余銀輝， 高超峰， 陳大明， 周念成， 張芮漩

(1.中廣核研究院有限公司， 廣東 深圳 518000； 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))， 重慶 400044)

1 引言

海洋具有巨大的能源潛力，蘊(yùn)含石油、天然氣等豐富的能源，通過(guò)海上平臺(tái)建設(shè)充分利用海洋資源，是助推能源發(fā)展的重要手段之一[1-3]。海上孤立電網(wǎng)是保證海上平臺(tái)的全部生產(chǎn)、生活供電的重要電力系統(tǒng)，還擔(dān)負(fù)著為平臺(tái)的安全、控制、通信等重要系統(tǒng)供電的任務(wù)，其安全性和可靠性直接或間接決定了海上平臺(tái)的安全運(yùn)行[4-6]。海上孤立電網(wǎng)所處海洋環(huán)境具有一定的特殊性，其安全穩(wěn)定性具有更高的要求[7，8]。海上移動(dòng)電源作為分布式電源，能夠?yàn)楹Ｉ瞎铝㈦娋W(wǎng)提供更多供電容量，有助于提升供電可靠性和穩(wěn)定性，但是接入后的調(diào)節(jié)范圍往往受限。此外，在不同的接入方案下，系統(tǒng)在負(fù)荷起動(dòng)、三相短路故障、單相接地故障、機(jī)組跳閘等各種擾動(dòng)下的安全穩(wěn)定性將受到不同程度的影響[9,10]，因此需要針對(duì)接入方案提出一套可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)海上電力系統(tǒng)的評(píng)估方法已展開廣泛研究。文獻(xiàn)[11,12]結(jié)合海洋平臺(tái)的特點(diǎn)，分析了海上平臺(tái)電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式，并提出網(wǎng)源直連系統(tǒng)的保護(hù)方法及保護(hù)裝置，此外還提出了抑制勵(lì)磁涌流的串接變壓器預(yù)充磁方法以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，但研究?jī)H針對(duì)接地方式及抑制勵(lì)磁涌流為主要影響因素進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[13]針對(duì)海上電力系統(tǒng)特點(diǎn)，分析短路電流影響并對(duì)比各種限制短路電流的措施及優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[14]提出了一種海上系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法，該方法能夠得到系統(tǒng)及發(fā)輸配電各環(huán)節(jié)的可靠性指標(biāo)，主要是故障概率、切負(fù)荷概率、電力不足期望值。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[15]針對(duì)海上油田群，提出了一種考慮生產(chǎn)指標(biāo)的評(píng)估方法，在計(jì)算設(shè)備故障率可靠性的基礎(chǔ)上，提出了石油生產(chǎn)指標(biāo)完成度指標(biāo)，給出了電網(wǎng)與石油收益的關(guān)系，和實(shí)際利益聯(lián)系密切，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，但是考慮因素還不夠多。文獻(xiàn)[16]對(duì)海上油田電網(wǎng)各性能指標(biāo)進(jìn)行定義，主要考慮的是安全性指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化的定義，并采用海上電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(Energy Management System, EMS)實(shí)測(cè)在線狀態(tài)，但指標(biāo)未結(jié)合實(shí)際算例分析有效性。上述對(duì)于海上電力系統(tǒng)評(píng)估的研究主要側(cè)重于故障擾動(dòng)或經(jīng)濟(jì)性等某一種類型的指標(biāo)，沒(méi)有將指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，并不能夠全面地評(píng)估海上移動(dòng)電源接入后的安全穩(wěn)定性，且對(duì)于提出的各指標(biāo)沒(méi)有形成指標(biāo)體系或是沒(méi)有進(jìn)行算例分析。

本文為了評(píng)估海上移動(dòng)電源接入海上孤立電網(wǎng)后的安全穩(wěn)定性，綜合考慮各種擾動(dòng)場(chǎng)景下系統(tǒng)安全運(yùn)行可能受到的影響，提出了一套基于指標(biāo)維度和時(shí)間維度二次加權(quán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。針對(duì)海上孤立電網(wǎng)的實(shí)際情況，基于不同接入方案選擇下可能會(huì)存在的擾動(dòng)因素，從功率安全、故障擾動(dòng)、穩(wěn)定性三個(gè)方面提出評(píng)價(jià)指標(biāo)，側(cè)面量化反映出接入方案選擇的可靠性，根據(jù)所提指標(biāo)，運(yùn)用二次加權(quán)法，將各指標(biāo)形成不同方案選擇下的指標(biāo)體系，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證所提安全運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的正確性和有效性。

2 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)方案及安全運(yùn)行問(wèn)題

某海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電氣主接線如圖1所示，圖1中海上孤立電網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，其主要供電系統(tǒng)為2臺(tái)主發(fā)電機(jī)，經(jīng)由升壓變壓器送出功率，負(fù)荷包括電動(dòng)機(jī)及船用負(fù)荷等。在孤立電網(wǎng)運(yùn)行中，系統(tǒng)的主接線方式、設(shè)備的運(yùn)行特性、負(fù)荷情況由圖1可知。對(duì)于海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響到系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素主要包括：電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷情況、主接線形式、多電壓等級(jí)接地方式、升壓變壓器并列運(yùn)行方式、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置。

圖1 海上移動(dòng)電源接入孤網(wǎng)的電氣主接線圖Fig.1 Main electrical connection of offshore mobile power source integrated into isolated power grid

移動(dòng)電源主要工況有4種，起停：兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)帶船用負(fù)荷，移動(dòng)起機(jī)；正常航行：兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)帶船用負(fù)荷；雙機(jī)對(duì)外送電：兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)向平臺(tái)供電并帶船用負(fù)荷；單機(jī)對(duì)外送電：一臺(tái)主發(fā)電機(jī)向平臺(tái)供電并帶船用負(fù)荷，另一臺(tái)停運(yùn)。

為評(píng)估海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，需要針對(duì)孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行要求、系統(tǒng)安全運(yùn)行要求，對(duì)海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)的安全運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行分析，并綜合選取評(píng)估指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)接入方案的安全評(píng)價(jià)。對(duì)于圖1所示的海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷情況、主接線形式、多電壓等級(jí)接地方式、升壓變壓器并列運(yùn)行方式、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置等接入方案的選取，可能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。考慮系統(tǒng)功率安全，選取有功及無(wú)功安全裕度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；考慮系統(tǒng)故障擾動(dòng)，選取三相短路電流安全裕度、單相接地故障安全裕度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，選取變壓器的勵(lì)磁涌流抑制能力、頻率穩(wěn)定性及電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)能力為評(píng)價(jià)指標(biāo)。以上各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)受到接入方案選取的綜合影響，接入方案與安全問(wèn)題的映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 海上移動(dòng)電源接入方案與安全問(wèn)題的映射關(guān)系Fig.2 Relationship between integrated scheme and security issues of offshore mobile power source

2.2 海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)安全運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于海上移動(dòng)電源接入方案與安全問(wèn)題的映射關(guān)系，主要考慮功率安全、故障擾動(dòng)及穩(wěn)定性三方面的安全問(wèn)題，分別提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于量化各類安全問(wèn)題，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 接入方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Parameter system of safety assessment

2.2.1 有功和無(wú)功安全裕度

功率安全是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。定義有功安全裕度為機(jī)組可能的最大有功功率和實(shí)際有功之間的差值與實(shí)際有功的比值，無(wú)功安全裕度為機(jī)組可能的最大無(wú)功功率和實(shí)際無(wú)功的差值與實(shí)際無(wú)功的比值。這2個(gè)指標(biāo)數(shù)值越大，則認(rèn)為該接入方案下的功率安全評(píng)價(jià)越好。有功和無(wú)功安全裕度計(jì)算分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中，Pmax為機(jī)組可能的最大有功功率；Pg為機(jī)組當(dāng)前實(shí)際的有功功率；Qmax為機(jī)組可能的最大無(wú)功功率；Qg為機(jī)組當(dāng)前實(shí)際的無(wú)功功率。

2.2.2 三相短路電流安全裕度

海上移動(dòng)電源通常為分布式電源，在接入電網(wǎng)后可能會(huì)提高系統(tǒng)的短路電流水平，也可能助增流過(guò)導(dǎo)體的短路電流，系統(tǒng)短路電流可能會(huì)影響載流導(dǎo)體的安全運(yùn)行，需要評(píng)估其導(dǎo)致的三相短路電流風(fēng)險(xiǎn)。本文選取三相短路電流x3=Ik來(lái)評(píng)價(jià)海上移動(dòng)電源接入后三相短路的暫態(tài)安全性，該指標(biāo)值由軟件仿真直接得到。三相短路電流指標(biāo)x3越小，認(rèn)為該接入方案下三相短路的暫態(tài)安全性越高。

2.2.3 單相接地故障暫態(tài)安全裕度

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，不僅有可能發(fā)展為更嚴(yán)重的故障，影響正常供電，而且可能產(chǎn)生過(guò)電壓，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，需考慮系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的暫態(tài)安全。對(duì)于不同海上移動(dòng)電源接入方案，本文選取單相接地電容電流值x4=If(1)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的暫態(tài)安全性，該指標(biāo)值由軟件仿真直接得到。單相接地電容電流值x4越小，認(rèn)為該接入方案下單相接地故障時(shí)的暫態(tài)安全性越高。

2.2.4 變壓器勵(lì)磁涌流抑制能力

變壓器空載合閘時(shí)繞組內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電流，即勵(lì)磁涌流。由于海上孤立電網(wǎng)與陸上電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)海上移動(dòng)電源接入后，會(huì)影響變壓器的勵(lì)磁涌流，較大的勵(lì)磁涌流將影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此對(duì)于不同的接入方案，有必要對(duì)變壓器的勵(lì)磁涌流抑制能力進(jìn)行評(píng)估。變壓器的勵(lì)磁涌流抑制方式主要有改變變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選相合閘技術(shù)、變壓器軟啟動(dòng)方法及變壓器預(yù)充磁技術(shù)等。因此，如何評(píng)估變壓器的勵(lì)磁涌流抑制能力主要取決于海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)方案所采取的升壓變壓器并列運(yùn)行方式和保護(hù)及自動(dòng)裝置的配置。在評(píng)價(jià)海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)的安全運(yùn)行性時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的升壓變壓器并列運(yùn)行方式和保護(hù)及自動(dòng)裝置，對(duì)變壓器空載合閘進(jìn)行仿真，以產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流大小x5=Itr作為評(píng)估指標(biāo)，該指標(biāo)值由軟件仿真直接得到。變壓器勵(lì)磁涌流值越小，認(rèn)為該接入方案下勵(lì)磁涌流抑制能力越高。

2.2.5 頻率穩(wěn)定性

海上移動(dòng)電源接入后，系統(tǒng)可能會(huì)受到不同的故障擾動(dòng)，如三相短路故障、單相接地故障、機(jī)組跳閘等故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會(huì)導(dǎo)致孤立電網(wǎng)頻率波動(dòng)，頻率偏差可能報(bào)警，甚至可能需要切除部分負(fù)荷，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成較大的影響。以故障發(fā)生后穩(wěn)態(tài)頻率偏差值來(lái)衡量系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，故障發(fā)生后頻率偏差值越小，則該接入方案下的頻率穩(wěn)定性評(píng)價(jià)越好。頻率偏差值計(jì)算如下：

(3)

式中，Δf∞為穩(wěn)態(tài)頻率降低值；Pm0為受到故障擾動(dòng)后的機(jī)組初始有功功率；PL0為受到故障擾動(dòng)后的負(fù)荷初始功率；f0為穩(wěn)態(tài)頻率的初始值；KL為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，負(fù)荷消耗功率隨頻率的下降而減少，KL越大，負(fù)荷功率減少得越多，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率下降程度的緩解。因此，為了對(duì)最壞情況下的系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行估計(jì)，應(yīng)綜合考慮實(shí)際情況盡量取KL的最小值。

2.2.6 電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)能力

為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，根據(jù)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用曲線圖對(duì)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)能力提出指標(biāo)，以量化系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)能力，從而作為海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)方案的一項(xiàng)安全運(yùn)行評(píng)判依據(jù)。

(4)

式中，ωA1、ωA2分別為A1、A2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)；ωmax為B、C1、C2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)。

圖4 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.4 Relation between torque and speed

SEI<0表示電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)后無(wú)法運(yùn)行在可行域內(nèi)，則該系統(tǒng)無(wú)法帶電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)，應(yīng)切除該負(fù)荷保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。提出的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)能力指標(biāo)，利用曲線交點(diǎn)坐標(biāo)即可量化電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的起動(dòng)能力，作為海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)方案選擇的一項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)估不同接入方案下電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的起動(dòng)能力。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)能力指標(biāo)值越大，則該接入方案下負(fù)荷起動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)越好。

3 基于二次加權(quán)的安全運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)方法

在得到相應(yīng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)后，將指標(biāo)與二次加權(quán)法相結(jié)合，形成基于二次加權(quán)的海上移動(dòng)電源接入安全運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)方法，流程圖如圖5所示。

圖5 綜合評(píng)價(jià)方法流程圖Fig.5 Flow chart of comprehensive evaluation method

以往一般采用層次分析法來(lái)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，但層次分析法在評(píng)估中還是過(guò)于隨機(jī)以及主觀，當(dāng)元素過(guò)多時(shí)，還有可能因?yàn)榫仃嚥灰恢?，?dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)矛盾。因此，本文采用二次加權(quán)法對(duì)海上移動(dòng)電源接入后的安全性進(jìn)行評(píng)估，在時(shí)間和空間上均對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，計(jì)算量減少，且能夠保證結(jié)果相對(duì)的準(zhǔn)確性。

3.1 指標(biāo)預(yù)處理

指標(biāo)預(yù)處理是將不同量綱、數(shù)量級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，從而將各原始指標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的數(shù)值，便于指標(biāo)的比較和加權(quán)，本文采用極值法對(duì)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)值進(jìn)行歸一化。假設(shè)存在m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象S={S1,S2,…,Sm}，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)X={x1,x2,…,xn}，時(shí)間樣本點(diǎn)T={t1,t2,…,tq}，評(píng)價(jià)對(duì)象Si的評(píng)價(jià)指標(biāo)xj在tk(k=1,2,3,…)時(shí)刻的值為xij(tk)。

當(dāng)指標(biāo)xj為極大型指標(biāo)時(shí)，其歸一化指標(biāo)值為：

(5)

當(dāng)指標(biāo)xj為極小型指標(biāo)時(shí)，其歸一化指標(biāo)值為：

(6)

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

二次加權(quán)中，指標(biāo)權(quán)重用于衡量在單個(gè)評(píng)價(jià)時(shí)間點(diǎn)下，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要度，目前常用的指標(biāo)賦權(quán)方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。其中，主觀賦權(quán)法主要依賴于專家主觀上對(duì)指標(biāo)重要度的判定來(lái)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，客觀賦權(quán)法主要根據(jù)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)的客觀信息來(lái)確定權(quán)重。因此，為了更為準(zhǔn)確地測(cè)算指標(biāo)權(quán)重，本文采用主客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法[17,18]。

(1)主觀權(quán)重

本文采用序關(guān)系分析法來(lái)計(jì)算各指標(biāo)的主觀權(quán)重，首先對(duì)指標(biāo)的序關(guān)系進(jìn)行排序?yàn)椋?/p>

(7)

在指標(biāo)排序下，依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)和判斷，比較相鄰兩個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要度，得到xj-1和xj的相對(duì)重要度之比為：

(8)

式中，ωj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

然后得到最終主觀權(quán)重：

(9)

(2)客觀權(quán)重

(10)

然后計(jì)算指標(biāo)xj的熵值：

(11)

式中，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

然后按式(12)計(jì)算指標(biāo)xj的差異系數(shù)。當(dāng)指標(biāo)的差異性越大，此時(shí)熵值越少，客觀權(quán)重越大。

gj(tk)=1-ej(tk)

(12)

則指標(biāo)xj的最終客觀權(quán)重為：

(13)

(3)組合權(quán)重

根據(jù)3.1節(jié)中步驟確定的主客觀權(quán)重，按照以下方法得到指標(biāo)xj在時(shí)間點(diǎn)tk的組合權(quán)重為：

(14)

對(duì)于任一時(shí)間點(diǎn)tk，指標(biāo)組合權(quán)重向量為ωtk=(ω1tk,ω2tk,…,ωntk)。

3.3 時(shí)間權(quán)向量

除指標(biāo)權(quán)重外，不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的重要程度也不大相同，確定合適的時(shí)間權(quán)向量λ=[λ1,λ2,…,λq]獲得二次加權(quán)后的評(píng)價(jià)結(jié)果。與指標(biāo)賦權(quán)類似，時(shí)間權(quán)重也通過(guò)主客觀結(jié)合的賦權(quán)方法確定，本文綜合考慮時(shí)間度l和信息熵I相結(jié)合來(lái)計(jì)算最合適的時(shí)間權(quán)向量，如式(15)、式(16)所示。

(15)

(16)

時(shí)間度l由專家主觀賦值，取值范圍為[0,1]，反映在不同時(shí)間下每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度。l越小，即專家主觀上認(rèn)為近期數(shù)據(jù)的重要度更高；l越大，即專家主觀上認(rèn)為遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)的重要度更高；當(dāng)l=0.5時(shí)，即專家主觀上認(rèn)為所有時(shí)刻數(shù)據(jù)的重要度相同。而信息熵的確定同樣采用熵權(quán)法，此處不再贅述。

在事先確定時(shí)間度l的前提下，以獲取到的樣本信息熵最大為目標(biāo)，并兼顧所評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同時(shí)間的信息差異，建立最優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的時(shí)間權(quán)向量λ=[λ1,λ2,…,λq]進(jìn)行求解，如式(17)所示。

(17)

4 算例分析

4.1 海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)案例的構(gòu)成

本文算例中的海上孤立電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由用電平臺(tái)和電站平臺(tái)構(gòu)成，海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)的接線方式有兩種，分別為單回接入及雙回接入，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖6和圖7所示，圖中A、B、D、F、G平臺(tái)為用電平臺(tái)，C、E、H平臺(tái)為電站平臺(tái)。圖6為海上移動(dòng)電源采用單回接入方式接入孤立電網(wǎng)的網(wǎng)架模型結(jié)構(gòu)圖，即電源通過(guò)低功率一回輸電線路接入電網(wǎng)A平臺(tái)35 kV母線，不會(huì)改變?cè)泄铝㈦娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)；圖7為海上移動(dòng)電源采用雙回接入方式接入孤立電網(wǎng)的網(wǎng)架模型結(jié)構(gòu)圖，即電源通過(guò)大功率一回輸電線路接入電網(wǎng)A平臺(tái)35 kV母線，另一回接至電網(wǎng)B平臺(tái)35 kV母線，不同于圖6所示的單回接入方式，雙回接入方式將改變?cè)泄铝㈦娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致原有孤立電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由“鏈?zhǔn)健弊優(yōu)椤版準(zhǔn)?環(huán)網(wǎng)”。

圖6 海上移動(dòng)電源單回接入孤立電網(wǎng)Fig.6 Offshore mobile power connected to isolated grid through transmission line

圖7 海上移動(dòng)電源雙回接入孤立電網(wǎng)Fig.7 Offshore mobile power sources connected to isolated power grids through two-circuit transmission lines

對(duì)于海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)的接入方案，不同接入方案選取的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷情況、主接線形式、多電壓等級(jí)接地方式、升壓變壓器并列運(yùn)行方式、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置可能不同，導(dǎo)致接入后運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)值的波動(dòng)。由于六項(xiàng)關(guān)鍵因素的組合方式繁多，組成多種接入方案，本文僅從中選取幾種典型方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

幾種典型接入方案的主接線方式、多電壓等級(jí)接線方式、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置均采用相同案例，即圖1所示案例。主接線可分為兩種：有匯流母線的接線和無(wú)匯流母線的接線。有匯流母線的接線方式包括：?jiǎn)文妇€、單母線分段、雙母線、雙母線分段等；無(wú)匯流母線的接線方式包括：外橋接線、內(nèi)橋接線、角形接線等。有匯流母線的接線形式，接線簡(jiǎn)單清晰、運(yùn)行方便，便于安裝和擴(kuò)展，但占地面積大，適用于進(jìn)出線較多的站；無(wú)匯流母線的接線形式，使用設(shè)備相對(duì)較少，占地面積少，適用于進(jìn)出線數(shù)少的站。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)外輸電回路數(shù)、占地面積以及運(yùn)行可靠性，優(yōu)先選擇投資相對(duì)較低、占地面積較小、具有一定運(yùn)行靈活性的方案。因此，電氣主接線方式采用內(nèi)橋型接線，中性點(diǎn)接地方式為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)配置接地電阻、船用中壓配置接地變壓器，保護(hù)及自動(dòng)裝置配置則均具備基本的保護(hù)功能[19,20]見(jiàn)表1。

表1 保護(hù)及自動(dòng)裝置配置Tab.1 Protection and automatic device configuration

本文選取的5種典型接入方案對(duì)比見(jiàn)表2。由于在一回輸電線路接入電網(wǎng)時(shí)，升壓變壓器高壓側(cè)只能并列運(yùn)行，故方案1和方案2中，升壓變壓器并列運(yùn)行方式均為高壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列。而在雙回輸電線路接入電網(wǎng)的方案3、方案4中，則考慮了升壓變壓器高壓側(cè)并列與高壓側(cè)分列的對(duì)比。

表2 海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)的典型接入方案Tab.2 Typical schemes for offshore mobile power source integrated into isolated power grid

在DIgSILENT PowerFactory上搭建上述5種方案的仿真模型，按時(shí)序給予擾動(dòng)信號(hào)，時(shí)序?yàn)椋弘妱?dòng)機(jī)負(fù)荷啟動(dòng)→35 kV海纜三相短路故障→機(jī)端單相接地故障→發(fā)電機(jī)組跳閘，通過(guò)主客觀賦權(quán)法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，并從指標(biāo)維度及時(shí)間維度兩個(gè)層面進(jìn)行二次加權(quán)，得到最終的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2 海上移動(dòng)電源接入方案的安全運(yùn)行評(píng)價(jià)

搭建仿真模型后，在不同時(shí)刻給予擾動(dòng)信號(hào)，在1 s時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)，在10 s時(shí)35 kV海纜三相短路故障，故障在0.1 s后恢復(fù)，在20 s時(shí)機(jī)端單相接地故障，故障在0.1 s后恢復(fù)，在30 s時(shí)發(fā)電機(jī)組跳閘，對(duì)各變量在不同時(shí)序下的擾動(dòng)變化進(jìn)行仿真，選取幾組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8～圖11所示。

圖8 方案1下海上移動(dòng)電源1、2相關(guān)參數(shù)波形圖Fig.8 Waveforms diagram of relevant parameters of marine mobile power 1 and 2 under scheme 1

圖9 方案3下海上移動(dòng)電源1、2相關(guān)參數(shù)波形圖Fig.9 Waveforms diagram of relevant parameters of marine mobile power 1 and 2 under scheme 3

海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)有多種接入方案可以進(jìn)行選擇，本文選取了方案1、方案3下海上移動(dòng)電源1和海上移動(dòng)電源2的有功功率、無(wú)功功率參數(shù)進(jìn)行仿真，可以得到如圖8、圖9所示的波形圖。從圖8、圖9中可以看到，在發(fā)生擾動(dòng)的各個(gè)時(shí)刻，有功功率、無(wú)功功率都發(fā)生了相應(yīng)的波動(dòng)。圖中無(wú)功功率在10 s時(shí)都出現(xiàn)了較高的尖峰，主要是由于仿真時(shí)刻設(shè)置三相短路故障發(fā)生在送出線路電廠這一側(cè)，即在升壓變壓器高壓側(cè)，由于電網(wǎng)較小，帶的負(fù)荷也較少，移動(dòng)電源作為系統(tǒng)的主要供電電源，當(dāng)送出線路電廠側(cè)三相短路時(shí)，故障較為嚴(yán)重，導(dǎo)致無(wú)功功率波動(dòng)較大。移動(dòng)電源2在30 s發(fā)生發(fā)電機(jī)組跳閘時(shí)，有功功率及無(wú)功功率均瞬時(shí)變化為零，變化明顯，在其余擾動(dòng)時(shí)刻，有功功率、無(wú)功功率在擾動(dòng)時(shí)刻及其后一小段時(shí)間波動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定，說(shuō)明整體對(duì)系統(tǒng)的影響不大。

對(duì)比不用方案下的各參數(shù)，圖10所示為方案1和方案3下海上移動(dòng)電源1的頻率波形圖。圖11為方案1和方案2下電動(dòng)機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)速的波形圖。

圖10 方案1、3的頻率波形圖Fig.10 Waveforms diagram of frequency for schemes 1 and 3

圖11 方案1、2的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)速波形圖Fig.11 Waveforms diagram of motor load speed for schemes 1 and 2

由圖10可以看到，方案1和方案3下移動(dòng)電源1的頻率波動(dòng)大致相當(dāng)，在每個(gè)擾動(dòng)時(shí)刻均產(chǎn)生較小波動(dòng)，說(shuō)明方案1和方案3的頻率穩(wěn)定性總體來(lái)說(shuō)是較好的，擾動(dòng)后基本穩(wěn)定在50 Hz附近，最后海上移動(dòng)電源2跳閘后，海上移動(dòng)電源1的頻率有所下降，總體頻率波動(dòng)不超過(guò)1.0 Hz。

圖11為方案1和方案2下電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)的轉(zhuǎn)速波形圖，在1 s時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行起動(dòng)動(dòng)作。方案1和方案2在負(fù)荷情況下有所區(qū)別，方案1負(fù)荷情況為船用電+電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，方案2負(fù)荷情況為船用電+電動(dòng)機(jī)負(fù)荷+外網(wǎng)負(fù)荷，方案2較方案1所帶負(fù)荷類型及容量增多，且本文選取方案2的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷容量也較方案1增加，從波形圖可以看出，在方案2下，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)的時(shí)間增長(zhǎng)，說(shuō)明容量增加后，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷起動(dòng)時(shí)間及穩(wěn)定性比方案1需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但方案1和方案2電動(dòng)機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行后轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定在1 pu。

通過(guò)仿真計(jì)算得到各個(gè)安全運(yùn)行指標(biāo)值，并進(jìn)行二次加權(quán)計(jì)算后，得到的5種典型接入方案安全運(yùn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)值見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)二次加權(quán)計(jì)算后，可得方案1的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)值0.642 8最大，認(rèn)為該接入方案下的系統(tǒng)安全穩(wěn)定性在5種方案中是最好的。

表3 5種典型接入方案的安全運(yùn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 Dynamic evaluation indicators for safe operation of 5 typical access schemes

由表3可得，在同樣采取單回輸電線路接入電網(wǎng)的方案下，對(duì)比方案1及方案2可得，方案2動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)值小于方案1，即海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)所帶負(fù)荷情況越復(fù)雜，其安全穩(wěn)定性越差。在同樣采取雙回輸電線路接入電網(wǎng)的方案下，對(duì)比方案3及方案4可得，方案3動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)值大于方案4，即在雙回輸電線路接入電網(wǎng)時(shí)，選擇升壓變壓器高壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列的運(yùn)行方式優(yōu)于兩側(cè)均分列運(yùn)行的方案，安全穩(wěn)定性越好。對(duì)比方案3和方案5可得，方案3動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)值大于方案5，與單回輸電線路接入電網(wǎng)方案評(píng)價(jià)結(jié)果一致，證明了海上移動(dòng)電源接入孤立電網(wǎng)所帶負(fù)荷情況越復(fù)雜，其安全穩(wěn)定性越差。

5 結(jié)論

本文提出了一套針對(duì)海上移動(dòng)電源接入海上孤立電網(wǎng)的安全運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，體系中涵蓋功率安全、故障擾動(dòng)、穩(wěn)定性三個(gè)方面下七種影響安全運(yùn)行的指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上移動(dòng)電源接入海上孤立電網(wǎng)的安全性、可靠性進(jìn)行綜合、全面評(píng)估。各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后通過(guò)二次加權(quán)法，對(duì)各指標(biāo)在空間及時(shí)間上進(jìn)行加權(quán)，可對(duì)各接入方案下的指標(biāo)值進(jìn)行分析對(duì)比選擇。通過(guò)DIgSILENT PowerFactory中的仿真分析可以看出，本文所提出的評(píng)估指標(biāo)體系能有效反映海上移動(dòng)電源接入海上孤立電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，為提高海上移動(dòng)電源接入海上孤立電網(wǎng)防止出現(xiàn)安全事故提供理論支持。