電網(wǎng)全故障智能分析及風險評估系統(tǒng)設(shè)計

王 凱，諶艷紅，萬 源，段志遠

（國網(wǎng)江西省電力公司，江西南昌 330077）

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，互聯(lián)電網(wǎng)之間相互影響愈發(fā)明顯，行為特性愈發(fā)復(fù)雜。加之電網(wǎng)運行中不確定因素逐漸增多，電網(wǎng)運行呈現(xiàn)出強相關(guān)、非線性、復(fù)雜化的大系統(tǒng)特點。

為保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，電網(wǎng)規(guī)劃與運行人員必須開展大量N-1或N-2故障的靜態(tài)和動態(tài)安全計算分析[1]，并求取輸電斷面穩(wěn)定極限，工作量十分繁重。但基于現(xiàn)有電網(wǎng)離線分析計算軟件（PSASP/PSD）的工作模式存在一定的不足：

1）基于PSASP/PSD的計算操作繁瑣，工作效率較低，在互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大的背景下，現(xiàn)有電網(wǎng)離線分析計算軟件無法滿足進行海量故障掃描的需要[2]。

2）為提高工作效率，電網(wǎng)規(guī)劃與運行人員只選取關(guān)鍵故障進行分析校核，關(guān)鍵故障集的選取依賴于人工的經(jīng)驗與判斷[3]，但互聯(lián)電網(wǎng)運行方式和行為特性不斷變化，存在遺漏關(guān)鍵故障的可能。

3）常用的確定性分析方法基于電網(wǎng)中最不利的運行方式和最嚴重的故障標準，得出的結(jié)果往往過于保守，無法充分發(fā)揮電網(wǎng)的輸送能力，降低了電網(wǎng)投資的經(jīng)濟效益。

為服務(wù)國民經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展，適應(yīng)人民生活水平不斷提高對電力可靠供應(yīng)的需求，未來幾年，電網(wǎng)仍將處于快速發(fā)展的過程中，電網(wǎng)的規(guī)模和復(fù)雜程度正在顯著增加。為深入分析電網(wǎng)行為特性，提高電網(wǎng)輸送能力和經(jīng)濟效益，十分迫切地需要開展電網(wǎng)全故障智能分析及風險評估系統(tǒng)研究工作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)需求

針對現(xiàn)有離線分析計算存在的不足，在復(fù)雜互聯(lián)大電網(wǎng)背景下，電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析系統(tǒng)需要滿足以下要求：

1）自動進行全網(wǎng)范圍內(nèi)N-1或N-2的全故障海量掃描。

2）結(jié)合電網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)運行風險進行量化評估。

3）必須基于現(xiàn)有PSASP/PSD數(shù)據(jù)格式，保證電網(wǎng)運行方式分析中參數(shù)模型的一致性。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)全故障掃描及風險評估系統(tǒng)可通過導(dǎo)入電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）或電力系統(tǒng)分析軟件包（PSD）數(shù)據(jù)形成電網(wǎng)模型，同時導(dǎo)入生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）中的電網(wǎng)設(shè)備故障數(shù)據(jù)形成可靠性數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)將在電網(wǎng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定計算的基礎(chǔ)上，對影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的靜態(tài)和動態(tài)故障進行全掃描，結(jié)合電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)及設(shè)備可靠性概率數(shù)據(jù)，綜合事故的影響和發(fā)生概率，對電網(wǎng)風險進行確定性和概率性量化分析，全面評價電網(wǎng)風險。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

2.1 靜態(tài)掃描功能

靜態(tài)掃描是根據(jù)給定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和發(fā)電機、負荷等元件的運行條件及給定的切除方案，確定切除某些元件是否危及系統(tǒng)的安全。其計算方法與潮流計算完全相同。

靜態(tài)掃描可由用戶選擇進行全網(wǎng)、某區(qū)域或某電壓等級的N-1或同桿并架故障靜態(tài)安全分析，也可以執(zhí)行某指定元件斷開后的N-1計算（即N-1-1）。

2.2 動態(tài)掃描功能

動態(tài)掃描可以批量設(shè)置系統(tǒng)的動態(tài)故障，自動分析所有動態(tài)故障下系統(tǒng)的穩(wěn)定水平?？梢宰詣优吭O(shè)置的電網(wǎng)典型故障，包括：交流線、母線、變壓器等設(shè)備的對稱/不對稱故障及多重復(fù)雜故障，并可以考慮重合閘動作、斷路器誤動或拒動的情況。

表1 動態(tài)故障類型

2.3 風險評估功能

風險評估既考慮了電網(wǎng)故障的可能性，又考慮了故障對系統(tǒng)的沖擊程度，是結(jié)合了概率性方法和確定性方法的實用性混合方法，可以確定一個突發(fā)事件出現(xiàn)的概率，并能量度該事件的嚴重程度[4]。

電網(wǎng)靜態(tài)風險評估基于靜態(tài)掃描結(jié)果，進行電壓越限風險評估、支路過載風險評估，進而分析電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)及故障狀態(tài)，給出電網(wǎng)靜態(tài)風險的定量指標。

電網(wǎng)動態(tài)風險評估基于動態(tài)掃描結(jié)果，進行電網(wǎng)動態(tài)失穩(wěn)風險評估，包括功角失穩(wěn)風險、電壓失穩(wěn)風險及頻率失穩(wěn)風險。

3 全故障掃描加速技術(shù)

由于電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)元件N-1和N-2組合數(shù)量十分龐大。為提高計算效率，需要在全故障掃描時采用加速技術(shù)。

3.1 靜態(tài)掃描加速技術(shù)

1）對于雙回線或多回線、并列運行的變壓器等，在掃描時無論是單重故障還是多重故障，均只枚舉一次；

2）使用拓撲分析功能，快捷地找出同塔雙回線路，以及同一發(fā)電機組的出口變壓器；

3）優(yōu)化元件切除方案，生成校核元件列表，只生成一次節(jié)點導(dǎo)納陣，優(yōu)化了靜態(tài)掃描計算流程；

4）使用改進PQ分解法，并用合并小支路的形式提高潮流計算收斂性和計算速度。

3.2 動態(tài)掃描加速技術(shù)

按故障的嚴重程度對故障的計算順序進行排序，優(yōu)先計算較嚴重的故障。若計算結(jié)果顯示穩(wěn)定，則自動認為該元件發(fā)生較輕的故障也能保持穩(wěn)定，而不再對較輕故障進行校核，從而減少動態(tài)掃描計算量。

動態(tài)故障優(yōu)先級見表2所示。優(yōu)先級1表示故障后果最嚴重，優(yōu)先級9表示故障后果最輕微。動態(tài)掃描時從優(yōu)先級為1的故障開始。

表2 動態(tài)故障類型

4 應(yīng)用測試

本系統(tǒng)已在江西電力調(diào)度控制中心投入運行。

使用本系統(tǒng)對江西電網(wǎng)2014年夏大方式進行分析，對220 kV及以上電網(wǎng)進行靜態(tài)和動態(tài)全故障掃描。故障元件范圍是江西省內(nèi)220 kV及以上電網(wǎng)元件，分區(qū)選擇江西省內(nèi)全部13個分區(qū)，電壓等級選擇220 kV、500 kV。越限元件范圍與故障范圍相同。

4.1 靜態(tài)全故障掃描

靜態(tài)故障類型選擇N-1和同桿并架故障掃描。

結(jié)果顯示，靜態(tài)掃描故障總數(shù)760個，導(dǎo)致越限的故障11個，其中導(dǎo)致母線電壓越下限的故障1個，導(dǎo)致線路過載的故障1個，導(dǎo)致變壓器過載的故障9個。

靜態(tài)掃描結(jié)果詳細列出了11個導(dǎo)致越限的故障信息，包括切除元件列表和越限元件及越限量。用戶可以在地理圖中選擇相應(yīng)的故障作業(yè)號查看潮流結(jié)果。

4.2 動態(tài)全故障掃描

動態(tài)故障類型選擇線路三相短路、單相接地重合閘成功、同桿雙回或多回異名相故障。

根據(jù)計算設(shè)置，本次掃描自動生成3 202次故障，結(jié)果表中列出2 168次故障暫穩(wěn)計算結(jié)果，有1 034次故障根據(jù)動態(tài)掃描加速技術(shù)省略計算。在有暫穩(wěn)計算結(jié)果的故障中，導(dǎo)致功角失穩(wěn)的有85個，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的有420個。

4.3 計算結(jié)果分析

該系統(tǒng)計算過程迅速，結(jié)果準確。

該次應(yīng)用在臺式計算機上完成，CPU是intel酷睿2.93 GHz，內(nèi)存2 G。在進行江西220 kV及以上電網(wǎng)靜態(tài)全故障掃描時，僅需5~7 min即可完成。完成江西220 kV及以上電網(wǎng)線路三相故障動態(tài)掃描需要約22 h。

通過抽樣對比可以驗證該系統(tǒng)的計算結(jié)果與PSASP是一致的。

5 結(jié)論

電網(wǎng)全故障智能分析及風險評估系統(tǒng)可以自動、快速地對復(fù)雜大電網(wǎng)進行靜態(tài)和動態(tài)全故障掃描和分析，并在此基礎(chǔ)上進行電網(wǎng)運行風險評估分析。本系統(tǒng)采用了多種加速技術(shù)來解決計算量大的問題，提高了系統(tǒng)的計算效率，為復(fù)雜大電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算提供了一種有效的分析手段。

該系統(tǒng)可以有效降低電網(wǎng)運行的安全風險，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算的工作效率。該系統(tǒng)基于現(xiàn)有PSASP/PSD數(shù)據(jù)格式和潮流穩(wěn)定計算程序，適合在電網(wǎng)公司各級調(diào)度機構(gòu)和規(guī)劃設(shè)計部門中推廣應(yīng)用。

[1]DL 755-2001電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則[S].

[2]羅彬，劉漢偉，梅濤，等.基于PSD-BPA的電網(wǎng)潮流穩(wěn)定計算分析平臺開發(fā)與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（17）：119-123.

[3]付紅軍，孟遠景，熊浩青，等.電網(wǎng)運行方式綜合管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2010，30（4）：119-122.

[4]劉怡芳，張步涵，李俊芳，等.考慮電網(wǎng)靜態(tài)安全風險的隨機潮流計算[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（1）：59-64.