一種基于BPA數(shù)據(jù)的靜態(tài)安全最優(yōu)校正分析方法

蘇維波，馮彥維，陽育德

（1.廣西電網(wǎng)公司欽州供電局，廣西欽州 535000；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530000）

電力系統(tǒng)預(yù)防性靜態(tài)安全最優(yōu)校正是保證電力系統(tǒng)可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。校正計(jì)算的結(jié)果可以為電力系統(tǒng)制定運(yùn)行方式和系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)安全分析得到預(yù)想事故故障集，針對(duì)故障集內(nèi)的預(yù)想故障調(diào)整當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，使得故障集內(nèi)的預(yù)想事故發(fā)生時(shí)系統(tǒng)仍然可以保持在一個(gè)安全狀態(tài)下，各系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)沒有越限，從而防止事故擴(kuò)大。

BPA格式數(shù)據(jù)是一種描述電力系統(tǒng)模型的格式，與之對(duì)應(yīng)的是電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件-PSDBPA程序[1]，PSD-BPA是中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)的PSD電力系統(tǒng)軟件工具包當(dāng)中的潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序，該程序廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目，在電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、科研及生產(chǎn)運(yùn)行工作中發(fā)揮了重要作用。其中包含了多種計(jì)算功能，比如潮流計(jì)算、N-1模擬開斷等電力系統(tǒng)常用計(jì)算。但是該程序并不包含優(yōu)化計(jì)算功能，在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行N-1模擬開斷分析之后，如何調(diào)整當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)從而消除不滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的預(yù)想故障，電力工作者需要額外想辦法進(jìn)行計(jì)算。分析與校正還缺少一個(gè)全過程自動(dòng)計(jì)算的方法，使得系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)與設(shè)計(jì)人員往往需要耗費(fèi)較多的時(shí)間和精力進(jìn)行相關(guān)的工作，比如根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，且需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，取得的效果并不一定令人滿意。

本文描述了一種基于電力系統(tǒng)的BPA格式數(shù)據(jù)，運(yùn)用電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件PSD-BPA程序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行安全穩(wěn)定分析，篩選不滿足N-1安全準(zhǔn)則的預(yù)想故障，對(duì)需要進(jìn)行校正的模擬開斷線路，執(zhí)行基于現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)理論[2-3]的最優(yōu)校正計(jì)算，將優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行分析與比較，最后將結(jié)果回寫到BPA格式數(shù)據(jù)當(dāng)中的方法?；貙懞蟮腂PA格式文件可以直接為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

1 框架設(shè)計(jì)

本文所述方法把安全分析與校正計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行分析校正，基于BPA格式數(shù)據(jù)的框架設(shè)計(jì)為如下2大部分：由PSD-BPA程序完成潮流校驗(yàn)、系統(tǒng)等值、N-1開斷模擬以及回寫B(tài)PA文件；PSD-BPA程序不具備的最優(yōu)校正計(jì)算部分則另外編寫Matlab最優(yōu)校正程序。分析校正流程圖如圖1所示。

圖1 分析校正流程圖Fig.1 Analysis and correction flow chart

2 數(shù)據(jù)接口

BPA格式數(shù)據(jù)可以非常詳細(xì)地描述電力系統(tǒng)模型，但是對(duì)系統(tǒng)的描述沒有進(jìn)行嚴(yán)格的分塊、分類存儲(chǔ)，并且包含大量描述性語言。雖然PSD-BPA程序可以很好地識(shí)別和讀取系統(tǒng)信息，但對(duì)于采用Matlab程序進(jìn)行校正計(jì)算的方式來說，BPA格式數(shù)據(jù)并不適合讀取。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)BPA格式數(shù)據(jù)與自定義數(shù)據(jù)格式進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換的接口。

數(shù)據(jù)接口模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和回寫功能。首先是BPA數(shù)據(jù)文件的等值和解析。使用BPA軟件進(jìn)行所需保留計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)邊界等值，并對(duì)等值后系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，對(duì)所得到的PFO文件中的輸入數(shù)據(jù)部分進(jìn)行解析，需要解析的數(shù)據(jù)卡包括：B卡、BC卡、BE卡、BQ卡、BS卡、BD卡、+A卡、L卡、T卡、E卡、R卡和LD卡等，從而得到最優(yōu)安全校正計(jì)算所需要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)基本運(yùn)行參數(shù)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限等。將這些數(shù)據(jù)形成自定義格式數(shù)據(jù)，自定義的數(shù)據(jù)格式根據(jù)系統(tǒng)原件以及數(shù)據(jù)類型分塊保存，包括線路數(shù)據(jù)部分、變壓器數(shù)據(jù)部分、節(jié)點(diǎn)功率部分、有功出力限制部分等。與數(shù)據(jù)解析相反的是，數(shù)據(jù)回寫把優(yōu)化計(jì)算后的校正結(jié)果，根據(jù)結(jié)果類型分別把發(fā)電機(jī)以及負(fù)荷、PV點(diǎn)電壓的調(diào)整結(jié)果回寫到BPA數(shù)據(jù)文件BQ卡以及B卡相應(yīng)位置。

3 安全穩(wěn)定分析

3.1 潮流校驗(yàn)

BPA數(shù)據(jù)文件由人工輸入形成，并且系統(tǒng)模型的建立過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，BPA文件所描述的系統(tǒng)會(huì)有潮流計(jì)算不收斂的情況。因此，有必要對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行潮流校驗(yàn)，以求獲得較精確的分析校正結(jié)果。

運(yùn)用PSD-BPA軟件的潮流計(jì)算功能，對(duì)BPA格式文件進(jìn)行潮流計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算得到的PFO文件判斷潮流計(jì)算是否收斂，如計(jì)算結(jié)果顯示收斂，則進(jìn)入下一步計(jì)算，否則調(diào)整系統(tǒng)收斂后再進(jìn)行潮流校驗(yàn)。

BPA格式數(shù)據(jù)在PSD-BPA程序中的潮流控制語句為：

（POWERFLOW，CASEID=潮流方式名，PROJECT=工程名）

/MVA_BASE=基準(zhǔn)容量

/P_OUTPUT_LIST，F(xiàn)ULL

/RPT_SORT=ZONE

/P_ANALYSIS_RPT，LEVEL=4

/OVERLOAD_RPT，TX=80，LINE=90

/NEW_BASE，F(xiàn)ILE=文件名

/PF_MAP，F(xiàn)ILE=文件名

3.2 系統(tǒng)等值

如今電網(wǎng)逐步形成巨大的互聯(lián)系統(tǒng)，以求提高電能質(zhì)量和獲得較好的供電可靠性，系統(tǒng)規(guī)模一般比較龐大，系統(tǒng)規(guī)模反映在BPA文件上就是巨大的數(shù)據(jù)量。由于系統(tǒng)分析的時(shí)候是分區(qū)進(jìn)行的，因此，有必要采用等值的方法縮小系統(tǒng)規(guī)模，僅保留所關(guān)注區(qū)域即可。

如果原始的BPA信息足夠完整的包含分區(qū)信息，可以運(yùn)用PSD-BPA程序的系統(tǒng)等值功能方便的把大系統(tǒng)等值成為所需要分析計(jì)算的小規(guī)模系統(tǒng)。

在此，需要編寫B(tài)PA系統(tǒng)等值文件，其控制語句語句如下：

（POWERFLOW，CASEID=文件名，PROJECT=工程名）

/OLDBASE，F(xiàn)ILE=文件名.BSE

/P_INPUT_LIST，F(xiàn)ULL

/P_OUTPUT_LIST，F(xiàn)ULL

/P_ANALYSIS_REPORT，LEVEL=4

/REDUCTION

>RETAIN_GEN=OFF<

>SAVE_BASES=ALL<

>SAVE_ZONES=需要等值的分區(qū)號(hào)（格式如：A B C D）<

（END）

等值完成后生成PFO類型文件。利用該文件進(jìn)行獲得前述的用于校正計(jì)算的自定義格式數(shù)據(jù)。

3.3 N-1開斷模擬

采用PSD-BPA程序的N-1開斷模擬功能，篩選出等值系統(tǒng)中不滿足N-1安全準(zhǔn)則的線路。

BPA格式數(shù)據(jù)在PSD-BPA程序中的N-1開斷模擬控制語句為：

（POWERFLOW，CASEID=潮流方式名，PROJECT=工程名）

/OUTAGE_SIM

>OLDBASE，F(xiàn)ILE==文件名（如A.BASE）<

>OVERLOAD，ZONES=指定要檢驗(yàn)是否過負(fù)荷的分區(qū)以及電壓等級(jí)（如：A B C，BASES=230.，230.）<

>OUTPUT_SORT=指定輸出表的種類（如：

OUT_OVER）<

（END）

該語句可以在指定的分區(qū)內(nèi)由程序自動(dòng)輪流開斷元件，得到過載和節(jié)點(diǎn)電壓越限情況，進(jìn)行N-1安全校核分析。

4 最優(yōu)校正控制

最優(yōu)校正控制是靜態(tài)安全校正計(jì)算的核心。這一部分計(jì)算采用由Matlab編程軟件所編寫的計(jì)算程序執(zhí)行。求解靜態(tài)安全校正問題的本質(zhì)也是最優(yōu)潮流問題，傳統(tǒng)的最優(yōu)求解模型可以表示為[4-6]：

其中，目標(biāo)函數(shù)f（c0，x0）可以表示發(fā)電費(fèi)用最低、系統(tǒng)有功損耗最小、負(fù)荷改變量最小等。

等式約束方程hk（c0，xk）是系統(tǒng)的潮流方程，k=0時(shí)，表示預(yù)想故障前系統(tǒng)的潮流方程，k=1，…，Nc時(shí)，表示預(yù)想事故發(fā)生后的潮流方程。不等式約束包含系統(tǒng)控制變量c0以及狀態(tài)變量xk的上下限約束。其中，控制變量c0在預(yù)想故障發(fā)生前后的潮流方程中表示同一個(gè)個(gè)控制量，狀態(tài)變量xk在控制變量c0下滿足各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)下潮流方程的因變量。

現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)算法由于其收斂速度快、精度高、具有多項(xiàng)式時(shí)間特性，可以方便地處理各類約束條件，而成為當(dāng)前開發(fā)實(shí)用化最優(yōu)潮流程序的首選算法。PSD-BPA程序執(zhí)行N-1開斷模擬所采用的算法為補(bǔ)償法，補(bǔ)償法不需要修改網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納陣進(jìn)行潮流計(jì)算，而是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中支路開斷的情況下，可以認(rèn)為該支路為被開斷，而在其2端節(jié)點(diǎn)處引入某一待求的功率增量或電流增量（或稱補(bǔ)償功率或補(bǔ)償電流）來模擬支路的開斷，計(jì)算速度快。

本文方法采用現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)法并結(jié)合補(bǔ)償法求解上述最優(yōu)校正模型[7-10]。目標(biāo)為發(fā)電機(jī)機(jī)組有功出力改變最小或相關(guān)負(fù)荷改變量最小。在優(yōu)化過程中，首先采用發(fā)電機(jī)機(jī)組出力改變最小作為目標(biāo)函數(shù)，可調(diào)變量為發(fā)電機(jī)機(jī)組有功以及無功出力。優(yōu)化校正完成后，如果通過調(diào)整機(jī)組出力無法使得設(shè)定的預(yù)想故障發(fā)生后仍滿足安全穩(wěn)定要求，則調(diào)整目標(biāo)函數(shù)為相關(guān)負(fù)荷改變量最小，同時(shí)可調(diào)變量為系統(tǒng)的有功負(fù)荷。一般選擇模擬斷線兩端節(jié)點(diǎn)所連接的負(fù)荷為可調(diào)負(fù)荷，通過調(diào)整負(fù)荷的方式減小預(yù)想事故發(fā)生后的過負(fù)荷線路上流過的功率，從而使得優(yōu)化結(jié)果滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

5 BPA回寫

該方法的最終結(jié)果是生成校正后的BPA格式數(shù)據(jù)文件。校正計(jì)算完成后生成自定義的結(jié)果文件，并把其中文件中的控制變量部分通過數(shù)據(jù)接口回寫到原BPA格式數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的位置?；貙憙?nèi)容包括可調(diào)發(fā)電機(jī)有功出力回寫到可調(diào)發(fā)電機(jī)BQ卡上的“實(shí)際有功出力”位置，各發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓回寫到所有發(fā)電機(jī)BQ卡的“安排的電壓閥值”位置，節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率回寫到B卡的“恒定有功負(fù)荷”位置。

回寫完成后，再次利用PSD-BPA程序?qū)貙懞蟮腂PA格式文件進(jìn)行潮流計(jì)算，只有潮流計(jì)算收斂才輸出BPA文件，否則重新調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置，再次執(zhí)行最優(yōu)校正計(jì)算。

6 測(cè)試算例

本文采用Visual Studio C#及Matlab進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)本文所述方法的潮流計(jì)算、N-1開斷模擬以及N-1最優(yōu)校正控制的一體化操作。

選取某省級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行算例分析，該系統(tǒng)包含958個(gè)節(jié)點(diǎn)、502條線路，104臺(tái)發(fā)電機(jī)，215臺(tái)有載調(diào)壓變壓器以及183個(gè)無功補(bǔ)償點(diǎn)。

系統(tǒng)中，A站 ～B站線路和C站 ～D站線路共同為C站所在區(qū)域供電。C站負(fù)荷通過C站 ～D站線路和C站 ～B站線路實(shí)現(xiàn)雙電源供電。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行N-1模擬開斷計(jì)算。結(jié)果顯示，A站 ～B站線路斷開后，導(dǎo)致C站 ～D站線路發(fā)生過流現(xiàn)象。C站 ～D站線路斷開后，導(dǎo)致C站 ～B站線路發(fā)生過流現(xiàn)象，如表1所示。

首先，對(duì)A站 ～B站線路開斷進(jìn)行優(yōu)化校正，消除越限現(xiàn)象。

選取預(yù)想故障線路所在區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)組作為可調(diào)機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。該區(qū)域內(nèi)包含C1和C22個(gè)電廠，分別有1臺(tái)和4臺(tái)機(jī)組。優(yōu)化后模擬開斷線路電流結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化后模擬開斷線路電流情況Tab.2 Line current of simulated breakingafter optim ization

可以看到，校正前的越限線路電流占額定電流比由113.0%降到99.9%，電流越限現(xiàn)象得到了消除。優(yōu)化后，電廠C1的發(fā)電機(jī)組有功出力由35 MW減少為2.8 MW，電廠C2的4臺(tái)發(fā)電機(jī)組則各自由30 MW增加至38 MW。如表3所示。

通過優(yōu)化校正控制，預(yù)防性的消除了N-1線路故障，使得A站 ～B站線路在運(yùn)行過程中退出后，系統(tǒng)不發(fā)生線路過流現(xiàn)象。

其次，對(duì)C站 ～D站線路開斷進(jìn)行優(yōu)化校正，消除越限現(xiàn)象。

選取預(yù)想故障線路所在區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)組作為可調(diào)機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。由于預(yù)想故障線路以及由其引起的過負(fù)荷線路與A站 ～B站線路處于同一個(gè)區(qū)域內(nèi)，所以同樣選擇C1和C22個(gè)電廠的5臺(tái)機(jī)組作為可調(diào)機(jī)組。

優(yōu)化后，電廠C1的1臺(tái)發(fā)電機(jī)有功出力由35 MW調(diào)整為29.9 MW。電廠C2的4臺(tái)發(fā)電機(jī)有功出力各自由優(yōu)化前的30 MW調(diào)整為25.07 MW。如表4所示。

表3 優(yōu)化前后可調(diào)機(jī)組有功、無功出力情況Tab.3 The adjustable generators’active and reactivepower before/after optim ization

表4 優(yōu)化前后可調(diào)機(jī)組有功、無功出力情況Tab.4 The ad justable generators’active and reactivepower before/after optim ization

調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力進(jìn)行優(yōu)化后，模擬開斷線路電流結(jié)果如表5所示。

表5 發(fā)電機(jī)組優(yōu)化后模擬開斷線路電流情況Tab.5 Line current of simulated breaking afteroptim ization of generating units

可以看到，調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力調(diào)整后，過流線路電流有所下降，但是未能滿足安全運(yùn)行的要求。說明無法通過調(diào)整發(fā)電機(jī)機(jī)組出力調(diào)整潮流分布使該系統(tǒng)完全校正到安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。因此，需要調(diào)整優(yōu)化策略。

不調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組出力，通過調(diào)整負(fù)荷以負(fù)荷變化量最小作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系分析，選取C站有功負(fù)荷作為可調(diào)變量。優(yōu)化后，C站有功負(fù)荷由優(yōu)化前的245 MW降到193.45 MW。如表6所示。

通過對(duì)C站的有功負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，降低了線路負(fù)載，從而消除了線路過流現(xiàn)象，模擬開斷C站 ～B站的過流線路優(yōu)化后電流情況如表7所示。

表6 優(yōu)化后負(fù)荷調(diào)整情況Tab.6 Load after optim ization

表7 負(fù)荷優(yōu)化后模擬開斷線路電流情況Tab.7 Line current of simulated breaking after loads optim ization

通過2個(gè)算例可以看到，本方法通過聯(lián)合采用PSD-BPA程序以及基于現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)法編寫的Matlab程序，分別進(jìn)行基于N-1安全標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)安全分析以及預(yù)防性安全校正，不但消除了系統(tǒng)的潛在安全隱患，而且使得原過流線路電流值控制在額定電流的極限，線路的電能傳送能力得到了很好的利用，保證了系統(tǒng)安全性，收到了很好的效果。

7 結(jié)語

本文闡述了一種結(jié)合PSD-BPA以及Matlab編程的電力系統(tǒng)安全分析以及校正方法。通過建立安全校正模型，圍繞BPA格式數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，把以往無法直接完成的安全分析與安全校正計(jì)算有機(jī)的結(jié)合在一起，并運(yùn)用現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行求解。對(duì)于以BPA格式作為電力系統(tǒng)系統(tǒng)描述語言的電力部門來說提供了一種方便快捷、穩(wěn)定可靠的分析校正方法，減輕了運(yùn)行維護(hù)以及規(guī)劃設(shè)計(jì)人員不必要的工作量，使得電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方式的制定變得簡(jiǎn)單易行，全面提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

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