0引言
傳統(tǒng)的ems和dts應(yīng)用軟件是面向發(fā)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的，主要是在大區(qū)電網(wǎng)和省網(wǎng)中應(yīng)用。隨著地區(qū)電網(wǎng)的迅猛發(fā)展和scada應(yīng)用水平的大幅度提高，地區(qū)電網(wǎng)的ems／dts應(yīng)用功能的開發(fā)和研究已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1~3]。由于地區(qū)電網(wǎng)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式和調(diào)度管理職能方面的特點(diǎn)，不能*照抄網(wǎng)（省）調(diào)的ems／dts應(yīng)用軟件，必須針對(duì)其特點(diǎn)，研究和開發(fā)適合地調(diào)應(yīng)用的特色模型和算法。
本文面向地區(qū)電網(wǎng)，在深入研究地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)度職能的基礎(chǔ)上，提出了具有地調(diào)特色的主變優(yōu)化功能、消弧線圈整定和邏輯保護(hù)仿真等應(yīng)用軟件的模型和應(yīng)用算法，這些特色功能已經(jīng)集成到地調(diào)ems／dts一體化系統(tǒng)中[4]，并已在國(guó)內(nèi)實(shí)際地調(diào)投入在線應(yīng)用。
1國(guó)內(nèi)地區(qū)電網(wǎng)的若干重要特征
與網(wǎng)（?。┱{(diào)管轄500kv，220kv和少量重要的110kv等高壓或超高壓系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)輸電系統(tǒng)不同，國(guó)內(nèi)地調(diào)管轄的主要范圍是少量的220kv、大量的110kv（或66kv）和35kv等電壓等級(jí)構(gòu)成的子輸電系統(tǒng)。與大區(qū)電網(wǎng)或省網(wǎng)相比，地區(qū)電網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：①地區(qū)電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)為開放式網(wǎng)絡(luò)，呈樹狀結(jié)構(gòu)；②地區(qū)電網(wǎng)中中性點(diǎn)經(jīng)常不接地或經(jīng)消弧線圈接地；⑧地區(qū)電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時(shí)，繼電保護(hù)的動(dòng)作情況與網(wǎng)（?。┱{(diào)不同。
2具有地調(diào)特色的ems模型和算法
2．1主變壓器優(yōu)化運(yùn)行
地調(diào)一般關(guān)心一次變電所主變壓器以下部分（包括一次主變）的網(wǎng)損，而由于一次主變的容量一般較大，其損耗也會(huì)比較大。因此，需要考慮在滿足負(fù)荷的要求和電壓質(zhì)量的前提下有計(jì)劃地調(diào)整一次變中2臺(tái)或多臺(tái)主變壓器的運(yùn)行方式，zui終達(dá)到降低網(wǎng)損的目的（如圖1所示）[5]。
一般地，主變壓器優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型可描述如下：
式中：s為控制變量，即網(wǎng)絡(luò)開關(guān)刀閘的狀態(tài)矢量；h為潮流方程；f為不等式約束；t為一次變主變壓器上開關(guān)和刀閘的狀態(tài)矢量集合。
式中：pl；為一次變中第i臺(tái)主變壓器的有功損耗；n為該一次變中的主變壓器臺(tái)數(shù)。
不等式約束包括：
a．主變潮流約束：
式中：si為當(dāng)前第i臺(tái)主變壓器的視在功率；sei為第i臺(tái)主變壓器的額定視在功率；△δi為主變壓器的越限閾度。
b．電壓約束：
式中：ui為一次變的節(jié)點(diǎn)電壓；m為該一次變中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
這是一個(gè)非線性組合優(yōu)化問(wèn)題。為了得到的優(yōu)化結(jié)果，采用了基于調(diào)度員潮流的實(shí)時(shí)主變壓器優(yōu)化算法。以變電站內(nèi)2臺(tái)主變（1號(hào)和2號(hào)）的優(yōu)化為例，共有3種運(yùn)行方式，即1號(hào)變單獨(dú)投運(yùn)，2號(hào)變單獨(dú)投運(yùn)和2臺(tái)主變?nèi)客哆\(yùn)。在實(shí)時(shí)優(yōu)化中，采用窮舉法進(jìn)行計(jì)算，即以ems的實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果作為潮流基態(tài)，利用調(diào)度員潮流地計(jì)算出2臺(tái)主變?cè)?種運(yùn)行方式下的有功損耗f（見式（2）），在滿足條件（3）和（4）的前提下，比較不同運(yùn)行方式的損耗大小，從而得到當(dāng)前負(fù)荷水平下2臺(tái)主變的既安全又經(jīng)濟(jì)的*運(yùn)行狀態(tài)。
通過(guò)自動(dòng)搜索并調(diào)節(jié)主變所帶的負(fù)荷大小，使流過(guò)主變的潮流在。到zui大容量之間變化，同時(shí)在每個(gè)負(fù)荷數(shù)量下，通過(guò)改變主變兩端開關(guān)刀閘的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種投運(yùn)方式，zui終得到隨負(fù)荷變化的各運(yùn)行方式下的主變壓器優(yōu)化曲線。圖2為某一次變中2臺(tái)主變壓器的優(yōu)化曲線。2臺(tái)主變壓器額定容量均為180mw，空載損耗分別為戶。l＝0．16mw，p02＝0．17mw，短路有功損耗分別為ps1＝0．5mw，ps2＝0．4mw。
圖中，交點(diǎn)a和交點(diǎn)b將全圖分成了i，ⅱ，ⅱ這3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中存在一種*運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)此圖，運(yùn)行方人員就可以得到一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)的投運(yùn)方案，如表1所示。
但是，基于調(diào)度員潮流的主變優(yōu)化計(jì)算只能給出當(dāng)前情況下的*運(yùn)行方式，而無(wú)法自動(dòng)地對(duì)將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的主變運(yùn)行方式給出合理的預(yù)報(bào)，因此這里提出了一種基于ems歷史庫(kù)和母線短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的主變壓器階段性優(yōu)化模型（如圖3所示）。
在ems運(yùn)行的過(guò)程中，每隔一定時(shí)間將實(shí)時(shí)斷面中一次母線的負(fù)荷等數(shù)據(jù)保存在ems歷史庫(kù)中。當(dāng)需要對(duì)未來(lái)某一段時(shí)間的主變壓器運(yùn)行方式進(jìn)行分析時(shí)，就可以基于歷史數(shù)據(jù)用線性外推法進(jìn)行母線負(fù)荷的短期預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)到的負(fù)荷值計(jì)算出時(shí)段內(nèi)各種運(yùn)行方式下的主變損耗，zui終給出合理的投退方案，從而指導(dǎo)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)主變的運(yùn)行方式。
2．2消弧線圈的整定
對(duì)110kv及以下電壓等級(jí)的地調(diào)電網(wǎng)，中性點(diǎn)一般不接地或經(jīng)消弧線圈接地。在我國(guó)，有不少地區(qū)（如東北、華東）采用經(jīng)消弧線圈的小電流接地方式。在這些地區(qū)電網(wǎng)的ems中需要考慮消弧線圈對(duì)電網(wǎng)的影響。這里主要討論消弧線圈接人時(shí)，如何通過(guò)計(jì)算和調(diào)整消弧線圈的擋位，來(lái)避免流過(guò)消弧線圈的感性電流和線路對(duì)地電容產(chǎn)生的容性電流之間可能產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象。
通常情況下，用補(bǔ)償度的概念來(lái)表示消弧線圈電感電流和線路電容電流之間的關(guān)系：
μ=（il-ic）／ic（5）
式中：μ為補(bǔ)償度（百分?jǐn)?shù)）；ic為流過(guò)線路對(duì)地電容的電流；il為流過(guò)消弧線圈的電感電流。
理論上，當(dāng)流過(guò)消弧線圈的感性電流等于線路對(duì)地電容產(chǎn)生的容性電流（μ＝0）時(shí)會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象，但是考慮到測(cè)量電流與實(shí)際電流的誤差，一般都把諧振點(diǎn)擴(kuò)大為一個(gè)區(qū)間，一般情況下，定義補(bǔ)償度在±5％之間的區(qū)域?yàn)橹C振區(qū)。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，電網(wǎng)都運(yùn)行在諧振區(qū)之外的一個(gè)區(qū)域中，一般稱補(bǔ)償度在-35％～-5％之間為欠補(bǔ)償，補(bǔ)償度在5％-35％之間為過(guò)補(bǔ)償。
消弧線圈補(bǔ)償?shù)闹皇悄切┝鹘?jīng)消弧線圈的容性電流，因此，在確定補(bǔ)償子系統(tǒng)時(shí)，只需找到與消弧線圈相連變壓器繞組所在母線有電氣且在同一電壓等級(jí)下的線路即可。這些線路和與線路相連的變壓器上的消弧線圈組成了消弧線圈的整定區(qū)。
本文采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌阉鞣▉?lái)確定消弧線圈的整定區(qū)，包括零序網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驼蚓W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌阉鬟^(guò)程。通過(guò)零序網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌阉鞔_定消弧線圈和主變壓器之間的，通過(guò)正序網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌阉鞔_定整定區(qū)的范圍。一旦消弧線圈和線路的連接關(guān)系確定，計(jì)算補(bǔ)償度也就很容易了。
一般情況下要求通過(guò)改變消弧線圈的擋位實(shí)現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償則退而追求欠補(bǔ)償。如果滿足了上述條件，還要進(jìn)行線路的“n-1”校驗(yàn)，確保系統(tǒng)在“n-1”下不發(fā)生諧振。由于地區(qū)電網(wǎng)存在大量的備用電源自投，因此要求“n-1”校驗(yàn)必須考慮備用電源自投的動(dòng)作情況[6]。
如圖4所示，消弧線圈的整定計(jì)算實(shí)際上是一個(gè)“計(jì)算一校正一計(jì)算”的過(guò)程，在校正過(guò)程中，不僅要對(duì)消弧線圈的擋位進(jìn)行調(diào)整，還應(yīng)該對(duì)消弧線圈的投退狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，zui終給出各種可能的調(diào)整方案來(lái)指導(dǎo)調(diào)度員的操作。
3dts中地調(diào)特色的邏輯保護(hù)模型和算法
地調(diào)一般所管轄的發(fā)電機(jī)很少，調(diào)度員一般也不關(guān)心發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此在進(jìn)行dts仿真時(shí)，調(diào)度員經(jīng)常采用穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算下的邏輯保護(hù)來(lái)模擬實(shí)際的保護(hù)動(dòng)作過(guò)程。邏輯保護(hù)與定值保護(hù)[7]，不同，設(shè)備發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)不計(jì)算短路電流，而只是根據(jù)已知的保護(hù)配置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦壿嬇袛鄟?lái)觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。
地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和保護(hù)類型的特殊性決定了地區(qū)電網(wǎng)邏輯保護(hù)的模型和算法的特殊性。
3．1輻射電網(wǎng)問(wèn)題
地區(qū)電網(wǎng)邏輯保護(hù)仿真的一個(gè)主要特點(diǎn)是考慮輻射電網(wǎng)問(wèn)題。地調(diào)中有大量的輻射網(wǎng)出現(xiàn)（如圖5所示），當(dāng)線路①發(fā)生故障時(shí)，由于線路的一端為負(fù)荷端，它不和電源端相連，因此不存在故障電流，保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作。而線路的另一端由于和電源相連，有故障電流通過(guò)，必定觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。
另一種情況（見圖6）是模擬線路故障一端開關(guān)拒動(dòng)時(shí)的情況，當(dāng)線路①發(fā)生故障時(shí)，1號(hào)和2號(hào)開關(guān)都和電源端相連，保護(hù)本來(lái)都應(yīng)該動(dòng)作，但由于2號(hào)開關(guān)拒動(dòng)，其他設(shè)備（如線路和主變）上的保護(hù)將作為后備動(dòng)作。在這種情況下，也應(yīng)該考慮電源端問(wèn)題，如線路②上3號(hào)開關(guān)和電源端相連，兩段保護(hù)作為后備動(dòng)作，但主變上5號(hào)開關(guān)由于不和電源端相連，主變保護(hù)不作為后備動(dòng)作。
還有一種情況是主變故障時(shí)一端開關(guān)拒動(dòng)（見圖7）。當(dāng)主變發(fā)生內(nèi)部故障，3號(hào)開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，1號(hào)開關(guān)上的線路保護(hù)作為后備動(dòng)作，由于5號(hào)開關(guān)不和電源端相連，其上的變壓器保護(hù)同樣也不會(huì)作為后備動(dòng)作。
實(shí)現(xiàn)上述正確動(dòng)作結(jié)果的主要方法是在判斷保護(hù)動(dòng)作前加一個(gè)電源判斷環(huán)節(jié)（見圖8）。這里判斷電源端是要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝案鶕?jù)不同的情況進(jìn)行一步預(yù)處理。預(yù)處理的規(guī)則是將未考慮電源端問(wèn)題時(shí)邏輯上滿足保護(hù)動(dòng)作的開關(guān)打開，然后進(jìn)行一次全網(wǎng)拓?fù)洌袛嗌鲜鲩_關(guān)外側(cè)（即不和故障點(diǎn)相連側(cè)）是否帶電。
圖5中先將故障線路兩端1號(hào)和2號(hào)開關(guān)打開，然后進(jìn)行全網(wǎng)拓?fù)?，可?號(hào)開關(guān)在電源島上，而2號(hào)開關(guān)不在電源島上，因此2號(hào)開關(guān)上保護(hù)不動(dòng)作。圖6中2號(hào)開關(guān)拒動(dòng)，3號(hào)和5號(hào)開關(guān)滿足后備動(dòng)作條件，故先將3號(hào)和5號(hào)開關(guān)打開，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，發(fā)現(xiàn)3號(hào)開關(guān)外側(cè)在電源島上，而5號(hào)開關(guān)外側(cè)不在電源島，因此3號(hào)開關(guān)上保護(hù)作為后備動(dòng)作，5號(hào)開關(guān)的主變保護(hù)不動(dòng)作。圖7和圖6類似，原來(lái)將作為后備動(dòng)作的5號(hào)開關(guān)由于下端不連電源，故保護(hù)不動(dòng)作。
3．2地區(qū)電網(wǎng)中的單相接地故障
地調(diào)保護(hù)zui主要的特點(diǎn)是單相接地問(wèn)題。地調(diào)電網(wǎng)一般都為中性點(diǎn)不接地或小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)的實(shí)際電流很小，三相之間的線電壓和負(fù)荷電流仍然保持對(duì)稱，因此在一般情況下都允許再繼續(xù)運(yùn)行1h～2h，不必立即跳閘，這也是采用中性點(diǎn)非直接接地運(yùn)行的主要優(yōu)點(diǎn)。但在單相接地以后，其他兩相對(duì)地電壓要升高√3倍。為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點(diǎn)接地短路，應(yīng)及時(shí)發(fā)出母線絕緣檢測(cè)信號(hào)，以便運(yùn)行人員采取措施予以消除。
對(duì)于地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)度員來(lái)說(shuō)，母線絕緣檢測(cè)信號(hào)是zui常見的保護(hù)信息，如何在盡量保證重要負(fù)荷正常運(yùn)行的前提下做到zui短時(shí)間內(nèi)找到故障設(shè)備，是調(diào)度員必須掌握的。因此，在dts中逼真地模擬單相接地故障顯得十分必要。
按故障的發(fā)生地點(diǎn)來(lái)分，單相接地故障分為單點(diǎn)單相接地故障和兩點(diǎn)單相接地故障兩種情況。按故障發(fā)生的設(shè)備來(lái)分，單相接地故障可分為線路單相接地和母線單相接地。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，只是與線路有電氣連接關(guān)系且在同一電壓等級(jí)的母線發(fā)母線絕緣檢測(cè)的信號(hào)，伴隨著故障相的母線電壓降為o，其他兩相的母線電壓升高為原來(lái)的／了倍，調(diào)度員并不知道是母線上的哪條線路發(fā)生了單相接地故障。因此需要調(diào)度員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照一定次序分合母線上各條線路的開關(guān)來(lái)判斷故障線路，通知現(xiàn)場(chǎng)檢修。在dts中，以上過(guò)程可以用圖9來(lái)表示。
在上述線路單相接地故障中還有一個(gè)符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的處理，就是當(dāng)學(xué)員通過(guò)開斷各線路開關(guān)查找到故障線路后，故障線路上的開關(guān)還可以合上，保持兩相運(yùn)行狀態(tài)而不用負(fù)荷。而在dts中，一般情況下開關(guān)是不能合到故障設(shè)備的。
對(duì)于單相兩點(diǎn)接地故障，即在解除線路單相接地故障前，別的地方又發(fā)生了單相接地故障，就需要判斷新的故障點(diǎn)是同相的還是異相的，是本地的還是異地的。這些在模型中都做了必要的判斷。
a．如果故障發(fā)生在本地且相位相同，則始終保持母線絕緣檢測(cè)信號(hào)，直至兩點(diǎn)的單相接地故障均消失或被解除。
b．如果故障發(fā)生在本地但相位不同，則當(dāng)做相間故障處理，觸發(fā)相間接地保護(hù)動(dòng)作。
c．如果在故障時(shí)延范圍內(nèi)本線路外的線路或母線又發(fā)生單相接地故障，稱為異地兩點(diǎn)接地。如果兩個(gè)故障點(diǎn)在同一故障范圍內(nèi)，則兩個(gè)故障處的接地距離保護(hù)動(dòng)作。下面將專門對(duì)這種情況下的故障范圍的概念進(jìn)行解釋。
對(duì)于異地兩點(diǎn)接地故障而言，保護(hù)是否動(dòng)作是由零序通路決定的，只有當(dāng)兩個(gè)故障點(diǎn)之間存在零序通路時(shí)線路上的距離保護(hù)才能動(dòng)作。因此，這時(shí)就不能簡(jiǎn)單地只進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌€需要考慮兩點(diǎn)間的零序通路。只有yo，yo接法的變壓器能夠提供零序通路，而yo，d接法的變壓器能夠?yàn)榱阈螂娏魈峁┙拥鼗芈贰？紤]到了這一點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚涂梢哉_地仿真兩地同時(shí)發(fā)生單相接地故障的情形了。
4結(jié)語(yǔ)
本文考慮了地調(diào)和網(wǎng)（?。┱{(diào)在電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)和調(diào)度職能方面的不同，提出并實(shí)現(xiàn)了面向地區(qū)電網(wǎng)的ems／dts的若干特色功能的數(shù)學(xué)模型和算法，并已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多家地區(qū)電網(wǎng)得到了成功的應(yīng)用。實(shí)踐證明本文所提出的地調(diào)特色模型和算法是*可行，而且是非常實(shí)用的。