一种220kV城市电网分区最大供电能力计算方法

摘要

本发明涉及一种220kV城市电网分区最大供电能力计算方法，包括：(1)建立分区电网的TSC目标函数(2)分析TSC计算约束条件:①潮流方程约束；②N‑1静态安全约束；③暂态电压稳定约束；(3)逼近法简化求解TSC。本发明在建立220kV分区电网的最大供电能力模型的基础上，给出计算220kV城市电网实际运行中最大可供安全负荷的方法。此方法充分考虑了电网N‑1静态安全性与暂态电压稳定性，计算结果具有合理性。

说明书

技术领域

本发明提供一种城市电网分区最大供电能力建模和计算方法。

背景技术

最大供电能力(total supplycapability,TSC)是评估配电网安全与经济运行的重要指标^[1-2]，定义为一定供电区域内，满足N-1安全准则以及各种实际运行约束下所能承受的最大负荷供应能力^[2-5]，现有研究以中压配电网为主。

目前，220kV城市电网TSC研究主要考虑在发电机出力可调范围内，满足分区内各元件N-1静态安全性约束下，电网能承载的最大负荷。常用的求解方法有容载比法^[6]，线性规划法^[7-8]与最优潮流法^[9-11]。然而，调度部门进行N-1分析时认为，N-1后应满足所有线路不过载，才满足安全性准则。若实际发生过载，则N-1不通过，然后考虑采用调节发电机出力等手段来消除过载。因此，应针对发电机出力的某一运行状态进行N-1静态安全性校验。此外，对于受端电网，暂态电压稳定性也是不可忽略的因素。

参考文献：

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发明内容

本发明的目的是考虑电网N-1静态安全性与暂态电压稳定性，建立220kV分区电网的最大供电能力模型，给出计算220kV城市电网实际运行中最大可供安全负荷的方法。技术方案如下：

一种220kV城市电网分区最大供电能力计算方法，该方法将目前220kV城市电网分区的TSC定义为：针对分区内发电厂某一出力状态，满足N-1故障后暂态电压稳定与静态安全约束情况下，电网能承载的最大负荷，包括下列步骤：

(1)建立分区电网的TSC目标函数

对于A分区TSC的计算，TSC的目标函数为

${\mathrm{TSC}}_A=max\underset{i\in A}{\Sigma }{P}_{Li}$

式中TSC_A表示A分区最大供电能力；i∈A表示节点i为A分区节点；P_Li为节点i的有功负荷。

(2)分析TSC计算约束条件

①潮流方程约束

等式约束为潮流方程约束，表示如下

$\left(\begin{array}{c}{P}_i-V_i\underset{j\in i}{\Sigma }{V}_j({G_{ij}}^s{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+{B_{ij}}^s{\mathrm{sin\theta }}_{ij})=0\\ Q_i-V_i\underset{j\in i}{\Sigma }{V}_j({G_{ij}}^s{\mathrm{sin\theta }}_{ij}-{B_{ij}}^s{\mathrm{cos\theta }}_{ij})=0\end{array}\right),s\in \Omega$

式中变量说明：

P_i、Q_i分别代表与装置相连交流节点i的注入有功、无功功率；节点j为电网中与i节点相关联的交流节点；V_i、V_j表示节点i、j电压幅值；Ω为电网N-1故障集；s∈Ω表示故障集中第s个故障；G_ij^s与B_ij^s分别表示第s个预想故障情况下电网电导与电纳参数；θ_ij表示节点i、j电压的相角差，

其中P_i、Q_i如下式所示

$\left(\begin{array}{c}{P}_i=P_{Gi}-P_{Li}\\ Q_i=Q_{Gi}-Q_{Li}\end{array}\right)$

P_Gi、Q_Gi分别代表与节点i相连的发电机有功、无功功率注入；P_Li、Q_Li分别代表节点i的有功、无功负荷。

在实际电网中，某地区不同负荷点的有功负荷一般按照某一负荷增长方向成比例变化。同时，假设Q_Li按照恒功率因素随P_Li变化。

②N-1静态安全约束

电网需满足N-1静态安全性要求，包括节点电压约束、主变容量约束和线路容量约束，表示为

$\left(\begin{array}{c}{T_i}^s\le {T_i}^{\max }\\ {{\mathrm{RF}}_{ij}}^s\le {{\mathrm{RF}}_{ij}}^{\max }\\ {V_i}^{\min }\le {V_i}^s\le {V_i}^{\max }\end{array}\right),s\in \Omega$

式中变量说明：T_i^s、RF_ij^s、V_i^s分别表示第s个N-1故障后，主变负载、线路负载，以及电网节点电压水平，变量上角标min与max分别表示变量的下限值与上限值。

③暂态电压稳定约束

采用的暂态电压失稳指标为故障切除后，电压低于0.8pu超过10s。

(3)逼近法简化求解TSC，实施步骤如下：

①设定电网各节点负荷水平初值，设定负荷变化比例的初始步长λ、负荷增长方向b_pi、收敛精度ε；

②对电网进行N-1静态安全性校验：对预设故障进行逐一仿真，并校验是否有元件过载和节点电压越限现象发生；

③对电网进行暂态电压稳定校核：对预设故障进行逐一仿真，观测电压的恢复波形，判断电网是否满足暂态电压稳定要求；

④若满足②、③步骤校验，则增加电网负荷，使得节点i有功负荷P_Li＝P_Li+λb_pi，并按照恒功率因素更新电网无功负荷Q_Li，返回步骤(2)；若不满足校验，则削减电网负荷，其中节点i有功负荷P_Li＝P_Li-λb_pi，并按照恒功率因素更新电网无功负荷Q_Li，然后判断λ是否小于ε，若不是，则令λ＝λ/2，转步骤②；若是，则对全网有功负荷求和，得到TSC值，并输出相应结果。

本发明在建立220kV分区电网的最大供电能力模型的基础上，给出计算220kV城市电网实际运行中最大可供安全负荷的方法。此方法充分考虑了电网N-1静态安全性与暂态电压稳定性，计算结果具有合理性。采用本发明可以客观评估220kV城市电网最大供电能力，对电网规划和建设起到指导作用。

附图说明

图1城市电网分区TSC计算流程

图2算例示意图

图3 CB 2#变N-1故障后XZM站母线电压

图4 SY 1#变N-1故障后SH站母线电压

具体实施方式

本发明将目前220kV城市电网分区的TSC定义为：针对分区内发电厂某一出力状态，满足N-1故障后暂态电压稳定与静态安全约束情况下，电网能承载的最大负荷。

整个技术方案分为如下3步：

(1)建立分区电网的TSC目标函数

假设计算A分区TSC，则TSC的目标函数为

${\mathrm{TSC}}_A=max\underset{i\in A}{\Sigma }{P}_{Li}---\left(1\right)$

式中TSC_A表示A分区最大供电能力；i∈A表示节点i为A分区节点；P_Li为节点i的有功负荷。

(2)分析TSC计算约束条件

①潮流方程约束

等式约束为潮流方程约束，表示如下

$\left(\begin{array}{c}{P}_i-V_i\underset{j\in i}{\Sigma }{V}_j({G_{ij}}^s{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+{B_{ij}}^s{\mathrm{sin\theta }}_{ij})=0\\ Q_i-V_i\underset{j\in i}{\Sigma }{V}_j({G_{ij}}^s{\mathrm{sin\theta }}_{ij}-{B_{ij}}^s{\mathrm{cos\theta }}_{ij})=0\end{array}\right),s\in \Omega ---\left(2\right)$

式中变量说明：

P_i、Q_i分别代表与装置相连交流节点i的注入有功、无功功率；节点j为电网中与i节点相关联的交流节点；V_i、V_j表示节点i、j电压幅值；Ω为电网N-1故障集；s∈Ω表示故障集中第s个故障；G_ij^s与B_ij^s分别表示第s个预想故障情况下电网电导与电纳参数；θ_ij表示节点i、j电压的相角差。

其中P_i、Q_i如下式所示

$\left(\begin{array}{c}{P}_i=P_{Gi}-P_{Li}\\ Q_i=Q_{Gi}-Q_{Li}\end{array}\right)---\left(3\right)$

P_Gi、Q_Gi分别代表与节点i相连的发电机有功、无功功率注入；P_Li、Q_Li分别代表节点i的有功、无功负荷。

在实际电网中，某地区不同负荷点的有功负荷一般按照某一负荷增长方向成比例变化。同时，假设Q_Li按照恒功率因素随P_Li变化。

②N-1静态安全约束

电网需满足N-1静态安全性要求，包括节点电压约束、主变容量约束和线路容量约束，表示为

$\left(\begin{array}{c}{T_i}^s\le {T_i}^{\max }\\ {{\mathrm{RF}}_{ij}}^s\le {{\mathrm{RF}}_{ij}}^{\max }\\ {V_i}^{\min }\le {V_i}^s\le {V_i}^{\max }\end{array}\right),s\in \Omega ---\left(14\right)$

式中变量说明：T_i^s、RF_ij^s、V_i^s分别表示第s个N-1故障后，主变负载、线路负载，以及电网节点电压水平。变量上角标min与max分别表示变量的下限值与上限值。

③暂态电压稳定约束

电网发生N-1故障的暂态过程中，需校验电压稳定性，保证负荷增长后不会影响电网暂态电压安全。分析中采用的电压失稳指标为故障切除后，电压低于0.8pu超过10s。

(3)逼近法简化求解TSC

如上所述，计算城市电网220kV分区的TSC需要进行大量N-1仿真，不仅需要满足电网N-1静态安全性要求，还需校验电网暂态电压稳定性。采用优化算法求解该问题时过程复杂，因此，可采用一种简化的逐步逼近方法求解模型，实施步骤如下：

①设定电网各节点负荷水平初值，令i节点的有功负荷为P_Li，无功负荷为Q_Li；设定负荷变化比例的初始步长λ、负荷增长方向b_pi、收敛精度ε；

②对电网进行N-1静态安全性校验。对预设故障进行逐一仿真，并校验是否有元件过载和节点电压越限现象发生；

③对电网进行暂态电压稳定校核。对预设故障进行逐一仿真，观测电压的恢复波形，判断电网是否满足暂态电压稳定要求；

④若满足②、③步骤校验，则增加电网负荷，其中节点i有功负荷P_Li＝P_Li+λb_pi，并按照恒功率因素更新电网无功负荷Q_Li，返回步骤(2)；若不满足校验，则削减电网负荷，其中节点i有功负荷P_Li＝P_Li-λb_pi，并按照恒功率因素更新电网无功负荷Q_Li，然后判断λ是否小于ε。若不是，则令λ＝λ/2，转步骤②；若是，则对全网有功负荷求和，得到TSC值，并输出相应结果。

由上所述可得，求取城市电网分区的TSC步骤可用图1表示。

1、算例基本情况

算例电网结构如图所示，图中橙色区域为CC分区，黑色区域为CSC分区。CC分区与CSC分区的发电厂出力水平见表1，CC分区与CSC分区的负荷水平见表2与表3。

表1 CC分区与CSC分区发电厂出力

表2 CC分区负荷

表3 CSC分区负荷

计算过程中，假设站内负荷以现有负荷水平为基础成比例增长，负荷初始增长步长λ＝0.1，收敛精度ε＝0.001。N-1静态安全性分析中母线电压上、下限分别设为1.05pu与0.9pu。N-1故障集选取如下：

(1)分区500kV站内某个主变因故障被切除；

(2)分区500kV双回线中单回因故障被切除；

(3)分区220kV双回线中单回因故障被切除。

由于CC分区的安全性要求较高，假设分区中JY热电厂停运检修。在此基础上进行分析计算。

①CC分区TSC计算结果：

经计算与仿真分析可得，CC分区TSC为2542MW，TSC的限制原因为CB站2#变N-1后电网暂态电压失稳。以XZM站220kV母线为例，CB 2#变N-1后电压恢复情况如图3所示。

图中显示，故障发生10s后，XZM站母线电压无法恢复到0.8pu以上，暂态电压失稳。

②CSC分区TSC计算结果

经计算与仿真分析可得，CSC分区TSC为3466MW，TSC的限制原因为SY站1#变N-1后2#变满载，受到静态安全性约束。此时，电网暂态电压稳定。以SH站220kV母线为例，SY站1#变N-1后电压恢复情况如图4所示。

图4显示，故障发生10s后，SH站母线电压可稳定在0.8pu以上，暂态电压稳定。