地區(qū)電網(wǎng)潮流越限處理的研究

趙恒亮，李澤榮

（1．義烏市供電局，浙江 義烏 322000； 2．華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障設(shè)備因?yàn)殚_關(guān)動作而退出運(yùn)行，將由正常設(shè)備帶起全部負(fù)荷，可能導(dǎo)致其通過潮流大于最大允許值而發(fā)生潮流越限，電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行于潮流越限狀態(tài)下會導(dǎo)致設(shè)備燒毀甚至引起更大范圍的停電。因此地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生潮流越限后必須立即采取措施消除越限，如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能消除越限，則必須切除負(fù)荷。在實(shí)際調(diào)度過程中，運(yùn)行人員僅憑經(jīng)驗(yàn)分析得到消除越限的措施可能不滿足潮流約束，甚至?xí)?dǎo)致其他供電設(shè)備又發(fā)生潮流越限，使越限難以盡快消除。

對于消除設(shè)備潮流越限，地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式輔助制定軟件也只是簡單的給出越限設(shè)備的潮流信息，并沒有給出如何消除越限的具體解決方案。因此有必要對潮流越限的處理進(jìn)行研究，開發(fā)出一個(gè)潮流越限處理軟件模塊，為運(yùn)行人員提供輔助決策支持。

1 潮流越限處理的目標(biāo)

電網(wǎng)中設(shè)備潮流越限后，主要有降低發(fā)電機(jī)組的有功出力、轉(zhuǎn)移負(fù)荷和切除負(fù)荷3種應(yīng)對手段。地區(qū)電網(wǎng)只能配合上一級電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行電網(wǎng)的功率平衡，而不能任意調(diào)度發(fā)電機(jī)的有功出力，所以只對轉(zhuǎn)移負(fù)荷和切除負(fù)荷2種方式進(jìn)行討論。

地區(qū)電網(wǎng)通常為閉環(huán)配置開環(huán)運(yùn)行的輻射狀電網(wǎng)，發(fā)生潮流越限后，通常可以通過搜索越限設(shè)備下游母線，改變電網(wǎng)接線方式，將潮流轉(zhuǎn)移到其他有容量裕度的供電路徑，以達(dá)到消除越限并不間斷供電的目的。評價(jià)策略包括操作步驟最少、負(fù)載率均衡、未產(chǎn)生新的越限設(shè)備等，極端情況下切除負(fù)荷必須滿足負(fù)荷優(yōu)先級的要求并盡可能切除最少負(fù)荷。所以潮流越限處理方案必須滿足：系統(tǒng)潮流方程；支路電流不能越限；變壓器實(shí)際傳輸功率不能超過其容量；開關(guān)操作次數(shù)盡可能少；保持地區(qū)電網(wǎng)的輻射狀供電結(jié)構(gòu)。即在潮流越限轉(zhuǎn)移負(fù)荷的過程中，只能由1個(gè)電源為其供電，同時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生電磁環(huán)網(wǎng)。

2 備用設(shè)備的搜索

在地區(qū)電網(wǎng)中，存在著2條或多條平行線路或者同一變電站的主變互為備用的運(yùn)行方式。如圖1所示，當(dāng)其中1個(gè)變壓器出現(xiàn)潮流越限或者設(shè)備故障時(shí)，只需將備用設(shè)備投入運(yùn)行即可恢復(fù)正常供電。

圖1 投入備用設(shè)備

因此在給出設(shè)備潮流越限處理方案時(shí)，利用備用設(shè)備是首選方案。首先判斷潮流越限的設(shè)備有無備用設(shè)備，如果有則將備用設(shè)備投入運(yùn)行再進(jìn)行潮流計(jì)算，判斷越限是否已經(jīng)消除。

互為備用的設(shè)備一般都比較固定，通常為同站的主變或者平行架設(shè)的線路等，在數(shù)據(jù)庫中為支路設(shè)計(jì)1個(gè)備用設(shè)備鏈表字段，將備用設(shè)備存儲在鏈表中，在發(fā)生潮流越限時(shí)查看備用設(shè)備是否處于熱備用狀態(tài)，如果為熱備用狀態(tài)則投入運(yùn)行消除潮流越限。

3 負(fù)荷轉(zhuǎn)移算法

圖2中a-j為母線節(jié)點(diǎn)，各母線之間以支路相連，W1，W2，W3為電源進(jìn)線，分別為母線a，i，j供電，母線 b，c，d，f，g由母線 a供電，母線e由母線i供電，母線h由母線j供電，黑色圓表示閉合的開關(guān)，空心圓表示斷開的開關(guān)。各支路旁標(biāo)注的數(shù)組（X，Y）中，X為支路的實(shí)際電流值，Y為支路的最大允許電流值。

圖2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移算法模型

從圖中可以看出W1的最大允許電流值為200 A，而實(shí)際電流值為245 A，出現(xiàn)潮流越限，越限值為45 A。這里采用轉(zhuǎn)移負(fù)荷的方法消除W1的潮流越限，沿著W1的電流方向搜索下游母線節(jié)點(diǎn)，得到電流值大于越限值的所有下游母線，并將所有下游母線按電流值從小到大排列確定轉(zhuǎn)移負(fù)荷優(yōu)先級，下游母線節(jié)點(diǎn)如表1所示。

表1 越限設(shè)備W1下游母線節(jié)點(diǎn)表

由表1可知，母線g與越限量之差為最小，轉(zhuǎn)移負(fù)荷優(yōu)先級排在第1級，則切除母線g，為母線g尋找負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑，其開關(guān)操作序列為：斷開開關(guān)6；合上開關(guān)4。再判斷W1的越限是否消除，如果越限消除則可以作為最終恢復(fù)方案，如果還未消除則還可以選擇優(yōu)先級更高的母線直至消除越限。

4 潮流越限信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

首先給出軟件所設(shè)計(jì)的越限設(shè)備數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如表2所示。

地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生故障后，先對故障后的電網(wǎng)斷面進(jìn)行潮流計(jì)算，對所有變壓器和線路進(jìn)行潮流越限的判斷，將其實(shí)際潮流值與最大允許值進(jìn)行比較，如果前者大于后者則說明有潮流越限，如果是三繞組變壓器，則分別與其3個(gè)繞組的最大允許值進(jìn)行比較。將全網(wǎng)所有的越限設(shè)備記錄到潮流越限設(shè)備列表中，然后將所有越限設(shè)備按處理優(yōu)先級排序。

表2 越限設(shè)備數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

因?yàn)樽儔浩饔幸欢ǖ倪^負(fù)荷能力和允許過負(fù)荷時(shí)間，所以在潮流越限處理策略中優(yōu)先處理線路潮流越限，當(dāng)線路過流時(shí)間超過允許值時(shí)立即拉閘限電，之后再處理變壓器潮流越限。越限設(shè)備處理優(yōu)先級排序規(guī)則為：

（1）越限的線路設(shè)備往前排。

（2）越限的變壓器設(shè)備往后排。

（3）線路和變壓器各類別中越限百分比大的往前排。

最后在用戶界面中列表顯示所有越限設(shè)備，包括越限設(shè)備最大允許值、實(shí)際值、越限量和越限百分比。

5 下游母線的搜索和排序

5.1 下游母線搜索

定義潮流計(jì)算中潮流流出為正方向，潮流流入為負(fù)方向，則可以用潮流計(jì)算后的實(shí)際有功潮流值的正負(fù)來判斷潮流的方向。

如果越限設(shè)備是兩繞組變壓器或者線路，則判斷其所連接的母線節(jié)點(diǎn)的潮流值，如果有功潮流為正，則說明母線為越限設(shè)備的下游母線，保存該母線到下游母線列表中，并沿著潮流的下游方向繼續(xù)搜索母線。如果有功潮流為負(fù)，該母線為越限設(shè)備的上游母線，則跳過此搜索方向。

對于三端口的越限設(shè)備如三繞組變壓器或者T接線，則需要得到所連接的3個(gè)母線節(jié)點(diǎn)的潮流信息，同樣可以判斷潮流的下游方向，得到所有的下游母線。

直到找不到下一級母線則搜索結(jié)束，即已找到最末一級下游母線。

5.2 下游母線的排序

得到所有下游母線后，要對所有下游母線進(jìn)行轉(zhuǎn)移負(fù)荷優(yōu)先級排序，排序的規(guī)則為將所有流入母線潮流量超過越限量的母線按照潮流從小到大進(jìn)行排序。有功潮流小的排在前面優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)移負(fù)荷，這樣可以使轉(zhuǎn)移負(fù)荷路徑上的負(fù)載率小一些，避免轉(zhuǎn)移負(fù)荷后再次發(fā)生潮流越限。

實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，對于多個(gè)越限設(shè)備的情況，可能存在上下游關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖3所示，上游設(shè)備變壓器的越限是由下游設(shè)備線路引起的，消除了下游線路的越限則上游變壓器的越限也一并消除。利用上下游關(guān)聯(lián)關(guān)系消除越限可以減少開關(guān)操作，加快處理速度。

圖3 上下游關(guān)聯(lián)越限設(shè)備

軟件中確定上下游關(guān)系的算法是：在為越限設(shè)備尋找下游母線的過程中，將搜索到的下游設(shè)備與越限設(shè)備列表進(jìn)行對比，如果有相同的越限設(shè)備，則說明越限設(shè)備之間有上下游關(guān)聯(lián)關(guān)系，將上游越限設(shè)備與下游越限設(shè)備合并為一個(gè)解除越限設(shè)備的目標(biāo)，先對下游越限設(shè)備進(jìn)行處理，消除越限。

6 負(fù)荷轉(zhuǎn)移的搜索和排序

從已經(jīng)排序好的下游母線中選取排在前面的母線，將該母線上游供電開關(guān)斷開，此時(shí)該母線形成失電孤島，可以直接調(diào)用孤島恢復(fù)程序?yàn)槠浠謴?fù)供電。

對失電母線進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑搜索后，對所有路徑進(jìn)行潮流計(jì)算，判斷越限是否消除，以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑中是否存在新的越限，每判斷1條負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑，要將動作的開關(guān)恢復(fù)原來位置以判斷下一條路徑。

對于負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑排序，以往的文獻(xiàn)中將操作開關(guān)次數(shù)少作為一個(gè)評價(jià)規(guī)則，但是對于現(xiàn)場實(shí)際情況來說，則更注重考慮設(shè)備越限的消除以保證設(shè)備和電網(wǎng)的安全，因此將消除原來的越限和減少新產(chǎn)生的越限排在前面，排序的規(guī)則是：

（1）越限設(shè)備本身越限消除的路徑往前排。

（2）新生成的越限設(shè)備數(shù)少的路徑往前排。

（3）需要操作的開關(guān)數(shù)少的路徑往前排。

（4）路徑上的容量裕度大的往前排。

如果此母線未找到任何負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑，則從下游母線列表中按排序順序取出下一條母線，切除并調(diào)用孤島恢復(fù)程序?yàn)槠鋵ふ邑?fù)荷轉(zhuǎn)移路徑，步驟同上。

最后在用戶界面顯示所有轉(zhuǎn)移路徑，由運(yùn)行人員在界面上點(diǎn)擊選擇一條路徑制定恢復(fù)方案。

7 切除負(fù)荷策略

如仍不能消除越限，或者情況緊急來不及轉(zhuǎn)移負(fù)荷，則可以選擇直接切除一部分Ⅲ類負(fù)荷以消除越限，保證重要負(fù)荷優(yōu)先供電。Ⅲ類負(fù)荷在國民經(jīng)濟(jì)中地位很低，中斷這類負(fù)荷的供電，帶來的損失最小。在用戶界面中，可以由用戶自行選擇采用負(fù)荷轉(zhuǎn)移策略或者切除負(fù)荷策略來消除越限，切除負(fù)荷策略算法是：

（1）將下游母線列表中的母線依次取出，判斷其所供電的負(fù)荷是否為Ⅲ類負(fù)荷，如果是則將其存入到可切除負(fù)荷列表中。

（2）對所有可切除負(fù)荷進(jìn)行排序，排序的規(guī)則為：如果負(fù)荷量大于越限量，則將負(fù)荷量按從小到大的順序排序，優(yōu)先切除負(fù)荷量小的負(fù)荷。

開發(fā)的潮流越限處理流程如圖4所示。

8 測試案例

以圖5某地區(qū)局部電網(wǎng)為例說明軟件模塊的功能。當(dāng)前的運(yùn)行方式斷面為：田營變電站35 kV側(cè)單母線分段接線方式，35 kVⅠ段和1號變壓器由311古田線供電，35 kVⅡ段和2號變壓器由312宣田羚線供電，母線分段開關(guān)300和600均在斷位。35 kV羚羊變電站T接于宣田羚線，由宣田羚線供電。宣和變電站110 kV側(cè)單母線分段接線，母聯(lián)開關(guān)100在合位，全站負(fù)荷由121古宣線供電，35 kV側(cè)雙母線接線，母聯(lián)開關(guān)300在斷位。

圖4 潮流越限處理流程

圖5 地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式接線

設(shè)置的預(yù)想事故運(yùn)行方式為：田營變電站2號變壓器越限，宣和變電站2號變壓器越限，則形成2個(gè)越限設(shè)備，在用戶界面中給出越限設(shè)備分析報(bào)告，如圖6所示。

圖6 越限設(shè)備分析界面

經(jīng)過拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算可以得到2個(gè)越限設(shè)備的潮流信息報(bào)告，并且經(jīng)過分析此2個(gè)越限設(shè)備有上下游的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以合并成1個(gè)潮流越限任務(wù)并優(yōu)先對下游的田營變2號主變進(jìn)行越限處理，繼續(xù)點(diǎn)擊制定運(yùn)行方式轉(zhuǎn)入越限任務(wù)分析界面，如圖7所示。

圖7 越限任務(wù)分析界面

先對下游的越限設(shè)備田營變2號主變搜索備用設(shè)備，找不到備用設(shè)備則轉(zhuǎn)入下游母線的搜索，得到1條下游母線，即田營變6 kVⅡ段母線，因?yàn)橹凰阉鞯?條母線，所以轉(zhuǎn)移優(yōu)先級為1。繼續(xù)點(diǎn)擊制定運(yùn)行方式轉(zhuǎn)入負(fù)荷轉(zhuǎn)移分析界面，如圖8所示。

經(jīng)查找，田營變6 kVⅡ段母線只有1條負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑，并給出需要操作的開關(guān)序列，經(jīng)潮流校驗(yàn)滿足條件，則此路徑可以用來制定運(yùn)行方式。

圖8 負(fù)荷轉(zhuǎn)移分析界面

如果先對上游的越限設(shè)備宣和變2號主變進(jìn)行處理，則找到宣同線轉(zhuǎn)移35 kVⅡ母負(fù)荷，消除了宣和變2號主變的越限之后，田營變2號主變的越限情況仍然未消除，還需繼續(xù)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，這樣制定的運(yùn)行方式增加了操作開關(guān)數(shù)，導(dǎo)致操作步驟增多，故不使用此運(yùn)行方式。軟件也可以給出推薦切除的Ⅲ類負(fù)荷，由運(yùn)行人員在緊急方式下直接選擇切除負(fù)荷以消除越限。

9 結(jié)語

地區(qū)電網(wǎng)在事故情況下，將發(fā)生一些供電設(shè)備的實(shí)際潮流超過最大允許值的潮流越限，運(yùn)行人員必須立即采取可靠措施消除越限。采用“投入備用+轉(zhuǎn)移負(fù)荷+切除負(fù)荷”3種策略消除潮流越限，并在地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式平臺開發(fā)潮流越限處理程序，所給出的消除越限方案經(jīng)過潮流計(jì)算校驗(yàn)，操作步驟符合電力系統(tǒng)調(diào)度規(guī)程，并可以給出推薦切除的Ⅲ類負(fù)荷列表，所得出的越限處理方案可以為運(yùn)行人員提供輔助決策。

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