CN103326348A - 一种提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统 - Google Patents

Abstract

提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统，它包括获取目标地区原始电力数据的子系统对目标地区原始电力数据按照节点数据、线路数据和变压器数据进行分类；根据电力数据进行供电能力计算的子系统，它利用基于重复潮流的改进尝试法对地区电网供电能力进行计算，首先在给定的运行方式及负荷增长模式下求取一临界点，在该临界点恰好有一约束条件起作用，当负荷增长越过该临界点时将有越限发生，该临界点就对应着地区电网的最大供电能力，最大供电能力与当前区域间传输的负荷之差即为可用供电能力；根据计算结果对目标地区进行供电能力评估的辅助决策子系统提供在运行中优先越限的薄弱设备的详细参数情况，进而给出预警机制。

Description

一种提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统

技术领域

本发明属于电力辅助系统，具体地说对电网供电能力进行分析，并提供全过程实时监测的电力辅助系统。

背景技术

可用供电能力是指：在现有的供电基础上，实际物理供电网络中剩余的、可用于使用的供电能力。可用供电能力的概念与可用输电能力很相近，只是前者用于配电网供电的计算，后者适用于输电网。可用供电能力可以作为一个衡量电网安全可靠运行的指标，当可用供电能力过小时，电网即处于满负荷供电状态，需要运行人员多加注意。同时，可用供电能力的提出对于在正常运行状况下，提前发现电网的某些薄弱环节有着重要意义。

当前对于地区电网供电能力分析已有多种计算方法，一些实时计算软件也已开发并投入实际使用中，可以实时分析电网整体和区域间的供电能力。其中主要的计算方法有以下几种：

(1)容载比法

容载比法是某一电压等级中，可供变电容量(kVA)在满足供电可靠性基础上与对应的最大负荷(kW)之比，是反映城市电网的宏观供电能力的重要技术经济指标之一。变电容载比过大，电网适应负荷增长的能力强，但电网建设的变电工程过多提前，使建设成本过早投入；变电容载比过小，将使电网适应性变差，影响供电安全和供电可靠性，应考虑增加变电容量。

而实际运行中，影响城市电网供电能力的因素是多方面的，如电源配置是否充分合理，线路的输电容量是否充分，网络结构与否合理等等。近几年，我国很多地区出现了不同程度的电力短缺。限电的主要原因是电网结构薄弱，电网“卡脖子”问题突出，造成网络中有电送不出，严重制约了网络的供电能力。因此，用评价网络变电能力的容载比指标来评价城市电网的整体供电能力是不够准确的。通常容载比法作为地区电网建设或电源建设的总体经济性分析，只能起到一个宏观调控的作用。

(2)尝试法

尝试法的思想是通过不断的调整系统的负荷，并反复进行潮流计算来确定系统的所能供应的最大负荷值，并以此负荷作为评价网络供电能力的指标。当系统负荷等于网络供电能力极限时，系统不会发生过负荷，但如果在此基础上再增加很小的负荷都会导致系统中某些支路出现过负荷，并且，无论怎样调整发电机的出力都不能消除过负荷，或直到没有可利用的出力，认为此时系统的负荷即为网络的最大供电能力。

采用尝试法计算地区电网最大供电能力的时间较长，同时在计算过程中，负荷节点分配系数的选取及电源出力的调整方式很大程度上影响了最终的计算结果，计算结果的准确性很难保证。

(3)最大负荷倍数法

采用最大负荷倍数来评估网络的供电能力，基于网络适应负荷增长的能力可用一个线性规划模型表示，目标函数为k即网络的最大负荷倍数，k值表示为系统所能供应的最大供电负荷与实际供电负荷之比，约束条件一般取网络的功率平衡约束、电源的出力约束和线路的容量约束。

用最大负荷倍数法来评估网络供电能力的思路是以网络现有的负荷为基础，假设各负荷点的负荷均以相同的比例增长，求取网络所能达到的最大负荷倍数。其中现有网络的负荷水平及其分布是影响最大负荷倍数的关键，如果现有网络中负荷分布不均匀，很可能导致网络的最大负荷倍数达到最大时，有些线路、变压器的负载率还很低，致使所求得的网络供电能力偏离网络的实际供电能力水平很远(偏低)。因此用最大负荷倍数来评价网络的供电能力也存在一定的不足。

(4)线性规划法

线性规划法基于直流潮流模型，以网络中所有发电机所能供应的最大有功为目标函数，以网络功率平衡(直流潮流)、各支路容量限额以及电源点与负荷点的功率约束为基本约束条件。

线性规划法采用的是直流潮流计算方法，忽略了母线电压幅值的变化以及线路的电阻，并只求解线路潮流的有功功率部分，虽然可以大大减少计算量提高计算速度，但是对于配电网而言，由于线路的电阻往往并不是远小于电抗，因此采用直流潮流法计算，结果误差会较大。

(5)最大流法

网络规划的最大流法也可用来评估网络的最大供电能力，该方法首先将供电网络转化为等效网络即系统状态流程图，再根据支路的容量约束和等效网络的最小割集容量来确定网络的最大供电能力。目标为求解一个最大流问题，约束条件包括容量限制条件和流量平衡约束条件。最大流问题本身也是一个线性规划问题。该方法综合考虑了网络的支路约束和网络结构，并且具有简便可靠、易于处理复杂约束条件的特点，但该方法只适用于求解局部供电网的供电能力，不适合用来评价城市电网的整体供电能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算时间短、计算准确的提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统，它包括：

获取目标地区原始电力数据的子系统，它对目标地区原始电力数据按照节点数据、线路数据和变压器数据进行分类，形成节点数据表、线路数据表和变压器数据表；

根据电力数据进行供电能力计算的子系统，它利用基于重复潮流的改进尝试法对地区电网供电能力进行计算，首先在给定的运行方式及负荷增长模式下求取一临界点，在该临界点恰好有一约束条件起作用，当负荷增长越过该临界点时将有越限发生，该临界点就对应着地区电网的最大供电能力，最大供电能力与当前区域间传输的负荷之差即为可用供电能力；

根据计算结果对目标地区进行供电能力评估的辅助决策子系统，它提供在运行中优先越限的薄弱设备的详细参数情况，进而给出预警机制。

所述的约束条件包括静态稳定约束条件、热稳定类极限条件和电压类极限条件。

在根据电力数据进行供电能力计算的子系统中，负荷增长的步长为：首先采用定步长法迭代直到有越限发生，然后每次迭代将步长变为上次迭代步长的二分之一，直到步长减小到满足精度要求为止。

采用上述技术方案的本发明，选用改进的尝试法作为计算方法，利用尝试法进行地区电网供电能力计算，其基本思想是通过不断增大系统的负荷并反复进行潮流计算来确定系统所能供应的最大负荷。由于尝试法计算的时间较长，所以本发明中利用步长二分法对其进行优化，减少计算时间。本发明中重复潮流法计算供电能力的方法原理简单，可以计及系统的电压和无功的影响，计算结果能较好的反映实际运行状况，并且采用的二分法可以克服重复潮流法计算时间较长的缺点，保证软件兼顾计算精度和处理速度。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

图2为本发明中数据导入的流程图。

图3为本发明中供电能力的计算流程图。

图4为本发明中负荷增长步长采用二分法的流程图。

图5为发明中数据表间的调用关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括获取目标地区原始电力数据的子系统、根据电力数据进行供电能力计算的子系统、和根据计算结果对目标地区进行供电能力评估的辅助决策子系统。以下分别说明：

(1)如图2所示，由于PSASP的数据文件具有固定格式，所以在获取目标地区原始电力数据的子系统中，对目标地区原始电力数据按照节点数据、线路数据和变压器数据进行分类，形成节点数据表、线路数据表和变压器数据表，由此构建电网整体数据表。

(2)在根据电力数据进行供电能力计算的子系统中，选取改进的尝试法计算地区电网可用供电能力。在进行潮流计算时，由于交流灵敏度分析法虽然有很多优点，但此算法需要获得潮流计算中的雅克比矩阵，这是系统综合分析软件PSASP所不能实现的。而重复潮流算法原理简单，可以计及系统电压和无功的影响，具有较好的计算精度和计算速度，且用Delphi语言容易实现，因此分析系统选择重复潮流法作为可用供电能力的计算方法。利用基于重复潮流的改进尝试法对地区电网供电能力评估的本质是在给定的运行方式及负荷增长模式下求取一临界点，在该临界点恰好有一约束起作用，当负荷增长越过该临界点时将有越限发生，该临界点就对应着地区电网的最大供电能力，最大供电能力与当前区域间传输的负荷之差即为可用供电能力。在进行供电能力计算的过程中，按照给定的功率增长模式，以某一步长逐渐增加负荷侧的负荷，同时相应增加电源侧的出力，直到约束条件中的某一项越限为止，然后再利用二分法取原有步长的一半进行潮流计算，如此反复直到算出的数值满足精度的要求。具体公式如下：

1)目标函数：maxS＝∑kS_d，式中，目标函数S为所计算的可用供电能力；

2)考虑的约束条件主要有以下几类：

(a)静态稳定约束：设λ为表征功率传输裕度的标量，V和θ为基态下节点电压幅值和角度。则其静态稳定约束可以表示为：

f(V，θ，λ)＝0

(b)热稳定类极限：规定了输电线或用电设备在一定时间内所能流过的最大电流值，保证输电线或用电设备不会因过热而发生永久性故障。

i_l≤i_lmax

S_t≤S_tmax

P_Gmin≤P_G≤P_Gmax

式中，P_G为发电机出力，P_Gmin与P_Gmax为发电机出力上限值，S_t和S_tmax为各变压器支路流出的功率值和最大限值，i_l和i_lmax分别为线路流过的电流量及其最大电流限值。

(c)电压类极限：规定了系统内各节点所能允许的最低、最高电压。V_K、V_Kmin和V_Kmax分别为节点电压及其上下限值。

V_kmin≤V_K≤V_Kmax

本发明选择了Delphi语言容易实现的重复潮流法作为供电能力的计算方法，调用PSASP进行潮流计算，并通过二分法来得到最终的结果，如图3所示。

在供电能力的求解过程中，如果负荷增长的步长一直保持不变，即采用定步长法，计算结果的精度即为所选取的初始步长。这时如果步长选取得过大，计算结果的精度就会很低，如果步长选取得过小，则收敛速度又太慢。鉴于上述问题，本项目开发的软件采用变步长的二分法进行计算。二分法的思想简洁清晰，渗透着无穷逼近的思想，原理简单实用性好。计算过程如下：

首先采用定步长法迭代直到有越限发生。之后每次迭代将步长变为上次迭代步长的二分之一，进行多次计算，直到步长减小到满足精度要求为止。在二分法的迭代过程中，如果发生越限，则步长变为负值，若没有越限发生则步长为正。

在二分法计算中，初始步长可以设置得较大，几次迭代便会有越限发生，之后每次迭代步长减半，也会很快达到精度要求，很大程度地提高了计算速度。

基于重复潮流的变步长二分法供电能力计算的流程如图4所示。其中设电网当前实际基态负荷S₀，负荷增长S_d，增长后负荷值为S，初始步长h＝h₀，精度为ε。

另外，为更好地提高工作效率，本发明通过建立数据库文件，来避免每次计算都要读入原始数据的过程，减小了数据导入的时间，提高了软件的工作效率。

i)电网整体数据表

由上数据导入模块的流程图1可知，在读取原始数据时，根据PSASP文件里数据格式的特点来对读入的记录按照节点、线路、变压器三种类型进行分类，形成名为Bcard、Lcard、Tcard的数据表。

由于在PSASP文件中，已将目标地区负荷归算到220kV变电站站母线低压侧，故该地区只剩下220kv、500kv的变电站。通过查阅相关资料，对目标地区的变电站按电压等级进行分类，然后在软件的数据库中建立220kv、500kv变电站名称数据表substation220和substation500。

从而，由Bcard、Lcard、Tcard和substation220、substation500构成了电网整体数据表。

ii)各分区计算用数据表

在已经建立的substation220数据表中读取220kv变电站的名称，赋给subs220[i]的name属性；同理，从substation500中读取500kv变电站的名称，赋给subs500[i]的name属性。

然后通过将subs500[i]的name值作为表名来搜索软件数据库中已建立的一系列500kV站所附属220kv站名称的数据表，读取该500kv站所属的220kv站，将220kv站数量赋给subs500[i]的busnum属性，将各220kv站名称赋给subs500[i]的busname属性。如此便建立了500kv变电站的数据表subs500。

以subs220[i]的name值作为zones[i]的名称，通过判断subs220[i]中bus的PLoad、Qload和Pgen的值是否为0，来把bus分为发电和负荷两种类型，分别写入zones[i]数组的genbus和loadbus中；将subs500[j]通过busname属性与zones[i]联系起来，判断各subs500[j]的busname中是否存在zones[i]的name值，如果存在则把subs500[j]的name赋给zones[i]的subs500name。如此，便将整个目标区域各分区发电和负荷的情况写成了以220kv站为名称的记录类型数组。

最后，通过判断zones[i]的gennum、loadnum是否为0，来建立各分区计算用数据表。若gennum不为0，将zones[i]的name值写入genZname数据表；同时判断zones[i]中subs500name值是否为空，若不为空，则将subs500name值写入gen500name数据表。以zones[i]中genbus的name、Pgen、Lnnum字段构建名为(‘gen’+zones[i].name)的送端数据表，通过赋值来写入一条条记录。

同理，若loadnum不为0，将zones[i]的name值写入loadZname数据表；若zones[i]中subs500name值不为空，则将subs500name值写入load500name数据表。以zones[i]中loadbus的name、PLoad、QLoad、Lnnum字段构建名为(‘load’+zones[i].name)的受端数据表。

这样，就建立了由gen500name、(‘gen’+zones[i].name)、load500name、(‘load’+zones[i].name)组成的各分区计算用数据表。

数据表间的调用关系如图5所示。图中，长方形表示相关数据表或者记录，椭圆形为所连接数据表或记录的字段，数据表之间的连接关系表示可以用共有的字段或存储的指针进行访问和调用。

iii)各分区数据表

各分区数据表包括已建立的500kV站所附属220kv站名称的数据表以及由各220kv站组成的220kv区域数据表。220kv区域数据表是以subs220[i]中的name值作为表名，并由bus中的指针来调用Bcard里的相关记录，通过赋值将这些记录写入该表而形成的。

(3)在辅助决策子系统中，提供在运行中优先越限的薄弱设备的详细参数情况，进而给出预警机制。

在用户计算获得系统或区域间可用供电能力结果后，通过使用辅助决策子系统，提供给用户当前系统的瓶颈环节，提供在运行中最可能优先越限的薄弱设备的详细参数情况，为用户提供一个良好的预警机制，并针对用户所关心的这些环节提出改进建议和措施，主要包括：

a)电网薄弱环节改造建议：包括运行方式的转变、网架结构的改变、设备的扩容、扩建等。

b)电网无功优化技术改造建议：包括主变分头的调节、投接大容量补偿电容器等。

c)电网安全稳定技术措施运用建议：包括加装限流电抗器等。

以焦作供电公司为例，焦作电网目前有500kV变电所2座，主变5台。220kV变电所14座，主变30台，发电厂6个，整体及区域间供电能力计算结果如表1所示。

表1

根据上述的详细参数情况，可以得出如下结论：

结论I、地区整体供电能力问题

该运行方式下的薄弱环节主要是部分母线电压越限。因此母线电压水平偏低限制了焦作地区负荷的发展，如：豫万方110kV母线。

结论II、不同区域间供电能力问题

该运行方式下，金冠-太子庄、沁北-焦作、阳润-怀庆等典型送端与受端组合均出现母线电压越限，说明此时母线电压水平偏低成为供电的瓶颈。对于可用供电能力出现数值较高的情况，原因为现场所使用的数据未给线路与变压器的额定容量，造成线路与变压器越限情况不能正确输出。

然后，根据详细参数情况，给出预警机制，这些预警机制是预先存于辅助决策子系统中的。以焦作供电公司为例，根据表1的参数，其预警机制如下：

1)调整负荷分配：鉴于变压器负载能力，以及不同电压等级间在不同负荷特性下的可用供电能力差异较大，建议调整负荷的分布，充分利用可用供电能力充足地区，缓解部分区域间供电能力紧张的局面。

2)电压的补偿：根据高载能负荷的生产特性并结合高载能分布密集的变电站进行无功优化技术改造，将固定大容量的无功补偿电容器安装在负荷稳定的城市中心变电站以保证全网电压水平整体平稳。

3)扩容薄弱变压器：建议针对相关越限变压器进行合理扩容，以提高其负载能力。

(4)增加本地区装机容量：建议提高装机容量是非常困难的，建议增加外来电力输入，分散外来输入落点。

Claims (3)

1.一种提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统，它包括：

获取目标地区原始电力数据的子系统；

根据电力数据进行供电能力计算的子系统；

根据计算结果对目标地区进行供电能力评估的辅助决策子系统；

其特征在于：

在获取目标地区原始电力数据的子系统中，对目标地区原始电力数据按照节点数据、线路数据和变压器数据进行分类，形成节点数据表、线路数据表和变压器数据表；

在根据电力数据进行供电能力计算的子系统中，利用基于重复潮流的改进尝试法对地区电网供电能力进行计算，首先在给定的运行方式及负荷增长模式下求取一临界点，在该临界点恰好有一约束条件起作用，当负荷增长越过该临界点时将有越限发生，该临界点就对应着地区电网的最大供电能力，最大供电能力与当前区域间传输的负荷之差即为可用供电能力；

在辅助决策子系统中，提供在运行中优先越限的薄弱设备的详细参数情况，进而给出预警机制。

2.根据权利要求1所述的提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统，其特征在于：所述的约束条件包括静态稳定约束条件、热稳定类极限条件和电压类极限条件。

3.根据权利要求2所述的提高地区电网供电能力分析及全过程在线监测的系统，其特征在于：在根据电力数据进行供电能力计算的子系统中，负荷增长的步长为：首先采用定步长法迭代直到有越限发生，然后每次迭代将步长变为上次迭代步长的二分之一，直到步长减小到满足精度要求为止。

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