基于新型電力系統(tǒng)運行模式下的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)VAC

李西明,薛 濤,趙 斌,楊 溢,李偉男

(1.國網(wǎng)沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110052;2.華電電力科學研究院有限公司東北分公司,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

目前應用在各級電網(wǎng)調(diào)控中心的自動電壓控制系統(tǒng)(AVC)［1-5］,在多電源激勵下,電網(wǎng)特征不能用開式網(wǎng)特性代替多源網(wǎng)特性,例如主變升降檔,到底產(chǎn)生多少電壓變化量,已不能估算。同時,對于多電源供電模式下,無法有效換算無功出力及優(yōu)化有功,導致電廠勵磁電流、SVG導通角只能“爬調(diào)”,特別是SVG,改變一次調(diào)節(jié)量需要若干次動作才能到位。本文提出的基于新型電力系統(tǒng)運行模式下的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)(VAC),可智能匹配多電源接入模式,實時監(jiān)測從不同點供入多少有功功率、無功功率,保證電網(wǎng)電能質(zhì)量合格,電網(wǎng)電能損耗最小,對現(xiàn)行電網(wǎng)調(diào)度已很必要。同時,VAC系統(tǒng)很好解決了原有只能逐個設(shè)備操作,等待執(zhí)行結(jié)果,再決策下一步操作,即不能并行執(zhí)行、效率低的問題。還能實時監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲關(guān)系,對于不斷擴大的電網(wǎng)規(guī)模和變化頻繁的運行方式可實現(xiàn)自動識別,滿足電網(wǎng)實時變化需求。

1 VAC系統(tǒng)基礎(chǔ)功能

1.1 動靜態(tài)混合潮流計算

VAC系統(tǒng)可自動讀取電網(wǎng)實時數(shù)據(jù),對實時數(shù)據(jù)處理后,得出各節(jié)點初始PQV值;通過在線快速電網(wǎng)潮流,計算變壓器和線路損耗,實現(xiàn)最優(yōu)控制;合理規(guī)劃電源容量及接入點、合理規(guī)劃網(wǎng)架,選擇無功補償方案,滿足規(guī)劃水平的大、小方式下潮流交換控制、調(diào)峰、調(diào)相、調(diào)壓的要求;供調(diào)度員日常調(diào)度控制參考,并對規(guī)劃、基建部門提出改進網(wǎng)架結(jié)構(gòu),加快基建進度等建議。當電網(wǎng)運行方式發(fā)生變化時,如容抗器手車推出或推入、主變分/并列運行、供電電源調(diào)整等均會自動重新生成導納方程［6］。

由于動靜態(tài)潮流計算采用迭代牛拉法求解,矩陣方程階數(shù)較大,迭代次數(shù)較多,無法用常規(guī)服務(wù)器求解。

經(jīng)過多方比較,將原有的處理器CPU換成了可編程GPU,是高度并行化、多線程多核、擁有強悍的計算馬力和內(nèi)存帶寬的處理器。VAC基于GPU/ K800/cuda9.0開發(fā)潮流計算程序,自動完成動靜態(tài)潮流計算,該計算時間不受電網(wǎng)規(guī)模影響,大大縮短了計算時長。

1.2 控制模式的選擇

VAC系統(tǒng)提供了建議控制和自動控制2種控制模式。

1.2.1 建議控制

根據(jù)電網(wǎng)實時運行情況,系統(tǒng)作出調(diào)節(jié)指令,但不下發(fā)到前置執(zhí)行。調(diào)控人員可通過需求選擇是否執(zhí)行該操作。

1.2.2 自動控制

a.控制無功電壓

主要負責控制的設(shè)備包括電容器、電抗器、有載開關(guān)、SVG、電廠及新能源等設(shè)備的無功出力［7］,確保電網(wǎng)電壓最大范圍合格,電網(wǎng)有功損耗最小,確保設(shè)備動作次數(shù)最少。

約束條件有:①母線電壓不越限;②有載調(diào)壓開關(guān)動作次數(shù)不越限;③電容器每天投切次數(shù)不越限;④發(fā)電機出力不越限。

b.控制變電站的功率因數(shù)范圍

VAC系統(tǒng)對功率因數(shù)的設(shè)置范圍比省調(diào)考核指標范圍更小一點,可實現(xiàn)提前干預功率因數(shù)不合格的情況,如表1所示。VAC系統(tǒng)在整點和半點考核點前幾分鐘,VAC動作反應時間為20 s,其他不在考核點時間段動作反應時間加長,目的是保證合格率的情況下減少設(shè)備動作次數(shù)。

表1 功率因數(shù)控制范圍

c.控制越限情況

VAC系統(tǒng)采用了禁忌搜索算法［8］(tabu search,TS)來對無功電壓進行組合最優(yōu)化求解。與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比,這種啟發(fā)式的算法具有在較短時間內(nèi)以較大概率搜索到全局最優(yōu)解的能力,且能夠盡可能地避免陷入局部極值點。

針對變電站內(nèi)的無功補償設(shè)備(如電容),當節(jié)點負荷確定后,根據(jù)如圖1所示的“九區(qū)圖”明確要操作的設(shè)備［9］。圖1中,Q為主變高壓側(cè)無功功率,Q>0為感性,Q<0為容性,Q+為感性無功上限,Q-為感性無功下限;U為主變低壓側(cè)母線電壓。設(shè)操作后［0］域的電壓合理范圍［10,10.7］,無功的合理范圍［-Qf,Qf］。

圖1 變電站“九區(qū)圖”

VAC在巡邏過程中,優(yōu)先查詢各節(jié)點動作需求,再進行全網(wǎng)動靜態(tài)潮流計算,看各節(jié)點電壓是否合格,全網(wǎng)損耗是否相比較小,即可進行相應操作。

如流過關(guān)口無功負荷為Q,進行補償后無功負荷應為［-Qf,Qf］是合理的,當然趨向0是最好的。

當Q>Qf時,投入電容器;當-Qf≤Q≤Qf時,無需補償無功;當Q<-Qf時,切電容器,如表2所示。

表2 越限控制對策表

VAC在巡邏過程中,優(yōu)先查詢各節(jié)點動作需求,再進行全網(wǎng)動靜態(tài)潮流計算,看各節(jié)點電壓是否合格,全網(wǎng)損耗是否相比較小,即可進行相應操作。

1.3 在線仿真

調(diào)度人員可在主界面進行手動參數(shù)設(shè)置、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整,然后進行在線仿真計算,即顯示操作后預測結(jié)果,包括電流、壓降、功率、損耗、過載、越限等。可進行多重復合仿真,其結(jié)果用于并行操作,如圖2所示。

圖2 VAC系統(tǒng)操作工具

圖2中,“卸”為自動構(gòu)畫本市電網(wǎng)模型圖;“序”為根據(jù)實際需要調(diào)整某一主變在界面上顯示的順序;“刷”為讀取主變檔位及設(shè)備遙測信息、也可通過該按鍵刷新界面;“構(gòu)”為運方變化人工重構(gòu);“障”為定位故障點位置;“牌”為對檢修的設(shè)備掛置檢修牌;“靜”為關(guān)閉播放系統(tǒng)動作的各項語音播報;“鎖”為封鎖設(shè)備信息一覽表,雙擊某一設(shè)備界面自動切換到該設(shè)備。各監(jiān)控中心僅可看到自己所管轄廠站設(shè)備封鎖信息;“定位”為輸入廠站名“定位”廠站。

2 VAC系統(tǒng)應用功能

2.1 主配互動

由于分布式光伏、風電等新能源的接入,配電網(wǎng)逐漸從被動接受電能的無源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉嵤╇娔芄芾淼闹鲃优潆娋W(wǎng),從以往的被動、單向的配電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂须p向供電特性的主動配電網(wǎng),導致其安全穩(wěn)定運行水平大受影響。

由于配電網(wǎng)和主網(wǎng)之間是相互依存的,在調(diào)度時不僅要考慮成本,還要考慮兩者的協(xié)調(diào)程度。傳統(tǒng)配電網(wǎng)沒有自己的主動性,其作用僅僅是傳輸和分配電能,主要依賴于輸電網(wǎng)中的發(fā)電機來實現(xiàn)調(diào)度的目的。但隨著各類因素的增加,例如分布式能源并入電網(wǎng),改變了電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的功率流向,在提升現(xiàn)有配電網(wǎng)主動性的同時,其隨機性及不穩(wěn)定性也日益加強。

VAC系統(tǒng)可統(tǒng)籌考慮配電網(wǎng)要求,結(jié)合主網(wǎng)運行情況,下發(fā)設(shè)備動作指令。考慮到風電、光伏的隨機性,隨機波動分布式電源出力無法在配電網(wǎng)內(nèi)部平衡、消納,VAC系統(tǒng)可充分考慮配電網(wǎng)分布式電源設(shè)備出力,實現(xiàn)分布式電源有功功率分配并保障電壓穩(wěn)定,從而實現(xiàn)主、配電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度。

有學者認為作為移動互聯(lián)網(wǎng)時代的網(wǎng)絡(luò)編輯，要提升信息產(chǎn)品的原創(chuàng)力與掌控力、平臺適應力與創(chuàng)新力以及與信息用戶的親和力[18]。作為新時代的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容編輯，不僅要精通網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容的生產(chǎn)和制作，而且要懂得如何設(shè)計和營銷信息內(nèi)容，使內(nèi)容信息能夠促進行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，提高網(wǎng)絡(luò)信息的應用價值，擴大信息的傳播力和影響力，在為社會傳播正能量、促進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，有效促進網(wǎng)絡(luò)媒介自身的經(jīng)濟發(fā)展。

同時,VAC系統(tǒng)也可根據(jù)主網(wǎng)運行情況,向配電網(wǎng)發(fā)送指令,使其接入的分布式電源在必要時按照系統(tǒng)需求進行控制,緩解主網(wǎng)運行壓力,實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào),提升系統(tǒng)運行可靠性。

VAC系統(tǒng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)主網(wǎng)和配電網(wǎng)資源,在保證降低電網(wǎng)運行成本和損失的前提下,提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平,并實現(xiàn)能源的最大化消納。

2.2 省地互動

省地協(xié)調(diào)互動主要具備獨立運行模式(中斷模式)和協(xié)調(diào)互動模式2種模式。

獨立運行模式:省調(diào)VAC系統(tǒng)和地調(diào)VAC系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換中斷,各自獨立運行,地調(diào)VAC系統(tǒng)告警提示省地協(xié)調(diào)互動中斷告警。

協(xié)調(diào)互動模式:地調(diào)VAC向協(xié)調(diào)互動代理傳送關(guān)口電壓期望范圍和關(guān)口無功的控制能力(可控無功設(shè)備情況),省調(diào)VAC向協(xié)調(diào)代理互動傳送關(guān)口無功的期望范圍(功率因數(shù)范圍)和對關(guān)口電壓的控制能力,省調(diào)VAC系統(tǒng)和地調(diào)VAC系統(tǒng)都只和協(xié)調(diào)互動代理通信。協(xié)調(diào)互動代理匯總上述信息,進行協(xié)調(diào)控制狀態(tài)判斷并產(chǎn)生協(xié)調(diào)約束集,協(xié)調(diào)約束集包括地調(diào)和省調(diào)2個方向,向地調(diào)VAC下發(fā)關(guān)口無功約束條件,向省調(diào)VAC發(fā)送關(guān)口電壓約束條件,省調(diào)VAC系統(tǒng)和地調(diào)VAC系統(tǒng)在滿足相應約束條件的前提下進行控制策略計算。

省地協(xié)調(diào)互動功能的實現(xiàn),進一步降低電網(wǎng)傳輸損耗,實現(xiàn)省地AVC之間的協(xié)調(diào)控制,保證地調(diào)VAC的控制策略能夠與省調(diào)AVC本身的控制策略匹配,避免在正常情況下,出現(xiàn)省地之間過多的無功流動,進一步提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益。

2.3 動態(tài)監(jiān)測新能源電廠

(1)

式中:VAC子站投運須同時滿足VAC子站遠方運行及VAC子站投入;VAC子站可投時間為新能源出力大于總裝容量的10%。

(2)

式中:VAC調(diào)節(jié)合格須同時滿足條件1和2或者單獨條件3。

條件1:調(diào)節(jié)后的電壓/無功和主站目標值之差在死區(qū)范圍內(nèi)為合格,具體死區(qū)值參見表3。

表3 電壓/無功死區(qū)表

條件2:指令下發(fā)后,150 s內(nèi)至少采集5個電壓采樣點,其中至少有1個合格點。

條件3:指令下發(fā)后,150 s內(nèi)至少采集5個電壓采樣點,沒有1個合格,但上送與調(diào)壓方向一致的單向閉鎖信號。

3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

VAC系統(tǒng)是在D5000平臺環(huán)境下開發(fā)的［10］,遵循D5000程序開發(fā)接口規(guī)范,服務(wù)器和工作站操作系統(tǒng)和D5000一樣安裝麒麟操作系統(tǒng),并需要拷貝D5000平臺環(huán)境(主要需要include、lib、QT環(huán)境)。如圖3所示,運行VAC系統(tǒng)的服務(wù)器需要運行D5000的public、scada、pas應用(VAC用的實時庫接口讀取表里面數(shù)據(jù),需要開啟應用才能讀取到)。VAC是獨立的應用程序,跟D5000平臺下各個應用是并立的關(guān)系,各自并立運行。

圖3 VAC系統(tǒng)運行方式

3.1 數(shù)據(jù)交互

VAC整個工作過程中有3處需要跟D5000平臺有數(shù)據(jù)交互。

a.模型數(shù)據(jù)。VAC需要pas應用的模型數(shù)據(jù),現(xiàn)場所有設(shè)備的數(shù)量,設(shè)備的連接點號(自動生成拓撲關(guān)系),設(shè)備參數(shù)(用于計算)。

b.實時數(shù)據(jù)。VAC需要scada應用的遙信、遙測實時數(shù)據(jù),需要所有隔離開關(guān)、斷路器、電容器開關(guān)、電抗器開關(guān)的遙信值,需要母線的電壓值、有功無功值。

c.控制數(shù)據(jù)。VAC根據(jù)模型數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)計算后對現(xiàn)場的電容器、電抗器、變壓器分接頭進行控制使電網(wǎng)更為優(yōu)化運行。

現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)用D5000實時庫的開發(fā)接口函數(shù)進行讀取模型數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)只會在系統(tǒng)第1次運行讀取1次,實時數(shù)據(jù)每10 s讀取1次。

3.2 數(shù)據(jù)存儲

VAC系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)不會存儲到D5000平臺的DM6數(shù)據(jù)庫中,VAC系統(tǒng)本身使用的數(shù)據(jù)庫為DM7。目前DM7安裝在備用服務(wù)器上(備用服務(wù)器也是數(shù)據(jù)服務(wù)器,可以考慮增加1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器),VAC數(shù)據(jù)存儲不會對D5000產(chǎn)生任何影響。

3.3 安全控制

在下發(fā)控制指令前會到前置的保護信號表里去查看安全保護信號,如有保護該指令不發(fā)送。

以地調(diào)管轄電網(wǎng)為1個單元,主系統(tǒng)服務(wù)器部署在地調(diào)機房,客戶端部署在地調(diào)監(jiān)控中心、縣調(diào)監(jiān)控中心、配調(diào)監(jiān)控中心及其他集控中心。本系統(tǒng)運行于國產(chǎn)Linux系統(tǒng),使用國產(chǎn)達夢數(shù)據(jù)庫,與調(diào)度自動化SCADA系統(tǒng)內(nèi)嵌為一體。

4 結(jié)語

本文提出了針對于新型電力系統(tǒng)運行模式下的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)VAC,解決了傳統(tǒng)AVC系統(tǒng)無法動態(tài)展示電壓變化、只能單一調(diào)節(jié)無功功率、無法實現(xiàn)主配網(wǎng)的協(xié)調(diào)調(diào)度、不直觀且只能手動調(diào)節(jié)等問題。VAC系統(tǒng)通過在線快速電網(wǎng)潮流計算變壓器和線路損耗,實現(xiàn)最優(yōu)控制。VAC系統(tǒng)通過指導發(fā)電廠開機方式,生成針對問題現(xiàn)狀的有功、無功及負荷的調(diào)整方案,滿足線路、變壓器熱穩(wěn)定及保證電壓質(zhì)量的要求。與此同時,調(diào)度人員在VAC系統(tǒng)中,手動設(shè)置參數(shù),調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu),對于電網(wǎng)的電流、壓降、功率、損耗及至過載、越限等進行在線多重復和仿真計算,使電網(wǎng)預測結(jié)果更加直觀展示出來,可針對電網(wǎng)經(jīng)濟運行、技術(shù)降損、電壓質(zhì)量等問題,給出更全面的線路優(yōu)化配置及控制建議。保障在雙碳目標指引下,多源供電的新型電力系統(tǒng)在線仿真、并行操作、精準控制,3次調(diào)頻等運行模式更加常態(tài)化、平穩(wěn)化。