任建文,魏俊姣
(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003)
近年來國內(nèi)外大停電事故的頻繁發(fā)生,給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制工作帶來新的挑戰(zhàn)[1-2]。通過分析可知,大停電事故發(fā)生的主要原因?yàn)椋簜鹘y(tǒng)的后備保護(hù)及自動(dòng)裝置僅僅根據(jù)本地測量信息,未顧及線路斷開對整個(gè)系統(tǒng)的影響而直接將過載線路切除,引發(fā)潮流大范圍轉(zhuǎn)移,造成相鄰線路功率越限,進(jìn)而導(dǎo)致連鎖跳閘事故的發(fā)生。由此可知,過載線路的切除以及相鄰線路無法消納轉(zhuǎn)移功率而出現(xiàn)新的過載現(xiàn)象對連鎖故障的發(fā)生起到推波助瀾的關(guān)鍵作用。因此,為了防止大停電事故的再次發(fā)生,學(xué)者們分別從以下兩方面進(jìn)行了深入研究。
a.尋找引發(fā)連鎖故障的“個(gè)別線路”。研究發(fā)現(xiàn)大停電事故的發(fā)展、擴(kuò)大階段與系統(tǒng)的脆弱環(huán)節(jié)息息相關(guān)[3],在電力系統(tǒng)中,這些脆弱環(huán)節(jié)大多表現(xiàn)為少數(shù)具有長程連接的線路,即脆弱線路。文獻(xiàn)[3]通過采用基于全局效能的連鎖故障模型,證明電力系統(tǒng)的脆弱性與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆兄芮械穆?lián)系,同時(shí)指出介數(shù)指標(biāo)能夠很好地揭示系統(tǒng)的脆弱環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別提出將輸電線路介數(shù)、潮流熵作為脆弱線路的辨識(shí)指標(biāo)。
b.快速識(shí)別受“個(gè)別線路”影響較大的線路集合,組成輸電斷面[6-10]。 文獻(xiàn)[6]利用圖論相關(guān)知識(shí),在分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸電斷面搜索,算法簡單,搜索速度快,但存在區(qū)內(nèi)漏選問題。文獻(xiàn)[7]通過尋找斷開支路首末端點(diǎn)之間的最短路徑,結(jié)合支路開斷分布系數(shù)確定輸電斷面的組成。
本文首先根據(jù)“在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),線路受到的沖擊越大、線路退出運(yùn)行所造成的潮流轉(zhuǎn)移越大,線路越脆弱”這一基本原理[11],利用功率傳輸分布因子PTDF(Power Transfer Distribution Factor)和有功增加因子提出識(shí)別系統(tǒng)脆弱線路的新指標(biāo),實(shí)現(xiàn)預(yù)防控制的第一步,即識(shí)別脆弱線路。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)防控制的第二步,即分析當(dāng)線路過載時(shí)是采取線路切除還是進(jìn)行緊急負(fù)荷控制,本文提出一種基于功率傳輸分布因子的輸電斷面識(shí)別方法。所提算法可以有效搜索出脆弱線路的輸電斷面,以此快速分析脆弱線路斷開是否會(huì)導(dǎo)致連鎖故障,進(jìn)而完成對電力系統(tǒng)連鎖故障進(jìn)行預(yù)防控制。
傳統(tǒng)脆弱線路的識(shí)別方法,往往利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,根據(jù)介數(shù)(加權(quán)介數(shù))指標(biāo)的大小來表征線路的脆弱性[12-14]。介數(shù)的定義如下:
其中,δst為經(jīng)過節(jié)點(diǎn)s和節(jié)點(diǎn)t之間最短路徑的次數(shù);δst(l)為節(jié)點(diǎn)s和節(jié)點(diǎn)t之間經(jīng)過線路l的最短路徑次數(shù);V為所有節(jié)點(diǎn)的集合。
由介數(shù)的定義可知,直接利用介數(shù)來反映線路所起的傳輸作用,存在一定的局限性。因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中,功率在線路上的流動(dòng),并非只沿著最短路徑,而是在所有可能路徑上進(jìn)行傳輸。過載線路的出現(xiàn)以及在潮流轉(zhuǎn)移后其余線路出現(xiàn)的功率越限問題對連鎖故障的發(fā)生起到關(guān)鍵作用,因此本文抓住問題的主要影響因素,提出判斷一條線路是否為脆弱線路,不應(yīng)僅僅考慮線路的結(jié)構(gòu)脆弱性,而應(yīng)從線路抵抗系統(tǒng)擾動(dòng)的能力大?。_擊脆弱性Cl)和線路斷開對系統(tǒng)的危害程度(轉(zhuǎn)移脆弱性Zl)這2個(gè)方面來綜合分析。對連鎖故障的預(yù)防控制而言,脆弱線路不僅在系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)功率越限,同時(shí)它的退出運(yùn)行引起全網(wǎng)潮流的大范圍轉(zhuǎn)移的概率極大。換而言之,識(shí)別脆弱線路的指標(biāo)應(yīng)該兼顧線路的沖擊脆弱性以及轉(zhuǎn)移脆弱性。同時(shí),因?yàn)檫B鎖故障主要是由潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的靜態(tài)穩(wěn)定問題,因而所提指標(biāo)顧及到線路的熱穩(wěn)定極限,而不考慮線路的暫態(tài)穩(wěn)定問題。下文將詳細(xì)介紹沖擊脆弱性指標(biāo)Cl和轉(zhuǎn)移脆弱性指標(biāo)Zl的形成。
為了分析線路受系統(tǒng)擾動(dòng)(負(fù)荷增加)的影響,本文首先引入功率傳輸分布因子[15]。在一定運(yùn)行方式下,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)對之間功率交換量變化時(shí),其余線路上的功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,由于無功功率一般采取就地補(bǔ)償,因此本文采用基于直流模型求解得到的功率傳輸分布因子,求解過程如下。
假設(shè)發(fā)電節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t之間的功率交換量增加 ΔPst,那么線路 l(首、末節(jié)點(diǎn)分別為 a、b)上的功率相應(yīng)發(fā)生ΔPab的變化,在直流模型下,可以得到:
其中,Xas為在當(dāng)前運(yùn)行方式下的網(wǎng)絡(luò)阻抗矩陣第a行第 s 列所對應(yīng)的元素,Xbs、Xat、Xbt類似;xab為線路 l自身電抗;Tst(l)為線路 l對節(jié)點(diǎn)(s,t)的功率傳輸分布因子。
本文將線路l在節(jié)點(diǎn)對負(fù)荷增加時(shí)所分擔(dān)輸送功率的大小,即線路l對各節(jié)點(diǎn)對的功率傳輸分布因子定義為線路l在系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)所受到的沖擊。由此可知,線路受到的擾動(dòng)沖擊可分為全局沖擊和局部沖擊[11],其中全局沖擊為線路受到的來自每一節(jié)點(diǎn)對波動(dòng)引起的潮流沖擊在線路上的疊加,局部沖擊為線路受到的來自節(jié)點(diǎn)對負(fù)荷增加時(shí)引起的最大沖擊。全局沖擊和局部沖擊的定義式如式(3)和式(4)所示。
其中,G為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)集合;L為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合;Cl_1和Cl_2分別為線路l所受到的全局沖擊和局部沖擊。
為了綜合考慮線路所受到的沖擊,本文首先將全局沖擊和局部沖擊按照式(5)進(jìn)行歸一化處理,再由式(6)得到線路l的沖擊脆弱性指標(biāo)Cl。
其中,Ymax和Ymin分別為指標(biāo)Y的最大值和電小值;C*l_1、C*l_2分別為歸一化的全局沖擊、局部沖擊。
分析式(3)—(6)可知,當(dāng)線路的沖擊脆弱性指標(biāo)Cl越大,表明在系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí),線路上功率增加的概率越大,在一定程度上,線路越脆弱。
在電力系統(tǒng)中,當(dāng)線路l因過載而退出運(yùn)行后,系統(tǒng)中的其余線路就會(huì)分擔(dān)線路l原來傳輸?shù)墓β剩瑸榇藢W(xué)者采用支路開斷分布系數(shù)λk-l來量化線路k在線路l斷開后所受到的影響,定義如下[6]:
其中,c、d分別為線路k的首、末節(jié)點(diǎn);xcd為線路k的電抗;Xca為線路l斷開前的網(wǎng)絡(luò)電抗矩陣X第c行第 a 列對應(yīng)的元素,Xcb、Xda、Xdb、Xaa、Xbb、Xab類似;Pl0、Pk0分別為線路l和線路k的初始有功功率;Pkl為線路l斷開后,線路k的功率。
由λk-l的定義可知,λk-l>0表明在線路l退出運(yùn)行后,線路k的功率增加,λk-l越大,表示轉(zhuǎn)移到線路k的潮流越大;當(dāng)λk-l<0時(shí),線路k上的功率不增反減,值得一提的是,當(dāng)λk-l很小時(shí),線路k上的功率有可能出現(xiàn)反向增大的情況,而此時(shí)λk-l不能有效反映出有功潮流方向的改變和潮流的變化情況。因此本文通過采用有功增加因子來確定在線路l斷開后,其余線路功率的增加情況,定義如下[16]:
由式(8)可知,當(dāng) Ak-l>0 時(shí),線路 l的功率增加;Ak-l≤0表示線路k的功率不變或變小,即線路l斷開不會(huì)對其造成危害。因此本文只考慮線路l斷開對滿足Ak-l>0線路的影響,另一方面,線路l的初始功率Pl0越大,其切除對系統(tǒng)各線路的影響就越大,綜上,本文所提轉(zhuǎn)移脆弱性指標(biāo)Zl定義如式(9)所示。
其中,T為滿足有功增加因子Ak-l>0的線路集合。線路l的轉(zhuǎn)移脆弱性指標(biāo)Zl反映了線路退出運(yùn)行后,對系統(tǒng)其余線路總的潮流增加程度,Zl越大,線路的切除對系統(tǒng)的危害就越大。
對于具有大沖擊脆弱性Cl、小轉(zhuǎn)移脆弱性Zl的線路而言,雖然其易受擾動(dòng)影響,為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),但因?yàn)樵谒顺鲞\(yùn)行后,系統(tǒng)其余線路總的功率增加量較小,線路斷開對系統(tǒng)的危害很小,線路l不屬于脆弱線路。同樣地,當(dāng)線路l的沖擊脆弱性Cl小而轉(zhuǎn)移脆弱性Zl大時(shí),雖然它的斷開對系統(tǒng)其余線路影響較大,但較小的Cl說明線路所傳輸?shù)墓β蚀笮〔蝗菀资艿綌_動(dòng)的影響,在當(dāng)節(jié)點(diǎn)對功率增加時(shí),其過載的概率較小,即因潮流轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)過載的可能性小,也不屬于脆弱線路。因此,脆弱線路應(yīng)該同時(shí)具有較大的Cl和較大的Zl,為此本文提出利用綜合指標(biāo)Vl來識(shí)別脆弱線路,其定義如下:
由式(10)可知,線路l的Vl越大,線路越脆弱,其斷開對電網(wǎng)的影響越大,在日常安全工作中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)視這些脆弱線路,這是連鎖故障預(yù)防控制的第一步。同時(shí),當(dāng)脆弱線路出現(xiàn)過載時(shí),工作人員必須做到在保護(hù)動(dòng)作之前,快速分析脆弱線路的切除是否會(huì)引起其余線路功率越限,進(jìn)而決定是保護(hù)動(dòng)作還是采取緊急負(fù)荷控制。要實(shí)現(xiàn)這一過程就需要實(shí)施預(yù)防控制的第二步,尋找脆弱線路的輸電斷面,以找出影響較大的相鄰線路進(jìn)行分析。
由第1節(jié)可以知道,線路l的Vl越大,其斷開對電網(wǎng)的影響越大。為了判斷脆弱線路斷開后,是否引起全網(wǎng)的連鎖故障,需要搜索出線路l的并行輸電斷面,并對其進(jìn)行潮流分析。在實(shí)際電力系統(tǒng)中,工作人員根據(jù)地理位置等,將電源中心與負(fù)荷中心的一些聯(lián)絡(luò)線路集合構(gòu)成相應(yīng)的輸電斷面。但到目前為止,學(xué)者尚未對輸電斷面做出過統(tǒng)一的定義。本文根據(jù)文獻(xiàn)[6],將在某一基態(tài)潮流下,與脆弱線路有相同電源區(qū)或負(fù)荷區(qū)的輸電斷面稱為線路的并行輸電斷面。
為了有效識(shí)別線路l的并行輸電斷面,本文提出一種基于功率傳輸分布因子的輸電斷面搜索方法。該方法利用上一步的計(jì)算結(jié)果,只需進(jìn)行簡單的計(jì)算,不需進(jìn)行矩陣運(yùn)算、路徑搜索等大規(guī)模運(yùn)算。
通過對輸電斷面的分析可知,組成輸電斷面的線路大多為其并行輸電線路,且互為并行輸電線路的2條線路,功率組成成分相似,傳輸來自相同的節(jié)點(diǎn)對之間的功率即它們的功率傳輸分布因子存在較為密切的關(guān)系[17]。通過對多個(gè)算例分析可知,除了以下2種特殊情況外,針對線路l和線路k,它們對節(jié)點(diǎn)對(s,t)之間的功率傳輸分布因子越接近,它們?yōu)椴⑿休旊娋€路的可能性越大。
a.圖1為單電源向多負(fù)荷供電。由圖可知,線路l和線路k為電源節(jié)點(diǎn)s向負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t進(jìn)行功率傳輸?shù)?條并行輸電線路。根據(jù)功率傳輸分布因子的定義可知,線路l和線路k承擔(dān)由電源節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t之間增加的全部功率。因此,線路l和線路k的功率傳輸分布因子 Tst(l)和 Tst(k)關(guān)系滿足:
b.線路l、線路k和線路m為不同電源向同一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t傳輸功率,如圖2所示。
圖1 單電源向多負(fù)荷供電示意圖Fig.1 Schematic diagram of single power source to multiple loads
圖2 不同電源向負(fù)荷供電示意圖Fig.2 Schematic diagram of multiple power sources to single load
圖2中當(dāng)由電源節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t輸送的功率增加一單位時(shí),線路k的潮流“反向”(如圖2虛線所示),與線路m組成了由電源節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t的另一條路徑(除路徑l外)。這時(shí)在求解線路k的功率傳輸分布因子時(shí),線路k的首末節(jié)點(diǎn)交換,即st(k)=-Tst(k)(Tst(k)、st(k)分別為線路 k 首末節(jié)點(diǎn)交換前、后的功率傳輸分布因子),因此3條線路之間的 Tst(l)、Tst(k)和 Tst(m)滿足關(guān)系:
分析式(11)—(13)可得,這 3個(gè)式子可以用式(15)代替表示:
本文正是基于并行輸電線路功率傳輸分布因子的上述關(guān)系,提出了基于功率傳輸分布因子的輸電斷面的搜索方法。下面給出其基本原理。
a.計(jì)算脆弱線路l與其余輸電線路之間的差異系數(shù)。
首先分別對滿足關(guān)系式(14)和(15)的功率傳輸分布因子進(jìn)行以下處理,然后計(jì)算線路l和線路k功率傳輸分布因子之間的差異系數(shù)Dk-l。
其中,ε 為很小的正數(shù)。 由式(16)和(17)可知,2 條線路之間的功率傳輸分布因子差異系數(shù)Dk-l越小,它們互為并行輸電線路的可能性越大。因此通過計(jì)算2條線路功率傳輸分布因子之間的差異系數(shù),即可初步判斷線路l和線路k是否為并行輸電線路。
b.確定脆弱線路l的輸電斷面。
通過步驟a的計(jì)算,得到其余線路對脆弱線路l關(guān)于功率傳輸分布因子差異系數(shù)Dk-l排序P(l),結(jié)合有功增加因子Ak-l來確定脆弱線路l的輸電斷面,方便工作人員的監(jiān)視工作,減少緊急狀況下的分析量。由輸電斷面的定義可知,其為有功增幅較大的線路集合,因此本文通過依次計(jì)算排序P(l)中各線路關(guān)于線路l的有功增加因子Ak-l與有功增加因子門檻值 Ak-l,set的關(guān)系(Ak-l,set?(0.2,0.3),本文取 0.2[6]),確定線路k是否屬于輸電斷面。 當(dāng)Ak-l<Ak-l,set時(shí),搜索結(jié)束,輸出線路集合,即得到輸電斷面。
基于功率傳輸分布因子的脆弱線路關(guān)鍵輸電斷面搜索方法流程如圖3所示。其中Nst為節(jié)點(diǎn)對總數(shù),M為除了脆弱線路l外的支路數(shù)。
圖3 脆弱線路關(guān)鍵輸電斷面搜索流程圖Fig.3 Flowchart of key transmission section search for vulnerable line
為了驗(yàn)證所提方法的有效性,本文采用IEEE 39節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真說明。該系統(tǒng)共有10臺(tái)發(fā)電機(jī)、39個(gè)節(jié)點(diǎn)、12臺(tái)變壓器和34條線路,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖Fig.4 Wiring diagram of IEEE 39-bus system
按照第1節(jié)所提的脆弱性指標(biāo)計(jì)算方法得到IEEE 39節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)34條線路歸一化后的綜合脆弱性指標(biāo)V*l部分結(jié)果如表1所示。為了驗(yàn)證所提指標(biāo)的有效性,表1還包括沖擊脆弱性指標(biāo)C*l、轉(zhuǎn)移脆弱性指標(biāo)的歸一值Z*l以及介數(shù)指標(biāo)(本文的最短路徑均只考慮電源節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑,共53條)。由表1可知,同時(shí)具備最大的轉(zhuǎn)移脆弱性和排序?yàn)榈?的沖擊脆弱性,使得線路16-15成為系統(tǒng)最脆弱的線路。線路16-15不僅容易受到系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)的影響,同時(shí)它的退出將引起全網(wǎng)各線路功率的大幅度增加,然而若僅僅從線路的介數(shù)來判斷其脆弱性,排序僅為15的線路16-15毫無疑問將被漏選。另一方面,介數(shù)排序第1的線路16-17在本文所提的綜合脆弱性指標(biāo)中排序第5,說明了本文所提指標(biāo)在一定程度上也可以反映具有結(jié)構(gòu)脆弱性的線路。沖擊脆弱性指標(biāo)排序第1的線路19-16,雖然在系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí),極有可能出現(xiàn)過載現(xiàn)象,但其退出運(yùn)行所造成的潮流增加程度在所有線路的排序中僅為第24,即因線路的切除而造成相鄰線路過載的概率較低,因而不是脆弱線路,線路17-27、線路25-26類似。另一方面,轉(zhuǎn)移脆弱性排序第7的線路14-4,雖然其退出運(yùn)行,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流較大范圍的轉(zhuǎn)移,但因其抗沖擊能力強(qiáng),出現(xiàn)過載現(xiàn)象的可能性極低,因此線路對系統(tǒng)的危害較小,不屬于脆弱線路。由此可知,本文所提脆弱性指標(biāo)通過綜合考慮線路的抗沖擊能力和切除危害性,量化線路引起連鎖故障的概率,能有效搜索出系統(tǒng)的脆弱線路。
表1 IEEE 39節(jié)點(diǎn)脆弱線路Table 1 Vulnerable lines of IEEE 39-bus system
本文通過對最脆弱線路16-15和脆弱性排序?yàn)?的線路16-17分別進(jìn)行關(guān)鍵輸電斷面搜索,并利用Power world仿真軟件對線路斷開后系統(tǒng)各線路上潮流變化情況進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證方法有效可行。搜索結(jié)果分別如表2和表3所示。由表可知,本文所提方法可以可靠地搜索出當(dāng)線路16-15和線路16-17退出運(yùn)行后,全網(wǎng)所有潮流變化較大的線路。另外,分析表3可得,本文所提方法不僅可以可靠地搜索到潮流正向增大的并行輸電線路,同時(shí)還能有效識(shí)別出潮流反向且增大的線路(表3的線路18-3、線路14-15等),能有效減少反向漏選問題。不可否認(rèn),如表3所示,本文所提方法存在極少數(shù)漏選線路,究其原因,基于直流模型的功率傳輸分布因子,由于沒考慮當(dāng)前運(yùn)行方式負(fù)載情況等對其數(shù)值的影響,所以存在少數(shù)漏選線路。但通過對漏選線路的分析可知,本文所漏選線路25-26,其支路開斷分布系數(shù)為0.2202,但負(fù)載情況排序僅為29/34(77.1 MW,表示線路當(dāng)前傳輸?shù)墓β试?4條線路中排在29名),線路負(fù)載率較低,有功裕度足夠大,因而當(dāng)線路16-17斷開后,其剩余容量完全可以傳輸轉(zhuǎn)移的潮流,不會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象。
表2 線路16-15關(guān)鍵輸電斷面搜索結(jié)果Table 2 Results of key transmission section search for line 16-15
表3 線路16-17關(guān)鍵輸電斷面搜索結(jié)果Table 3 Results of key transmission section search for line 16-17
為了方便電力系統(tǒng)連鎖故障的預(yù)防控制,本文首先分析大停電事故發(fā)生的主要原因:脆弱線路因過載退出運(yùn)行后,引起潮流的大范圍轉(zhuǎn)移,造成相鄰線路出現(xiàn)功率越限,進(jìn)而導(dǎo)致連鎖故障的發(fā)生。因此,本文提出在識(shí)別脆弱線路的基礎(chǔ)上,搜索脆弱線路的輸電斷面,如此,工作人員在日常工作中只需監(jiān)視脆弱線路及其輸電斷面。本文所提指標(biāo)和算法具有以下特點(diǎn)。
a.所提識(shí)別脆弱線路的指標(biāo),綜合考慮線路的抗沖擊能力和其切除對系統(tǒng)的影響,克服了傳統(tǒng)脆弱性指標(biāo)假設(shè)功率只沿著最短路徑傳輸?shù)牟蛔阒帯M瑫r(shí)當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí),才重新進(jìn)行脆弱線路的識(shí)別。
b.所提輸電斷面搜索方法,巧妙利用已有計(jì)算結(jié)果,算法只需計(jì)算功率傳輸分布因子之間的差異系數(shù),無需進(jìn)行大規(guī)模矩陣運(yùn)算、路徑搜索等,簡單有效,并且能夠發(fā)現(xiàn)潮流反向增大的線路,進(jìn)一步減少漏選問題。