面向新型配電網的地配一體化調度仿真技術研究

李 帆,姚程亮,董 哲,秦科源

(1.國網河北省電力有限公司 培訓中心,河北 石家莊 050023;2.北京科東電力控制系統有限責任公司,北京 100192)

0 引言

“十四五”期間新能源尤其是分布式電源迎來了爆發式增長,配電網投資將超萬億元。隨著配電網有源化[1]、網絡化特征凸顯,配電網對主網的互動影響越來越大。微網能量路由器、分布式電源、新型用戶儲能和抽水蓄能快速發展,電網智能化水平將顯著增強,源網荷儲將實現深度協調互動[2],配電網運行管理面臨全新的挑戰。近年來,從發電、輸電、變電、配電、用電到調度廣泛采用了仿真機作為培訓模擬手段[3-8]。新一代配電網與具有可觀可控、主配協同、源網荷協同等全新特征。原有的仿真系統多針對無源配電網格局,在設計思路和培訓功能上與新一代配電網存在不匹配。本文針對適應有源配電網的地配一體化調度仿真培訓關鍵技術進行研究和應用,提升了專業人員的配網調度運行技能、離線實操能力和新型配電網的駕馭掌控能力,滿足技能培訓管理人員、教學人員和各職種學員等不同層次技術和管理人員的需求。

1 研究必要性

面向有源配電網的地配一體化仿真培訓系統需充分考慮風電、光伏、儲能的海量滲透接入能力,實現源網荷儲協調互動。充分反映配網對主網的影響,實現“主-配”協調優化控制。一方面需具備調度監控、饋線自動化、事故異常輔助處置功能,另一方面提供負荷預測、發電預測、配電互動場景模擬等場景仿真功能。通過完善省級電力培訓中心配套技術手段,健全仿真培訓體系,滿足配網調度人員的培訓研究、技能鑒定、考試演習和輔助分析等需求,拓展人員考試、評估考核功能,綜合用于技能考核和技術比武競賽。本文以某地220 kV分區下的地區多層級有源配電網典型架構為后續系統建模基礎,包含220 kV變電站26座、110 kV變電站78座、35 kV變電站17座,電源裝機為110 kV電廠6座、35 kV電站10座、10 kV及以下光伏電站及分布式光伏總裝機200000 kW。

2 總體設計

2.1 軟件架構

地配一體化調度仿真系統由計算機系統軟件、主配一體化仿真支撐平臺、地縣配一體化電網仿真、變電站設備運行機理仿真、配電網設備機理仿真、配電自動化仿真、教員系統組成。

根據應用場景分解出仿真系統的基本功能場景,明確系統功能的詳細開發需求。場景開發需求包括模型和接線、計算分析、操作調整、故障和異常、一次設備仿真、二次設備仿真、配電自動化仿真、功率預測、調度指令票、AVC操作仿真、系統及設備信息、輔助操作和培訓管理等功能。

2.2 軟件基礎平臺

主配一體化仿真培訓系統采用基于高層體系結構(HLA)的交互式、分布式仿真支撐環境,即仿真實時運行基礎結構(RTI)。RTI是主配一體化仿真培訓系統的平臺基礎,實現了仿真系統各應用之間的樞紐連接和交互操作,為各個仿真應用軟件提供了公共通用、靈活高效的虛擬平臺接口。各個仿真應用軟件只需和計算機駐留軟件進行接口,整個仿真系統內部交互任務由支撐平臺完成,為系統中各個程序應用之間的底層通用交互提供服務,包括程序聲明管理、數據分布管理和程序交互接口等。該平臺遵循國際仿真與建模標準,為各類電網仿真應用提供互操作、重用、快速組合和重構服務的“即插即用”式協同仿真集成環境。

3 關鍵技術模塊

3.1 地縣配一體化電網仿真

電網仿真軟件模擬典型的地調、縣調、配調所轄電網,構成地縣配一體化電網仿真環境。仿真對象包含220 kV變電站、110 kV變電站、35 kV變電站和變電站10 kV出線之間聯絡形成的配電網絡。電網仿真模型按地縣配一體化設計,涵蓋10 kV—220 kV各電壓等級網絡。突出有源化設計,支持設置多種電源類型,含火電、水電、風電、光伏、儲能。配電網架構形式靈活多樣,設計輻射、多分段聯絡、雙環網、單環網等配電線路形式,覆蓋城區配電網和農村配電網的各種形式。配電線路設備包含環網柜、開關站、配電室、架空線、電纜線路、箱變、分接箱、柱上開關、柱上變壓器等。

3.2 變電站設備運行機理仿真

變電站設備運行機理仿真是對電網內的變電站建立詳細的設備組件化模型,實現基于設備運行機理的詳細仿真,真實地仿真再現變電站設備操作、保護動作、告警信息等一次、二次邏輯行為及其互動關系,使學員在高度還原的場景中進行模擬操作、事故處理及恢復的培訓,熟悉必備操作和二次信號報文分析處理。在觀察系統狀態并實施相應控制措施,體驗系統設備的實際變化情況。一方面支持對調度人員的運行監視、設備操作及故障處理培訓;另一方面支持地調、縣配調的聯合反事故演習。地縣配調一體化設備機理仿真建立了對變電站的正常、故障及異常工況下的運行特性的全息仿真。

3.3 配電一/二次設備運行機理仿真

建立配電網一/二次設備詳細的組件化模型及設備間交直流回路模型,實現基于配電一/二次設備運行機理的詳細仿真,真實完整和身臨其境地仿真再現配電設備光字牌信號、保護信息、報文等二次系統的邏輯行為及其互動關系以及一/二次系統間的交互過程,使培訓學員能在盡量真實的環境中進行設備操作、事故處理及恢復培訓。支持對調度人員的運行監視、設備操作及故障處理培訓,支持配網調度員、地調調度員、變電站運維人員、配網運維人員的聯合反事故演習。仿真的配電網設備包括配電一次設備(環網柜、開關站、箱變、分接箱、柱上開關器等)和配電二次設備(如配電自動化饋線終端、配電自動化配變終端等)。

3.4 配電自動化監控系統仿真

通過對多種監控系統人機界面的統一支持,模擬實際配電自動化監控系統的功能。

3.4.1 調度監控仿真

實現模擬、狀態和電能量等各類信息的采集,支持主流標準通信規約和遙信優先主動上報。通過采集集成進行壞數據檢測、數據轉換和統計等。然后再處理不同功能模塊的報警和事件,以預定義方式發出告警,如推畫面、聲光報警等。

3.4.2 網絡拓撲著色

系統支持圖形間拓撲著色的一致和圖形在各應用間的實時同步,以不同顏色區分運行狀態和設備帶電、停電狀態。支持不同顏色顯示選擇的開關設備所在配電線路的供電范圍及供電路徑、設備到電源點的路徑著色、追蹤到下游供電范圍著色等。

3.4.3 饋線自動化仿真

當故障跳閘后可立即啟動自愈處理程序,功能包括故障定位、故障隔離、非故障區間恢復供電、故障解除區間恢復送電等。若變電站出線因瞬時故障開關重合成功恢復供電,則不啟動故障處理。若變電站出線遭永久故障開關重合不成功,則啟動故障處理。非故障區段恢復,可自動或人機交互進行。

3.5 教員系統

教員系統主要為教員在培訓前準備,為系統啟動、遠程控制、培訓中分析監視、控制及管理及培訓后總結、評價指導提供支持,包括培訓管理、教案管理、故障設置、培訓評估(分)、負荷及發電曲線等功能。

3.5.1 培訓控制

教員端和學員端配合進行培訓方案的配置、學員機系統啟動和退出、傳輸文件、收取評價記錄等。通過教員操作界面實現培訓啟停等控制功能。

3.5.2 故障和異常設置

模擬電力系統中不同性質故障及故障后的現象,為學員提供逼真的培訓場景。教練員可按照時序任意觸發成組故障,啟動后按照時序激活。事故包括三相電壓不平衡、PT一次/二次側單相斷線、諧振過電壓等。異常包括保護/測控/操作箱等裝置異常、壓器本體異常、斷路器本體異常等。

3.5.3 培訓評估管理

學員的全部操作步驟和過程中引發的故障、告警、越限等記錄在培訓系統中由教員進行評定。通過存儲柜存儲任一斷面工況作為培訓教案,實現反復調用存儲柜中的教案進行培訓考試。啟動時加載負荷預測、發電預測和發電計劃曲線。通過事件表來制作和存儲相關多個事件構成的子教案,模擬誤發信號、建立策略并條件觸發事件。

4 結語

在新型電力系統建設發展的大背景下,新一代配電網與傳統的配電網相比也發生了巨變,傳統的仿真系統無法滿足地配運行人員培訓新需求。本文深入分析了當前配電網的新形勢,圍繞地配調運行人員實際業務痛點和需求,著力提升配網人員調度運行技能,開展了針對有源配電網的地配一體化調度仿真培訓關鍵技術研究。結合國內某城市配網架構,搭建仿真培訓原型系統,通過線上集中和線下獨立多輪測試的驗證,證明了本文所提技術的可行性,可在國內各地的地配一體仿真培訓場景推廣應用。后續將進一步結合配電網側分布式資源的源荷互動新業務,繼續拓展仿真培訓功能,提高配網專業人員對新型配電網的實訓操作水平和調度駕馭能力,保障配電網的供電可靠性和安全穩定性。