線路多變條件下電力設備熱穩(wěn)定實時控制方法

楊慢慢，尹兆磊，陳 晨，白明輝

（國網(wǎng)承德供電公司，承德 067000）

電力系統(tǒng)的負荷水平隨著經(jīng)濟的發(fā)展不斷提高，越來越多的電力設備處于熱穩(wěn)定極限狀態(tài)運行[1]。由于電網(wǎng)運行的特點以及過渡期電網(wǎng)網(wǎng)架特點使得電網(wǎng)在運行過程中受到電力設備的熱穩(wěn)定約束。電網(wǎng)在高負荷狀態(tài)運行時，離線安全方式無法確保電網(wǎng)運行的安全性，因此需要對電力設備的熱穩(wěn)定狀態(tài)展開實時監(jiān)控，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)電力設備的過載運行是導致其接近熱穩(wěn)定極限狀態(tài)運行的主要因素[2]，為了確保電力設備在電網(wǎng)中的安全運行，需要避免其處于熱穩(wěn)定極限狀態(tài)，因此研究電力設備熱穩(wěn)定實時控制方法具有重要意義。

文獻[3]首先分析了電力設備的耐受過負荷能力，計算電力設備的導線動態(tài)電熱特征量作為電力設備熱穩(wěn)定控制的依據(jù)，將最小控制代價作為優(yōu)化目標，建立電力設備熱穩(wěn)定控制目標函數(shù)，該方法控制后電力設備的功率波動較大，且電流值較高。文獻[4]首先通過層次聚類算法對電力設備分區(qū)，建立電力設備熱穩(wěn)定控制的雙層控制模型，上層模型主要用于調(diào)節(jié)電力設備的功率，下層模型分析過載區(qū)域的功率變化情況，結合上層模型和下層模型完成電力設備的熱穩(wěn)定控制，該方法控制后電力設備的鋼芯和鋁層溫度較高，存在控制效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于邊緣計算的電力設備熱穩(wěn)定實時控制方法。通過構建邊緣網(wǎng)絡模型，確定線路多變條件下電力設備相關參數(shù)，建立熱穩(wěn)定實時控制目標函數(shù)，確定電力設備的負荷變化曲線，對電力設備展開熱穩(wěn)定實時控制。

1 電力設備熱穩(wěn)定極限平衡函數(shù)設計

1.1 構建邊緣網(wǎng)絡模型

為了滿足電力設備熱穩(wěn)定控制的實時性，建立了邊緣網(wǎng)絡模型，為電力設備熱穩(wěn)定控制提供實時的計算服務。在以下假設條件下建立邊緣網(wǎng)絡模型：

（1）完成邊緣計算器和電力設備的部署[5]；

（2）執(zhí)行工作任務時，電力設備屬于周期性變化；

（3）計算任務時，邊緣節(jié)點具有相同的頻率。

基于邊緣計算的電力設備熱穩(wěn)定實時控制方法建立的邊緣網(wǎng)絡模型如圖1 所示。

圖1 邊緣網(wǎng)絡模型Fig.1 Edge network model

用Ye=｛Ye1，Ye2，…，Yem｝表示電力設備集合，m表示電力設備在電力系統(tǒng)中的數(shù)量。每個邊緣服務器節(jié)點在邊緣網(wǎng)絡模型中都存在不同的計算能力[6]，通過無線和有線的方式與電力設備完成通信。用Fi｝表示第i 個電力設備的計算任務，表示完成計算任務時邊緣節(jié)點的時間閾值，Yi表示計算任務所需的周期數(shù)，Oi表示第i 個電力設備執(zhí)行任務的數(shù)據(jù)大小。用R=｛r1，r2，…，rn｝表示邊緣網(wǎng)絡模型中存在的邊緣服務器，當邊緣服務器ri被分配任務時，ri=1，當邊緣服務器ri沒有被分配任務時，ri=0。

當ri=1 時，用gc表示邊緣節(jié)點在邊緣網(wǎng)絡模型中的計算頻率，Gmax為gc的最大值，在邊緣網(wǎng)絡中，所有邊緣節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)接收到的任務量為邊緣節(jié)點完成上述任務量計算花費的時間為t：

在邊緣計算過程中，邊緣節(jié)點的計算頻率符合下述條件：

采用上述邊緣網(wǎng)絡模型通過邊緣計算獲取電力設備在電網(wǎng)中的運行數(shù)據(jù)，為下述電力設備熱穩(wěn)定評估提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 熱穩(wěn)定極限平衡函數(shù)構建

根據(jù)得到的電力設備相關參數(shù)，構建熱穩(wěn)定平衡函數(shù)，以便完成電力設備熱穩(wěn)定極限評估。為此，本文需要設計電力設備線路模型，如圖2 所示。

圖2 電力設備系統(tǒng)Fig.2 Power equipment system

其中，存在n 條交流線路，Vs、Vr分別表示斷面送端母線和受端母線對應的電壓；xi表示第i 條線路對應的電抗；li表示電力系統(tǒng)中存在的第i 條線路；εsr代表的是電壓相差角。

設At代表的是電力設備線路的熱穩(wěn)定極限功率，環(huán)境溫度會對該值產(chǎn)生影響，根據(jù)熱穩(wěn)定極限平衡函數(shù)計算得到：

式中：U 表示電力設備的電壓；cosγ 表示功率因數(shù)；Imax＝LIs表示線路在電力設備中的熱穩(wěn)定極限電流，其中L 為溫度校正系數(shù)，Is為線路在環(huán)境溫度為25℃時的安全電流。

通過下式構建電力設備系統(tǒng)中的熱穩(wěn)定極限平衡函數(shù)A（xi）：

分析上式可知，可根據(jù)各條線路在電力設備系統(tǒng)中的電抗為斷面分配有功潮流[7-8]。

用ΔAkj代表的是線路lk在電力設備系統(tǒng)中的有功潮流增量：

各條線路ΔAkj的總和Aj可表示為

線路lk在lj斷開條件下的有功潮流轉(zhuǎn)移比ιkj可通過下式計算得到：

根據(jù)上述計算結果，獲得線路lk在lj斷開條件下的有功潮流變化率μkj：

當k=j 時，ΔAkj=Aj。

在初始潮流的基礎上對電力設備展開開斷模擬[9-10]，獲得μkj值，建立μ矩陣：

在不同的線路條件下，電力設備斷面處狀態(tài)存在差異。當電力設備斷面處于熱穩(wěn)定極限狀態(tài)時，此時電力系統(tǒng)中會存在線路斷開，在此條件下某條線路lk會處于熱穩(wěn)定極限狀態(tài)，通過下式計算線路lj斷開時線路lk在電力設備系統(tǒng)中的有功潮流：

這道題通過孟子和蘇格拉底的法制觀念切入，要求學生分析二者法制觀念的不同，并且分析其各自的背景和歷史價值，目的在于讓學生明白：不同的政治經(jīng)濟文化背景決定了孟子和蘇格拉底法制觀念的不同，簡言之：二者植根于不同的土壤。孟子強調(diào)“人倫至上”，而蘇格拉底突出“法律至上”，二者都對中國和西方的法制發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響，是人類思想史上的寶貴遺產(chǎn)，對今天我國的法制觀念也具有一定的借鑒意義。

式中：Akt表示線路lk在電力設備中的熱穩(wěn)限額。以此為依據(jù)建立電力設備斷面在熱穩(wěn)極限狀態(tài)下的有功潮流矩陣AT：

求取有功潮流矩陣AT的列，獲得線路lj斷開前電力設備斷面的運行功率，計算結果中的最小值，即為電力設備的熱穩(wěn)定極限平衡函數(shù)A（xi）：

根據(jù)得到的電力設備熱穩(wěn)定極限評估結果，獲取熱穩(wěn)定極限平衡參數(shù)，進行熱穩(wěn)定實時控制。

2 考慮線路多變的熱穩(wěn)定實時控制

根據(jù)電力設備熱穩(wěn)定極限平衡函數(shù)，考慮線路多變狀態(tài)，建立電力設備熱穩(wěn)定實時控制目標函數(shù)。

當線路處于正常狀態(tài)時，將負荷最小作為目標[11-12]，建立第一個目標函數(shù)：

式中：Mc表示負荷數(shù)量；表示實際停電時間內(nèi)電力設備的負荷用電量；T 表示修復電力設備故障所需的時間；ci表示負荷狀態(tài)，當ci的值為0 時，表明電力設備故障沒有恢復，當ci的值為1 時，表明電力設備故障被恢復；Vzi表示負荷i 對應的權重。

當線路處于隔離狀態(tài)時，將開關數(shù)最少作為目標，建立第二個目標函數(shù)：

式中：Mcp表示電力設備中可操作的開關總數(shù)；COL表示操作開關i 所需的費用。

當線路處于消缺狀態(tài)時，將最少過載時間作為目標[13]，建立第三個目標函數(shù)：

式中：Me表示電力設備中存在的邊界開關總數(shù)。

采用上述電力設備熱穩(wěn)定實時控制目標函數(shù)控制電力設備時，需要滿足以下約束條件[14]：

（1）過載上限：

式中：當參數(shù)bij的值為0 時，元件j 不向負荷i 供電，當參數(shù)bij的值為1 時，元件j 向負荷i 供電；Ivij表示元件j 在電力設備中的最大負荷量。

（2）過載量：

式中：u（x）表示階躍函數(shù)；Irj表示額定運行狀態(tài)下元件j 在電力設備中可增加的負荷量；to表示允許元件j 在電力設備中的過載時間。

通過過載上限、過載量作為約束條件求解電力設備熱穩(wěn)定實時控制目標函數(shù)的值，整理式（17）、式（18）得到熱穩(wěn)定實時控制目標函數(shù)的關鍵影響參數(shù)為最大負荷量Ivij與可增加負荷量Irj，而Irj由過載量td決定，故當過載時間to與相鄰點時間間隔td的比大于1 時，電力設備熱穩(wěn)定平衡被打破，此時需要減小最大負荷量Ivij從而增大過載上限，實現(xiàn)線路多變狀態(tài)下電力設備熱穩(wěn)定實時控制。

3 實驗與分析

3.1 功率波動分析

為了驗證基于邊緣計算的電力設備熱穩(wěn)定實時控制方法的整體有效性，需要對其展開測試。在測試過程中，引入文獻[3]方法和文獻[4]方法作為對比方法，以保證實驗的真實性。

電力設備處于極限熱穩(wěn)定狀態(tài)時的功率波動如圖3 所示。

圖3 極限熱穩(wěn)定狀態(tài)下電力設備的功率波動圖Fig.3 Power fluctuation diagram of power equipment under extreme thermal stability state

由圖3 可知，電力設備處于極限熱穩(wěn)定狀態(tài)時其功率變化量較大，現(xiàn)采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對上述電力設備展開熱穩(wěn)定控制，控制后的功率波動情況如圖4 所示。

圖4 不同方法的功率波動圖Fig.4 Power fluctuation diagram of different methods

分析圖4 可知，采用所提方法對電力設備展開熱穩(wěn)定控制后，電力設備的功率波動明顯減小，而文獻[3]方法和文獻[4]方法的功率波動量仍然較大，表明所提方法具有良好的控制效果。

3.2 溫度和電流變化分析

采用上述方法展開熱穩(wěn)定控制時，電力設備的鋼芯、鋁層溫度以及線路電流變化情況如圖5 所示。

圖5 不同方法的溫度和電流變化情況Fig.5 Temperature and current changes of different methods

分析圖5 可知，在文獻[3]和文獻[4]方法的控制下，電力設備的電流雖然有所下降，但仍然較高，鋁層溫度高于安全溫度70℃，鋼芯溫度在控制后也無法降到初始溫度。采用所提方法對電力設備展開熱穩(wěn)定控制時，鋼芯溫度在控制后可達到初始溫度，鋁層溫度均控制在安全溫度70℃以內(nèi)，電流值顯著降低，因為所提方法建立了邊緣網(wǎng)絡模型，通過電力設備的邊緣數(shù)據(jù)對其熱穩(wěn)定狀態(tài)展開評估，根據(jù)評估結果進行熱穩(wěn)定實時控制，可有效控制電力設備的電流、鋁層以及鋼芯溫度，避免電力設備處于極限熱穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

當電力設備過載運行時，會導致其處于極限熱穩(wěn)定狀態(tài)，容易產(chǎn)生故障，在電力設備安全運行的過程中，亟需有效的熱穩(wěn)定控制方法。目前電力設備熱穩(wěn)定控制方法存在功率波動大、鋁層和鋼芯溫度高、電流值高的問題，本文提出基于邊緣計算的電力設備熱穩(wěn)定實時控制方法，采集了電力設備的邊緣數(shù)據(jù)，以此評估電力設備的熱穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)評估結果建立熱穩(wěn)定控制目標函數(shù)，實現(xiàn)電力設備的熱穩(wěn)定實時控制。本方法降低了電力設備的功率波動，并將鋁層溫度控制在安全范圍內(nèi)，降低了設備的鋼芯溫度和電流值，具有良好的控制效果，可保障電力設備在運行過程中的穩(wěn)定性和安全性。