計及關鍵場景的電力系統暫態安全風險評估

張辰皓

(國網安徽省電力有限公司六安供電公司，安徽 六安 237006)

0 引言

電力系統的平穩運行對國家經濟增長、政治穩定以及人民生活保障起著重要作用，而及時對出現的故障進行預測評估和解決對于保持電網系統在各種情況下的穩定運行至關重要。

在電壓等級不斷升高、電站容量不斷提升的狀態下，如何遠距離低損耗地輸送電力是每個電力公司亟待解決的問題。

國外許多發達國家已經完成建立跨區域的同步電網，能夠保證不同電力用戶的需求及電網資源的高效利用。我國電網也實現了從局部供電向跨省市交流用電形式，形成了華東、華中、華北、東北和西北的同步電力運行電網系統。

電力系統運行過程中因受多種因素影響可能引發不同程度的故障，存在斷電或電網崩潰的風險，因此，需要一種有效的電網安全風險評估方法，在故障發生前或者發生時及時監測出故障位置和類型并消除故障，保證電力系統的正常運行。但由于傳統評估方法中缺乏針對各類因子較好的風險等級評判指標，往往會失去故障最佳診斷時機。為此，展開計及關鍵場景的電力系統暫態安全風險評估方法的研究，旨在確保大數據電網的穩定運行以及滿足正常供電需求。

1 確定暫態安全風險評估方法

1.1 設定計及關鍵場景的安全評估指標

設定電力系統在計及關鍵場景中有效保持安全運行的評估指標，需要對能夠產生風險系數的故障因子進行排除，并在此基礎上設置多個安全評估指標；從降維角度分析指標設定的范圍，須明確不同電力系統在運行過程中發生安全風險的次數和具體位置，引入K均值換算對比方法，劃分故障流經區域并定位關鍵斷面。

每個關鍵場景中能夠生成安全模塊的數據需要包含獲取發電的數據大小和節點負荷，用以判斷電路中承載的負荷量和電流比之間的有效關系。

在指標設置中，實際電網運行的安全指標主要包括兩個方面。

(1) 電力系統中某一個階段承載的最小和最大負荷，在關鍵路徑中是否需要擴展或縮進，能否支撐大區域電網的運行。

(2) 電網中關鍵元件在運行過程中是否能夠準確替代，在超大規模的電力系統中能否及時剔除發生故障點的元件組合，從而預防多維度電力災害。

根據相關要求整合出相應的安全評估指標，如功角穩定指標、電壓風險指標、頻率風險指標、時間裕度指標等。

安全評估指標設定完成后，檢查不同級別的指標是否存在相互交叉，采用專家打分的模式對設置好的指標個數依次評定，進行3～5個輪次的專家評級，對不滿足70分以上的指標加以刪除，按照專家分析后的結果重新劃分指標級別，并在此基礎上建立暫態穩定的組合模型，完成指標參數的選取。

1.2 建立暫態穩定組合模型

完成評估指標設定后，對計算量過大的限定因素進行重組，建立一個暫態穩定的組合模型(如圖1所示)，用于電力系統運行狀態測量。

圖1 暫態穩定組合模型

該暫態穩定組合模型中需要包含向量選擇和函數校對兩個模塊，用于對大量電網數據進行分類和范圍設定。

(1) 向量選擇模塊。對能夠自由選擇的函數指標的參數范圍進行初次設定，即在整個模型中需要一個初始處理數據的界定范圍。在此過程中要考慮具體分類參數在給定數據集合中獨立組合的變化規律，在合理界定范圍內保持其分類結果的優先選擇權，在該范圍內加入距離參數的取值標準和閾值的選取類型等。

(2) 函數校對模塊。利用選定函數的標定范圍進行數據全系列網格搜索的過程，根據上述安全指標對每種評價結果劃分出4個數量應用領域，直接對可以通過電網的數據完成類型的分差集合組合。以分類類型的不同對應選擇一定參數范圍進行自由排列，并容許所有自由組合的參數在電路介入時保持原有狀態不變。

在兩個模塊組合過程中對形同影響因素的范圍選擇必須保持一致，如果向量選取中無法針對某一個電力風險因子進行敲定時，可以引入函數校訂中不同領域的數量均值，用以擬補參數空缺，保證模型的連貫測量。此時，組合模型構建完成后，可以將特定的安全指標放置其中，進行電力系統連續風險的等級排序。

1.3 連續比較雙層指標風險等級

在暫態穩定的組合模型中對能夠產生風險的指標因素進行分類，將其按照相對順序形成雙層組織葉狀結構，清晰布置每個風險因素對電網系統的威懾指數。

整個結構中相對連續的整數能夠形成線性的離散變量，需要依次對變量中轉換因子的確定劃定逐次區，并在劃定過程中進一步排序結構中風險的先后等級。

(1) 在連續混合中找到相似的分數類型，限制其在短暫時間內不會產生變化，依次確定安全因子和風險因子分布層級。

(2) 對需要調整上下結構的暫定因子進行重新布控，將兩級狀態下分布的各個故障因子布控在可以隨意摘取的樹狀組織上，協調控制約束中的緊急制控風險因子擾動問題。

(3) 將控制區域的所有安全因子加以剔除，保留全部能夠影響電力系統運行的風險因子，在可以接受的水平范圍之內，按照映射范圍區域的大小進行排序，采用相應的緊急控制措施以保證系統的暫態穩定。

根據整合后的風險因子，按照緊急狀態、平緩狀態、不參與狀態進行故障的等級劃分，在每個等級中可以對產生風險因子的主要因素進行指標評估，找出相同類型故障因子產生的具體原因。

針對能夠影響電力系統的安全風險進行等級排序，可以清晰地了解每個風險因素對電力系統穩定運行的破壞指數，并在此基礎上對每個指數進行風險發生高概率預測。

1.4 最大系數預測電力系統風險概率

在劃分好等級的風險安全等級中，尋找各個指標中不同程度的風險因子，在每個因子的不同排列組合中造成大小不一的故障發生，需要對組合狀態下的各類因子進行風險概率預測。將所有的風險因素看作一個數據集合，在每個集合內會存在相互的隱含關系，其中隱藏關系越深的因素對整個集合的變動影響越大，需要在衡量變量之間的關系中尋找到相互依存的指標，從而預測每個線性關系中風險識別能力。

在變量中對最小信息系數求解的過程可以捕捉到最近的變量，設置有限集合K中帶有橫縱坐標軸，每個元素a和b到坐標的位置涵蓋多個區域，每個區域小格在變化過程中會映射出對應的變量U，推導最大系數表達式為：

其中：U(K/j)代表(K/j)之間的相互信息，Ui(K[a，b])可以為所有產生距離的元素a和b提供網格對照位置，其中能夠影響最遠距離的結算因子為U(K/j)涵蓋的范圍。每次元素在自我替換過程中可以根據變量U進行數字矩陣轉換，在無限增加的數值取量中找到最大值對應的區域范圍，即為風險因子能夠布控的地點，從而評估出風險發生的概率。

在設置多個安全風險指標的基礎上，構建暫態穩定模型，判斷各類指標的等級排序，求取不同系數中風險發生的概率以完成計及關鍵場景下電力系統暫態安全風險的評估方法設計。

2 實驗結果分析

2.1 線路與節點選擇

為驗證該方法是否能夠有效地應用在電力系統暫態安全風險評估中，決定采用實驗測試的方法進行論證。

實驗開始前引入2組傳統評估方法，在能夠準確定位故障點的基礎上進行對比實驗，比較不同方法在評估故障時所用的時間。

以某市新建的電力系統為例，選擇5條運行線路，每個線路中各包含3個節點，根據實際調查中近3個月內每個節點發生故障的情況進行選擇(見表1)。

表1 線路與節點樣本數據

根據表1中選擇樣本數據可知，主要故障類型為過負荷，其次是發電機故障。在發生過電壓故障的線路中，以L114-21和L124-28線路發生故障的次數偏多，21和17號節點的故障次數超過15次，每條線路中包含3個不同位置的節點之間不會產生交叉電流。對選擇好的線路進行監測，記錄每個節點位置承受的負荷情況，以便定位節點故障發生的時間。

2.2 故障位置時間

電力系統的線路安全問題主要受電路的負荷影響，在不同電路負荷下產生的電流比不同，所流經到每個線路節點處的電壓值會發生一定的變化。

一般情況在負荷值增加的情況下，產生的電流比值會增強，此時，電力系統中各線路能夠承受的電流密度大小是發生故障與否的唯一指標，檢測在不同負荷下線路所承受的電流比值變化情況，如圖1所示。

圖1 電力負荷與電流比值變化情況

根據圖1中曲線走向可知，在負荷值越高的情況下電力系統發生故障的幾率越大，在負荷值為320 kW時電力系統承載的電流壓強會隨之升高，影響線路的安全。

以負荷轉折值為故障定位指標，對用電高峰時段檢測每條線路中節點故障發生的時間，對比結果如圖2所示。

圖2 線路節點故障發生時間

由圖2可知，在L114-21和L124-28線路中產生了較大的電流比值波動，表示該線路中的某些節點有發生過負荷故障的可能，檢查后得知故障節點分別為21和17號節點，對照電流的前后變化可以確定兩個節點分別在12:40和14:30發生了過負荷故障。

2.3 測試結果分析

為進一步驗證該方法能否在安全風險發生之前減少預測等待時間并提高電力系統的穩定性，要在故障點確定之前評估出線路的節點位置。引用軌跡分析與相位校正兩組傳統的評估方法作對比，每組評估方法均可以在故障發生前完成定位，在MAYILU仿真平臺中進行10組實驗測試，驗證對產生故障點的線路所需的評估時間。設置線路中壓降不超過320 V，每次通過線路的電流比為24～32，具體測試結果見表2。

表2 故障點位置的評估時間 s

根據表2可知，上述暫態安全風險評估方法在2個故障節點的評估時間分別為8.17 s和10.16 s，軌跡分析評估方法所用的時間分別為125.04 s和124.32 s，相位校正評估方法所用時間分別為131.80 s和127.57 s。

綜合測試結果來看，該暫態安全風險評估方法在故障點評估中所用時間能夠控制11 s以內，而兩組傳統方法的用時均超過120 s，因此，采用上述新方法不僅能夠提高工作效率，而且能夠及時維護電力系統的穩定運行。

3 結束語

電力系統超大負荷的運行會產生較大電流，影響線路的運行效果，并且由此產生節點故障，增大了風險發生概率。實驗結果表明，在故障點評估方面，兩組傳統方法的評估用時均超過2 min，而新方法能夠控制在11 s以內，可以及時維護電力系統的穩定運行。

然而，在研究過程中，對評估方法設計的側重點放在了等級排序上，一旦電力系統在大規模電壓崩潰中因無法直接選擇風險系數造成故障定位偏差，會在一定程度上影響評估結果的準確性。因此，在后續研究過程中，將針對提出的問題進行深層次剖析，解決不同情況下電力系統的安全風險問題，確?？茖W有效地保障其穩定運行。