基于BPA软件的地区电网静态电压稳定性分析

路 敏

(上海市电力公司电网建设公司,上海 200002)

0 引言

随着负荷中心用电需求的不断增长,大容量远距离输电的不断增加,电力系统电压稳定性问题日益突出。电压稳定分为大扰动电压稳定以及静态电压稳定,其中静态稳定是指系统受到小扰动后,系统电压能够保持或恢复到允许的范围内,不发生电压崩溃的能力[1-2],主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的电压静态稳定储备情况。

在实际工程中,电力部门往往急需电压稳定指标来确定电压稳定控制策略以及调度规划,电压静态稳定分析由于其简单实用,在工程中取得了较多的应用。电压静态稳定的分析方法很多,主要有Q-U法、潮流多解法、灵敏度法、能量函数法、最大功率法及连续潮流法等。

各种方法中,连续潮流法通过逐渐增加节点负荷,依次进行潮流计算,确定临界值,能有效避免雅可比矩阵的奇异,能错开收敛性问题、准确计算静态电压稳定裕度,还能绘制出节点功率-电压(P-V)曲线,计算结果更接近实际,在工程应用中受到很大重视。

1 静态电压稳定分析模型

基于上海电网黄渡分区的受电现状以及电力系统潮流分析软件(BPA)的功能,寻求一种能够模拟实际系统运行的P-V曲线求取模型,主要从负荷增长方式、发电机功率调度方式、发电机无功越限处理方式、外网输送功率调度方式、负荷模型等方面加以分析。

1.1 区域比例负荷增长方式

负荷增长方式视功率交换方案而定,其中最简单的负荷增长方式为区域比例负荷增长方式,如式(1)所示:

式中:NL——负荷节点数;ΔPLi——负荷节点i的有功增量;ΔQLi——负荷节点i的无功增量;PLi——负荷节点i的原始有功负荷;QLi——负荷节点 i的原始无功负荷; ΔPL——区域有功的总增量;ΔQL——区域无功的总增量;PL——区域总有功;QL——区域总无功。

1.2 负荷比例分配方式

当系统有功负荷增长时,仅由平衡机提供额外发电功率是不够的,一般同时需要增大系统中可调节机组的有功功率以平衡需求。发电机的有功调度方式主要有比例分配、调速器响应、经济调度、自动测调(AGC)控制等多种方式。电网内负荷及网损的波动一般由多个电厂,甚至所有的发电厂按一定的规则分担。由于难于给出具体的分配方案,故难以给出切合实际的计算。

本文基于的初始负荷为2009年夏季典型负荷,负荷基数比较大,各发电机已经接近有功功率输出极限,所以采用负荷比例分配方式。比例分配方式下各发电机参与有功调节所分配的功率增量与其当前有功输出成正比,即:

1.3 发电机无功越限方式

目前,处理发电机无功越限常用的方法有两种,一种是一旦发电机无功越限,就将该发电机节点从P-V节点转变为P-Q节点。另一种处理方法是当发电机无功越限时,求出越限时发电机的空载电势,并认为该空载电势保持恒定,将发电机从P-V节点模型转化为直轴电抗后空载电势恒定模型。考虑到BPA分析工具的局限性,本文采用前一种处理方法。因此,在分析过程中可能会有一些误差。

1.4 外网出力调度方式

上海电网作为一个大的受端网络,大部分有功是通过区外电网提供的,所以外网输送有功的调度方式对P-V曲线的求取有一定的影响。外网有功的调度,需要考虑各电网的实际互联情况以及各电网的实际发电能力,情况比较复杂,难以得到准确的调度方式。本文采用一种较为简单的负荷比例分配方式,高压直流则按满功率输送大方式运行。

1.5 静态负荷模型

负荷模型有动态模型和静态模型两种,BPA软件不具备分析动态负荷模型的条件,一般说来,采用静态负荷模型就能满足要求。

本文选择恒功率负荷作为静态负荷模型,在这种负荷模型下,最大功率法的分析工具P-V曲线的拐点即是电网的电压失稳点。

1.6 静态电压稳定分析流程

根据上述分析,静态电压稳定分析流程如图1所示。

图1 静态电压稳定分析流程图

2 BPA接口程序设计

BPA是我国进行电力系统分析计算的权威软件之一[4-5],但是BPA每次只能进行一种运行工况下的潮流计算,如果需要进行不同运行工况下的潮流计算,必须重新填写潮流文件。静态电压稳定分析需要多次使用BPA进行潮流计算,所以,编写稳定可靠的BPA接口程序,是解决该问题的关键。

2.1 BPA接口框架

BPA接口框架如图2所示。BPA的接口包括4个模块:进程处理模块、稳定分析模块、曲线绘制模块、容错处理模块。

图2 BPA接口框架

2.2 各模块的功能

2.2.1 进程处理模块

进程处理模块是与核心计算引擎联系最为紧密的一个模块,负责BPA潮流分析程序的启动、关闭以及动态调整进程运行优先级等相关任务。

2.2.2 稳定分析模块

稳定分析模块是整个静态电压稳定分析的核心,可以完成多项功能。

1)按照静态电压稳定分析模型中负荷增长方式、机组出力调度方式、机组无功出力越限处理等规则形成潮流计算原始文件,供BPA潮流计算使用。

2)读取BPA潮流计算结果,并对结果进行分析计算,求取静态电压稳定裕度,并将分析结果存入数据库或返回到用户界面。

2.2.3 曲线绘制模块

利用稳定分析模块读取的结果,绘制P-V曲线图。

2.2.4 容错处理模块

由于程序在运行过程中可能会出现错误导致程序陷入死循环,所以容错处理模块是整个接口设计中不可或缺的一环。它对在运行过程中出现的各种错误及时地进行处理,并将出错信息反馈给前台,从而提高程序的鲁棒性。

3 电压静稳裕度指标

在静态电压稳定分析中,采用连续潮流计算,通过逐渐增加负荷的方式,可以确切计算出节点临界功率。通过临界功率,可以计算出当前运行状态的电压静稳裕度指标。

假设某节点的P-V曲线如图3所示,图中P o和V o分别为节点当前运行状态的功率及电压;P c和V c分别为临界功率及电压,则静稳裕度指标SVSI计算式如式(3)所示:

图3 P-V曲线

由式(3)可知,当运行状态靠近临界点,静稳裕度指标减小,反之则增大。也就是说,静稳裕度指标的大小,体现了当前运行状态节点静态电压稳定情况。

4 黄渡分区静态电压稳定分析

为了研究2010年黄渡分区的静态电压稳定水平,选择夏季高峰这种典型运行方式进行分析,求取正常运行情况下的有功负荷电压稳定裕度、电压静稳裕度以及黄渡分区的电压薄弱区域。

黄渡分区处于上海的西部电网,是上海电网的负荷中心。它通过黄渡站4台主变从500 kV系统受电,分区电网呈放射状,向西郊、威武、于田、青浦和嘉定供电。分区内部只有一台12 MW小机组。500 kV黄渡站夏季高峰时的P-V曲线图如图4所示。

图4 500 kV黄渡站夏季高峰时P-V曲线

500 kV黄渡站的初始有功负荷2250 MW;有功负荷稳定极限为6330 MW;有功负荷稳定裕度为4080 MW;初始电压为501.62 kV;电压静稳极限为 429.92 kV;电压静稳裕度为14.30%。

对于黄渡分区所有220 kV节点,逐个等功率因数增加其负荷,逐步逼近系统的临界状态,全网的其他节点的负荷保持不变,得出该节点对应的P-V曲线,并计算其相应的有功裕度值。

黄渡分区总共有17个220 kV的母线节点(其中带有负荷节点的有11个),其有功裕度由小到大排列,如表1所示。

表1 正常运行方式下黄渡分区220 kV母线有功裕度

由表1可以看出,在正常的运行方式下,青浦(SQP_29__)、古北、青浦(SQP_26__)、威武、嘉定等母线节点值最小,反映出这几个节点的负荷较重,同时负荷增长裕度最小,成为黄渡分区承受负荷增长能力最差的几条母线,是黄渡分区的薄弱母线。但是,在断开黄渡分区外部昆太-徐行双线时,系统的极限传输功率有较大的减少。

在正常运行方式下,系统的极限传输功率为30647.94 MW,负荷裕度指标为25.55%;断开昆太-徐行双回输电线后,系统的极限传输功率降为29093 MW,系统的负荷裕度为19.18%。由此可以看出,由于系统的网架结构发生变化,断开了和江苏电网的其中一个交流联络通道,从而使得系统的极限传输功率发生了变化,进而造成系统的负荷裕度有了很大的降低,使系统带负荷的能力大为减弱。

在这种运行方式下,一旦发生负荷快速增长,很可能会导致系统在来不及采取措施的情况下,发生电压失稳事故。

断开昆太-徐行单回线、断开昆太-徐行双回线以及正常运行三种运行方式下黄渡站500 kV侧母线电压和上海电网总有功负荷的P-V曲线图如图5所示。

对上述三种运行方式进行比较,由图5可以清楚地看到,断开昆太-徐行单回线时的P-V曲线和正常运行方式下的P-V曲线几乎重合,但是断开昆太-徐行双回线时的P-V曲线和正常运行方式下的P-V曲线发生了较大的偏离,系统的极限传输功率有较大减少,黄渡站500 kV侧电压有较大程度的下降。在这种运行方式下,系统的静态电压稳定存在一定的问题。

图5 断开昆太-徐行单双回线和正常运行方式下P-V曲线对比

5 提高电压稳定水平的措施

提高电压稳定水平的措施有多种。

1)加强电网建设强化电网结构 虽然目前黄渡分区电压静稳裕度能够满足负荷增长的要求,但是黄渡分区内部仅有一台12 MW的小机组,而且分区电力仍需通过联变来供应,所以需要加强分区电源建设。其次,要加强分区内电源与负荷、负荷与负荷之间的联系,形成坚强网架,确保分区电网具有较高的电压稳定裕度。另外,还要加快黄渡分区和上海电网其他分区之间的备用通道建设,解决黄渡分区联发生变故障时的电能供应问题。

2)强化电网的无功配置 强化电网的无功配置主要通过无功补偿装置等手段来支撑系统的薄弱区域。它是运行人员处理电压稳定相关问题的主要控制手段,能经济有效地提高系统的负荷裕度。黄渡分区的青浦、古北、威武、嘉定等节点是分区电网的薄弱节点,需要在这些节点处投入无功补偿装置,用以提高其稳定裕度。

3)强化低压减载措施的配置与管理 低压减载被认为是防止系统发生电压崩溃的有效措施,是防止系统大面积停电、维持系统安全稳定运行的第三道防线的重要组成部分。黄渡分区作为上海电网的负荷中心,其低压减载方案的主要目的是预防静态电压失稳(负荷持续增长超过极限)以及大扰动时减缓电压失稳(短时间内系统达到电压稳定状态,但以后由于系统内其他自动调节或控制装置的调控,导致系统电压缓慢下降,最终发生电压崩溃),而不是暂态电压失稳。

根据已有系统的运行经验,单纯的分布式或集中式低压减载系统均难保证可靠的正确动作。因此,黄渡分区低压减载方案,建议以集中式为主,分布式为辅,集中式和分布式方案相结合,分布式装置作为集中式系统的后备,并在集中式系统未正确动作时维持系统电压的稳定性。

7 结论

基于BPA软件能有效进行单次潮流分析与计算的特点,设计并构建电力系统静态电压稳定分析的BPA外部接口。采用该方案可以进行连续潮流计算、确定节点静态电压稳定裕度、绘制节点P-V曲线,是实现电力系统静态电压稳定分析的一种有效工具。将该方法应用于上海黄渡分区电网的静态电压稳定分析与计算,证明了该方法通用性强。通过对电力系统静态电压稳定分析的连续潮流仿真计算。证实了采用该方法可以提高电网电压的稳定性,这一措施对分区电网安全运行具有一定的现实意义。

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