含電鐵及風電的地區電網在線電壓穩定預警系統的開發

張 睿，盧史杰

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林132012;2.鄞州供電局，浙江寧波315000)

0 引言

近年來，隨著城市規模的擴大、新型負荷的接入以及分布式電源的并網，地區電網在結構及負荷側面呈現日益復雜的特征，電壓穩定問題逐漸凸顯。電力界的學者對其十分關注，并對其進行了機理研究［1，2］、特征分類及計算方法［3－5］的探索，形成了一套切實可行的電壓穩定理論，由此，跨區及網省級電網的在線電壓穩定評估系統也逐漸興起［6，7］。

本文以河南信陽電網公司投入運行的信陽電網在線電壓預警系統為例，介紹該系統利用能量管理系統的實時斷面信息，開發滿足了實時運行分析需要的靜態電壓穩定分析模塊。模塊中包含風電場模型的搭建及電鐵負荷的建模，可給出表征靜態電壓穩定的多個指標，為地調提供了實時、直觀、可信的運行監控及故障應急處理指導，確保了地區電網的安全穩定運行。

1 核心框架

在線電壓穩定預警系統以分布式仿真平臺作為支撐計算平臺，對WAMS實時量測數據、調度方式處離線分析計算數據以及調度自動化EMS在線數據進行整合，形成在線電壓預警系統的計算數據;在此基礎上，計算地區電網靜態電壓穩定性指標值，最終對電網可能出現的電壓穩定問題進行評估及預警。

1.1 硬件構架示意圖

在線電壓預警系統需要進行大量的電力系統潮流計算，為滿足計算速度及精度的要求，本系統基于預分配/多任務并行計算的基礎上，建立了分布式計算仿真平臺，包括動態數據服務器、調度服務器、多計算終端等硬件部分，硬件整體構架如圖1所示。

圖1 在線電壓預警系統硬件構架示意圖

1.2 軟件構架示意圖

地區電網在線電壓預警系統可基于多類潮流數據，支持用戶進行參數修改及自定義過渡方式，最終給出基于當前在線運行數據的電壓穩定性重要指標及預警信號。軟件整體構架如圖2所示。包括模型搭建、參數配置、薄弱點定位、電壓穩定裕度評估等模塊。

圖2 軟件構架示意圖

模型搭建是電壓穩定計算及預警系統的基礎模塊，提供電網模型和基礎潮流。為了實現廣域測量系統的實時量測的引入，在主站和動態數據平臺之間建立了秒級數據傳輸通道，定周期地自動下載WAMS主站采集的數據，采用數據合并技術，對各類運行數據源進行自動拼接，形成全網的電網模型和運行數據，得到結構完整的全網實時運行方式，以便為在線電壓穩定計算提供數據源。

參數配置模塊是電壓穩定計算及預警系統的控制模塊，可由客戶端設定電壓穩定計算中風電場模型及電鐵模型的參數，同時可對分區及斷面進行定義、設置安全約束、制定發電機負荷增長方式等。

薄弱點定位模塊是電壓穩定計算及預警系統的過程監視模塊，展示電壓穩定計算中薄弱節點排序的變化，繪制實時最薄弱節點的PV曲線，并給出其穩定裕度值。在預測或規劃數據情況下，可事先定位系統在某一控制方式下極限點處的薄弱節點，給出預防電壓崩潰的控制決策。

電壓穩定裕度評估模塊是電壓穩定計算及預警系統的結果模塊，提供三維可視化的結果展示，在線監視分區負荷的裕度、重要斷面的傳輸容量裕度、薄弱節點的PV曲線。模塊以固定時段觸發及人工觸發兩種觸發方式作為計算的起始點，可自動連續運行、實時評估，并以曲線、列表等形式在客戶端展示，當掃描發現嚴重越限時給出報警信號。

2 算法原理

2.1 電鐵負荷的建模及等值

電鐵負荷具有非線性、不對稱性及沖擊性特征，我國牽引變電站一般接于系統110kV配網側，對地區電網的影響不容忽視。文獻［8］、［9］對牽引供電系統進行單一針對性的建模，文獻［10］建立了電鐵負荷的綜合負荷模型，但存在大量需辨識的參數，不利于電鐵負荷建模應用到在線系統。

典型牽引列車的電氣負荷由車廂負荷、機車牽引電機負荷、機車輔助機組負荷3部分構成。其中，機車牽引負荷和機車輔助負荷約占牽引列車總負荷的85%［10］，該系統等值模型如圖3所示。

圖3 牽引負荷等值模型結構

圖3中靜態負荷描述車廂照明類、加熱類的恒定負荷，屬恒阻抗負荷;設恒阻抗對應恒導納YS，則靜態負荷功率為

式中:V(t)為系統電壓;YS=G－jB為恒導納，由穩態運行條件確定。

感應電動機描述車廂空調及輔助機組的負荷，由于靜態電壓穩定屬穩態特征，采用感應電動機1階模型即可準確描述此類負荷對系統靜態電壓穩定性的影響，所以本文感應電動機部分采用1階模型，機械負載特性采用PM=K1(1－S)n解析描述。

牽引電機模型中對與機車運行工況密切相關的自然因素如風速、坡度等進行了詳細的描述。為適應本項目建模的需要，將由上述因素引起的負載變動歸結為牽引電機機械負載轉矩的變動，并以轉速的2次函數模型描述。考慮到牽引回路主極分路電流較小，且機車的行駛速度也可由牽引電機轉速表達，因而采用簡化模型:

式中:Vd為牽引電機機端電壓;Id和ω分別為等值牽引電機電流和轉速;L和R分別為牽引電機回路的電感和電阻;CM=CTKs為牽引電機廣義等值特性參數;CT和Ks分別為牽引電機的轉矩常數和勵磁系數;J和T1分別為牽引電機的轉動慣量和機械負荷轉矩。

基于大量的仿真試驗分析，本項目取:

式中:A，B，C 為特性參數，滿足 A+B+C=1;γl0為牽引電機負載率。

為簡化牽引回路的輸出方程，并計及牽引電機特性，可按式(4)計算等值牽引電機從電網吸收的有功功率Ptm:

牽引回路中其他相關組件如整流器、機車主變壓器及牽引電機的無功消耗均可通過等值綜合負荷模型結構中的靜態負荷平衡。

2.2 風電場建模及等值

風能是電力界公認的技術上最成熟的綠色能源，針對風電場進行的建模及并網分析逐年增多。但截至今日，業界仍沒有形成一致認同的風電場模型。鑒于目前絕大部分風機為雙饋異步式，且信陽電網內風電場由多臺G58－850kW型號的異步風機構成，所以本預警系統中的風電場采用中國電力科學研究院搭建的模型，如圖4所示。基本環節包括風輪葉片、起連接和傳動作用的裝置、發電機、風電機控制系統。

圖4 雙饋異步風機模型

風速－功率關系為:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;Vw為風速;A=π為風機葉片的掃風面積，Rae為葉輪機半徑，m;Vin、Vout分別為風機的切入風速和切出風速;Cp是風力機的風能利用系數，即單位時間內風力機所吸收的風能與通過葉片旋轉面的全部風能之比。按照貝茲理論，Cp最大值為0.593。它與風力機的葉尖速比λ(風力機葉片頂端線速度與風速之比λ=ωaeRae/Vw)和槳距角θ有關，在動態仿真中，將其表示為λ和θ的非線性函數:

由于雙饋感應電機的變速風電機組采用變頻器控制，其發出的有功與無功功率可解耦控制，風電機組可控制整個風電場并網點處與電網沒有無功交換，即整個風電場功率因數為1。

為便于仿真建模及快速計算，對風電機組的部分參數進行了等值。由于所應用系統各風機型號相同且并聯接入系統，等值機組的慣性時間常數和阻尼系數應與單臺機組相同，等值阻抗參數應為各風機阻抗參數的并聯，而等效掃風面積則用單臺風機掃風面積疊加來近似模擬。

2.3 外網數據處理

預警系統建立在實時的基礎上，應盡量運用外網的在線數據，避免過多的外網等值處理，即計算規模不宜過小，而對于地區級別電網的在線預警信號應保證在分鐘級內給出，從這一點來講，計算所帶外網規模不宜過大。綜合考慮，本文將計算數據擴展為省級電網規模，在省級電網整體數據下進行地區電網的電壓穩定性計算。省網間聯絡關口功率值等值為網調計劃關口功率值。

2.4 負荷模型及節點類型轉換

為考慮負荷的動態特性，根據電網實際特點，本系統變電站電網負荷采用50%恒阻抗并聯感應電動機模型，發電廠廠用電負荷采用35%恒阻抗并聯感應電動機模型。

對于非風力發電機或具備電壓控制能力的風力發電機，當其無功越界時，發電機母線類型由PV節點轉化為PQ節點。若風機不具備電壓控制能力，穩態運行時風機可通過并聯電容器的投切和自身變頻器保持一定的功率因數，在潮流數據中將此類風電場設置為PQ節點。

2.5 病態潮流的求解方法

在極限點附近，潮流方程雅克比矩陣接近奇異，對于這種病態的潮流方程，無法用常規的潮流計算方法求得。本系統采用固定參數修正法對極限點附近的潮流進行求解。

固定參數修正法是一種連續潮流計算方法，如圖5所示。它以連續潮流解曲線上變化最快的變量為連續性參數，計算過程采用線性預測，沿連續潮流解曲線切線方向預測下一運行點的初值，再采用牛頓法校正的形式追蹤連續潮流解曲線。因其不破壞雅克比矩陣的稀疏性，更加有易于實際工程應用。

圖5 固定參數修正法示意圖

3 應用情況

3.1 應用系統

采用C++及Qt開發此地區電網在線電壓穩定預警系統。該系統已在河南信陽電網成功運行。圖6為信陽電網包含發電廠、牽引站以及220 kV以上變電站的地理接線圖。

信陽供電區地處河南南部，是鄂豫聯網的重要通道，電網以220 kV網絡為主網架，呈東西狹長狀，主干輸電網環網運行，兩處電源－華豫電廠和平橋電廠集中在西部，因此形成了西電東送的格局。電網內5座110 kV牽引變電站分別接于五座不同的220 kV變電所，位于西南部的雞公山風電站及東南部的黃柏山風電站通過110 kV并網。

3.2 結果分析及技術指標性能

相對功角穩定，電壓穩定往往表現為一種局部現象，電壓失穩總是從系統電壓穩定性最薄弱的節點開始引發，并逐漸向周圍比較薄弱的區域蔓延。

經模態法仿真分析，得出了引入風電場及電鐵負荷前后的極限點參與因子排序對比的前十位母線，如表1所示。圖7、圖8分別繪出了引入風電場及電鐵負荷前后最薄弱母線－弦城110的PV曲線。此外，表2列出了本預警系統的技術指標性能。

表1 極限點參與因子排序對比表

由表1分析可知，潢川、弦城及蓼城為系統的薄弱點，浉河220－潢川220、曹灣220－弦城220，蓼城220－桂園220三條線路屬信陽電網西電東送的主要干線，此三條線路組成的斷面為關鍵斷面。經計算斷面電壓穩定裕度僅為18.4%。

表2 技術指標性能表

圖7 弦城110母線PV曲線1

圖7 弦城110母線PV曲線2

由圖7、圖8分析可知，對于信陽電網，由于風電場及電鐵負荷容量均較小，且風電場保持與接入點無功交換為0，所以在引入風電及電鐵負荷后，系統電壓穩定性變化不大，靜態電壓穩定裕度降低至16.1%，且系統的薄弱區域基本不變，各母線薄弱程度較未引入風電及電鐵負荷前分布均勻。

4 結論

本系統將風電場及電鐵負荷引入地區電網在線預警系統中，能夠有效地監視地區電網薄弱區域及電壓穩定裕度，給出在線電壓預警信號，具有較強的實際意義;計算規模擴展至省級電網，可更準確的描述地區電網特性;同時客戶端可自行設置多類參數，使計算更貼近實際情況;具有觸發時間短，計算速度快的特點;便于運行人員監控。為地區電網進行合理的無功補償分配，優化運行方式提供了實時可靠依據。

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