CN107785921A - 基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法。其包括设定当前时刻为t，若发生故障或调度员人为改变电网状态，则采用故障处理后时间或人工调节后时间t’更新时刻t，开始下一[t，t+Δt]时段的运行调度分析；读取t时刻电网结构，读取[t，t+Δt]时段的AGC系统发电曲线、AVC系统无功数据及负荷预测曲线，存储[t，t+Δt]时段内的典型时间断面的电厂出力、电网无功配置及负荷预测数据等步骤。本发明在通过柔性直流输电系统实现城市电网供电分区互联时，能在保证正常方式下互联分区供电安全性的前提下，充分利用柔性直流输电系统的高速响应性能和功率调节能力，实现供电分区在故障过程中和故障切除后的快速故障处理。

Description

基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法

技术领域

本发明属于电力供电技术领域，特别是涉及一种基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法。

背景技术

城市电网是电力系统的重要组成部分，也是城市现代化建设的重要基础设施，事关社会稳定和经济民生。随着我国城市电网的不断发展，现有大型城市输电网大多形成500千伏和220千伏两级环网，为了抑制随220千伏电网发展而不断增大的短路水平，充分发挥500千伏电网的输送能力，降低电磁环网危害，同时便于电网安全稳定防线的设定和实施，大型城市输电网一般都采取220千伏电网分区的运行策略，分区模式包括基于1个500千伏变电站的独立分区，以及基于2-3个500千伏变电站的互联分区，相邻220千伏分区之间通过多回220千伏线路断环备用，若断备线路合环将造成大范围220千伏母线短路水平超标。

但限于电网发展的历史因素、城市电网规划项目的建设难度以及电源、负荷的不均衡发展等因素的制约，城市220千伏电网各个分区内逐步面临越来越多的潮流重载、轻载问题，从运行方面来看不同设备同时重载的解决措施往往存在一定矛盾，热电联产机组的热电耦合性进一步增加了运行部门对于电网潮流的控制难度。综合考虑各220千伏分区内已然较高的短路水平，解决设备重载问题的有效途径一是通过新建500千伏变电站重新调整220千伏分区，这对于寸土寸金的大型城市来说并非易事；二是在牺牲供电安全性的前提下拆分重载设备所在分区，将潮流压力转移至500千伏主变压器，形成500千伏独立分区；三是通过新技术加强电网潮流的稳态和动态控制能力。

直流输电是对于交流输电的巨大补充，相较于交流电网潮流的自然分布而言，直流输电本身即具备灵活控制潮流、抑制短路水平的能力。在直流输电领域中，柔性直流输电(VSC-HVDC，简称“柔直”)是一种基于电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)和全控性开关设备的新型高压直流输电技术，是输配电技术领域的重大突破，相比于传统高压直流输电技术，柔性直流输电技术优势主要表现在：(1)无需依赖于交流电网，可以向无源系统供电，不存在换相失败问题；(2)谐波水平相对较低；(3)无需配置无功补偿装置；(4)可实现有功、无功功率的独立控制，且易于实现潮流反向；(5)占地面积小于传统直流输电(约50％)。因此对于城市电网而言，柔性直流输电技术能够有效控制潮流流动，占地面积合理，并且更重要的一点在于，柔性直流输电技术能够显著抑制城市电网的短路水平，并且能够在故障过程中通过潮流可控性和高速响应能力进一步压低柔性直流输电系统输出的短路电流，这对于城市电网而言意义重大，结合上述城市电网220千伏分区面临的短路和潮流问题，将柔性直流输电技术应用于220千伏分区互联是一项很好的选择，其示意图如图1所示。

现有电网运行主要依靠AGC系统(Automatic Generation Control，自动发电控制系统)、AVC系统(Automatic Voltage Control，自动电压控制系统)以及调度员人工调控。其中AGC系统通过接受计划部门的日前发电曲线以及日中发电曲线给电厂下发有功出力指令；AVC系统通过潮流优化算法实时控制机组AVR(Automatic Voltage Regulator，自动电压调节器)、电容电抗器等无功设备的设置，保证系统无功平衡并跟踪上级电网下发的电压曲线；调度员可以实时根据电网运行安全和电网检修任务等因素对电网状态进行各种人工调节，保证电网安全稳定运行。相比之下，柔性直流输电技术是一项新兴技术，其加入电网后，电网的传统预防控制思路将被打破，同时柔性直流输电系统的控制主站也需要与现有调度系统充分结合。但目前尚缺少基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法包括按顺序执行的下列步骤：

第一步：设定当前时刻为t，若发生故障或调度员人为改变电网状态，则采用故障处理后时间或人工调节后时间t’更新时刻t，即t＝t’；

第二步：开始下一[t，t+Δt]时段的运行调度分析，其中Δt为时间间隔；

第三步：读取t时刻电网结构，读取[t，t+Δt]时段的AGC系统发电曲线、AVC系统无功数据以及负荷预测曲线，存储[t，t+Δt]时段内的典型时间断面的电厂出力、电网无功配置以及负荷预测数据，存储t时刻柔性直流输电系统的有功、无功功率出力为Nt；

第四步：扫描[t,t+Δt]时段内通过柔性直流输电系统互联的分区中所有设备N-1检验后的过载情况以及电压水平；同时，计算[t,t+Δt]时段下通过柔性直流输电系统互联的分区中所有220千伏母线的短路水平；

第五步：判断是否存在N-1检验后设备过载或电压越限的情况，若存在，则针对每个N-1检验后潮流或电压不满足要求的情况计算相应柔性直流输电系统的有功、无功功率出力需求，之后形成故障切除后潮流控制预案集P_t+Δt，然后下一步执行第六步；否则直接令潮流控制预案集P_t+Δt为第三步中的直流输电系统的有功、无功功率出力Nt，然后下一步执行第六步；同时判断是否存在220千伏母线短路水平超标的情况，如存在，则统计故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围，之后形成故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围S_t+Δt及短路控制预案C_t+Δt，然后下一步执行第六步，否则令故障范围S_t+Δt、短路控制预案C_t+Δt为空集，然后下一步执行第六步；

第六步：循环检测故障；

第七步：判断是否发生故障，若发生，下一步执行第九步，否则下一步执行第八步；

第八步：判断调度人员是否人为改变电网状态，若人为改变电网状态，则将人工调节指令更新至AGC系统和AVC系统，然后返回第一步；若未改变电网状态，下一步执行第十四步；

第九步：判断故障位置是否属于第五步中所述的故障范围S_t+Δt，若判断结果为是，则在故障过程中，根据短路控制预案C_t+Δt限制柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，切除故障，然后下一步执行第十步，否则切除故障后，直接执行第十步；

第十步：执行自动重合闸；

第十一步：判断重合闸是否成功，若成功，则柔性直流输电系统执行第三步中的有功、无功功率出力Nt，然后返回第一步；否则切除故障，根据潮流控制预案集P_t+Δt调节柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，保证设备运行安全和电压稳定，下一步执行第十二步；

第十二步：判断主变压器负载率是否超过100％，若超过100％，则调度员下达进一步调度指令，缓解主变压器过载问题，然后下一步执行第十三步，否则直接执行第十三步；

第十三步：进行人工校核，调度员根据当前电网状态调整柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，并将柔性直流输电系统的有功、无功指令更新至AGC系统发电数据和AVC系统，并将柔性直流输电系统的无功功率出力作为AVC系统潮流优化的约束条件，然后返回第一步；

第十四步：判断[t,t+Δt]时段是否结束，若结束，则更新时间t，即t＝t+Δt，下一步执行第十五步；否则返回第六步，循环检测故障；

第十五步：判断调度人员是否下令停止运行分析，若判断结果为是，则运行分析结束，否则返回第二步。

第三步中，所述的典型时间断面选取[t，t+Δt]时段的中间时刻，即t+Δt/2时刻。

第五步中，在形成故障切除后潮流控制预案集P_t+Δt时，其故障情况下主变压器最大负载率按照130％控制。

本发明提供的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法的有益效果：本方法在通过柔性直流输电系统实现城市电网供电分区互联时，能够在保证正常方式下互联分区供电安全性的前提下，充分利用柔性直流输电系统的高速响应性能和功率调节能力，实现供电分区在故障过程中和故障切除后的快速故障处理，避免短路电流超过断路器额定开断能力以及N-1检验后相关设备过载，为提高电力系统供电分区运行安全可靠性提供了一种很好的解决思路。

附图说明

图1为基于柔性直流输电技术实现220千伏分区互联示意图。

图2为本发明提供的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法流程图。

图3为实施例中的系统接线示意图。

图4为实施例中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法进行详细说明。

本发明利用图3所示的系统为实施例进行分析，在该实施例中，某城市220千伏输电网的分区1和分区2通过柔性直流输电系统进行互联，柔性直流输电系统保证分区1和分区2在正常状态下和故障状态下电网的稳定运行，母线1至母线11为220千伏母线，其中母线1至母线9为220千伏变电站的220千伏母线，母线10和母线11为500千伏变电站的220千伏母线。本发明中以分区1作为研究对象进行详细分析。

如图2所示，本发明提供的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法包括按顺序执行的下列步骤：

第一步：设定当前时刻为t，若发生故障或调度员人为改变电网状态，则采用故障处理后时间或人工调节后时间t’更新时刻t，即t＝t’；

第二步：开始下一[t，t+Δt]时段的运行调度分析，其中Δt为时间间隔；时间间隔Δt不宜过大，以保证该段时间内电厂出力、电网负荷水平变化不会过大；

第三步：读取t时刻电网结构，读取[t，t+Δt]时段的AGC系统发电曲线、AVC系统无功数据以及负荷预测曲线，存储[t，t+Δt]时段内的典型时间断面的电厂出力、电网无功配置以及负荷预测数据，用于后续步骤潮流计算和短路计算，存储t时刻柔性直流输电系统的有功、无功功率出力为Nt；其中典型时间断面可选取[t，t+Δt]时段的中间时刻，即t+Δt/2时刻；

在本实施例中，AGC系统发电曲线为分区1内电厂1、电厂2和电厂3的发电曲线，AVC系统无功数据为分区1内电厂AVR设备、电网无功设备的设置情况，t时刻柔性直流输电系统的有功、无功功率出力Nt＝[-300兆瓦，0兆乏]，其中以流入“母线9”的潮流方向为正。

第四步：扫描[t,t+Δt]时段内通过柔性直流输电系统互联的分区中所有设备N-1检验后的过载情况以及电压水平；同时，计算[t,t+Δt]时段下通过柔性直流输电系统互联的分区中所有220千伏母线的短路水平；

在本实施例中，500千伏变电站1、500千伏变电站2主变压器N-1检验、母线2至母线3双回线路N-1检验后，分区1内存在过载情况，母线10、母线1、母线2短路水平分别达到52.61千安、50.89千安、53.03千安；

第五步：判断是否存在N-1检验后设备过载或电压越限的情况，若存在，则针对每个N-1检验后潮流或电压不满足要求的情况计算相应柔性直流输电系统的有功、无功功率出力需求，之后形成故障切除后潮流控制预案集P_t+Δt，然后下一步执行第六步；否则直接令潮流控制预案集P_t+Δt为第三步中的直流输电系统的有功、无功功率出力Nt，然后下一步执行第六步；同时判断是否存在220千伏母线短路水平超标的情况，如存在，则统计故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围，之后形成故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围S_t+Δt及短路控制预案C_t+Δt，然后下一步执行第六步，否则令故障范围S_t+Δt、短路控制预案C_t+Δt为空集，然后下一步执行第六步；在形成故障切除后潮流控制预案集P_t+Δt时，其故障情况下主变压器最大负载率按照130％控制；在形成故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围S_t+Δt时，需要根据短路计算程序扫描互联分区内所有220千伏母线短路水平，为降低检测难度，可将短路水平超标的220千伏母线以及与之相连的220千伏线路均纳入故障范围S_t+Δt；

在本实施例中，500千伏变电站1、500千伏变电站2主变压器N-1检验、母线2至母线3双回线路N-1检验时，柔性直流输电系统出力潮流控制预案集分别为P_t+Δt＝{[400兆瓦、0兆乏]、[-800兆瓦、0兆乏]、[-1000兆瓦、0兆乏]}，需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围S_t+Δt如图4中虚线所示。

第六步：循环检测故障；

第七步：判断是否发生故障，若发生，下一步执行第九步，否则下一步执行第八步；

第八步：判断调度人员是否人为改变电网状态，若人为改变电网状态，则将人工调节指令更新至AGC系统和AVC系统，然后返回第一步；若未改变电网状态，下一步执行第十四步；

第九步：判断故障位置是否属于第五步中所述的故障范围S_t+Δt，若判断结果为是，则在故障过程中，根据短路控制预案C_t+Δt限制柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，切除故障，然后下一步执行第十步，否则切除故障后，直接执行第十步；其中根据短路控制预案C_t+Δt限制柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，是为了降低故障过程中由柔性直流输电系统提供的短路电流，可通过迅速降低柔性直流输电系统的功率控制指令加以实现；

第十步：执行自动重合闸；

第十一步：判断重合闸是否成功，若成功，则柔性直流输电系统执行第三步中的有功、无功功率出力Nt，然后返回第一步；否则切除故障，根据潮流控制预案集P_t+Δt调节柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，保证设备运行安全和电压稳定，下一步执行第十二步；

第十二步：判断主变压器负载率是否超过100％，若超过100％，则调度员下达进一步调度指令，缓解主变压器过载问题，然后下一步执行第十三步，否则直接执行第十三步；

在本实施例中，若500千伏变电站2主变压器发生N-1检验、母线2至母线3双回线路发生N-1检验，则需将500千伏变电站1的主变压器负载率提升至120％，为调度人员采取后续措施争取时间，此后需调度员下达进一步调度指令，以缓解主变压器过载问题。

第十三步：进行人工校核，调度员根据当前电网状态调整柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，并将柔性直流输电系统的有功、无功指令更新至AGC系统发电数据和AVC系统，并将柔性直流输电系统的无功功率出力作为AVC系统潮流优化的约束条件，然后返回第一步；

第十四步：判断[t,t+Δt]时段是否结束，若结束，则更新时间t，即t＝t+Δt，下一步执行第十五步；否则返回第六步，循环检测故障；

第十五步：判断调度人员是否下令停止运行分析，若判断为是，则运行分析结束，否则返回第二步。

表1装设柔性直流输电系统前后分区1内潮流情况及N-1检验后电网设备过载情况

表2分区1和分区2之间交流互联和柔性直流输电系统互联时220千伏母线短路水平

表1比较了装设柔性直流输电系统前后分区1内的潮流情况和N-1检验后电网设备过载情况，表2比较了分区1和分区2之间交流互联和柔性直流输电系统互联时的220千伏母线短路水平。可见，在潮流方面，不装设柔性直流输电系统时，正常方式下相关线路已经过载，本发明能够借由柔性直流输电系统有效解决分区内部分设备重载问题，并保证电网设备在发生N-1检验后(即故障切除后)满足运行要求，给调度人员后续处理争取时间；在短路水平方面，柔性直流输电系统本身即具备抑制短路电流的功能，本发明能够通过柔性直流输电系统的可控性进一步保证故障过程中分区内220千伏母线短路水平不超过断路器额定开断能力。因此本实施例充分验证了本发明提供的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法的可行性。

以上实施例测试结果证明，本方法充分利用了柔性直流输电系统的高速响应性能和潮流调控能力，具有较好的可行性与适用性，可有效改善城市输电网分区供电安全可靠性，为实现大规模交直流混合电力系统运行调度奠定了基础。

Claims (3)

1.一种基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法，其特征在于：所述的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法包括按顺序执行的下列步骤：

第一步：设定当前时刻为t，若发生故障或调度员人为改变电网状态，则采用故障处理后时间或人工调节后时间t’更新时刻t，即t＝t’；

第二步：开始下一[t，t+Δt]时段的运行调度分析，其中Δt为时间间隔；

第三步：读取t时刻电网结构，读取[t，t+Δt]时段的AGC系统发电曲线、AVC系统无功数据以及负荷预测曲线，存储[t，t+Δt]时段内的典型时间断面的电厂出力、电网无功配置以及负荷预测数据，存储t时刻柔性直流输电系统的有功、无功功率出力为Nt；

第四步：扫描[t,t+Δt]时段内通过柔性直流输电系统互联的分区中所有设备N-1检验后的过载情况以及电压水平；同时，计算[t,t+Δt]时段下通过柔性直流输电系统互联的分区中所有220千伏母线的短路水平；

第五步：判断是否存在N-1检验后设备过载或电压越限的情况，若存在，则针对每个N-1检验后潮流或电压不满足要求的情况计算相应柔性直流输电系统的有功、无功功率出力需求，之后形成故障切除后潮流控制预案集P_t+Δt，然后下一步执行第六步；否则直接令潮流控制预案集P_t+Δt为第三步中的直流输电系统的有功、无功功率出力Nt，然后下一步执行第六步；同时判断是否存在220千伏母线短路水平超标的情况，如存在，则统计故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围，之后形成故障过程中需要柔性直流输电系统限制出力降低短路水平的故障范围S_t+Δt及短路控制预案C_t+Δt，然后下一步执行第六步，否则令故障范围S_t+Δt、短路控制预案C_t+Δt为空集，然后下一步执行第六步；

第六步：循环检测故障；

第七步：判断是否发生故障，若发生，下一步执行第九步，否则下一步执行第八步；

第八步：判断调度人员是否人为改变电网状态，若人为改变电网状态，则将人工调节指令更新至AGC系统和AVC系统，然后返回第一步；若未改变电网状态，下一步执行第十四步；

第九步：判断故障位置是否属于第五步中所述的故障范围S_t+Δt，若判断结果为是，则在故障过程中，根据短路控制预案C_t+Δt限制柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，切除故障，然后下一步执行第十步，否则切除故障后，直接执行第十步；

第十步：执行自动重合闸；

第十一步：判断重合闸是否成功，若成功，则柔性直流输电系统执行第三步中的有功、无功功率出力Nt，然后返回第一步；否则切除故障，根据潮流控制预案集P_t+Δt调节柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，保证设备运行安全和电压稳定，下一步执行第十二步；

第十二步：判断主变压器负载率是否超过100％，若超过100％，则调度员下达进一步调度指令，缓解主变压器过载问题，然后下一步执行第十三步，否则直接执行第十三步；

第十三步：进行人工校核，调度员根据当前电网状态调整柔性直流输电系统的有功、无功功率出力，并将柔性直流输电系统的有功、无功指令更新至AGC系统发电数据和AVC系统，并将柔性直流输电系统的无功功率出力作为AVC系统潮流优化的约束条件，然后返回第一步；

第十四步：判断[t,t+Δt]时段是否结束，若结束，则更新时间t，即t＝t+Δt，下一步执行第十五步；否则返回第六步，循环检测故障；

第十五步：判断调度人员是否下令停止运行分析，若判断结果为是，则运行分析结束，否则返回第二步。

2.根据权利要求1所述的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法，其特征在于：第三步中，所述的典型时间断面选取[t，t+Δt]时段的中间时刻，即t+Δt/2时刻。

3.根据权利要求1所述的基于柔性直流输电技术的城市电网分区互联运行调度方法，其特征在于：第五步中，在形成故障切除后潮流控制预案集P_t+Δt时，其故障情况下主变压器最大负载率按照130％控制。