電網(wǎng)合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

為了識(shí)別和預(yù)測電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，并為監(jiān)測和運(yùn)行提供理論支持，電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)營管理部門考慮了組合風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者離線分析,能適應(yīng)特定的運(yùn)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(xiǎn)分析。但目前在我國很多地區(qū),依然是憑調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算,這樣所進(jìn)行的分析計(jì)算不可避免存在以下幾個(gè)方面的局限:(1)電網(wǎng)模型的時(shí)效性。一般運(yùn)方人員在進(jìn)行合環(huán)分析時(shí),進(jìn)行離線近似計(jì)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(yùn)行情況,直接影響了計(jì)算分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。(2)合環(huán)暫態(tài)電流計(jì)算的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)分析方法,由運(yùn)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(jì)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(cuò)誤。(3)缺乏實(shí)用的分析機(jī)制?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)分析方法,是在計(jì)算前手動(dòng)建立等值近似模型,依靠手工運(yùn)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(xiǎn)分析的實(shí)用性。(4)計(jì)算結(jié)果缺乏實(shí)用性。以往對電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行分析和評(píng)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(gè)綜合的評(píng)價(jià)指標(biāo)來直接指示合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。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(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng),基于EMS系統(tǒng)建立的全網(wǎng)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)斷面基礎(chǔ)上,在控制中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析,建立合環(huán)沖擊電流校驗(yàn)、支路熱穩(wěn)定校驗(yàn)、靜態(tài)安全分析校驗(yàn)、短路電流水平校驗(yàn)等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)合環(huán)路徑的搜索檢驗(yàn)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(xiǎn)分析水平,該系統(tǒng)已在深圳電網(wǎng)投入運(yùn)行。1電氣系統(tǒng)合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定目前EMS系統(tǒng)已經(jīng)能獲得電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行方式,因此電網(wǎng)在采用電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)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(xiǎn)等級(jí),從而為實(shí)際合環(huán)操作做指導(dǎo)。1.1合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估合環(huán)操作后電網(wǎng)會(huì)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(xiǎn)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(shí)際情況,綜合電網(wǎng)安全因素進(jìn)行合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。由于合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析具有強(qiáng)解耦性,合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)可以按照每一類安全性問題、每一起事故或者每一個(gè)元件進(jìn)行計(jì)算,因此可以將對合環(huán)操作整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分解為對各類安全性問題的評(píng)估,計(jì)算不同類型考核項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)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(píng)估合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)的目的。對于合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)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(xiǎn)大小。合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定義為合環(huán)操作時(shí)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(xiǎn)綜合程度,定量的抓住決定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)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。定義合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)綜合指標(biāo)計(jì)算公式為:式(1)中:i為合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目;Si為合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)水平;Pi(X)為合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單項(xiàng)的出現(xiàn)概率;ωi為合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單項(xiàng)的權(quán)重;R為合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值。1.2電流風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定義合環(huán)沖擊電流風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo):合環(huán)操作時(shí)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(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)的取值。合環(huán)沖擊電流風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)作時(shí),其合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)作時(shí),其合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)取值為1。定義合環(huán)沖擊電流風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算公式:式(2)中:SCLF為合環(huán)沖擊電流風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度;RCLF為合環(huán)沖擊電流風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。1.3生成無越限管路風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)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(gè)絕對限制條件。定義支路合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo):環(huán)網(wǎng)運(yùn)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(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)的取值。支路合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下系統(tǒng)中運(yùn)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(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)取值。對于合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng),重點(diǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)嚴(yán)重度與重載風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度取均值。定義支路合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算公式:式(3)中:Si為某一條運(yùn)行支路對應(yīng)的合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)嚴(yán)重度;Sovenew為合環(huán)操作后新引起的越限支路風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度;RBCH為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下整個(gè)系統(tǒng)所有支路合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)。1.4環(huán)網(wǎng)情況下的n-1靜態(tài)安全水平校核在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)方式下,必須保證在任何事故后情況下,通過低一級(jí)電壓等級(jí)支路的電流低于其熱穩(wěn)定電流。如果高一級(jí)電壓支路斷開后,潮流轉(zhuǎn)移到低一級(jí)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(xiǎn)分析時(shí)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(xiǎn)指標(biāo):環(huán)網(wǎng)運(yùn)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(shí)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(xiǎn)指標(biāo)反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下合環(huán)路徑上運(yùn)行的變壓器/線路開斷運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)的危害嚴(yán)重度。合環(huán)支路開斷運(yùn)行時(shí)引起的越限設(shè)備數(shù)決定該支路合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)取值。當(dāng)合環(huán)支路開斷運(yùn)行引起的越限設(shè)備數(shù)為0時(shí),其合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算公式:式(4)中:Si為環(huán)路某一支路開斷時(shí)合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度;RN-1為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下合環(huán)支路開斷合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)。1.5險(xiǎn)指標(biāo)中短路電流和官性因素的影響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(diǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)指標(biāo):環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下母線發(fā)生短路故障時(shí)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(xiǎn)嚴(yán)重度函數(shù)的取值。短路電流合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下合環(huán)路徑上母線發(fā)生短路故障時(shí)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(xiǎn)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(xiǎn)各項(xiàng)中權(quán)重需設(shè)置較高,當(dāng)環(huán)路母線短路電流越限時(shí),此時(shí)可認(rèn)為合環(huán)短路電流風(fēng)險(xiǎn)很大。定義母線短路電流合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)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(xiǎn)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(xiǎn)嚴(yán)重度;RFLT為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式下環(huán)路母線短路電流水平合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)。1.6客戶端側(cè)操作合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)軟件基于EMS平臺(tái),采用服務(wù)器/客戶端的消息機(jī)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(bào)文至服務(wù)器側(cè),由服務(wù)器側(cè)主進(jìn)程根據(jù)報(bào)文中的信息進(jìn)行分析和計(jì)算,并將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫并返回結(jié)果報(bào)文至客戶端,整個(gè)過程由消息報(bào)文進(jìn)行控制,流程如圖1所示。合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件嵌入在EMS系統(tǒng)高級(jí)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(shí)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。2系統(tǒng)解決方案某地區(qū)電網(wǎng)某合環(huán)前/后電網(wǎng)運(yùn)行方式如圖2、圖3所示,合環(huán)線路為110kV安湯線。選取220kV坪山站、宏圖站、簡龍站、110kV湯坑站、安良站區(qū)域電網(wǎng),在正常運(yùn)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。合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估系統(tǒng)模擬分析計(jì)算結(jié)果和電網(wǎng)實(shí)際合環(huán)操作SCADA量測值如表1所示。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(shí)時(shí)電網(wǎng)模型和狀態(tài)估計(jì)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(jì)算模型?；谌W(wǎng)模型和實(shí)時(shí)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果,自動(dòng)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(jì)算合環(huán)沖擊電流,并基于全網(wǎng)模型計(jì)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(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)分析得出的此斷面運(yùn)行方式下合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)總水平及其分項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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。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(xiǎn)描述并建立了不同類型的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),通過對不同項(xiàng)指標(biāo)的整合對合環(huán)操作進(jìn)行了合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)水平的評(píng)估。應(yīng)該指出合環(huán)分析計(jì)算結(jié)果依賴于EMS系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)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(jì)算模型也日趨完整,這些為合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析軟件提供了更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)