电网在线稳定节能综合监控与预警系统

电网在线稳定节能综合监控与预警系统

0在线实时监控正在进行智能电网、节能规划、新能源电网的互联和越来越复杂的电网运营环境。我们对电网的实时定量化分析和自适应优化控制提出了更高的要求。智能电网的重要特点之一是实现闭环控制,利用计算机更多地将调度员从繁琐的调度工作中解脱出来,通过自动闭环控制,使电力系统运行更加经济、安全、可靠。当今投入工程应用的稳定控制系统可分为“离线计算、实时匹配”和“在线预决策、实时匹配”2种模式。但大停电往往由“不可预见”的连锁故障引起,以上2种稳定控制系统都可能无法正确响应,且基于网络建模的分析方法受模型和参数精度的困扰,其计算速度、结果有效性难以评估,这使得电网在线参数辨识及实时监控显得越发重要。控制应以最小的代价(切机、切负荷、再调度等)保证系统安全经济运行,且具有足够的稳定裕度和抗扰动能力。如何将系统的运行状态及评判尺度,精确、直观地展现,并转换为有价值的决策信息,是调度运行人员最关心的问题,也是在线监控系统急需的功能。电网数据采集与监视控制(supervisorycontrolanddataacquisition,SCADA)系统、能量管理系统(energymanagementsystem,EMS)及广域测量系统(wide-areameasurementsystem,WAMS)的发展及成熟化工程应用,为电网在线稳定经济分析与控制提供了良好的高精度电网测量数据平台,逐渐改变了传统的电网分析研究视角和应用模式[16,17,18,19,20,21]。理论上最为完美的监控系统模式为基于高精度电网实测响应测量数据,进行在线“实时建模、超实时计算、实时匹配”,逐渐有多种在线分析与监控系统在实际电网中应用。为了充分有效地利用现有调度自动化实时数据平台,本文以文献[10-11,19,21]为理论基础展开了智能电网在线稳定节能监控与预警系统(stabilityandenergy-savingcomprehensivemonitoringandearlywarningsystem,SEMW)的设计和应用研究工作,该系统间接具有自动电压控制(autovoltagecontrol,AVC)系统的基本功能、电网在线安全控制与预警功能,还可根据电网实际运行情况给出无功补偿等规划建议等。1系统的总体结构1.1主站厂家不同调度主站厂家转发接口本系统可采用标准简洁数据文件格式,获得所需要的电网实时运行数据断面,不同调度主站厂家只需按所需数据格式一次性做好转发接口即可。或者直接遵循IEC61970-CIM/CIS技术实现与现场不同主站的标准化接口,获取电网测量和拓扑结构,无需额外维护,硬件结构如图1所示。1.2各层作用及功能SEMW采用模块化设计,总体软件体系如图2所示。该现有调度主站从中获取电网实测数据,进行在线分析与处理。总体分为3大层次:采集层、应用层和信息展示层。各个层次相互独立,提高了系统的稳定性、可扩展性和灵活性。采集层主要功能是与调度主站进行数据交互,完成实时遥测信息接受、控制方案转发功能。应用层主要功能是核心算法的实现:在线稳定节能综合监控与预警,控制方案存盘、统计、报表,系统管理等功能,同时为其它系统提供交互接口。信息展示层主要功能是面向终端调度员,以清晰直观的图形化等方式展示电网运行状态和控制方案等。1.3综合分析评估模块与其他监控措施SEMW主要由数据预处理、综合分析和控制3部分组成,如图3所示。本系统可闭环(自动控制)运行,也可开环运行(给出控制方案供调度员参考)。预处理对转发的实时数据进行合理性过滤和在线跟踪等效参数辨识。综合分析评估模块主要分析节点的稳定模式、稳定裕度指标以及稳定和网损的相对关系,给出各监控点的稳定裕度排序情况,找出电网运行的薄弱节点或区域,给出各监控点的无功补偿水平和目标补偿点。控制模块主要当系统稳定裕度较低时进行预防控制,包括最小切负荷或者无功补偿等。当稳定裕度较高时,考虑稳定和网损的相对关系,给出合理的无功补偿策略。1.4监控显示模块SEMW的主界面如图4所示。模拟LED形式滚动显示电网运行薄弱点实时运行状态信息。顶上快捷操作菜单栏(可隐藏),可灵活调出系统各种控制参数和数据管理模块。导航栏分类图标化形象显示各种监控模块、控制方案、历史数据统计查询等。该导航栏可自动停靠,可为核心监控展现模块提供更大的显示空间,当鼠标移动到主框架最左侧时自动弹出。实时事项窗口以按时间循环滚动显示系统运行控制方案、预警等信息。图5为系统运行的最小稳定裕度指标及全网负荷(有功、无功)显示模块界面。稳定裕度指标以仪表盘形式展现,稳定裕度指示灯在不同的稳定裕度范围内显示不同的颜色:系统静态稳定裕度较大时,显示绿色;稳定裕度处在较小范围时,显示黄色,给出语音预警信息;稳定裕度处在临近崩溃边缘时,显示红色,语音预警并定位到最薄弱的厂站,自动进行校正控制或给出控制策略供调度员参考。2serm的主要功能子模块2.1导入数据文件cim和组件cis信息交换模块的主要作用是与主站SCADA/EMS系统进行量测数据和控制方案的数据交互,如图6所示。数据交换可采用基于IEC61970标准导入导出公共信息模型(commoninformationmodel,CIM)技术和组件接口规范(componentinterfacespecification,CIS)技术,或者采用文件传输协议按照指定时间周期连续读取指定目录下的文本数据文件,通过SCADA平台自动下发控制命令,以此达到闭环控制的目的。2.2在线跟踪应用的参数识别模块根据电网实测数据,采用在线跟踪等效参数辨识技术,获得各监控点的实时等效参数。过滤筛选出合理的实时数据,完成监控点系统建模。2.3进行语音报警实时直观动态展现监控点的稳定模式域和稳定裕度指标,实时评判系统的稳定裕度及潜在的失稳模式。裕度指标接近越限或已经越限时,将自动语音报警,并根据不同的稳定模式获得合理的预防控制策略,自动进行校正控制,避免或尽量减少稳定事故发生,同时考虑到尽量多的降低有功损耗或保证电压水平。主要包括定量化切负荷、无功补偿、有载变压器调档、注入功率再分配等。对不同监控点的稳定裕度指标进行排序,找出系统的薄弱变电站、变压器、线路、电源点等。2.4灵敏度控制技术优先满足节点电压及功率因数考核指标,根据电网实际运行状况和负荷分布情况,结合轨迹灵敏度技术,进行电压无功的协调优化控制。实现有载变压器档位调节与电容器投切最佳配合,综合提高电压合格率和降低电网损耗,具有开环与闭环2种控制模式。对无功电压运行历史数据进行年度分析和电网发展趋势预估,给出电网无功规划方案,有效指导电网投资建设。2.5实时运行状态该模块采用二维坐标的形式,形象直观展示系统的稳定模式域、系统稳定运行点、有功损耗和稳定性的实时相对关系及无功补偿最优补偿点,让调度运行人员清晰直观了解整个电网的实时运行态势和无功补偿整体水平。2.6在线分析模块该模块设置相应断面,进行调度员潮流仿真、静态电压稳定和无功补偿水平分析与研究。2.7web发布功能模块该模块将电网实时监控信息及预防控制策略通过Web发布,方便相关使用人员共享数据。2.8在线匹配预防控制策略该模块方便查看检索实时节点等值信息、稳定裕度指标及在线匹配预防控制策略等。所有的计算和统计数据同其他量测一样进行显示、存储,报表处理,提供报表打印功能,产生Excel或水晶报表等。2.9管理系统模块该模块主要包括系统维护人员、计算周期、算法控制、数据管理、运行路径等常规信息管理功能。2.10信息及时发送利用最新的移动通信技术,实现电网监控预警信息的手机式发布,将故障信息及时发送给有关运行人员,提高突发性事故的应急处置能力。发展未来“移动调度”理念,将调度员从调度大厅中解放出来,实现更加高级的智能调度支持系统。3计算机软件设计本系统基于现有的调度主站,与传统的EMS应用模块相比,具有以下几个创新特色:1)同步性。只需要从现有调度主站SCADA、EMS、WAMS系统转发出本系统所需要的遥测数据(母线流过的功率、母线电压等),自动形成监控点,监控模型完全和实际主站保持同步,不需过多额外维护。2)精确性。根据实时采集数据,不受网络规模、模型、参数不准确等问题的影响,具有较高的控制效果和精度。3)实时性。只需要简单的代数运算,与网络规模无关,算法简单快速,计算时间纳秒级,真正具有“超实时计算、在线匹配控制策略”功能。4)综合性。同时监控系统的静态电压稳定、静态功角稳定、有功损耗与电网稳定性的相对关系特性。同时具有传统AVC基本功能,无功补偿或切负荷方案同时考虑系统的有功损耗和稳定关系情况,控制方案更加合理、全面。根据电网的实际运行方式,可给出任意节点(母线)实际所需无功补偿情况,具有实时无功规划功能。还可实时评估各节点在电网中的电气距离以及短路容量情况。5)直观性。系统的稳定、网损以及无功补偿水平展示非常直观、简单,有利于调度员真实形象感知电网实时运行态势和薄弱区域。6)智能性。系统周期循环连续运行,全自动在线安全节能综合控制以及危险态下的预防控制。自动给出各监控点实时运行稳定模式域、稳定裕度指标、无功补偿方案、预防控制方案等,无需人工干预。7)预警性。自动定位电网薄弱区域及潜在的安全问题,给出相应的人性化语音预警。也可预测未来电网发展趋势,自动给出电网运行状态的综合评估。8)实用性。该系统应用范围广泛,可灵活独立应用于各级调度(网、省、市、县、集控站)、重要的变电站(高压站),发电机的安全运行监控,或者大用电客户、风电并网中的无功电压控制等。9)扩展性。本系统采用模块化设计,各模块具有标准完整的出口和入口,有利于数据共享和新功能扩展。4稳定性补偿与无功补偿的关系本系统在延津县调度试运行,得到了较好的应用效果,图7、8为本系统2个核心监控界面。图7为某一监控点的稳定模式域和稳定裕度指标监视主界面。稳定模式域垂直的左右边界为节点功率因数限值,上边水平线为功角稳定模式域(浅黄色)边界,中间斜线为电压稳定模式域(绿色)边界,中间(红色)圆点为监控点当前运行状态。该综合稳定模式域详细说明见文献,可非常形象直观地展现电网运行点所处的稳定模式及其到稳定边界的相对位置。对于县级电网,一般多处于输电网末端(负荷端),多以电压稳定模式为主,所以运行点过多在绿色区域以内。左上仪表盘显示监控点稳定裕度指标,指示灯在不同的稳定裕度指标范围内显示不同的颜色。稳定裕度指标昨日曲线和今日曲线对比图,可直观了解稳定裕度指标一天内变化情况及变化趋势。稳定预防控制和紧急控制方案,当系统开环运行时供调度员参考。系统始终自动显示全网稳定裕度最弱监控点的稳定监视界面,其他监控点运行状态可到全网监控点汇总界面选择查看。图8为稳定裕度和有功损耗相对关系,二者与无功补偿具有同调和矛盾的关系:同调域内,无功补偿能够降低有功损耗和提高系统稳定性;矛盾区内,无功补偿提高系统稳定性,但会增加系统有功损耗。图8的详细说明可参见文献,能够形象直观展现一定有功负荷水平下,无功补偿对稳定性和有功网损的影响方向及无功补偿实际情况,在不同的电网运行态势下采取合理的无功补偿策略。无功补偿指标采用仪表盘形式,表示该监控点无功补偿缺额程度。无功补偿水平指标昨日曲线和今日曲线表示一天内该监控点无功补偿水平变化情况。无功补偿、有载变压器调档方案,当系统开环运行时供调度员参考。本系统的长期连续运行,可分时段和月份深入统计分析电网各节点稳定裕度变化和无功补偿需求情况,有效指导电网调度和电网合理投资规划。5监控方案总结智能电网在线稳定节能综合监控与预警系统具有广阔的推广应用前景,具有以下特点:1)采用基于实时量测的节点在线实时跟踪等效参数辨识技术,状态监控更贴近真实电网。和调度主站实际电网结构具有自同步性,不需要电网建模等维护,简洁实用。2)该系统同时形象生动直观展示各监控点的稳定模式域、稳定裕度指标、稳定和有功损耗相对关系以及无功补偿水平等电网运行状态信息,以便调度员更加清晰了解电网实际运行态势。3)控制方案综合考虑到电网安全和节能2种核心层面,核心分析与控