配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控分析及安全預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用

王大治，楊承河，侯方迪

（1.國(guó)網(wǎng)浙江余姚市供電有限公司，浙江 余姚 315400；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控分析及安全預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用

王大治1，楊承河2，侯方迪3

（1.國(guó)網(wǎng)浙江余姚市供電有限公司，浙江 余姚 315400；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

隨著配電網(wǎng)規(guī)模日益龐大，供電企業(yè)和電力用戶對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的要求也越來(lái)越高。運(yùn)用配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控分析及安全預(yù)警技術(shù)，結(jié)合麗水地區(qū)和余姚地區(qū)的配電網(wǎng)線路特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)故障集自動(dòng)生成、考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析和配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可視化等功能。最后，根據(jù)麗水配電網(wǎng)和余姚配電網(wǎng)的算例具體分析了該技術(shù)的實(shí)用性與優(yōu)越性。

風(fēng)險(xiǎn)防控分析；安全預(yù)警技術(shù)；系統(tǒng)故障集；靜態(tài)安全分析；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可視化

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，配電網(wǎng)規(guī)模日益龐大，接線越來(lái)越復(fù)雜，供電企業(yè)和電力用戶對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的要求也越來(lái)越高[1]。配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的最末端，直接向電力用戶供應(yīng)電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有80%的用戶停電事故是由配電系統(tǒng)故障所引起的[2]。而電力系統(tǒng)可靠性會(huì)隨著分布式電源的不斷接入受到很大影響[3]，風(fēng)電場(chǎng)的大量接入也勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)可靠性帶來(lái)影響[4]。未來(lái)配電網(wǎng)要朝著智能化的方向發(fā)展，就必須將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，由此形成的新型配電網(wǎng)的可靠性必將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[5-10]。

對(duì)于企業(yè)而言，配電網(wǎng)可靠性分析和管理已成為國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的重要工作之一[11]。配電網(wǎng)可靠性已經(jīng)成為供電企業(yè)廣泛關(guān)注的考核指標(biāo)，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行、規(guī)劃具有重要影響，無(wú)論是配電網(wǎng)運(yùn)行管理還是規(guī)劃方案的論證都需要有效的可靠性指標(biāo)評(píng)估工具[12]。因此，對(duì)配電網(wǎng)準(zhǔn)確快速地進(jìn)行可靠性評(píng)估以及安全預(yù)警十分重要[13]。

利用配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控分析及安全預(yù)警技術(shù)，可以對(duì)配電線路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控分析，并對(duì)假想故障進(jìn)行安全預(yù)警。以浙江省麗水地區(qū)和余姚地區(qū)配電網(wǎng)為例，主要介紹系統(tǒng)故障集自動(dòng)生成、考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析、配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可視化以及大規(guī)模清潔能源接入的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估安全預(yù)警等功能，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控分析及安全預(yù)警技術(shù)的實(shí)用性與優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)建在省地一體化智能計(jì)算平臺(tái)基礎(chǔ)上，位于安全Ⅲ區(qū)，通過(guò)Ⅲ區(qū)EMS（能量管理系統(tǒng)）服務(wù)器進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)的交換。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為4層，如圖2所示。

（1）支撐平臺(tái)：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)建在地調(diào)智能計(jì)算平臺(tái)基礎(chǔ)上，支撐平臺(tái)提供通信、數(shù)據(jù)管理服務(wù)，與省調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行通信。

（2）模型、方式管理：構(gòu)建系統(tǒng)模型參數(shù)管理數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和歷史環(huán)境信息構(gòu)建設(shè)備停運(yùn)模型，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整、檢修計(jì)劃導(dǎo)入、方式調(diào)整等工作。

（3）風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算：自動(dòng)給出故障集，根據(jù)故障集計(jì)算各類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，將各種異常情況轉(zhuǎn)換為切負(fù)荷指標(biāo)，給出電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)。

（4）展示界面：根據(jù)各個(gè)地區(qū)的特點(diǎn)構(gòu)建可視化界面。

圖2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

2 故障集自動(dòng)生成

本系統(tǒng)基于拓?fù)浞治龊凸收嫌绊懹颍⒒诟怕蔬M(jìn)行故障過(guò)濾，自動(dòng)生成故障集。進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的故障集除N-1故障外，還需考慮多重故障。用蒙特卡羅法可以考慮多重故障的情況，但其速度無(wú)法達(dá)到實(shí)用化程度，在實(shí)際的實(shí)時(shí)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，還需要使用解析法來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，因此需要在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前得到一個(gè)可以覆蓋大部分危險(xiǎn)點(diǎn)的故障集。

多重故障集自動(dòng)生成主要考慮兩方面的因素：對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浞治霾?duì)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)；考慮故障的影響域。

2.1 拓?fù)浞治?/p>

首先建立電氣島的節(jié)點(diǎn)支路連通圖，然后搜索該圖的任一棵支撐樹，以此為基礎(chǔ)生成單連支回路，進(jìn)而將存在公共邊的回路合并為一個(gè)分區(qū)，再將這些環(huán)狀分區(qū)相應(yīng)的支路從圖中移除，剩下的輻射狀支路則按連通性進(jìn)行分區(qū)。

根據(jù)上述分區(qū)原則，每條支路將屬于某一分區(qū)，分區(qū)之間僅存在公共節(jié)點(diǎn)，不可能存在公共的邊（支路）。因此，在不破壞電氣島連通性的情況下，一個(gè)分區(qū)內(nèi)預(yù)想故障的影響范圍僅限于該分區(qū)，因此只需對(duì)該分區(qū)進(jìn)行分析計(jì)算，以提高計(jì)算效率。在不同的分區(qū)同時(shí)發(fā)生預(yù)想開斷的后果可近似為各預(yù)想開斷設(shè)備單獨(dú)開斷后果的線性疊加，對(duì)此，不論該多重預(yù)想故障是否存在安全問(wèn)題，均不需要作進(jìn)一步的詳細(xì)分析。對(duì)于多重故障，僅需重點(diǎn)關(guān)注同一個(gè)區(qū)內(nèi)發(fā)生多重故障，即多重故障的后果較各單重故障后果的線性疊加更為嚴(yán)重。對(duì)于預(yù)想開斷導(dǎo)致電氣島連通性破壞的情況，如果孤立區(qū)域既沒有電源，也沒有負(fù)荷，仍可以采用上述方法進(jìn)行處理，否則需要進(jìn)行詳細(xì)分析。對(duì)于母線預(yù)想開斷的情況，相當(dāng)于開斷該母線相鄰的所有支路，這些支路如果位于同一個(gè)分區(qū)內(nèi)，則只需對(duì)該分區(qū)進(jìn)行分析，否則需對(duì)相關(guān)的多個(gè)分區(qū)同時(shí)進(jìn)行分析。

對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)有利于減小每次故障分析的計(jì)算規(guī)模，也能夠有效過(guò)濾大量的預(yù)想開斷后果可以近似線性疊加的故障。在電網(wǎng)逐漸解除電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的情況下，充分利用上述分區(qū)思路可望獲得較好的效果。

2.2 故障影響域

分區(qū)思路能夠有效過(guò)濾許多不需要關(guān)注的故障（無(wú)害或后果可近似線性疊加的情況），并提高計(jì)算效率，但仍然不能完全解決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題。采用上述分區(qū)方法對(duì)實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)時(shí)可能將一個(gè)大電網(wǎng)分解為一個(gè)或幾個(gè)較大的分區(qū)和許多小的分區(qū)，對(duì)于大的分區(qū)，其N-2故障集的規(guī)模可能仍然較大，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的分解，以快速過(guò)濾安全的故障集，而將關(guān)注的重點(diǎn)定位至可能存在安全問(wèn)題并需詳細(xì)分析的故障。

在電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，可根據(jù)分區(qū)的思路先進(jìn)行N-1預(yù)想故障分析。對(duì)于每一個(gè)N-1開斷，首先可根據(jù)開斷前后潮流的分布情況確定預(yù)想開斷的主要影響域。對(duì)于開斷前后潮流變化不大或開斷后潮流反而變小的支路，可以不予關(guān)心，只關(guān)注開斷后潮流明顯變大的支路。將N-1預(yù)想開斷設(shè)備自身及開斷后潮流明顯變大的支路定義為該設(shè)備的影響域。判斷支路潮流是否明顯增大可根據(jù)設(shè)備開斷后的潮流轉(zhuǎn)移系數(shù)，并參考支路短時(shí)過(guò)載能力與開斷前支路潮流的差額來(lái)確定。

對(duì)于故障影響域沒有重疊的2個(gè)N-1開斷，如果這2個(gè)設(shè)備同時(shí)開斷，其后果近似為2個(gè)N-1開斷后果的線性疊加，可以不予關(guān)注。正常情況下，N-1開斷下電網(wǎng)的安全性應(yīng)得到保證，即所有的N-1開斷均應(yīng)是安全的，這樣所有可以近似線性疊加的N-2開斷也是安全的。因此只需根據(jù)N-1故障的影響域是否重疊，即可生成需關(guān)注的N-2故障集。由此再進(jìn)一步，可以考慮根據(jù)N-m故障的影響域和N-1故障的影響域生成N-（m+1）故障集。根據(jù)上述思路，生成需關(guān)注的N-2故障集，并結(jié)合并行計(jì)算進(jìn)行實(shí)際大規(guī)模電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在計(jì)算性能上能夠得到較好保證。

3 考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析

靜態(tài)安全分析主要通過(guò)對(duì)導(dǎo)納矩陣的修正和修正后電網(wǎng)的潮流計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于需要掃描的預(yù)想故障集規(guī)模龐大，潮流算法的性能是保證靜態(tài)安全校核實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。可以直接采用精確的交流潮流計(jì)算進(jìn)行靜態(tài)安全分析，在潮流不收斂的情況下，采用直流潮流計(jì)算進(jìn)行靜態(tài)安全分析。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種潮流計(jì)算方法，包括PQ分解法、極坐標(biāo)牛頓拉夫遜法、直角坐標(biāo)牛頓拉夫遜法和最優(yōu)乘子法。其中，最優(yōu)乘子法通過(guò)在牛頓拉夫遜法的狀態(tài)修正時(shí)引入最優(yōu)修正步長(zhǎng)（乘子），并利用直角坐標(biāo)下潮流方程的二次齊次特性，明顯改善了潮流分析的收斂性，可用于求解病態(tài)潮流。

一般情況下，電網(wǎng)事故能夠得到及時(shí)有效處理，但風(fēng)險(xiǎn)仿真考慮的是極端情況，是事故發(fā)生后，假設(shè)電網(wǎng)運(yùn)行人員不作為或來(lái)不及響應(yīng)，造成電力設(shè)備連鎖開斷。連鎖故障的參數(shù)并不是線路的長(zhǎng)期限額或短期限額，而是采用繼保限額，該限額對(duì)應(yīng)當(dāng)前繼電保護(hù)設(shè)備中整定的跳閘參數(shù)，使用這個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)備的跳閘模擬。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有線路在預(yù)想故障下超出其繼保限額，則跳開該條線路，并繼續(xù)進(jìn)行潮流計(jì)算，計(jì)算的結(jié)束條件有3點(diǎn)：沒有超繼保限額的線路、電網(wǎng)解列、潮流計(jì)算不收斂。連鎖故障的安全分析流程如圖3所示。

圖3 連鎖故障的安全分析流程

4 配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可視化

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)曲線、餅圖、表格等方式展現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果。可在潮流圖上以餅圖形式自動(dòng)顯示當(dāng)前電網(wǎng)的變電站風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，同時(shí)也可在潮流圖上進(jìn)行模擬檢修操作、風(fēng)險(xiǎn)分析等。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)可視化

對(duì)于周檢修中的每個(gè)負(fù)荷斷面的負(fù)荷消減概率，在折線圖上的顯示見圖4。

圖4 負(fù)荷消減概率

對(duì)于周檢修中的每個(gè)負(fù)荷斷面的變電站全停概率，在折線圖上的顯示見圖5。

圖5 變電站全停概率

4.2 地區(qū)電網(wǎng)的薄弱點(diǎn)可視化

周檢修方式下，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析后，可以通過(guò)顯示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將電網(wǎng)薄弱點(diǎn)以餅圖形式展示出來(lái)，如圖6所示。

圖6 風(fēng)險(xiǎn)餅圖

5 算例分析

5.1 大規(guī)模清潔能源接入的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及對(duì)策

針對(duì)麗水地區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)在不對(duì)大量小容量清潔電源進(jìn)行建模、不增加原電網(wǎng)模型維護(hù)工作量的前提下，為了準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)社會(huì)總用電負(fù)荷，開發(fā)了大規(guī)模清潔能源接入電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估功能。

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從OPEN3000等EMS系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)負(fù)荷并導(dǎo)入BPA（電力系統(tǒng)綜合仿真程序）電網(wǎng)模型的功能。在導(dǎo)入負(fù)荷時(shí)，由于不對(duì)小容量清潔電源進(jìn)行建模，因此直接將已扣除小電源出力的母線負(fù)荷導(dǎo)入BPA模型。之后，在發(fā)用電平衡模塊中，按分區(qū)將小容量電源的總出力值輸入程序，保證準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出各分區(qū)的社會(huì)總用電負(fù)荷。

以麗水地區(qū)為例，由于5月份是汛期，對(duì)于龍泉、云和等水資源豐富的區(qū)域，總關(guān)口負(fù)荷可能是倒送的，所以在程序中輸入每天的地區(qū)小水電總出力，以獲得準(zhǔn)確的社會(huì)總用電負(fù)荷。

針對(duì)麗水小水電發(fā)電比較多，衢州風(fēng)能、太陽(yáng)能已經(jīng)并網(wǎng)等情況，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)考慮清潔能源所占地區(qū)供電百分比，建立了備用容量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。麗水某月周檢修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)表及對(duì)策如圖7所示。

圖7 麗水周檢修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)表及對(duì)策

5.2 配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全預(yù)警

針對(duì)余姚地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，本系統(tǒng)基于基礎(chǔ)停運(yùn)率、老化失效率和外部惡劣環(huán)境等因素，開發(fā)了對(duì)電網(wǎng)線路的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全預(yù)警功能。系統(tǒng)關(guān)于余姚配電網(wǎng)的可靠性數(shù)據(jù)如圖8所示，根據(jù)假想故障對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行安全預(yù)警所給出的分析結(jié)果如圖9所示。

從圖8可見，余姚配電網(wǎng)地區(qū)線路的基礎(chǔ)停運(yùn)率、老化失效率相對(duì)較低，在正常運(yùn)行方式下，可以認(rèn)為線路可靠性相對(duì)較高。然而外部惡劣環(huán)境，尤其是臺(tái)風(fēng)因素對(duì)線路失效概率影響較大，對(duì)此系統(tǒng)也根據(jù)數(shù)據(jù)給出了線路失效的主要原因。

圖8 余姚配電網(wǎng)部分線路可靠性數(shù)據(jù)

圖9 余姚配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全預(yù)警結(jié)果

從圖9可見，當(dāng)出現(xiàn)假想故障后，在配電網(wǎng)區(qū)域?qū)?huì)有不同個(gè)數(shù)的失電配電變壓器（簡(jiǎn)稱配變）出現(xiàn)，系統(tǒng)不僅給出了其個(gè)數(shù)及失去負(fù)荷量，還基于這些數(shù)據(jù)給出了失效概率和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合麗水和余姚地區(qū)配電線路特點(diǎn)的配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控分析及安全預(yù)警技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)故障集自動(dòng)生成、考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析、配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可視化以及大規(guī)模清潔能源接入的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估安全預(yù)警等功能，可以為調(diào)度運(yùn)行人員進(jìn)行故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供可靠的決策依據(jù)，大大提高工作效率和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警水平。

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（本文編輯：徐 晗）

Application of Distribution Network Risk Prevention Analysis and Safety Warning Technology

WANG Dazhi1，YANG Chenghe2，HOU Fangdi3
（1.State Grid Yuyao Power Supply Company，Yuyao Zhejiang 315400，China；2.State Grid Lishui Power Supply Company，Lishui Zhejiang 323000，China；3.School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

As the scale of distribution networks is becoming increasingly larger,both power supply enterprises and power consumers have stricter requirements on power distribution system reliability.This paper introduces the distribution network risk prevention analysis and safety warning technology.In accordance with features of distribution lines in Lishui and Yuyao,the paper introduces the implementation of the technology in terms of automatic system fault set generation,static safety analysis considering cascading faults and visualization of distribution network risk evaluation.Finally,the paper analyzes practicability and superiority of the technology in accordance with calculation examples of distribution networks in Lishui and Yuyao.

risk prevention analysis；safety warning technology；system fault set；the static security analysis；risk assessment visualization

TM732

B

1007-1881（2015）12-0064-05

2015-05-08

王大治（1979），男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行及自動(dòng)化工作。