日發(fā)電計(jì)劃安全校核系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

丁 恰，王 崗，唐 然，楊樂(lè)勇，張丙金

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京210003；2.江蘇省電力公司，江蘇 南京210024)

電網(wǎng)調(diào)度最基本的要求是安全運(yùn)行，隨著大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)和特高壓電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的技術(shù)水平和復(fù)雜程度越來(lái)越高。在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下，進(jìn)一步要求挖掘電網(wǎng)輸電能力，輸電設(shè)備接近極限運(yùn)行，電網(wǎng)安全運(yùn)行的難度日益增大。調(diào)度計(jì)劃編制部門(mén)迫切需要安全校核分析功能，在發(fā)電計(jì)劃的編制過(guò)程中充分考慮各類(lèi)發(fā)電約束和輸電約束，使發(fā)電計(jì)劃編制既符合電網(wǎng)安全要求，又能充分挖掘電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)潛力，提高短期發(fā)電調(diào)度計(jì)劃的可操作性，為精細(xì)化的電力電量平衡、檢修計(jì)劃的編制等工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)調(diào)度計(jì)劃流程的精細(xì)化管理。安全校核系統(tǒng)最初用于電力市場(chǎng)模式下發(fā)電計(jì)劃的安全分析[1，2]，是發(fā)電計(jì)劃制定流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵是將未來(lái)時(shí)段的各類(lèi)計(jì)劃數(shù)據(jù)整合[3，4]，形成可供潮流分析使用的方式數(shù)據(jù)，并在出現(xiàn)潮流越限時(shí)，通過(guò)安全校正計(jì)算消除越限，國(guó)內(nèi)外研究人員為此開(kāi)展了大量的研究工作[5-8]。從工程實(shí)用角度出發(fā)，在討論日發(fā)電計(jì)劃安全校核整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)方式數(shù)據(jù)生成過(guò)程中涉及的功率平衡、拓?fù)涔芾淼葐?wèn)題展開(kāi)討論，提出了一種基于安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）算法的多時(shí)段安全校正算法，形成綜合最優(yōu)的調(diào)整方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

日發(fā)電計(jì)劃安全校核應(yīng)用采用服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)，可靈活構(gòu)建于基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）支撐平臺(tái)上，以數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心、流程控制中心和數(shù)據(jù)展示中心的三大中心建設(shè)為核心。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心完成與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)安全I(xiàn)區(qū)的EMS、安全I(xiàn)I區(qū)發(fā)電計(jì)劃、III區(qū)的調(diào)度管理（OMS）等相關(guān)應(yīng)用以及上下級(jí)調(diào)度間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享；流程控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)安全校核計(jì)算過(guò)程的靈活干預(yù)控制；數(shù)據(jù)展示中心提供的豐富手段，快速準(zhǔn)確地獲取安全校核分析結(jié)果信息。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊

安全校核是對(duì)電網(wǎng)在未來(lái)時(shí)段的運(yùn)行方式的研究，需要獲知電網(wǎng)未來(lái)運(yùn)行方式的全部數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)還需要返回到相關(guān)應(yīng)用和單位。安全校核應(yīng)用首先應(yīng)構(gòu)建成一個(gè)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，保證各類(lèi)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)正常。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊中心需要處理電網(wǎng)物理參數(shù)、電網(wǎng)運(yùn)行計(jì)劃數(shù)據(jù)、未來(lái)需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)以及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，整體數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊

1.2 流程控制模塊

安全校核計(jì)算內(nèi)容多，包含基態(tài)潮流、靈敏度分析、靜態(tài)安全分析等多項(xiàng)內(nèi)容，需要具有從數(shù)據(jù)獲取、各類(lèi)計(jì)算引擎的調(diào)用過(guò)程到上傳上報(bào)整個(gè)過(guò)程完整的流程控制功能。

1.3 數(shù)據(jù)展示模塊

安全校核牽涉的數(shù)據(jù)類(lèi)別和數(shù)量巨大，包括流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和完整計(jì)算結(jié)果，需要完整豐富的展示手段用于查詢(xún)，數(shù)據(jù)展示模塊需要的展示內(nèi)容如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)展示

2 計(jì)劃潮流生成技術(shù)

2.1 功率平衡

電網(wǎng)計(jì)劃潮流首先保證發(fā)受用功率平衡，電網(wǎng)總功率平衡可以表示為：

式中：Gi為各機(jī)組發(fā)電出力；Ti為聯(lián)絡(luò)線交換計(jì)劃；Li為母線負(fù)荷預(yù)測(cè)；Ploss為網(wǎng)損。

發(fā)電計(jì)劃、聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃和母線負(fù)荷預(yù)測(cè)分別從發(fā)電計(jì)劃和預(yù)測(cè)應(yīng)用獲得，在忽略網(wǎng)損情況下，由于滿(mǎn)足等量關(guān)系，三者之間是冗余信息。針對(duì)發(fā)電計(jì)劃安全校核處理的原則以發(fā)電計(jì)劃為主，調(diào)整母線負(fù)荷滿(mǎn)足平衡關(guān)系。但是網(wǎng)損需要在潮流計(jì)算完成后才能確定，調(diào)整母線負(fù)荷注入功率的關(guān)鍵是獲得網(wǎng)損大小。在線潮流計(jì)算中，網(wǎng)損往往采用固定網(wǎng)損系數(shù)方式處理，當(dāng)運(yùn)行方式局部調(diào)整情況下，網(wǎng)損的變化也較小，可以滿(mǎn)足一般精度計(jì)算要求。但對(duì)于全天96點(diǎn)計(jì)劃潮流而言，其網(wǎng)損的變化量在數(shù)值上也相當(dāng)大，如不能合理設(shè)置母線負(fù)荷數(shù)據(jù)，在潮流計(jì)算后，網(wǎng)損處理上的偏差最終將由平衡機(jī)組吸收，導(dǎo)致這些機(jī)組出力與計(jì)劃產(chǎn)生明顯偏差。

文中采用預(yù)測(cè)-校正技術(shù)進(jìn)行處理，具體步驟如下所示：（1）根據(jù)參考斷面的電網(wǎng)潮流，進(jìn)行常規(guī)潮流分析計(jì)算，確定初始網(wǎng)損率系數(shù)。（2）加載各類(lèi)發(fā)電機(jī)出力計(jì)劃和電網(wǎng)外部受電計(jì)劃，以及母線負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并按照檢修計(jì)劃調(diào)整電網(wǎng)拓?fù)?，初步形成電網(wǎng)未來(lái)運(yùn)行方式。（3）網(wǎng)損預(yù)測(cè)階段。根據(jù)網(wǎng)損率系數(shù)預(yù)測(cè)網(wǎng)損大小，電網(wǎng)發(fā)受用電的功率平衡關(guān)系，確定母線負(fù)荷總加變化量，并分解到各母線負(fù)荷上。（4）網(wǎng)損校正階段。采用多平衡機(jī)計(jì)算方式進(jìn)行常規(guī)潮流分析計(jì)算，平衡發(fā)電機(jī)相對(duì)于發(fā)電計(jì)劃的偏差量作為網(wǎng)損估算偏差，若網(wǎng)損估算的偏差在設(shè)置的閾值之內(nèi)，則進(jìn)入步驟（5），否則重新計(jì)算網(wǎng)損和網(wǎng)損率，進(jìn)入步驟（3）。（5）網(wǎng)損估算結(jié)束，形成未來(lái)運(yùn)行方式分析的潮流斷面，計(jì)算結(jié)束。

采用預(yù)測(cè)－校正的計(jì)算方式，通過(guò)多次修正網(wǎng)損處理上的偏差，最終將其限制在預(yù)期的范圍之內(nèi)。

2.2 多方式拓?fù)涔芾?/h3>

在計(jì)劃編制過(guò)程中需要不斷與安全校核進(jìn)行迭代計(jì)算，對(duì)計(jì)劃形成的潮流進(jìn)行詳細(xì)分析。設(shè)備的投退狀態(tài)直接影響電網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?duì)潮流產(chǎn)生巨大影響。獲得正確的設(shè)備狀態(tài)是校核計(jì)算的基礎(chǔ)，不僅需要引入檢修計(jì)劃來(lái)及時(shí)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，更重要的是獲得正常狀態(tài)，即無(wú)檢修計(jì)劃條件下的設(shè)備狀態(tài)?？梢詫⒃O(shè)備正常狀態(tài)作為底版，由檢修計(jì)劃提供變化量信息。

拓?fù)涔芾砜墒褂枚喾N方式：（1）正常位方案管理。直接維護(hù)設(shè)備的正常狀態(tài)。（2）檢修反演機(jī)制。獲取參考斷面拓?fù)?，并分析該參考斷面?duì)應(yīng)時(shí)段的檢修計(jì)劃，反推設(shè)備在無(wú)檢修條件下的正常狀態(tài)。（3）特殊方式維護(hù)。作為正常位方案的補(bǔ)充信息，臨時(shí)定義特殊運(yùn)行方式，如站內(nèi)設(shè)備改造等。

檢修反演方式需要維護(hù)的信息較少，在系統(tǒng)建設(shè)初期可結(jié)合狀態(tài)估計(jì)和檢修計(jì)劃進(jìn)行處理，但受到檢修計(jì)劃實(shí)際完成情況影響。正常位方案管理需要維護(hù)信息較多，但處理偏差較小，特殊方式維護(hù)是對(duì)上述處理特殊情況的補(bǔ)充信息，多種方式可互為補(bǔ)充，便于在實(shí)際使用中靈活應(yīng)用。

2.3 并行計(jì)算

對(duì)典型的日發(fā)電計(jì)劃安全校核應(yīng)用而言，96點(diǎn)發(fā)電計(jì)劃對(duì)應(yīng)的96個(gè)時(shí)段斷面之間的校核計(jì)算的耦合度較低，計(jì)算量大，采用并行化處理，可以將計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)硬件資源上完成。

3 安全校正

當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備或穩(wěn)定斷面越限時(shí)，需要啟動(dòng)校正計(jì)算。校正計(jì)算是在機(jī)組開(kāi)停方式確定的情況下，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)，以與初始計(jì)劃（或目標(biāo)計(jì)劃）的偏差量最小為目標(biāo)優(yōu)化機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)荷需求和機(jī)組的運(yùn)行約束，并且滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行的潮流約束。

目標(biāo)函數(shù)為：

式中：T為系統(tǒng)調(diào)度期間的時(shí)段數(shù)；I為系統(tǒng)機(jī)組數(shù)；p（i，t）為機(jī)組i在t時(shí)段的有功功率；p0（i，t）為機(jī)組i在t時(shí)段的初始（或目標(biāo)）有功功率；Ci為機(jī)組i的偏差懲罰系數(shù)；ki為機(jī)組i出力偏差的模擬成本，是分段線性的凸曲線，對(duì)機(jī)組不同的有功偏差量加入相應(yīng)的成本，隨著偏差量的增加，成本增大，達(dá)到發(fā)電計(jì)劃與初始計(jì)劃偏差最小的要求。

可以看出，該校正計(jì)算模型不再是對(duì)每個(gè)越限時(shí)段孤立點(diǎn)的調(diào)整，而是對(duì)全部時(shí)段統(tǒng)一建模，獲得全局的最小調(diào)整量。系統(tǒng)主要考慮的約束如下。

（1）機(jī)組運(yùn)行約束。發(fā)電機(jī)組的輸出功率上下限約束：

（2）機(jī)組加減負(fù)荷速率約束：

式中：Δi為機(jī)組i每時(shí)段可加減負(fù)荷的最大值。

（3）電網(wǎng)安全約束。電網(wǎng)支路潮流約束：

穩(wěn)定斷面潮流約束：

式中：Pij，分別為聯(lián)絡(luò)線斷面i，j潮流功率及上限。

4 應(yīng)用效果

文中安全校核系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某省網(wǎng)智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)了該系統(tǒng)在2012年5月運(yùn)行期間的計(jì)算結(jié)果，未出現(xiàn)不收斂的情況，說(shuō)明日前計(jì)劃潮流采用該方法后能保證計(jì)算收斂性，采用固定網(wǎng)損系數(shù)和采用文中預(yù)測(cè)校正方法后計(jì)劃潮流中機(jī)組出力最大偏差情況對(duì)比如表1所示。

表1 計(jì)劃潮流機(jī)組出力調(diào)整情況對(duì)比

可以發(fā)現(xiàn)文中方法最大機(jī)組出力偏差和調(diào)節(jié)機(jī)組個(gè)數(shù)均小于固定網(wǎng)損系數(shù)方法，其中5月10日固定網(wǎng)損系數(shù)方法由于采用了多平衡機(jī)方式進(jìn)行潮流計(jì)算，不平衡量進(jìn)行了分?jǐn)倢?dǎo)致最大出力偏差降低。

日發(fā)電計(jì)劃15 min間隔96時(shí)段計(jì)劃潮流的生成和計(jì)算分析采用多機(jī)多核技術(shù)后，計(jì)算時(shí)間由8 min左右縮減為不到1 min完成，采用不同計(jì)算資源計(jì)算時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)，隨著計(jì)算資源數(shù)增加，計(jì)算時(shí)間降低，但超過(guò)12個(gè)并行計(jì)算資源后計(jì)算時(shí)間下降速度變緩，甚至出現(xiàn)增加，因?yàn)榇藭r(shí)主要計(jì)算時(shí)間消耗在數(shù)據(jù)交換上。

圖4 并行計(jì)算時(shí)間

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著調(diào)度精細(xì)化管理需求日益提高，安全校核已成為調(diào)度大計(jì)劃流程中重要一環(huán)，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的一道重要防線。文中在分析安全校核需求和功能總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，依照數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，流程控制中心和數(shù)據(jù)展示中心的3條主線設(shè)計(jì)，提出基于預(yù)測(cè)-校正技術(shù)的功率平衡方法和計(jì)劃拓?fù)浞治龉芾矸椒?，形成日前?jì)劃潮流，校核出現(xiàn)越限后采用基于安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）算法的多時(shí)段安全校正算法技術(shù)。實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行表明所提算法的有效性。

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