【精彩论文】满足大型城市电网供电需求的在线预防控制方法

满足大型城市电网供电需求的在线预防控制方法

吴峰¹, 鲍颜红¹, 周华², 徐泰山¹, 楼伯良³, 任先成¹, 王龙飞³

（1. 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏 南京 211106; 2. 国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007; 3. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014）

摘要：研究并提出计及城市电网不同类型负荷可靠性要求和事故风险的在线预防控制协调决策方法，适用于负荷特性多样、功能区可靠性要求差异化的大型城市电网。分析城市电网发展对事故预控提出的新需求和现有防御手段的不足，在此基础上，给出计及措施代价和事故风险的预防控制协调决策模型，进一步通过措施枚举组合、集群迭代计算的方式实现分区负荷转移和馈供用户优化减负荷方案搜索，为大型城市电网精细化、差异化和一体化事故防御奠定基础。利用实际电网运行数据进行仿真分析，验证方法的正确性和可行性。

引文信息

吴峰, 鲍颜红, 周华, 等. 满足大型城市电网供电需求的在线预防控制方法[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 159-166.

WU Feng, BAO Yanhong, ZHOU Hua, et al. An on-line preventive control method for meeting the power supply demand of large-scale urban power grid[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 159-166.

引言

大型城市电网规模庞大，中心区负荷密度高，用户需求多种多样，供电可靠性要求高，重要地区停电后社会影响巨大^[1-2]。气候变化导致的极端天气频发恶化了城市电网的运行环境，输配电网交互影响和连锁反应使得城市发生大面积停电事故的风险大大增加^[3-5]，历史上东京、伦敦、莫斯科、巴黎、纽约、圣保罗等大型城市均发生过大停电。随着交直流混联系统大容量远距离向大型城市输电以及可再生能源高比例接入局面的形成，城市电网的事故防御面临新的挑战。事前故障预想和预防控制决策为保障大型城市电网高可靠供电起到至关重要的作用。

近年来城市电网大停电的机理和预防控制措施等问题备受关注，研究主要侧重于输电网连锁故障对配电网的影响分析以及网省级大电网层面的事前预防控制方法。文献[6]提出大电网事前预防控制辅助决策方法及工程应用设计，但其更多关注的是大电网层面的功角、电压、频率问题，通过发电机调整、直流调制等措施实施预控，其决策过程没有重点关注城市电网发展特点和负荷控制手段；文献[7]从运行控制层面提出降低大型城市电网事故风险的技术措施，通过在线安全分析和负荷控制避免大范围停电，但对所有负荷“一视同仁”的控制方法易导致控制风险过大、控制代价较高，无法适应城市电网故障防御要求；文献[8]提出电网动态分区与切负荷协调控制方法，能够显著减小负荷损失量，降低电网整体电力安全事故等级，但其仅能够提供等值到220 kV的压负荷量，且决策过程中不计及低电压等级负荷可靠性要求和在不同功能区压负荷引起的事故风险水平，负荷控制精细化程度不足；文献[9]提出基于负荷转供措施的过载辅助决策方法，通过分区合环操作解决设备过载问题，但未考虑分区间解环操作，工程实用性不足。

随着大型城市电网功能区的逐步建立，各功能区不同重要等级用户对供电可靠性的要求存在较大差异，区域切负荷比例过高会导致严重的电网安全风险和事后追责^[10-11]。基于此，本文提出了满足差异化供电需求的大型城市电网事故预防控制方法，给出计及措施代价和事故风险的预防控制协调决策模型，考虑分区负荷转移和馈供用户优化减负荷进行策略搜索，满足现代化大型城市电网精细化、差异化和一体化事故防御要求。最后，利用实际电网数据进行算例仿真分析，验证本文所提方法的正确性和可行性。

1  总体方案

针对大型城市电网事故预防控制需求，采用包含分区间负荷转移和馈供用户减负荷优化措施的预防控制决策方案，实现兼顾安全性和经济性的城市电网事故预防控制决策。该方法的基本思路是，若城市电网预想故障下出现过载安全问题，优先进行控制代价较小的分区负荷转移方案搜索，若能解决，则选取转移负荷量最小或开关操作次数最少的方案，若不能解决，则在分区负荷转移基础上进行发电机和直流系统控制措施搜索，若仍不能解决，则综合考虑不同负荷控制代价和事故风险计算切负荷措施控制性能指标，进行馈供用户减负荷措施优化搜索，直到预想故障下安全问题解决，具体流程如图1所示。

图1  城市电网预防控制总体方案Fig.1  Scheme of preventive control for urban power grid
大型城市电网分区间往往包含多个备用联络通道，负荷转移方案搜索过程中需要综合考虑多个联络通道控制性能和各分区安全裕度，这是本文需要研究的内容之一。发电机和直流系统功率调整在大电网安全稳定预防控制中较为常见，已有成熟的策略寻优方法^[12-14]，不是本文研究的重点。考虑到城市电网不同功能区负荷特点和可靠性要求的差异，需要构建面向大型城市电网的预防控制决策模型，兼顾不同类型负荷及用户控制代价和电网全局压负荷风险，确保负荷控制措施搜索能够满足城市电网事前预控要求。因此，本文将着重研究面向大型城市电网的分区负荷转移方案和减负荷措施寻优方法。

2  预防控制决策模型

基于城市电网不同功能区负荷特点和可靠性要求差异，构建兼顾负荷控制代价和压负荷风险的预防控制决策模型，为控制策略优化搜索奠定基础。

2.1  数学模型

针对所有需要防御的预想故障，综合考虑措施代价和事故风险的协调决策模型如式（1）所示。式（1）中，第1部分为发电机功率和直流系统功率调整代价；第2部分为压负荷措施因功率损失引起的控制代价；第3部分为因违反事故风险标准引起的负荷控制代价。

式中：M_p 为允许通过调控手段调整的发电机和直流系统数；若第 i 个发电机或直流系统参与调整，则 G_pi 为1，否则为0；P_Gpi 和 P′_Gpi 分别为第 i 个发电机或直流系统调整前后的有功出力；C_Gi 为第 i 个发电机或直流系统单位有功调整代价；N 为考核停电影响的功能区数；M 为允许通过调控手段控制的负荷数，若第 k 个功能区的第 j 个负荷参与控制，则 L_kj 为1，否则为0；C_Lkj 为第 k 个功能区的第 j 个负荷单位功率控制代价；P_Lkj 为第 k 个功能区的第 j 个负荷损失功率；若第 j 个负荷参与控制，则 L_j 为1，否则为0；P_Lj 为第 j 个负荷损失功率；U_Lj 为第 j 个负荷包含的用户数；k_pk 和 k_uk 分别为将减供负荷功率和减供用户数折算成控制代价的惩罚因子；a 和 b 分别为减供负荷功率比例和减供用户数比例均衡化系数（大于1）。

上述目标函数能确保综合控制代价最小，符合电网安全、经济运行的要求。除此之外，针对大型城市电网特点，模型中还应考虑以下因素：（1）调整措施为输配全网可调设备，通过设置不同的措施代价优化多类措施；（2）城市电网的供电模式大多是规划时确定的，且在大型活动或用户保电期间的特殊方式供电一般是不允许调整的，措施空间中予以计及；（3）监视断面计入输配联络断面，以确保预防控制措施不会引起新的安全稳定问题。

协调决策模型的约束条件如式（2）~（6）所示，分别表示满足潮流方程、满足静态运行约束、满足设备过载限额约束、满足控制变量范围约束、满足输配电联络断面功率约束。

式中：x 为动态元件的状态变量向量；u 为控制变量向量；为第 j 个设备电流限值；为第 i 个预想故障下第 j 个设备电流；Ω 为控制措施空间；P⁽ⁱ⁾ 为第 i 个预想故障后输配电联络断面功率；P_min 和 P_max 分别为输配电联络断面功率下限和上限。

2.2  措施代价

预防控制措施包含发电机功率调整、直流系统功率调整、分区负荷转移和压负荷等，其中，发电机功率调整、直流系统功率调整和压负荷应计入措施调整代价。对于负荷而言，对功能区内不同类型负荷按可靠性要求设置单位功率控制代价，即式（1）中的 C_Lkj ，对可靠性要求较高的化工行业、核心行政区、中央商务区等设置较高的系数，反之，对可靠性要求较低的一般工业、普通居民区等设置较低的系数。

2.3  事故风险

为了保障用户用电的安全性和可靠性，2011年出台的《电力安全事故应急处置和调查处理条例》（简称《599号令》）从大电网安全稳定和电力可靠供应的角度对电网运行和控制提出了严格要求，明确将减供负荷比例、城市供电用户停电比例、停电影响等作为衡量事故风险的判定项，反映了需要将事故风险分散化和均衡化的要求。大型城市电网负荷密度高、用户可靠性要求差异大，需要计及事故风险因素进行预防控制。差异性主要体现在减供相同容量或比例的负荷，对于工业区、商业商务区和科教文化区造成的后果和影响是完全不同的，在商业商务区内部，控制CBD用户和普通用户造成的代价也是有差异的。因此，在配电网规划设计^[15]对供电区域划分的基础上，重点结合城市功能区规划和用户重要程度^[16]，制定了大型城市典型功能区划分以及惩罚因子和控制代价分级图，如图2所示。根据不同功能区对可靠性要求的差异设置各功能区的惩罚因子，即式（1）中的 k_pk 和 k_uk ，以此反映在各功能区压负荷引起的风险水平。其他城市可依据功能区特点和用户重要性设置不同的惩罚因子。

图2  惩罚因子和控制代价分级Fig.2  Hierarchical diagram of penalty factor and control cost
3  预防控制策略寻优
对于大型城市电网在线预防控制而言，计算速度是必须要考虑的问题，通常采用基于灵敏度的启发式算法指导寻优方向，并利用集群并行计算方法提升计算效率。

3.1  分区负荷转移措施搜索

（1）根据过载设备所属分区确定需转移分区；针对需转移分区的所有联络通道，利用式（7）计算通道的综合灵敏度。

式中：是第 i_L 个通道的综合灵敏度；W 为不安全故障的总数；N_k 为第 k 个故障下过载设备的总数；为第 k 个故障下第 个设备的过载安全裕度，利用式（8）计算；为第 i_L 个通道所连母线节点对第 k 个故障下第 j₁ 个设备的灵敏度；其计算方法见文献[17]。

式中：为第 k 个故障下第 j₁ 个设备的实际电流；为第 k 个故障下第 j₁ 个设备的额定电流。

（2）设为通过第 i_L 个通道能够安全转移的最大负荷量，通过以下步骤求取。

① 以通道在需转移分区连接厂站为起点，在本厂站和相邻厂站范围内，搜索最大可转移的负荷量② 计算由被转移分区主变下网容量和通道连接厂站相关线路决定的最大转移负荷量③ 按照式（9）确定通道能够安全转移的最大负荷量

式中：指通道 i_L 的安全稳定限额。

（3）基于通道所连母线节点对需转移分区薄弱设备的灵敏度，估算由预想故障 k 下第 j 个薄弱设备确定的通道转移负荷量，通道需要转移的负荷量为所有薄弱设备确定的通道转移负荷量中的最大值。

（4）依据综合灵敏度由大到小顺序逐个遍历通道，搜索可以安全转移的最大负荷量大于需转移负荷量要求的通道，之后按转移负荷量最小的原则通过拓扑搜索确定转移的厂站。如存在综合灵敏度相差不大的多个满足要求通道，在各通道转移负荷量接近的情况下，优先选择开关操作次数最少的方案。

3.2  减负荷措施优化

现有减负荷措施优化决策方法大多基于灵敏度实现调整量最小或控制代价最低，但决策过程中未能考虑城市电网不同功能区事故风险要求^[18-20]。为此，针对大型城市电网差异化和精细化控制需求，采用以下方法进行搜索减负荷措施。

（1）确定各功能区包含的多条馈供线路负荷量及其与建模厂站的对应关系，确定各条馈供线路供电的用户数目。

（2）计及负荷单位功率控制代价和功能区可靠性惩罚因子，计算各条馈供线路综合控制性能指标即

式中：为第 f_L 条馈供线路减负荷措施的综合灵敏度，其计算方法与式（7）类似。

（3）对余下有效措施进行所有馈供线路枚举组合形成待校核方案，按照式（1）计算的总控制代价由小到大的顺序对待校核方案进行排序，并利用灵敏度进行组合方案初步筛选，选择满足要求且控制代价较小的多个方案。利用集群并行计算平台进行方案校核，挑选满足安全约束且控制代价最小的方案作为最终减负荷优化结果。

3.3  计算平台要求

采用同构的计算节点组成计算集群，利用分布式并行计算技术满足预防控制决策对计算速度的要求，采用措施枚举组合、方案集群校核的方式可以充分利用集群并行计算资源。目前，基于D5000平台硬件架构已实现大电网预防控制决策，大型城市电网预防控制决策也可以利用该硬件架构实现策略优化搜索，能够满足在线预防控制对计算效率的要求。

4  算例分析

根据本文提出的预防控制决策方法，以某大型城市局部分区电网进行算法正确性验证，地理接线如图3所示。其中，线路L1为分区1和分区2间备供线路，500 kV变电站YH站和GL站的220 kV侧分母运行，110 kV变电站JD站35 kV侧分母运行。220 kV变电站DT站正常方式下T1变和T2变均由分区1供电，母联开关B1处于闭合状态，开关B2处于打开状态，厂站接线如图4所示。

图3  局部电网地理接线Fig.3  Geographical connection diagram of local power network
图4  220 kV变电站DT站厂站接线Fig.4  Connection diagram of DT station in 220 kV substation

4.1  算例场景

正常方式下，WG—YS220 kV双回线输送功率585.6 MW，电流1 495.5 A。表1给出WG—YS双回线初始潮流信息。

表1  WG—YS双回线初始潮流Table 1  Initial power flow of WG-YS double circuit line
预想WG—YS1线路发生故障，潮流转移至WG—YS2线路，线路电流1 493.5 A，限值1 300 A，越限193.5 A。系统过载安全裕度–14.88%，需进行预防控制决策。

4.2  分区负荷转移

分区1和分区2间存在备用联络通道L1，则根据分区负荷转移措施搜索方法，考虑在单站范围内进行负荷转移。受分区2中YH站主变下网功率约束、DT站网络拓扑约束、转移通道热稳约束限制，通过L1可安全转移的最大负荷量如表2所示，取转移量最小值63.3 MW作为可安全转移的最大负荷量。根据厂站拓扑连接关系，有2种转移方案，如表3所示。再结合表2确定的通过L1可安全转移最大负荷量，仅方案1满足安全性要求。因此，选取方案1为分区负荷转移措施。将分区1部分负荷转移至分区2后，预想故障下仍然存在线路越限情况，需进行减负荷优化决策。
表2  通过L1可安全转移的最大负荷量Table 2  The maximum transferable load through L1
表3  不同转移方案操作次数和转移量Table 3  Operating times and transferring amount of different transfer schemes

4.3  减负荷措施优化

表4为按综合控制性能指标由大到小排序给出的分区1部分110 kV厂站可供调度控制的馈供用户、所属功能区、负荷类型等关键信息。其中，代价和惩罚因子由图2计算所得（根据《599号令》规定，事故风险评价需同时兼顾减供负荷量和减供用户数，因此暂考虑减供负荷功率和减供用户数惩罚因子相同），综合控制性能指标由式（10）计算所得。

表4  可控负荷信息Table 4  Controllable load information

按综合控制性能指标进行有效措施筛选，将绝对值大于设定阈值0.4（根据工程经验首先取0.4作为筛选阈值，若大于该阈值的措施数目较少，则降低该阈值）的7个措施作为候选控制对象，对措施进行枚举组合，连同分区负荷转移措施一起，形成待校核方案，并利用灵敏度法对校核方案进行初步过滤，再按照控制代价由小到大的顺序对方案进行排序，利用集群并行计算平台对方案进行交流潮流校核。各方案具体校核结果如表5所示。

表5  不同控制方案详细信息

Table 5  Details of different control schemes

可以看出，方案3~8满足安全裕度，方案3总控制代价最小，方案4总控制量最小。为满足城市电网差异化供电和安全约束，方案3优于方案4，因此，方案3为最终选取的预防控制优化策略。按照控制代价由小到大的顺序排序进行集群校核，本算例仅需要校核3个方案就能够搜索到最优的控制措施，满足在线预防控制决策时效性的要求。

5  结论针对大型城市电网发展对事故预防控制提出的新要求，本文提出了满足差异化供电需求的分区负荷转移和减负荷预防控制优化决策方法，计及措施调整代价和压负荷事故风险进行预防控制优化决策，提升现有预防控制决策方法应用于大型城市电网的适应性，对于负荷特性多样、不同类型功能区可靠性要求差异大的大型城市电网事前预防控制具有实际指导意义。后续需要进一步研究柔性负荷、储能装置等参与决策的预防控制方法。（责任编辑　吴恒天）

作者介绍

吴峰(1986—)，男，硕士，工程师，从事电力系统安全稳定分析与控制技术研究，E-mail: [e-mail];

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鲍颜红(1971—)，男，通信作者，高级工程师(研究员级)，从事电力系统安全稳定分析与控制技术研究，E-mail: [e-mail].

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编辑：杨彪

校对：蒋东方

审核：方彤

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