地區(qū)電網(wǎng)供電風(fēng)險評估與校正軟件設(shè)計

鄒德虎，徐 希

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

傳統(tǒng)上，電網(wǎng)運行安全評估采用確定性的分析方法。具體到地區(qū)電網(wǎng)，主要使用計及備自投等自動裝置的靜態(tài)安全分析［1］作為安全性評估的依據(jù)。該方法以N-1掃描為主形成故障集，輔以人工設(shè)置的部分N-k故障。沒有考慮故障的概率特性，也忽略了連鎖性故障的可能性。在現(xiàn)代電網(wǎng)波動性、不確定性越來越增加的形勢下，需要更強有力的分析手段。

風(fēng)險分析方法綜合了可能性和嚴重性［2］，和確定性的分析相比，可能會得到更加合理的結(jié)果。電力系統(tǒng)基于風(fēng)險的分析方法近年來得到了廣泛研究和應(yīng)用［3］。文獻［4-5］針對美國電網(wǎng)的特點設(shè)計了在線的電網(wǎng)安全風(fēng)險評估軟件。除了針對調(diào)度運行的風(fēng)險分析［6，7］以外，風(fēng)險理論同樣應(yīng)用在保護薄弱區(qū)域辨識［8］、操作風(fēng)險評估［9］、特定接線方式風(fēng)險［10］等方面。但是目前風(fēng)險評估主要討論的是輸電網(wǎng)，針對地區(qū)電網(wǎng)的研究和應(yīng)用很少。文獻［11］介紹了計及電網(wǎng)變化過程的地區(qū)電網(wǎng)運行風(fēng)險評估，取得了較好效果，但考慮的因素不夠全面。

本文設(shè)計了地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)險評估與校正軟件，分為三個主要功能：風(fēng)險定性分析、風(fēng)險定量分析、風(fēng)險校正，形成了完整的風(fēng)險評估校正流程。其中在風(fēng)險定量分析方面，充分考慮保護、備自投、同桿雙回線等因素的影響。

1 總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)險評估與校正軟件屬于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)（D5000）高級應(yīng)用的一部分，總體結(jié)構(gòu)及其操作流程如圖1所示。

該軟件依托于調(diào)度控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)來源是多樣化的。軟件可周期性在線運行，也可在指定方式下離線運行。該軟件的用途也是多樣化的，在操作票預(yù)演校核、檢修計劃安排等方面，均可使用本軟件作為安全校核檢驗措施。

2 風(fēng)險定性分析

風(fēng)險定性分析指的是通過拓撲搜索的手段找出電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)與風(fēng)險運行方式，包括單電源或單變壓器供電、電磁環(huán)網(wǎng)運行、串行供電等。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)險評估與校正軟件結(jié)構(gòu)

單電源或單變壓器供電會因為缺少備用導(dǎo)致相應(yīng)的失負荷風(fēng)險，比較容易分析，在此不再贅述。下面介紹電磁環(huán)網(wǎng)運行和串行供電的拓撲辨識方法。示例見圖2所示的地區(qū)局部電網(wǎng)，該電網(wǎng)分別包含電磁環(huán)網(wǎng)和串行供電的運行方式。圖中的母線是經(jīng)過廠站拓撲后形成的抽象計算母線，而不是物理母線。

圖2 一個地區(qū)局部電網(wǎng)

電磁環(huán)網(wǎng)拓撲辨識的步驟：首先取相同電壓等級的計算母線進行島分析，圖2中的A、B、C、D、E計算母線構(gòu)成一個局部島；其次，選取與上一電壓等級電網(wǎng)有主變聯(lián)系的計算母線，即A、C母線，分析A、C母線在局部島的連通性，如果存在連通路徑，則該路徑可能構(gòu)成電磁環(huán)網(wǎng)中的低電壓等級部分，例如A、B、C即為這樣的連通路徑。最后從有主變聯(lián)系的計算母線開始搜索上一電壓等級電網(wǎng)，如果存在連通路徑，則與之前的連通路徑合并成一個完整的電磁環(huán)網(wǎng)。

串行供電拓撲辨識的步驟：辨識出所有的輻射狀支路，方法是找到度1節(jié)點和相應(yīng)的支路，去除這樣的節(jié)點和支路后重新計算節(jié)點的度，再找到度1節(jié)點和相應(yīng)的支路并去除。反復(fù)如此，直到不再有度1節(jié)點。之前去除的支路即為輻射狀支路。將輻射狀支路和關(guān)聯(lián)的節(jié)點進行島分析，會得到若干個局部島。如A、D、E即為這樣的局部島。如果其中有的局部島包含兩條及以上的支路串聯(lián)，則這樣的局部島即為串行供電網(wǎng)絡(luò)。

3 風(fēng)險定量分析

目前地區(qū)電網(wǎng)絕大多數(shù)都配備了自動電壓無功控制（AVC），已經(jīng)很好的實現(xiàn)了電壓越限或崩潰風(fēng)險的預(yù)警和控制，因此本文不再考慮電壓無功類型的風(fēng)險。從地區(qū)電網(wǎng)的實際需求出發(fā)，主要考慮的是失負荷風(fēng)險和有功越限風(fēng)險。

分別定義失負荷風(fēng)險指標(biāo)和越限風(fēng)險指標(biāo)：

式中 G——引起風(fēng)險的故障場景集合；s——故障場景；p（s）——當(dāng)前故障場景發(fā)生的概率；clost——當(dāng)前故障場景引起的失負荷損失；cover——當(dāng)前故障場景引起的越限損失；Rbase——基準(zhǔn)值。

風(fēng)險分析結(jié)果的參考價值很大程度上取決于故障場景的選擇是否合理，下面依次論述本文所采用的故障場景。

（1）N-1故障

為了降低計算量，設(shè)備N-1的風(fēng)險分析直接調(diào)用靜態(tài)安全分析的結(jié)果，但是可以考慮概率。例如用戶可以根據(jù)設(shè)備長期運行資料設(shè)置線路故障的概率不同于主變故障。假定氣象信息能夠接入調(diào)度控制系統(tǒng)，在極端氣象條件下，不同地理位置設(shè)備的故障概率也可以不同。

（2）同桿雙回線故障

現(xiàn)在存在大量的同桿雙回線（甚至多回線），雙回線路發(fā)生同時故障的概率大幅度超過單獨故障概率的平方。因此需要分析同桿雙回線同時故障的風(fēng)險性。

（3）保護拒動

很多連鎖性故障的發(fā)生都與保護拒動、誤動有關(guān)，傳統(tǒng)的N-1分析顯然不能分析這種情形。本文設(shè)置N-1-1的故障場景，即設(shè)備故障退出后保護拒動，引起相鄰元件后備保護動作。這種故障場景的概率要比單純的N-1故障小得多，但因為后果可能極其嚴重，分析時不能忽略。

（4）備自投拒動

地區(qū)電網(wǎng)一般開環(huán)運行，故障時依賴備自投的準(zhǔn)確動作來確保不失電，但是過于依賴自動裝置本身也是風(fēng)險因素。本文的軟件可以通過設(shè)置備自投拒動概率，來仔細分析備自投拒動造成的風(fēng)險影響。

除了N-1故障直接調(diào)用靜態(tài)安全分析的結(jié)果外，其余故障場景的風(fēng)險分析采用直流潮流算法，避免迭代過程，以大幅度降低計算量。因為本文已經(jīng)不再考慮電壓無功類型的風(fēng)險，采用直流潮流算法不會造成不可接受的誤差。

為便于比較不同電網(wǎng)的風(fēng)險水平，風(fēng)險指標(biāo)是標(biāo)幺化的?；鶞?zhǔn)值的設(shè)定有以下考慮：可以反映電網(wǎng)的規(guī)模，同時在相當(dāng)長的時間內(nèi)應(yīng)該是變化不大的。這樣才可以保證在短的時間尺度內(nèi)（例如1天）風(fēng)險的變化曲線不失真。如果采用負荷大小作為基準(zhǔn)值，甚至有可能導(dǎo)致負荷高峰的風(fēng)險值小于低谷的風(fēng)險值。本文采用方案：將電網(wǎng)內(nèi)主變的容量和線路的最大輸送容量累加，作為基準(zhǔn)值。在以后技術(shù)條件許可的情況下，可實現(xiàn)分地區(qū)的電網(wǎng)風(fēng)險指標(biāo)的考核統(tǒng)計，這對于電網(wǎng)的運行、規(guī)劃會起到更加明確的參考意義。

為便于調(diào)控人員直觀把握故障場景風(fēng)險的損失，進行風(fēng)險級別判斷。風(fēng)險級別判斷根據(jù)國務(wù)院599號令和國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)關(guān)于事故調(diào)查方面的規(guī)范，考慮以下因素：損失負荷量及比例、失去用戶數(shù)及比例、損失重要用戶信息，得到相應(yīng)的事故級別。

4 風(fēng)險校正

4.1 失負荷風(fēng)險校正

串行供電結(jié)構(gòu)是造成地區(qū)電網(wǎng)失負荷風(fēng)險的主要因素，徹底解決這一問題需要通過電網(wǎng)規(guī)劃和基建來完成。但是在電網(wǎng)實時運行中，可以通過局部電網(wǎng)的開環(huán)點重構(gòu)來減輕失負荷風(fēng)險。下面簡要介紹失負荷風(fēng)險校正的思路。

（1）針對定性風(fēng)險分析得到的串供網(wǎng)絡(luò)，以高電壓等級主變?yōu)檫吔?，提取出一個假定獨立的局部區(qū)域電網(wǎng)。

（2）搜索出所有可能的開環(huán)點運行方式，需要滿足以下條件：母線全部帶電，即母線與電源有連通；母線與單一的電源有聯(lián)通，即開環(huán)運行。搜索出全部運行方式需要采用圖論算法，具體如下：1）將電源點合并為一個拓撲意義上的頂點，將母線看成頂點，假定開關(guān)全部合位，將線路看成一個支路，形成一個圖；2）搜索出所有可能的樹，斷開全部連枝（開環(huán)點在連枝上），這就對應(yīng)一種拓撲方式。

以圖3作為一個例子，首先將M1、M5、M8合并組成頂點。然后從頂點出發(fā)，可以構(gòu)成一系列的樹，每一種樹對應(yīng)一種開環(huán)點運行方式，下面列舉出幾種：

①樹枝為：L1、L3、L5、L7、L8；連枝為：L6、L2、L4

②樹枝為：L1、L3、L5、L6、L8；連枝為：L7、L2、L4

③樹枝為：L1、L3、L5、L6、L7；連枝為：L8、L2、L4

④樹枝為：L2、L3、L4、L6、L8；連枝為：L7、L5、L1

⑤樹枝為：L2、L3、L5、L6、L8；連枝為：L7、L4、L1

圖3 一個局部電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

（3）針對每一種開環(huán)點運行方式，進行局部的N－1掃描分析（需要考慮備自投，不考慮無功），計算出總失電量。對總失電量進行排序，失電最少的開環(huán)點運行方式就是校正結(jié)果。

4.2 越限風(fēng)險校正

越限或重載是導(dǎo)致風(fēng)險指標(biāo)上升的主要因素之一。在基態(tài)越限的情況下，甚至可能導(dǎo)致風(fēng)險指標(biāo)數(shù)量級的上升，因此消除越限或過載是風(fēng)險校正的主要手段。與網(wǎng)省級輸電網(wǎng)不同，地區(qū)電網(wǎng)校正設(shè)備越限的手段主要有兩種：通過改變拓撲轉(zhuǎn)供出一部分負荷；切除負荷。最有利的方式是在不損失負荷的情況通過開關(guān)變位實現(xiàn)轉(zhuǎn)供，但可能涉及到一系列復(fù)雜的操作步驟。

下面以變壓器越限校正為例說明轉(zhuǎn)供方法，基本思路如下：如果越限變壓器所在變電站超過1臺主變，而且主變非并列運行，越限校正首先在本站進行負荷均衡操作。如果是并列主變，則等效為一臺等值主變，再進行后續(xù)環(huán)節(jié)。如果均衡操作不能完全消除越限，則進行拓撲搜索，找出轉(zhuǎn)移路徑。然后適當(dāng)選取轉(zhuǎn)移路徑的組合和順序，來盡量消除越限。

可能采用站內(nèi)均衡操作的越限主變是有條件的，應(yīng)該滿足以下條件：（1）主變中壓側(cè)連接雙母線接線方式；（2）另一臺主變沒有越限；（3）母線分列運行，即母聯(lián)為分位；（4）越限主變與另一臺主變連接至不同的母線。在滿足以上條件的前提下，站內(nèi)均衡操作操作實際就是選擇部分出線（負荷）切換母線的操作。選擇的原則如下：首先計算另一條母線的裕度。選取連接越限主變，且潮流小于裕度的線路，按照從大到小排隊。逐次切換母線，直到滿足以下條件：越限主變越限消失；或者裕度將要用完。

轉(zhuǎn)移路徑搜索時遵循如下步驟：以同電壓等級主變?yōu)楦?jié)點，形成一個個分區(qū)。注意，這里的主變可能是等值主變。通過拓撲搜索到越限主變所在分區(qū)的熱備用開關(guān)，如果該開關(guān)連著存在供電裕度的另一個分區(qū)（為了保證負荷轉(zhuǎn)移后別的主變不越限），則這個開關(guān)所在的熱備用線路為一個可能的轉(zhuǎn)移路徑。這樣的轉(zhuǎn)移路徑可能有多個，將轉(zhuǎn)移路徑存儲下來，然后進入轉(zhuǎn)移路徑選取環(huán)節(jié)。

關(guān)于轉(zhuǎn)移路徑選取問題，理論上是個整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化問題，但可以采用實用化的方法求解。

如果一個110 k V變電站有1個轉(zhuǎn)移路徑，假定變電站有2個母線，可形成多個轉(zhuǎn)移方式，如圖4所示，2DL所在線路為轉(zhuǎn)移路徑：

圖4 一個110 k V變電站

僅轉(zhuǎn)移2母負荷時，合上2DL，再分開3DL。如果轉(zhuǎn)移該變電站全部負荷，則合上2DL，分開1DL。這樣總共有2種轉(zhuǎn)移方式。反映到將要建立的數(shù)學(xué)模型上，轉(zhuǎn)移2母負荷作為1個變量，轉(zhuǎn)移全部負荷作為1個變量，變量都可取0值和1值。以轉(zhuǎn)移方式作為變量，則圖4可形成2個變量。為避免轉(zhuǎn)移方式?jīng)_突，將這兩個變量和小于等于1作為約束條件。

如果一個變電站有多個轉(zhuǎn)移路徑，可形成更多的轉(zhuǎn)移方式。

路徑選取問題構(gòu)成下面的0－1整數(shù)規(guī)劃問題：

以轉(zhuǎn)移方式xi為變量，假定總共為n個。

設(shè)置目標(biāo)函數(shù)：

F函數(shù)是一個折線函數(shù)，當(dāng)x＞0時，F(xiàn)（x）＝x；當(dāng)x＜0時，F(xiàn)（x）＝－mx，m為懲罰系數(shù)，m可取0.2。這個函數(shù)反映盡量優(yōu)先消除越限，條件允許時避免過度轉(zhuǎn)移負荷。

約束條件：應(yīng)保證負荷轉(zhuǎn)移不會引起別的相關(guān)變壓器越限，假定存在相關(guān)變壓器b，則有：

式中 Pb——相關(guān)變壓器的最大可轉(zhuǎn)移負荷量；bi——每個變量對應(yīng)轉(zhuǎn)移到變壓器b的負荷大小。

如果有多個相關(guān)變壓器，類似于式（7）的式子也有多個。雖然整數(shù)線性規(guī)劃有成熟的算法，但為了實現(xiàn)簡易起見，本文采用一種啟發(fā)式的求解方法：調(diào)度員在轉(zhuǎn)移負荷時，最開始的操作應(yīng)該是效果最大，然后逐步操作。因此求解時可仿照這種做法，采用多步迭代方法。首先在滿足約束的前提下，變量x只有1個值取1，其余取0，選取的是消除越限最有效的變量。然后去除該變量，重新生成規(guī)劃模型。直到越限消除，或者約束范圍內(nèi)沒有可行的解。

5 工程應(yīng)用

本文所設(shè)計的軟件在某地區(qū)電網(wǎng)的D5000調(diào)度控制系統(tǒng)上試運行。下面的例子使用某時刻斷面數(shù)據(jù)，依次進行了定性風(fēng)險分析、定量風(fēng)險分析、風(fēng)險校正。

定性風(fēng)險分析的結(jié)果包括電磁環(huán)網(wǎng)共2串、串供網(wǎng)絡(luò)共17串，單主變或單電源供電的變電站共35個。定性分析結(jié)果從拓撲的角度給出電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，同時便于可視化展示，方便運行人員的監(jiān)視工作。但是沒有定量信息，不足以找出全部的風(fēng)險環(huán)節(jié)。

定量風(fēng)險分析的結(jié)果更加全面。排在前10位的失負荷風(fēng)險場景中，有6條是屬于串供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，這是因為串供網(wǎng)絡(luò)缺少備用電源造成風(fēng)險較大，同時也有設(shè)備故障后保護拒動影響范圍太大而形成的較大風(fēng)險。失負荷定量風(fēng)險涉及到拓撲結(jié)構(gòu)、自動裝置、潮流分布等幾個不同因素的結(jié)合。因此，定量風(fēng)險分析的結(jié)果更全面。

針對風(fēng)險定性評估給出的串供網(wǎng)絡(luò)，進行失負荷校正操作，45%的串供網(wǎng)絡(luò)可以給出風(fēng)險更低的開環(huán)點運行方式。有8臺22 0k V主變重載，風(fēng)險校正程序進行了負荷轉(zhuǎn)供操作，經(jīng)過39次開關(guān)變位操作后，有6臺主變消除了重載，另2臺因為沒有轉(zhuǎn)移路徑無法消除重載。校正完成后的電網(wǎng)斷面風(fēng)險指標(biāo)下降了20%以上。

軟件運行一次時間超過1 min，和狀態(tài)估計等實時模塊相比，耗時偏長。但實時運行中，考慮到地區(qū)電網(wǎng)運行狀態(tài)不會發(fā)生過快的變化，運行周期設(shè)置為15 min左右是合理的。

6 結(jié)論與展望

本文設(shè)計了地區(qū)電網(wǎng)供電風(fēng)險評估與校正軟件，通過工程實施案例認為該軟件可以通過定性風(fēng)險的方式發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行的薄弱點，便于調(diào)控人員重點監(jiān)視?？梢酝ㄟ^定量分析的方式得到更精確的風(fēng)險信息和風(fēng)險級別。設(shè)計的風(fēng)險校正功能降低串供網(wǎng)絡(luò)失負荷風(fēng)險；降低設(shè)備的越限風(fēng)險。

風(fēng)險評估和校正領(lǐng)域仍然有廣闊的研究和開發(fā)空間，以下的方向是我們的建議：（1）與二次設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)動，與保護定值校核軟件配合，從而更加精細的分析保護（包括分析誤動、拒動、誤整定）對風(fēng)險的影響；（2）研究風(fēng)險定量分析的高效算法，提高計算速度；（3）故障場景的選取更加多樣化，特別是可以讓用戶自行選擇配置；（4）以降低風(fēng)險指標(biāo)為目標(biāo)的風(fēng)險校正優(yōu)化，優(yōu)化中考慮多種約束。

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