強(qiáng)。通過對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的連續(xù)潮流仿真計(jì)算。證實(shí)了采用該方法可以提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性,這一措施對分區(qū)電網(wǎng)安全運(yùn)行具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] Kundu r P.,Paserba J.,A jjarapu V.,et al.Definition and classification of pow er system stability[J].IEEE T ransactions on Pow er Systems,2004(3):1387-1401.

[2] Van Cutsem T.Voltage instability:Phenomena,countermeasures,and analysis methods[J].Proceedings of the IEEE,2000(2):208-227.

[3] Morison K.,Hamadani H.,LeiW.Load Modeling for Voltage Stability Studies[C].Pow er Systems Conference and Exposition,2006.PSCE'06.2006 IEEE PES,2006:564-568.

[4] 韓禎祥,張琦,徐政.電力系統(tǒng)分析軟件的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電網(wǎng)技術(shù),1999(1):51-54.

[5] 李廣凱,李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005(3):61-63.