改善调度员潮流计算收敛性的措施

摘　要：就计算条件问题分析了潮流计算不收敛的成因，总结了PV节点和平衡机设置的若干原则，对系统改变运行方式过程中的电压和平衡机监控提出了一些人工干预的经验。根据广东省电力调度中心能量管理系统的实际情况，就状态估计数据对潮流计算的影响作了分析，编写了应用补丁屏蔽状态估计的PV节点配置和电压，实现了PV节点数据的自动保存。这些措施的实施极大地提高了潮流计算的收敛率，保证了调度员潮流应用的运行可靠性，使应用的操控更加以人为本。
　　关键词：调度员潮流；潮流计算；收敛；PV节点；状态估计??
Practical improvement on convergence of dispatcher
power flow calculation
HUANG Tao, ZHANG Hui, LU Jian?瞘ang
(Guangdong Power Dispatch Center, Guangzhou 510600, China)

?お?Abstract:This paper discusses the main factors which cause non?瞔onvergence 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

?おこ绷骷扑愕?代的收敛性是调度员潮流应用的使用者最关注的技术焦点，关系到应用的运行可靠程度。如果潮流计算收敛率好，调度员潮流的运行可靠性就高，应用存在的价值就会逐渐被认同和接受；相反，如果计算总是不收敛，调度员潮流的运行可靠性就差，应用最终将被人遗忘。可见，潮流计算的收敛率直接关系到调度员潮流应用的实用化程度。在实际运行中有哪些因素对潮流计算收敛性有影响，如何对这些因素进行有效的控制以保证计算收敛性，是高级应用软件维护人员很关心的问题。??
1潮流不收敛原因分析
　　多年的实践证明，牛顿法具有很好的二次收敛性，是求解多元非线性方程的经典算法，至今仍是电力系统潮流计算的主流。因此，一般认为算法不是导致不收敛的原因，潮流不收敛产生的主要原因是计算的初始条件给得不合理，导致潮流方程无解。
　以图1的系统为例进行说明。

　
　假设图1中的发电机出口节点是PV节点，节点电压比较高，使母线j的右侧电气部分的电压高于系统电压水平。而且，母线j上有大的无功负荷，须由发电机和系统共同提供无功。
　　考虑极端情况：假设发电机按最大无功出力向母线j输送无功，使发电机到母线j的电压降达到最大，则系统向母线j输送的无功达到最小，且系统到母线j的电压降也最小。如果此时Vj1仍大于Vj2，那么潮流计算会将母线i自动转化为PQ节点，导致这一片电气区域失去电压支撑。
　　这种情况很容易造成潮流不收敛。这是因为，调度员潮流在进行迭代计算时做了如下处理：在迭代过程中，如果发现迭代的中间结果出现任何一个节点的电压标幺值小于0.5，则立即停止计算，给出不收敛信息，不理会潮流在数学上是否收敛。这样处理的目的是为了保证潮流结果合理可用。可以想象，如果系统的某些电气部分缺少电压支撑时，这些电气部分的电压过低，很有可能导致不收敛。如果在这类电气部分附近设置一些PV节点，就能防止电压过低的情况出现，有效地抑制因结果不合理导致的不收敛。
　　对图1的例子作初始条件的改变，就能避免PV节点的丢失。例如：加大PV节点的无功调节能力，使发电机发出更多的无功，就有可能使Vj1和Vj2相等；又如：合理设置PV节点电压幅值，使之与系统电压水平匹配，同样可以满足Vj1=Vj2。
　　另外，在使用单平衡机方式计算潮流时，系统的不平衡功率全部由平衡机提供，当系统中有大机组（或大负荷）开断或系统解列成多岛时，可能出现大的功率不平衡量。受线路和变压器的输送容量限制，平衡机功率可能无法向电气距离较远的功率缺额点输送大的功率，从而导致潮流计算不收敛。因此，平衡机的选点是有一定讲究的。??
2具有指导意义的原则
　　总结这几种潮流不收敛的成因，我们提出以下几条原则。按这些原则对潮流计算的初始条件进行设置，是能够有效地提高潮流计算的收敛性的。??
　　a) 应尽量选择无功调节能力强的发电机作为PV节点；??
　　b) PV节点的电压应设在对应的发电机额定电压小的邻域内，保证全网各处的电压水平相当；??
　　c) PV节点应在电网中均匀分布，防止大量无功在系统中长距离流动造成大的电压降；
　　d) 在1个厂站内最好只选1个PV节点，不应在临近厂站上设多个PV节点，因为这要求两节点间的潮流满足规定的电压差，很可能是不合理的；??
　　e) 平衡机尽可能选在电网重心附近，即到全网各母线的电气距离尽量短。??
3保证潮流收敛的人工干预手段
　　在为反事故演习或调度员培训准备教案时，通常要在调度员潮流应用中连续地改变系统运行方式，并不断启动潮流计算以获得每一次方式变化后的潮流结果。在对系统进行操作前，应对当前的潮流状况进行考察，以保证改变运行方式后，潮流计算能保持收敛。??
　　有两个指标是要重点考察的：系统最低电压和平衡机功率。其实，从以上的分析应该能感受到这样一个规律：电压和平衡机状况是潮流计算收敛与发散的晴雨表。??
　　如果系统的最低电压已偏离对应电压等级的额定电压比较远，在不进行人工干预的情况下继续对系统进行操作，将很可能在潮流迭代过程中出现电压越限导致不收敛。因此，应进行必要的电压调节，使电压恢复至正常水平再作进一步操作。具体的办法有：提高发电机PQ节点的无功出力，降低负荷的无功消耗，投退无功设备等。??
　　擅自对无功电压进行调节的做法似乎不严肃，会对系统的电压无功分布造成影响，有影响调度员对无功电压的判断之嫌。但实际上，在进行调节之前，计算电压偏离额定电压太远本身已是不真实的，因为PV节点的选择对电压无功分布有很大影响，外网的模型参数与实际也有出入，因此即使不进行调节，电压无功数据也不具备太多的指导意义。而且，一般情况下，调度员更关心的是有功和频率，而无功电压的调节对有功和频率没有什么影响，因此，以电压和无功为代价保证计算收敛是值得的。??
　　另外，平衡机的工作状况也应密切关注，并不是把平衡机设在负荷中心就能高枕无忧。如果观察到平衡机上有大的功率吞吐，就应将此不平衡功率预先分配到协调机组上去，减轻平衡机的输送压力，防止出现大功率长距离输送的情况，对收敛性的提高是大有裨益的。??
4对状态估计数据形成潮流初始条件的控制??
　　在多数情况下，调度员总是对目前系统的运行情况进行研究，他们通常获取实时状态估计数据作为调度员潮流计算的初始条件，因此状态估计计算结果是调度员潮流应用最重要的初始条件来源。但是，在实际运行中我们发现，在系统负荷比较重的时候，取状态估计结果进行潮流计算经常出现不收敛的情况，这是由于状态估计向潮流计算提供的初始条件不合理造成的。
4.1状态估计数据对潮流收敛性的影响
　　在状态估计计算中，由于发电机机端电压往往没有经过实际量测，对机端电压的计算只能由高压母线电压和升压变压器变比推导。在没有实际量测对结果加以控制的情况下，状态估计计算出来的发电机机端电压包括PV节点电压往往偏低。当潮流计算的PV节点电压偏低时，很容易造成迭代过程中的电压越限，导致潮流不收敛，在负荷重的时候，由于电压进一步下滑，不收敛现象越明显。
　　另外， PV节点是建模过程中由网络建模应用随机指定的，没有方便的干预手段，导致PV节点的配置没有遵循均匀分布的原则，也是造成不收敛的重要原因。
4.2对状态估计PV节点数据的屏蔽
　　实际上，潮流计算没有必要使用网络建模指定的PV节点配置和状态估计计算的偏低的PV节点电压结果，这是因为网络建模定义的PV节点的配置不适用于潮流计算，而且，在实际运行中，发电机机端电压幅值通常不会偏离额定电压过多。基于这样的认识，在调度员潮流应用中，可以按均匀分布的原则自行设置PV节点，PV节点的电压可以直接设置为发电机额定电压或临近的数值。这样的处理，既能提高潮流计算的收敛率，又能使计算结果更符合实际情况。
　　但是问题并未彻底解决，因为每当调度员潮流应用获取状态估计数据后，状态估计网络库就会把默认的（同时也是我们不希望的）PV节点配置和偏低的机端电压送到了调度员潮流网络库，原来的设置被覆盖。要使计算收敛必须重新设置，反复地进行人工干预不符合应用软件以人为本的操控原则。
　　为此，我们自行开发了两段FORTRAN程序，调度员潮流应用在调用这两个程序后，能够动态保存人工设置的PV节点和机端电压，屏蔽状态估计网络库中的PV节点信息，保证每次调度员潮流取状态估计数据后都仍然使用先前设定好的PV节点数据。
　　在调度员潮流取状态估计数据形成计算初始条件前，首先调用保存PV节点数据的子程序，将人工设置的PV节点和机端电压以文件方式保存。
　　状态估计数据取完后，调度员潮流应用的网络库中的PV节点配置是状态估计网络库默认的不理想配置，发电机机端电压是状态估计计算出来的较实际值偏低的电压。为了屏蔽这些PV节点信息，程序再调用取出PV节点数据的子程序，恢复先前的PV节点数据，使人工设置的PV节点数据不被状态估计网络库所覆盖，程序流程如图2所示。
　　由于平衡机的电压也是启动调度员潮流计算的条件，所以对于系统平衡机，程序也作了与PV节点相同的处理。

5结论
　　经过上述改进，调度员潮流收敛率得到了极大的提高。运行可靠性和数据可用性的提高增强了调度员潮流对运行调度的指导作用，为运行人员改变电网运行方式的操作提供了准确的决策依据。
　　在应用的维护方面，上述改进措施实现了PV节点和机端电压的自动保存，省却了改进前 烦琐反复的PV节点设置工作。目前在广东省电力调度中心能量管理系统（EMS）高级应用软件中建立模型的电网有广东电网、广西电网、贵州电网、云南等值电网和香港电网，其中发 电机有近250台。如果没有这个补丁，每次进行调度员潮流计算时，为了确保收敛，都要在 这250台发电机中挑选PV节点，操作的重复和烦琐不言自明。
　　即使状态估计有准确的机端电压结果和网络建模有合理的PV节点配置，这一应用补丁还 是大有用武之地的。改进前，如果不另行设置，每个操作人员都只能以网络库默认的PV节点 配置启动潮流计算；改进后，每个EMS网络节点都可以有各自不同且不受状态估计影响的PV 节点，相对于原来单一的PV节点配置，毫无疑问，程序的引进极大地方便了调度员潮流应用 的运行和维护。??