電網(wǎng)動態(tài)仿真中的穩(wěn)控裝置接口仿真平臺

周博文，楊 軍，宋新立，吳國旸，孫元章

（1.武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072；2.中國電力科學研究院，北京 100085）

0 引言

利用電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序模擬和分析電力系統(tǒng)的全過程穩(wěn)定特性，對避免發(fā)生大面積停電事故及研究防止事故擴大的有效措施具有重要意義。

穩(wěn)控裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它對保證系統(tǒng)發(fā)生較嚴重的故障時仍維持安全穩(wěn)定運行有著很重要的作用。但是，目前電網(wǎng)穩(wěn)定分析軟件中安全穩(wěn)定控制的功能仿真與國內(nèi)電網(wǎng)中實際廣泛應用的穩(wěn)控裝置有著較大區(qū)別，缺少區(qū)域型穩(wěn)控裝置的模型，無法真實、完全地反映穩(wěn)控裝置在電網(wǎng)故障期間對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。因此，研究穩(wěn)控裝置模型及其建模方法，在穩(wěn)定分析工具中引入穩(wěn)控裝置接口仿真平臺，真實模擬電網(wǎng)全過程動態(tài)特性，對提高電網(wǎng)動態(tài)仿真的精確性、驗證穩(wěn)控裝置工作準確性十分重要[1-3]。

本文圍繞電網(wǎng)動態(tài)仿真中的穩(wěn)控裝置接口仿真平臺進行研究，介紹了實際穩(wěn)控裝置的動作特性，提出了用于電網(wǎng)動態(tài)仿真的穩(wěn)控裝置模型，建立了相應的接口仿真平臺（ISP）；在此基礎上，結(jié)合電力系統(tǒng)仿真計算軟件（PSASP）的用戶程序接口（UPI）功能，進行了仿真算例驗證。

1 電網(wǎng)動態(tài)仿真中的穩(wěn)控裝置模型現(xiàn)狀

穩(wěn)控裝置是指當電網(wǎng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)后，通過執(zhí)行各種緊急控制措施，使電網(wǎng)恢復到正常運行狀態(tài)的控制系統(tǒng)。穩(wěn)控裝置分為區(qū)域型和就地型2種。就地型穩(wěn)控裝置通常只應用于可等值為單機無窮大的電網(wǎng)中?，F(xiàn)代電網(wǎng)中已難以找到單機無窮大的典型模式，在一個廠站用就地穩(wěn)定控制系統(tǒng)就能解決電網(wǎng)穩(wěn)定性的情況已經(jīng)很少。通常提到的穩(wěn)控裝置指的是區(qū)域型穩(wěn)控裝置，目前國內(nèi)廣泛應用的穩(wěn)控裝置主要有國電自動化研究院和南京南瑞集團公司聯(lián)合開發(fā)的FWK-300分布式穩(wěn)定控制裝置、南京南瑞繼保公司開發(fā)的RCS-992A系列分布式區(qū)域安全穩(wěn)定控制裝置、RCS-9012穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)和北京四方公司開發(fā)的CSS-100BE數(shù)字式安全穩(wěn)定控制裝置、CSSM-2000電網(wǎng)穩(wěn)定控制集中管理系統(tǒng)等[4-7]。另外，國電自動化研究院研制的大電網(wǎng)廣域監(jiān)測分析保護控制系統(tǒng)（WARMAP）[8-9]也可進行在線安全穩(wěn)定及經(jīng)濟運行分析，實現(xiàn)控制策略的離線校核、在線計算和整定，但該系統(tǒng)的穩(wěn)控裝置模型與電網(wǎng)中實際應用的安全穩(wěn)定系統(tǒng)的工作過程并不完全一致，并且未提供與常用電網(wǎng)動態(tài)仿真程序的接口。

而目前國內(nèi)外常用的電網(wǎng)動態(tài)仿真程序中幾乎沒有提供穩(wěn)控裝置模型，提供的安全穩(wěn)定控制措施僅有自動切負荷和解列兩大功能。表1為目前國內(nèi)外一些有代表性的電網(wǎng)動態(tài)仿真程序中穩(wěn)控裝置模型的研究現(xiàn)狀[10-14]。

表1所述控制措施大多基于就地控制，缺少區(qū)域型穩(wěn)控裝置的模型；另外，仿真程序僅能通過時間延時預設某些安全穩(wěn)定控制措施，這與實際穩(wěn)控裝置的工作過程有較大區(qū)別，無法真實模擬實際穩(wěn)控裝置的動作情況。因此，必須在電網(wǎng)動態(tài)仿真程序中引入與實際應用的穩(wěn)控裝置動作特性相一致的穩(wěn)控裝置模型。

表1 電網(wǎng)動態(tài)仿真程序中的穩(wěn)控裝置模型的研究現(xiàn)狀Tab.1 Status quo of SCD model research in dynamic simulation software of power system

2 穩(wěn)控裝置建模

實際穩(wěn)控裝置包括主站、子站和執(zhí)行站。工作時先離線生成控制決策表，存儲于主站或子站中；在線運行時由主站／子站檢測故障信息、查找匹配決策表、轉(zhuǎn)發(fā)控制信息等，由執(zhí)行站執(zhí)行控制策略。

2.1 穩(wěn)控裝置模型總體結(jié)構和功能概述

在穩(wěn)控裝置建模時，可忽略實際系統(tǒng)的通信要求，將主站、子站、執(zhí)行站的相似功能整理合并，采取2層結(jié)構：主站為第1層，子站和執(zhí)行站合并為第2層。

主站獨立設置，主要功能為運行方式預設識別、存儲決策表、故障判斷、故障匹配、查找決策表、轉(zhuǎn)發(fā)控制策略等。

子站設置于需要執(zhí)行控制策略的網(wǎng)絡節(jié)點處，具體位置由電網(wǎng)結(jié)構及運行方式?jīng)Q定，主要功能為執(zhí)行控制策略。

2.2 穩(wěn)控裝置模型的工作過程

穩(wěn)控裝置模型先通過離線仿真計算生成預想故障集、控制決策表，存儲于主站中。在線運行時，首先對系統(tǒng)的運行方式進行在線識別，當檢測到故障發(fā)生時，進行故障匹配計算，看該故障是否在預想故障集中，進而查找決策表，執(zhí)行相應的穩(wěn)控策略。模型的工作流程如圖1所示。

圖1 穩(wěn)控裝置模型工作流程圖Fig.1 Flowchart of SCD model

2.2.1 運行方式預設與識別

穩(wěn)控裝置模型工作時需要對電網(wǎng)運行方式進行離線預設和在線識別。

離線預設時，利用發(fā)電機開機方式、線路運行情況和負荷水平描述電網(wǎng)所有主要的運行方式，并生成運行方式列表。

在線運行時，通過發(fā)電機出力、線路斷路器位置等信息確定發(fā)電機開機方式、線路運行情況和負荷水平，從運行方式列表中識別出電網(wǎng)當前的運行方式。

2.2.2 預想故障集形成邏輯

預想故障集是決策表的一部分，如圖1中間部分所示。首先在每種運行方式下，對電網(wǎng)進行N-K（K一般取1和2）掃描，將引起電網(wǎng)失穩(wěn)的故障定為預想故障。每一個預想故障由故障位置和故障類型描述。故障位置為故障元件編號；故障類型為各元件所對應的故障邏輯語句，如三相永久性接地短路語句等。故障邏輯語句由判斷故障的電氣量信息組合表示，如三相永久性接地短路語句由三相電流升高、三相電壓降低等組成。

所有運行方式及對應方式下的預想故障共同構成預想故障集，并生成預想故障集列表。

2.2.3 離線生成決策表工作邏輯

預想故障集和與各個故障相對應的控制策略構成決策表，決策表采用樹形結(jié)構。對于同一故障可能存在多個控制策略，此時需要進行控制策略的優(yōu)先級排序，排序原則根據(jù)系統(tǒng)實際情況確定。

控制策略包括控制對象和控制量?？刂茖ο笠话悴怀^3個，主要為發(fā)電機、負荷或線路?？刂屏繉Πl(fā)電機、負荷而言指的是切機、切負荷的量或百分比，對線路而言指的是切或不切。

2.2.4 離線預設值說明

穩(wěn)控裝置模型中，需要預設的定值為預想故障集定值和控制策略定值。預想故障集定值在主站中設定；控制策略定值在子站中設定，主站僅存儲相應標識信息并在需要時轉(zhuǎn)發(fā)控制信號。離線設定采用對話框形式，運行方式、預想故障、判斷條件及各條控制策略均在獨立的選項卡設定，設定結(jié)束后可在主站決策表窗口中查看或輸出決策表。

預想故障定值由運行人員選定故障判斷語句完成設定。在判斷故障時，可能同時需要幾個元件進行故障定位，因此，故障定值為突變量啟動語句、元件編號和判斷語句的組合。每個故障判斷條件默認提供5組元件編號及識別語句，數(shù)量可添加。

控制策略定值由運行人員直接填寫。對于每個故障，默認提供2條控制策略：1條主策略和1條備用策略。每條控制策略一般提供3個控制對象?？刂茖ο蠹翱刂撇呗缘臄?shù)量可添加。

2.2.5 在線運行邏輯

穩(wěn)控裝置模型在線仿真時，首先通過發(fā)電機出力、線路斷路器位置等信息確定發(fā)電機開機方式、線路運行情況和負荷水平，在運行方式列表中識別出電網(wǎng)當前的運行方式。

系統(tǒng)發(fā)生某一事故時，首先判斷模型是否需要啟動。模型啟動后利用故障判斷條件，通過電網(wǎng)發(fā)生預想故障時的電氣量變化，如電流、電壓、功率、斷路器位置等，對故障進行判斷，得到故障位置和故障類型，進而在故障集列表中識別出當前運行方式下系統(tǒng)發(fā)生的故障。最后，遍歷搜索決策表，查找到對應該預想故障的控制策略，并由主站將控制信號轉(zhuǎn)發(fā)給相應子站，由子站執(zhí)行控制策略。

3 用于電網(wǎng)動態(tài)仿真的穩(wěn)控裝置接口仿真平臺

針對當前仿真軟件的不足，結(jié)合一體化仿真計算的需要，依據(jù)穩(wěn)控裝置模型，構建了一個用于電網(wǎng)長過程動態(tài)特性分析的穩(wěn)控裝置接口仿真平臺軟件。該軟件由圖形化操作平臺、SQL Server數(shù)據(jù)庫、外部接口程序和穩(wěn)控裝置模塊組成，能夠與任一電網(wǎng)穩(wěn)定計算軟件接口，導入在穩(wěn)定計算軟件中定義的仿真電網(wǎng)的拓撲結(jié)構及其參數(shù)，基于離線仿真確定的控制決策表在圖形化操作平臺上對電網(wǎng)進行子站的配置和決策表整定，進而在每一個仿真步長中通過外部接口程序在線訪問穩(wěn)定計算軟件，將穩(wěn)定計算軟件產(chǎn)生的電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流等數(shù)據(jù)實時送入到接口仿真平臺軟件的穩(wěn)控裝置模塊中，按照預先配置好的預想故障判斷條件進行在線故障判斷，查找轉(zhuǎn)發(fā)控制策略，然后由子站將動作情況回送到穩(wěn)定計算軟件中去控制相應電氣元件的狀態(tài)和電網(wǎng)模型的拓撲結(jié)構，從而實現(xiàn)了閉環(huán)、交互式的實時仿真，克服了以往穩(wěn)定計算軟件不能真實反映穩(wěn)控裝置動態(tài)行為的缺點，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)全動態(tài)過程進行有效仿真。該仿真平臺的總體結(jié)構如圖2所示。

圖2 程序總體結(jié)構Fig.2 Overall structure of software

程序每個部分的功能和作用如下。

a.圖形化平臺。圖形化平臺是整個軟件的支撐和人機接口，界面與PSASP類似。用戶可以將電網(wǎng)拓撲結(jié)構、電網(wǎng)參數(shù)等相關信息從電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算軟件的數(shù)據(jù)庫中通過專門的數(shù)據(jù)接口讀出，并將讀出的電網(wǎng)信息（包括網(wǎng)絡拓撲結(jié)構、電網(wǎng)參數(shù)等）顯示在圖形化平臺中。同時，用戶可以通過圖形化平臺對穩(wěn)控裝置配置，包括決策表整定和子站配置。得到的電網(wǎng)拓撲結(jié)構、電氣元件參數(shù)、子站布點以及決策表全部存入SQL Server數(shù)據(jù)庫。

b.SQL Server數(shù)據(jù)庫。SQL Server數(shù)據(jù)庫作為整個程序的后臺數(shù)據(jù)支撐，保存電網(wǎng)結(jié)構、元件參數(shù)、子站布點、決策表以及相應整定值。

c.外部接口程序。外部接口程序與穩(wěn)定計算軟件進行接口，執(zhí)行具體的故障判斷和控制策略，并將動作結(jié)果返送到穩(wěn)定計算軟件。

d.穩(wěn)控裝置模塊。穩(wěn)控裝置模塊主要由主站和子站構成；初始化時從SQL Server數(shù)據(jù)庫中獲取電網(wǎng)拓撲結(jié)構、電氣元件參數(shù)、子站布點、決策表以及相應整定值；開始計算時，在穩(wěn)定計算軟件的每一次計算步長后，從穩(wěn)定計算軟件獲取該時刻所有節(jié)點的電壓、電流等信息（保存一定時段數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)），按照既定的故障判斷條件進行計算、判斷，如果滿足某一預想故障的判斷條件，則轉(zhuǎn)發(fā)相應控制策略，并把動作信息返回給穩(wěn)定計算軟件和圖形化平臺，然后此次計算結(jié)束，等待下一步穩(wěn)定計算軟件計算步長；如果所有的電氣量信息都不滿足判斷條件，則穩(wěn)控裝置不動作，不作任何處理，此次計算結(jié)束，等待下一步穩(wěn)定計算軟件計算步長。

4 含穩(wěn)控裝置模型的穩(wěn)定計算仿真

將穩(wěn)控裝置接口仿真平臺與PSASP通過UPI聯(lián)接，結(jié)合Visual C++程序編程，進行含穩(wěn)控裝置模型的暫態(tài)穩(wěn)定計算[15-16]。事實上，無論何種電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序，只要得到其計算接口，都可以利用上述穩(wěn)控裝置模型接口仿真平臺，實現(xiàn)含穩(wěn)控裝置的穩(wěn)定計算仿真。

以EPRI-36系統(tǒng)作為算例系統(tǒng)，其網(wǎng)絡結(jié)構如圖3所示，元件參數(shù)采用基礎數(shù)據(jù)庫參數(shù)。設定0.2 s時，線路 24（BUS19-BUS16）上距離 BUS19側(cè) 20%處發(fā)生三相永久性接地短路故障，0.3 s該線路主保護動作切除線路24。仿真計算的積分步長為0.01 s，計算總時間20 s。此時假設系統(tǒng)中沒有穩(wěn)控裝置模型。

4.1 故障線路斷開后對其他線路潮流的影響

當線路24上發(fā)生故障并被主保護切除后，該線路上的潮流將轉(zhuǎn)移，使得其他線路上的潮流發(fā)生變化，可能導致其他線路過載。如圖4所示，線路28（BUS19-BUS21）的電流增加較大，其電流峰值出現(xiàn)在0.46 s，大小為1.91 p.u.。此時，線路28在BUS19側(cè)的視在阻抗為0.164 p.u.，已進入距離Ⅲ段保護動作范圍。

4.2 離線仿真確定控制策略

圖3 EPRI-36系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構圖Fig.3 Network structure of EPRI-36 system

圖4 線路電流變化曲線Fig.4 Curve of line current variation

顯然，因短路而切除故障線路引起的其他線路過載可能引起保護誤動作，易造成故障范圍擴大即故障連鎖跳閘，從而引起更嚴重的系統(tǒng)失穩(wěn)。在實際電網(wǎng)中可通過穩(wěn)控裝置來采取一定的控制策略保持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

運用UPI和VC，在該電網(wǎng)中加入穩(wěn)控裝置接口仿真平臺，其運行方式如圖5所示。其中X為輸入的電壓、電流等數(shù)據(jù)，Y為輸出的電網(wǎng)控制數(shù)據(jù)。

圖5 PSASP／UPI／ISP 的運行方式Fig.5 Operation mode of PSASP ／UPI／ISP

按照前文描述的穩(wěn)控裝置工作過程，上述故障是預想故障集中的一個典型故障。針對此預想故障，離線仿真確定控制策略為發(fā)電機4切機50%，延時0.12 s。在發(fā)電機4處設置子站用以執(zhí)行控制策略。生成的控制決策表如表2所示。

表2 控制決策表簡表Tab.2 Control strategy table

4.3 考慮穩(wěn)控裝置模型的仿真分析

加入穩(wěn)控裝置接口仿真平臺后，系統(tǒng)檢測到線路24發(fā)生三相永久性接地短路的預想故障，主站查找決策表、匹配故障后將相應控制策略轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)電機4處的子站，從而執(zhí)行預設的控制策略。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 加入UPI后線路電流變化曲線Fig.6 Curve of line current variation when UPI is added

采取該控制策略之后，線路28的最大電流出現(xiàn)在切機時刻0.32 s，大小為1.72 p.u.，此時線路28在BUS19側(cè)的視在阻抗為最小值，大小為0.207 p.u.，不會造成距離Ⅲ段保護誤動。

仿真結(jié)果表明，通過穩(wěn)控裝置接口仿真平臺與PSASP聯(lián)合仿真，能夠準確模擬實際穩(wěn)控裝置的動作特性，真實反映實際電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的動態(tài)過程。

5 結(jié)語

本文分析了穩(wěn)控裝置接口仿真平臺對電網(wǎng)動態(tài)仿真的重要意義，介紹了實際穩(wěn)控裝置的動作過程，提出了用于電網(wǎng)動態(tài)仿真的穩(wěn)控裝置模型及其建模方法，進而建立了相應的接口仿真平臺；利用PSASP自帶的UPI功能，在PSASP中引入該接口仿真平臺，實現(xiàn)了含穩(wěn)控裝置接口仿真平臺的暫態(tài)穩(wěn)定計算仿真。仿真結(jié)果表明，含穩(wěn)控裝置接口仿真平臺的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真能夠更加真實地反映實際電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的動態(tài)過程，有助于運行人員分析和理解實際電力系統(tǒng)受擾動后的動態(tài)行為。