关键词 调度员培训仿真 动态潮流 频率计算 加速功率 无功越限 负荷电压特性
分类号 TM743 TM734THEIMPROVEMENTOFDYNAMICPOWERFLOWCALCULATIonINDISPATCHERTRAININGSIMULATOR(DTS)SYSTEMYuanQihai,XueWei,WangXinfeng
(TsinghuaUniversity,100084,Beijing,China)
YangXingyu,LiHaisheng
(HebeiElectricPowerDispatchingandCommunicationBureau,050012,Shijiazhuang,China)Abstract Dynamicpowerflowtechniqueisapowerfultooltosimulatethepowersystemsindispatchertrainingsimulator(DTS)system.Incourseoftwosystemsparalleling,accelerationactivepowerandpowerflowoftielines,sequenceoffrequencycalculationandpowerflowcalculation,solutionofgeneratorreactivepoweroff-limits,andthestaticcharacteristicsofloadvoltageareanalyzedrespectivelywiththespotrequirementstakenintoaccount.Somerelevantsolutionsarepresented.TheapplicationtoHebeiPowerNetworksimulationsystemshowsthatthesolutionscanmakethecalculationofdynamicpowerflowmoreaccurate,robustandpractical.
Keywords dispatchertrainingsimulator(DTS) dynamicpowerflow frequencycalculation accelerationactivepower reactivepoweroff-limits characteristicsofloadvoltage0 引言
调度员培训仿真系统是培训电网调度人员、提高电网调度水平的重要工具，它力求通过对电力系统运行状况的仿真，向调度人员提供真实、方便、灵活的培训环境，以丰富其运行经验，提高调度人员的专业水平和事故时的快速反应能力。动态潮流技术在调度员培训仿真系统中有重要的地位。这主要是因为动态潮流模型简单、实用，能够比较准确而又快速地反映在不考虑失稳情况下的电力系统的运行状况，同时，由于现有的暂态模型计算量大，速度不能达到实时仿真要求，因此通常在发生严重故障或较大扰动情况下先进行暂态下的准实时仿真，待继电保护、自动装置动作及可能的人工干预后，系统进入新的稳定状态，再转入动态潮流计算模型，进行大量的事故后的系统恢复。为满足培训仿真的要求，调度员培训仿真系统中的动态潮流应有以下特点：①真实反映电力系统的稳态运行状况，如节点电压、线路潮流、各岛频率等,对电网解列成多岛及并网操作都能进行模拟；②收敛性好，鲁棒性强，能对恶劣运行状况下电力系统进行仿真；③快速,满足实时要求。1 动态潮流的数学模型
动态潮流主要是在潮流计算基础上考虑负荷和发电机的频率动态特性以及电压特性，其核心是潮流计算和频率计算。潮流计算是电力系统的基本计算之一，其数学实质是求解一组非线性方程组。与常规潮流不同的是，动态潮流中由于要进行频率计算而取消了平衡节点，代之以注入量、电压值已知的参考节点。其基本计算公式如下：(1)频率是系统电能质量的重要指标之一，通常动态潮流中频率计算都建立以下模型，即对于每个孤立的子系统，忽略机组间的摇摆振荡，机组以同摆方式运行，整个孤立系统运行在同一频率下，将孤立系统等值成1台机、1个负荷的单母线系统。电力系统运行中由于存在功率的过剩和不足（如因故障切除数回线路，发电机甩负荷，负荷过载联切等），会出现加、减速功率。根据系统有功出力、负荷及网络损耗可以计算出加速功率的大小，计算方法如式(2)。Pacc=PG.total-PL.total-Ploss(2)其中 Pacc为孤立系统的加速功率；PG.total为该孤立系统的发电总和；PL.total为该孤立系统的负荷总和；Ploss为该孤立系统的网损。
基于此可以由转子运动方程、调速器特性及负荷特性算出系统的频率，基本计算公式如式(3)所示［1］。(3)其中 Tj为发电机组的惯性时间常数；NG为孤立系统中的发电机总数；NL为孤立系统中负荷的总数；KGj,KLj为系统内各发电机和负荷的频率效应系数；TGj为发电机调速器的等效时间常数。
求解时可采用显式积分，由于进行的是长动态的仿真，因此可以采用较大步长(如0.5s)［2］。
由此可知，动态潮流的数学实质是求解一组联立的非线性方程和微分方程。工程上常采用交替解法，即每次计算完潮流，得到系统的功率分布及网损后，进行一定步长的频率计算，同时计算出由频率效应影响后新的网络注入，用以进行下次潮流计算［1］。2 一些技术问题的讨论及解决
在调度员培训仿真系统的研制及实际运用中，发现基于以上原理的动态潮流还存在一些问题或有待提高的地方，突出表现在：原有计算模型不能真实地反映系统并网时的频率和潮流；当系统发生较严重的解列事故时，潮流的收敛性得不到保证；当系统处于无功需求较大的运行状况时，通常的节点类型转换法不能很好满足实用要求；当系统运行于重负荷远距离输电方式时，潮流的收敛性需要加强。而调度员的培训正是常常在这些场景下进行的，只有解决了这些问题，调度员培训仿真系统才具备更强的实用性。以下是对以上技术问题的一些思考及实践中采用的相应的解决方法。
2.1 并网时加速功率及联络线潮流的模拟
孤立系统的加速功率在动态潮流中是一个极重要的概念，通常用发电与用电及网损的差来表示，如式（2）所示。但这一定义现在看来并不完善，当两个频率不等、加速功率都为零的子系统并网时，如果仍以式（2）来求取加速功率，就会认为并网后的系统的加速功率为零，这样就不能正确地反映并网后子系统频率的变化和潮流的分布。
实际上，并网时功率应由频率高的系统流向频率低的系统，这样对于频率低的子系统而言，频率高的系统对其注入有功；对于频率高的子系统而言，频率低的系统为一负荷。这样两个子系统并网时仍然各自具有加/减速功率，两系统在其作用下，频率分别升高、降低，最后稳定在同一频率。从另一角度来说，加速功率具有相对性,一个较高频率的稳定系统相对于另一较低频率的稳定系统具有更高的动能，并网时会释放一部分能量给较低频率的系统，后者获得该能量后就会被拉入同步运行，这一过程是符合能量守恒定律的。解决两系统并网问题也就是要根据两系统原运行状况去确立新的运行点，而问题关键是并网时子网的加、减速功率计算。因此原有计算模型在并网时应进行修正和完善，可表示为：Pacc(f)=PG.total(f)-PL.total(f)-Ploss(f)(4)在进行并网后的潮流计算之前，通过两个系统的发电机容量、转动惯量及负荷频率特性系数等来预估出新的频率点，同时为潮流计算重新分布功率注入。由于在并网过程中系统的总功率不变，两个系统的加速功率应互为相反数，以此可以判断预估的频率点是否为新的平衡点。预估出新的频率后，用较准确的频率计算微分方程来求解加速功率，并判断能量是否守恒，以此保证新的平衡点的准确。若预估偏差较大则再重新调整［3］。
实践表明这一方法是成功的，此时对两系统解列后再并网，联络线上的潮流能准确恢复，新的频率也与实际相符，这表明系统的频率特性得以正确地仿真。
2.2 频率计算应先于潮流计算
工程实践中会遇到这样的问题：当系统重载线路解列时，即解列后子系统出力和负荷相差很大时，潮流计算会由于该系统有功注入条件的不合理而无法解算，认为该系统已崩溃，不再进行仿真。而实际系统在这种情况下首先是频率突变，然后由与频率相关的自动装置动作来完成对系统频率的恢复，系统并不会崩溃。而在调度员的培训中进行这样的演练是很必要的。
造成这个问题的根本原因是由交替法的求解思想引起的。工程上采用交替法是经过每一潮流计算周期，潮流计算与频率计算进行一次交互，而不是每一频率计算步长内考虑潮流与频率计算的相互影响，进行交替迭代直至收敛。从数学上来说，交替法是一种近似处理，它没有求解出每一步长的频率与潮流的真解。但这样做有一定的合理性，因为动态潮流反映的是长动态过程，在培训系统中是按周期进行计算的。交替法速度快，但同时潮流计算与频率计算结合不紧密，实际系统中同一时刻相互耦合的变量被分离成2个部分计算。可以通过采用一种联合求解微分方程和非线性方程的方法来解决这一问题，但是那将大大增加计算量，并不可取。实践中发现如果交替法中先按式(3)进行频率计算，再按式(1)进行潮流计算将大大提高潮流的可算性，因为在频率计算的同时可以为潮流计算准备更为合理的有功注入。
在解网时，为便于计算，可以忽略新的运行状况的网损的变化(因为此时网损在系统加速功率中比重很小)，只根据解列后系统的发电和负荷计算出频率，同时由频率特性来修正系统的注入，进行一定步长的频率计算至加速功率很小后，即系统的发电和负荷基本平衡时，转入系统潮流计算。这样潮流计算的边界条件就基本合理，易于收敛。得到新的潮流后，各自动装置根据潮流结果进行动作，使系统不至崩溃。这种处理大大拓展了动态潮流的仿真范围，可使其能仿真到自动装置的动作定值。
结合并网时所采取的处理方法，可以看出频率计算应置于潮流计算之前，这样能大大提高其仿真性能。从数学上来讲，对于联合方程来说，先解微分方程是有利的，因为其不存在复杂的收敛问题，同时可以给非线性方程提供较好的初值。
2.3 发电机无功越上限的处理
发电机节点在潮流中一般为PV节点，当潮流解出的发电机无功限值Q发生越限时，通常的处理是把PV节点转化为PQ节点。但在调度员培训仿真系统的动态潮流中，这种处理并不理想。原因是一方面要重新形成因子表，耗费时间，更重要的是在节点类型转化后，特别是发电机无功越上限时，会造成潮流不易收敛。因为发电机无功越上限通常表明系统无功缺乏，系统的电压水平较低。发电机无功越限越严重表明系统无功越缺乏，系统的电压越低。此时若把PV节点转化为PQ节点，由于系统的电压过低，会造成潮流迭代方向不诚实，而不易收敛。[1][2]下一页
