配网合环风险评估实时仿真平台研究与应用_喻绍鸿.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术94|配网合环风险评估实时仿真平台研究与应用喻绍鸿，张宏俊，王磊，郝丽萍，彭仕伦贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州六盘水，553000摘要：在社会经济飞速发展中，人们的生活质量越来越高，用电客户对电能质量的要求也随之提升，如何保障用户的不间断供电成为电力行业探讨的主要问题。为了进一步提高配电网的供电效率和质量，各地配网调度开始尝试不停电转供电。由于配电网本身具有不可测和不可观的特征，在实践应用期间受到的影响因素较多，如果基础条件不充足，那么很可能导致合环操作出现过大环流，直接影响正常客户的供电需求。因此，本文在了解配电网合环操作分类的基础上，根据近年来配电网系统技术研究累积经验，深层探讨配电网合环风险评估实时仿真平台，以此为新时代下的电力行业发展提供有效依据。关键词：电力行业；配电网；配网合环；风险评估中图分类号:TU852文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.022 0引言在国民经济稳步发展中，社会居民供电主要选用双向供电模式，而配电网最大的特征就是闭环结构、开环运行的供电方式。在正常工作状态下，为了保障配电网的辐射状运行结构，联络开关通常会断开运行，在倒复合或线路检修的情况下，会利用合解环操作控制停电时间，提高系统供电的有效性。但合环操作会产生合环电流，且若是电流过大会造成安全事故，因此工作人员必须根据自身累积经验和大致估算进行操作。如果保守计算，很可能导致过多的成本支出，影响供电系统的安全性，增加操作人员的工作压力；如果估算值过小，实际数值超过流或数段保护数值时，就会引发严重的安全事故，因此研究应用配网合环风险评估实时仿真平台至关重要。1配网合环的模式分类现如今，配电网合环操作根据实际操作点划分，主要分为两种模式，一种是通过母联开关，另一种是通过联络开关。判断合环点追溯的上游电源是否并列运行，也可以得到两种模式，一种是指上游电源并列运行，另一种是指尚有电源分列运行1。结合图1所示的合环模式分类结构图研究可知，配网合环点1属于分列运行模式，母线A和母线B两条母线分列运行并且源自不同的变电站，彼此之间可以通过变电站或开关站母联开关或联络开关完成合环操作。而配网和环点2属于并列运行模式，会从一个110kV的母线供电中，运用变电站母联开关或联络开关完成合环操作。图 1合环模式的分类结构图结合上述两种合环操作分析可知，分列运行模式的危险性更大，原因在于上游电源是分列运行，合环点的电压差更大；而并列运行模式的合环点电压差会相对较小，但若是合环线路两边的负重过大，很可能产生较高的环流，因此必作者简介：喻绍鸿，男，汉族，云南昭通，本科，工程师，研究方向：电网稳定运行、调度人工智能。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|95软件和信息技术服务须经过准确计算，才能保障合环操作的有效性。在配电网合环操作中，最为关键的就是做好配电网的潮流计算。如果在合环操作时进行整体计算，那么实际操作难度会随之提升，出现这一现象的原因在于，目前配电网自动化正处在快速发展阶段，相关技术理论并不成熟，配电网并没有像主网那样进行遥测实验分析，很多遥测数据并不完善，同时大部分配网线路长度和型号并不精准，因此必须进行优化创新2。现如今，结合配网合环操作的基本特征，将合环操作看作是一个模板，在构建合环模板之后，将其运用到现有配网自动化系统中，根据模板储存相关数据信息，并在系统中读取负荷数据，在界面点击开关就可以计算合环电流。同时，工作人员也可以根据计算结果准确核实合环操作的有效性，以此在提高合环电流计算精度的基础上，降低工作人员的业务压力，为后续电力系统的技术研究提供理论依据，为实践操作提供指导作用。2配电网系统技术研究现状在新时代发展中，根据国家电监会和网省公司有关供电可靠性管理工作提出的建议分析可知，要始终坚持提高供电可靠性的基本原则，将客户看作实践工作的核心，在基础管理、综合停电、需求侧管理、运行维护等多领域中，稳步提高供电可靠性的管理水平，真正满足客户提出的服务需求。由于配电网是一个较为复杂的网络结构，并不像输电网那样可以相互连通，所有配电网网架单元就是相互联通的网络，网架单元下负荷点数目分层级分配，从主干线到分支线再到配变呈现放射状分布状态。现如今，随着各地配电网技术的不断发展，配电线路主干线路之间会利用环网接线结构，为保障线路短路阻抗可控，可以选择线路之间独立运行的方式。在电力系统运行期间，配电网不停电转变是指，两个变电站或开关站的10kV馈线之间，运用分段及联络开关的方式转移负荷。在正常工作状态下，运行线路之间的环网开关处在断开状态，两条10kV馈线自主提供规定范围内的负荷3。如果其中某条10kV馈线的负荷在网络、检修等因素的影响下需要转移，那么可以选择和上线路间的联络开关断开分段开关的方式进行处理。传统意义上的电力系统调度规程要遵守以下原则：一方面，转供电线路电源源自同一个220kV变电站，在稳定状态下运行，线路的总体电流不能超过供电线路的额定载电流；另一方面，保护装置投退及定值更改要按照相关要求进行处理，确保母线电压差低于5%。如果母线电压差超过了5%，要及时进行调整，以此确保合环潮流不会引发安全问题。现如今，国内外电力企业在研究配电网的不停电传电项目时，提出了相关理论计算和合环仿真实验，也开发了有关计算软件。比如说，有学者在了解吉林省的电力运行状况后，根据配网频繁的负荷转移现象，开发设计了配电网合环操作决策支持系统；也有学者将配电网合环安全性分析系统的计算结果和电力系统分析综合程序计算结果整合到一起，和实际电流情况进行对比分析，最终提出了配电网合环安全性分析系统的改进方案。当前配电网的合环转变操作还存在较多问题，因此加强风险评估实时仿真平台的研究与应用，可以为实践电力行业创新发展提供有效依据。3仿真分析3.1模型需求本文在了解配网合环操作研究现状的基础上，以某地区的电网状况为例实施仿真分析，以此获取状态和稳态的仿真结果。其中，项目关联关系图如图2所示。图 2项目关联的关系图dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术96|结合图2分析可知，外部SCADA系统通常是利用以太网技术，在仿真模式分析中，动态负荷要将实际采集负荷看作输入目标，与SCADA系统厂家构建良好的合作关系，与自动化系统区数据传输只进行单向数据接收，以此确保仿真器数据不会串入电网系统网络中，保证整体系统运行具有安全性4。同时，在线实时仿真模式可以接收并结合SCADA系统实时复合数据完成仿真计算。在本文研究的电网系统中，包含8个220kV变电站、10个110kV变电站、45个合环点开关、75条线路，将整个电网模型分割成多个小的电网模型。3.2系统构成按照电网系统的用户需求，搭建配网合环风险评估实时仿真平台，其中实时仿真机就是实时目标机，属于整体仿真平台的核心内容，因此本文研究主要选择高性能实时目标机，也就是SpeedgoatPerformanceTargetMachine，具体如图3所示。图 3仿真平台结构图结合图3分析可知，目标机和上位机之间要利用以太网技术进行数据通信，选择i7-4.2GHz4核处理器用于电网仿真，整体系统包含了七个PCI/PCI-E插槽，用户可以按照自身需求安装不同类型的实时IO板卡，以此满足未来的仿真需求。假设在实践发展中电网仿真模型的规模会不断扩大，那么只需要添加一台Speedgoat高性能的实时目标机和两块反射内存板卡即可，就可以增加一倍的并行计算资源5。需要注意的是，高性能实时目标机是Speedgoat基于实时仿真系统开发的系统，在实践运行中要利用MATLAB软件进行有效操作，并实现无缝集成。具体规格参数如表1所示。表 1高性能实时目标机的规格参数配置规格CPUIntel Core i7 4.2 GHz 4 cores实时操作系统Simulink Real-Time MATLAB 版本支持R2017a 及以后版本内存4GB DDR4 RAM存储空间120GB SSD视频接口1 x DVI-D 和 1 x VGA.支持分辨率：1280 x1024USB 接口（摄像头或键盘）6上位机接口 Ethernet1（Intel I219）千兆网口，用于：real-time UDP、EtherCAT Master、XCP Master、TCP/IP and PTP 15881（Intel I219）串行接口1 x RS232/422/485 前面板IO 板卡安装插槽3 个 PCI+4 个 PCIe 插槽机箱外壳4U 19 寸铝合金外壳供电AC 100-240V，50/60 Hz650W 无风扇运行温度0 60湿度范围10%90%，无冷凝质量约 6.6kg根据实时仿真平台软件的基本需求，选用Simulink软件及其工具箱SimulinkReal-Time作为本次平台开发的基础内容，Speedgoat实时仿真系统要选择上位机软件作为MATLAB相关组件，具体内容涉及以下几点。首先，根据MATLAB软件提供的SimulinkReal-Time组件，科学调控上位机界面和模型运行。其次，结合Simscape明确有关被控目标模型，按照HDLCoder确定模型编程的工具箱。最后，Speedgoat除了提供相应的系统硬件之外，还会为运行软件MATLAB提供实时内核，软件部分只提供相应板卡的接口模块。整体软件的使用流程涉及以下几点：第一，将实施目标及拥有的IO硬件的驱动模块引入模型中；第二，将算法和IO硬件的驱动模块连接到一起；第三，结合对话框界面配置IO通道和通信协议；第四，在Simulink模型自动创建后，在实时机中运行应用。从Simulink模型创建实时应用，并下载到专用目标机，只需三步，一键完成：首先是指生成代码，其次是指编译连接，最后是指下载运行。由于SimulinkReal-电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|97软件和信息技术服务Time组件具有充分的灵活性，所以系统用户既能利用自带工具控制模型运行，也可以在调节API中编写上位机界面6。3.3仿真测试电力仿真建模软件具有开放性特征，其中包含了三相并联、串联、变压器等多个元件模型，优先选择业界通用基础仿真开发环境Simulink进行分析，主要探讨分割接口算法问题，这也是网络模型分割的核心内容。在电力企业革新发展中，有关电力系统的仿真技术要求越来越高，模型分割已经成为当前改进仿真技术的重要方法，为今后电力系统的稳步发展提供了有力支撑。通过Simulink软件中的ConcurrentExecution工具将仿真模型配置多个任务，再分配到多个CPU内核中运行。假设无法完成电网分割，或是因为电网分割的仿真步长延时而导致结果不明确，需要结合戴维南定理简化电网模型，通过同等容量的电路来等效分析。具体内容涉及以下几点：首先，在开关数量逐渐增加的情况下，状态矩阵组合会越来越多，求逆计算会越发复杂，并不利于实时仿真分析，因此可以直接忽略不重要的线路或单主变开关，只保留双主变开关和合环点开关；其次，因为城区电磁合环的220kV变电站之间最远输送距离是68千米，和系统电池过程中的电流电压波长相比较小，因此只需要分析220kV线路的集中参数电路；最后，因为城区各站之间220kV线路较短，因此可以忽略220kV线路电容。同时，因为配网支路较多，假设配网负荷和10kV馈线呈现均衡分布，并将配网负荷集中等效到线路末端，所有节点负荷与实际采集负荷发生正相关变化，因此在没有时变阻抗模型的情况下，只能利用动态负荷模型进行研究。其中原因在于这一模型属于受控电压源模型，假设所有负荷采用这种模型很可能出现系统发散，直接影响合环时的电磁暂态过程，因此可以优先选择整合运用动态负荷和抗阻复合混合建模的方式7。从仿真平台的应用结果来看，要想进一步管控配网合环风险，需要进一步提高工作人员的安全防范意识，在审查没有错误的情况下，重点研究以下风险：第一，确定