电网潮流计算与仿真

电网潮流计算与仿真 摘要：目前国内电网系统多采用闭环设计、开环运行的供电方式。在倒负荷和检修时，通过合、解环操作可以减少停电时间，提高供电可靠性。但由此引起的合环电流可能使馈线开关保护误动，造成停电。因此合环潮流计算需要很高的准确性，以达到提高供电可靠性和配网安全运行的目的。同时，阐述引进德国西门子公司NETOMAC仿真软件后开展的一系列对某电网电力系统先进技术的科研项目。重点介绍了具有代表性的先进项目研究，例如，Y-H500kV线路可控串补方案研究。 关键词：电网；潮流计算；仿真 一、新型合环潮流计算 （一）利用叠加原理分解合环配电网络 由于前推回代法只适用于辐射型网络，因此对于合环后的环网，利用叠加原理对前推回代法进行改进，在合环点处将环网打开，对合环开关两侧负荷功率进行修正，如图1所示。 图1 配电网络合环模型 图1（a）中a、b为待闭合合环开关的两侧节点，合环前所带负荷分别为SLa、SLb；图1（b）为合环后示意图，合环开关闭合后由a、b两侧节点电压差所产生的环网功率Sc，相应的电流为Ic。若合环前UaUb，为模拟合环时的状态在节点a添加一个电流源，方向为流出，在节点b添加一电流源，方向为流入，大小均为Ic。图1（c）为合环后等值网络，将环网功率Sc分别转移到负荷点a、b上，即a节点负荷为SLa+Sc，b节点负荷为SLb-Sc。若合环前Ua0时，则在下一次迭代对l增加步长l；当Uer0时，则在下一次迭代时对l减小步长l。 当迭代过程中，Uer的值来回震荡时，可以根据变步长系数pr将步长l缩小，即l=lpr，继续进行迭代，便可求出l的值，进而可以求出Zeq。 （三）配电网合环潮流计算步骤 配电网合环潮流计算分两阶段迭代，第一阶段迭代计算纯辐射型网络潮流和a、b值，第二阶段迭代以环路功率为变量叠加修正，按以上公式修正合环开关两侧节点负荷功率，第m+1次迭代过程如下： 初始化SLa（0），SLb（0）分别为合环开关两侧节点负荷，I（m）c为合环稳态电流的共扼值，式为迭代终止判据，即在m+1次迭代时，合环开关两侧节点的电压差小于给定的收敛指标。 阶段一： （1）读入网络参数，建立节点链接表。 （2）通过迭代法求得上级电网的等值阻抗Zeq。通过拓扑分析从合环点向上搜索，将合环支路的阻抗与上级电网的等值阻抗Zeq相加而得合环环路的总阻抗。 （3）通过前推回代计算纯辐射网络潮流。按式（11）计算断开合环点处开口电压。 （4）求得合环稳态环流。 阶段二： （1）修正合环开关两侧节点负荷功率。 （2）检查迭代终止判据式，若不满足则转到阶段一中。 二、NETOMAC仿真软件在某电网的应用研究 2000年某电力公司电力科学研究院从德国西门子公司引进了电力系统仿真软件包NETOMAC，2001年5月又从加拿大RTDS公司引进了RTDS电力系统实时仿真装置，此后，开展了一系列华东电网电力系统先进技术的应用研究，其中包括了该电网第一个柔性输电项目“YH500kV线路可控串补方案研究”。 NETOMAC是一套集成化的大型电力系统仿真软件包，它可以模拟几乎电力系统中所有的元件，能进行电磁暂态、机电暂态、稳态等各种电力系统过程的仿真计算。NETOMAC历经工程考验，在德国，西门子公司在FACTS装置的开发、大型工程项目（如可控串补）预研，保护和自动装置测试之前，均利用NETOMAC进行详细的仿真研究，降低了开发成本，保证了工程项目的顺利完成。NETOMAC程序的特点是：（1）众多的时域仿真功能；（2）在整个时域仿真中，可分时间段采用不同的数学模型；（3）频域计算；（4）参数识别与优化；（5）元件模型全；（6）灵活的自定义模型。 “YH两地500kV线路可控串补方案研究”项目是该电网第一个柔性交流输电项目，NETOMAC仿真软件作为该项目的一个主要研究工具发挥着举足轻重的作用。 （一）基于NETOMAC的YH固定串补模型和可控串补模型的建立 500kVY电厂送出工程，从Y电厂以“专厂、专线、专供”（“三专”）方式送电到江苏。Y电厂一期工程规模为6350MW，扣除厂用电外，一期输送容量为1950MW。受端落点为H地区，输送距离长达700余km。 图3是Y电厂送出工程的系统示意图。在M至B双回线B侧装设有补偿度为40%的串联补偿电容器。 图3YH500kV系统示意图 图4和图5分别是Y固定串补和可控串补的示意图，包括了隔离开关、串联电容器组、氧化锌非线性电阻、触发型火花间隙、旁路断路器、阻尼电抗、阻尼电阻等主要电气元件。其中串联电容器组容抗是29.92（对应106.4F），持续额定电流为2360A（有效值），10min过载电流为3540A（有效值）。与常规的固定串补相比，可控串补在结构上增加了旁路电感和双向晶闸管回路。另外，可控串补在控制和保护方面也要增加相应的内容。 图4Y固定串补主电路示意图 图5Y可控串补主电路示意图 （二）基于NETOMAC的Y可控串补暂态稳定控制策略研究 在YH500kV线路采用可控串补的主要目的是为了提高其暂稳特性。可控串补还具有许多其他的功能和优点，本项目的研究主要集中在稳定控制上。面向实际工程应用的可能，Y可控串补暂态稳定控制策略重点考察如下4种：（1）强补控制（简单控制）；（2）强补和阻尼相结合的控制（常规控制）；（3）基于能量函数法的投切控制（Bangbang控制）；（4）基于能量函数法切换的强补和阻尼相结合的控制（改进常规控制）。这4种TCSC控制方式对于改善YH500kV交流输电系统性能（特别是提高暂态稳定性能）的适用性和有效性将通过详细的仿真分析来研究和论证。 表1为各种不同线路三相故障下采用各种不同稳定措施和控制策略，由机电暂态仿真得出的发电机功角摇摆指标汇总。 表1 不同线路三相故障不同稳定措施和控制策略发电机功角摇摆指标汇总 故障线路 故障点 发电机功角摇摆指标J（deg.s） FSC 切Y机组 TCSC 简单控制 TCSC 常规控制 TCSC Bangbang控制 TCSC改进 常规控制 D线C侧 143.30 167.21 137.57 105.66 105.50 D线M侧 131.30 137.51 118.23 90.16 94.29 S线M侧 133.60 151.53 126.27 69.68 118.99 S线B侧 138.85 143.88 127.46 70.21 114.85 R线B侧 128.68 131.86 104.28 89.16 91.67 R线Z侧 120.02 117.59 102.28 79.18 71.21 通过比较表1中各种不同故障下各种不同稳定措施和控制策略的发电机功角摇摆指标，可以得出：在4种TCSC暂态稳定控制策略中，基于能量函数法的投切控制（Bangbang控制）和基于能量函数法切换的强补和阻尼相结合的控制（改进常规控制）的功角摇摆指标相对于其它两种控制策略明显要小一些，性能较优；强补和阻尼相结合的控制（常规控制）的功角摇摆指标居于中间，性能较前两者差一些；强补控制（简单控制）的功角摇摆指标最大，性能相对较差。与FSC切机稳定措施比较，除强补控制外其他3种TCSC控制的功角摇摆指标都比常规切机措施小。 （三）YH500kV线路可控串补方案研究的主要研究成果 利用德国西门子公司开发研制的电力系统仿真软件NETOMAC，以联合电网为研究对象进行了Y送出的稳定计算，并对计算网络进行了等值简化，形成了3个等值简化网络。通过等值前后系统动态特性的比较，验证了等值网络对于Y送出稳定问题研究的有效性。 针对Y送出一期工程采用固定串补方案后系统仍存在较严重的暂态稳定问题，对采用可控串补方案作可行性的研究。在可控串补稳定控制机理和控制策略研究的基础上，在现有参数的条件下，对Y可控串补方案作初步的设计。面向今后工程实际应用的可能，提出了4种Y可控串补的控制策略。研制了可控串补综合控制试验装置，用于研究可控串补的各种控制规律。通过详细的机电暂态模式和电磁暂态模式下的NETOMAC数字仿真以及RTDS实时模拟试验，并与固定串补方案作比较，系统研究了可控串补方案作为解决Y输电工程暂态稳定问题的一种手段的可行性及所能带来的效益，并对提出的4种控制策略的有效性进行了校验。 NETOMAC数字仿真分析和RTDS实时模拟试验结论表明，可控串补方案根本上解决了固定串补方案Y送电的暂态稳定问题。 结语 在电网的潮流计算中，采用传统的计算方式会导致计算过程复杂，且不利于与电网智能化控制之间的相互衔接。因此，必须根据电网的特征对传统的潮流计算方式进行改进，使其适应越来越智能化的管理与控制系统，应充分利用计算机的功能实现自动化计算与分析，从而使潮流计算结果甚至能成