日發(fā)電計劃安全校核系統(tǒng)開發(fā)與應用

丁 恰，王 崗，唐 然，楊樂勇，張丙金

(1.國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京210003；2.江蘇省電力公司，江蘇 南京210024)

電網(wǎng)調(diào)度最基本的要求是安全運行，隨著大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)和特高壓電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)度運行的技術(shù)水平和復雜程度越來越高。在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下，進一步要求挖掘電網(wǎng)輸電能力，輸電設(shè)備接近極限運行，電網(wǎng)安全運行的難度日益增大。調(diào)度計劃編制部門迫切需要安全校核分析功能，在發(fā)電計劃的編制過程中充分考慮各類發(fā)電約束和輸電約束，使發(fā)電計劃編制既符合電網(wǎng)安全要求，又能充分挖掘電網(wǎng)的經(jīng)濟潛力，提高短期發(fā)電調(diào)度計劃的可操作性，為精細化的電力電量平衡、檢修計劃的編制等工作提供強有力的技術(shù)支持，實現(xiàn)調(diào)度計劃流程的精細化管理。安全校核系統(tǒng)最初用于電力市場模式下發(fā)電計劃的安全分析[1，2]，是發(fā)電計劃制定流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵是將未來時段的各類計劃數(shù)據(jù)整合[3，4]，形成可供潮流分析使用的方式數(shù)據(jù)，并在出現(xiàn)潮流越限時，通過安全校正計算消除越限，國內(nèi)外研究人員為此開展了大量的研究工作[5-8]。從工程實用角度出發(fā)，在討論日發(fā)電計劃安全校核整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對方式數(shù)據(jù)生成過程中涉及的功率平衡、拓撲管理等問題展開討論，提出了一種基于安全約束經(jīng)濟調(diào)度（SCED）算法的多時段安全校正算法，形成綜合最優(yōu)的調(diào)整方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

日發(fā)電計劃安全校核應用采用服務方式實現(xiàn)，可靈活構(gòu)建于基于面向服務的體系結(jié)構(gòu)（SOA）支撐平臺上，以數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心、流程控制中心和數(shù)據(jù)展示中心的三大中心建設(shè)為核心。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心完成與調(diào)度自動化系統(tǒng)安全I區(qū)的EMS、安全II區(qū)發(fā)電計劃、III區(qū)的調(diào)度管理（OMS）等相關(guān)應用以及上下級調(diào)度間進行數(shù)據(jù)交換和共享；流程控制中心實現(xiàn)對安全校核計算過程的靈活干預控制；數(shù)據(jù)展示中心提供的豐富手段，快速準確地獲取安全校核分析結(jié)果信息。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊

安全校核是對電網(wǎng)在未來時段的運行方式的研究，需要獲知電網(wǎng)未來運行方式的全部數(shù)據(jù)，同時計算的結(jié)果數(shù)據(jù)還需要返回到相關(guān)應用和單位。安全校核應用首先應構(gòu)建成一個數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，保證各類數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)正常。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊中心需要處理電網(wǎng)物理參數(shù)、電網(wǎng)運行計劃數(shù)據(jù)、未來需求預測數(shù)據(jù)以及歷史運行數(shù)據(jù)，整體數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊

1.2 流程控制模塊

安全校核計算內(nèi)容多，包含基態(tài)潮流、靈敏度分析、靜態(tài)安全分析等多項內(nèi)容，需要具有從數(shù)據(jù)獲取、各類計算引擎的調(diào)用過程到上傳上報整個過程完整的流程控制功能。

1.3 數(shù)據(jù)展示模塊

安全校核牽涉的數(shù)據(jù)類別和數(shù)量巨大，包括流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和完整計算結(jié)果，需要完整豐富的展示手段用于查詢，數(shù)據(jù)展示模塊需要的展示內(nèi)容如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)展示

2 計劃潮流生成技術(shù)

2.1 功率平衡

電網(wǎng)計劃潮流首先保證發(fā)受用功率平衡，電網(wǎng)總功率平衡可以表示為：

式中：Gi為各機組發(fā)電出力；Ti為聯(lián)絡線交換計劃；Li為母線負荷預測；Ploss為網(wǎng)損。

發(fā)電計劃、聯(lián)絡線計劃和母線負荷預測分別從發(fā)電計劃和預測應用獲得，在忽略網(wǎng)損情況下，由于滿足等量關(guān)系，三者之間是冗余信息。針對發(fā)電計劃安全校核處理的原則以發(fā)電計劃為主，調(diào)整母線負荷滿足平衡關(guān)系。但是網(wǎng)損需要在潮流計算完成后才能確定，調(diào)整母線負荷注入功率的關(guān)鍵是獲得網(wǎng)損大小。在線潮流計算中，網(wǎng)損往往采用固定網(wǎng)損系數(shù)方式處理，當運行方式局部調(diào)整情況下，網(wǎng)損的變化也較小，可以滿足一般精度計算要求。但對于全天96點計劃潮流而言，其網(wǎng)損的變化量在數(shù)值上也相當大，如不能合理設(shè)置母線負荷數(shù)據(jù)，在潮流計算后，網(wǎng)損處理上的偏差最終將由平衡機組吸收，導致這些機組出力與計劃產(chǎn)生明顯偏差。

文中采用預測-校正技術(shù)進行處理，具體步驟如下所示：（1）根據(jù)參考斷面的電網(wǎng)潮流，進行常規(guī)潮流分析計算，確定初始網(wǎng)損率系數(shù)。（2）加載各類發(fā)電機出力計劃和電網(wǎng)外部受電計劃，以及母線負荷預測數(shù)據(jù)，并按照檢修計劃調(diào)整電網(wǎng)拓撲，初步形成電網(wǎng)未來運行方式。（3）網(wǎng)損預測階段。根據(jù)網(wǎng)損率系數(shù)預測網(wǎng)損大小，電網(wǎng)發(fā)受用電的功率平衡關(guān)系，確定母線負荷總加變化量，并分解到各母線負荷上。（4）網(wǎng)損校正階段。采用多平衡機計算方式進行常規(guī)潮流分析計算，平衡發(fā)電機相對于發(fā)電計劃的偏差量作為網(wǎng)損估算偏差，若網(wǎng)損估算的偏差在設(shè)置的閾值之內(nèi)，則進入步驟（5），否則重新計算網(wǎng)損和網(wǎng)損率，進入步驟（3）。（5）網(wǎng)損估算結(jié)束，形成未來運行方式分析的潮流斷面，計算結(jié)束。

采用預測－校正的計算方式，通過多次修正網(wǎng)損處理上的偏差，最終將其限制在預期的范圍之內(nèi)。

2.2 多方式拓撲管理

在計劃編制過程中需要不斷與安全校核進行迭代計算，對計劃形成的潮流進行詳細分析。設(shè)備的投退狀態(tài)直接影響電網(wǎng)運行的網(wǎng)絡拓撲，對潮流產(chǎn)生巨大影響。獲得正確的設(shè)備狀態(tài)是校核計算的基礎(chǔ)，不僅需要引入檢修計劃來及時調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，更重要的是獲得正常狀態(tài)，即無檢修計劃條件下的設(shè)備狀態(tài)?？梢詫⒃O(shè)備正常狀態(tài)作為底版，由檢修計劃提供變化量信息。

拓撲管理可使用多種方式：（1）正常位方案管理。直接維護設(shè)備的正常狀態(tài)。（2）檢修反演機制。獲取參考斷面拓撲，并分析該參考斷面對應時段的檢修計劃，反推設(shè)備在無檢修條件下的正常狀態(tài)。（3）特殊方式維護。作為正常位方案的補充信息，臨時定義特殊運行方式，如站內(nèi)設(shè)備改造等。

檢修反演方式需要維護的信息較少，在系統(tǒng)建設(shè)初期可結(jié)合狀態(tài)估計和檢修計劃進行處理，但受到檢修計劃實際完成情況影響。正常位方案管理需要維護信息較多，但處理偏差較小，特殊方式維護是對上述處理特殊情況的補充信息，多種方式可互為補充，便于在實際使用中靈活應用。

2.3 并行計算

對典型的日發(fā)電計劃安全校核應用而言，96點發(fā)電計劃對應的96個時段斷面之間的校核計算的耦合度較低，計算量大，采用并行化處理，可以將計算任務分配到多個硬件資源上完成。

3 安全校正

當出現(xiàn)設(shè)備或穩(wěn)定斷面越限時，需要啟動校正計算。校正計算是在機組開停方式確定的情況下，根據(jù)系統(tǒng)負荷預測，以與初始計劃（或目標計劃）的偏差量最小為目標優(yōu)化機組發(fā)電計劃，滿足系統(tǒng)負荷需求和機組的運行約束，并且滿足電網(wǎng)運行的潮流約束。

目標函數(shù)為：

式中：T為系統(tǒng)調(diào)度期間的時段數(shù)；I為系統(tǒng)機組數(shù)；p（i，t）為機組i在t時段的有功功率；p0（i，t）為機組i在t時段的初始（或目標）有功功率；Ci為機組i的偏差懲罰系數(shù)；ki為機組i出力偏差的模擬成本，是分段線性的凸曲線，對機組不同的有功偏差量加入相應的成本，隨著偏差量的增加，成本增大，達到發(fā)電計劃與初始計劃偏差最小的要求。

可以看出，該校正計算模型不再是對每個越限時段孤立點的調(diào)整，而是對全部時段統(tǒng)一建模，獲得全局的最小調(diào)整量。系統(tǒng)主要考慮的約束如下。

（1）機組運行約束。發(fā)電機組的輸出功率上下限約束：

（2）機組加減負荷速率約束：

式中：Δi為機組i每時段可加減負荷的最大值。

（3）電網(wǎng)安全約束。電網(wǎng)支路潮流約束：

穩(wěn)定斷面潮流約束：

式中：Pij，分別為聯(lián)絡線斷面i，j潮流功率及上限。

4 應用效果

文中安全校核系統(tǒng)已成功應用于某省網(wǎng)智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。統(tǒng)計了該系統(tǒng)在2012年5月運行期間的計算結(jié)果，未出現(xiàn)不收斂的情況，說明日前計劃潮流采用該方法后能保證計算收斂性，采用固定網(wǎng)損系數(shù)和采用文中預測校正方法后計劃潮流中機組出力最大偏差情況對比如表1所示。

表1 計劃潮流機組出力調(diào)整情況對比

可以發(fā)現(xiàn)文中方法最大機組出力偏差和調(diào)節(jié)機組個數(shù)均小于固定網(wǎng)損系數(shù)方法，其中5月10日固定網(wǎng)損系數(shù)方法由于采用了多平衡機方式進行潮流計算，不平衡量進行了分攤導致最大出力偏差降低。

日發(fā)電計劃15 min間隔96時段計劃潮流的生成和計算分析采用多機多核技術(shù)后，計算時間由8 min左右縮減為不到1 min完成，采用不同計算資源計算時間統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示?？梢?，隨著計算資源數(shù)增加，計算時間降低，但超過12個并行計算資源后計算時間下降速度變緩，甚至出現(xiàn)增加，因為此時主要計算時間消耗在數(shù)據(jù)交換上。

圖4 并行計算時間

5 結(jié)束語

隨著調(diào)度精細化管理需求日益提高，安全校核已成為調(diào)度大計劃流程中重要一環(huán)，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的一道重要防線。文中在分析安全校核需求和功能總體設(shè)計基礎(chǔ)上，依照數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，流程控制中心和數(shù)據(jù)展示中心的3條主線設(shè)計，提出基于預測-校正技術(shù)的功率平衡方法和計劃拓撲分析管理方法，形成日前計劃潮流，校核出現(xiàn)越限后采用基于安全約束經(jīng)濟調(diào)度（SCED）算法的多時段安全校正算法技術(shù)。實際電網(wǎng)運行表明所提算法的有效性。

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