李功新， 李澤科， 林文彬， 陳建洪， 唐志軍

(1. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司, 福建 福州 350003； 2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 福建 福州 350007)

0 引言

隨著電力市場(chǎng)的改革和電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大， 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)必然呈現(xiàn)區(qū)域間互聯(lián)、 遠(yuǎn)距離大容量送電、 交直流混合運(yùn)行、 大規(guī)模新能源接入等特點(diǎn)， 電力網(wǎng)大多運(yùn)行在臨近安全極限的情況下. 操作越頻繁， 誤操作引起的事故也越嚴(yán)重. 由于工作人員缺少操作精度滿足需求的工具， 只能依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)度決策， 目

前SCADA/EMS系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)大部分屬于“儀表式”堆砌， 工作人員面對(duì)海量的電網(wǎng)運(yùn)行“生數(shù)據(jù)”， 只能依托多年工作經(jīng)驗(yàn)積累的大數(shù)據(jù)分析能力. 一旦發(fā)生緊急事故， 若工作人員單純根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作， 極可能錯(cuò)過(guò)事故處理操作的最佳時(shí)機(jī)， 若提前幾秒操作就可能避免一次重大的事故； 有時(shí)可能所選擇的操作措施并非本次事故的最佳操作方式， 導(dǎo)致調(diào)控操作的效果大大降低. 因此， 對(duì)調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析， 可以為工作人員提供重要參考.

當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)調(diào)控操作的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估正處于高速發(fā)展的階段， 現(xiàn)有研究針對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題， 基于相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論， 并建立相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)， 從安全性、 經(jīng)濟(jì)性、 電網(wǎng)質(zhì)量等多方面量化事故所引發(fā)的后果， 以期建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型， 并給出相應(yīng)的解決措施[1-7]. 對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估具有重要的實(shí)際意義， 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已在該領(lǐng)域做了相關(guān)的研究， 但仍然存在評(píng)估速度慢、 精度低、 模型不全面等一系列問(wèn)題[8-13]， 因此本研究提出一種基于差分運(yùn)算的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)快速評(píng)估方法， 以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估， 保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行.

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論及步驟

圖1 風(fēng)險(xiǎn)理論示意圖Fig.1 Schematic diagram of the theory of risk

風(fēng)險(xiǎn)理論的核心是評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)所分析系統(tǒng)產(chǎn)生的影響， 如圖1實(shí)線箭頭所示， 當(dāng)某外在因素具備一定的概率分布特性， 且對(duì)該系統(tǒng)的存在狀態(tài)產(chǎn)生影響時(shí)， 若系統(tǒng)存在若干條滿足一定概率分布的發(fā)展軌跡， 則系統(tǒng)存在一定的不確定性風(fēng)險(xiǎn). 若系統(tǒng)只有一條發(fā)展軌跡， 則該系統(tǒng)所有的影響因素都是明確的， 即不存在任何不明確的風(fēng)險(xiǎn).

電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要涉及以下5個(gè)步驟.

1) 建立系統(tǒng)元件的概率模型. 電力系統(tǒng)中存在大量的電源、 輸配電線路、 變壓器等元件， 每一類元件都有自己的計(jì)算模型， 而且都能基于馬爾可夫模型進(jìn)行模擬， 只是側(cè)重點(diǎn)不同而已.

2) 選擇系統(tǒng)狀態(tài)并計(jì)算其概率. 選擇系統(tǒng)狀態(tài)的方法可以概括為兩類， 一類是蒙特卡羅模擬法， 另一類是狀態(tài)枚舉法.

通常情況下， 大電網(wǎng)中所包含的元件不計(jì)其數(shù)， 因此要枚舉所有的運(yùn)行狀態(tài)其工作量巨大， 且不易得出. 蒙特卡羅仿真法雖然能夠得到較準(zhǔn)確的運(yùn)行結(jié)果， 但需要大量的計(jì)算， 計(jì)算過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)， 不是處理實(shí)際問(wèn)題的最佳方式. 因此本研究采用枚舉法.

3) 故障預(yù)掃描. 通過(guò)故障狀態(tài)預(yù)掃描方法降低需要分析的故障狀態(tài)數(shù)量， 縮短計(jì)算時(shí)間.

4) 評(píng)估系統(tǒng)故障狀態(tài)的后果. 故障后果評(píng)估又稱故障損失評(píng)估， 根據(jù)不同的研究對(duì)象， 其過(guò)程可能包括功率平衡， 系統(tǒng)的連通性及識(shí)別、 最優(yōu)潮流、 電壓穩(wěn)定性控制等.

5) 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo). 根據(jù)步驟2)、 3)所計(jì)算的結(jié)果， 進(jìn)行全局分析， 形成一套能夠反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)， 基于不同的側(cè)重點(diǎn)， 所計(jì)算的指標(biāo)值也不盡相同. 研究針對(duì)實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估， 因此將采用多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)全面評(píng)估系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn).

2 基于風(fēng)險(xiǎn)差分運(yùn)算的調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)估的指標(biāo)體系

當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算都是針對(duì)某一電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行， 而調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最大的不同在于其考慮的是調(diào)度操作對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響， 因此調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該對(duì)比操作前后風(fēng)險(xiǎn)， 基于此， 本研究將電網(wǎng)調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定義為操作前后系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的變化量， 提出考慮指數(shù)型操作人員實(shí)時(shí)綜合因子的風(fēng)險(xiǎn)差分運(yùn)算的電網(wǎng)調(diào)控操作的量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系. 操作人員實(shí)時(shí)綜合因子計(jì)及本次操作任務(wù)的強(qiáng)度、 時(shí)間段以及工作人員的狀態(tài). 該指標(biāo)體系體現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)控操作的實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化， 而非某一特定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)， 能夠從本質(zhì)上反映調(diào)控操作對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響. 其計(jì)算方法為

其中：Rm和Rn分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)操作前后風(fēng)險(xiǎn)；E指系統(tǒng)所有狀態(tài)集合，E=C0∪C1∪{正常狀態(tài)}，C0∩C1=?，C0指篩選出的相應(yīng)事故集，C1指其他類型事故集；P對(duì)應(yīng)各事故發(fā)生的概率；Ib, x(x∈C0或C1)指斷開(kāi)C0或C1中第x條線路對(duì)應(yīng)的后果；Ia, x(x∈C0或C1)指同時(shí)斷開(kāi)C0或C1中第x條線路和待操作目標(biāo)線路的后果；Ib, n表示系統(tǒng)正常狀態(tài)下的后果；Ia, n表示相應(yīng)操作引起的后果；Ib和Ia分別指操作前后的事故后果；Kpe為人員風(fēng)險(xiǎn)綜合因子.

其中：λ為操作文員操作前已工作小時(shí)數(shù)；S為本次操作任務(wù)強(qiáng)度；S=S1+0.8S2+1.2S3，S1、S2、S3分別對(duì)應(yīng)操作票純粹單項(xiàng)令、 綜合令分解后的單項(xiàng)令及逐項(xiàng)分解后的單項(xiàng)令步驟數(shù)；Sav為同類型調(diào)度令的平均操作步數(shù)；t為本次操作所在的時(shí)間段取值0(6:00～18:59)、 0.5(19:00～23:59)、 1.0(00:00～05:59)；em表示人員心理狀況： 取值為0.6(差)、 0.8(一般)、 1.0(好)， 一般取0.8.

分析中認(rèn)為C1中的事故集對(duì)應(yīng)的線路與待操作的目標(biāo)線路之間的電氣距離較遠(yuǎn)， 僅存在一定的弱耦合. 所以， 不影響斷開(kāi)C1中的線路與目標(biāo)線路造成的后果， 故有下式

系統(tǒng)處于事故集C1的概率與其他狀態(tài)的概率之和為1， 故有

則

算法在推導(dǎo)計(jì)算公式時(shí)考慮了完備事故集， 而且基于篩選出的重要事故集， 能夠滿足調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)時(shí)性要求， 且由于事故集的完備性， 故本算法風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算是精確的.

研究基于系統(tǒng)潮流過(guò)載以及節(jié)點(diǎn)電壓越限等指標(biāo)構(gòu)建調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系.

當(dāng)事故集C0中的故障c發(fā)生時(shí)， 第i條線路的潮流過(guò)載系數(shù)KS, ci和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓越限系數(shù)KV, cj分別由下式得到， 其示意圖如圖2、 3所示.

其中：Sci是第i條線路的實(shí)際功率；SN, i第i條線路的額定功率；Ucj是第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓；Uinf, j和Usup, j是第j個(gè)節(jié)點(diǎn)允許電壓的極值.

圖2 潮流過(guò)載系數(shù)Fig.2 Power flow overload coefficient

圖3 電壓越限系數(shù)Fig.3 Voltage limit coefficient

線路過(guò)載狀態(tài)IS, ci和節(jié)點(diǎn)電壓越限狀態(tài)IV, cj如下式所示， 其示意圖如圖4、 5所示.

IS, ci=eKS, ci-1，IV, cj=eKV, cj-1

圖4 潮流過(guò)載后果Fig.4 Consequence of overloading of power flow

圖5 電壓越限后果Fig.5 Effect of voltage limit

第i條線路的過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值RS, ci和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓越限的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值RV, cj為

RS, ci=Pc·IS, ci，RV, cj=Pc·IV, cj

其中:Pc是事故c發(fā)生的概率.

故第i條線路過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值RS, i和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓越限的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值RV, j為

其中:nc是事故集C0包含的事故數(shù)量.

通過(guò)對(duì)所有線路的潮流過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)及所有節(jié)點(diǎn)的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序， 可以得到風(fēng)險(xiǎn)最大的線路和節(jié)點(diǎn)， 從而對(duì)其進(jìn)行最有效的風(fēng)險(xiǎn)控制.

事故c引起的線路過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)RS, c和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)RV, c為

其中:nl和nb分別表示系統(tǒng)線路和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量.

通過(guò)對(duì)所有事故的潮流過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)及所有節(jié)點(diǎn)的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序， 可以得到引起風(fēng)險(xiǎn)最大的事故， 從而對(duì)該事故進(jìn)行最有效的風(fēng)險(xiǎn)控制.

系統(tǒng)線路過(guò)載和節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)分別為

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的潮流過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)及電壓越限風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析， 可以得出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)是否超出可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍， 從而決定是否執(zhí)行該項(xiàng)操作.

3 調(diào)控操作的事故集篩選及實(shí)例分析

研究適用于調(diào)度操作的風(fēng)險(xiǎn)分析方法， 考慮到調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)際應(yīng)用實(shí)時(shí)性的要求， 結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用， 建立可以滿足準(zhǔn)確性即能夠?yàn)椴僮魅藛T提供準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)水平信息以及保證快速性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法， 因?yàn)檎{(diào)度操作執(zhí)行注重實(shí)時(shí)性， 若耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)， 將失去實(shí)際意義. 本算法基于調(diào)控操作對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響， 生成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需事故集， 從而縮小事故集范圍， 提高計(jì)算效率.

基于IEEE-118節(jié)點(diǎn)對(duì)事故集篩選法進(jìn)行分析研究； 基于調(diào)控操作前后電網(wǎng)潮流的變化生成相應(yīng)的事故集C0， 為電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù). 包括以下兩種核心方法.

1)基于局部潮流量化分析的調(diào)控操作關(guān)鍵影響設(shè)備搜索法.

第一步， 獲取電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和操作指令， 對(duì)操作前后的潮流進(jìn)行對(duì)比分析； 第二步， 搜索調(diào)控操作關(guān)鍵影響設(shè)備. 首先， 判別操作前后的變化量ΔS與額定狀態(tài)下SN比值絕對(duì)值超過(guò)δS的線路為調(diào)控操作主要影響線路， 即

式中： ΔS是操作前后的變化值;SN是線路額定值；δS為閾值. 然后， 判別操作前后電壓的變化量ΔV(p.u.)超過(guò)δV的節(jié)點(diǎn)為調(diào)控操作主要影響節(jié)點(diǎn)， 即

ΔV>δV

式中： ΔV是操作前后節(jié)點(diǎn)電壓的變化量；δV為閾值.

以IEEE-118節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明， 其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示. 兩個(gè)方案操作的線路分別為8-5、 30-17線路， 相應(yīng)的基于指數(shù)型操作人員實(shí)時(shí)綜合因子差分運(yùn)算風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參數(shù)分別為δS=0.2和δV=2×10-2p.u.， 假定操作兩條線路的時(shí)間都為20:00， 對(duì)應(yīng)λ為2 h，t取0.5， 操作由一個(gè)單項(xiàng)令和一個(gè)綜合令組成， 其中綜合令可分解成6個(gè)單項(xiàng)令， 所以S取5.8，Sav取5，em取0.8.

圖6 IEEE-118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 IEEE-118 node system topology

線路8-5、 30-17操作前后系統(tǒng)的潮流分布情況分別如表1、 2所示. 操作線路8-5時(shí)， 線路7-12、 5-6、 12-14、 13-15、 30-17、 15-17、 14-15、 12-16及8-30為關(guān)鍵線路； 操作線路30-17時(shí)， 線路12-14、 7-12、 19-20、 16-12、 17-18、 16-17、 18-19、 30-20及30-21為關(guān)鍵線路. 兩種方案情況下節(jié)點(diǎn)16的ΔV分別為1.951 8×10-2、 2.018 7×10-2p.u.， 都是越限的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)， 線路7-12、 12-14、 12-16、 16-17在兩個(gè)操作方案里都是越限的關(guān)鍵線路， 需要關(guān)注.

表1 操作線路8-5的ΔS/SN以及節(jié)點(diǎn)的 ΔV排序

表2 操作30-17線路的ΔS/SN以及節(jié)點(diǎn)的 ΔV排序

2) 基于局部拓?fù)湎嚓P(guān)性分析的調(diào)控操作重要事故集篩選法.

基于局部拓?fù)湎嚓P(guān)性分析的調(diào)控操作重要事故集篩選法以廣度優(yōu)先搜索為基礎(chǔ)， 廣度優(yōu)先搜索具有搜索與搜索中心關(guān)聯(lián)性最緊密元件的優(yōu)勢(shì)[13]. Dijkstra單源最短路徑算法和Prim最小生成樹算法都融合了寬度優(yōu)先搜索的思想， 目的是全面展開(kāi)并搜索所有的節(jié)點(diǎn)， 以找到結(jié)果.

接下來(lái)仍以IEEE-118節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明， 在基于深度優(yōu)先搜索方法對(duì)操作8-5線路搜得關(guān)鍵線路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)后， 進(jìn)行廣度搜索， 搜索的深度N為1， 得到相應(yīng)的事故集如圖7所示. 為了更好地說(shuō)明本研究方法的有效性， 設(shè)δS=0.3；δV=2×10-2p.u., 得出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)誤差和計(jì)算時(shí)間分布情況如圖8所示.

從圖8可知, 事故數(shù)量N增大時(shí)， 相應(yīng)的計(jì)算誤差隨之減小， 計(jì)算誤差越小越能反映本文所提方法能夠提高找出調(diào)度操作敏感元件的準(zhǔn)確性， 故所篩選的事故集C0可以滿足調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精度要求.

圖7 關(guān)鍵設(shè)備以及事故集Fig.7 Key equipment and accident set

圖8 計(jì)算時(shí)間及風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)誤差Fig.8 Calculation of time and risk error

針對(duì)操作線路8-5的情況， 對(duì)N=1時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析. 各事故節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)排序如表3所示. 由表3可知， 產(chǎn)生ΔRV的主要原因在于關(guān)鍵斷面的幾條事故線路如12-14、 12-16、 13-15、 30-17、 14-15以及16-17. 如表4所示， 節(jié)點(diǎn)13、 16的ΔRV占系統(tǒng)ΔRV的66.92%， 線路8-30的ΔRS占系統(tǒng)ΔRS的99.82%， 斷開(kāi)8-5線路的操作使潮流經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)13、 16轉(zhuǎn)移， 從而降低其實(shí)際電壓.

操作8-5線路時(shí)， 可采取如下調(diào)節(jié)手段對(duì)防控效果和調(diào)控手段進(jìn)行平衡： ① 增加1、 4、 6、 12號(hào)發(fā)電機(jī)出力60 MW， 降低10號(hào)發(fā)電機(jī)出力240 MW； ② 啟用8-30線路的備用線路； ③ 對(duì)節(jié)點(diǎn)12、 16、 117進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償， 補(bǔ)償度為90%， 各種方案的風(fēng)險(xiǎn)防控結(jié)果如圖9所示. 操作30-17線路時(shí)， 可采取如下措施： ① 增加1、 4、 6、 12號(hào)發(fā)電機(jī)出力60 MW， 降低10號(hào)發(fā)電機(jī)出力240 MW； ② 啟用21-30線路的備用線路； ③ 對(duì)節(jié)點(diǎn)12、 16、 117進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償， 補(bǔ)償度為90%， 各種方案的風(fēng)險(xiǎn)防控結(jié)果如圖10所示.

表3 各事故節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)排序

表4 ΔRS和ΔRV排序

圖9 操作線路8-5各調(diào)節(jié)方案的風(fēng)險(xiǎn)防控效果Fig.9 Risk prevention and control effect of line 8-5 operation

圖10 操作線路30-17各調(diào)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)防控效果Fig.10 Risk prevention and control effect of line 30-17 operation

4 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估， 主要是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中的異常狀態(tài)， 以便于及時(shí)得到檢修， 從而能夠?qū)p失降到最低. 本研究提出并建立考慮指數(shù)型操作人員實(shí)時(shí)綜合因子風(fēng)險(xiǎn)差分算法的電網(wǎng)調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)估體系， 實(shí)現(xiàn)調(diào)控操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的快速分析， 解決傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系無(wú)法反映電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的問(wèn)題. 通過(guò)案例證明所提方法的有效性， 為調(diào)控操作人員提供反映目標(biāo)操作指令對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)影響的量化指標(biāo)， 便于調(diào)控操作人員及時(shí)判斷目標(biāo)操作對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響， 進(jìn)而制定降低操作風(fēng)險(xiǎn)的針對(duì)性措施， 為調(diào)度人員調(diào)度決策工作提供方便， 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.