張寶軍

(大唐東北電力試驗研究所有限公司,長春 130012)

地區(qū)電網(wǎng)風險評估系統(tǒng)研究

張寶軍

(大唐東北電力試驗研究所有限公司,長春 130012)

針對目前電力系統(tǒng)風險評估側(cè)重在元件級的分析較多、系統(tǒng)級評估較少的問題,研究了地區(qū)電網(wǎng)風險評估系統(tǒng),從運行綜合評估、變電站運行方式評估等方面對該系統(tǒng)進行分析,通過實際算例,驗證了系統(tǒng)先進性和實用性。

地區(qū)電網(wǎng);風險評估;系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展,電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復雜,電網(wǎng)智能化與風險并存,如果電網(wǎng)的局部出現(xiàn)危機,可能會迅速波及整個電網(wǎng),并在相連的巨大電網(wǎng)間傳遞。地區(qū)電網(wǎng)連接方式混亂,經(jīng)常是輻射網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)并存,而且電壓等級較多,負荷種類繁雜,重要程度不同,對電能質(zhì)量的要求也不盡相同。

目前地區(qū)電網(wǎng)的運行監(jiān)視手段為SCADA/ EMS系統(tǒng),計算分析手段主要是EMS系統(tǒng)的調(diào)度員潮流和運行方式離線計算,控制手段主要為調(diào)度預案、運行控制極限和安裝自動裝置等。隨著地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,調(diào)管設備快速增多,調(diào)度運行人員對地區(qū)電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)和設備運行狀況掌握程度不斷下降。電網(wǎng)運行中大量冗余實時數(shù)據(jù)和信息,已無法通過SCADA/EMS系統(tǒng)進行完全、批量、實時、準確地表達。傳統(tǒng)圖形表達方式已無法滿足調(diào)度運行人員對電網(wǎng)實時信息可閱性、提示性和概括性的要求,導致調(diào)度員視覺上的模糊,太專注局部變化而弱化了對電網(wǎng)整體運行態(tài)勢發(fā)展的全面掌握。同時,地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)眾多重要、高危客戶的供電可靠性、設備重載/過載、以及66 k V及以下系統(tǒng)線路、主變壓器N-1掉閘后的負荷轉(zhuǎn)移、相關(guān)設備運行情況以及系統(tǒng)的安全裕度分析,大多是基于調(diào)度運行人員的經(jīng)驗進行定性判斷,調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)對調(diào)度運行人員的輔助指導未能充分發(fā)揮作用,地區(qū)調(diào)度應對突發(fā)、緊急事件的處置措施尚需完善,電網(wǎng)精細化調(diào)度程度有待提高。

地區(qū)電網(wǎng)是大電網(wǎng)和用戶之間的接口,它能否安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)是否安全穩(wěn)定以及效益的高低。因此對地區(qū)電網(wǎng)進行風險評估,找到薄弱環(huán)節(jié)并給予增強穩(wěn)固來提高電網(wǎng)的整體可靠性,將風險盡最大可能降低具有重要現(xiàn)實意義。

1 理論依據(jù)

潮流方程是非線性方程,不能直接求解,只能用迭代法,目前比較成熟的迭代法有牛頓法和PQ分解法。牛頓法收斂速度較慢,收斂性好,適合于低壓網(wǎng);PQ分解法收斂速度較快,收斂性較差,適合于高壓電網(wǎng)。

1.1 牛頓法

牛頓-拉夫遜法(或稱牛頓法)是求解非線性方程組最有效的方法。其原理是在解的某一臨域內(nèi)的某一初始點出發(fā),沿著該點的一次偏導數(shù)——雅可比矩陣朝減小方程殘差的方向前進一步,在新的點上再計算殘差和雅可比矩陣繼續(xù)前進,重復這一過程起到殘差達到收斂標準即得到非線性方程組的解。因為越靠近解,偏導數(shù)的方向越準,收斂速度越快,因此其具有二次收斂特性。

1.2 PQ分解法

牛頓法用于電力系統(tǒng)潮流計算雖然是行之有效的方法,但是其雅可比矩陣是接近2n階的系數(shù)矩陣,且每次迭代都需重新生成,這無疑需要較大的內(nèi)存和較長的時間。因此,在牛頓法的基礎(chǔ)上又演變出了PQ分解法。在交流高壓電網(wǎng)中,輸電線路的電抗要比電阻大得多,系統(tǒng)中母線有功功率的變化主要受電壓相位的影響,無功功率的變化則主要受母線電壓幅值變化的影響。PQ分解法就是利用節(jié)能功率的極坐標形式,結(jié)合電力系統(tǒng)的特點,把有功功率的不平衡量作為修正電壓相角的依據(jù),把無功功率的不平衡量作為修正電壓值的依據(jù),然后分別迭代求解,也稱為快速解耦法。但由于其近似條件在低壓配電網(wǎng)中不成立,因此不適于計算低壓配電網(wǎng)的潮流。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能設計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)平臺和高級應用兩部分。基礎(chǔ)平臺涵蓋了網(wǎng)絡通信管理、用戶管理、配置管理、日志管理、圖形顯示與編輯、報表管理、報警管理等功能。高級應用則包括了拓撲管理、潮流計算、綜合量化風險評估、變電站及大用戶評估、N-1開斷掃描、主變壓器高峰負荷預測、負荷轉(zhuǎn)移計算、無功電壓安全分析、運行方式編制輔助決策、接口管理等模塊。各個模塊之間的關(guān)系如圖1所示。

2.2 主要功能

a.地區(qū)電網(wǎng)風險成因分析。包括:外力破壞、自然災害、環(huán)境因素、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設備健康水平、繼電保護和制動裝置、電廠和重要用戶、負荷分布及特性、運行方式安排、人員行為及素質(zhì)等多個方面。

b.風險評價指標體系的建立。主要是針對電網(wǎng)中的主要設備,進行各項指標的計算,既包括容載比、供電可靠率、負載率、備用容量百分比、“N-1”校驗、線路聯(lián)絡率、設備故障率、設備裝備水平等確定性指標,也包括頻度、平均期望值等概率性指標,對地區(qū)電網(wǎng)進行綜合評價。

c.電網(wǎng)基準風險評估?；鶞试u估涵蓋影響電網(wǎng)的各方面,需綜合考慮外部因素和內(nèi)部因素,在分析各種因素可能造成的后果及概率大小時,主要參考地區(qū)電網(wǎng)運行歷史記錄,同時也對比國內(nèi)外地區(qū)電網(wǎng)大停電事故,分析類似場景在本地電網(wǎng)出現(xiàn)的可能性。評估的主要內(nèi)容包括:外力破壞、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設備健康水平、繼電保護和制動裝置、負荷分布及特性、運行方式安排等,以及不同地區(qū)所特有的風險問題。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

d.持續(xù)風險評估。在電網(wǎng)運行過程中,針對特定的情況如重大檢修安排、非正常運行方式、重大保供電時期等,需要進行不間斷的、持續(xù)的風險評估。從實用性角度出發(fā),對電網(wǎng)建立風險星級評價和控制機制。從各風險因素發(fā)生的概率、負荷損失幅度、可能失壓廠站的數(shù)量、可能失壓廠站的重要程度以及其它因素的基礎(chǔ)上,將多風險指標值綜合成單指標值(風險星級),以表示風險的可能性及損失程度,由此決定相應的風險控制措施。根據(jù)電網(wǎng)受威脅程度,將風險因素分為6個等級,分別是1星級至6星級。其中,1星級是一般等級風險,6星級是最高等級風險,也是不可承受風險。

e.規(guī)避電網(wǎng)風險措施和建議的提出。以量化的風險評價指標反映地區(qū)電網(wǎng)運行風險的變化趨勢,為電網(wǎng)運行、規(guī)劃等多方面提供輔助決策,為運行人員采取校正措施避免電網(wǎng)風險嚴重惡化提供必要的預警時間,并可為處理重大停電事件的預防或矯正性措施決策提供科學依據(jù)。

3 算例分析

目前,國內(nèi)外對電網(wǎng)的量化評價體系研究主要包括供電能力評估、供電可靠性評估、供電質(zhì)量評估、經(jīng)濟性評估、充裕性評估等方面。但這些評估體系都是針對運行方式或規(guī)劃網(wǎng)絡,所依據(jù)的數(shù)據(jù)一般都是典型時刻的斷面值或者一段時間的平均值。該系統(tǒng)則將地區(qū)電網(wǎng)綜合安全風險評估重點放在風險成因分析上,著重對當前運行狀態(tài)存在的風險成因進行評估。實時評價指標從供電能力評估、供電質(zhì)量評估、經(jīng)濟性評估三方面進行分類評估。

3.1 供電能力評估

饋線供電半徑合格率指標:該指標統(tǒng)計對象為全網(wǎng)或220 k V片網(wǎng)當中的10 k V饋線,統(tǒng)計其供電半徑的合格比例。根據(jù)《農(nóng)村電力網(wǎng)規(guī)劃設計導則》,農(nóng)網(wǎng)中10 k V饋線超過15 km則視為過長。其計算公式為:

主變壓器平均最高負載率指標:該指標統(tǒng)計對象為全網(wǎng)或220 k V片網(wǎng)當中的主變壓器,統(tǒng)計其平均最高負載率水平。其計算公式為:

3.2 供電質(zhì)量評估

母線電壓合格率指標:該指標統(tǒng)計對象為全網(wǎng)或220 k V片網(wǎng)當中各變電站的中低壓側(cè)母線,統(tǒng)計其電壓合格情況。其計算公式為:

式中:Tu為每條母線電壓合格的累計時間。

3.3 經(jīng)濟性評估

理論線損率指標:該指標統(tǒng)計對象為全網(wǎng)或220 k V片網(wǎng)的主變壓器和線路,統(tǒng)計其總計的理論線損率水平。其計算公式[1]為:

4 結(jié)束語

通過該風險評估方法,將配電網(wǎng)中不同電壓等級變電站內(nèi)的變壓器、母線、電纜、架空線故障率進行有效的統(tǒng)計,從而得出不同設備可能發(fā)生的故障情況并給出具體量化的分值。其分值有效的對配電網(wǎng)的故障程度進行了描述,達到了直觀地反映了故障情況的目的。通過平均期望值的策略使得風險評估結(jié)果更加精確,指導意義更加具有實際指導性,將以往不能發(fā)現(xiàn)的隱患信息進行展示,起到了警示的作用,從而為電網(wǎng)的健康運行提供了一定的支撐,具有廣闊的應用前景。

[1] 金 輝,于音波.基于層次分析法的中壓配電網(wǎng)評價[J].供用電,2011,28(2):30-33.

本文責任編輯：王麗斌

Regional Power Grid Risk Assessment System Research

Zhang Baojun
(Datang Northeast Electric Power Test&Research Institute Co.,Ltd,Changchun 130012,China)

In view of the present power system risk assessment more focused on the analysis of the component level,system level evaluation fewer problems,regional power grid is studied risk assessment system,comprehensive evaluation,assessment of substation operation mode from the run of the system were analyzed,and through example analysis,verified the system advancement and practicability.

regional power grid;risk assessment;system development

TM732

A

10019898(2017)02000503

20161020

張寶軍(1978-),男,工程師,主要從事電力技術(shù)監(jiān)督、技術(shù)攻關(guān)相關(guān)工作。