基于EMS的地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)

羅玉春，龔成明，王 毅，李 雷，葛亮亮

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106)

為了對電網(wǎng)風(fēng)險進(jìn)行辨識和預(yù)控，給調(diào)度運行提供理論分析支持，合環(huán)風(fēng)險評估作為一項重要的內(nèi)容被電網(wǎng)調(diào)度運行管理部門所重視。傳統(tǒng)合環(huán)風(fēng)險分析方法根據(jù)經(jīng)驗或者離線分析，能適應(yīng)特定的運行方式或者電網(wǎng)規(guī)模較小的情況，不適用于日益復(fù)雜的大電網(wǎng)合環(huán)風(fēng)險分析[1-8]。但目前在我國很多地區(qū)，依然是憑調(diào)度人員的經(jīng)驗進(jìn)行合環(huán)操作，在發(fā)生合環(huán)失敗的情況再進(jìn)行分析計算[9]，這樣所進(jìn)行的分析計算不可避免存在以下幾個方面的局限：

（1）電網(wǎng)模型的時效性。一般運方人員在進(jìn)行合環(huán)分析時，進(jìn)行離線近似計算，其過程繁瑣且無法保證其模型是否能夠完整準(zhǔn)確地表述電網(wǎng)當(dāng)前運行情況，直接影響了計算分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）合環(huán)暫態(tài)電流計算的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的合環(huán)操作風(fēng)險分析方法，由運方人員畫出環(huán)路路徑并將合環(huán)路徑上的支路阻抗進(jìn)行累加作為合環(huán)阻抗，該方法無法考慮多環(huán)等復(fù)雜情況，使得計算得到的環(huán)路阻抗不甚準(zhǔn)確，基于此值求解的合環(huán)電流穩(wěn)態(tài)分量和自由分量均存在誤差，由此可能導(dǎo)致分析結(jié)論的錯誤。

（3）缺乏實用的分析機制。現(xiàn)有傳統(tǒng)的合環(huán)操作風(fēng)險分析方法，是在計算前手動建立等值近似模型，依靠手工運用潮流分析程序得出需要的指標(biāo)，步驟較為復(fù)雜，在一定程度上影響了合環(huán)操作風(fēng)險分析的實用性。

（4）計算結(jié)果缺乏實用性。以往對電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行分析和評判只是簡單孤立地分析沖擊電流、穩(wěn)態(tài)潮流，沒有形成一個綜合的評價指標(biāo)來直接指示合環(huán)風(fēng)險等級。

本文提出一種基于能量管理（EMS）系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)，基于EMS 系統(tǒng)建立的全網(wǎng)模型和實時數(shù)據(jù)斷面基礎(chǔ)上，在控制中心實現(xiàn)實時在線合環(huán)風(fēng)險分析，建立合環(huán)沖擊電流校驗、支路熱穩(wěn)定校驗、靜態(tài)安全分析校驗、短路電流水平校驗等風(fēng)險指標(biāo)，實現(xiàn)合環(huán)路徑的搜索檢驗及拓?fù)湔故?，突破傳統(tǒng)合環(huán)分析方法存在的局限性，有助于提高合環(huán)風(fēng)險分析水平，該系統(tǒng)已在深圳電網(wǎng)投入運行。

1 基于EMS的合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)

目前EMS 系統(tǒng)已經(jīng)能獲得電網(wǎng)的實時運行方式，因此電網(wǎng)在采用電磁環(huán)網(wǎng)運行方式前可以通過EMS系統(tǒng)的功能對合環(huán)后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流、N-1 靜態(tài)安全和斷路器的遮斷容量做預(yù)先的分析，獲得合環(huán)操作風(fēng)險等級，從而為實際合環(huán)操作做指導(dǎo)。

1.1 合環(huán)風(fēng)險評估模型和風(fēng)險指標(biāo)

合環(huán)操作后電網(wǎng)會出現(xiàn)某些特殊狀態(tài)，包括線路過流、主變過載、母線短路電流過大等。目前電力系統(tǒng)風(fēng)險分析一般是從經(jīng)濟(jì)損失的角度考慮事故后果，本文從電網(wǎng)安全方面結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)實際情況，綜合電網(wǎng)安全因素進(jìn)行合環(huán)風(fēng)險評估分析。由于合環(huán)風(fēng)險計算分析具有強解耦性，合環(huán)操作風(fēng)險可以按照每一類安全性問題、每一起事故或者每一個元件進(jìn)行計算，因此可以將對合環(huán)操作整體風(fēng)險評估分解為對各類安全性問題的評估，計算不同類型考核項的風(fēng)險指標(biāo)值，以反映系統(tǒng)安全問題的不同方面，根據(jù)相應(yīng)的權(quán)重可以達(dá)到整體評估合環(huán)操作風(fēng)險的目的。對于合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)，將合環(huán)產(chǎn)生的后果定義為合環(huán)操作暫態(tài)過程中及合環(huán)操作后考核指標(biāo)的嚴(yán)重度函數(shù)值，這樣求出的風(fēng)險指標(biāo)為具體數(shù)值，可以直觀地得到系統(tǒng)相應(yīng)部分對應(yīng)的風(fēng)險大小。合環(huán)操作風(fēng)險指標(biāo)定義為合環(huán)操作時事故發(fā)生的概率×合環(huán)產(chǎn)生的后果。該指標(biāo)用來反映合環(huán)操作風(fēng)險綜合程度，定量的抓住決定風(fēng)險等級的因素：合環(huán)操作相應(yīng)產(chǎn)生結(jié)果的可能性以及其相應(yīng)結(jié)果的嚴(yán)重性[10-12]。定義合環(huán)風(fēng)險綜合指標(biāo)計算公式為：

式（1）中：i為合環(huán)操作風(fēng)險評估項目；Si為合環(huán)操作風(fēng)險評估單項的風(fēng)險水平；Pi（X）為合環(huán)操作風(fēng)險評估單項的出現(xiàn)概率；ωi為合環(huán)操作風(fēng)險評估單項的權(quán)重；R為合環(huán)操作風(fēng)險指標(biāo)值。

1.2 合環(huán)沖擊電流風(fēng)險指標(biāo)

定義合環(huán)沖擊電流風(fēng)險指標(biāo)：合環(huán)操作時由于合環(huán)端口電壓矢量差引起的合環(huán)沖擊電流大小決定該合環(huán)沖擊電流風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)的取值。

合環(huán)沖擊電流風(fēng)險指標(biāo)反映的是合環(huán)端口電壓矢量差引起的合環(huán)沖擊電流大小的嚴(yán)重度。合環(huán)沖擊電流的大小和保護(hù)定值決定合環(huán)沖擊電流嚴(yán)重度函數(shù)取值。當(dāng)合環(huán)沖擊電流未引起設(shè)備保護(hù)動作時，其合環(huán)操作風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)取值為0；當(dāng)合環(huán)沖擊電流引起設(shè)備保護(hù)動作時，其合環(huán)操作風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)取值為1。定義合環(huán)沖擊電流風(fēng)險指標(biāo)的計算公式：

式（2）中：SCLF為合環(huán)沖擊電流風(fēng)險嚴(yán)重度；RCLF為合環(huán)沖擊電流風(fēng)險指標(biāo)。

1.3 支路熱穩(wěn)定合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)

支路（包括線路和變壓器）的熱穩(wěn)定電流是支路傳輸容量的一個絕對限制條件。定義支路合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)：環(huán)網(wǎng)運行方式下流經(jīng)支路的電流（或者功率）大小決定該支路合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)的取值。

支路合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下系統(tǒng)中運行的支路傳輸功率重載和過載的危害嚴(yán)重度。每條支路的負(fù)載率大小決定該支路合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)取值。對于合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)，重點考慮合環(huán)引起的新的越限支路情況，兼顧考慮合環(huán)操作前已經(jīng)越限和重載的支路，對于新引起的越限，支路合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)取值為合環(huán)操作引起新的越限支路總數(shù)，對于合環(huán)前已經(jīng)越限的支路，其風(fēng)險嚴(yán)重度與重載風(fēng)險嚴(yán)重度取均值。定義支路合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)的計算公式：

式（3）中：Si為某一條運行支路對應(yīng)的合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度；nalm，nove為重載/ 越限支路條數(shù)；Salm，Sove為重載/越限支路風(fēng)險嚴(yán)重度；Sovenew為合環(huán)操作后新引起的越限支路風(fēng)險嚴(yán)重度；RBCH為環(huán)網(wǎng)運行方式下整個系統(tǒng)所有支路合環(huán)風(fēng)險。

1.4 N-1 合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)

在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)方式下，必須保證在任何事故后情況下，通過低一級電壓等級支路的電流低于其熱穩(wěn)定電流。如果高一級電壓支路斷開后，潮流轉(zhuǎn)移到低一級電壓支路，極易超過低壓支路的熱穩(wěn)定極限，因而在合環(huán)風(fēng)險分析時需要考慮環(huán)網(wǎng)情況下的N-1 靜態(tài)安全水平。定義N-1 合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)：環(huán)網(wǎng)運行方式下對環(huán)路支路設(shè)備（線路、變壓器）做N-1 安全分析時引起電力設(shè)備過載的嚴(yán)重函數(shù)程度。N-1 合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下合環(huán)路徑上運行的變壓器/ 線路開斷運行時對電網(wǎng)的危害嚴(yán)重度。合環(huán)支路開斷運行時引起的越限設(shè)備數(shù)決定該支路合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)取值。當(dāng)合環(huán)支路開斷運行引起的越限設(shè)備數(shù)為0時，其合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)取值為0；把不能滿足N-1 安全準(zhǔn)則要求的環(huán)路元件總數(shù)作為N-1 合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度，進(jìn)行N-1 安全校核的元件包括線路、變壓器。定義N-1 合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)的計算公式：

式（4）中：Si為環(huán)路某一支路開斷時合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度；RN-1為環(huán)網(wǎng)運行方式下合環(huán)支路開斷合環(huán)風(fēng)險。

1.5 母線短路電流水平合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)

在各種類型的短路中，最常見的是單相短路。三相短路發(fā)生的概率雖然較低，但它卻是各種短路故障中最嚴(yán)重的一種，對系統(tǒng)的危害最大，而且隨著中性點接地變壓器的大量適用，使得單相短路容量增長迅速，有些廠站母線的單相短路容量甚至超過三相短路容量。因此，在制定母線短路電流合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)中需考慮單相短路電流和三相短路電流。

定義母線短路電流水平風(fēng)險指標(biāo)：環(huán)網(wǎng)運行方式下母線發(fā)生短路故障時短路電流和斷路器額定開斷電流決定該母線短路故障合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度函數(shù)的取值。

短路電流合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下合環(huán)路徑上母線發(fā)生短路故障時遮斷容量重載和過載（相比于斷路器額定開斷電流）的危害嚴(yán)重度。母線短路電流的負(fù)載率大小決定合環(huán)風(fēng)險短路電流水平嚴(yán)重度函數(shù)取值。由于母線發(fā)生短路故障，往往是觸發(fā)電網(wǎng)大事故的元兇，母線短路電流權(quán)重在合環(huán)風(fēng)險各項中權(quán)重需設(shè)置較高，當(dāng)環(huán)路母線短路電流越限時，此時可認(rèn)為合環(huán)短路電流風(fēng)險很大。定義母線短路電流合環(huán)風(fēng)險指標(biāo)的計算公式：

式（5）中：Si_flt為環(huán)路某一條母線短路電流合環(huán)風(fēng)險嚴(yán)重度；n為合環(huán)路徑上重載/ 越限線路的母線條數(shù)；Si_alm和Si_ove為重載/ 越限母線短路電流水平風(fēng)險嚴(yán)重度；RFLT為環(huán)網(wǎng)運行方式下環(huán)路母線短路電流水平合環(huán)風(fēng)險。

1.6 基于EMS的合環(huán)風(fēng)險評估軟件實現(xiàn)

合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)軟件基于EMS 平臺，采用服務(wù)器/ 客戶端的消息機制，基于EMS 通用關(guān)系表數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和層次庫結(jié)構(gòu)。使用人員在客戶端側(cè)進(jìn)行操作，由客戶端發(fā)送相應(yīng)的報文至服務(wù)器側(cè)，由服務(wù)器側(cè)主進(jìn)程根據(jù)報文中的信息進(jìn)行分析和計算，并將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫并返回結(jié)果報文至客戶端，整個過程由消息報文進(jìn)行控制，流程如圖1 所示。合環(huán)風(fēng)險評估軟件嵌入在EMS 系統(tǒng)高級應(yīng)用軟件的調(diào)度員潮流模塊中，共享調(diào)度員潮流模塊的數(shù)據(jù)和功能，可以同時由不同的使用者在不同的研究模式下進(jìn)行操作，不同的使用人員之間相互不影響。

圖1 合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)軟件框架

2 工程應(yīng)用

某地區(qū)電網(wǎng)某合環(huán)前/ 后電網(wǎng)運行方式如圖2、圖3 所示，合環(huán)線路為110 kV 安湯線。選取220 kV 坪山站、宏圖站、簡龍站、110 kV 湯坑站、安良站區(qū)域電網(wǎng)，在正常運行方式下，安湯線1360 處于充電狀態(tài)，湯坑站側(cè)安湯線1360 開關(guān)處于分位。

圖2 開環(huán)運行方式示意圖

合環(huán)風(fēng)險分析評估系統(tǒng)模擬分析計算結(jié)果和電網(wǎng)實際合環(huán)操作SCADA 量測值如表1 所示。

圖3 合環(huán)運行方式示意圖

表1 合環(huán)風(fēng)險評估系統(tǒng)計算結(jié)果和實際合環(huán)量測

本系統(tǒng)直接從地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度控制中心EMS 系統(tǒng)中獲取實時電網(wǎng)模型和狀態(tài)估計數(shù)據(jù)，無需另行進(jìn)行設(shè)備參數(shù)維護(hù)和建立等值計算模型。基于全網(wǎng)模型和實時拓?fù)浞治鼋Y(jié)果，自動搜索合環(huán)路徑，基于全網(wǎng)導(dǎo)納陣進(jìn)行和合環(huán)端口電壓計算合環(huán)沖擊電流，并基于全網(wǎng)模型計算合環(huán)后穩(wěn)態(tài)潮流、N-1 靜態(tài)安全分析、環(huán)路母線短路電流水平。合環(huán)操作風(fēng)險評估系統(tǒng)分析得出的此斷面運行方式下合環(huán)風(fēng)險總水平及其分項風(fēng)險評估水平如表2 所示，基于廣度搜索算法得到的環(huán)路拓?fù)淙鐖D4 所示。

表2 合環(huán)風(fēng)險評估水平

圖4 案例合環(huán)路徑拓?fù)?/p>

在本系統(tǒng)確立了4 種合環(huán)操作安全性問題，從地區(qū)電網(wǎng)安全的的不同角度對系合環(huán)操作進(jìn)行了風(fēng)險描述并建立了不同類型的風(fēng)險指標(biāo)，通過對不同項指標(biāo)的整合對合環(huán)操作進(jìn)行了合環(huán)風(fēng)險水平的評估。

應(yīng)該指出合環(huán)分析計算結(jié)果依賴于EMS 系統(tǒng)的狀態(tài)估計結(jié)果，隨著變電站裝置的改造，狀態(tài)合格率隨著調(diào)度控制中采集的SCADA 數(shù)據(jù)質(zhì)量改善也在不斷提高，另外隨著地區(qū)電網(wǎng)外網(wǎng)等值接入功能的加入，電網(wǎng)計算模型也日趨完整，這些為合環(huán)風(fēng)險分析軟件提供了更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。經(jīng)測試表明，合環(huán)風(fēng)險分析軟件能夠滿足地區(qū)電網(wǎng)的分析需求。

3 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)分析的缺點做了詳細(xì)深入的分析，提出并開發(fā)了基于EMS 系統(tǒng)的在線合環(huán)風(fēng)險分析系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)分析方法的缺點，基于EMS 系統(tǒng)實現(xiàn)了合環(huán)分析的實時性、準(zhǔn)確性和便利性?？梢詾榇笠?guī)模地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風(fēng)險風(fēng)險分析提供決策支持，從而有效提高電網(wǎng)調(diào)度和運行人員對電網(wǎng)的控制能力和對電網(wǎng)事故的處理能力，減少電網(wǎng)事故造成的損失。

[1]葉清華，唐國慶，王 磊，等.配電網(wǎng)合環(huán)操作環(huán)流分析系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(22)：66-69.

[2]錢 兵，程浩忠，楊鏡非，等.電網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件研究[J].電力自動化設(shè)備，2002，22(3)：8-11.

[3]夏 翔，熊 軍，胡列翔.地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流分析與控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(22)：76-80.

[4]胡 偉.2004～2005年江蘇電網(wǎng)分層分區(qū)運行分析[J].華東電力，2003(8)：14-17.

[5]張 勇，姚建光，俞曉榮，等.具備快速合解環(huán)功能的備自投分析[J].江蘇電機工程，2012，31(1)：61-63.

[6]應(yīng)夏曦，紀(jì) 良.常州電網(wǎng)分區(qū)運行對地區(qū)配網(wǎng)跨區(qū)合解環(huán)操作的影響及其對策[J].電力設(shè)備，2008，09(1)：65-68.

[7]秦躍進(jìn)，汪 勇，胡 廣.2005年湖北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)問題研究[J].華中電力，2002，15(6)：15-17.

[8]葛少云，李曉明.基于戴維南等值的配電網(wǎng)合環(huán)沖擊電流計算[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2007，19(6)：124-127.

[9]胡宏波，孟清譜，劉高飛，等.一起10 kV 配電網(wǎng)合環(huán)倒電引起線路跳閘的事故分析[J].江蘇電機工程，2011，30(3)：15-18.

[10]陳 霄，王 磊，李 揚.配電網(wǎng)絡(luò)合環(huán)沖擊電流的分析[J].電力自動化設(shè)備，2005，24(5)：40-42.

[11]劉新東，江全元，曹一家，等.基于風(fēng)險理論和模糊推理的電力系統(tǒng)暫態(tài)安全風(fēng)險評估[J].電力系統(tǒng)自動化設(shè)備，2009，29(2)：15-20.

[12]潘 軒，張建華.基于風(fēng)險理論的電力系統(tǒng)安全評估方法應(yīng)用[J].中國電力教育，2008（S1）：219-222.