存在假电气孤岛情况下的地区电网潮流计算

黄小耘

（广东电网公司佛山供电局，佛山 528000）

地区电网的配电网（包括110 k V的高压配电网）一般开环运行，地区电网的调度员合环潮流计算是在合环操作前进行潮流计算以校核设备是否过载，在电网安全运行方面有很大作用。由于地区电网是省级电网的一部分，边界以外的信息需要从上一级调度机构获得。外网等值是解决边界外信息的一个方法，但由于模型的构建和传输等方面的困难，其应用效果很差。

地区电网能量管理系统ESM（energy management system）中高级应用软件的主要功能是状态估计和调度员潮流。状态估计得出各母线电压的幅值和相角数据，其数据用于调度员潮流计算［1］。

假设SCADA／EMS（监控与数据采集／能量管理系统（supervisory control and data acquisition／energy management system）的测量是完整的，也就是说各母线电压幅值和各线路的有功、无功、电流的测量是完备的。在上面假设的情形上，对于一个完整的互联电网其状态估计和潮流计算都是没有问题的。由于地区电网只是互联电网的一部分，地区电网EMS只有本地数据，在电气拓扑上可能会出现几个假电气孤岛的情况。

在“孤岛”的情况下回存在几条平衡母线，“孤岛”之间的合环潮流计算肯定是不可能的，因为平衡母线的电压角度为0，而实际上只有一条平衡母线，其余的"平衡母线"由于与真正的平衡母线有电气联系，其电压角度并不为0。

解决以上问题的一个方法是外网等值［2］，这时可以利用上一级调度机构转发的数据在地区电网EMS构建一个超越其边界的更大的模型来进行状态估计和潮流计算，由上级调度机构计算等值的边界模型向下级发送，地区EMS根据上级的等值网络进行潮流计算。

由于外网等值数据不能直观地加以检验，实际应用中较难取得良好的效果。本文提出解决问题的第二个方法是由上一级调度定时向地区调度EMS发送状态估计后地区电网边界母线电压的相角，地区电网根据以上数据修正其各个孤岛的母线电压相角，最后修正全地区母线电压的相角。

本文提出解决问题的第三个方法是是直接测量地区电网各个孤岛平衡母线电压的相角，再根据测量结果修正各个母线电压的相角。

本文分3节描述以上3种方法。第二节介绍上一级调度下发等值电网数据的方法，第三节提出上一级调度下发状态估计后母线电压相角信号，第四节提出应用同步相量测量系统于地区调度员潮流计算的方法。

1 上一级调度下发等值电网数据

图1是一个地区主干电网的示意。在该种情形下，对于两个电气"孤岛"间的潮流计算是不可能的。大圆里面是地区EMS的“视界”，大圆外面是上级调度的EMS。实线的连线代表连通的线路，如AC、CD、DB、BF；虚线代表断开的线路，如线路EF。在上面情况下，地区EMS的“视界”有两个“孤岛”，一个由A、E点组成，另一个电气岛由点B、F组成。当然，在上一级调度的“视界”看来，这两个电气岛其实是同一个电气岛，因为A、C、D、B是连通的。

地区电网是整个互联电网的一部分，如果某个地区电网试图对其内部电网进行分析，它的外部互联电网需要用合适的方式予以表达。由于地区电网分析只对其内部潮流感兴趣，外部网络就以等值的形式表达。

图1 地区电网EMS的困境Fig.1 Dilemma of EMS in an area network

潮流方程如下：

式中：Y为系统导纳矩阵；V为电压向量矩阵；I为电流向量矩阵。

将式（1）以下标区分为内部（i）节点，边界（b）节点和外部（e）节点，可以写成

将外网等值，就可以消去外网节点，等值的潮流方程为

以上就是Ward等值电路的原理。

由于地区电网没有外网的数据，上级调度可以定时计算地区电网需要的外网等值数据，即计算出Y′BB和I′B然后将其向地区调度发送。地区电网根据外网等值网络计算其内部潮流。

以上过程要涉及外网等值模型的传送、解释和维护，国内有其实际应用［3］。在实际运行中，由于较难校验外网等值数据是否准确，同时系统网络经常发生变化，给等值模型的运行维护带来不少难度。

2 上一级调度下发状态估计后母线电压相角信号

上一级调度机构的EMS具有全局的电网模型和实时信号，可以将状态估计后的所有“平衡母线”的电压相角信号发到地区调度EMS。

这样做以后，地区调度EMS就不用维护外部的模型和数据了。

上一级调度机构的EMS定时进行状态估计运算，将地区调度系统需要的边界节点的电压相量信息下送地区电网EMS系统，然后地区电网EMS根据边界节点的电压向量修正其全局的电压相量。

需要解决的问题是EMS中的运算结果不同于实时数据，需要转换为遥测数据的格式才能下发。

对于图1，如果将节点A和节点B分别作为两个孤岛的平衡母线，则它们的电压相角都是0°。通过测量可以在主站计算出AB两点的相角差，将这个相角差叠加到状态估计后的其他节点，就可以得出正确的节点电压相角作为修正后的状态估计结果，该结果可以用于潮流计算。

例如图1中在两个孤岛的状态估计中，E点对A点电压相角为5°，F点对B点电压相角为4°，测量得出B点对A点之间的电压相角为6°，则F点对A点的电压相角实际为4°＋6°＝10°，F点对E点电压相角实际为10°－5°＝5°。

假设地区EMS存在两个假电气孤岛M和N，孤岛M是地区电网的大岛，孤岛N是小岛。本文目标是将孤岛N合并到孤岛M形成一个全地区唯一的电气岛。G是电气岛M的平衡母线；H是电气孤岛N与外网的边界母线，同时也设定它为电气孤岛N的平衡母线。

两个电气岛之间用一条虚拟的线路GH来代替外网，以后G为平衡节点，H化为一般的PQ节点。现在要计算线路GH的参数电阻R和电抗X。如图2所示。

图2 在同一个地区中的两个假电气孤岛Fig.2 Two false electric islands in an area network

假定系统额定电压为U，GH的电压幅值差为ΔU，电压相角差为Δθ。线路GH的有功值为P，无功值为Q。

对于阻抗为R＋j X的线路，可以得出两端的电压幅值和相角差［4］（线路两端P和Q有差异，取其平均值）为

对于高压电网来讲，X≫R，P≫Q，则XP≫RQ，式（5）可以简化为

由式（4）、式（6）得

这里取内外网潮流的总加的有功和无功分别作为P和Q。

经过上面等价以后，地区潮流计算就可以用一个电气岛来计算，其单一的平衡节点在A点。

电网自动化系统的数据交换一般仅限于SCADA数据，高级应用软件计算后的结果一般不在其中。运用该方法时上级调度要将状态估计后的关键电压相角数据转换为一般的遥测数据发往地区调度，由地区调度根据上级的电压相角数据修正其状态估计结果并进行调度员潮流计算。

本方法比较直观，容易维护，效果较好。

3 同步相量测量系统的应用

全球定位系统GPS（global position system）等高精度同步时钟信号的出现使得同步相量的直接测量成为可能。同步相量测量系统由相量测量单元PMU（phasor measurement unit）、高速通信设备和主站处理系统组成，能直接测量电力系统的母线电压相角。电力系统中电压相角可测或可以求出的节点为可观测节点，否侧为不可观测节点。配置PMU的节点和相邻节点为可观测节点［5］。

PMU是独立于变电站已有的自动化设备的一套设备，一般采用独立的2M数据通道，采用IEEE1344规约；在调度端有独立的主站系统。PMU采集线路数据，采集的点数较多，价格很高，一般只在500 k V变电站部署。如果PMU全面部署，则状态估计就会变成线性的［6］。

同步相量测量系统的主站一般只在中调及以上的调度机构部署，地区电网如需要其数据只能通过上级的转发。

同步相量测量的精度0.1°［7］，基本满足调度员潮流计算的要求。

如果在任意一个电气岛中都有至少一条母线的电压相角数据得以获取，就能如上一节的方法一样修正全局母线的电压相角，得出正确的全局状态估计，构筑统一的电气岛以进行调度员潮流计算。

由于PMU只有在某些站点有布点，例如只在500 k V变电站有部署，在某个“电气孤岛”不一定有PMU部署，这是就要从上级获取PMU布点母线到边界母线的连线的SCADA信息以建立起电气联系。如图3所示，需要有上一级调度转发线路BD的SCADA数据。并且将BD之间的电气部分纳入该电气岛的状态估计。

图3 边界节点与有PMU节点的关联Fig.3 Connection of border nodes and PMU nodes

应用同步相量测量数据于地区电网调度员潮流计算的数据流如图4所示。

图4 同步相量测量数据用于潮流计算的数据流Fig.4 Synchronized phasor measurement data for the data flow of power－flow calculation

同步相量测量系统将其测量处理后的边界母线电压相角数据发送到同级的EMS系统，然后由上级EMS将数据转发到地区调度自动化系统，由地区调度根据上级的电压相角数据修正其状态估计结果并进行调度员潮流计算。

本方法直观，容易维护，效果较好。

4 结语

由于地区电网调度自动化系统观测性的限制，在地区电网出现“孤岛”现象时进行调度员潮流计算就需要上级调度自动化系统的支持。本文描述的三个方法的核心都是由上级调度自动化系统将地区调度员潮流计算必需的数据发往地区EMS，由地区EMS根据外网等值数据或电压相角数据正确的计算出调度员潮流。

对于存在电气假孤岛现象的地区电网系统，利用本文第三节和第四节提出的方法可以较为准确计算合环潮流，避免合环操作引起的跳闸，大大提高调度员对系统的掌控能力，提高电力系统可靠性，而系统的维护又较为直观方便。

假电气孤岛现象是地区电网普遍存在的问题，以前由于地区电网ESM运维水平较低，一直没有很好处理。随着电网日益复杂，调度和方式专业的需求日渐提高，到现在必须正视假电气孤岛的问题。由于各地情况不一，可以灵活运用本文提出的方法，以期取得较好效果。

［1］ 周全仁，张清益.电网分析与发电计划［M］.长沙：湖南科技出版社，1996.

［2］ Grainger J J，Stevenson W D Jr.Power System Aanlysis［M］.New York：McGraw－Hill，1994.

［3］ 温伯坚，张海波，张伯明，等（Wen Bojian，Zhang Haibo，Zhang Boming，et al）.广东省地区电网外网等值自动生成系统设计（Design of real－time external network auto－equivalence system of sub－transmission networks in Guangdong）［J］.电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2004，28（20）：77－79，83.

［4］ Pouget J.电网［M］.李文沅译.重庆：重庆大学出版社，1988.

［5］ 杨明海，王成山（Yang Minghai，Wang Chengshan）.电力系统PMU优化配置方法综述（Survey for optimal PMU allocation in power system）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceeding of the CSU－EPSA），2007，19（2）：86－92.

［6］ Tao Yang，Hongbin Sun，Bose A.Transition to a two－level linear state estimator－Part I：Architecture［J］.IEEE Trans on Power Systems，2011，26（1）：46－53.

［7］ 四方继保自动化股份有限公司.CSS－200／1系列分布式同步相量测量装置技术说明书［Z］.北京：四方继保自动化股份有限公司，2006.