新能源對隨州電網影響的評估軟件開發與應用

陳治道，孫朝霞，王 亮，羅 猛，湯海霞，王武林，熊 楓

（國網隨州供電公司，湖北 隨州 441300）

0 引言

近年來，隨州地區的新能源呈井噴式的發展趨勢，新能源出力的不確定性、隨機性和波動性，影響了電力系統的正常運行。如何優化新能源的位置和容量，是當前隨州電網規劃面臨的一個具有重大實際意義的問題[1]。建立科學的電力系統評價指標體系是實現新能源接入方案評價的基礎。科學合理的評價指標體系是衡量配電系統現有水平和規劃成效的重要工具，是保證電網規劃質量和電網建設安全、可靠、經濟的重要手段。

本文提出了分布式電源對配電網綜合影響的各類指標，指標共分為五類：安全穩定性[2-3]、電能質量[4]、可靠性[5]、經濟性[6]、風險性[7]。通過對指標的深入解析，構建分布式電源對配電網綜合影響的指標體系，并根據指標計算結果對隨州電網提出正確的規劃和建議。

1 自動評估系統總體評估指標體系

自動評估系統軟件立足于對給定接入新能源的電網方案進行分析，明確各功能模塊的數據來源，建立統一的數據平臺，進行數據整合和功能接口開發，最終形成自動評估系統。本文提出共計18個指標，如圖1所示。

部分主要指標的計算方法如下：

1）母線電壓分布指數：描述新能源并網后電網中母線電壓隨機分布的特征，計算公式為：

式中：Ui為第i次電壓觀測值，為電壓平均值，m為樣本容量。

2）母線電壓保持指數：描述新能源并網后電網中母線電壓保持在一定范圍內的數值比例，計算公式為：

圖1 系統指標體系圖Fig.1 Index system

式（2）、（3）中：C(Ω)表示集合 Ω 中元素的個數，m為樣本容量，a表示對電壓波動范圍的限制閾值，可根據評價需要自行指定。

3）系統電壓分布指數：描述新能源并網后電網中母線電壓分布指數的平均值。其計算公式為：

式中：N表示母線數目。

4）系統電壓保持指數：描述新能源并網后電網中母線電壓保持指數的平均值。計算公式為：

式中：N表示母線數目。

5）電力不足時間概率：研究期間內可用發電容量不滿足負荷需求所造成的停電概率值。計算公式為：

其中，N為系統隨機狀態的數目；FLOLP為與LOLP對應的試驗函數，由系統的隨機狀態Xi按式（7）決定：

式中：PD,j為節點j的有功負荷為節點j的原始有功負荷。

6）電量不足期望：指研究期間內由于發輸電設備停運造成的少供電量。計算公式：

其中，C(Xi)為隨機狀態Xi負荷削減量。

式（9）中：ND為負荷節點數目，PD,j為節點j的有功負荷為節點j的原始有功負荷。

7）母線失負荷風險：確定各節點負荷的調整量，并通過統計各節點負荷調整的大小，判斷對風險消除最有利的負荷調整位置，可指導隨州電網制定各站的風險減負荷策略。

計算公式為：

式（10）、（11）中：wi為母線i對應的失負荷量(標幺值)，ai為負荷重要程度因子，是根據GB50052-1995《供配電系統設計規范》中規定的對供電負荷分級來取值。

8）新能源受限風險：確定各新能源場站的出力調整量，并通過統計新能源場站出力調整的大小，判斷對風險消除最有利的新能源場站位置，可指導電網制定風險事件中新能源場站出力的調整措施。計算公式：

式（12）中為機組i的有功出力上限，PG,i為機組i的有功出力。

9）母線電壓越限風險：通過統計分析各節點電壓的上下界約束對應的拉格朗日算子，獲得對風險消除最有利的無功電壓控制節點，可甄別電網電壓薄弱環節。計算公式：

式（13）中：λ-V,i為節點i電壓下限約束對應的拉格朗日算子。

10）支路潮流越限風險：通過統計分析各支路潮流的上界約束對應的拉格朗日算子，確定對支路潮流處于上限的線路，可甄別故障中隨州電網最易發生潮流越限的線路。計算公式：

式（14）中為支路i潮流上限約束對應的拉格朗日算子。

2 自動評估系統指標實現方案

自動評估系統各指標的計算充分利用了PSASP的電網分析計算能力，通過計算控制模塊實現對整個評估過程的自動控制，實現工程文件與作業文件的轉換，調用計算程序與評估計算，實現整個評估過程的高度自動化。其實現的基本結構如圖2所示。

圖2 基于PSASP指標計算示意圖Fig.2 Calculation of index based on PSASP

2.1 自動評估系統構成

1）PSASP程序包，包括用于電力系統分析的各種計算模塊，如潮流計算程序，短路計算模塊，N-1故障計算模塊等。

2）PSASP工程文件，用以管理電力系統模型及計算參數，包括電力系統模型文件，計算控制參數文件。

3）PSASP作業文件，供PSASP程序包計算使用的數據文件。

4）PSASP結果文件，用以存放PSASP的計算結果。

5）數據解析模塊，用以實現PSASP工程文件向PSASP作業文件轉換，PSASP結果文件解析的功能。

6）評估指標計算模塊，利用PSASP計算結果數據對自動評估系統各指標進行計算。

7）數據庫系統，用以存儲評估結果。

8）結果展示模塊，用以展示評估結果。

9）計算控制模塊，實現數據解析模塊，評估指標計算模塊，PSASP程序包中電力系統分析軟件的調用功能。

2.2 自動評估系統工作過程

1）準備好PSASP工程文件，開始進行間歇性能源并網方案評估。

2）評估系統將調用數據解析模塊，將PSASP工程文件轉換為PSASP作業文件[13]。

3）評估系統將自動調用PSASP程序包中的電網分析程序，對并網方案進行計算。

4）評估系統自動調用數據解析模塊，讀取步驟3中計算得到的結果，并將結果數據輸入到評估指標計算模塊中進行指標計算。評估指標計算模塊將計算的結果存儲到數據庫系統中。

5)結果展示模塊從數據庫系統中讀取步驟4中存儲的結果數據進行展示。

2.3 自動評估系統評估指標計算模塊實現方法

評估指標模塊實現方法分兩種：一種是采用C++編程實現，一種是采用C++和MATLAB混合編程實現。實現流程圖大致如圖3所示。

圖3 評估指標計算模塊示意圖Fig.3 Evaluation index calculation module

C++編程實現的評估指標有安全穩定性指標模塊和經濟性指標模塊，這兩個模塊指標的計算是讀取PSASP計算的結果文件，通過指標計算方法，把評估結果存入數據庫中,整個過程都是通過程序自動化處理完成。

C++和MATLAB混合編程實現的評估指標有電能質量指標模塊、可靠性模塊和風險性模塊。這3個指標模塊在實現過程中是運用matlab編程采用蒙特卡洛法進行計算，為了實現自動化評估計算，首先需要將計算指標的matlab程序轉換為C++所能識別的動態庫程序，然后通過C++程序自動調用matlab所轉換的動態庫，從而得出指標計算結果，最后把結果保存到數據庫中和界面展示。

3 自動評估系統指標結果分析

自動評估系統可視化界面分為主畫面和詳細界面兩種。主界面主要展示各功能模塊的主要信息，讓操作員能夠快速抓取各模塊指標的重要信息，詳細界面顯示各模塊指標的詳細內容，便于操作員精確分析。

下面所展示的結果數據是針對隨州電網處于極小負荷情況下的評估結果數據。

圖4 評估系統主畫面Fig.4 Evaluation system

3.1 自動評估系統主畫面

圖4為自動評估系統的主畫面。左側從上到下為加載程序數據包，調用指標計算接口；右側依次為安全穩定性指標、電能質量指標、可靠性指標、風險性指標、經濟性指標結果顯示。點擊每個指標模塊的詳情可以快速定位到該模塊指標下面的指標詳細信息。

3.2 安全穩定性

圖5為安全穩定性模塊線路負載率詳細內容顯示。結合圖4可知，在常規運行方式下，220 kV鐘隨線負載率為110.3%，出現過載情況；110 kV烈殷線負載率為91.6808%，110 kV天烈線負載率為90.5351%，出現重載的情況。220 kV烈1號主變負載率為261.492%，出現嚴重過載情況。

圖5 常規潮流計算線路負載率Fig.5 Conventional power flow calculation load ratio

圖6為安全穩定性模塊N-1校驗中在不同運行方式下切除方案的數目、切除方案類型、所切除方案對應的支路設備。由圖6可知，極小負荷運行方式和極大運行方式的切除方案都為58個。

圖6 N-1校驗切除方案Fig.6 N-1 Check removal scheme

3.3 電能質量

圖7為母線電壓保持指數詳細內容顯示。除烈山變10 kV母線電壓保持指數約為0.507 1外，其他母線的電壓保持指數都為1。即除烈山變10 kV母線外，其余母線電壓均在合格范圍內。

3.4 可靠性

可靠性有兩個評估指標：電力不足時間概率和電量不足期望。由圖4可知，電力不足時間概率為99.973%，表示區域內停電概率為99.973%；電量不足期望為3.596 4，表示由于輸電設備停運造成的少供電量為3.596 4 MW。

圖7 母線電壓保持指數Fig.7 Bus voltage retention index

3.5 風險性

圖8為母線失負荷風險的詳細內容顯示，其中負荷調整量最大的是永陽變10 kV 2號母線，其失負荷風險為1.508 4 MW。

圖9為新能源受限風險詳細內容顯示，其中受限風險最大的兩條母線為萬和風電場和界山風電場，受限風險分別為62.779 3 MW和28.886 2 MW，說明這兩個風力發電場需要調整的發電量比較大。

圖8 母線失負荷風險Fig.8 Bus load loss risk

圖9 新能源受限風險Fig.9 New energy limited risk

3.6 經濟性

圖10為線路的負荷率詳細內容，結合圖4可知，220 kV隨永線負荷率最高，其負荷率達到了91.134 2%，負荷率越接近100%，表示線路設備的利用率越高，越有利于減損節能。

圖10 線路負荷率Fig.10 Lines load ratio

4 隨州電網未來規劃建議

依照極小負荷下的自動評估結果，對隨州電網近期的規劃提出如下建議：

（1）由于220 kV鐘隨線是500 kV編鐘變下網的重要220 kV線路，建議將隨州變220 kV母線以及鐘隨線改為大截面導線，緩解重過載問題。

圖11 隨州電網結構Fig.11 Suizhou power grid structure

（2）220 kV烈山站現有風電220.5 MW，光伏200 MW，造成主變過載嚴重，建議推進220 kV烈2號主變擴建工程，推進220 kV江頭店輸變電工程建設，緩解烈山供區新能源上網卡口問題。

（3）建議推進220 kV永陽主變增容工程，將永1號主變更換為240 MVA的大容量主變，緩解永陽供區新能源上網卡口問題。

綜合以上3點改進措施，再次進行潮流計算、N-1校核、電能質量計算、經濟性計算、可靠性和風險性計算，計算結果表明線路和變壓器均無越限情況，同時改善了母線的電能質量，各線路和各母線存在的風險性和受限情況得到了大大的改善。

5 結論

本文所述的自動評估系統有如下幾個重要的技術特點：

（1）實現了電網分析、評估指標計算等功能的自動化，大大提高了多種間歇性能源并網方案評估的自動化水平，進而提高了電網分析工作人員的工作效率；

（2）對隨州地區的網架結構、運行方式、新能源發電裝機、消納等情況進行全面分析，為風電場和系統建模等后續分析工作提供數據支撐；

（3）提供了友好、簡潔的人機交互界面，可以讓電網分析工作人員快速定位重要問題；

（4）為電網分析工作人員提供區域內電網電壓的薄弱點和輸電薄弱環節所在，方便電網分析工作人員快速制定有針對性的改進方案。

最后，結合隨州電網實際運行情況表明：本文研究結果能夠應用于隨州電網的實際運行中，并且可以極大地改善當前隨州電網的運行情況，有效改善新能源發電的外送難題，為隨州電網未來規劃提供了強有力的支撐保障作用。

[參考文獻]（References）

[1]國網湖北省電力公司隨州供電公司.隨州電網規模化新能源接納能力研究[R].隨州：國網湖北省電力公司隨州供電公司，2015.StateGrid Suizhou Powersupplycompany.Study on the new energy acceptance capacity of the state grid[R].2015.

[2]李碧君,方勇杰,徐泰山.關于電網運行安全風險在線評估的評述[J].電力系統自動化,2012,(18)：171-177.LI Bijun,FANG Yongjie,XU Taishan.Review on online operational security risk assessment of power systems[J].Automation of Electric Power Systems,2012,(18)：171-177.

[3]陳曦.基于風險理論的電力系統靜態安全性評估方法研究[D].武漢：華中科技大學,2012.Chen Xi.Aresearch on power system static security assessmentmethod based on risk theory[D].Huazhong University of Science&Technology,2012.

[4]陳文升,劉波.新能源發電并網中電能質量分析與評估方法[J].電力與能源,2014,(2)：214-217.Chen Wensheng,Liu Bo.Analyzing and evaluating methods of power quality for new energy[J].Power&Energy,2014,(2)：214-217.

[5]宋伶俐,劉焱,曹侃.配網可靠性評估方法及應用[J].湖北電力,2013,37(2)：4-6.SONG Lingli,LIU Yan,CAO Kan.Evaluation method and application of distribution network reliability[J].Hubei Electric Power,2013,37(2)：4-6.

[6]王凱,栗文義,李龍,等.含風/光互補發電系統可靠性與經濟性評估[J].電工電能新技術,2015,(6)：52-56,63.WANG Kai,LI Wenyi,LI Long,DENG Dianyi.Reliability and economy evaluation of complementary power systems containing wind and solar energy[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2015,(6)：52-56,63.

[7]蔣程,劉文霞,張建華,等.含風電接入的發輸電系統風險評估[J].電工技術學報,2014,(2)：260-270.JIANG Cheng,LIU Wenxia,ZHANG Jianhua,et al.Risk assessment of generation and transmission systems considering wind power penetration[J].Transactions ofChina ElectrotechnicalSociety,2014,(2)：260-270.