張 林，張繼紅，劉欣宇，邊宏宇，賴民昊

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶400014）

城市核心電網(wǎng)規(guī)劃的可靠性充裕度等值評(píng)估

張 林，張繼紅，劉欣宇，邊宏宇，賴民昊

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶400014）

對(duì)與城市核心電網(wǎng)相連的其他電網(wǎng)進(jìn)行充裕度等值及可靠性評(píng)估，仿真算例證明該方法能有效提高城市核心電網(wǎng)的可靠性評(píng)估精度和速度，為城市核心電網(wǎng)的電力規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理決策提供更為準(zhǔn)確有效的理論支撐。

城市核心電網(wǎng)；充裕度等值；可靠性評(píng)估

最近10年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)朝著交直流混聯(lián)堅(jiān)強(qiáng)智能系統(tǒng)的方向快速發(fā)展，隨著特高壓交直流電網(wǎng)、500 kV及以下不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，城市核心電網(wǎng)與周邊其他電網(wǎng)的聯(lián)系愈加緊密，電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行管理決策的非線性度與復(fù)雜度與日俱增。城市電網(wǎng)規(guī)劃決策具有規(guī)模大、不確定因素多、涉及領(lǐng)域廣的特點(diǎn)，是一項(xiàng)復(fù)雜艱巨的系統(tǒng)工程。從電網(wǎng)規(guī)劃階段提高供電可靠性是提升供電公司核心競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。但是，由于技術(shù)或涉及行業(yè)機(jī)密等原因，城市電網(wǎng)間往往無(wú)法進(jìn)行完備的數(shù)據(jù)交換，即使可以獲取其他電網(wǎng)的完整數(shù)據(jù)，龐大的計(jì)算量和儲(chǔ)存量也使普通的計(jì)算設(shè)備難以負(fù)擔(dān)［1］。所以，希望現(xiàn)有的城市核心電網(wǎng)可靠性評(píng)估不考慮相連外部電網(wǎng)的影響，將其視為絕對(duì)可靠，但該方法存在明顯誤差，在某些情況下可能導(dǎo)致決策錯(cuò)誤。因此，在進(jìn)行城市核心電網(wǎng)可靠性評(píng)估時(shí)就需要對(duì)周邊其他電網(wǎng)進(jìn)行基于概率充裕度的科學(xué)等值，以快速、準(zhǔn)確地獲得可靠性評(píng)估結(jié)果。

等值方法的基本思路是：把不需要詳細(xì)研究或無(wú)法直接獲取完備數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)用一個(gè)等值模型來(lái)代替。該等值模型需保留進(jìn)一步研究所需的必要信息，且規(guī)模通常較小。文獻(xiàn)［2－3］在全網(wǎng)信息都已知的條件下，對(duì)發(fā)輸電系統(tǒng)中不需要詳細(xì)研究的部分進(jìn)行了充裕度等值，有效減少了對(duì)研究系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估所耗費(fèi)的時(shí)間，但未考慮當(dāng)城市核心電網(wǎng)難以獲取周邊電網(wǎng)詳細(xì)數(shù)據(jù)時(shí)的情況?；诔湓６鹊戎档姆椒蓪?duì)周邊電網(wǎng)精確等值，用等值后的模型為核心城市電網(wǎng)提供可靠性評(píng)估所需的研究信息，以此提高城市核心電網(wǎng)可靠性評(píng)估的精度。

因此，本文利用充裕度等值法對(duì)與城市核心電網(wǎng)相連的周邊電網(wǎng)進(jìn)行等值，通過(guò)等值網(wǎng)絡(luò)將外部電網(wǎng)的影響因子保留在城市核心電網(wǎng)的可靠性評(píng)估中。由此提高城市核心電網(wǎng)可靠性評(píng)估的精度，并進(jìn)一步保證城市核心電網(wǎng)規(guī)劃決策的有效性。

1 充裕度等值方法

1．1 等值模型

等值前互聯(lián)系統(tǒng)如圖1所示。在對(duì)城市核心電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，通常把城市核心電網(wǎng)作為內(nèi)網(wǎng)，周邊其他電網(wǎng)作為外網(wǎng)，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線將兩個(gè)區(qū)域聯(lián)系在一起。其中，外網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與內(nèi)網(wǎng)相連的節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)。

圖1 等值前互聯(lián)系統(tǒng)

本文采用可用容量、概率、頻率和停運(yùn)水平等表示外網(wǎng)的充裕度等值結(jié)果，充裕度等值模型如圖2所示。等值發(fā)電機(jī)容量Ge和等值負(fù)荷Le表示可用容量信息?？捎萌萘渴莾?nèi)網(wǎng)的可靠性評(píng)估中需要的重要外網(wǎng)信息，可通過(guò)枚舉法或潮流計(jì)算獲得。外網(wǎng)等值后的可用容量為能傳輸?shù)竭吔绻?jié)點(diǎn)的最大可用容量。該可用容量可為正數(shù)、零或負(fù)數(shù)：當(dāng)可用容量為負(fù)時(shí)，表示外網(wǎng)需要內(nèi)網(wǎng)的功率支撐；當(dāng)可用容量為零時(shí)，表示在外網(wǎng)內(nèi)部功率的供需達(dá)到平衡；當(dāng)可用容量為正時(shí)，表示外網(wǎng)有富余的功率，在內(nèi)網(wǎng)功率不足時(shí)可以為內(nèi)網(wǎng)提供功率支撐。圖2中，等值發(fā)電機(jī)容量Ge為假設(shè)外網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷為零時(shí)，外網(wǎng)能傳輸?shù)竭吔绻?jié)點(diǎn)處可用容量；等值負(fù)荷Le為等值發(fā)電機(jī)容量滿足外網(wǎng)所需負(fù)荷后能傳輸?shù)竭吔绻?jié)點(diǎn)處的可用容量。

圖2 充裕度等值后系統(tǒng)

另外，外網(wǎng)任意故障狀態(tài)的概率和頻率是最基本的系統(tǒng)參數(shù)，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的同時(shí)故障元件數(shù)，即停運(yùn)水平，也是重要的系統(tǒng)參數(shù)。

如果1個(gè)停運(yùn)事件中，有l(wèi)個(gè)元件正常工作，m個(gè)元件發(fā)生故障，假設(shè)發(fā)電元件和輸電元件的失效率和修復(fù)率是相互獨(dú)立的，那么發(fā)生這個(gè)停運(yùn)事件的概率和頻率可以由式（1）和式（2）得到：

式中：a＝1，2，…，l；b＝1，2，…，m；Ps為狀態(tài)s的概率；Fs為狀態(tài)s的頻率；Aa為元件a的可用率；Ub為元件b的不可用率；λa為元件a的失效率；μb為元件b的修復(fù)率。

在分析完所有系統(tǒng)狀態(tài)后，那些對(duì)系統(tǒng)影響相同且停運(yùn)水平一致的狀態(tài)，可以通過(guò)公式（3）和（4）進(jìn)行合并：

式中：E是對(duì)系統(tǒng)影響相同且停運(yùn)水平相同的狀態(tài)的集合。

1．2 可靠性評(píng)估

在對(duì)內(nèi)網(wǎng)可靠性進(jìn)行評(píng)估之前，首先需要單獨(dú)對(duì)內(nèi)網(wǎng)故障狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算獲得包括聯(lián)絡(luò)線在內(nèi)的內(nèi)網(wǎng)每個(gè)狀態(tài)的停運(yùn)水平及其對(duì)應(yīng)的概率和頻率。

假設(shè)等值網(wǎng)絡(luò)的故障狀態(tài)數(shù)為neq，內(nèi)網(wǎng)和聯(lián)絡(luò)線的故障狀態(tài)數(shù)為nI，考慮外網(wǎng)的影響，對(duì)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行分析時(shí)的故障狀態(tài)數(shù)為neq×nI。整個(gè)系統(tǒng)的停運(yùn)水平和系統(tǒng)概率、頻率由式（5）～（7）計(jì)算得到。

式中：i＝1，2，…，nI；j＝1，2，…，neq；k＝（i－1）neq＋j；Lt（k），Pt（k），F(xiàn)t（k）分別為互聯(lián)系統(tǒng)狀態(tài)k的停運(yùn)水平、概率和頻率；LI（i），PI（i），F(xiàn)I（i）分別為不考慮外網(wǎng)影響時(shí)內(nèi)網(wǎng)狀態(tài)i的停運(yùn)水平、概率和頻率；Leq（j），Peq（j），F(xiàn)eq（j）分別為外網(wǎng)狀態(tài)j的停運(yùn)水平、概率和頻率。

可靠性評(píng)估中，充裕度指標(biāo)主要包括切負(fù)荷概率（probability load curtalments，PLC）、切負(fù)荷頻率（expected frequency of load curtailments，EFLC）、負(fù)荷切除期望值（expected load curtailments，ELC）、電量不足期望值（expected energy not supplied，EENS）、切負(fù)荷持續(xù)時(shí)間（expected duration of load curtail ments，EDLC），其計(jì)算公式見(jiàn)式（8）～（12）：

式中：M是有切負(fù)荷的系統(tǒng)狀態(tài)集合；C（k）為狀態(tài)k下削減的負(fù)荷功率。

2 算例分析

簡(jiǎn)單輻射系統(tǒng)如圖3所示。本文采用兩個(gè)2節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單輻射系統(tǒng)模擬城市核心電網(wǎng)（內(nèi)網(wǎng)）和與之相連的電網(wǎng)（外網(wǎng)），該系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和線路參數(shù)如表1所示。

圖3 簡(jiǎn)單輻射系統(tǒng)

表1 發(fā)電機(jī)和線路參數(shù)

本文將對(duì)以下兩種情況下內(nèi)網(wǎng)的可靠性評(píng)估仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：case 1，即不考慮外網(wǎng)影響，將其看作100%可靠；case 2，即考慮外網(wǎng)充裕度等值模型。

圖3中，外網(wǎng)系統(tǒng)的充裕度等值模型如表2所示。在表2中：第1欄為狀態(tài)編號(hào)；第2欄為停運(yùn)水平，其中00表示沒(méi)有元件（發(fā)電機(jī)和線路）發(fā)生故障，01和02分別表示1和2臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障，10和20分別表示1和2條線路退出運(yùn)行，11則表示1臺(tái)發(fā)電機(jī)和1條線路同時(shí)故障，其他故障狀態(tài)依次類推；第3欄和第4欄分別代表等值發(fā)電機(jī)容量和負(fù)荷，在圖3的網(wǎng)絡(luò)中可由枚舉法獲得；第5欄和第6欄為外網(wǎng)的概率和頻率，可由公式（1）～（4）獲得。

表2 外網(wǎng)充裕度等值模型

單獨(dú)對(duì)內(nèi)網(wǎng)和聯(lián)絡(luò)線分析時(shí)，其概率和頻率可類似地由式（1）～（4）計(jì)算獲得。假設(shè)在可靠性評(píng)估中只考慮互聯(lián)系統(tǒng)二階以內(nèi)的故障，因此內(nèi)網(wǎng)（包括聯(lián)絡(luò)線）的充裕度指標(biāo)計(jì)算也僅考慮二階以內(nèi)的故障狀態(tài)。同時(shí)，假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出力不足時(shí)，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷（包括邊界節(jié)點(diǎn)）按比例削減。以對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)直接進(jìn)行全網(wǎng)計(jì)算的內(nèi)網(wǎng)停運(yùn)表和充裕度指標(biāo)為基準(zhǔn)，計(jì)算在case 1和case 2兩種情況下，內(nèi)網(wǎng)（包括聯(lián)絡(luò)線）的概率頻率、充裕度系統(tǒng)指標(biāo)及節(jié)點(diǎn)3的充裕度負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)的相對(duì)誤差，其結(jié)果分別如表3至表5所示。

由表3可以看出，無(wú)論是概率還是頻率的相對(duì)誤差，case 2的誤差都比case 1小，尤其是當(dāng)內(nèi)網(wǎng)停運(yùn)水平為00，即內(nèi)網(wǎng)沒(méi)有元件故障時(shí)，case 1頻率的相對(duì)誤差達(dá)到了62．048 3%，而case 2頻率的相對(duì)誤差接近于0。同時(shí)，case 2在內(nèi)網(wǎng)各停運(yùn)水平下，概率和頻率的相對(duì)誤差都保持在0．001%以內(nèi)。

另外，由表4和表5可以看出，case 2的充裕度系統(tǒng)指標(biāo)和負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)的相對(duì)誤差都不超過(guò)0．001%。而case 1的充裕度系統(tǒng)指標(biāo)和負(fù)荷點(diǎn)的相對(duì)誤差最大值均超過(guò)了80%。綜上所述，通過(guò)對(duì)外網(wǎng)的充裕度等值，可在內(nèi)網(wǎng)的可靠性評(píng)估中有效保留外網(wǎng)的影響，大幅提高內(nèi)網(wǎng)可靠性評(píng)估的精度。

表3 內(nèi)網(wǎng)的概率頻率相對(duì)誤差%

表4 內(nèi)網(wǎng)的充裕度系統(tǒng)指標(biāo)相對(duì)誤差%

表5 節(jié)點(diǎn)3的充裕度負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)相對(duì)誤差%

3 結(jié)論

本文闡述了充裕度等值法的基本原理，并對(duì)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估。通過(guò)一個(gè)小系統(tǒng)模擬城市核心電網(wǎng)及其周邊電網(wǎng)，從而進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果證明，通過(guò)對(duì)外網(wǎng)的充裕度等值能夠有效保留外網(wǎng)對(duì)內(nèi)網(wǎng)的影響，大幅提高內(nèi)網(wǎng)可靠性評(píng)估的精度，為城市核心電網(wǎng)的規(guī)劃決策提供更為準(zhǔn)確有效的理論支持。

［1］ 余娟，張勉，朱柳，等．考慮靈敏度一致性的外網(wǎng)靜態(tài)等值新理論研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（10）：64－70．

［2］ BILLINTON R，ZHONGW．An adequacy equivalent ap proach for composite power system reliability evaluation［C］／／WESCANEX 95．Communications，Power，and Computing．Conference Proceedings．IEEE．IEEE，1995，1：163－168．［3］ BILLINTON R，ZHONG W．Enhanced adequacy equiva lent for composite power system reliability evaluation［J］．IEE Proceedings Generation，Transmission and Distribu tion，1996，143（5）：420－426．

A Study on the Adequacy Equivalent Reliability Evaluation of the Planning of Core Urban Power Grids

ZHANG Lin，ZHANG Jihong，LIU Xinyu，BIAN Hongyu，LAIMinhao
（State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400014，P．R．China）

This paper introduces the adequacy equivalent reliability evaluation of other power grids connected with complex core urban power grids．Simulation examples have proved that the approach of the evaluation can not only effectively improve the accuracy and speed of the reliability evaluation of core urban power grids but also provide accurate and effective theoretical support for the power planning，the design and the operation and management deci sion－making of core urban power grids

core urban power grid；adequacy equivalence；reliability evaluation

TM732

A

1008 8032（2017）02 0013 03

2016－11－03

該文獲重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)

張 林（1975－），高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化，電力系統(tǒng)調(diào)度與控制。