分布式潮流控制器实时控制优化应用功能研究

2021-10-13沈诚亮曹建伟吴鸣鸣林承钱柏建良

浙江电力 2021年9期

沈诚亮，曹建伟，唐明，吴鸣鸣，林承钱，柏建良

（国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江湖州 313000）

0 引言

随着电网负荷的不断增长以及新能源发电比例的不断提高，电网运行过程中潮流不均衡，即线路潮流和载流能力不匹配的现象越来越严重。在传统的电力系统中，潮流分布主要根据线路的阻抗而进行自然分布，这种根据阻抗自然分布的潮流往往容易在电网中形成局部的重载断面，进而限制电网的供电能力，此外还可能会导致电能的传输损耗增大、电压质量变差，高峰负荷期间甚至拉长了燃机顶峰时间，导致综合能源效率大幅下降。因此，有必要在现有网架结构的基础上，采用潮流控制手段，降低重载线路潮流，提升电网运行极限，消除局部电网的瓶颈问题，实现安全与效能的双提升[1-2]。近年来发展起来的DPFC（分布式潮流控制器）是解决上述问题的一种方法，它是一种利用分布式的小型化单相子单元对电网潮流进行控制的系统，具有体积小、重量轻、成本低廉等特点，能灵活的装设在现有的线路与变电站内，并能较为方便的移动与组装，实现系统的快速建立与设备的重复利用，是解决电网建设过渡时期“卡脖子”问题的好方法[3-4]。但目前DPFC 尚未在国内进行广泛的应用，电网企业缺乏相关设备的运行经验，未及时建立成熟的优化控制系统，导致DPFC 强大的潮流控制能力无法正常发挥[5-6]。因而在智能调度控制系统中，利用已有的数据资源与遥控、遥调能力，进行DPFC 实时控制优化应用功能的建设显得尤为重要[7-9]。

1 DPFC 运用现状

1.1 装置结构及原理

DPFC 系统由子单元和主控制器组成，如图1 所示。DPFC 主控制器是整个DPFC 系统的运行中枢，主要承担的系统任务有：系统部署区域相关电网参数的获取与存储；DPFC 子单元的运行状态参数获取与存储；向DPFC 子单元发送投切命令，执行EMS（能量管理系统）的潮流控制任务。

图1 DPFC 系统结构

DPFC 的子单元安装在架空输电线上，由电压源型逆变器、取能电路、控制与通信模块等部分组成。控制与通信模块接收来自调度端的控制命令，并生成对应的PWM（脉冲宽度调制）控制信号，来控制电压源型逆变器中IGBT 的开通与关断，进而对外输出一个大小可连续调节，相位超前或滞后线路电流90°的电压，使DPFC 的子模块对外部电路呈现电感或电容特性，进而改变线路的阻抗[10-12]。由于环网运行的电力系统中，潮流分布受线路阻抗分布的影响，故可通过改变线路阻抗的大小，从而影响电网潮流的分布，实现对线路输送的有功和无功功率的调节。

为了有效调节潮流，DPFC 的线路阻抗控制范围应在线路阻抗的±10%～±20%内。DPFC 的控制目的是向线路注入可调电压，调整等效阻抗，其等效阻抗运行范围是最大运行电流、最小运行电流和最大注入电压曲线所包围的封闭区，如图2 所示。Imax对应于DPFC 装置主回路各元件承受最大电流应力下的线路电流值，应大于线路电流额定值。Imin由DPFC 装置能正常启动的最小电流确定。Vmax最大注入电压取决于DPFC 装置主回路各元件能承受的最大电压应力。Imin与恒压曲线相交点对应的等效电抗为电抗最大值，其值一般小于由线路参数所确定的DPFC 装置最大输出等效阻抗值。

图2 DPFC 等效阻抗运行范围

1.2 控制系统及控制模式

DPFC 的控制系统采用分层结构，其包含调度端的高级控制层、变电站内的集中控制层和单元模组控制层，为保证控制系统的可靠性，集中控制层采用双重配置，包括集控和保护装置以及相应的输入/输出设备。其控制结构如图3 所示。集中控制侧设置A，B 两套控制系统，两套控制系统均接收来自调度层的控制指令，并执行功率控制逻辑，且均下发电压控制指令值、启动停运控制命令、值班信号等。

图3 DPFC 控制系统结构

目前，DPFC 在正常运行过程中主要有四种运行模式：电控控制、注入电压控制、功率控制和限额控制。

1.2.1 电抗控制模式

电抗控制模式通过控制系统下发等效电抗控制指令，向线路注入一个等效电抗，通过改变线路电抗的大小来实现线路潮流的调节。该模式下需要运行人员给定等效注入电抗指定值、等效注入电抗升降速率。在接收到整定值后，电抗控制调节环节会生成等效注入电抗的参考值，将等效注入电抗的参考值按照指定的升降速率节至整定值，并下发给各个模组，从而实现潮流控制。

1.2.2 注入电压控制模式

注入电压控制模式是通过下发注入电压指令，向运行线路串入一个与线路电流垂直的电压，通过注入电压改变线路两端电压的相角差实现潮流调节的模式。运行人员需要操作给定注入电压指定值、注入电压升降速率。在接收到整定值后，电压控制调节环节可生成注入电压的参考值，其按照设定的升降速率调节至整定值，并下发给各个模组，模组根据指令值产生电压，串入运行线路，进而实现潮流控制。

1.2.3 功率控制模式

功率控制模式控制线路的功率恒定为设定值，运行人员需要给定：线路功率指定值、线路功率升降速率。接收到整定值后，功率控制调节环节会按照设定的升降速率将线路功率节至指令值，并将线路功率控制在指令值。通过改变功率指令值实现潮流控制。

1.2.4 限额控制模式

限额控制模式下，正常运行时DPFC 设备注入线路0 电压，在断面的功率超过设定的限额时，控制系统协调各模组增加注入线路的电压，限制断面功率不超过限额值。限额控制模式下，需要运行人员操作给定断面的限额功率。需要注意的是，DPFC 投入运行后，控制模式默认为电压控制模式，注入线路的电压默认设定为0。

1.3 运用中存在的问题

目前就某地区的电网实际运行情况而言，安装在GXⅠ线、GXⅡ线上的DPFC 装置主要采取限额控制模式：当GXⅠ线、GXⅡ线双线断面潮流小于47 万kW，DPFC 装置0 电压输出，不转移线路的潮流；当GXⅠ线、GXⅡ线双线断面潮流超过47 万kW 后，DPFC 装置开始输出感性电压，增大线路的等效阻抗，将双线断面潮流控制到47 万kW 以内；当DPFC 装置已达到最大感性电压输出，仍然无法将潮流控制到47 万kW 以内时，DPFC 以最大感性电压输出，并给出调节能力已到极限的告警信号，提醒调控人员需采取其他电网调节手段，降低断面潮流。

采用上述实时控制策略进行电网潮流控制时，虽可解决局部线路重载的问题，合理分配电网潮流，提升轻载设备的利用率，但从整个电力系统优化与能源利用率提升来看，主要存在以下几点问题：

（1）DPFC 装置仅针对GXⅠ线、GXⅡ线双线断面的越限情况进行优化控制，未进行区域电网的潮流优化。DPFC 装置在运行过程中，其控制系统仅能采集到本线路的实时潮流，无法获取周边电网的潮流情况，因而其无法综合分析区域电网的运行状态，给出实时控制优化指令。

（2）DPFC 装置仅在断面越线时才发挥作用，其余时间段均为0 电压输出。电网负荷具有明显的波动性特征，高峰负荷时间占比正常情况下也仅10%左右，全年95%高峰负荷占比小于1%。因此，DPFC 装置仅在高峰负荷期间发挥作用，其余时间段DPFC 装置无出力运行，未充分挖掘设备的最大潜力。

（3）DPFC 装置在优化系统潮流中，仅对自身的参数进行调节，未能结合电网中其余可调节资源进行综合优化。如GXⅠ线、GXⅡ线双线位于A 地区，区域内有燃气电厂、储能电站、可中断负荷等众多资源。在进行片区潮流优化过程中，调节DPFC 装置出力，改变线路阻抗的同时，可考虑同步优化区域内燃气电厂的出力及储能电站的充放电运行模式，提升区域电网的能源综合利用效率[13-16]。

2 基于高弹性电网智能调度控制系统的解决方法

目前DPFC 装置的控制系统只采集本线路的潮流数据，下发的控制命令也仅优化DPFC 装置本身的运行状态，控制的目标为降低本线路的潮流值，DPFC 控制系统独立于其他电网调度控制系统，为单一的闭环控制系统。DPFC 作为区域电网潮流优化的重要手段，需要对电网的实时负荷进行统筹控制，建立统一的控制体系，这是DPFC 控制系统整体性的要求。

如何通过可靠、简单、经济的方式使DPFC控制系统的独立性与电网的整体性有效融合，提升DPFC 控制器对于区域电网的潮流优化效果，这就需要利用已有的高弹性电网智能调度控制系统，来协调指挥DPFC 装置及区内的可调电厂、可中断负荷及储能电站，使它们之间协同工作，以最优效能为控制目标，在确保电网安全稳定的前提下，提升电网的安全与效能。

2.1 控制系统原理

基于高弹性电网智能调度控制系统的DPFC实时优化控制原理如图4 所示。该控制系统以高弹性电网智能调度控制系统采集到的电网实时数据为基础，通过DPFC 实时控制优化系统的处理，最后经智能调度控制系统出口，实现DPFC 装置的实时控制优化，其具体流程如下：

图4 基于高弹性电网智能调度控制系统的DPFC实时控制优化原理

（1）数据采集。利用高弹性电网智能调度控制系统的遥测、遥信功能，实现对区域电网的拓扑结构、电压信息、潮流信息等实时运行数据进行采集。

（2）数据滤波。对高弹性电网智能调度控制系统提供的实时数据进行滤波处理，并通过状态估计来对比仿真数据与实测数据的偏差，剔除具有明显波动特征的错误数据，防止错误的电网测量参数对于下一步优化计算的处理结果。

（3）优化计算。根据区域电网的实际运行情况，结合DPFC 的运行工况、区域可中断负荷的可用情况以及可调电源的出力情况，综合计算出对DPFC 的最优控制策略，确保得到电网整体的最优解。

（4）安全评估。根据优化计算的情况，结合区域电网的负荷情况，对优化后的电网进行安全评估，运用数字模拟仿真等技术手段，预先计算按照控制策略进行调整后的电网运行情况，并对中枢点电压、关键断面潮流等情况进行安全校验，确保优化后的区域电网仍具有足够的安全运行裕度，实现安全效能双提升。

（5）结果校验。对分布式潮流控制装置的优化结算结果进行校验，并将相关参数的控制调整数值与系统的实际可控范围进行比较，确保下发控制参数是符合装置控制范围的，避免非法参数的下发导致系统错误。

（6）遥控接口。利用高弹性电网智能调度控制系统的遥控功能，根据分布式潮流控制优化系统的处理结果，对分布式潮流控制的运行状态进行实时控制，确保优化控制命令能及时、有效地传达到DPFC。

（7）自检校验。对DPFC 实时控制优化系统各个环节运行功能的准确性与完好性进行自动检测，确保系统运行正常。

（8）人工干预。作为DPFC 实时控制优化系统的一个补充，在DPFC 实时控制优化系统出现故障后，高弹性电网智能调度控制系统将发出告警信息，调度运行人员立即介入故障缺陷处理，确保在DPFC 实时控制优化系统出现故障而导致无法有效控制DPFC 装置时，可以通过人工调整运行的方式，来保证设备的安全稳定运行。

2.2 具体实现方法

（1）在确保电网运行安全的前提下，以电网综合损耗最低为优化目标，对DPFC 进行优化控制。同时，应确保各类型可调资源在调节后仍然具有一定的可调裕度，以应对系统负荷变化后，需要进行新的资源调整。

（2）以各类型可调资源均有所应用为控制策略，避免在调整过程中，某一类型的资源应用过多或应用不足，造成系统的综合效率下降；当某一可调资源裕度不足时，该实时控制系统应具备相应的提示功能，提醒调度运行人员进行相应的人工干预，确保电力系统具有足够的调节手段与措施。

（3）实时控制过程中，应适当地偏重于安全：即优化过程中，安全校验应具有最高的优先级别，且安全校验不仅包含正常运行方式的校验，也应包含重要输变电设备N-1 校验以及同杆输电线路的N-2 校验，确保发生上述故障后，系统不发生剩余设备的联跳，避免局部电网的崩溃事故发生。

（4）DPFC 实时控制优化系统是在高弹性电网智能调度控制系统的基础上，进行深化应用，需要根据高弹性电网智能调度控制系统的发展进行实时调整，当其出现新的可调节资源或调节资源能力增大后，应及时进行DPFC 实时控制优化系统的升级更新，确保能发挥出高弹性电网智能调度控制系统与DPFC 实时控制优化系统之间的乘法效应，使得他们的利用效率最大化。

2.3 优化算法

对于区域电网的潮流优化计算，涉及系统物理约束与优化计算两方面。

（1）电网系统物理约束：

式中：Ui，PDi，QDi分别为第i 个节点的电压、负荷有功、负荷无功；Gij与Bij为节点导纳矩阵中的电导与电纳；δij为第i 个节点与第j 个节点之间的工角差；PiG，QiG为第i 个节点的发电机有功出力与无功出力；PiG，min，PiG，max，QiG，min，QiG，max为第i 个节点上发电机有功出力与无功出力的上下限。Ui，min，Ui，max为第i 个节点的电压下限与上限。fi，j，fi，j，max为i 个节点与第j 个节点之间潮流及潮流上限。Gnm，Bnm为安装了DPFC 的支路电导与电纳，其上下限分别为Gnm，min，Gnm，max，Bnm，min，Bnm，max。

（2）优化计算

式中：Ek为考虑电网运行经济性、安全性、灵活性、可靠性等因素的评价性函数，且函数值越小，表示对应的优化元素越优。fi，j，Gnm，Bnm分别为优化后的潮流分布以及DPFC 调节的线路阻抗参数。可通过模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法等智能算法，求解上述目标函数的最优值，并进行安全性校核计算后对DPFC 进行相应的调节。

2.4 潮流调节及调节量

根据优化后的计算结果，得到DPFC 所在线路的目标阻抗参数：Gnm，Bnm。线路lnm的参数通过DPFC 每个子单元模块的输出电压进行调节，在该线路中形成一个垂直于电流方向的电压，该电压可以超前于电流向量90°，亦可落后于电流向量90°，且可进行幅值0 至Umax的连续调节，从线路的外部特性来看，相当于对线路的阻抗进行了动态调节。在电力系统环网中，当线路的阻抗增大后，流经该线路的潮流将减小；当线路的阻抗减少后，流经该线路的潮流将增加；通过DPFC的调节，实现了电网中潮流大小的控制。

2.5 远方控制方式

DPFC 实时控制优化系统的远方控制方式是该系统的重要环节之一，为提高系统与调度运行人员良好的互动性，实现电网运行状态的可视化处理，加快操作人员对于系统运行状态的全貌掌握，针对DPFC 装置的安装位置及运行特性，特开发了相应的DPFC 实时控制优化系统，该DPFC实时系统具有监视DPFC 运行状态，展示区域电网潮流分布，重要线路断面越限告警、DPFC 运行状态远方调节等功能。通过该系统，进行DPFC实时控制操作，应满足以下要求：

相关用户进行远方调节操作前，应进行用户身份、控制权限进行验证，不同的身份给予不同的操作权限，有系统管理员、操作员、临时访客等用户角色。

提供简洁明了的区域电网运行状态显示和远方控制操作界面，采取校核、确认机制，即控制命令下达后，先由系统进行仿真计算，并将模拟潮流及安全校核结果反馈给操作员，由操作员确认后正式下达控制指令，防止误操作、误发令，确保系统的安全可靠。

在人工控制DPFC 运行状态的过程中，应详细记录整个操作流程，包括操作人、时间、操作前电网运行状态、操作指令、系统校核结果、操作后系统状态等信息，为后续系统故障的还原、故障原因分析提供条件。

2.6 DPFC 实时控制优化系统优点

对于该实时控制优化系统，成功的将DPFC装置与区域电网有机的结合在一起，优化目标由单一设备提升为电网整体效能，其主要优点如下：

（1）该控制系统是基于高弹性电网智能调度控制系统建立的，其数据采集、数据展示、遥控命令下达等功能可通过高弹性电网智能调度控制系统中的相关功能来实现，避免系统的重复建设。同时，将相关控制功能集成于一套智能调度控制系统，有利于调度运行人员的日常使用，减少多个系统间切换导致的误操作、误控制。

（2）该控制系统可以实现DPFC 的实时控制，并具备电网安全运行的监视与潮流校核功能，对于提升电网安全水平，防止电网事故扩大，保障系统稳定运行将发挥巨大作用。

（3）该控制系统的建设可以大幅简化对于DPFC 的控制难度，减少调度运行人员的运行压力，降低生产运行成本，提升安全生产效率。

（4）系统具备较强的扩展性，升级方便，可综合接入燃气电厂、可中断负荷、储能站等诸多调节因素，优化电网范围也可从区域电网提升至市域电网乃至省域电网，具有强大的后期开发潜力，实现电网安全效率的双提升。

3 案例分析

目前某电网正在积极开展多元融合高弹性电网示范建设，除完成GXⅠ线、GXⅡ线双线DPFC应用外，还集成GXⅠ线、GXⅡ线动态增容装置、地县调管辖电厂AGC 可调电源接入、10～110 kV大用户的可中断负荷接入、10 kV 储能电站等众多项目。其智能调度控制系统界面如图5 所示。

图5 高弹性电网智能调度控制系统

在高弹性电网智能调度控制系统的基础上，H 公司集系统状态估计、运行限额在线计算、安全稳定智能评估、辅助决策判断等多项高级应用，建成DPFC 实时控制优化系统，实现DPFC运行状态的全景感知，系统运行势态预测，优化辅助决策等众多控制功能。H 公司在高弹性电网智能调度控制系统的基础上，开发DPFC 实时控制优化系统。

在DPFC 应用的CX 电网，主要由GXⅠ线/Ⅱ线与XYⅠ线/Ⅱ线两个通道供电。其与主网联络示意如图6 所示。未进行DPFC 优化潮流时，片区电网潮流分布不均匀，其中GXⅠ线/Ⅱ线长度短且靠近负荷中心，潮流较大；XYⅠ线/Ⅱ线长度长且远离负荷中心，潮流较小。此外，GXⅠ线/Ⅱ线受其电缆段的制约，最大短时载流能力为440 MW；XYⅠ线/Ⅱ线为全线架空导线，最大短时载流能力可达720 MW。

图6 区域电网与系统主网联络

在未进行DPFC 潮流控制时，CX 电网最为极端情况为：由于燃气价格影响，区内燃气电厂停机，GXⅠ线、Ⅱ线处于n-1 运行方式，此时剩余线路潮流为590 MW，导线短时载流能力仅440 MW，严重过载近150 MW，剩余运行线路存在过载联跳进而引发连锁故障的巨大风险。为确保正常运行方式下的供电安全，CX 电网需要限制负荷约150 MW。

在利用DPFC 进行电网潮流优化控制后，原先重载运行的GXⅠ线/Ⅱ线断面潮流转移至轻载运行的XYⅠ线/Ⅱ线断面。受小截面导线制约的重载线路输送潮流得到缓解，有效提升了线路运行的安全性；具有大截面导线的轻载线提升了输送功率，有效发挥了大截面导线的载流能力，提高了系统运行的经济性；对于CX 电网，也提升了片区的供电能力，有效避免了最大150 MW 的负荷限制。此外，DPFC 的优化应用，全年减少燃机顶峰150 天，可减少新建线路投资5 000 万元，提高综合社会效益930 万元/年，同时有效避免了局部电网断面超限的问题，提高了系统运行的稳定性，实现了电网运行效能与安全的双提升。