计算机在电力系统计算中的应用

熊方扬　熊方江

在电力系统的计算方面,计算机广泛应用于电力系统的潮流计算、短路电流计算和稳定计算等。多年来,这三种计算在数学模型计算方法和程序技巧上不断得到改进和完善,计算程序的课题规模、计算速度等也达到了较高水平。

在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中,潮流计算被用来定量分析、比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性,是计算电力系统动态稳定和静态稳定的基础。潮流计算是根据给定的运行条件及系统接线情况来确定整个电力系统各部分的运行状态,如各母线的电压、各元件中流过的功率、系统的功率损耗等,它分为离线计算和在线计算。前者主要用于系统规划设计和安排系统的运行方式,后者则用于正在运行系统的经常监视及实时控制。离线潮流计算问题的数学模型是一组多元非线性方程式,其解法主要采用以节点导纳矩阵为基础的牛顿迭代法和P—Q分解法。前一种方法的原理比较简单,占有内存量少,但它的收敛性较差。以阻抗矩阵为基础的分块阻抗法,改善了系统潮流计算问题的收敛性,还提高了计算速度,节省了内存占有量。

电力系统发生短路故障时,系统中的电流比正常运行方式大得多,使系统中各节点的电压降低,正常工作的设备就会受到影响,甚至破坏系统的稳定性,造成大面积的停电事故。所以在电力系统的设计和运行中要进行一系列的短路电流的计算,以求出在给定系统参数和接线情况下,各种短路故障时通过系统各部分的电流及各节点的电压。短路电流计算广泛应用于以阻抗矩阵为基础的计算方法。近年来,发展了以导纳矩阵三角分解为基础的计算方法,提高了计算速度,节省了内存。

电力系统动态稳定计算的主要目的是确定系统受到大扰动(如发生短路故障,负荷瞬间发生较大的突变,切除大容量的发电、输电和变电设备等)以后,系统各发电机组是否能继续维持同步运行,分析影响电力系统动态稳定的各种因素,并在此基础上研究提高电力系统稳定性的措施。电力系统静态稳定是指系统在运行过程中受到微小的扰动(如个别负载的接入、切除或负荷大小变化等),出现暂态过程后,系统仍然回复到扰动前的运行情况。为了保证电力系统安全、可靠的运行,在电力系统设计和运行中,必须分析某些参数对系统静态稳定的影响。例如,分析线路串联电容补偿度对静态稳定的影响,以便决定补偿度;分析调节器某些参数对静态稳定的影响,从而决定调节器的稳定值等等。静态稳定的计算方法主要是采用小振荡法和实用计算法。实用计算法是在应用交流计算台计算系统静态稳定的基础上发展起来的方法。这一方法较简单,计算工作量较小,但它采用了一些简化假定,使它的应用范围有一定的局限性。小振荡法是列出描述电力系统运行的微分方程组,然后进行线性化,得出“一次近似”的微分方程组,再根据这一线性微分方程组的特征方程式根的性质来判断其稳定性,这一方法是以李雅普诺夫关于运动稳定性的理论为基础的,在理论上是比较严格的,但它的计算工作量较大,所以只有采用计算机才有可能进行计算。

应用计算机进行电力系统计算时,需要掌握电力系统的数学模型、计算方法和程序设计技巧等方面的知识,这在许继电气股份有限公司开发CBZ-8000 变电站自动化系统中得到了较好地体现。

CBZ-8000变电站自动化系统采用分层分布式结构,保证了系统组态的灵活性和功能配置的方便性。系统整体上分为站控层和间隔层,站控层和间隔层之间通过通信网络相连(见图1)。系统在设计时充分考虑了电力系统信息化的要求,设计了与MIS系统和继电保护信息管理系统等多种信息化系统的接口,提供了变电站全面的信息服务支持。

图1 CZB-8000变电站自动化系统配置图

站控层设备包括操作员站、远动主站、继保工程师站、微机五防系统网络接口。站控层为变电值班员、调度运行人员提供了变电站监测、控制和管理功能,是整个变电站监视、测量、控制和管理的智能化中心。

操作员站监控系统软件采用分层设计、构件化、标准化、开放化等先进的开发思想,自主开发的拥有自主版权的监控软件,具有数据采集和处理、报警处理、事故追忆、数据库建立和管理维护、历史纪录处理、控制(具备就地/主站/远方三级控制),系统自诊断与自恢复、运行管理、报表功能、电压无功综合控制VQC等功能。

远动主站是变电站对外通信控制器,其软件设计采用模块化。遵循开放系统要求,提供高级数据访问接口;遵守多种远程通讯规则,支持多调度主站和多种通信口,支持多种硬件配置方式,具有就地监控功能和调试功能,主备机双机运行方式等功能。

继电保护工程师站与继电保护装置、故障录波器、安全自动装置等一起构成“继电保护故障录波信息处理系统”的子站系统。工程师站采用高性能计算机通过网络直接同间隔层的测量和保护设备直接通讯。通过对变电站的故障信息进行综合分析,为分析事故、故障定位和整定计算工作提供科学依据,让主管部门及时了解电力系统故障情况,以做出正确的分析和决策,保证电力系统稳定运行。继电保护工程师站具有系统设置功能、监视和采集功能、操作功能、信息管理功能、界面显示功能、信息安全保护功能、数据库管理功能、故障录波分析等多种功能。

间隔层按照不同的电压等级、不同的电器间隔单元、不同的控制对象设置在各个设备单元中,或下放到高压设备现场。在站控层或通讯网络发生故障情况下,间隔层仍能独立完成间隔层的监测和控制功能。

间隔层设备设计采用统一的硬件平面和软件平台,以32位的浮点型DSP(数据处理器)作为装置的核心器件,引入成熟可靠的嵌入式RTOS(实时多任务操作系统)。间隔层设备包括:保护装置、测控装置、自动装置、操作切换装置以及其他的智能设备和附属设备。

(作者单位:江西省广电局江西人民广播电台)

栏目责编:肖月