改善調(diào)度員潮流計算收斂性的措施

Practical improvement on convergence of dispatcher
power flow calculation

HUANG Tao, ZHANG Hui, LU Jiangang

(Guangdong Power Dispatch Center, Guangzhou 510600, China)

Abstract:This paper discusses the main factors which cause nonconvergence 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

潮流計算迭代的收斂性是調(diào)度員潮流應用的使用者最關注的技術焦點，關系到應用的運行可靠程度。如果潮流計算收斂率好，調(diào)度員潮流的運行可靠性就高，應用存在的價值就會逐漸被認同和接受；相反，如果計算總是不收斂，調(diào)度員潮流的運行可靠性就差，應用最終將被人遺忘?？梢姡绷饔嬎愕氖諗柯手苯雨P系到調(diào)度員潮流應用的實用化程度。在實際運行中有哪些因素對潮流計算收斂性有影響，如何對這些因素進行有效的控制以保證計算收斂性，是高級應用軟件維護人員很關心的問題。

1潮流不收斂原因分析
　　多年的實踐證明，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)潮流計算的主流。因此，一般認為算法不是導致不收斂的原因，潮流不收斂產(chǎn)生的主要原因是計算的初始條件給得不合理，導致潮流方程無解。
　　以圖1的系統(tǒng)為例進行說明。

　　假設圖1中的發(fā)電機出口節(jié)點是PV節(jié)點，節(jié)點電壓比較高，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上有大的無功負荷，須由發(fā)電機和系統(tǒng)共同提供無功。
　　考慮極端情況：假設發(fā)電機按最大無功出力向母線j輸送無功，使發(fā)電機到母線j的電壓降達到最大，則系統(tǒng)向母線j輸送的無功達到最小，且系統(tǒng)到母線j的電壓降也最小。如果此時Vj1仍大于Vj2，那么潮流計算會將母線i自動轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點，導致這一片電氣區(qū)域失去電壓支撐。
　　這種情況很容易造成潮流不收斂。這是因為，調(diào)度員潮流在進行迭代計算時做了如下處理：在迭代過程中，如果發(fā)現(xiàn)迭代的中間結果出現(xiàn)任何一個節(jié)點的電壓標幺值小于0.5，則立即停止計算，給出不收斂信息，不理會潮流在數(shù)學上是否收斂。這樣處理的目的是為了保證潮流結果合理可用?？梢韵胂?，如果系統(tǒng)的某些電氣部分缺少電壓支撐時，這些電氣部分的電壓過低，很有可能導致不收斂。如果在這類電氣部分附近設置一些PV節(jié)點，就能防止電壓過低的情況出現(xiàn)，有效地抑制因結果不合理導致的不收斂。
　　對圖1的例子作初始條件的改變，就能避免PV節(jié)點的丟失。例如：加大PV節(jié)點的無功調(diào)節(jié)能力，使發(fā)電機發(fā)出更多的無功，就有可能使Vj1和Vj2相等；又如：合理設置PV節(jié)點電壓幅值，使之與系統(tǒng)電壓水平匹配，同樣可以滿足Vj1=Vj2。
　　另外，在使用單平衡機方式計算潮流時，系統(tǒng)的不平衡功率全部由平衡機提供，當系統(tǒng)中有大機組（或大負荷）開斷或系統(tǒng)解列成多島時，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，平衡機功率可能無法向電氣距離較遠的功率缺額點輸送大的功率，從而導致潮流計算不收斂。因此，平衡機的選點是有一定講究的。

2具有指導意義的原則
　　總結這幾種潮流不收斂的成因，我們提出以下幾條原則。按這些原則對潮流計算的初始條件進行設置，是能夠有效地提高潮流計算的收斂性的。
　　a) 應盡量選擇無功調(diào)節(jié)能力強的發(fā)電機作為PV節(jié)點；
　　b) PV節(jié)點的電壓應設在對應的發(fā)電機額定電壓小的鄰域內(nèi)，保證全網(wǎng)各處的電壓水平相當；
　　c) PV節(jié)點應在電網(wǎng)中均勻分布，防止大量無功在系統(tǒng)中長距離流動造成大的電壓降；
　　d) 在1個廠站內(nèi)最好只選1個PV節(jié)點，不應在臨近廠站上設多個PV節(jié)點，因為這要求兩節(jié)點間的潮流滿足規(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手段
　　在為反事故演習或調(diào)度員培訓準備教案時，通常要在調(diào)度員潮流應用中連續(xù)地改變系統(tǒng)運行方式，并不斷啟動潮流計算以獲得每一次方式變化后的潮流結果。在對系統(tǒng)進行操作前，應對當前的潮流狀況進行考察，以保證改變運行方式后，潮流計算能保持收斂。
　　有兩個指標是要重點考察的：系統(tǒng)最低電壓和平衡機功率。其實，從以上的分析應該能感受到這樣一個規(guī)律：電壓和平衡機狀況是潮流計算收斂與發(fā)散的晴雨表。
　　如果系統(tǒng)的最低電壓已偏離對應電壓等級的額定電壓比較遠，在不進行人工干預的情況下繼續(xù)對系統(tǒng)進行操作，將很可能在潮流迭代過程中出現(xiàn)電壓越限導致不收斂。因此，應進行必要的電壓調(diào)節(jié)，使電壓恢復至正常水平再作進一步操作。具體的辦法有：提高發(fā)電機PQ節(jié)點的無功出力，降低負荷的無功消耗，投退無功設備等。
　　擅自對無功電壓進行調(diào)節(jié)的做法似乎不嚴肅，會對系統(tǒng)的電壓無功分布造成影響，有影響調(diào)度員對無功電壓的判斷之嫌。但實際上，在進行調(diào)節(jié)之前，計算電壓偏離額定電壓太遠本身已是不真實的，因為PV節(jié)點的選擇對電壓無功分布有很大影響，外網(wǎng)的模型參數(shù)與實際也有出入，因此即使不進行調(diào)節(jié)，電壓無功數(shù)據(jù)也不具備太多的指導意義。而且，一般情況下，調(diào)度員更關心的是有功和頻率，而無功電壓的調(diào)節(jié)對有功和頻率沒有什么影響，因此，以電壓和無功為代價保證計算收斂是值得的。
　　另外，平衡機的工作狀況也應密切關注，并不是把平衡機設在負荷中心就能高枕無憂。如果觀察到平衡機上有大的功率吞吐，就應將此不平衡功率預先分配到協(xié)調(diào)機組上去，減輕平衡機的輸送壓力，防止出現(xiàn)大功率長距離輸送的情況，對收斂性的提高是大有裨益的。

4對狀態(tài)估計數(shù)據(jù)形成潮流初始條件的控制
　　在多數(shù)情況下，調(diào)度員總是對目前系統(tǒng)的運行情況進行研究，他們通常獲取實時狀態(tài)估計數(shù)據(jù)作為調(diào)度員潮流計算的初始條件，因此狀態(tài)估計計算結果是調(diào)度員潮流應用最重要的初始條件來源。但是，在實際運行中我們發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)負荷比較重的時候，取狀態(tài)估計結果進行潮流計算經(jīng)常出現(xiàn)不收斂的情況，這是由于狀態(tài)估計向潮流計算提供的初始條件不合理造成的。
4.1狀態(tài)估計數(shù)據(jù)對潮流收斂性的影響
　　在狀態(tài)估計計算中，由于發(fā)電機機端電壓往往沒有經(jīng)過實際量測，對機端電壓的計算只能由高壓母線電壓和升壓變壓器變比推導。在沒有實際量測對結果加以控制的情況下，狀態(tài)估計計算出來的發(fā)電機機端電壓包括PV節(jié)點電壓往往偏低。當潮流計算的PV節(jié)點電壓偏低時，很容易造成迭代過程中的電壓越限，導致潮流不收斂，在負荷重的時候，由于電壓進一步下滑，不收斂現(xiàn)象越明顯。
　　另外， PV節(jié)點是建模過程中由網(wǎng)絡建模應用隨機指定的，沒有方便的干預手段，導致PV節(jié)點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對狀態(tài)估計PV節(jié)點數(shù)據(jù)的屏蔽
　　實際上，潮流計算沒有必要使用網(wǎng)絡建模指定的PV節(jié)點配置和狀態(tài)估計計算的偏低的PV節(jié)點電壓結果，這是因為網(wǎng)絡建模定義的PV節(jié)點的配置不適用于潮流計算，而且，在實際運行中，發(fā)電機機端電壓幅值通常不會偏離額定電壓過多。基于這樣的認識，在調(diào)度員潮流應用中，可以按均勻分布的原則自行設置PV節(jié)點，PV節(jié)點的電壓可以直接設置為發(fā)電機額定電壓或臨近的數(shù)值。這樣的處理，既能提高潮流計算的收斂率，又能使計算結果更符合實際情況。
　　但是問題并未徹底解決，因為每當調(diào)度員潮流應用獲取狀態(tài)估計數(shù)據(jù)后，狀態(tài)估計網(wǎng)絡庫就會把默認的（同時也是我們不希望的）PV節(jié)點配置和偏低的機端電壓送到了調(diào)度員潮流網(wǎng)絡庫，原來的設置被覆蓋。要使計算收斂必須重新設置，反復地進行人工干預不符合應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)度員潮流應用在調(diào)用這兩個程序后，能夠動態(tài)保存人工設置的PV節(jié)點和機端電壓，屏蔽狀態(tài)估計網(wǎng)絡庫中的PV節(jié)點信息，保證每次調(diào)度員潮流取狀態(tài)估計數(shù)據(jù)后都仍然使用先前設定好的PV節(jié)點數(shù)據(jù)。
　　在調(diào)度員潮流取狀態(tài)估計數(shù)據(jù)形成計算初始條件前，首先調(diào)用保存PV節(jié)點數(shù)據(jù)的子程序，將人工設置的PV節(jié)點和機端電壓以文件方式保存。
　　狀態(tài)估計數(shù)據(jù)取完后，調(diào)度員潮流應用的網(wǎng)絡庫中的PV節(jié)點配置是狀態(tài)估計網(wǎng)絡庫默認的不理想配置，發(fā)電機機端電壓是狀態(tài)估計計算出來的較實際值偏低的電壓。為了屏蔽這些PV節(jié)點信息，程序再調(diào)用取出PV節(jié)點數(shù)據(jù)的子程序，恢復先前的PV節(jié)點數(shù)據(jù)，使人工設置的PV節(jié)點數(shù)據(jù)不被狀態(tài)估計網(wǎng)絡庫所覆蓋，程序流程如圖2所示。
　　由于平衡機的電壓也是啟動調(diào)度員潮流計算的條件，所以對于系統(tǒng)平衡機，程序也作了與PV節(jié)點相同的處理。

5結論
　　經(jīng)過上述改進，調(diào)度員潮流收斂率得到了極大的提高。運行可靠性和數(shù)據(jù)可用性的提高增強了調(diào)度員潮流對運行調(diào)度的指導作用，為運行人員改變電網(wǎng)運行方式的操作提供了準確的決策依據(jù)。
　　在應用的維護方面，上述改進措施實現(xiàn)了PV節(jié)點和機端電壓的自動保存，省卻了改進前 煩瑣反復的PV節(jié)點設置工作。目前在廣東省電力調(diào)度中心能量管理系統(tǒng)（EMS）高級應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) 電機有近250臺。如果沒有這個補丁，每次進行調(diào)度員潮流計算時，為了確保收斂，都要在 這250臺發(fā)電機中挑選PV節(jié)點，操作的重復和煩瑣不言自明。
　　即使狀態(tài)估計有準確的機端電壓結果和網(wǎng)絡建模有合理的PV節(jié)點配置，這一應用補丁還 是大有用武之地的。改進前，如果不另行設置，每個操作人員都只能以網(wǎng)絡庫默認的PV節(jié)點 配置啟動潮流計算；改進后，每個EMS網(wǎng)絡節(jié)點都可以有各自不同且不受狀態(tài)估計影響的PV 節(jié)點，相對于原來單一的PV節(jié)點配置，毫無疑問，程序的引進極大地方便了調(diào)度員潮流應用 的運行和維護。