(华能西藏墨脱电力有限公司 西藏自治区林芝市 860000)
1工程简介
1.1墨脱概况
墨脱县位于西藏东南部，为林芝市东南部的边境县,与印度交界。面积34000平方公里。人口14000余人，主要以门巴、洛巴及藏族为主。气候为喜马拉雅山东侧亚热带湿润气候，年均降雨量2200mm，雪崩、塌方、泥石流、山洪频繁暴发。恶劣的气候加上脆弱的地质条件，导致墨脱县交通不畅，2013年10月，才实现波密县至墨脱县城的简易公路通车。
墨脱县是典型无电地区，截止2015年12月初，境内只有9座小微电站共计1845kW各自独立就近为村庄供电。大部分人处于无电可用的状态。
1.2项目研究背景
十二五期间，国家决定解决墨脱县用电问题，决定建设装机4×1500kW，总容量5000kW的亚让水电站，配套5座35kV变电站、35kV/10kV及0.4/220V线路的局域电网。
对于小容量孤立电网，相对于大电网，其具有以下运行风险：
(1)发电机组数量较少，备用容量有限，承受系统冲击和故障的能力有限；
(2)单一负荷占系统容量大，其波动对系统影响也很大；
(3)小型孤网系统中，负荷数量相对较少，负荷波动正向叠加的可能性也较大，容易对孤网会产生大幅度负荷冲击。
(4)自然灾害严重影响输电线路和铁塔安全运行。
可见在小型孤立电网中，维持电网的频率、电压在安全范围内要比在大电网中困难得多。有必要在常规的电网控制系统中增加适合于小水电孤立电网特点的自动频率控制和自动电压控制系统，对各水电机组进行协调控制，从而减小频率和电压波动范围和调节过度过程的时间；通过提高机组的一次调频的能力，也可大大提高电网在扰动中维持频率安全稳定的能力；强化对不利地理位置输电线路及铁塔的动态监测，提前防范自然灾害对输电线路和铁塔的破坏。
1.3研究主要内容
本项目简况如下：
基于项目规模和特点，重点研究以下内容
（1）建立以亚让电站为支撑电源的墨脱县局域电网的调控一体的生产平台。
（2）建立局域电网的快速负荷预测和发电计划系统。
（3）研究局域电网小水电机组自动发电控制方法，以满足对负荷随机变化的快速跟踪，并且维持调节性能好的机组有较多的一次调频能力。
（4）研究并建立局域电网中电压自动控制系统，实现各发电机以及变电站无功电压调节装置的自动协调控制。
（5）研究局域电网中有功和无功的联合优化调度方法。
（6）研究在墨脱县独特的自然条件、地质条件下铁塔环境参数的变化及变量，提前预判铁塔及线路隐患，及时调整运行方式，开展隐患治理。
2项目详细内容
2.1 基于实时负荷预测的局域电网快速发电计划控制
在本项目研究中，要求各超过150kW的大负荷在进行投入退出或者2秒内可能发生负荷变动大于200kW的用户负荷操作，均需要在操作前至少1分钟通过信息系统将操作时间和负荷突变功率即时上报给调度的实时负荷预测系统。实时负荷预测系统以2秒为周期实时统计当前的20秒超前负荷预测值，当监测到20秒超前负荷预测值比当前值大于10%时，在100毫秒内将需要调节的总发电功率转发给AGC自动发电控制模块主程序。AGC主站程序根据各机组轮流调节的优先级，当前的运行点，各机组现场工况，计算出为平滑掉负荷功率突变，各机组出力应调节到的目标值。并在该预测断面发生的5秒之前将该目标值与二次调频对应的功率变化量叠加下发给各水电机组。
上述10秒级的超短期的负荷预测修正，大大提高了机组对负荷突变的跟踪能力，降低了电网频率波动范围，部分解决了小水电局域网快速响应热备用能力差的问题。
基于同样原理，对于电网中超过100kVar的无功投切，也需要用户提前1分钟上报调度主站。以便主站自动电压控制AVC可以在用户操作前5秒进行响应。以减少大的用户无功投切对小电网电压的影响。
2.2基于优化资源复用的有功无功综合优化
传统的发电有功和无功优化是分别进行的，但是实际上有功潮流和无功潮流是相互影响的，尤其是对于小水电所在的配电网，线路阻抗比高，有功无功解耦程度低，因此有必要将有功优化和无功优化综合考虑。为了有效利用已有的有功优化和无功优化程序，节省开发和调试资源，提出一个利用现有资源实现有功无功联合优化的方法。该方法将传统的有功优化和无功优化作为综合优化的子程序，利用迭代技术和启发式搜索，并且可以进一步包含电压日波动幅度约束，联络线裕度均衡等难以进行常规建模和数值求解的约束条件。其主要思想是确定优化的总体目标，然后交替采用有功优化和无功优化程序，直到达到总体目标为止。
有功无功综合优化的输入包括：
1）取水电机组当前出力和水流最大功率预测值；
2）获取本地负荷（包含厂用电）的实时预测值；
3）线路功率约束、节点电压约束。
基于上述输入，循环进行以下不考虑网络约束的机组组合优化，考虑网络约束的有功优化，以及无功优化模块，直到满足全部优化目标。
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基本的优化功能模块包括：
I)不考虑网络约束的机组组合优化
以各水电机组调节代价最小和有功出力均衡为综合目标，考虑以下约束，进行不考虑网络约束的机组组合优化，以获得最大的经济效益：
1）水电机组出力小于本地负荷
2）水电机组有功调节步长约束
3）水电机组有功调节速率约束
4）机组容量约束
II) 考虑网络约束的有功优化
以水电机组最大出力和有功备用裕度最大为综合目标，考虑以下安全约束，进行考虑网络运行约束的有功优化：
1）线路、变压器等设备或断面不过负荷
2）节点电压满足粗略约束（0.85～1.15）
3）各线路容量裕度大于5%
4）新能源机组有功调节步长约束
3）新能源机组有功调节速率约束
III）无功优化
以系统网损最小、无功备用裕度最大为综合目标，考虑以下约束，进行无功优化：
1）节点电压满足约束，例如在（0.9～1.1）范围之内
2）电压的日波动幅度约束
3）无功调节幅度约束
4）无功调节速率约束
5）无功不向系统倒送
6）无功设备动作次数约束
基于上述的常规的优化模块，进行迭代寻优，找到满足多目标的有功无功综合优化最优解，其具体流程如下：
在分别进行了一次有功优化（包括不考虑网络约束的全网新能源机组组合优化后）、无功优化后，进行潮流计算，检查是否有运行约束被违反，若存在某个运行约束被违反，则返回全网水电机组组合优化，在前次优化基础上再重新进行优化；直到全部运行约束均不被违反，则停止寻优，并将优化结果分为有功控制指令和无功控制指令，分别向水电厂站的有功控制系统和无功控制系统发送。
2.3考虑水电机组调频特性的小型水电孤网运行自动发电控制方法
水电机组存在很大的水流惯性和严重恶化调节的水击现象，阀门开度与有功非线性严重，但是水电机组一次调频范围广无持续时间限制。根据水电机组的上述特点，提出基于快速实时秒级控制周期的调频方法，选择以5分钟为周期选择容量裕度最大的一台机组进行定频率控制，其余机组进行定开度控制，以5秒为周期更新阀门的开度。
以10秒为周期根据当前频率的偏差以及未来5秒负荷的预测变化量确定水电机组出力需要的总功率变化量△Pall，根据各水电机组的阀门流量特性曲线，计算各水电机组当前运行点在5秒钟内可承担的功率变化量。若当前5秒相应能力最大的单台机组可满足总功率变化量△Pall的要求，则在当前周期仅调节该5秒响应能力最大的机组即可，否则增加其他容量最合适机组满足该次总功率变化量△Pall的要求。按照此逻辑实现除调频机组意外的水电机组以10秒为周期轮流调节，结合实时功率预测，其将应对未来10秒以上的几乎全部大的功率跃变。
对于10秒内的随机负荷变化由调频机组来承担，由于调频机组动作频繁，对寿命有一定影响，因此为了均衡各机组寿命，采取每5分钟更换调频机组的策略，选择一个新的调频容量最大的机组作为调频机组。调频机组本身的调速系统会以小于100毫秒的检测周期测量机组即局域电网的频率，然后计算相应的功率调节量，并直接控制阀门开度，其快速性保证了整个电网对频率的准确快速修正。
上述水电机组的轮流调节策略可以使得数目很小的机组能够以最快的速度响应负荷变化，并避免机组同时动作，由于惯性大导致的超调和短时间内不能反向调节的问题。同时动态调频机组的设置可以以最高的效率跟踪随机负荷和频率的突变，同时维持各机组寿命均衡。
2.4基于3G/4G和自组无线网络通讯方式的输电线路状态监测
对于输电线路及铁塔，均穿越墨脱县高山峡谷，森林植被茂盛，多为无人区，地质脆弱。输电线路及铁塔因温度变化、风力风向、雨水冲刷、山体滑坡、地震等自然因素变化发生微小变化，铁塔基础随时间累积将发生沉降、倾斜、移位甚至倒塌等安全风险，给铁塔及输电线路带来安全隐患。
基于物联网通信技术和神经元网络传感器技术为核心，采集铁塔雷击、工频闪络、倾斜、振动、位移等实时变量和累积量，通过GSM/CDMA或者无线拉手通讯方式传送至后台终端。建立输电线路及铁塔健康运行数据库，研究分析铁塔的运行健康状态，生成运行维护、检修决策参考报告。
3 主要技术特点
本项目研究应用是基于是调控一体化模式，研究方向和目标要提高系统设备的安全性、可靠性、稳定性、实用性；减少人员配置，减轻电力生产人员的工作强度，提高劳动效率；实现生产可视化、数据复用化、管理流程化；能够预估生产曲线，预判事故诱因。
1）基于实时负荷预测的独立小电网快速发电计划控制。利用一体化优势，实时采集重要负荷的投运和升降负荷信息，以及网络结构或设备的变动信息，实现十秒级的全网有功和无功负荷预测。基于此信息，实现对有功和无功出力的实时预控制，提升孤立电网机组的一次调频和调压能力。
2）有功无功资源得到优化复用。采用启发式搜索技术，以常规有功、无功优化模块作为子程序，实现孤立运行电站有功无功综合优化。可以同时考虑有功出力最多，无功备用均衡，功率因数均衡，网损优化等多个目标，以潮流方程、网络运行限值以及水电机组的运行限值为约束条件，同时也可以利用启发式方法考虑电压日波动幅度约束，同类型线路负载程度均衡等难以进行常规数值求解的约束条件。
3）实现水电机组调频特性的小型水电孤网运行自动发电控制方法。根据水电机组水流惯性大，阀门开度与有功非线性严重，但是一次调频范围广的特点，提出快速实时秒级控制周期的调频方法。选择以5分钟为周期选择容量裕度最大的一台机组进行定频率控制，其余机组进行定开度控制，以10秒为周期更新阀门的开度。使得定开度控制的机组承担大部分的功率变化，而定频率控制机组承担小范围功率变化。在安全频率范围内，定开度机组轮流调节，在非安全频率范围，定开度机组同时调节。
4）解决自然环境恶劣情况下输配电设备和网络的日常维护、检修工作强度和难度问题。墨脱县特殊的地理位置、恶劣的气候条件、输电线路易遭受自然灾害破坏等不利因素的影响。采用物联网通信和神经元网络传感器技术为核心，集检测与通信于一体的输配电监测技术。与调度控制系统实时生产数据进行信息交换，生成生产调度决策参考意见，确保电网安全可靠，节约运维成本。
4项目经济技术指标及应用
该项目投运以后，为当地社会稳定、经济发展，提供了能源保障。同时大幅度降低了生产维护人员工作强度，提高了人员的工作效率，主要体现在以下方面。
（1）该系统持续稳定运行，保障了墨脱县局域电网的安全稳定。
（2）投运以来，提前预判并防止4基铁塔因地质条件变化倾斜、倒塌事故，未发生全网断电事故。
（3）项目建成稳定运行后，生产人员由20人减少至12人，减员8人，大量节约人力成本。
（4）发电量与前一年度比较，增长率为97.16%，扣除负荷增量没有达到预期因素，完成计划电量107.3%。
（5）为2016年度墨脱县生产总值同比增长14%，提供了坚实的能源保障，为墨脱带来巨大社会经济效益。
（6）该项目的投运，实实在在的解决了当地无电地区用电问题，实现了以电代柴，提高了当地农牧民的生活质量。提高了通讯、网络、电视的畅通率。推动了基础建设高质量、高效率发展。
论文作者:刘德翼
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/19
标签：机组论文; 负荷论文; 电网论文; 水电论文; 墨脱县论文; 铁塔论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第23期论文;