考慮極端氣象的彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳立征，張宇昊，劉林

(山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東濟南250101)

0 引言

全球氣候變暖帶來的高嚴重度的極端氣象事件頻發(fā)，給各行業(yè)帶來了不同程度的困擾，作為人類生存日益依賴的電網(wǎng)也飽受其害。 2008 年，湖南發(fā)生了嚴重冰災(zāi)，輸電線路覆冰嚴重，造成大面積斷線、倒塔事故，繼而引起電力供應(yīng)不足，給人們的正常生活與經(jīng)濟發(fā)展帶來了嚴重的損失[1－2]。 2019 年，澳大利亞持續(xù)數(shù)月的大火，不僅給環(huán)境、動物造成災(zāi)難性破壞，也對電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施造成損壞，給澳大利亞電網(wǎng)的正常運行帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，大量用戶與企業(yè)面臨停電，悉尼遭受停電威脅[3－4]。 根據(jù)我國之前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，線路跳閘故障中，由自然災(zāi)害引起的高達60.8%[5]。 頻發(fā)的極端氣象對電網(wǎng)影響的研究越來越不容忽略。

由于目前電網(wǎng)(尤其是我國電網(wǎng))大多通過高壓輸電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)跨區(qū)域高度互聯(lián)，上述極端氣象等擾動的發(fā)生往往會導致電網(wǎng)大面積故障[6]。 這類故障不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)故障，具有以下特征:(1) 發(fā)生概率較小，常常忽略其發(fā)生以及防御，一次設(shè)備在設(shè)計時一般能滿足幾十年一遇的標準，而對該類故障完全缺乏防御力；(2) 涉及范圍廣，一旦故障發(fā)生會帶來大范圍的影響，考慮經(jīng)濟性因素無法通過大范圍提高電網(wǎng)一次設(shè)備的設(shè)計標準來改善電網(wǎng)防御能力；(3) 故障后果嚴重，雖然故障發(fā)生的概率較小，但由于后果嚴重，所以該類故障對電網(wǎng)的威脅絲毫不弱于發(fā)生概率相對更高的傳統(tǒng)故障；(4) 故障后難以迅速恢復， 故障的表現(xiàn)形式往往是連鎖、群發(fā)、相繼型的，故障后電網(wǎng)出現(xiàn)一次設(shè)備機械性損壞以及電網(wǎng)大范圍停電等，但電網(wǎng)的恢復過程涉及復雜的決策問題[7－8]。

傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真與評估研究往往是面向發(fā)生概率較高的單一故障場景，且無法仿真故障后氣象影響下電力系統(tǒng)的復雜動態(tài)過程。 考慮上述極端氣象事件在電網(wǎng)中引發(fā)故障的特征，相應(yīng)的研究方法應(yīng)面向故障發(fā)生后的整個電網(wǎng)動態(tài)過程，對極端氣象影響下電網(wǎng)的抵御過程與恢復過程進行研究，彈性電網(wǎng)概念能較好地滿足研究需求。 美國能源部首先提出了建設(shè)彈性電網(wǎng)，并給出了彈性具體的含義，即能源設(shè)施能夠快速從其組成部分或其所依賴的外部系統(tǒng)的損壞中恢復[9]。 趙麗敬[10]基于彈性概念，把電網(wǎng)故障響應(yīng)分為故障前預(yù)防災(zāi)害過程、故障后的脆弱性過程和恢復過程， 并實現(xiàn)了相應(yīng)建模。KWASINSKI[11]總結(jié)彈性電網(wǎng)具有穩(wěn)健性、智能性、恢復性和適應(yīng)性等4 個特征。 HUANG 等[12]把極端擾動影響下的彈性電網(wǎng)分為準備、預(yù)防、響應(yīng)、恢復等4 個階段。 孫江玉等[13]給出了極端擾動下電力系統(tǒng)的性能圖以及彈性電網(wǎng)演化過程，并針對不同的階段給出了提升電網(wǎng)恢復力的建議。 別朝紅等[14]總結(jié)了彈性電網(wǎng)及其恢復力的概念，并區(qū)分了國外災(zāi)變防御體系。

綜上所述，彈性電網(wǎng)的研究大部分聚焦于概念理論和定性分析，相應(yīng)的過程仿真與定量分析缺乏平臺支撐，構(gòu)建考慮極端氣象事件影響的電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)能夠提供相應(yīng)研究平臺與數(shù)據(jù)支撐。 因此，文章基于彈性電網(wǎng)的理論體系，提出了考慮極端氣象的彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)框架，對相關(guān)過程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)建模，并基于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程仿真分析軟件(Power System Simulator/Engineering，PSS/E)與編程語言Python 完成了彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)平臺開發(fā)工作， 并在冰雪與強風天氣下進行了仿真系統(tǒng)應(yīng)用，以期能夠揭示極端氣象影響下彈性電網(wǎng)的動態(tài)過程。

1 考慮極端氣象的彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計

構(gòu)建的彈性電網(wǎng)仿真框架如圖1 所示，主要是實現(xiàn)3 部分功能:(1) 極端氣象對電網(wǎng)的侵襲動態(tài)過程建模仿真；(2) 極端氣象影響下的電網(wǎng)動態(tài)過程仿真；(3) 兩系統(tǒng)交互關(guān)系仿真。

圖1 彈性電網(wǎng)仿真框架圖

1.1 氣象系統(tǒng)動態(tài)過程仿真模塊設(shè)計

彈性電網(wǎng)抵御對象為小概率、高嚴重度的極端氣象，包括極端冰雪天氣、強風天氣以及其他極端天氣。 構(gòu)建彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)首先要實現(xiàn)氣象系統(tǒng)的過程仿真。

(1) 冰雪天氣

冰雪天氣對彈性電網(wǎng)的影響機理主要是在特定的溫度、濕度條件下，輸電線路或桿塔上出現(xiàn)覆冰并逐漸增多，直至覆冰的重量超出了線路或桿塔的機械承載能力，從而造成斷線或者倒塔。 但是，輸電線路上流經(jīng)的電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會減緩覆冰進程。 基于文獻[15]，建立以下考慮線路電流熱效應(yīng)的覆冰重量模型， 由式(1)表示為

式中Mi為覆冰重量，kg；r(t)為覆冰輸電線路的半徑，m；Sw為風速，m/s；Cw為空氣液態(tài)水密度，kg/m3；I為輸電線路電流，A；Cc為收集系數(shù)；Ca為覆冰系數(shù)；Va為空氣運動指數(shù)；Ci為電流熱效應(yīng)系數(shù)；θ1、θ2分別為降水、風向與輸電線路之間的夾角。

(2) 強風天氣

強風天氣對電網(wǎng)威脅的表現(xiàn)形式是當風速和風向滿足一定條件時，會引起輸電線路的舞動，即輸電線路在風的作用下飛舞，有可能帶來以下兩類故障:①對于三相輸電系統(tǒng)，兩根輸電線路之間的距離會由于舞動減小，從而造成相間短路；② 當輸電線路周圍有故障物時，會由于線路與故障物之間距離過小，造成單相短路。 基于上述機理，建立線路舞動幅值模型，由式(2)表示為

式中A為線路舞動幅值，m；k為等效剛度，N/m；u為風速，m/s；L為線路的長度，m；m1為單位長度線路的重量，kg/m；m2為單位長度線路上的覆冰重量，kg/m；a和b為常數(shù)。

(3) 其他極端天氣

其他天氣包括雷電以及地震等破壞性天氣。 在高電壓等級輸電線路上一般都增設(shè)避雷線，但由于避雷措施單一，面臨復雜雷擊天氣時，仍有個別情況無法起到作用，從而導致電網(wǎng)的跳閘故障。 當雷擊作用過于強烈時，可能直接造成機械損壞，即帶來斷線故障。 對于地震、山洪等極端破壞性特強災(zāi)害，電力系統(tǒng)更是毫無抵御之力，而地震后的求助工作又極大程度上依賴于電能的供應(yīng)。

1.2 電力系統(tǒng)動態(tài)過程仿真模塊設(shè)計

彈性電網(wǎng)中電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真主要是基于成熟商業(yè)電力系統(tǒng)仿真軟件PSS/E 實現(xiàn)，其仿真模塊可實現(xiàn)在極端氣象發(fā)生時電網(wǎng)各參量的變化仿真。根據(jù)故障是否觸發(fā)以及觸發(fā)后時間節(jié)點可以分為以下3 類仿真模塊:

(1) 無故障時的潮流計算

當沒有故障發(fā)生時，電網(wǎng)潮流受負荷影響而發(fā)生變化，因此執(zhí)行考慮負荷波動的潮流計算，負荷采取逐小時更新的日負荷數(shù)據(jù)。

(2) 故障后的暫態(tài)仿真

當故障發(fā)生時，電網(wǎng)狀態(tài)會因外界擾動而在短時間內(nèi)迅速變化，因此通過機電暫態(tài)仿真，實現(xiàn)故障后電網(wǎng)的變量跟蹤與分析，由于該過程電網(wǎng)變量變化較快，因此仿真具有小步長、短周期的特性。

(3) 故障后的電網(wǎng)應(yīng)對措施

應(yīng)對措施主要包括繼電保護手段、低壓切負荷主動控制、功角失穩(wěn)解列等。 故障后輸電線路潮流改變，觸發(fā)繼電保護動作，根據(jù)線路電壓等級差異，執(zhí)行不同規(guī)范的跳閘與重合閘操作；對母線電壓執(zhí)行實時跟蹤測量，當?shù)陀谙薅ㄖ禃r，執(zhí)行兩輪主動切負荷方案；當以上動作仍未阻止電網(wǎng)功角失穩(wěn)時，執(zhí)行解列操作，將故障區(qū)域切除。 上述應(yīng)對措施均基于對電網(wǎng)參量變化的跟蹤以及自定義接口功能的實現(xiàn)。

1.3 氣象—電力系統(tǒng)交互作用仿真模塊設(shè)計

基于上述輸電線路覆冰模型、強風天氣線路舞動模型以及電力系統(tǒng)動態(tài)過程，建立了揭示氣象系統(tǒng)與電力系統(tǒng)間的交互影響機理的模型，并仿真實現(xiàn)。

(1) 冰雪天氣

基于式(1)覆冰重量模型，可以得到輸電線路上的實時覆冰重量，當覆冰重量超出線路承載重量限值時即觸發(fā)斷線，如圖2 所示。 在式(1)中，考慮了流過輸電線路的熱效應(yīng)，當部分輸電線路斷開時，會引起整個電網(wǎng)的拓撲變化以及電流的變化，從而影響覆冰過程。

圖2 輸電線路覆冰重量與斷線故障關(guān)系圖

(2) 強風天氣

基于式(2)線路舞動幅值模型，可以得到輸電線路的舞動幅值，當舞動幅度較小時，線路與線路之間的距離較大，不會觸發(fā)故障；當舞動幅度過大時，線路與線路之間距離過小，從而觸發(fā)相間短路；當舞動幅度介于兩者之間時，故障的觸發(fā)是概率事件。線路的相間故障本質(zhì)是高電壓下空氣的擊穿過程，根據(jù)巴申定律，介質(zhì)的擊穿電壓是氣體壓力與間隙距離乘積的函數(shù)。 由于氣體壓力是常數(shù)，因此擊穿與否與間隙距離呈現(xiàn)固定斜率直線關(guān)系。 對上述舞動幅值與輸電線路短路故障關(guān)系建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，如圖3 所示，其中A1為開始發(fā)生故障的振幅，A2為一定發(fā)生故障的振幅。

圖3 輸電線路舞動振幅與短路故障率關(guān)系圖

2 考慮極端氣象的彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)工具

在氣象系統(tǒng)動態(tài)過程仿真中，采用Python 編程語言對上述覆冰重量模型與線路舞動模型進行仿真實現(xiàn)。 Python 具有開放性好、代碼簡單、移植性與擴展性強等優(yōu)點，有利于各行業(yè)人員開發(fā)與拓展。

在電力系統(tǒng)動態(tài)過程仿真中，采用仿真軟件PSS/E，其功能完善，能夠提供電力系統(tǒng)潮流計算、故障分析、機電暫態(tài)仿真等模塊，而且提供了自定義接口，能夠?qū)崿F(xiàn)彈性電網(wǎng)在極端氣象影響下3 道防線的設(shè)置。

在氣象與電力系統(tǒng)交互仿真中，需要實現(xiàn)覆冰重量—斷線故障、線路舞動幅值—短路故障率的模型仿真，以及氣象系統(tǒng)仿真與電力系統(tǒng)仿真兩者之間的銜接與調(diào)用，因此采用Python 編程實現(xiàn)。 PSS/E提供了Python 接口，能夠通過豐富的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface，API)指令實現(xiàn)對電力系統(tǒng)仿真過程的調(diào)用與控制；同時，Python 也能夠?qū)上到y(tǒng)間的數(shù)學模型進行仿真實現(xiàn)。

2.2 實現(xiàn)流程

以極端冰雪天氣與強風天氣為例，基于PSS/E與Python 實現(xiàn)彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的開發(fā)，其系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖4 彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)流程圖

在上述彈性電網(wǎng)仿真流程中，主要通過Python實現(xiàn)氣象過程仿真，調(diào)用PSS/E 實現(xiàn)電力過程仿真以及兩者之間的交互。

(1) 氣象過程的仿真，包括覆冰重量、線路舞動幅值等，并根據(jù)氣象仿真結(jié)果設(shè)置電網(wǎng)故障，以下代碼是基于強風舞動幅值結(jié)果的220 kV 輸電線路的故障設(shè)置過程:

(2) 當無故障觸發(fā)時，電力系統(tǒng)運行方式不會發(fā)生改變，因此仿真結(jié)果也會保持穩(wěn)定，為提高仿真效率，直接跳過小步長、高精度的暫態(tài)仿真，采用大步長、高效率的潮流計算代替。 此仿真階段采用預(yù)設(shè)的潮流計算步長與周期參數(shù)，直至下一次故障觸發(fā)。 具體邏輯結(jié)構(gòu)流程如圖5 所示。

(3) 當故障觸發(fā)時，結(jié)束上述過程中的潮流計算，轉(zhuǎn)入小步長、高精度的暫態(tài)仿真過程。 根據(jù)氣象結(jié)果與電力系統(tǒng)故障的對應(yīng)關(guān)系，在電網(wǎng)中設(shè)置相應(yīng)的故障類型與位置，根據(jù)預(yù)設(shè)暫態(tài)仿真步長與周期參數(shù)執(zhí)行。 仿真過程中，對電壓、功角等狀態(tài)量逐步長監(jiān)視，設(shè)置越限、失穩(wěn)判斷模塊，并采用相應(yīng)的繼電保護與應(yīng)急控制手段，包括線路跳閘、重合閘，緊急切負荷、電網(wǎng)主動解列等措施。

圖5 彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)流程圖

3 彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)應(yīng)用算例

基于上述彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)分別在極端冰雪天氣與強風天氣下執(zhí)行彈性電網(wǎng)仿真。 采用PSS/E自帶的23 節(jié)點算例，其中輸電線路參數(shù)見表1。

表1 輸電線路參數(shù)表

3.1 極端冰雪天氣下彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)分析

(1) 氣象條件

溫度設(shè)定為2:00 達到最低值－10 ℃，14:00 達到最高值－5 ℃。 在時間窗口內(nèi)，溫度在正弦函數(shù)關(guān)系中隨時間變化；降水預(yù)測數(shù)據(jù)為降水基準值在1 mm/h的基礎(chǔ)上，每5 min 隨機變化20%；風速在8 m/s基準值上，每5 min 隨機變化20%。

(2) 仿真結(jié)果

以其中若干條輸電線路上覆冰動態(tài)過程為例，結(jié)果如圖6 所示。 圖6(a)中4 條輸電線路覆冰重量隨時間變化逐漸上升，其中＃3 由于超出了線路承載能力，發(fā)生了斷線。 ＃3 線路上的覆冰速率變化曲線如圖6(b)所示，覆冰速率受輸入氣象隨機變化的影響而上下波動。 以彈性電網(wǎng)的電流動態(tài)變化為例，結(jié)果如圖6(c)所示，可以看出在線路因覆冰開斷時，電流也跌落至零，非故障線路因潮流轉(zhuǎn)移引起了相應(yīng)電流的變化。

圖6 輸電線路覆冰動態(tài)過程變化圖

3.2 強風天氣下彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)分析

(1) 氣象條件

對輸電線路舞動起實質(zhì)作用的是垂直于線路方向的風，因此采集故障發(fā)生地區(qū)的風向與風速信息，并轉(zhuǎn)換為垂直輸電線路方向的風速，如圖7 所示。

圖7 垂直于輸電線路的風速波動曲線圖

(2) 仿真結(jié)果

基于上述彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，可以得到強風氣象影響下電網(wǎng)的失穩(wěn)演化過程及參數(shù)動態(tài)變化過程，某次電網(wǎng)故障場景過程部分故障見表2，不同輸電線路因故障類型不同，分別發(fā)生單相或相間短路故障。 對單相短路故障，設(shè)置重合閘措施。

另外，通過該系統(tǒng)仿真可以得到線路舞動幅值變化曲線，如圖8 所示。 以其中4 條輸電線路為例，振幅與風速變化趨勢基本一致，當發(fā)生故障時，跳閘排除了線路影響，因此振幅置零。

如上述兩個案例所示，文章建立的彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)能夠揭示極端氣象的演化過程，對氣象過程中的覆冰重量以及舞動幅值等進行跟蹤，并能夠展示在極端氣象影響下的電力系統(tǒng)動態(tài)過程，涵蓋電網(wǎng)中的各變量跟蹤以及圖形化演示，包括電壓、電流、功角等。

表2 某次故障場景的詳細過程表

圖8 故障后部分線路電流變化圖

4 結(jié)語

文章對極端氣象事件在彈性電網(wǎng)中的影響開展了研究，提出了揭示氣象事件與電力系統(tǒng)交互影響動態(tài)過程的彈性電網(wǎng)仿真框架，在時域范圍內(nèi)全面考慮各類氣象事件的影響機理以及彈性電網(wǎng)在故障前后的各類保護動作與控制措施，從而實現(xiàn)兩系統(tǒng)交互仿真。 建立了考慮輸電線路電流熱效應(yīng)的覆冰重量模型及其與電網(wǎng)斷線故障對應(yīng)關(guān)系模型、強風影響下的線路舞動幅值模型及其與線路短路故障關(guān)系模型，并基于仿真軟件PSS/E 與編程語言Python完成了彈性電網(wǎng)仿真系統(tǒng)開發(fā)工作。 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)彈性電網(wǎng)應(yīng)對氣象事件侵襲時的動態(tài)過程仿真，提供彈性電網(wǎng)在應(yīng)對氣候變化過程中動態(tài)的氣象變量以及電氣量，具有豐富的彈性電網(wǎng)仿真自定義接口，可為各類氣象事件影響下彈性電網(wǎng)仿真構(gòu)建平臺，為電力從業(yè)人員提供了有效的電網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究工具。