CN103729574B - 海上油田群电网预想操作的在线仿真计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种海上油田群电网预想操作的在线仿真计算方法，包括以下步骤：生成海上油田群电网的伪量测数据；基于伪量测数据对油田群电网进行拓扑分析，实现把所述伪量测数据转化为IEEE潮流数据文件；根据海上油田群电网操作人员及电网控制特性修改海上油田群电网的准稳态模型；对修改后的准稳态模型进行潮流计算；根据潮流计算结果，结合海上油田群电网无功/电压控制，若需要改变发电机所在节点的节点类型和节点注入功率，则在改变相应节点类型与节点注入功率，重新寻找平衡节点后再次进行潮流计算；把潮流计算结果转换为对应的设备信息。该计算方法可以帮助操作人员提前掌握预想操作对电网的影响，有利于海上油田群电网的稳定运行和保障油田生产的安全性与连续性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统控制领域。具体涉及一种海上油田电网的在线仿真计算。
背景技术
由于陆上油气资源日益枯竭，油田服务领域向海上尤其是向深海发展成为一种不可避免的趋势。随着海上油气田开采规模的扩大，海上油气田群的供电方式由传统的各平台电站单独供电逐渐过渡到各平台电站间电力组网联合供电，即在原有平台(电站)的基础上，各平台(电站)通过海缆互联组成集发、输、配、用为一体的海上油田群电网，在降低运行成本的同时也提高了供电的可靠性及稳定性。
海上油田群电网和陆地电网最大区别在于其小网、大负荷的特性。由于油田生产流程的特殊性，现场大量采用注水泵等单机容量大的设备，个别注水泵容量超过1MW，占整个电网有功负荷的比重较大。这些大型电机启动时启动电流大，对系统造成较大冲击，可能会引起系统电压暂降，给电网的稳定运行带来隐患。因此对于海上油田群电网操作人员而言，迫切需要一种能够辅助操作人员仿真评估某项操作之后电网运行状态的实用方法，以帮助操作人员提前掌握该操作对电网的影响。这对于海上油田群电网的稳定运行和油田平台的安全、可靠、不间断生产具有重大的意义。
目前对电网仿真主要采用基于微分代数模型的暂态仿真方法，其中朱旭凯等人2011年3月在《电网技术》杂志发表的论文《基于电力系统全数字实时仿真装置的大电网机电暂态－电磁暂态混合仿真》(请补充所有引用论文的期刊名、日期)中提出利用暂态仿真的方法对电力系统的机电暂态及电磁暂态进行仿真，VahidJalili-Marandi等人2012年在IEEEPowerandEnergySocietyGeneralMeeting会议上发表的论文《AReal-timeTransientStabilitySimulationToolforLarge-scalePowerSystems》中提出用暂态仿真方法来进行系统的暂态稳定性计算；而近年来随着新能源的大规模使用以及微网概念的提出，电力工作者对传统的暂态仿真方法进行了拓展，如许寅等人2011年5月在《电力系统自动化》杂志上发表的论文《风力发电机组暂态仿真模型》中提出了风力发电机组的暂态仿真模型需要考虑风力发电机组的运行特性以及相关的保护与控制系统；高菲则在2012年发表的博士论文《交流型分布式电源及微网系统模型分析与暂态仿真》中针对微网电压等级较低、容量较小等特点提出了用于微网的暂态仿真模型。
基于微分代数模型的暂态仿真方法(如陆地电网能量管理系统中调度员模拟培训系统采用的就是该方法)考虑了发电机、负荷等元件的准确的数学模型和动态特性，而且将继保装置的动作过程也包含在内，因此可精确仿真系统的动态过程，保证结果的有效性，但该方法过于复杂，考虑到海上油田群电网中所采用燃气轮发电机和大量泵类负荷的动态模型及其参数缺失，参数的缺失也导致暂态仿真方法的精确度不能得到保证；且有时操作人员需要对操作进行在线准实时模拟，考察操作是否可行，对仿真速度要求较高，暂态仿真方法运算时间较长，明显不能满足操作人员对仿真速度的要求。
发明内容
目前还没有专门针对海上油田群电网操作的仿真计算方法，本发明结合海上油田群电网实际情况，通过分析操作人员操作设备对电网造成的影响，根据电网的动态特性及设备的控制方式，结合操作人员预想操作，将电网的动态过程转化为准稳态模型的控制变量变化问题，进而采用经过修改后的准稳态模型对海上油田群电网的动态过程进行模拟仿真，在保证结果有效性的同时也确保了运算的实时性，达到帮助运行人员提前了解某项操作对电网所产生的影响的目的。
本发明具体采用以下技术方案。
一种海上油田群电网预想操作的在线仿真计算方法，其特征在于：所述仿真计算方法结合海上油田群电网实际情况，通过分析操作人员操作设备对电网造成的影响，根据电网的动态特性及设备的控制方式，结合操作人员预想操作，将电网的动态过程转化为准稳态模型的控制变量变化问题，进而采用经过修改后的准稳态模型对海上油田群电网的动态过程进行模拟仿真。
一种海上油田群电网预想操作的在线仿真计算方法，其特征在于，所述在线仿真计算方法包括以下步骤：
(1)生成海上油田群电网的伪量测数据，根据操作人员的预想操作来修改经过状态估计后的电网数据，形成伪量测数据；
其中状态估计方法为本领域的已有技术，包括但不限于专利CN103107536A所描述的状态估计方法。
(2)基于伪量测数据对油田群电网进行拓扑分析，实现把所述伪量测数据转化为IEEE潮流数据文件；
(3)根据步骤(2)的拓扑分析，修改海上油田群电网的准稳态模型；在对海上油田群电网进行拓扑分析后，结合电网的控制系统即可获得海上油田群电网的准稳态模型，其中，所述准稳态为介于暂态与稳态之间的一种过渡状态；准稳态的实质是把连续的暂态过程分解为若干断面，把对暂态过程的研究转化为对若干断面的研究，以减少问题的求解规模。经过若干准稳态断面后暂态过程逐渐过渡到稳态过程。准稳态与稳态都是反映电网的某个运行断面，但稳态反映的是电网的稳定运行状态，而准稳态只是过渡状态，并不是最终的稳定状态。
(4)在修改完海上油田群电网的准稳态模型后，对修改后的准稳态模型进行潮流计算；
(5)得到潮流计算结果后，根据操作类型及潮流计算结果，检查是否需要修改发电机节点的节点类型和节点注入功率，若不需要修改发电机节点的节点类型和节点注入功率，则潮流计算结果即为最终的海上油田群电网状态；若需要修改发电机节点的节点类型与节点注入功率，则在修改相应节点类型和节点注入功率，重新寻找平衡节点后，返回步骤(4)，对修改完相应节点类型及节点注入功率，重新寻找平衡节点后的准稳态模型再进行一次潮流计算。
在步骤(5)，优选如下：对于变压器分接头的改变及电容、电抗器的投切操作，此类操作并不会产生功率不平衡量，不需要再次修改海上油田群电网的准稳态模型。对于发电机和电动机起停以及SVG改变运行模式的操作，这类操作会产生功率不平衡量，应在潮流计算后，结合海上油田群电网无功/电压控制系统，根据潮流计算后发电机无功出力是否越限，决定是否对准稳态模型作出二次修改。
根据潮流计算后节点发出无功及发电机调差特性，可以得到发电机无功出力情况，进而检查其无功出力是否越限。对于发电机和电动机起停以及SVG改变运行模式的操作，此类操作会产生功率不平衡量，发电机无功出力在潮流计算后可能越限。若发电机无功出力没有越限，则潮流计算结果即为最终的海上油田群电网状态；若发电机无功出力越限，根据海上油田群电网无功/电压控制系统，需要修改海上油田群电网的准稳态模型中的发电机节点的节点类型及节点注入功率，把发电机所在节点的节点类型从PV节点或平衡节点修改为PQ节点，节点的注入有功为潮流计算前的注入有功，注入无功为节点内各发电机无功出力上限值之和减去节点所有无功负荷的值。如果被修改节点在修改前为平衡节点，那么还应找出发电机有功出力裕度最大的节点充当平衡节点。最后对修改后的准稳态模型重新进行潮流计算；
(6)把潮流计算结果转换为对应的设备信息。
本发明具有以下有益效果：
本发明可以帮助海上油田群电网操作人员提前掌握预想操作对电网的影响。有助于海上油田群电网的稳定运行和油田生产的安全性与连续性。
附图说明
图1是本发明所述计算方法的流程图；
图2是拓扑分析功能示意图；
图3是基于广度优先搜索算法寻找相关节点的示意图。
具体实施方式
本发明公开的海上油田群电网预想操作的在线仿真计算方法流程如图1所示，所述在线仿真计算方法包括以下步骤：
(1)生成海上油田群电网的伪量测数据
如图1所示，本计算方法根据操作人员的预想操作来修改经过状态估计后(其中状态估计方法为本领域的已有技术，包括但不限于专利CN103107536A所描述的状态估计方法)的电网数据，形成伪量测数据。模拟操作包括电动机和发电机的起停，变压器分接头的改变以及电容器或电抗器的投切。不同类型的操作，对应不同的修改内容。对于电动机或发电机的起停，需要修改的是电动机或发电机的功率以及对应的开关状态(起即为开关合上，停即为开关断开)；变压器分接头的改变则修改变压器分接头位置信息即可；而电容器或电抗器的投切则只需找到电容器或电抗器所对应的开关，修改相应的开关状态即可。其中，电动机或发电机的投切会在电网中产生功率不平衡量，而其他操作则不会产生功率不平衡量。
(2)基于伪量测数据对油田群电网进行拓扑分析，实现把所述伪量测数据转化为IEEE潮流数据文件，拓扑分析也称网络接线分析，按开关状态和网络元件状态将网络结点模型化为计算用母线模型，并将有电气联系的母线集合化为拓扑岛，即将海上油田群电网的系统CIM文件和所述伪量测数据结合构建出当前的海上油田群电网的系统拓扑图，实现把电网伪量测数据转化为IEEE潮流数据文件的功能。具体的示意图可参照图2。
CIM是通用信息模型(CommonInformationModel)的简称。它是电力系统领域公共信息的面向对象的抽象模型。它定义了电力系统领域所有主要的实体对象，电力系统中物理存在的实体对象在CIM中都是电力系统资源。CIM模型描述了各电气元件的连接关系，相关设备量测所在的位置，量测的类型以及量测的单位等相关信息。而量测数据则包含了量测的类型，量测的名称及量测值的大小。拓扑分析结合CIM模型与量测数据，找到两者之间的对应关系，把量测数据转化为IEEE潮流数据文件以供计算。
(3)修改准稳态模型在对海上油田群电网进行拓扑分析后，结合电网的控制特性即可获得海上油田群电网的准稳态模型。此处准稳态为介于暂态与稳态之间的一种过渡状态，暂态是指电力系统受到扰动后电网的变化情况，而稳态则是电力系统的电压、频率等参数处于动态平衡中，保持相对稳定运行状态，可看作电网的一个稳定运行断面。准稳态的实质是把连续的暂态过程分解为若干断面，把对暂态过程的研究转化为对若干断面的研究，以减少问题的求解规模。经过若干准稳态断面后暂态过程逐渐过渡到稳态过程。准稳态与稳态都是反映电网的某个运行断面，但稳态反映的是电网的稳定运行状态，而准稳态只是过渡状态，并不是最终的稳定状态。
修改准稳态模型是计算方法所有流程中最重要的一环。本计算方法的核心就是通过分析操作人员操作设备对电网造成的影响及相应控制系统的控制特性，将电网由于操作所引起的动态过程，转化为准稳态模型的各类可调整变量的变化。
上述操作对电网准稳态模型的影响可用清华大学出版社出版的，由(请写明出版社)张伯明、陈寿孙和严正编写的《高等电力网络分析》(第2版)书中第10章第1节所介绍的扩展潮流模型进行描述：
f(x,u,D,A,p)＝0⑴
式中：x为依从变量，包括线路流过功率、负荷母线电压幅值与相角等；u表示控制变量，是海上油田群电网中的可调变量；D为不可控变量或干扰变量，由运行人员要求决定；A关联矩阵，用于表示网络的结构变量；p为海上油田群电网中的网络元件参数。
其中，操作人员操作设备对电网造成的影响包括：
1)发电机、电动机的起停
发电机和电动机的起停会产生功率不平衡量。对于有功功率不平衡量，本计算方法按照海上油田群电网有功/频率控制系统，对准稳态模型中发电机有功出力进行调整，从而修改节点注入有功，即修改式(1)中的u。海上油田群电网有功/频率控制系统描述如下：
在海上油田群电网中，发电机分为参与调控(即参与自动发电控制(AGC)的发电机)、经济调度以及固定出力等几种运行方式。其中处于参与调控运行方式的发电机共同分担有功不平衡量，处于经济调度运行方式的发电机则接收能量管理系统(EMS)的指令改变自身出力，处于固定出力运行方式的发电机有功出力保持不变。正常情况下所有发电机均处于参与调控方式下，即所有发电机均为参与AGC调节的发电机。当电网出现有功功率不平衡时，会引起全网频率的变化。此时AGC系统动作，通过调整参与AGC调节的发电机有功出力，使频率恢复至正常值。发电机有功出力调整原则如式(2)所示：
其中，PG为操作前发电机有功出力，ΔP为有功不平衡量，n为参与AGC调整的发电机数目。
对于无功不平衡量在各发电机间的分配，则需要根据潮流计算的结果，视是否需要改变发电机所在节点的节点类型及节点注入功率而定，具体内容见步骤(5)。
此外，由于电动机的启动是一个动态的过程，若要全面地分析电动机的整个启动过程，会使问题的求解变得复杂，所需的运算时间也随之增加。而且在启动过程中操作人员最关心的是冲击负荷所带来的问题。为了在减小问题求解规模的同时能够模拟出冲击负荷所带来的影响，本发明所述方法把电动机启动分成三个典型断面：电动机开启的断面，冲击负荷最大的断面以及最终稳定运行的断面，采用准稳态的方法模拟电动机的动态启动过程并逐步过渡到稳定运行状态，如果计算结果表明在各个典型断面电网都能满足运行要求，则表明电网允许该电动机接入。
2)变压器分接头的改变及电容、电抗器的投切：
变压器分接头的改变及电容、电抗器的投切可看成是对网络拓扑参数(即式(1)中的p)的修改，进而改变准稳态模型中的节点导纳矩阵。此时只需重新生成节点导纳矩阵，不需分配功率不平衡量，节点类型可保持不变。
3)SVG运行模式的变化
现场投运的SVG有两种运行模式：a)电压控制模式，SVG所在节点应为PV节点，其电压值即为事先设定值；b)无功调度模式，SVG的无功出力为操作人员设定值，其节点类型为PQ节点。若SVG切换到电压控制模式，则需要改变准稳态模型中对应节点的节点电压及节点类型，把节点电压修改为操作人员的设定值，把节点类型设定为PV节点；若SVG切换到无功调度模式，则需要改变准稳态模型中对应节点的节点注入无功及节点类型，节点无功负荷不变，根据操作人员的要求修改节点的发出无功，同时把节点类型设为PQ节点。
(4)潮流计算
在修改完准稳态模型后，本计算方法便可对修改后的准稳态模型进行潮流计算。
(5)得到潮流计算结果后，根据操作类型及潮流计算结果，检查是否需要修改发电机节点的节点类型和节点注入功率。对于变压器分接头的改变及电容、电抗器的投切操作，此类操作并不会产生功率不平衡量，不需要再次修改海上油田群电网的准稳态模型。对于发电机和电动机起停以及SVG改变运行模式的操作，这类操作会产生功率不平衡量，应在潮流计算后，结合海上油田群电网无功/电压控制系统，根据潮流计算后发电机无功出力是否越限，决定是否对准稳态模型作出二次修改。海上油田群电网无功/电压控制系统描述如下：
目前海上油田群电网尚不具备全局闭环的自动电压控制系统(AVC)，海上油田群电网EMS的无功/电压控制是通过下发发电机运行电压曲线的方式保证节点电压在给定范围内。当电网出现无功功率不平衡量时，不平衡量所在节点电压会发生较大变化，发电机或SVG需要调整无功出力来维持节点电压的稳定。但由于SVG有电压控制与无功调度两种运行模式，前者用于维持SVG所在节点电压保持恒定，(此时SVG所在节点为PV节点，即在潮流计算中保持注入有功及节点电压幅值不变的节点)；后者则按照操作人员的指令发出固定无功(此时SVG所在节点为PQ节点，即在潮流计算中保持注入有功及注入无功不变的节点)，因此当SVG处于无功调度模式时并不参与无功不平衡量的分配。当不平衡量所在节点没有发电机或有SVG但SVG处于无功调度模式时，此时计算方法根据系统拓扑结构，找到与出现功率不平衡量的节点相关联的发电机，即从功率不平衡量所在节点出发，沿着与该节点相连的所有支路，利用广度优先搜索(breadthfirstsearch，BFS)算法对网络进行搜索，直到所有支路均找到PV节点或平衡节点为止，并且记录所有找到的PV节点或平衡节点，这些相关节点的发电机需要调整自身无功出力以抵消无功不平衡量带来的影响。参照图3，假设节点1为功率不平衡量所在节点，节点2与节点3分别是PV节点与平衡节点，节点4为PQ节点，由于节点1没有发电机，因此根据广度优先搜索算法，节点2与节点3为上文所述的相关节点。
发电机无功出力与自身的调差特性有关，由于在海上油田群中每个节点的发电机调差系数相差不大，发电机无功出力原则如式(3)所示：
其中，Qi'为潮流计算后节点i的发出无功，n为节点i发电机数。而SVG的无功出力则与SVG所在节点发出的无功相同。
若发电机或SVG无功出力没有越限，则潮流计算结果即为最终的海上油田群电网状态；若发电机或SVG无功出力越限，则本节点发电机或SVG无功出力应限制在上限值，同时节点类型由PV节点或平衡节点转化为PQ节点，节点的注入有功为潮流计算前的注入有功，注入无功为节点内各发电机或SVG无功出力上限值之和减去节点所有无功负荷的值。由于节点类型发生变化，有部分无功不平衡量不能得到分配，这部分无功不平衡量由上文所述的利用BFS算法找到的相关节点的发电机承担。若被修改节点在修改前为平衡节点，则还应找出发电机有功出力裕度最大的节点充当平衡节点。在修改完准稳态模型中无功出力越限发电机所在节点的节点类型及节点注入功率，重新寻找平衡节点后，需要返回步骤(4)，再次进行潮流计算，得到最终的电网运行状态。
(6)把潮流计算结果转换为对应的设备信息
潮流计算得到的只是节点的功率情况，而操作人员关心的是具体设备的功率、电压等情况，因此本计算方法需要把潮流计算的结果转换为对应的设备信息。
对于会产生功率不平衡量的操作，电网发电机按照有功/频率控制系统的调整原则(即式(2))调整自身有功出力；而电网发电机无功出力则按照式(3)进行分配。
对于不产生功率不平衡量的操作，对于预想操作不产生功率不平衡量的情况，根据潮流计算的结果，结合式(3)便可得出发电机的无功出力情况；同时这类操作会引起系统有功网损发生变化，但因为海上油田群一般规模较小，操作前后有功网损的变化可忽略不计，所以发电机操作前后的有功出力可看作不变。
Claims (9)
1.一种海上油田群电网预想操作的在线仿真计算方法，其特征在于，所述在线仿真计算方法包括以下步骤：
(1)生成海上油田群电网的伪量测数据，根据操作人员的预想操作来修改经过状态估计后的电网数据，形成伪量测数据；
(2)基于伪量测数据对油田群电网进行拓扑分析，实现把所述伪量测数据转化为IEEE潮流数据文件；
(3)根据步骤(2)的拓扑分析，修改海上油田群电网的准稳态模型；在对海上油田群电网进行拓扑分析后，结合电网的控制系统即可获得海上油田群电网的准稳态模型，其中，所述准稳态为介于暂态与稳态之间的一种过渡状态；
(4)在修改完海上油田群电网的准稳态模型后，对修改后的准稳态模型进行潮流计算；
(5)得到潮流计算结果后，根据操作类型及潮流计算结果，检查是否需要修改发电机节点的节点类型及节点注入功率，若不需要修改发电机节点的节点类型及节点注入功率，则潮流计算结果即为最终的海上油田群电网状态；若需要修改发电机节点的节点类型及节点注入功率，则在修改相应节点类型及节点注入功率，重新寻找平衡节点后，返回步骤(4)，对修改完相应节点类型及节点注入功率，重新寻找平衡节点后的准稳态模型再进行一次潮流计算；
(6)把潮流计算结果转换为对应的设备信息。
2.根据权利要求1所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
在步骤(3)中，通过分析操作人员操作设备对所述海上油田群电网造成的影响及相应控制系统的控制特性，将海上油田群电网由于操作所引起的动态过程，转化为准稳态模型的各类可调整变量的变化。
3.根据权利要求2所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
当海上油田群电网中的发电机参与有功功率调节时，根据发电机出力，修改所述海上油田群电网准稳态模型中发电机节点注入有功。
4.根据权利要求2所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
将电动机启动分成三个典型断面：电动机开启的断面，冲击负荷最大的断面以及最终稳定运行的断面，采用准稳态的方法模拟电动机的动态启动过程并逐步过渡到稳定运行状态。
5.根据权利要求2所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
变压器分接头的改变及电容、电抗器的投切看成是对网络拓扑参数的修改，进而改变准稳态模型中的节点导纳矩阵，此时只需重新生成节点导纳矩阵，不需分配功率不平衡量，节点类型可保持不变。
6.根据权利要求5所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
若SVG由无功调度模式切换到电压控制模式，则需要把准稳态模型中SVG所在节点的节点电压设定为操作人员的预期电压值，SVG所在节点的节点类型应改为有功-电压节点即PV节点；若SVG由电压控制模式切换到无功调度模式，则需要把准稳态模型中SVG所在节点的节点注入无功修改为操作人员预期的SVG无功出力与节点无功负荷之差，同时SVG所在节点应改为有功-无功节点即PQ节点。
7.根据权利要求1所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
在步骤(5)中，当海上油田群电网中的发电机参与无功功率调节时，根据步骤(4)得到的潮流计算结果，判断发电机无功出力是否越限，如果越限，则改变准稳态模型中发电机所在节点的节点类型及节点注入功率，其中节点类型由PV节点或平衡节点转化成PQ节点，节点的注入有功为潮流计算前的注入有功，注入无功为节点内各发电机无功出力上限值之和减去节点所有无功负荷的值；如果被修改节点在修改前为平衡节点，那么还应找出发电机有功出力裕度最大的节点充当平衡节点，修改完准稳态模型后，返回步骤(4)并且重新进行潮流计算。
8.根据权利要求1或7所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
在步骤(5)中，对于变压器分接头的改变及电容、电抗器的投切操作，此类操作并不会产生功率不平衡量，不需要根据潮流计算结果再次修改海上油田群电网的准稳态模型。
9.根据权利要求1或7所述的在线仿真计算方法，其特征在于：
在步骤(5)中，对于发电机和电动机起停以及SVG改变运行模式的操作，此类操作会产生功率不平衡量，发电机参与无功功率调节时，无功出力在潮流计算后可能越限。
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