王仲達(dá)1,錢江峰1,劉慶程1,謝 旭2
(1.國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106;2.國家電網(wǎng)公司華北分部,北京100053)
摘 要: 以地區(qū)電網(wǎng)備自投監(jiān)視和局部區(qū)域智能恢復(fù)供電為目標(biāo),結(jié)合華北地區(qū)電網(wǎng)供電恢復(fù)決策系統(tǒng)的建設(shè),對該項(xiàng)目的設(shè)計思想及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)主要圍繞“供電恢復(fù)決策生成”、“供電恢復(fù)決策分析”這兩個技術(shù)特點(diǎn),從實(shí)際地區(qū)電網(wǎng)的供電智能恢復(fù)的整體設(shè)計框架、故障定位、決策生成、決策分析等方面對整個系統(tǒng)的設(shè)計方法和思路進(jìn)行了闡述。同時介紹了主站端站內(nèi)備自投的建模及監(jiān)視方法,以及系統(tǒng)建成后的供電恢復(fù)過程。
關(guān)鍵詞: 調(diào)度自動化;供電恢復(fù);風(fēng)險分析,安全分析及策略校正;備自投裝置
0 引言
隨著智能電網(wǎng)的實(shí)施,電網(wǎng)調(diào)度以及調(diào)控一體化逐步推進(jìn),電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性仍然是研究的重點(diǎn)課題。當(dāng)今社會對于供電可靠供應(yīng)的要求越來越高。為了減小停電面積、縮短停電時間,提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性,智能恢復(fù)供電決策系統(tǒng)的建設(shè)勢在必行。
傳統(tǒng)的站內(nèi)備自投裝置是恢復(fù)供電的一種有效手段,獲得了廣泛的應(yīng)用。但備自投裝置邏輯簡單,功能單一,只能滿足站內(nèi)特定接線方式下的局部供電恢復(fù)要求。因此,從整個電網(wǎng)的角度來考慮,站內(nèi)備自投恢復(fù)供電的決策存在固有的局限性[1-4]。為解決上述問題,已經(jīng)有許多關(guān)于主站備自投自動恢復(fù)供電的研究[5-8]。這類研究彌補(bǔ)了站內(nèi)備自投供電恢復(fù)的局限性,很好地解決了針對串供接線方式下失電負(fù)荷的自動恢復(fù)問題,但是,這類主站備自投仍存在一些問題。首先,主站備自投雖然由主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),但從實(shí)現(xiàn)上基本遵循站內(nèi)備自投的設(shè)計邏輯,沒有充分發(fā)揮主站系統(tǒng)的優(yōu)勢,某種程度上孤立于主站調(diào)度系統(tǒng)的高級應(yīng)用功能之外,未能充分利用現(xiàn)有調(diào)度自動化的數(shù)據(jù)和應(yīng)用資源;其次,主站備自投適用的接線方式很有限,只能應(yīng)對最簡單的串供接線方式,限制了使用范圍,且缺乏智能性;最后,只能應(yīng)對單一故障,在極端多重故障情況下缺乏對策,難以保證有效處理及可靠動作。
本文提出了地區(qū)電網(wǎng)供電恢復(fù)決策系統(tǒng),突破傳統(tǒng)備自投在恢復(fù)供電領(lǐng)域的設(shè)計觀念,同時考慮到備自投對局部電網(wǎng)恢復(fù)供電的影響,以故障定位和斷電負(fù)荷分析為出發(fā)點(diǎn),采用廣播原理的電源點(diǎn)追溯的方式,結(jié)合電網(wǎng)的安全校核及風(fēng)險分析技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)供電恢復(fù)的最優(yōu)決策方案。它對拓展現(xiàn)有調(diào)度自動化系統(tǒng)的功能、實(shí)現(xiàn)故障情況下的供電自動恢復(fù)、提高主站系統(tǒng)的智能化水平具有重要意義和使用價值。
1 供電恢復(fù)的整體設(shè)計架構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)計的功能框架由以下2個環(huán)節(jié)組成:(1)決策生成單元,針對電網(wǎng)發(fā)生的故障信息,計算給出全部可行的決策方案;(2)決策分析單元,對給出的決策方案逐一進(jìn)行系統(tǒng)安全評估,其中包括風(fēng)險分析、安全校核,并以人工選擇調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)人工決策。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
決策生成單元主要包括以下4個方面,(1)故障診斷功能,根據(jù)主站數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,判斷電網(wǎng)是否有故障發(fā)生,并正確給出故障點(diǎn)的位置;(2)站內(nèi)備自投監(jiān)視功能,讀取備自投模型庫,分析判斷備自投動作情況;(3)停電范圍分析,根據(jù)故障設(shè)備進(jìn)行拓?fù)浞治?,找出故障引起的全部失電?fù)荷;(4)決策生成,查找恢復(fù)供電通路,給出供電恢復(fù)的全部決策。
決策分析單元主要包括以下3個方面,(1)對生成的全部決策進(jìn)行安全校核,并給出對應(yīng)的電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)預(yù)警;(2)對生成的全部決策進(jìn)行風(fēng)險分析,并給出電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險預(yù)警;(3)用戶根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及決策分析,人為調(diào)整決策方案。
2 供電恢復(fù)決策生成
圍繞“供電恢復(fù)決策生成”這一技術(shù)核心,系統(tǒng)解決了一系列的技術(shù)難題,基于電網(wǎng)當(dāng)前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式,以電網(wǎng)設(shè)備的故障或操作的實(shí)際情況作為分析的出發(fā)點(diǎn),考慮站內(nèi)備自投裝置的動作情況,結(jié)合故障診斷的分析結(jié)果,以最快、最合理的方式給出供電恢復(fù)的最佳策略作為該課題的核心任務(wù)之一。
2.1 故障定位的實(shí)現(xiàn)
如圖2所示,系統(tǒng)采用分類故障診斷模式,結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)的現(xiàn)狀,調(diào)度自動化系統(tǒng)接收站端的消息按時間優(yōu)先級以及適應(yīng)性可分為三類:第一類為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的遙信信號,作為開關(guān)狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)源;第二類為站端傳送的SOE信號,作為SOE信息診斷數(shù)據(jù)源;第三類為站端傳送的保護(hù)信號,作為保護(hù)信息診斷數(shù)據(jù)源。根據(jù)上述對信息的具體分類,信息綜合判斷單元結(jié)合三類信息最終生成故障定位信息,并為決策的生成提供基礎(chǔ)的分析條件。
2.2 站內(nèi)備自投的建模及監(jiān)視方法
站內(nèi)備自投往往分為負(fù)荷端備自投以及出線備自投。負(fù)荷端備自投適用的接線方式比較固定,如圖3所示即為典型負(fù)荷端備自投適用的接線方式。而出線備自投往往根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)的接線方式自定義備自投邏輯,所以安裝比較靈活。
從備自投裝置的實(shí)現(xiàn)邏輯上來看,備自投裝置分為3個環(huán)節(jié),其一是裝置啟動條件的檢測環(huán)節(jié),其二是裝置動作出口環(huán)節(jié),其三是備自投閉鎖環(huán)境。根據(jù)備自投裝置實(shí)現(xiàn)的邏輯,在主站端可以自動生成負(fù)荷備自投模型以及人工輸入出線備自投模型,并與廠站備自投裝置形成映射對應(yīng)關(guān)系。
站內(nèi)備自投監(jiān)視的主要目的在于使恢復(fù)供電決策的計算更為準(zhǔn)確、合理。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或人為操作后,可能會導(dǎo)致部分地區(qū)負(fù)荷的斷電,而此時備自投如果滿足啟動條件則會自動恢復(fù)部分負(fù)荷的供電。所以,當(dāng)備自投裝置動作完成后,電網(wǎng)潮流以及停電范圍分析才是合理、準(zhǔn)確的。
2.3 停電范圍分析
本文采用廣義模型結(jié)構(gòu)矩陣的方式表達(dá)電網(wǎng)的運(yùn)行方式。將無阻抗元件(如開關(guān)、刀閘、母線)定義為廣義節(jié)點(diǎn),把阻抗元件(如線路、變壓器、電容電抗器)定義為廣義支路,最終電網(wǎng)的接線方式及運(yùn)行方式描述為節(jié)點(diǎn)和支路的拓?fù)渚仃嚕纱蟠筇岣咄負(fù)渌阉鞯男省?/p>
由于地區(qū)電網(wǎng)基本是輻射狀的,從故障設(shè)備拓?fù)浞治銎湎蛳逻B接的所有節(jié)點(diǎn),并綜合考慮備自投裝置恢復(fù)供電的部分負(fù)荷,停電范圍即可確定。
2.4 決策生成
基于廣域拓?fù)渌阉鞯姆椒梢哉业绞щ姀S站恢復(fù)供電的全部路徑,具體的優(yōu)化方案采用遺傳算法,在滿足約束條件的前提下使目標(biāo)函數(shù)最小?;謴?fù)過程本質(zhì)上通過一系列開關(guān)變位來實(shí)現(xiàn),全部為離散化操作。首先對全網(wǎng)開關(guān)拓?fù)渚幪?,使開關(guān)都有一個含拓?fù)湫畔⒌木幪?,恢?fù)過程的每一步動作都是相應(yīng)編號開關(guān)的變位,以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)染色體編碼。同理,已知初始狀態(tài)和開關(guān)編號方式,也很容易從染色體中的任意位置解析出恢復(fù)過程中的電網(wǎng)狀態(tài)。具體的目標(biāo)函數(shù)可以表示為下式:
同時,恢復(fù)過程需要滿足如下約束條件:
?。?)動作有效性約束,即每一組開關(guān)動作完成后,系統(tǒng)要么恢復(fù)更多的供電區(qū)域,要么使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加合理。絕對不會在一組動作結(jié)束后使運(yùn)行情況惡化,更不會使帶電設(shè)備失電。
(2)故障的隔離約束。即在整個恢復(fù)過程中都不會對故障設(shè)備充電,以免造成保護(hù)再次動作,產(chǎn)生難以預(yù)知的后果。
(3)潮流約束。即整個恢復(fù)過程中保證任意設(shè)備潮流值不越過事故限值,避免設(shè)備后備保護(hù)動作。
3 供電恢復(fù)決策分析及調(diào)整
供電恢復(fù)決策的確定必須考慮電網(wǎng)運(yùn)行的安全性以及潛在的風(fēng)險。所以,需要根據(jù)初始供電恢復(fù)決策預(yù)先進(jìn)行風(fēng)險分析和安全校核,如果初始決策不滿足電網(wǎng)運(yùn)行的安全性要求,系統(tǒng)必須進(jìn)行決策修正,直至滿足電網(wǎng)運(yùn)行的安全要求為止。
本文從風(fēng)險分析以及安全校核兩個方面進(jìn)行供電恢復(fù)決策分析,并根據(jù)分析結(jié)果,利用安全校正控制單元,最終給出最為合理的供電恢復(fù)決策方案。供電恢復(fù)決策分析及調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.1 風(fēng)險分析
運(yùn)行風(fēng)險指電網(wǎng)在某些特殊的運(yùn)行方式下可能由于操作或故障導(dǎo)致局部停電且無法短時間內(nèi)恢復(fù)的情況。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)際情況,本文所述的特殊運(yùn)行方式包括串供運(yùn)行、負(fù)荷單主變運(yùn)行、負(fù)荷單母線運(yùn)行以及負(fù)荷單電源運(yùn)行。如串供運(yùn)行的電源端發(fā)生故障,其受電的所有廠站將發(fā)生斷電,這種運(yùn)行方式的供電恢復(fù)邏輯較為復(fù)雜,無法通過站端配置備自投裝置的方式實(shí)現(xiàn)自動恢復(fù)供電,所以串供運(yùn)行是電網(wǎng)運(yùn)行可靠性很低的運(yùn)行方式之一,串供運(yùn)行方式如圖5所示。
風(fēng)險分析是基于決策方案進(jìn)行全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析,預(yù)先找出決策方案執(zhí)行后電網(wǎng)可能存在的風(fēng)險點(diǎn),為用戶提前掌握電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險及進(jìn)行方案調(diào)整提供依據(jù)。
3.2 安全分析及校正控制
系統(tǒng)基于決策方案對電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、安全分析和潮流計算,實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的多側(cè)面的預(yù)案分析,并找出電網(wǎng)運(yùn)行預(yù)案的薄弱環(huán)節(jié),為安全校正策略的生成提供校正目標(biāo)。同時結(jié)合靈敏度分析軟件和校正控制軟件進(jìn)行控制策略調(diào)整。
對于220 kV及以上電壓等級電網(wǎng)和110 kV及以下電壓等級輻射電網(wǎng),由于運(yùn)行方式不同,具有不同的校正控制手段。高壓環(huán)網(wǎng)支路越限或斷面越限矯正控制是基于靈敏度計算并結(jié)合規(guī)劃方法,給出發(fā)電機(jī)、負(fù)荷調(diào)整的方向性建議;針對地區(qū)低壓輻射網(wǎng)有效地調(diào)整手段通常為調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式,實(shí)現(xiàn)不間斷供電方式下的消除越限。
4 實(shí)用化實(shí)現(xiàn)
該軟件已經(jīng)在華北多級調(diào)度一體化仿真系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn),并對地調(diào)電網(wǎng)部分220 kV變電站進(jìn)行了故障模擬測試,系統(tǒng)自動進(jìn)行故障定位、失電區(qū)域分析并最終給出優(yōu)化后的決策方案。以圖6為例說明整個試驗(yàn)過程。
該局部電網(wǎng)包括三個220 kV變電站和兩個110 kV變電站。為了便于理解,220 kV變電站為電源端,110 kV變電站為負(fù)荷端,運(yùn)行方式如圖6所示。此時,220 kV變電站1是110 kV變電站4的供電電源,并存在一個備用電源,即220 kV變電站2。測試方案是設(shè)置220 kV變電站母線故障,110 kV變電站4全站失壓,系統(tǒng)供電恢復(fù)決策步驟如下。
?。?)根據(jù)系統(tǒng)通道信息接收到的開關(guān)變位信號、模擬SOE信號以及繼電保護(hù)信號進(jìn)行故障定位,確定故障設(shè)備是設(shè)置220 kV變電站1母線。
?。?)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觯阉鞯綌嚯娯?fù)荷為110 kV變電站4全部負(fù)荷。
?。?)備自投監(jiān)視單元啟動,讀取失電廠站備自投模型,分析判斷是否具備條件,由于開關(guān)106和開關(guān)109均處于合閘狀態(tài),不滿足啟動條件。
(4)自動生成恢復(fù)決策,初始決策方案是斷開106開關(guān)、合上108開關(guān)。
(5)風(fēng)險分析,遍歷全網(wǎng)無特殊運(yùn)行方式,滿足方案運(yùn)行條件。
?。?)安全分析及校正控制,分析結(jié)果是線路4過載,在初始決策方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正,合107開關(guān)及116開關(guān)。
5 結(jié)束語
本文提出電網(wǎng)供電恢復(fù)智能決策及管理系統(tǒng)設(shè)計方案,具備智能性、安全性、使用維護(hù)的方便性等特點(diǎn),可以大幅度提高電網(wǎng)安全可靠性。系統(tǒng)集成在調(diào)度自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,充分利用全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息及應(yīng)用環(huán)境,以故障驅(qū)動應(yīng)用的模式自動完成故障定位、恢復(fù)策略生成、備自投建模及監(jiān)視、風(fēng)險評估、安全校核,并自動給出供電恢復(fù)最佳策略,為調(diào)度運(yùn)行人員提供處理事故的指導(dǎo)工具。具有良好的推廣應(yīng)用前景,目前已在地區(qū)級電網(wǎng)投入了試運(yùn)行。
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