EMS／DTS一体化系统中若干地调特色模型和算法

　　0引言
　　
　　传统的EMS和DTS应用软件是面向发输电系统设计和开发的，主要是在大区电网和省网中应用。随着地区电网的迅猛发展和SCADA应用水平的大幅度提高，地区电网的EMS／DTS应用功能的开发和研究已成为当前国内电网调度自动化技术发展的重要趋势[1~3]。由于地区电网在电网结构、运行方式和调度管理职能方面的特点，不能*照抄网（省）调的EMS／DTS应用软件，必须针对其特点，研究和开发适合地调应用的特色模型和算法。
　　
　　本文面向地区电网，在深入研究地区电网的网络结构和调度职能的基础上，提出了具有地调特色的主变优化功能、消弧线圈整定和逻辑保护仿真等应用软件的模型和应用算法，这些特色功能已经集成到地调EMS／DTS一体化系统中[4]，并已在国内实际地调投入在线应用。
　　
　　1国内地区电网的若干重要特征
　　
　　与网（省）调管辖500kV，220kV和少量重要的110kV等高压或超高压系统构成的发输电系统不同，国内地调管辖的主要范围是少量的220kV、大量的110kV（或66kV）和35kV等电压等级构成的子输电系统。与大区电网或省网相比，地区电网具有以下特点：①地区电网在正常运行时为开放式网络，呈树状结构；②地区电网中中性点经常不接地或经消弧线圈接地；⑧地区电网中发生单相接地时，继电保护的动作情况与网（省）调不同。
　　
　　2具有地调特色的EMS模型和算法
　　
　　2．1主变压器优化运行
　　
　　地调一般关心一次变电所主变压器以下部分（包括一次主变）的网损，而由于一次主变的容量一般较大，其损耗也会比较大。因此，需要考虑在满足负荷的要求和电压质量的前提下有计划地调整一次变中2台或多台主变压器的运行方式，zui终达到降低网损的目的（如图1所示）[5]。
　　
　　一般地，主变压器优化运行的数学模型可描述如下：
　　
　　式中：s为控制变量，即网络开关刀闸的状态矢量；h为潮流方程；f为不等式约束；T为一次变主变压器上开关和刀闸的状态矢量集合。
　　
　　式中：PL；为一次变中第i台主变压器的有功损耗；n为该一次变中的主变压器台数。
　　
　　不等式约束包括：
　　
　　a．主变潮流约束：
　　
　　式中：Si为当前第i台主变压器的视在功率；Sei为第i台主变压器的额定视在功率；△δi为主变压器的越限阈度。
　　
　　b．电压约束：
　　
　　式中：Ui为一次变的节点电压；m为该一次变中的节点个数。
　　
　　这是一个非线性组合优化问题。为了得到的优化结果，采用了基于调度员潮流的实时主变压器优化算法。以变电站内2台主变（1号和2号）的优化为例，共有3种运行方式，即1号变单独投运，2号变单独投运和2台主变全部投运。在实时优化中，采用穷举法进行计算，即以EMS的实时状态估计结果作为潮流基态，利用调度员潮流地计算出2台主变在3种运行方式下的有功损耗f（见式（2）），在满足条件（3）和（4）的前提下，比较不同运行方式的损耗大小，从而得到当前负荷水平下2台主变的既安全又经济的*运行状态。
　　
　　通过自动搜索并调节主变所带的负荷大小，使流过主变的潮流在。到zui大容量之间变化，同时在每个负荷数量下，通过改变主变两端开关刀闸的状态，实现各种投运方式，zui终得到随负荷变化的各运行方式下的主变压器优化曲线。图2为某一次变中2台主变压器的优化曲线。2台主变压器额定容量均为180MW，空载损耗分别为户。l＝0．16MW，P02＝0．17MW，短路有功损耗分别为Ps1＝0．5MW，Ps2＝0．4MW。
　　
　　图中，交点a和交点b将全图分成了I，Ⅱ，Ⅱ这3个区域，每个区域中存在一种*运行状态。根据此图，运行方人员就可以得到一个安全、经济的投运方案，如表1所示。
　　
　　但是，基于调度员潮流的主变优化计算只能给出当前情况下的*运行方式，而无法自动地对将来一段时间内的主变运行方式给出合理的预报，因此这里提出了一种基于EMS历史库和母线短期负荷预测的主变压器阶段性优化模型（如图3所示）。
　　
　　在EMS运行的过程中，每隔一定时间将实时断面中一次母线的负荷等数据保存在EMS历史库中。当需要对未来某一段时间的主变压器运行方式进行分析时，就可以基于历史数据用线性外推法进行母线负荷的短期预测，根据预测到的负荷值计算出时段内各种运行方式下的主变损耗，zui终给出合理的投退方案，从而指导未来一段时间内主变的运行方式。
　　
　　2．2消弧线圈的整定
　　
　　对110kV及以下电压等级的地调电网，中性点一般不接地或经消弧线圈接地。在我国，有不少地区（如东北、华东）采用经消弧线圈的小电流接地方式。在这些地区电网的EMS中需要考虑消弧线圈对电网的影响。这里主要讨论消弧线圈接人时，如何通过计算和调整消弧线圈的挡位，来避免流过消弧线圈的感性电流和线路对地电容产生的容性电流之间可能产生的谐振现象。
　　
　　通常情况下，用补偿度的概念来表示消弧线圈电感电流和线路电容电流之间的关系：
　　
　　μ=（IL-Ic）／Ic（5）
　　
　　式中：μ为补偿度（百分数）；Ic为流过线路对地电容的电流；IL为流过消弧线圈的电感电流。
　　
　　理论上，当流过消弧线圈的感性电流等于线路对地电容产生的容性电流（μ＝0）时会发生谐振现象，但是考虑到测量电流与实际电流的误差，一般都把谐振点扩大为一个区间，一般情况下，定义补偿度在±5％之间的区域为谐振区。为了保证系统安全可靠地运行，电网都运行在谐振区之外的一个区域中，一般称补偿度在-35％～-5％之间为欠补偿，补偿度在5％-35％之间为过补偿。
　　
　　消弧线圈补偿的只是那些流经消弧线圈的容性电流，因此，在确定补偿子系统时，只需找到与消弧线圈相连变压器绕组所在母线有电气且在同一电压等级下的线路即可。这些线路和与线路相连的变压器上的消弧线圈组成了消弧线圈的整定区。
　　
　　本文采用网络拓扑搜索法来确定消弧线圈的整定区，包括零序网络拓扑和正序网络拓扑搜索过程。通过零序网络拓扑搜索确定消弧线圈和主变压器之间的，通过正序网络拓扑搜索确定整定区的范围。一旦消弧线圈和线路的连接关系确定，计算补偿度也就很容易了。
　　
　　一般情况下要求通过改变消弧线圈的挡位实现过补偿，如无法实现过补偿则退而追求欠补偿。如果满足了上述条件，还要进行线路的“N-1”校验，确保系统在“N-1”下不发生谐振。由于地区电网存在大量的备用电源自投，因此要求“N-1”校验必须考虑备用电源自投的动作情况[6]。
　　
　　如图4所示，消弧线圈的整定计算实际上是一个“计算一校正一计算”的过程，在校正过程中，不仅要对消弧线圈的挡位进行调整，还应该对消弧线圈的投退状态进行调整，zui终给出各种可能的调整方案来指导调度员的操作。
　　
　　3DTS中地调特色的逻辑保护模型和算法
　　
　　地调一般所管辖的发电机很少，调度员一般也不关心发电机的动态过程，因此在进行DTS仿真时，调度员经常采用稳态潮流计算下的逻辑保护来模拟实际的保护动作过程。逻辑保护与定值保护[7]，不同，设备发生故障时系统不计算短路电流，而只是根据已知的保护配置通过网络拓扑和逻辑判断来触发相应的保护动作。
　　
　　地区电网网络结构和保护类型的特殊性决定了地区电网逻辑保护的模型和算法的特殊性。
　　
　　3．1辐射电网问题
　　
　　地区电网逻辑保护仿真的一个主要特点是考虑辐射电网问题。地调中有大量的辐射网出现（如图5所示），当线路①发生故障时，由于线路的一端为负荷端，它不和电源端相连，因此不存在故障电流，保护也不会动作。而线路的另一端由于和电源相连，有故障电流通过，必定触发相应的保护动作。
　　
　　另一种情况（见图6）是模拟线路故障一端开关拒动时的情况，当线路①发生故障时，1号和2号开关都和电源端相连，保护本来都应该动作，但由于2号开关拒动，其他设备（如线路和主变）上的保护将作为后备动作。在这种情况下，也应该考虑电源端问题，如线路②上3号开关和电源端相连，两段保护作为后备动作，但主变上5号开关由于不和电源端相连，主变保护不作为后备动作。
　　
　　还有一种情况是主变故障时一端开关拒动（见图7）。当主变发生内部故障，3号开关拒动时，1号开关上的线路保护作为后备动作，由于5号开关不和电源端相连，其上的变压器保护同样也不会作为后备动作。
　　
　　实现上述正确动作结果的主要方法是在判断保护动作前加一个电源判断环节（见图8）。这里判断电源端是要在网络拓扑前根据不同的情况进行一步预处理。预处理的规则是将未考虑电源端问题时逻辑上满足保护动作的开关打开，然后进行一次全网拓扑，判断上述开关外侧（即不和故障点相连侧）是否带电。
　　
　　图5中先将故障线路两端1号和2号开关打开，然后进行全网拓扑，可知1号开关在电源岛上，而2号开关不在电源岛上，因此2号开关上保护不动作。图6中2号开关拒动，3号和5号开关满足后备动作条件，故先将3号和5号开关打开，进行网络拓扑，发现3号开关外侧在电源岛上，而5号开关外侧不在电源岛，因此3号开关上保护作为后备动作，5号开关的主变保护不动作。图7和图6类似，原来将作为后备动作的5号开关由于下端不连电源，故保护不动作。
　　
　　3．2地区电网中的单相接地故障
　　
　　地调保护zui主要的特点是单相接地问题。地调电网一般都为中性点不接地或小电流接地系统，当发生单相接地时，故障点的实际电流很小，三相之间的线电压和负荷电流仍然保持对称，因此在一般情况下都允许再继续运行1h～2h，不必立即跳闸，这也是采用中性点非直接接地运行的主要优点。但在单相接地以后，其他两相对地电压要升高√3倍。为了防止故障进一步扩大成两点接地短路，应及时发出母线绝缘检测信号，以便运行人员采取措施予以消除。
　　
　　对于地区电网的调度员来说，母线绝缘检测信号是zui常见的保护信息，如何在尽量保证重要负荷正常运行的前提下做到zui短时间内找到故障设备，是调度员必须掌握的。因此，在DTS中逼真地模拟单相接地故障显得十分必要。
　　
　　按故障的发生地点来分，单相接地故障分为单点单相接地故障和两点单相接地故障两种情况。按故障发生的设备来分，单相接地故障可分为线路单相接地和母线单相接地。当线路发生单相接地故障时，只是与线路有电气连接关系且在同一电压等级的母线发母线绝缘检测的信号，伴随着故障相的母线电压降为O，其他两相的母线电压升高为原来的／了倍，调度员并不知道是母线上的哪条线路发生了单相接地故障。因此需要调度员根据经验按照一定次序分合母线上各条线路的开关来判断故障线路，通知现场检修。在DTS中，以上过程可以用图9来表示。
　　
　　在上述线路单相接地故障中还有一个符合现场运行的处理，就是当学员通过开断各线路开关查找到故障线路后，故障线路上的开关还可以合上，保持两相运行状态而不用负荷。而在DTS中，一般情况下开关是不能合到故障设备的。
　　
　　对于单相两点接地故障，即在解除线路单相接地故障前，别的地方又发生了单相接地故障，就需要判断新的故障点是同相的还是异相的，是本地的还是异地的。这些在模型中都做了必要的判断。
　　
　　a．如果故障发生在本地且相位相同，则始终保持母线绝缘检测信号，直至两点的单相接地故障均消失或被解除。
　　
　　b．如果故障发生在本地但相位不同，则当做相间故障处理，触发相间接地保护动作。
　　
　　c．如果在故障时延范围内本线路外的线路或母线又发生单相接地故障，称为异地两点接地。如果两个故障点在同一故障范围内，则两个故障处的接地距离保护动作。下面将专门对这种情况下的故障范围的概念进行解释。
　　
　　对于异地两点接地故障而言，保护是否动作是由零序通路决定的，只有当两个故障点之间存在零序通路时线路上的距离保护才能动作。因此，这时就不能简单地只进行网络拓扑，还需要考虑两点间的零序通路。只有Yo，yo接法的变压器能够提供零序通路，而Yo，d接法的变压器能够为零序电流提供接地回路。考虑到了这一点，通过网络拓扑就可以正确地仿真两地同时发生单相接地故障的情形了。
　　
　　4结语
　　
　　本文考虑了地调和网（省）调在电网运行特点和调度职能方面的不同，提出并实现了面向地区电网的EMS／DTS的若干特色功能的数学模型和算法，并已经在国内多家地区电网得到了成功的应用。实践证明本文所提出的地调特色模型和算法是*可行，而且是非常实用的。