传统电网中, 输电网的能量管理(EMS)与配电网的能量管理(DMS)是分开运行的, 并由不同的运行人员独立调控。随着智能电网技术的快速发展, 输、配电网的相互作用也变得越来越显著, 传统输配割裂的能量管理模式也随之受到挑战。例如, 快速发展的分布式发电、负荷响应、电动汽车、分布式储能和配电自动化技术等, 增加了配电网的控制手段, 使得配电网运行方式呈现出更加灵活多变的趋势。这种多变的运行方式也使得配电网对输电网的影响变得更加显著。例如, 在美国加州地区, 2013年底光伏发电量已经达到1200万千瓦。随着光伏的大量接入, 美国加州的净负荷曲线在日出和日落时刻爬坡速率惊人, 3小时内负荷变化可达13000 MW之巨, 对输电网的经济调度造成挑战。而在2011年美国南加州大停电事故中, 事故时配电网恰好处于环网运行, 但是输电网安全分析程序中依然将之当成默认的辐射状运行状态, 从而导致了安全分析中的结果与输电网实际的潮流分布不符, 造成了调度员的错误操作, 使得事故扩大。由此可见, 如果缺乏对输配电网影响的合理评估, 缺乏对输配电网运行的协同管理, 电网运行的经济性、安全性就很难得到保证, 甚至可能出现十分严重的停电事故。
1为什么要研究GTCA?
众所周知, 输电网预想事故分析具有提前预警的功能, 如果预警准确及时, 可为输电网安全运行保驾护航, 犹如电网安全运行的保镖。那么, 在未来输配协同能量管理技术中, 输电网预想事故分析应该是什么样子?是否可以继续沿用现有的模式——将配电网视为挂靠在输电网母线上的负荷注入, 忽略配电潮流在预想事故中的变化?
现场对此投出了否定票。虽然现有的输电网预想事故分析(TCA)算起来很方便, 但很可惜, 随着未来输、配电网的影响更加显著, 这种输配割裂的安全分析模式将会变得不安全。例如, 对于2011年美国南加州大停电事故, 由美国联邦能源管理委员会(FERC)和北美电力可靠性公司(NERC)撰写的调查报告就曾明确指出, 事故扩大的一个重要原因就在于现有的TCA没有考虑输电网事故中配电潮流的变化, 没有考虑这一变化带来的输电网潮流转移, 从而导致了预警不当, 调度员误操作, 进而造成了事故的扩大。这一过程如图1所示。图中, 事故时红色框内的配电网恰好处于环网运行, 右侧区域的输电潮流通过转移到了左侧区域, 进而引发了左侧区域内出现线路过载等现象。但是由于缺乏协同, 输电网安全分析程序中依然将框中的配电网默认为辐射状运行, 从而导致了安全分析中的结果与输电网实际的潮流分布不符, 造成了调度员的错误操作。
这就提醒我们: 传统的方法并非一成不变的, 为了避免安全分析不安全, 我们有必要另辟蹊径, 研究一种新的输电网安全分析方法, 能够考虑配电潮流的变化影响(称之为配电潮流响应)。这种新方法就是GTCA。
GTCA指的是考虑配电潮流响应的输电网预想事故分析, 对于每一个输电网预想事故(线路开断, 机组开断), 在分析中同时考虑输电网和配电网的潮流变化, 进而评估全局系统的安全性。显然, 随着新能源入网和配电自动化技术的普及, 输配电网的联系愈发紧密, 传统的TCA在现场应用中将面临越来越多的否定票。而GTCA由于在评估时充分考虑了配电潮流响应, 有望接替TCA, 为未来智能电网的安全运行保驾护航。
图1 南加州大停电事故中由配电网带来的输电网潮流转移
2GTCA有什么特点?
由于考虑了配电潮流响应, GTCA具有如下特点:
特点1: 面向输配全局电网进行评估。传统的TCA只是根据输电网的运行约束是否越界来评估安全性, 但在GTCA中, 由于考虑了配电网潮流, 因而可以对输、配电网的运行约束同时进行检查, 进而评估全局电网的安全性。这显然比传统方法更加全面、准确。
特点2: 评估结果更加准确。GTCA基于输配全局潮流进行评估, 充分考虑了配电网潮流的响应, 因此它比将配电网简单视为负荷注入的传统方法更加准确。
特点3: 通信负担有限。GTCA采用了主从分裂法计算全局潮流, 无需传递网络模型和参数, 只需交互边界电压和功率量就可完成计算。加之主从分裂算法通常可以在10次迭代内收敛, 所以GTCA只对输、配控制中心造成有限的通信负担, 该负担通常可被现场接受。
特点4: 由于只需交互边界量, 所以GTCA也保护了输、配控制中心的数据隐私。
3如何计算GTCA?
3.1计算GTCA面临哪些问题?
表面上看, GTCA只需要在传统的TCA方法中加入配电网的潮流计算即可。但实际上, 为了使GTCA具有实用性, 必须进一步解决如下问题:
问题1: 如何确定评估指标?
问题2: 如何降低计算量?
问题3: 如何在通信环境欠佳的情况下进行计算?
下面分别对这些问题进行说明。
问题1: 如何确定评估指标?
由于输电网预想事故也影响了配电网潮流, 所以配电网的运行也有可能变得不安全, 因此有必要对输、配电网的运行约束同时进行检查, 从而对全局电网的安全性进行准确评估。
具体做法为: 对于每个预想事故, 计算输配全局潮流, 根据潮流结果检查输、配电网中是否存在电压越界和线路功率越界的问题。若有, 则认为系统安全性不足, 进行预警。
问题2: 如何降低计算量?
GTCA对于每个预想事故都需要进行输配全局潮流计算, 如果系统中预想事故较多, 可能会带来较大的计算负担。对这一问题有两种解决方案:
方案一: 采用预想事故筛选, 仅对筛选出的重要预想事故进行全局潮流分析。具体的筛选方法将在本系列第三篇微文进行介绍。
方案二: 如果仅关注线路是否过载, 那么可以采用基于直流潮流的近似计算方法。对于每个预想事故, 仍然按照主从分裂格式迭代, 只是输电网采用直流潮流, 配电网采用交流潮流(根节点电压幅值设为1 p.u.), 二者交互边界处的有功功率和电压相角。显然, 由于输电网采用直流潮流, 整个计算量大幅降低, 同时由于近似考虑了配电潮流响应, 计算精度通常也可以满足现场要求。
问题3: 如何在通信欠佳的情况下进行计算?
GTCA的通信量虽然有限, 但是它仍需要输、配控制中心在计算时保持通信畅通。一旦通信出现中断, 该如何做呢?我们提出了一种基于配电网络等值的简化GTCA方案。
这一方案利用了中断前由配电控制中心提供的最近一次的配电网静态等值模型, 将之加入到输电网络模型中, 之后按照传统的TCA方法进行计算。由于配电等值模型可以体现出配电网中循环功率的影响, 这一简化方法显然比传统的TCA方法更准确。
3.2GTCA的计算框架
为实现快速有效的计算, 一个GTCA程序框架应包含图2中所示的模块。首先是一个预想事故筛选模块, 选出需要进行详细潮流分析的关键事故。之后根据电网实际的运行需求和通信条件, 选择采用基于交流潮流、直流潮流或者配网等值的分析方法, 判断全局电网的安全性, 给出必要的预警信息。
图2 GTCA的计算框架
4如何验证GTCA的有效性?
我们构建了一系列全局电网(从几十节点到几百节点)验证GTCA的效果。由于考虑了配电潮流响应特性, GTCA可以有效避免漏警和误警。例如, 对30D全局系统(1个IEEE 30母线测试系统+2个44节点配网系统构建而成)在某一工况下进行预想事故分析。结果如表1和表2所示。
表1 30D全局系统的预想事故分析结果(输电网运行约束部分)
表2 30D全局系统的GTCA结果(配电网运行约束部分)
可见, 相较于传统的TCA方法, 使用GTCA有如下效果:
避免了1个输网漏警
避免了9个配网漏警
避免了6个输网误警
显然, GTCA提高了预警的准确性。
上述结果也验证了之前的论断, 在某些输电网预想事故中(例如输电网25号线路开断), 虽然输电网无运行越界, 但是配电网可能出现线路功率或者节点电压越界, 降低了电网的安全性。这些现象, 只有通过GTCA方法才能发现并预警。
5结论
本文研究了考虑配电网潮流响应的输电网预想事故分析方法, 并针对评估指标、加速方法和通信欠佳下的简化方案进行了一系列的研究。研究表明, 所提出的GTCA方法不仅可以大大提高预想事故分析的准确度, 有助于维持电网的安全运行, 而且适用于不同的通信条件, 并能保护控制中心的数据隐私, 符合实际现场的应用需求。GTCA在未来可以接替TCA, 成为智能电网安全运行的新保镖。
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原标题：输配协同的电网安全运行保镖: 考虑配电潮流响应的输电网预想事故分析(GTCA)研究
