黃滔，張輝，盧建剛
（廣東省電力調(diào)度中心，廣東 廣州510600）
摘 要：就計(jì)算條件問題分析了潮流計(jì)算不收斂的成因，總結(jié)了PV節(jié)點(diǎn)和平衡機(jī)設(shè)置的若干原則，對(duì)系統(tǒng)改變運(yùn)行方式過程中的電壓和平衡機(jī)監(jiān)控提出了一些人工干預(yù)的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)廣東省電力調(diào)度中心能量管理系統(tǒng)的實(shí)際情況，就狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)潮流計(jì)算的影響作了分析，編寫了應(yīng)用補(bǔ)丁屏蔽狀態(tài)估計(jì)的PV節(jié)點(diǎn)配置和電壓，實(shí)現(xiàn)了PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存。這些措施的實(shí)施極大地提高了潮流計(jì)算的收斂率，保證了調(diào)度員潮流應(yīng)用的運(yùn)行可靠性，使應(yīng)用的操控更加以人為本。
關(guān)鍵詞：調(diào)度員潮流；潮流計(jì)算；收斂；PV節(jié)點(diǎn)；狀態(tài)估計(jì)
Practical improvement on convergence of dispatcher
power flow calculation
HUANG Tao, ZHANG Hui, LU Jiangang
(Guangdong Power Dispatch Center, Guangzhou 510600, China)
Abstract:This paper discusses the main factors which cause nonconvergence inload flow calculation in terms of the initial data Some principles for settingPV nodes and slack nodes, as well as some experiences in supervision and controlon the power system voltage and slack node when changing operating mode, are generalized for convergence In addition, this paper presents a couple of programscompiled in FORTRAN 77 As a patch to the dispatcher power flowapplication, these programs shield the undesirable PV node and PV voltage data acquired from status estimate application By setting PV node configuration of their own, operators may obtain more practical calculation results as the convergence of the dispatcher power flow calculation improved greatly With the help of the programs, maintenance and operations of the application become much more convenient
Key words:dispatcher power flow; power flow calculation; convergence; PV node; status estimate
潮流計(jì)算迭代的收斂性是調(diào)度員潮流應(yīng)用的使用者最關(guān)注的技術(shù)焦點(diǎn)，關(guān)系到應(yīng)用的運(yùn)行可靠程度。如果潮流計(jì)算收斂率好，調(diào)度員潮流的運(yùn)行可靠性就高，應(yīng)用存在的價(jià)值就會(huì)逐漸被認(rèn)同和接受；相反，如果計(jì)算總是不收斂，調(diào)度員潮流的運(yùn)行可靠性就差，應(yīng)用最終將被人遺忘。可見，潮流計(jì)算的收斂率直接關(guān)系到調(diào)度員潮流應(yīng)用的實(shí)用化程度。在實(shí)際運(yùn)行中有哪些因素對(duì)潮流計(jì)算收斂性有影響，如何對(duì)這些因素進(jìn)行有效的控制以保證計(jì)算收斂性，是高級(jí)應(yīng)用軟件維護(hù)人員很關(guān)心的問題。
1潮流不收斂原因分析
多年的實(shí)踐證明，牛頓法具有很好的二次收斂性，是求解多元非線性方程的經(jīng)典算法，至今仍是電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的主流。因此，一般認(rèn)為算法不是導(dǎo)致不收斂的原因，潮流不收斂產(chǎn)生的主要原因是計(jì)算的初始條件給得不合理，導(dǎo)致潮流方程無解。
以圖1的系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。
假設(shè)圖1中的發(fā)電機(jī)出口節(jié)點(diǎn)是PV節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電壓比較高，使母線j的右側(cè)電氣部分的電壓高于系統(tǒng)電壓水平。而且，母線j上有大的無功負(fù)荷，須由發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)共同提供無功。
考慮極端情況：假設(shè)發(fā)電機(jī)按最大無功出力向母線j輸送無功，使發(fā)電機(jī)到母線j的電壓降達(dá)到最大，則系統(tǒng)向母線j輸送的無功達(dá)到最小，且系統(tǒng)到母線j的電壓降也最小。如果此時(shí)Vj1仍大于Vj2，那么潮流計(jì)算會(huì)將母線i自動(dòng)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致這一片電氣區(qū)域失去電壓支撐。
這種情況很容易造成潮流不收斂。這是因?yàn)椋{(diào)度員潮流在進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)做了如下處理：在迭代過程中，如果發(fā)現(xiàn)迭代的中間結(jié)果出現(xiàn)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓標(biāo)幺值小于0.5，則立即停止計(jì)算，給出不收斂信息，不理會(huì)潮流在數(shù)學(xué)上是否收斂。這樣處理的目的是為了保證潮流結(jié)果合理可用。可以想象，如果系統(tǒng)的某些電氣部分缺少電壓支撐時(shí)，這些電氣部分的電壓過低，很有可能導(dǎo)致不收斂。如果在這類電氣部分附近設(shè)置一些PV節(jié)點(diǎn)，就能防止電壓過低的情況出現(xiàn)，有效地抑制因結(jié)果不合理導(dǎo)致的不收斂。
對(duì)圖1的例子作初始條件的改變，就能避免PV節(jié)點(diǎn)的丟失。例如：加大PV節(jié)點(diǎn)的無功調(diào)節(jié)能力，使發(fā)電機(jī)發(fā)出更多的無功，就有可能使Vj1和Vj2相等；又如：合理設(shè)置PV節(jié)點(diǎn)電壓幅值，使之與系統(tǒng)電壓水平匹配，同樣可以滿足Vj1=Vj2。
另外，在使用單平衡機(jī)方式計(jì)算潮流時(shí)，系統(tǒng)的不平衡功率全部由平衡機(jī)提供，當(dāng)系統(tǒng)中有大機(jī)組（或大負(fù)荷）開斷或系統(tǒng)解列成多島時(shí)，可能出現(xiàn)大的功率不平衡量。受線路和變壓器的輸送容量限制，平衡機(jī)功率可能無法向電氣距離較遠(yuǎn)的功率缺額點(diǎn)輸送大的功率，從而導(dǎo)致潮流計(jì)算不收斂。因此，平衡機(jī)的選點(diǎn)是有一定講究的。
2具有指導(dǎo)意義的原則
總結(jié)這幾種潮流不收斂的成因，我們提出以下幾條原則。按這些原則對(duì)潮流計(jì)算的初始條件進(jìn)行設(shè)置，是能夠有效地提高潮流計(jì)算的收斂性的。
a) 應(yīng)盡量選擇無功調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的發(fā)電機(jī)作為PV節(jié)點(diǎn)；
b) PV節(jié)點(diǎn)的電壓應(yīng)設(shè)在對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)額定電壓小的鄰域內(nèi)，保證全網(wǎng)各處的電壓水平相當(dāng)；
c) PV節(jié)點(diǎn)應(yīng)在電網(wǎng)中均勻分布，防止大量無功在系統(tǒng)中長距離流動(dòng)造成大的電壓降；
d) 在1個(gè)廠站內(nèi)最好只選1個(gè)PV節(jié)點(diǎn)，不應(yīng)在臨近廠站上設(shè)多個(gè)PV節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@要求兩節(jié)點(diǎn)間的潮流滿足規(guī)定的電壓差，很可能是不合理的；
e) 平衡機(jī)盡可能選在電網(wǎng)重心附近，即到全網(wǎng)各母線的電氣距離盡量短。
3保證潮流收斂的人工干預(yù)手段
在為反事故演習(xí)或調(diào)度員培訓(xùn)準(zhǔn)備教案時(shí)，通常要在調(diào)度員潮流應(yīng)用中連續(xù)地改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，并不斷啟動(dòng)潮流計(jì)算以獲得每一次方式變化后的潮流結(jié)果。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作前，應(yīng)對(duì)當(dāng)前的潮流狀況進(jìn)行考察，以保證改變運(yùn)行方式后，潮流計(jì)算能保持收斂。
有兩個(gè)指標(biāo)是要重點(diǎn)考察的：系統(tǒng)最低電壓和平衡機(jī)功率。其實(shí)，從以上的分析應(yīng)該能感受到這樣一個(gè)規(guī)律：電壓和平衡機(jī)狀況是潮流計(jì)算收斂與發(fā)散的晴雨表。
如果系統(tǒng)的最低電壓已偏離對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的額定電壓比較遠(yuǎn)，在不進(jìn)行人工干預(yù)的情況下繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，將很可能在潮流迭代過程中出現(xiàn)電壓越限導(dǎo)致不收斂。因此，應(yīng)進(jìn)行必要的電壓調(diào)節(jié)，使電壓恢復(fù)至正常水平再作進(jìn)一步操作。具體的辦法有：提高發(fā)電機(jī)PQ節(jié)點(diǎn)的無功出力，降低負(fù)荷的無功消耗，投退無功設(shè)備等。
擅自對(duì)無功電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的做法似乎不嚴(yán)肅，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電壓無功分布造成影響，有影響調(diào)度員對(duì)無功電壓的判斷之嫌。但實(shí)際上，在進(jìn)行調(diào)節(jié)之前，計(jì)算電壓偏離額定電壓太遠(yuǎn)本身已是不真實(shí)的，因?yàn)?/SPAN>PV節(jié)點(diǎn)的選擇對(duì)電壓無功分布有很大影響，外網(wǎng)的模型參數(shù)與實(shí)際也有出入，因此即使不進(jìn)行調(diào)節(jié)，電壓無功數(shù)據(jù)也不具備太多的指導(dǎo)意義。而且，一般情況下，調(diào)度員更關(guān)心的是有功和頻率，而無功電壓的調(diào)節(jié)對(duì)有功和頻率沒有什么影響，因此，以電壓和無功為代價(jià)保證計(jì)算收斂是值得的。
另外，平衡機(jī)的工作狀況也應(yīng)密切關(guān)注，并不是把平衡機(jī)設(shè)在負(fù)荷中心就能高枕無憂。如果觀察到平衡機(jī)上有大的功率吞吐，就應(yīng)將此不平衡功率預(yù)先分配到協(xié)調(diào)機(jī)組上去，減輕平衡機(jī)的輸送壓力，防止出現(xiàn)大功率長距離輸送的情況，對(duì)收斂性的提高是大有裨益的。
4對(duì)狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)形成潮流初始條件的控制
在多數(shù)情況下，調(diào)度員總是對(duì)目前系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行研究，他們通常獲取實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)作為調(diào)度員潮流計(jì)算的初始條件，因此狀態(tài)估計(jì)計(jì)算結(jié)果是調(diào)度員潮流應(yīng)用最重要的初始條件來源。但是，在實(shí)際運(yùn)行中我們發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)負(fù)荷比較重的時(shí)候，取狀態(tài)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行潮流計(jì)算經(jīng)常出現(xiàn)不收斂的情況，這是由于狀態(tài)估計(jì)向潮流計(jì)算提供的初始條件不合理造成的。
4.1狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)潮流收斂性的影響
在狀態(tài)估計(jì)計(jì)算中，由于發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓往往沒有經(jīng)過實(shí)際量測(cè)，對(duì)機(jī)端電壓的計(jì)算只能由高壓母線電壓和升壓變壓器變比推導(dǎo)。在沒有實(shí)際量測(cè)對(duì)結(jié)果加以控制的情況下，狀態(tài)估計(jì)計(jì)算出來的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓包括PV節(jié)點(diǎn)電壓往往偏低。當(dāng)潮流計(jì)算的PV節(jié)點(diǎn)電壓偏低時(shí)，很容易造成迭代過程中的電壓越限，導(dǎo)致潮流不收斂，在負(fù)荷重的時(shí)候，由于電壓進(jìn)一步下滑，不收斂現(xiàn)象越明顯。
另外， PV節(jié)點(diǎn)是建模過程中由網(wǎng)絡(luò)建模應(yīng)用隨機(jī)指定的，沒有方便的干預(yù)手段，導(dǎo)致PV節(jié)點(diǎn)的配置沒有遵循均勻分布的原則，也是造成不收斂的重要原因。
4.2對(duì)狀態(tài)估計(jì)PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的屏蔽
實(shí)際上，潮流計(jì)算沒有必要使用網(wǎng)絡(luò)建模指定的PV節(jié)點(diǎn)配置和狀態(tài)估計(jì)計(jì)算的偏低的PV節(jié)點(diǎn)電壓結(jié)果，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)建模定義的PV節(jié)點(diǎn)的配置不適用于潮流計(jì)算，而且，在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓幅值通常不會(huì)偏離額定電壓過多。基于這樣的認(rèn)識(shí)，在調(diào)度員潮流應(yīng)用中，可以按均勻分布的原則自行設(shè)置PV節(jié)點(diǎn)，PV節(jié)點(diǎn)的電壓可以直接設(shè)置為發(fā)電機(jī)額定電壓或臨近的數(shù)值。這樣的處理，既能提高潮流計(jì)算的收斂率，又能使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。
但是問題并未徹底解決，因?yàn)槊慨?dāng)調(diào)度員潮流應(yīng)用獲取狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)后，狀態(tài)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)庫就會(huì)把默認(rèn)的（同時(shí)也是我們不希望的）PV節(jié)點(diǎn)配置和偏低的機(jī)端電壓送到了調(diào)度員潮流網(wǎng)絡(luò)庫，原來的設(shè)置被覆蓋。要使計(jì)算收斂必須重新設(shè)置，反復(fù)地進(jìn)行人工干預(yù)不符合應(yīng)用軟件以人為本的操控原則。
為此，我們自行開發(fā)了兩段FORTRAN程序，調(diào)度員潮流應(yīng)用在調(diào)用這兩個(gè)程序后，能夠動(dòng)態(tài)保存人工設(shè)置的PV節(jié)點(diǎn)和機(jī)端電壓，屏蔽狀態(tài)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)庫中的PV節(jié)點(diǎn)信息，保證每次調(diào)度員潮流取狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)后都仍然使用先前設(shè)定好的PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
在調(diào)度員潮流取狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)形成計(jì)算初始條件前，首先調(diào)用保存PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的子程序，將人工設(shè)置的PV節(jié)點(diǎn)和機(jī)端電壓以文件方式保存。
狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)取完后，調(diào)度員潮流應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)庫中的PV節(jié)點(diǎn)配置是狀態(tài)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)庫默認(rèn)的不理想配置，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓是狀態(tài)估計(jì)計(jì)算出來的較實(shí)際值偏低的電壓。為了屏蔽這些PV節(jié)點(diǎn)信息，程序再調(diào)用取出PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的子程序，恢復(fù)先前的PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，使人工設(shè)置的PV節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不被狀態(tài)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)庫所覆蓋，程序流程如圖2所示。
由于平衡機(jī)的電壓也是啟動(dòng)調(diào)度員潮流計(jì)算的條件，所以對(duì)于系統(tǒng)平衡機(jī)，程序也作了與PV節(jié)點(diǎn)相同的處理。
5結(jié)論
經(jīng)過上述改進(jìn)，調(diào)度員潮流收斂率得到了極大的提高。運(yùn)行可靠性和數(shù)據(jù)可用性的提高增強(qiáng)了調(diào)度員潮流對(duì)運(yùn)行調(diào)度的指導(dǎo)作用，為運(yùn)行人員改變電網(wǎng)運(yùn)行方式的操作提供了準(zhǔn)確的決策依據(jù)。
在應(yīng)用的維護(hù)方面，上述改進(jìn)措施實(shí)現(xiàn)了PV節(jié)點(diǎn)和機(jī)端電壓的自動(dòng)保存，省卻了改進(jìn)前 煩瑣反復(fù)的PV節(jié)點(diǎn)設(shè)置工作。目前在廣東省電力調(diào)度中心能量管理系統(tǒng)（EMS）高級(jí)應(yīng)用軟件中建立模型的電網(wǎng)有廣東電網(wǎng)、廣西電網(wǎng)、貴州電網(wǎng)、云南等值電網(wǎng)和香港電網(wǎng)，其中發(fā) 電機(jī)有近250臺(tái)。如果沒有這個(gè)補(bǔ)丁，每次進(jìn)行調(diào)度員潮流計(jì)算時(shí)，為了確保收斂，都要在 這250臺(tái)發(fā)電機(jī)中挑選PV節(jié)點(diǎn)，操作的重復(fù)和煩瑣不言自明。
即使?fàn)顟B(tài)估計(jì)有準(zhǔn)確的機(jī)端電壓結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)建模有合理的PV節(jié)點(diǎn)配置，這一應(yīng)用補(bǔ)丁還 是大有用武之地的。改進(jìn)前，如果不另行設(shè)置，每個(gè)操作人員都只能以網(wǎng)絡(luò)庫默認(rèn)的PV節(jié)點(diǎn) 配置啟動(dòng)潮流計(jì)算；改進(jìn)后，每個(gè)EMS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以有各自不同且不受狀態(tài)估計(jì)影響的PV 節(jié)點(diǎn)，相對(duì)于原來單一的PV節(jié)點(diǎn)配置，毫無疑問，程序的引進(jìn)極大地方便了調(diào)度員潮流應(yīng)用 的運(yùn)行和維護(hù)。
參考文獻(xiàn)
［1］于爾鏗, 劉廣一, 周京陽. 能量管理系統(tǒng)［M］. 北京: 科學(xué)出版社，1998.
