CN110729735A - 一种具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，所述海上电网电能调度与管控系统包括：基础监控功能模块，用于完成海上电网各节点的基础数据的采集和状态估计，为高级控制功能模块提供有效数据；高级控制功能模块，所述高级控制功能模块包括拓扑分析模块；所述拓扑分析模块根据所述基础监控功能模块所采集的基础数据，以及状态估计，状态在线监测获得整个海上平台的电网拓扑情况；并根据所述拓扑情况筛选出具备有效工况的节点作为电网控制基础。采用该系统能有效简化海上电网复杂的网络结构，获取海上电网所有有效工况信息，为海上电网不同工况下安稳控制策略的制定奠定了基础。

Description

一种具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统
技术领域
本发明涉及一种海上电网电能调度与管控系统，尤其是涉及一种具备有效工况筛选的海上孤岛微电网调度与管控系统。
背景技术
随着我国海上电网规模不断扩大，网络结构越来越复杂，平台工况变动频繁，对系统的安全性和稳定性要求越来越高。目前，海上平台电力系统的稳定可靠性研究还较为匮乏，打造安全、稳定、高效的海上电网自动化系统是海上电网发展的必然需求。
随着我国海上电网规模不断扩大，面临着以下难题：1)网络结构越来越复杂，对系统的安全性和稳定性要求越来越高；2)系统容量较小，而某些负载单机容量较大，当这样的负载起动时对电网将造成很大的冲击；3)平台工况变动频繁，对自动控制装置的可靠性提出了很高的要求；4)运行维护人员少等。目前，海上平台电力系统的稳定可靠性研究还较为匮乏，打造安全、稳定、高效的海上电网自动化系统是海上电网发展的必然需求，对我国海洋强国战略的实施和海洋工程的安全稳定运行都有重要意义。陆上电网由SCADA/EMS系统完成电网频率及联络线功率交换的控制、由在线安全稳定控制系统完成故障情况下电网的稳定控制、由电站综合自动化系统提升电站自动化水平以减少运行人员配置。但这些系统对于海上电网这类孤岛微电网显得庞大而复杂，不仅投资大，还需配备大量的运行维护人员。
因此，为更好地提升海上电网的电能质量和安全稳定性，需要一种海上电网电能调度与管控系统，其功能包括关键设备的监视和远程操控、发电机组管控、电网有功无功潮流及电压控制、电网在线安稳控制、电网运行热备用余量管理及关键负载的综合管控等，能实时监视电网运行，及时处理故障，避免电网解列，减少黑启动，增强了电网的抗冲击性，提高了海上电网自动化水平。
电网拓扑结构分析是制定安稳控制策略的基础。因此，为了更好地提升海上电网安稳可靠性的研究，尤其需要对海上电网有效工况进行筛选，简化海上电网复杂的网络结构，获取所有有效工况，为制定安稳控制策略提供依据。
发明内容
本发明的目的在于提出一种海上电网有效工况筛选方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，所述海上电网电能调度与管控系统包括：
基础监控功能模块，用于完成海上电网各节点的基础数据的采集和状态估计，为高级控制功能模块提供有效数据；
高级控制功能模块，所述高级控制功能模块包括拓扑分析模块；
所述拓扑分析模块根据所述基础监控功能模块所采集的基础数据，以及状态估计，状态在线监测获得整个海上平台的电网拓扑情况；并根据所述拓扑情况筛选出具备有效工况的节点作为电网控制基础；
还包括信息管理功能模块，其具备数据库管理模块；
所述基础监控功能模块所采集到的基础数据和预估计的状态数据存储到所述数据库管理模块中，所述拓扑分析模块筛选的结果也存储在所述数据库管理模块中；
所述高级控制功能模块根据所述数据库管理模块中的数据对海上电网各节点组成的电网进行调控。
进一步地，所述拓扑分析模块采用以下步骤对所述电网进行筛选：
(1)确定海上电网的网络拓扑图；
(2)给各平台进行编号，区分动力平台以及非动力平台，核算电网的总平台数n；
(3)按照平台的编号，罗列所有的排列组合；
(4)对所有排列组合进行第一次筛选，判断是否有电源节点；
(5)对经第一次筛选后的组合进行第二次筛选，判断组合中各平台是否有正确连通关系；将具有正确联通关系的组合作为具备有效工况的节点组合。
进一步地，在步骤(2)中，动力平台表示含发电部分的平台，非动力平台则表示不含发电部分的平台；通过设置动力平台和非动力平台为不同的编号进行区分。
进一步地，在步骤(3)所有排列组合总数N计算公式为：
Figure BDA0002295983890000031
进一步地，在步骤(4)判断是否有电源节点，即判断排列组合中是否含有动力平台。
进一步地，所述高级控制功能模块还包括热备管理模块、潮流管理模块、功率管理模块、电压调整模块、优先脱扣模块、负载抑制模块；
信息管理功能模块，包括数据库管理模块以及事件和报警记录模块、历史数据趋势分析模块、数据报表模块；
所述基础监控功能模块所采集到的基础数据和预估计的状态数据存储到所述数据库管理模块中，所述高级控制功能模块调用所述数据库管理模块中的数据，经过拓扑分析模块、热备管理模块、潮流管理模块、功率管理模块、电压调整模块、优先脱扣模块、负载抑制模块的控制后输出控制信号对海上电网各节点进行调控，并对异常状况进行报警；所述事件和报警记录模块记录所述调控的事件和异常状况报警记录；所述历史数据趋势分析模块对所述调控的事件和异常状况报警记录进行分析，生成数据报表存储在所述数据报表模块中。
进一步地，所述热备管理模块基于所述拓扑分析模块获得的有效节点，确定各节点发电机组额定参数，通过对各节点发电机实际运行参数的监测和海上电网运行工况的分析，对海上电网当前工况的电源热备用和所有可能的假设工况的电源热备用进行计算。
所述的潮流管理通过调整平衡母线的有功功率P和无功功率Q实现调整无功功率潮流；所述功率管理模块用于有功功率和无功功率分配控制；功率需求和功率因数控制；母线频率和电压控制。
所述的电压调整模块通过调节各节点的电压，使其变化不超过规定的允许范围；所述的优先脱扣模块在电网出现突发情况时，依据预计算结果对海上电网负载进行选择性脱扣，以保证电网稳定；所述负载抑制模块用于在大型负载启动、电网的热备余量不能满足负载启动时的冲击负荷需求时，抑制负载启动。
进一步地，基于电能调度需求，即基于电网能源计划以及区域内设备倒机或设备调试的需求，以及基于具备有效工况节点的电网组网操作需求，对所述电网进行潮流管理，即通过所述潮流管理模块调整各节点的平衡母线的P和Q实现调整无功功率潮流。
进一步地，所述功率管理模块用于以下功能：
(1)有功功率和无功功率分配控制，有功功率依据各发电机的实际最大出力按照等比例模式进行分配，无功功率按照就地等比例方式进行分配；
(2)功率需求和功率因数控制，实时监测公用电网联络线的输入/输出功率，并计算功率需求，然后根据功率因数的范围，在满足发电机基本出力的前提下，调整自动电压调节器(AVR)控制无功功率输出，以维持功率因数在合理范围内；
(3)母线频率和电压控制，根据负荷的变化来调整输出的有功功率和无功功率，以维持系统的频率和电压。
当海上电网的出现节点断路时，首先采用拓扑分析功能模块，分析出故障发生的节点,筛选出具备有效工况的节点作为电网控制基础；继而触发潮流管理模块进行调整无功功率潮流；随后触发热备管理功能模块计算热备用，在热备用不足情况下，启用优先脱扣功能对部分节点进行脱扣；再次触发潮流管理功能模块，调整平衡母线的有功和无功功率；启用潮流管理与电压调整模块，使电网有功功率和无功功率分布在要求的区域内，在潮流管理功能模块与电压调整功能模块的基础条件下，触发功率管理模块，进行进一步的有功功率、无功功率、电压、频率的控制，使得系统过渡到新的稳态运行状态。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
本发明适用于海上电网获取有效工况的问题，尤其适用于涉及到母联分段、联络开关分路、环状结构的复杂电网；实现不同厂家、容量机组监控、控制和调度管理；解决海上供电无人值守和远程专家诊断问题；有效监测电网质量和快速定位故障源头；保证海上电网安全、可靠、优质、经济运行。考虑了海上电网实际情况，弥补了现有根据人工经验确定海上电网有效工况的缺陷。
附图说明
图1是本发明的海上电网电能调度和管控系统功能结构图；
图2是本发明的海上电网有效工况筛选方法的流程示意图；
图3是本发明实施例的海上电网结构示例图。
图4是本发明实施例的海上电网电能调度和管控系统工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种海上电网电能调度与管控系统包括以下模块：
(1)基础监控功能模块，用于完成基础数据的采集和状态估计，为高级控制功能提供有效数据；
(2)高级控制功能模块，具体包括拓扑分析模块、热备管理模块、潮流管理模块、功率管理模块、电压调整模块、优先脱扣模块、负载抑制模块等功能子模块。
(3)信息管理功能模块，包括了数据库管理模块以及事件和报警记录模块、历史数据趋势分析模块、数据报表模块等子模块。
其中所述拓扑分析模块，用于对海上电网有效工况进行筛选，筛选出符合要求的，具有有效工况的节点作为电网的控制基础。
参照图2，所述拓扑分析模块包括以下步骤进行工况的筛选：
(1)确定海上电网的网络拓扑图；所述拓扑分析模块，根据所述基础监控功能模块所采集的基础数据，以及状态估计，状态在线监测获得整个海上平台的电网拓扑图。
(2)给各平台进行编号，区分动力平台以及非动力平台，核算电网的总平台数n；该步骤中，利用基础监控功能模块所采集的基础数据，或者平台的状态，识别出海上平台是否包含动力，分别进行编号。动力平台表示含发电部分的平台，非动力平台则表示不含发电部分的平台。
(3)按照平台的编号，罗列所有的排列组合；即对所有可能的海上平台组合进行罗列。例如，通过设置动力平台编号为大写字母，以及设置非动力平台编号为小写字母，用以区分动力平台以及非动力平台。
排列组合总数N计算公式为：
(4)对所有排列组合进行第一次筛选，判断是否有电源节点；该步骤中，如果排列组合中包含有动力平台，则认为具有电源节点。
(5)对经第一次筛选后的组合进行第二次筛选，判断组合中各平台是否有正确连通关系。只有具有正确连接关系的节点之间才能形成有效电网，即才具备有效工况。
图3以一个由5个平台构成的海上电网为例说明。
(1)确定海上电网的网络拓扑图，如图3所示；
(2)给各平台进行编号，区分动力平台以及非动力平台，动力平台编号为A、B；非动力平台编号为c、d、e；电网的总平台数为5个；
(3)按照平台的编号，罗列所有的排列组合，表1列出了所有排列组合的结果；
表1所有平台排列组合结果
Figure BDA0002295983890000081
(4)对所有排列组合进行第一次筛选，判断是否有电源节点，表2列出经第一次筛选后的结果；
表2经第一次筛选后的排列组合结果
Figure BDA0002295983890000082
Figure BDA0002295983890000091
(5)对经第一次筛选后的组合进行第二次筛选，判断组合中各平台是否有正确连通关系，表3列出经第二次筛选后得到的有效工况结果。
表3经第二次筛选后获取有效工况结果
Figure BDA0002295983890000092
上述表3所列的有效工况组合，即可以作为本发明的电网控制基础。对于一组选定的节点，进一步地，本发明的电网电能调度与管控系统采用以下模块进行进一步控制。
所述的热备管理模块，在明确各发电机组额定参数的前提下，通过对各发电机实际运行参数的监测和海上电网运行工况的分析，对海上电网当前工况的电源热备用和所有可能的假设工况的电源热备用进行计算。热备用的计算公式如下所示：
P热备用＝Pmax-Ponline
式中：P热备用表示热备用；Pmax表示总在线发电机最大出力；Ponline表示总在线发电机实际出力。
如果P热备用≥0，热备用充足，不需要卸载负荷。
如果P热备用<0，则判断：(1)若P热备用+可卸载负荷<0，表示热备用+可卸负载不足，即卸载所有可卸载负荷，发电机仍会过载，应考虑启用备用发电机；(2)若P热备用+可卸载负荷≥0，执行优先脱扣功能，按照可卸载负荷的卸载级别进行脱扣，直至P热备用≥0。
热备用的计算是系统优先脱扣功能实施的基本条件，系统通过判断热备用是否足够来决定是否启用优先脱扣功能，以保证电网稳定。
所述的潮流管理主要通过调整平衡母线(含主发电机的母线)的P和Q实现的，而调整变压器档位或无功补偿装置也能达到调整无功功率潮流的目的。潮流管理的目的主要有两个：一是电能调度需求，主要基于电网能源计划以及区域内设备倒机或设备调试等需求进行；二是组网操作需求，主要基于各电站区域组网和解列时进行。
所述的功率管理模块进行如下控制：(1)有功功率和无功功率分配控制，有功功率依据各发电机的实际最大出力按照等比例模式进行分配，无功功率按照就地等比例方式进行分配；
(2)功率需求和功率因数控制，实时监测公用电网联络线的输入/输出功率，并计算功率需求，然后根据功率因数的范围，在满足发电机基本出力的前提下，调整自动电压调节器(AVR)控制无功功率输出，以维持功率因数在合理范围内；
(3)母线频率和电压控制，根据负荷的变化来调整输出的有功功率和无功功率，以维持系统的频率和电压。
所述的电压调整功能通过调节各节点的电压，使其变化不超过规定的允许范围，以保证电力系统的稳定水平及各种电力设备和电器的安全、经济运行。电压调整的实现方式包括：
(1)改变发电机端电压调压，通过调节励磁改变无功功率出力来实现，同步发电机可在额定电压的95％～105％范围内保持以额定功率运行；
(2)调整变压器变比调压，当电力系统无功功率充足时，通过选择不同的分接头，使变压器变压比例发生变化，从而达到调压目的；
(3)无功补偿设备调压，电力系统中无功功率不足时，应用各种无功补偿设备进行调压。
所述的优先脱扣功能用于电网出现突发情况，如：发电机跳机、联络开关分断、线路过载时，依据预计算结果对海上电网的负载进行选择性脱扣，以保证电网稳定。
所述的负载抑制功能的使用条件为大型负载启动时，电网的热备余量不能满足负载启动时的冲击负荷需求。大负载启动瞬间对电网的冲击可分为有功功率需求和无功功率需求。对于泵类负载，有功功率需求是额定功率1.5～2倍，无功功率需求是额定功率6～8倍。负载抑制功能应具备大负载额定(有功/无功)功率、有功功率启动倍率、无功功率启动倍率等参数的数据接口，在投用了负载抑制功能后，如果电网的热备余量不能满足负载启动时的冲击负荷需求，电能调度和管控系统将输出闭锁信号，禁止大负载启动。
参考图4，当基础监控功能模块监测到电网发生异常时，例如：节点断路，比如发电机发生跳闸时，电网电源分布发生了变化，采用拓扑分析功能模块，筛选出具备有效工况的节点作为电网控制基础。同时触发潮流管理模块与热备管理功能模块，在热备用不足情况下，启用优先脱扣功能，此时电网电源及负荷分布再次发生变化，再次触发潮流管理功能模块，调整平衡母线的有功和无功，同时，潮流管理与电压调整模块相互影响，使电网有功功率和无功功率分布在要求的区域内，在潮流管理功能模块与电压调整功能模块的基础条件下，触发功率管理模块，进行进一步的有功、无功、电压、频率的控制，使得系统过渡到新的稳态运行状态。
进一步地，例如大型负载启动前，系统预计算电网负荷。负荷启动后，负荷分布发生变化，采用拓扑分析功能模块，同时触发潮流管理模块与热备管理功能模块，若热备用不足情况下，则执行大负载功能，抑制改大负载启动。
进一步地，例如电网开关状态发生改变时，网架架构发生了变化，采用拓扑分析功能模块，同时触发潮流管理模块，调整平衡母线的有功和无功，同时，潮流管理与电压调整模块相互影响，使电网有功功率和无功功率分布在要求的区域内，在潮流管理功能模块与电压调整功能模块的基础条件下，触发功率管理模块，进行进一步的有功、无功、电压、频率的控制，使得系统过渡到新的稳态运行状态。
本发明具备有效工况筛选的海上电能调度和管理系统，能够对电网的组成进行筛选，根据所需要的情况选择合适的节点，并根据实际运行工况的电网进行系统调整，如此确保了电网的安全，稳定，高效，顺利的运行。
不受上述实例的限制。应当指出的是，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于，所述海上电网电能调度与管控系统包括：
基础监控功能模块，用于完成海上电网各节点的基础数据的采集和状态估计，为高级控制功能模块提供有效数据；
高级控制功能模块，所述高级控制功能模块包括拓扑分析模块；
所述拓扑分析模块根据所述基础监控功能模块所采集的基础数据，以及状态估计，状态在线监测获得整个海上平台的电网拓扑情况；并根据所述拓扑情况筛选出具备有效工况的节点作为电网控制基础；
还包括信息管理功能模块，其具备数据库管理模块；
所述基础监控功能模块所采集到的基础数据和预估计的状态数据存储到所述数据库管理模块中，所述拓扑分析模块筛选的结果也存储在所述数据库管理模块中；
所述高级控制功能模块根据所述数据库管理模块中的数据对海上电网各节点组成的电网进行调控。
2.根据权利要求1所述的具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于，所述拓扑分析模块采用以下步骤对所述电网进行筛选：
(1)确定海上电网的网络拓扑图；
(2)给各平台进行编号，区分动力平台以及非动力平台，核算电网的总平台数n；
(3)按照平台的编号，罗列所有的排列组合；
(4)对所有排列组合进行第一次筛选，判断是否有电源节点；
(5)对经第一次筛选后的组合进行第二次筛选，判断组合中各平台是否有正确连通关系；将具有正确联通关系的组合作为具备有效工况的节点组合。
3.根据权利要求2所述的具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于，在步骤(2)中，动力平台表示含发电部分的平台，非动力平台则表示不含发电部分的平台；通过设置动力平台和非动力平台为不同的编号进行区分。
4.根据权利要求2或3所述的具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于：在步骤(3)所有排列组合总数N计算公式为：
Figure FDA0002295983880000021
5.根据权利要求4所述的具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于：在步骤(4)判断是否有电源节点，即判断排列组合中是否含有动力平台。
6.根据前述权利要求任意一项所述的具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于：所述高级控制功能模块还包括热备管理模块、潮流管理模块、功率管理模块、电压调整模块、优先脱扣模块、负载抑制模块；
信息管理功能模块，包括数据库管理模块以及事件和报警记录模块、历史数据趋势分析模块、数据报表模块；
所述基础监控功能模块所采集到的基础数据和预估计的状态数据存储到所述数据库管理模块中，所述高级控制功能模块调用所述数据库管理模块中的数据，经过拓扑分析模块、热备管理模块、潮流管理模块、功率管理模块、电压调整模块、优先脱扣模块、负载抑制模块的控制后输出控制信号对海上电网各节点进行调控，并对异常状况进行报警；所述事件和报警记录模块记录所述调控的事件和异常状况报警记录；所述历史数据趋势分析模块对所述调控的事件和异常状况报警记录进行分析，生成数据报表存储在所述数据报表模块中。
7.根据权利要求6所述具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于：所述热备管理模块基于所述拓扑分析模块获得的有效节点的发电机组额定参数的前提下，通过对各节点发电机实际运行参数的监测和海上电网运行工况的分析，对海上电网当前工况的电源热备用和所有可能的假设工况的电源热备用进行计算。
8.根据权利要求7所述具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于：
所述的潮流管理通过调整平衡母线的有功功率P和无功功率Q实现调整无功功率潮流；所述功率管理模块用于有功功率和无功功率分配控制；功率需求和功率因数控制；母线频率和电压控制；
所述的电压调整模块通过调节各节点的电压，使其变化不超过规定的允许范围；所述的优先脱扣模块在电网出现突发情况时，依据预计算结果对海上电网负载进行选择性脱扣，以保证电网稳定；所述负载抑制模块用于在大型负载启动、电网的热备余量不能满足负载启动时的冲击负荷需求时，抑制负载启动。
9.根据权利要求8所述具备有效工况筛选的海上电网电能调度与管控系统，其特征在于：当海上电网的出现节点断路时，首先采用拓扑分析功能模块，分析出故障发生的节点,筛选出具备有效工况的节点作为电网控制基础；继而触发潮流管理模块进行调整无功功率潮流；随后触发热备管理功能模块计算热备用，在热备用不足情况下，启用优先脱扣功能对部分节点进行脱扣；再次触发潮流管理功能模块，调整平衡母线的有功和无功功率；启用潮流管理与电压调整模块，使电网有功功率和无功功率分布在要求的区域内，在潮流管理功能模块与电压调整功能模块的基础条件下，触发功率管理模块，进行进一步的有功功率、无功功率、电压、频率的控制，使得系统过渡到新的稳态运行状态。
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