面向新型配电网的地配一体化调度仿真技术研究

李 帆,姚程亮,董 哲,秦科源

(1.国网河北省电力有限公司 培训中心,河北 石家庄 050023;2.北京科东电力控制系统有限责任公司,北京 100192)

0 引言

“十四五”期间新能源尤其是分布式电源迎来了爆发式增长,配电网投资将超万亿元。随着配电网有源化[1]、网络化特征凸显,配电网对主网的互动影响越来越大。微网能量路由器、分布式电源、新型用户储能和抽水蓄能快速发展,电网智能化水平将显著增强,源网荷储将实现深度协调互动[2],配电网运行管理面临全新的挑战。近年来,从发电、输电、变电、配电、用电到调度广泛采用了仿真机作为培训模拟手段[3-8]。新一代配电网与具有可观可控、主配协同、源网荷协同等全新特征。原有的仿真系统多针对无源配电网格局,在设计思路和培训功能上与新一代配电网存在不匹配。本文针对适应有源配电网的地配一体化调度仿真培训关键技术进行研究和应用,提升了专业人员的配网调度运行技能、离线实操能力和新型配电网的驾驭掌控能力,满足技能培训管理人员、教学人员和各职种学员等不同层次技术和管理人员的需求。

1 研究必要性

面向有源配电网的地配一体化仿真培训系统需充分考虑风电、光伏、储能的海量渗透接入能力,实现源网荷储协调互动。充分反映配网对主网的影响,实现“主-配”协调优化控制。一方面需具备调度监控、馈线自动化、事故异常辅助处置功能,另一方面提供负荷预测、发电预测、配电互动场景模拟等场景仿真功能。通过完善省级电力培训中心配套技术手段,健全仿真培训体系,满足配网调度人员的培训研究、技能鉴定、考试演习和辅助分析等需求,拓展人员考试、评估考核功能,综合用于技能考核和技术比武竞赛。本文以某地220 kV分区下的地区多层级有源配电网典型架构为后续系统建模基础,包含220 kV变电站26座、110 kV变电站78座、35 kV变电站17座,电源装机为110 kV电厂6座、35 kV电站10座、10 kV及以下光伏电站及分布式光伏总装机200000 kW。

2 总体设计

2.1 软件架构

地配一体化调度仿真系统由计算机系统软件、主配一体化仿真支撑平台、地县配一体化电网仿真、变电站设备运行机理仿真、配电网设备机理仿真、配电自动化仿真、教员系统组成。

根据应用场景分解出仿真系统的基本功能场景,明确系统功能的详细开发需求。场景开发需求包括模型和接线、计算分析、操作调整、故障和异常、一次设备仿真、二次设备仿真、配电自动化仿真、功率预测、调度指令票、AVC操作仿真、系统及设备信息、辅助操作和培训管理等功能。

2.2 软件基础平台

主配一体化仿真培训系统采用基于高层体系结构(HLA)的交互式、分布式仿真支撑环境,即仿真实时运行基础结构(RTI)。RTI是主配一体化仿真培训系统的平台基础,实现了仿真系统各应用之间的枢纽连接和交互操作,为各个仿真应用软件提供了公共通用、灵活高效的虚拟平台接口。各个仿真应用软件只需和计算机驻留软件进行接口,整个仿真系统内部交互任务由支撑平台完成,为系统中各个程序应用之间的底层通用交互提供服务,包括程序声明管理、数据分布管理和程序交互接口等。该平台遵循国际仿真与建模标准,为各类电网仿真应用提供互操作、重用、快速组合和重构服务的“即插即用”式协同仿真集成环境。

3 关键技术模块

3.1 地县配一体化电网仿真

电网仿真软件模拟典型的地调、县调、配调所辖电网,构成地县配一体化电网仿真环境。仿真对象包含220 kV变电站、110 kV变电站、35 kV变电站和变电站10 kV出线之间联络形成的配电网络。电网仿真模型按地县配一体化设计,涵盖10 kV—220 kV各电压等级网络。突出有源化设计,支持设置多种电源类型,含火电、水电、风电、光伏、储能。配电网架构形式灵活多样,设计辐射、多分段联络、双环网、单环网等配电线路形式,覆盖城区配电网和农村配电网的各种形式。配电线路设备包含环网柜、开关站、配电室、架空线、电缆线路、箱变、分接箱、柱上开关、柱上变压器等。

3.2 变电站设备运行机理仿真

变电站设备运行机理仿真是对电网内的变电站建立详细的设备组件化模型,实现基于设备运行机理的详细仿真,真实地仿真再现变电站设备操作、保护动作、告警信息等一次、二次逻辑行为及其互动关系,使学员在高度还原的场景中进行模拟操作、事故处理及恢复的培训,熟悉必备操作和二次信号报文分析处理。在观察系统状态并实施相应控制措施,体验系统设备的实际变化情况。一方面支持对调度人员的运行监视、设备操作及故障处理培训;另一方面支持地调、县配调的联合反事故演习。地县配调一体化设备机理仿真建立了对变电站的正常、故障及异常工况下的运行特性的全息仿真。

3.3 配电一/二次设备运行机理仿真

建立配电网一/二次设备详细的组件化模型及设备间交直流回路模型,实现基于配电一/二次设备运行机理的详细仿真,真实完整和身临其境地仿真再现配电设备光字牌信号、保护信息、报文等二次系统的逻辑行为及其互动关系以及一/二次系统间的交互过程,使培训学员能在尽量真实的环境中进行设备操作、事故处理及恢复培训。支持对调度人员的运行监视、设备操作及故障处理培训,支持配网调度员、地调调度员、变电站运维人员、配网运维人员的联合反事故演习。仿真的配电网设备包括配电一次设备(环网柜、开关站、箱变、分接箱、柱上开关器等)和配电二次设备(如配电自动化馈线终端、配电自动化配变终端等)。

3.4 配电自动化监控系统仿真

通过对多种监控系统人机界面的统一支持,模拟实际配电自动化监控系统的功能。

3.4.1 调度监控仿真

实现模拟、状态和电能量等各类信息的采集,支持主流标准通信规约和遥信优先主动上报。通过采集集成进行坏数据检测、数据转换和统计等。然后再处理不同功能模块的报警和事件,以预定义方式发出告警,如推画面、声光报警等。

3.4.2 网络拓扑着色

系统支持图形间拓扑着色的一致和图形在各应用间的实时同步,以不同颜色区分运行状态和设备带电、停电状态。支持不同颜色显示选择的开关设备所在配电线路的供电范围及供电路径、设备到电源点的路径着色、追踪到下游供电范围着色等。

3.4.3 馈线自动化仿真

当故障跳闸后可立即启动自愈处理程序,功能包括故障定位、故障隔离、非故障区间恢复供电、故障解除区间恢复送电等。若变电站出线因瞬时故障开关重合成功恢复供电,则不启动故障处理。若变电站出线遭永久故障开关重合不成功,则启动故障处理。非故障区段恢复,可自动或人机交互进行。

3.5 教员系统

教员系统主要为教员在培训前准备,为系统启动、远程控制、培训中分析监视、控制及管理及培训后总结、评价指导提供支持,包括培训管理、教案管理、故障设置、培训评估(分)、负荷及发电曲线等功能。

3.5.1 培训控制

教员端和学员端配合进行培训方案的配置、学员机系统启动和退出、传输文件、收取评价记录等。通过教员操作界面实现培训启停等控制功能。

3.5.2 故障和异常设置

模拟电力系统中不同性质故障及故障后的现象,为学员提供逼真的培训场景。教练员可按照时序任意触发成组故障,启动后按照时序激活。事故包括三相电压不平衡、PT一次/二次侧单相断线、谐振过电压等。异常包括保护/测控/操作箱等装置异常、压器本体异常、断路器本体异常等。

3.5.3 培训评估管理

学员的全部操作步骤和过程中引发的故障、告警、越限等记录在培训系统中由教员进行评定。通过存储柜存储任一断面工况作为培训教案,实现反复调用存储柜中的教案进行培训考试。启动时加载负荷预测、发电预测和发电计划曲线。通过事件表来制作和存储相关多个事件构成的子教案,模拟误发信号、建立策略并条件触发事件。

4 结语

在新型电力系统建设发展的大背景下,新一代配电网与传统的配电网相比也发生了巨变,传统的仿真系统无法满足地配运行人员培训新需求。本文深入分析了当前配电网的新形势,围绕地配调运行人员实际业务痛点和需求,着力提升配网人员调度运行技能,开展了针对有源配电网的地配一体化调度仿真培训关键技术研究。结合国内某城市配网架构,搭建仿真培训原型系统,通过线上集中和线下独立多轮测试的验证,证明了本文所提技术的可行性,可在国内各地的地配一体仿真培训场景推广应用。后续将进一步结合配电网侧分布式资源的源荷互动新业务,继续拓展仿真培训功能,提高配网专业人员对新型配电网的实训操作水平和调度驾驭能力,保障配电网的供电可靠性和安全稳定性。