計(jì)及UPFC的220 kV分區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性研究

王薪蘋， 李 群， 劉建坤， 臧海祥， 孫國強(qiáng)， 衛(wèi)志農(nóng)

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100;2． 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103)

計(jì)及UPFC的220 kV分區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性研究

王薪蘋1， 李 群2， 劉建坤2， 臧海祥1， 孫國強(qiáng)1， 衛(wèi)志農(nóng)1

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100;2． 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103)

隨著電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的電力電子化不斷增強(qiáng)，給電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)。統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)作為調(diào)節(jié)潮流能力最強(qiáng)的柔性交流輸電(FACTS)設(shè)備，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)其自主設(shè)計(jì)、研發(fā)并成功投運(yùn)于南京西環(huán)網(wǎng)。通過建立含UPFC的運(yùn)行可靠性模型，并對(duì)南京西環(huán)網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行可靠性分析以及效益評(píng)估。算例結(jié)果表明，UPFC能夠有效提高區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

運(yùn)行可靠性；統(tǒng)一潮流控制器；效益評(píng)估

作為目前通用性最好的柔性交流輸電(flexible AC transmission system, FACTS)[1]設(shè)備，統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是為了實(shí)現(xiàn)交流輸電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償而發(fā)展出來的，它兼?zhèn)潇o止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator, STATCOM)和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchonous series compensator, SSSC)的特點(diǎn)，在潮流控制上具有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠精確調(diào)節(jié)有功和無功功率，優(yōu)化線路傳輸功率及網(wǎng)路潮流分布，同時(shí)還具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]、阻尼系統(tǒng)振蕩的能力。

目前，UPFC的示范工程已經(jīng)在南京西環(huán)網(wǎng)成功投運(yùn)[3]，其對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性的影響有待分析?；诖?，本文通過建立計(jì)及UPFC的220 kV分區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估模型，對(duì)UPFC對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響進(jìn)行量化分析，并對(duì)其進(jìn)行可靠性效益評(píng)估。

1 UPFC穩(wěn)態(tài)模型

在具體計(jì)算過程中，可將UPFC對(duì)系統(tǒng)的影響等效為對(duì)其所在支路兩端節(jié)點(diǎn)的注入功率Psr+jQsr、Prs+jQrs，等效示意圖如圖2所示，等效注入功率可用式(1)表示：

(1)

圖1 UPFC的雙電壓源模型

圖2 UPFC支路等效示意圖

2 計(jì)及UPFC的220 kV分區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性模型

220 kV分區(qū)電網(wǎng)屬于發(fā)輸電系統(tǒng)范疇，其可靠性評(píng)估包括4個(gè)主要方面：確定元件失效模型和負(fù)荷模型，選擇系統(tǒng)狀態(tài)，識(shí)別并分析系統(tǒng)問題，以及進(jìn)行可靠性指標(biāo)計(jì)算，基本步驟如圖3所示。

圖3 發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估流程

2.1 基于實(shí)時(shí)運(yùn)行條件的元件時(shí)變可靠性模型

本文主要從以下兩方面考慮元件時(shí)變可靠性[5]：(1) 線路潮流增加會(huì)導(dǎo)致線路停運(yùn)概率增大；(2) 當(dāng)電壓升高或降低到保護(hù)整定值時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作，并且隨著電壓越限程度的加深發(fā)電機(jī)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限減小，發(fā)電機(jī)跳閘退出運(yùn)行的概率增大。

2.2 狀態(tài)抽樣法

狀態(tài)抽樣法又叫非序貫蒙特卡洛模擬法[6]，廣泛用在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中。該方法的依據(jù)是，一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)是所有元件狀態(tài)的組合，且每一元件狀態(tài)可由對(duì)元件出現(xiàn)在該狀態(tài)的概率進(jìn)行抽樣來確定。

每一元件可用一個(gè)在[0，1]區(qū)間的均勻分布來模擬。假設(shè)每一元件有失效和工作2個(gè)狀態(tài)，且元件失效是相互獨(dú)立的。令si代表元件i的狀態(tài)，Qi代表其失效概率，則對(duì)元件i產(chǎn)生一個(gè)在[0，1]區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)Ri,使

(2)

具有N個(gè)元件的系統(tǒng)狀態(tài)由矢量s表示：

s=(s1,…,si,…sN)

(3)

一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)在抽樣中被選定后，即進(jìn)行系統(tǒng)分析以判斷其是否是失效狀態(tài)，如果是，則對(duì)該狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行估計(jì)。

當(dāng)抽樣的數(shù)量足夠大時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)s的抽樣頻率可作為其概率的無偏估計(jì)，即：

(4)

式中：M是抽樣數(shù)；m(s)是在抽樣中系統(tǒng)狀態(tài)s出現(xiàn)次數(shù)。

2.3 故障分析方法

采用基于交流潮流的靈敏度方法。研究一個(gè)輸電系統(tǒng)中線路i-j停運(yùn)的情況，假設(shè)線路i-j在其停運(yùn)前兩端的潮流是Pij+jQij和Pji+jQji，并假想停運(yùn)前的母線i和j上有2個(gè)外加注入功率，用Pi+jQi和Pj+jQj表示。如果外加注入功率能夠產(chǎn)生潮流增量，使系統(tǒng)的潮流與停運(yùn)后狀態(tài)的潮流相同，則這個(gè)外加注入功率完全與線路i-j的停運(yùn)等效?？梢宰C明，線路i-j的潮流和停運(yùn)前狀態(tài)的外加注入功率存在以下關(guān)系：

(5)

在母線i和j的這一外加注入功率可通過求解方程組得出。然后可求解下式獲得由線路i-j停運(yùn)引起的母線電壓幅值增量和相角增量：

(6)

(7)

得到母線電壓以后，即可計(jì)算線路i-j停運(yùn)后的線路潮流。

2.4 負(fù)荷削減的最優(yōu)化模型

當(dāng)停運(yùn)引起系統(tǒng)問題時(shí)，通過專門的最優(yōu)潮流(optimal power flow, OPF)模型[7]進(jìn)行發(fā)電重新調(diào)度，以消除系統(tǒng)約束越限；同時(shí)盡可能避免負(fù)荷削減，或者在無法避免時(shí)使負(fù)荷削減最小。這個(gè)最優(yōu)潮流模型的目標(biāo)函數(shù)是負(fù)荷削減總量最小，最優(yōu)解就是各母線上的負(fù)荷削減量。

基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型如下：

(8)

約束條件:

(9)

3 可靠性效益分析模型

采用最小系統(tǒng)停電損失模型[8]評(píng)估計(jì)及UPFC的220 kV分區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，直接評(píng)估可靠性的效益非常困難，因此通常將不可靠成本，即停電損失作為電力系統(tǒng)可靠性價(jià)值的間接度量。

3.1 可靠性效益評(píng)估指標(biāo)

期望停電損失(EIC)為：

EIC=W×EENS×f

(10)

式中:W為用戶停電損失，￥/kW·h；EENS為期望負(fù)荷量，kW·h；f為故障頻率。

3.2 可靠性效益評(píng)估方法

采用最小系統(tǒng)停電損失模型，該模型的目標(biāo)是最小化系統(tǒng)停電損失，并滿足功率平衡、線路潮流和發(fā)電機(jī)出力不越線的約束。模型的切負(fù)荷策略是首先切除停電損失較低的負(fù)荷，并考慮停電持續(xù)時(shí)間對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)各類用戶的停電損失的影響。最小系統(tǒng)停電損失模型描述如下。

目標(biāo)函數(shù)：

(11)

約束條件包括潮流方程：

PG-PD+PC=B0δ

(12)

有功平衡方程：

(13)

發(fā)電機(jī)出力約束：

(14)

切負(fù)荷約束：

0≤PCij≤PDiji∈NB, j∈NCi

(15)

線路潮流約束：

(16)

4 算例分析

4.1 運(yùn)行可靠性分析

首先以標(biāo)準(zhǔn)可靠性測(cè)試系統(tǒng)(RBTS)[9]為例，評(píng)估含UPFC系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。其作用主要體現(xiàn)在改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件上，其在運(yùn)行可靠性評(píng)估中的作用主要體現(xiàn)在降低了部分線路的停運(yùn)概率。以負(fù)荷削減量為可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)的不含UPFC常規(guī)可靠性指標(biāo)、含UPFC的常規(guī)可靠性指標(biāo)、含UPFC的運(yùn)行可靠性指標(biāo)對(duì)比如圖4。

圖4 RBTS系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

由圖4可知，經(jīng)過10次重復(fù)評(píng)估，含UPFC常規(guī)可靠性模型中，負(fù)荷削減量降幅百分比平均達(dá)到37.19%，含UPFC運(yùn)行可靠性模型中，負(fù)荷削減量降幅百分比平均達(dá)到45.91%，這是由于在運(yùn)行可靠性模型中，UPFC使得線路潮流得到改善，線路的故障率降低，使得負(fù)荷削減量更低，更加符合實(shí)際情況。

再以南京西環(huán)網(wǎng)作為研究對(duì)象，該系統(tǒng)不含UPFC常規(guī)可靠性指標(biāo)、含UPFC的常規(guī)可靠性指標(biāo)、含UPFC的運(yùn)行可靠性指標(biāo)對(duì)比如圖5。

圖5 南京西環(huán)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

由圖5可知，經(jīng)過10次重復(fù)評(píng)估，含UPFC常規(guī)可靠性模型中，負(fù)荷削減量降幅百分比平均達(dá)到10.85%，含UPFC運(yùn)行可靠性模型中，負(fù)荷削減量降幅百分比平均達(dá)到15.45%，這是由于在運(yùn)行可靠性模型中，UPFC使得線路潮流得到改善后，線路的故障率降低，使得負(fù)荷削減量更低，更加符合實(shí)際情況。相比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，該等值網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，UPFC對(duì)提高系統(tǒng)可靠性的效果降低，這是由于此情景下UPFC的調(diào)節(jié)區(qū)域有限造成的。

4.2 運(yùn)行可靠性效益評(píng)估

以RBTS和南京西環(huán)網(wǎng)為算例進(jìn)行效益評(píng)估。本文W取2。RBTS和南京西環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行可靠性評(píng)估中負(fù)荷損失對(duì)比如圖6和圖7。

圖6 RBTS系統(tǒng)停電損失

圖7 南京等值網(wǎng)停電損失

算例表明，由于UPFC的引入，使得RBTS系統(tǒng)和南京西環(huán)網(wǎng)在負(fù)荷削減損失方面分別降低了45.91%和15.49%，表明UPFC在提高系統(tǒng)可靠性效益方面具有較明顯的作用。由于南京西環(huán)網(wǎng)的規(guī)模相比測(cè)試系統(tǒng)規(guī)模大，所以效果略差。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，通過合理的選址定容，可以更好地發(fā)揮UPFC在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及其效益方面的作用。

5 結(jié)束語

本文通過建立計(jì)及UPFC的220 kV分區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估模型，量化分析了UPFC對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響，并對(duì)其進(jìn)行可靠性效益評(píng)估，通過RBTS和南京西環(huán)網(wǎng)算例分析，得到以下結(jié)論：(1) 運(yùn)行可靠性模型中，UPFC能夠有效降低區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷削減量，提高區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。(2) UPFC能夠有效提高可靠性效益，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，UPFC的調(diào)節(jié)作用將局限于接入點(diǎn)的附近區(qū)域，通過合理的選址定容，可以更好地發(fā)揮UPFC在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及其效益方面的作用。

[1] 呂磊炎，趙 淵，謝開貴． 柔性交流輸電系統(tǒng)交直流潮流可靠性評(píng)估模型[J]． 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24(1)：1-7．

[2] 吳紅斌，楊儀松，丁 明． 含統(tǒng)一潮流控制器的電力系統(tǒng)概率暫態(tài)穩(wěn)定評(píng)估[J]． 江蘇電機(jī)工程，2006，25(6)：6-8．

[3] 陳 剛，劉建坤，李 群． 統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析[J]． 江蘇電機(jī)工程，2016，35(1)：1-6．

[4] 錢 臻，劉建坤，陳 靜，等． 基于自動(dòng)微分技術(shù)的含UPFC電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流[J]． 電網(wǎng)與清潔能源，2016，32(4)：24-29．

[5] 孫元章，程 林，劉海濤． 基于實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)估[J]． 電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(15)：6-12．

[6] 蘇傲雪，范明天，李仲來，等． 計(jì)及風(fēng)力發(fā)電影響的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J]． 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2013，41(1)：90-95．

[7] 耿光超． 電力系統(tǒng)穩(wěn)定約束最優(yōu)潮流：模型、算法與并行化[D]． 杭州: 浙江大學(xué)，2014．

[8] 李文沅． 電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型． 方法和應(yīng)用[M]． 北京: 科學(xué)出版社，2006：111-112．[9] BILLINTON R，KUMAR S，CHOWDHURY N，et al． A Reliability Test System for Educational Purpose-basic Data[J]． IEEE Transactions on Power Systems，1989，4(3)：1238-1244．

王薪蘋

王薪蘋(1991 —)，男，黑龍江海倫人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與控制；

李 群(1967 —)，男，江蘇靖江人，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與控制、電能質(zhì)量、新能源發(fā)電技術(shù)研究工作；

劉建坤(1980 —)，男， 山東濰坊人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)計(jì)算和分析工作;

臧海祥(1986 —)，男，江蘇江都人，講師，博士，研究方向?yàn)樘摂M電廠和新能源發(fā)電技術(shù)；

孫國強(qiáng)(1978 —)，男，江蘇江陰人，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與運(yùn)行控制；

衛(wèi)志農(nóng)(1962 —)，男，江蘇江陰人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與運(yùn)行控制、輸配電系統(tǒng)自動(dòng)化等。

Operating Reliability Research of 220 kV Divisional Power Grid Considering UPFC

WANG Xinping1, LI Qun2, LIU Jiankun2, ZANG Haixiang1, SUN Guoqiang1, WEI Zhinong1

(1.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

With the continuous expansion of the interconnection scale of power grids, the number of the power electronics integrated to the power grid continues to increase, bringing new challenges to the operation reliability of the grid. As the equipment for flexible AC transmission system (FACTS) which has the strongest ability of adjusting power flow, the unified power flow controller (UPFC) has been designed, developed and applied to Nanjing western power grid successfully. In this paper, the operational reliability model considering UPFC is established and applied to perform the operation reliability analysis and benefit evaluation of Nanjing western power grid. The analysis results of the example demonstrate that UPFC can effectively improve the reliability of regional power network and positively contribute to economic benefits.

operation reliability; UPFC; benefit evaluation

2016-10-25；

2016-11-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51507052)

TM762

A

2096-3203(2017)01-0039-04