分布式潮流控制器實時控制優(yōu)化應用功能研究

沈誠亮，曹建偉，唐 明，吳鳴鳴，林承錢，柏建良

（國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著電網負荷的不斷增長以及新能源發(fā)電比例的不斷提高，電網運行過程中潮流不均衡，即線路潮流和載流能力不匹配的現象越來越嚴重。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，潮流分布主要根據線路的阻抗而進行自然分布，這種根據阻抗自然分布的潮流往往容易在電網中形成局部的重載斷面，進而限制電網的供電能力，此外還可能會導致電能的傳輸損耗增大、電壓質量變差，高峰負荷期間甚至拉長了燃機頂峰時間，導致綜合能源效率大幅下降。因此，有必要在現有網架結構的基礎上，采用潮流控制手段，降低重載線路潮流，提升電網運行極限，消除局部電網的瓶頸問題，實現安全與效能的雙提升[1-2]。近年來發(fā)展起來的DPFC（分布式潮流控制器）是解決上述問題的一種方法，它是一種利用分布式的小型化單相子單元對電網潮流進行控制的系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、成本低廉等特點，能靈活的裝設在現有的線路與變電站內，并能較為方便的移動與組裝，實現系統(tǒng)的快速建立與設備的重復利用，是解決電網建設過渡時期“卡脖子”問題的好方法[3-4]。但目前DPFC 尚未在國內進行廣泛的應用，電網企業(yè)缺乏相關設備的運行經驗，未及時建立成熟的優(yōu)化控制系統(tǒng)，導致DPFC 強大的潮流控制能力無法正常發(fā)揮[5-6]。因而在智能調度控制系統(tǒng)中，利用已有的數據資源與遙控、遙調能力，進行DPFC 實時控制優(yōu)化應用功能的建設顯得尤為重要[7-9]。

1 DPFC 運用現狀

1.1 裝置結構及原理

DPFC 系統(tǒng)由子單元和主控制器組成，如圖1 所示。DPFC 主控制器是整個DPFC 系統(tǒng)的運行中樞，主要承擔的系統(tǒng)任務有：系統(tǒng)部署區(qū)域相關電網參數的獲取與存儲；DPFC 子單元的運行狀態(tài)參數獲取與存儲；向DPFC 子單元發(fā)送投切命令，執(zhí)行EMS（能量管理系統(tǒng)）的潮流控制任務。

圖1 DPFC 系統(tǒng)結構

DPFC 的子單元安裝在架空輸電線上，由電壓源型逆變器、取能電路、控制與通信模塊等部分組成。控制與通信模塊接收來自調度端的控制命令，并生成對應的PWM（脈沖寬度調制）控制信號，來控制電壓源型逆變器中IGBT 的開通與關斷，進而對外輸出一個大小可連續(xù)調節(jié)，相位超前或滯后線路電流90°的電壓，使DPFC 的子模塊對外部電路呈現電感或電容特性，進而改變線路的阻抗[10-12]。由于環(huán)網運行的電力系統(tǒng)中，潮流分布受線路阻抗分布的影響，故可通過改變線路阻抗的大小，從而影響電網潮流的分布，實現對線路輸送的有功和無功功率的調節(jié)。

為了有效調節(jié)潮流，DPFC 的線路阻抗控制范圍應在線路阻抗的±10%～±20%內。DPFC 的控制目的是向線路注入可調電壓，調整等效阻抗，其等效阻抗運行范圍是最大運行電流、最小運行電流和最大注入電壓曲線所包圍的封閉區(qū)，如圖2 所示。Imax對應于DPFC 裝置主回路各元件承受最大電流應力下的線路電流值，應大于線路電流額定值。Imin由DPFC 裝置能正常啟動的最小電流確定。Vmax最大注入電壓取決于DPFC 裝置主回路各元件能承受的最大電壓應力。Imin與恒壓曲線相交點對應的等效電抗為電抗最大值，其值一般小于由線路參數所確定的DPFC 裝置最大輸出等效阻抗值。

圖2 DPFC 等效阻抗運行范圍

1.2 控制系統(tǒng)及控制模式

DPFC 的控制系統(tǒng)采用分層結構，其包含調度端的高級控制層、變電站內的集中控制層和單元模組控制層，為保證控制系統(tǒng)的可靠性，集中控制層采用雙重配置，包括集控和保護裝置以及相應的輸入/輸出設備。其控制結構如圖3 所示。集中控制側設置A，B 兩套控制系統(tǒng)，兩套控制系統(tǒng)均接收來自調度層的控制指令，并執(zhí)行功率控制邏輯，且均下發(fā)電壓控制指令值、啟動停運控制命令、值班信號等。

圖3 DPFC 控制系統(tǒng)結構

目前，DPFC 在正常運行過程中主要有四種運行模式：電控控制、注入電壓控制、功率控制和限額控制。

1.2.1 電抗控制模式

電抗控制模式通過控制系統(tǒng)下發(fā)等效電抗控制指令，向線路注入一個等效電抗，通過改變線路電抗的大小來實現線路潮流的調節(jié)。該模式下需要運行人員給定等效注入電抗指定值、等效注入電抗升降速率。在接收到整定值后，電抗控制調節(jié)環(huán)節(jié)會生成等效注入電抗的參考值，將等效注入電抗的參考值按照指定的升降速率節(jié)至整定值，并下發(fā)給各個模組，從而實現潮流控制。

1.2.2 注入電壓控制模式

注入電壓控制模式是通過下發(fā)注入電壓指令，向運行線路串入一個與線路電流垂直的電壓，通過注入電壓改變線路兩端電壓的相角差實現潮流調節(jié)的模式。運行人員需要操作給定注入電壓指定值、注入電壓升降速率。在接收到整定值后，電壓控制調節(jié)環(huán)節(jié)可生成注入電壓的參考值，其按照設定的升降速率調節(jié)至整定值，并下發(fā)給各個模組，模組根據指令值產生電壓，串入運行線路，進而實現潮流控制。

1.2.3 功率控制模式

功率控制模式控制線路的功率恒定為設定值，運行人員需要給定：線路功率指定值、線路功率升降速率。接收到整定值后，功率控制調節(jié)環(huán)節(jié)會按照設定的升降速率將線路功率節(jié)至指令值，并將線路功率控制在指令值。通過改變功率指令值實現潮流控制。

1.2.4 限額控制模式

限額控制模式下，正常運行時DPFC 設備注入線路0 電壓，在斷面的功率超過設定的限額時，控制系統(tǒng)協調各模組增加注入線路的電壓，限制斷面功率不超過限額值。限額控制模式下，需要運行人員操作給定斷面的限額功率。需要注意的是，DPFC 投入運行后，控制模式默認為電壓控制模式，注入線路的電壓默認設定為0。

1.3 運用中存在的問題

目前就某地區(qū)的電網實際運行情況而言，安裝在GXⅠ線、GXⅡ線上的DPFC 裝置主要采取限額控制模式：當GXⅠ線、GXⅡ線雙線斷面潮流小于47 萬kW，DPFC 裝置0 電壓輸出，不轉移線路的潮流；當GXⅠ線、GXⅡ線雙線斷面潮流超過47 萬kW 后，DPFC 裝置開始輸出感性電壓，增大線路的等效阻抗，將雙線斷面潮流控制到47 萬kW 以內；當DPFC 裝置已達到最大感性電壓輸出，仍然無法將潮流控制到47 萬kW 以內時，DPFC 以最大感性電壓輸出，并給出調節(jié)能力已到極限的告警信號，提醒調控人員需采取其他電網調節(jié)手段，降低斷面潮流。

采用上述實時控制策略進行電網潮流控制時，雖可解決局部線路重載的問題，合理分配電網潮流，提升輕載設備的利用率，但從整個電力系統(tǒng)優(yōu)化與能源利用率提升來看，主要存在以下幾點問題：

（1）DPFC 裝置僅針對GXⅠ線、GXⅡ線雙線斷面的越限情況進行優(yōu)化控制，未進行區(qū)域電網的潮流優(yōu)化。DPFC 裝置在運行過程中，其控制系統(tǒng)僅能采集到本線路的實時潮流，無法獲取周邊電網的潮流情況，因而其無法綜合分析區(qū)域電網的運行狀態(tài)，給出實時控制優(yōu)化指令。

（2）DPFC 裝置僅在斷面越線時才發(fā)揮作用，其余時間段均為0 電壓輸出。電網負荷具有明顯的波動性特征，高峰負荷時間占比正常情況下也僅10%左右，全年95%高峰負荷占比小于1%。因此，DPFC 裝置僅在高峰負荷期間發(fā)揮作用，其余時間段DPFC 裝置無出力運行，未充分挖掘設備的最大潛力。

（3）DPFC 裝置在優(yōu)化系統(tǒng)潮流中，僅對自身的參數進行調節(jié)，未能結合電網中其余可調節(jié)資源進行綜合優(yōu)化。如GXⅠ線、GXⅡ線雙線位于A 地區(qū)，區(qū)域內有燃氣電廠、儲能電站、可中斷負荷等眾多資源。在進行片區(qū)潮流優(yōu)化過程中，調節(jié)DPFC 裝置出力，改變線路阻抗的同時，可考慮同步優(yōu)化區(qū)域內燃氣電廠的出力及儲能電站的充放電運行模式，提升區(qū)域電網的能源綜合利用效率[13-16]。

2 基于高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的解決方法

目前DPFC 裝置的控制系統(tǒng)只采集本線路的潮流數據，下發(fā)的控制命令也僅優(yōu)化DPFC 裝置本身的運行狀態(tài)，控制的目標為降低本線路的潮流值，DPFC 控制系統(tǒng)獨立于其他電網調度控制系統(tǒng)，為單一的閉環(huán)控制系統(tǒng)。DPFC 作為區(qū)域電網潮流優(yōu)化的重要手段，需要對電網的實時負荷進行統(tǒng)籌控制，建立統(tǒng)一的控制體系，這是DPFC 控制系統(tǒng)整體性的要求。

如何通過可靠、簡單、經濟的方式使DPFC控制系統(tǒng)的獨立性與電網的整體性有效融合，提升DPFC 控制器對于區(qū)域電網的潮流優(yōu)化效果，這就需要利用已有的高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)，來協調指揮DPFC 裝置及區(qū)內的可調電廠、可中斷負荷及儲能電站，使它們之間協同工作，以最優(yōu)效能為控制目標，在確保電網安全穩(wěn)定的前提下，提升電網的安全與效能。

2.1 控制系統(tǒng)原理

基于高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的DPFC實時優(yōu)化控制原理如圖4 所示。該控制系統(tǒng)以高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)采集到的電網實時數據為基礎，通過DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)的處理，最后經智能調度控制系統(tǒng)出口，實現DPFC 裝置的實時控制優(yōu)化，其具體流程如下：

圖4 基于高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的DPFC實時控制優(yōu)化原理

（1）數據采集。利用高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的遙測、遙信功能，實現對區(qū)域電網的拓撲結構、電壓信息、潮流信息等實時運行數據進行采集。

（2）數據濾波。對高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)提供的實時數據進行濾波處理，并通過狀態(tài)估計來對比仿真數據與實測數據的偏差，剔除具有明顯波動特征的錯誤數據，防止錯誤的電網測量參數對于下一步優(yōu)化計算的處理結果。

（3）優(yōu)化計算。根據區(qū)域電網的實際運行情況，結合DPFC 的運行工況、區(qū)域可中斷負荷的可用情況以及可調電源的出力情況，綜合計算出對DPFC 的最優(yōu)控制策略，確保得到電網整體的最優(yōu)解。

（4）安全評估。根據優(yōu)化計算的情況，結合區(qū)域電網的負荷情況，對優(yōu)化后的電網進行安全評估，運用數字模擬仿真等技術手段，預先計算按照控制策略進行調整后的電網運行情況，并對中樞點電壓、關鍵斷面潮流等情況進行安全校驗，確保優(yōu)化后的區(qū)域電網仍具有足夠的安全運行裕度，實現安全效能雙提升。

（5）結果校驗。對分布式潮流控制裝置的優(yōu)化結算結果進行校驗，并將相關參數的控制調整數值與系統(tǒng)的實際可控范圍進行比較，確保下發(fā)控制參數是符合裝置控制范圍的，避免非法參數的下發(fā)導致系統(tǒng)錯誤。

（6）遙控接口。利用高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的遙控功能，根據分布式潮流控制優(yōu)化系統(tǒng)的處理結果，對分布式潮流控制的運行狀態(tài)進行實時控制，確保優(yōu)化控制命令能及時、有效地傳達到DPFC。

（7）自檢校驗。對DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)運行功能的準確性與完好性進行自動檢測，確保系統(tǒng)運行正常。

（8）人工干預。作為DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)的一個補充，在DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)出現故障后，高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)將發(fā)出告警信息，調度運行人員立即介入故障缺陷處理，確保在DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)出現故障而導致無法有效控制DPFC 裝置時，可以通過人工調整運行的方式，來保證設備的安全穩(wěn)定運行。

2.2 具體實現方法

（1）在確保電網運行安全的前提下，以電網綜合損耗最低為優(yōu)化目標，對DPFC 進行優(yōu)化控制。同時，應確保各類型可調資源在調節(jié)后仍然具有一定的可調裕度，以應對系統(tǒng)負荷變化后，需要進行新的資源調整。

（2）以各類型可調資源均有所應用為控制策略，避免在調整過程中，某一類型的資源應用過多或應用不足，造成系統(tǒng)的綜合效率下降；當某一可調資源裕度不足時，該實時控制系統(tǒng)應具備相應的提示功能，提醒調度運行人員進行相應的人工干預，確保電力系統(tǒng)具有足夠的調節(jié)手段與措施。

（3）實時控制過程中，應適當地偏重于安全：即優(yōu)化過程中，安全校驗應具有最高的優(yōu)先級別，且安全校驗不僅包含正常運行方式的校驗，也應包含重要輸變電設備N-1 校驗以及同桿輸電線路的N-2 校驗，確保發(fā)生上述故障后，系統(tǒng)不發(fā)生剩余設備的聯跳，避免局部電網的崩潰事故發(fā)生。

（4）DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)是在高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的基礎上，進行深化應用，需要根據高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的發(fā)展進行實時調整，當其出現新的可調節(jié)資源或調節(jié)資源能力增大后，應及時進行DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)的升級更新，確保能發(fā)揮出高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)與DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)之間的乘法效應，使得他們的利用效率最大化。

2.3 優(yōu)化算法

對于區(qū)域電網的潮流優(yōu)化計算，涉及系統(tǒng)物理約束與優(yōu)化計算兩方面。

（1）電網系統(tǒng)物理約束：

式中：Ui，PDi，QDi分別為第i 個節(jié)點的電壓、負荷有功、負荷無功；Gij與Bij為節(jié)點導納矩陣中的電導與電納；δij為第i 個節(jié)點與第j 個節(jié)點之間的工角差；PiG，QiG為第i 個節(jié)點的發(fā)電機有功出力與無功出力；PiG，min，PiG，max，QiG，min，QiG，max為第i 個節(jié)點上發(fā)電機有功出力與無功出力的上下限。Ui，min，Ui，max為第i 個節(jié)點的電壓下限與上限。fi，j，fi，j，max為i 個節(jié)點與第j 個節(jié)點之間潮流及潮流上限。Gnm，Bnm為安裝了DPFC 的支路電導與電納，其上下限分別為Gnm，min，Gnm，max，Bnm，min，Bnm，max。

（2）優(yōu)化計算

式中：Ek為考慮電網運行經濟性、安全性、靈活性、可靠性等因素的評價性函數，且函數值越小，表示對應的優(yōu)化元素越優(yōu)。fi，j，Gnm，Bnm分別為優(yōu)化后的潮流分布以及DPFC 調節(jié)的線路阻抗參數。可通過模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索算法等智能算法，求解上述目標函數的最優(yōu)值，并進行安全性校核計算后對DPFC 進行相應的調節(jié)。

2.4 潮流調節(jié)及調節(jié)量

根據優(yōu)化后的計算結果，得到DPFC 所在線路的目標阻抗參數：Gnm，Bnm。線路lnm的參數通過DPFC 每個子單元模塊的輸出電壓進行調節(jié)，在該線路中形成一個垂直于電流方向的電壓，該電壓可以超前于電流向量90°，亦可落后于電流向量90°，且可進行幅值0 至Umax的連續(xù)調節(jié)，從線路的外部特性來看，相當于對線路的阻抗進行了動態(tài)調節(jié)。在電力系統(tǒng)環(huán)網中，當線路的阻抗增大后，流經該線路的潮流將減小；當線路的阻抗減少后，流經該線路的潮流將增加；通過DPFC的調節(jié)，實現了電網中潮流大小的控制。

2.5 遠方控制方式

DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)的遠方控制方式是該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，為提高系統(tǒng)與調度運行人員良好的互動性，實現電網運行狀態(tài)的可視化處理，加快操作人員對于系統(tǒng)運行狀態(tài)的全貌掌握，針對DPFC 裝置的安裝位置及運行特性，特開發(fā)了相應的DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)，該DPFC實時系統(tǒng)具有監(jiān)視DPFC 運行狀態(tài)，展示區(qū)域電網潮流分布，重要線路斷面越限告警、DPFC 運行狀態(tài)遠方調節(jié)等功能。通過該系統(tǒng)，進行DPFC實時控制操作，應滿足以下要求：

相關用戶進行遠方調節(jié)操作前，應進行用戶身份、控制權限進行驗證，不同的身份給予不同的操作權限，有系統(tǒng)管理員、操作員、臨時訪客等用戶角色。

提供簡潔明了的區(qū)域電網運行狀態(tài)顯示和遠方控制操作界面，采取校核、確認機制，即控制命令下達后，先由系統(tǒng)進行仿真計算，并將模擬潮流及安全校核結果反饋給操作員，由操作員確認后正式下達控制指令，防止誤操作、誤發(fā)令，確保系統(tǒng)的安全可靠。

在人工控制DPFC 運行狀態(tài)的過程中，應詳細記錄整個操作流程，包括操作人、時間、操作前電網運行狀態(tài)、操作指令、系統(tǒng)校核結果、操作后系統(tǒng)狀態(tài)等信息，為后續(xù)系統(tǒng)故障的還原、故障原因分析提供條件。

2.6 DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)點

對于該實時控制優(yōu)化系統(tǒng)，成功的將DPFC裝置與區(qū)域電網有機的結合在一起，優(yōu)化目標由單一設備提升為電網整體效能，其主要優(yōu)點如下：

（1）該控制系統(tǒng)是基于高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)建立的，其數據采集、數據展示、遙控命令下達等功能可通過高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)中的相關功能來實現，避免系統(tǒng)的重復建設。同時，將相關控制功能集成于一套智能調度控制系統(tǒng)，有利于調度運行人員的日常使用，減少多個系統(tǒng)間切換導致的誤操作、誤控制。

（2）該控制系統(tǒng)可以實現DPFC 的實時控制，并具備電網安全運行的監(jiān)視與潮流校核功能，對于提升電網安全水平，防止電網事故擴大，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行將發(fā)揮巨大作用。

（3）該控制系統(tǒng)的建設可以大幅簡化對于DPFC 的控制難度，減少調度運行人員的運行壓力，降低生產運行成本，提升安全生產效率。

（4）系統(tǒng)具備較強的擴展性，升級方便，可綜合接入燃氣電廠、可中斷負荷、儲能站等諸多調節(jié)因素，優(yōu)化電網范圍也可從區(qū)域電網提升至市域電網乃至省域電網，具有強大的后期開發(fā)潛力，實現電網安全效率的雙提升。

3 案例分析

目前某電網正在積極開展多元融合高彈性電網示范建設，除完成GXⅠ線、GXⅡ線雙線DPFC應用外，還集成GXⅠ線、GXⅡ線動態(tài)增容裝置、地縣調管轄電廠AGC 可調電源接入、10～110 kV大用戶的可中斷負荷接入、10 kV 儲能電站等眾多項目。其智能調度控制系統(tǒng)界面如圖5 所示。

圖5 高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)

在高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的基礎上，H 公司集系統(tǒng)狀態(tài)估計、運行限額在線計算、安全穩(wěn)定智能評估、輔助決策判斷等多項高級應用，建成DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)，實現DPFC運行狀態(tài)的全景感知，系統(tǒng)運行勢態(tài)預測，優(yōu)化輔助決策等眾多控制功能。H 公司在高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)。

在DPFC 應用的CX 電網，主要由GXⅠ線/Ⅱ線與XYⅠ線/Ⅱ線兩個通道供電。其與主網聯絡示意如圖6 所示。未進行DPFC 優(yōu)化潮流時，片區(qū)電網潮流分布不均勻，其中GXⅠ線/Ⅱ線長度短且靠近負荷中心，潮流較大；XYⅠ線/Ⅱ線長度長且遠離負荷中心，潮流較小。此外，GXⅠ線/Ⅱ線受其電纜段的制約，最大短時載流能力為440 MW；XYⅠ線/Ⅱ線為全線架空導線，最大短時載流能力可達720 MW。

圖6 區(qū)域電網與系統(tǒng)主網聯絡

在未進行DPFC 潮流控制時，CX 電網最為極端情況為：由于燃氣價格影響，區(qū)內燃氣電廠停機，GXⅠ線、Ⅱ線處于n-1 運行方式，此時剩余線路潮流為590 MW，導線短時載流能力僅440 MW，嚴重過載近150 MW，剩余運行線路存在過載聯跳進而引發(fā)連鎖故障的巨大風險。為確保正常運行方式下的供電安全，CX 電網需要限制負荷約150 MW。

在利用DPFC 進行電網潮流優(yōu)化控制后，原先重載運行的GXⅠ線/Ⅱ線斷面潮流轉移至輕載運行的XYⅠ線/Ⅱ線斷面。受小截面導線制約的重載線路輸送潮流得到緩解，有效提升了線路運行的安全性；具有大截面導線的輕載線提升了輸送功率，有效發(fā)揮了大截面導線的載流能力，提高了系統(tǒng)運行的經濟性；對于CX 電網，也提升了片區(qū)的供電能力，有效避免了最大150 MW 的負荷限制。此外，DPFC 的優(yōu)化應用，全年減少燃機頂峰150 天，可減少新建線路投資5 000 萬元，提高綜合社會效益930 萬元/年，同時有效避免了局部電網斷面超限的問題，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，實現了電網運行效能與安全的雙提升。

4 結語

隨著電力電子技術的不斷突破，以及5G、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術的興起，未來電網中將出現更多的新技術、新設備應用。基于高彈性電網智能調度控制系統(tǒng)的DPFC 實時控制優(yōu)化系統(tǒng)，為如何以較低的成本提供較可靠的新設備控制系統(tǒng)提供了一個很好的案例。