配電網(wǎng)低電壓脆弱性指標(biāo)分析

高明濤+尹珊

摘 要：電力系統(tǒng)的事故敲響了配電網(wǎng)安全性的警鐘，一些重大的電網(wǎng)停電事故給社會(huì)帶來了重大損失，為此，需要確定和分析配電網(wǎng)系統(tǒng)中的低電壓脆弱性指標(biāo)，評(píng)估配電網(wǎng)低電壓脆弱性指標(biāo)的特性，要對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的事故進(jìn)行預(yù)先估測(cè)、檢定和響應(yīng)，并且能夠在電網(wǎng)事故之后迅速實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的系統(tǒng)重構(gòu)，促進(jìn)電網(wǎng)的故障評(píng)估到故障恢復(fù)的電網(wǎng)自愈功能實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 低電壓 脆弱性 指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0017-02

在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的態(tài)勢(shì)下，電網(wǎng)正在進(jìn)行大規(guī)模的互聯(lián)，電力系統(tǒng)成為了與人們生活息息相關(guān)的人造網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系之中，電能的輸出安全與使用已經(jīng)成為了人們關(guān)注的議題，由于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的連鎖性大范圍的事故，給人們的生活造成了嚴(yán)重的威脅。為此，需要對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脆弱性指標(biāo)的預(yù)測(cè)和分析，要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)、快速的脆弱性評(píng)估和預(yù)測(cè)，并對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，有效地進(jìn)行配電網(wǎng)的自我恢復(fù)，從而提高配電網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

1 配電網(wǎng)脆弱性界定及其影響因素

配電網(wǎng)的脆弱性又稱為系統(tǒng)的抗干擾和抗故障的能力，由于各種因素如人為干預(yù)、信息網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算偏差、元件保護(hù)等，對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)存在潛在的危險(xiǎn)，這些潛在的危險(xiǎn)一旦暴露，則會(huì)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的正常供電能力造成較大的威脅。同時(shí)，不同的配電網(wǎng)系統(tǒng)也有不同的脆弱性表現(xiàn)，電力市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大使設(shè)備脆弱性得到大范圍的分布，伴隨著電網(wǎng)的迅速擴(kuò)張，區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行之間的信息交換不夠充分，出現(xiàn)缺少實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而調(diào)度失靈的現(xiàn)象，這也增加了配電網(wǎng)的脆弱性。

在配電網(wǎng)系統(tǒng)之中，對(duì)于配電網(wǎng)脆弱性的影響因素主要有以下幾個(gè)方面。

（1）配電網(wǎng)系統(tǒng)元件故障因素。在配電網(wǎng)系統(tǒng)之中，要涉及各種不同的設(shè)備，諸如變壓器、輸電線、發(fā)電機(jī)等，這些系統(tǒng)元件會(huì)造成信息數(shù)據(jù)的延遲，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和效率。

（2）控制保護(hù)系統(tǒng)因素。在配電網(wǎng)系統(tǒng)之中，控制保護(hù)系統(tǒng)的故障也對(duì)配電網(wǎng)的脆弱性有較大的影響，諸如控制保護(hù)系統(tǒng)的隱性故障、斷路器故障、系統(tǒng)的保護(hù)誤動(dòng)作等。

（3）通信系統(tǒng)因素。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，在與EMS失去通信的前提下，也無法實(shí)施自動(dòng)控制和保護(hù)，或者出現(xiàn)外部的Agent侵入信息，也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的脆弱性產(chǎn)生影響。

（4）電力系統(tǒng)整體環(huán)境因素。由于電力系統(tǒng)存在整體性能的穩(wěn)定問題，諸如電壓波動(dòng)、振蕩、頻率不穩(wěn)定等，這些電力系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問題，也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電壓的脆弱性造成影響。

（5）外在因素的影響。一些外來的自然災(zāi)害和惡劣氣候條件，也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的脆弱性造成影響，如地震、冰雹、洪水、火災(zāi)等。

2 配電網(wǎng)低電壓脆弱性指標(biāo)

配電網(wǎng)低電壓的脆弱性指標(biāo)可以用于描繪電網(wǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)度以及承受能力，它可以表現(xiàn)為不同的方面，如電壓、靜態(tài)、頻率等。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

這一指標(biāo)重點(diǎn)是針對(duì)電力系統(tǒng)的事故發(fā)生概率及其影響而提出的評(píng)估指標(biāo)，對(duì)配電網(wǎng)事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估克服了簡(jiǎn)單的概率性評(píng)估的缺點(diǎn)，可以對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行確立并分析，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的數(shù)值大小，判定配電網(wǎng)系統(tǒng)的脆弱程度。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的定量分析，可以采用以下公式進(jìn)行定量計(jì)算：

在上式中，i表示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的正常運(yùn)行集合條件；Xi表示系統(tǒng)故障之間的狀態(tài)；E表示不可預(yù)知的事故風(fēng)險(xiǎn)；C表示事故風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)的后果及影響；P（E/X）表示不可預(yù)知的事故風(fēng)險(xiǎn)在故障狀態(tài)下發(fā)生的概率；S（C/E）表示事故風(fēng)險(xiǎn)所帶來的嚴(yán)重程度；R（C/Xi）表示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)數(shù)值。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)涵蓋有過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、低電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。其中，過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是表示事故發(fā)生后線路的過載狀態(tài)；低電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是反映事故后各母線電壓下降的風(fēng)險(xiǎn)；失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是系統(tǒng)電壓距離失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值。

2.2 電壓穩(wěn)定預(yù)警指標(biāo)

它可以用于反映系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的狀態(tài)，對(duì)于系統(tǒng)電壓存在問題的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警分析，這個(gè)指標(biāo)體系較為全面。

2.3 電網(wǎng)安全指標(biāo)

由于電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，電網(wǎng)的復(fù)雜性和安全性都是密切關(guān)注的課題，用某一項(xiàng)單一的指標(biāo)，難以準(zhǔn)確地判定出系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，而且在復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，需要有大量的數(shù)據(jù)作為前提，要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)和分析，這樣，才能準(zhǔn)確把握電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律，從而判定電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)中的相關(guān)聯(lián)性，提升電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性能。

2.4 電網(wǎng)評(píng)估體系

配電網(wǎng)的脆弱性和安全性都是針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的指標(biāo)，在電網(wǎng)并網(wǎng)的趨勢(shì)之下，遠(yuǎn)距離和大容量的電廠進(jìn)入到電網(wǎng)系統(tǒng)之中，這就需要從全局的角度出發(fā)，構(gòu)建電網(wǎng)評(píng)估體系，將電網(wǎng)視同為廣義的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全分析，并采用定量分析的方式，對(duì)電網(wǎng)變化量、變化率和敏感性等進(jìn)行評(píng)估，再全面分析各種不確定性因素對(duì)于電網(wǎng)安全的影響。

2.5 頻率脆弱性指標(biāo)

在運(yùn)用頻率脆弱性指標(biāo)的評(píng)估過程中，電網(wǎng)的有功功率是重要的影響因素，電網(wǎng)的有功功率不穩(wěn)定，就會(huì)導(dǎo)致頻率的上下波動(dòng)，一旦頻率波動(dòng)超出或低于一定的范圍，則會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)的頻率崩潰。

2.6 自然災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)

由于一些外在因素的影響，諸如冰雪、雷電、臺(tái)風(fēng)、地震等，這些自然災(zāi)害對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)也有較大的危害性影響，在這些自然災(zāi)害的侵襲之下，各個(gè)電網(wǎng)調(diào)度部門、電力預(yù)測(cè)部門、電網(wǎng)運(yùn)行部門都要加強(qiáng)對(duì)預(yù)警指標(biāo)的基礎(chǔ)工作，做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。

3 配電網(wǎng)低電壓脆弱性評(píng)估的方法

3.1 概率論視角之下的配電網(wǎng)評(píng)估

這個(gè)評(píng)估方法主要針對(duì)配電網(wǎng)中的隨機(jī)事件發(fā)生概率以及其影響，可以運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)理論，對(duì)電力系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行評(píng)估，用風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)判定事故的等級(jí)和后果，可以較為全面地顯示出配電網(wǎng)系統(tǒng)的事故發(fā)生概率及其影響。

還可以基于蒙特卡羅模擬方法，對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性評(píng)估，這需要事先將不確定性因素進(jìn)行抽樣分析，從而根據(jù)抽樣分析的結(jié)果，判定不確定因素對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，可以進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，從而獲取系統(tǒng)運(yùn)行所需的脆弱性指標(biāo)。它可以較好地處理負(fù)荷的隨機(jī)變化，可以依照時(shí)間的發(fā)生先后順序進(jìn)行操作和處理。不足之處在于需要在一定的計(jì)算時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的計(jì)算精度，這兩者之間的緊密性決定了系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定，因?yàn)橛?jì)算的精度需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間為前提和代價(jià)，因而，這種方法不太適合于配電網(wǎng)系統(tǒng)的在線、實(shí)時(shí)運(yùn)用。

3.2 暫態(tài)穩(wěn)定分析視角下的脆弱性評(píng)估

這種評(píng)估方法是以電網(wǎng)系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行為前提，它反映出電網(wǎng)系統(tǒng)的安全系數(shù)，通過系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和靈敏度函數(shù)等，確定系統(tǒng)的安全性能。如果以△V作為電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性標(biāo)志，那么當(dāng)△V>0則表示系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，反之，如果△V<0，則表示系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。

3.3 基于EEAC的脆弱性評(píng)估

這是運(yùn)用擴(kuò)展等面積法則，通過評(píng)估空間實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定的定量分析，具有計(jì)算速度快、精準(zhǔn)度高的優(yōu)勢(shì)。由于這種脆弱性評(píng)估方式是從暫態(tài)穩(wěn)定的角度進(jìn)行分析，因而，無法全面反映電網(wǎng)系統(tǒng)的脆弱性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在配電網(wǎng)低電壓脆弱性指標(biāo)的分析之中，有不同的指標(biāo)，它們各有其適用范圍和特點(diǎn)，因而，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)低電壓脆弱性的全面評(píng)估，還需要利用先進(jìn)的技術(shù)和手段，選取實(shí)用的、便于操作的評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化、在線實(shí)時(shí)的預(yù)警分析。

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