郭 裊,邊二曼,徐冰亮,尚康良,蘆晶晶
(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱150030;2.黑龍江省電力有限公司,哈爾濱150090;3.中國電力科學(xué)研究院,北京100192)
隨著電網(wǎng)向遠(yuǎn)距離、超高壓甚至特高壓方向發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益龐大,難以控制的不確定因素對電網(wǎng)的影響日趨復(fù)雜,傳統(tǒng)的以確定性準(zhǔn)則為依據(jù)的規(guī)劃和運行控制模型方法已經(jīng)不能滿足要求,對此,計及各種不確定影響的電網(wǎng)風(fēng)險評估成為目前的研究熱點。電網(wǎng)風(fēng)險評估是指采用一系列的邏輯步驟,使電網(wǎng)工程師能夠以一種系統(tǒng)的方式檢查由于設(shè)備的使用而產(chǎn)生的災(zāi)害,從而可以選擇合適的安全措施。因此使用風(fēng)險指標(biāo)能夠定量地抓住決定風(fēng)險等級的因素:事故的可能性和嚴(yán)重性,從而全面地反映事故對整個系統(tǒng)的影響。一般將風(fēng)險定義為事故概率與事故后果的乘積。
電網(wǎng)全故障掃描及風(fēng)險評估軟件為電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、運行、調(diào)度等環(huán)節(jié)提供了風(fēng)險管理工具,它能在原有電網(wǎng)計算數(shù)據(jù)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(jìn)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),綜合事故的影響和事故的發(fā)生概率,對電網(wǎng)風(fēng)險進(jìn)行確定性和概率性量化分析,并能對風(fēng)險劃分等級,從而確定相應(yīng)的預(yù)控措施[1-9]?;诖耍疚母鶕?jù)《輸變電設(shè)施可靠性評價規(guī)程》等資料中對各有關(guān)設(shè)備可靠性參數(shù)的定義及計算公式,對近年獲得的《電力可靠性指標(biāo)發(fā)布會會議資料》和《國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)與安全自動裝置運行情況統(tǒng)計分析》報告等統(tǒng)計資料中的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,以獲得元件故障率和修復(fù)率等指標(biāo)的平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
黑龍江省電網(wǎng)位于東北電網(wǎng)的最北端,通過兩回500 kV線路與蒙東電網(wǎng)相聯(lián);通過四回500 kV線路與吉林省電網(wǎng)相聯(lián);通過一回500 kV線路及黑河換流站與俄羅斯電網(wǎng)互聯(lián)。
電網(wǎng)長期過程中的設(shè)備平均不可用率可由下式表達(dá):
式中:λ為失效率,失效次數(shù)/a;μ為修復(fù)率,修復(fù)次數(shù)/年;tMTTR為平均修復(fù)時間,h;tMTTF為失效前平均時間,h;f為平均失效頻率,失效次數(shù)/年。
按設(shè)備類型和電壓等級分類,每類采用一個共同指標(biāo),本文使用設(shè)備的不可用率指標(biāo)如表1所示。
表1 設(shè)備不可用率指標(biāo)Tab.1 Index of equipment unavailability
根據(jù)黑龍江省電網(wǎng)的實際情況以及以往的計算經(jīng)驗,分別給出概率性方法下電壓越限指標(biāo)、線路過載指標(biāo)和變壓器過載指標(biāo)的警告、危險限值,具體數(shù)值如表2所示。
表2 各項指標(biāo)的警告限值和危險限值Tab.2 Warning limit and risk limits of the index
按照表2中的數(shù)據(jù),可以判斷電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)的危險程度,并采用一定的技術(shù)手段來改善。以黑龍江省電網(wǎng)2012年冬大運行方式為基礎(chǔ)潮流,對電網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)N-1掃描,掃描完成后,在軟件中進(jìn)行靜態(tài)評估,可以得到黑龍江省電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)分析,包括概率性和確定性的結(jié)果,即母線電壓越限(越上限和越下限)、線路過載、變壓器過載。
完成靜態(tài)掃描和靜態(tài)風(fēng)險評估后,可以從概率性和確定性的角度分別分析電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),一個薄弱環(huán)節(jié)元件是指至少經(jīng)受過一次嚴(yán)重?fù)p傷的元件。通過薄弱環(huán)節(jié)分析,可以識別出系統(tǒng)受損程度最大的母線和支路。概率性和確定性情況下風(fēng)險最高的前10項結(jié)果如圖1和圖2所示。
從圖1和圖2中可以看出,概率性結(jié)果和確定性結(jié)果有所不同。為了得到詳細(xì)的電壓越限情況,列出了概率性和確定性電壓越限的風(fēng)險值和越限
方案數(shù),如表3和表4所示。
圖1 概率性電壓越限風(fēng)險Fig.1 Probabilistic voltage limit risk
圖2 確定性電壓越限風(fēng)險Fig.2 Deterministic voltage limit risk
表3 概率性電壓越限風(fēng)險值Tab.3 Probabilistic voltage limit risk value
表4 確定性電壓越限風(fēng)險值Tab.4 Deterministic voltage limit risk value
從表3和表4可知,由于黑河電網(wǎng)、大興安嶺環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱,無論是在概率性還是確定性情況中,此地區(qū)電網(wǎng)的越限母線都名列前茅,因此風(fēng)險值較大,處于危險限值以上的薄弱環(huán)節(jié)有5個。電壓越限的原因一般為電力系統(tǒng)經(jīng)弱聯(lián)系統(tǒng)向受端系統(tǒng)供電或系統(tǒng)無功電源不足,所以應(yīng)從這兩方面著手使電壓保持在允許范圍內(nèi)。
靜態(tài)風(fēng)險評估薄弱環(huán)節(jié)分析得到了線路過載的概率性風(fēng)險和確定性風(fēng)險結(jié)果,如圖3和圖4所示。
圖3 概率性線路過載風(fēng)險Fig.3 Probabilistic line overload risk
圖4 確定性線路過載風(fēng)險Fig.4 Deterministic line overload risk
詳細(xì)的概率性和確定性線路過載的風(fēng)險值和過載方案數(shù)如表5和表6所示。
表5 概率性線路過載風(fēng)險值Tab.5 Probabilistic line overload risk value
從表5和表6可知,線路過載主要發(fā)生在雞西電網(wǎng)。此地區(qū)電網(wǎng)雞梨線、滴口線、滴聯(lián)線等線徑較細(xì),線路易過載,當(dāng)開機較多時,線路重載或者滿載,極易引起連鎖故障,嚴(yán)重影響雞西地區(qū)的電網(wǎng)供電可靠性。
表6 確定性線路過載風(fēng)險值Tab.6 Deterministic line overload risk value
由線路過載的故障狀態(tài)分析可知,線路過載是由于切除過載線路的臨近線路導(dǎo)致潮流激增引起的,因此在運行中需統(tǒng)籌考慮雞西、牡丹江與七臺河地區(qū)的機組開機方式,并對地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。另外,佳南-蘆家為北架風(fēng)電場、驛馬山風(fēng)電場風(fēng)電送出的重要通道,當(dāng)周邊其他線路切除時,佳南-蘆家極易過載,且由于其周邊線路切除概率稍高,因此,在概率性線路過載中,佳南-蘆家的過載風(fēng)險排在前面。
實際計算中,架空線路的故障可能性往往因缺少統(tǒng)計資料而難以確定,并且隨運行環(huán)境的不同其變化較大,因此在數(shù)據(jù)資料完備的情況下,風(fēng)險評估中必須考慮外部環(huán)境對線路故障可能性的影響。
軟件還提供了同桿并架線路故障以及同通道線路故障下的靜態(tài)風(fēng)險評估,算法中考慮了共因故障事故同時發(fā)生的概率。
變壓器過載概率性結(jié)果和確定性結(jié)果如圖5和圖6所示。
圖5 概率性變壓器過載風(fēng)險Fig.5 Probabilistic transformer overload risk
詳細(xì)的概率性和確定性線路過載的風(fēng)險值和過載方案數(shù)如表7和表8所示。
圖6 確定性變壓器過載風(fēng)險Fig.6 Deterministic transformer overload risk
表7 概率性變壓器過載風(fēng)險值Tab.7 Probabilistic transformer overload risk value
表8 確定性變壓器過載風(fēng)險值Tab.8 Deterministic transformer overload riskvalue
從表7和表8可以看到,風(fēng)險值位于前十位的過載變壓器大多為500 kV變壓器,而引起其過載的原因主要是由于臨近的發(fā)電廠變壓器或線路被切除,使得更多的潮流通過過載變壓器傳遞。因此,對主變?nèi)萘坎粷M足需求的變電站,應(yīng)對其主變進(jìn)行適當(dāng)增容。對單主變運行的變電站,應(yīng)安裝第二臺主變,提高電網(wǎng)可靠性。
本文從考慮電網(wǎng)事件隨機性質(zhì)和計及各種不確定影響的風(fēng)險評估思路出發(fā),分析了黑龍江省電網(wǎng)母線電壓越限(越上限和越下限)、線路過載、變壓器過載的概率性和確定性,以幫助規(guī)劃、運行人員識別潛在的系統(tǒng)故障模式,使整個網(wǎng)絡(luò)更具健壯性,同時通過對薄弱環(huán)節(jié)全面考慮,合理優(yōu)化,改善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的資金配置。
[1] NI Ming,MCCALLY J D,VITTAL V,et al.Online risk - based security assessment[J].IEEE transactions on Power Systems,2003,18(1):258-265.
[2]王錫凡,王秀麗,別朝紅.電力市場條件下電力系統(tǒng)可靠性問題[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,4:42-44.WANG Xifan,WANG Xiuli,BIE Chaohong.The reliability problems of power system under the condition of electricity market[J].Automation of Electric Power Systems,2000,4:42-44.
[3]郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.GUO Yongji.Power system reliability analysis[M].Beijing:Tsinghua University press,2003.
[4]丁明.發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性分析軟件綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2002,26(1):51-54.DING Ming.Summary on the reliability analysis software for power generation and transmission system[J].Power System Technology,2002,26(1):51-54.
[5]郭永基.電力系統(tǒng)及電力設(shè)備的可靠性[J].電力系統(tǒng)自動化,2001,29(17):53-56.GUO Yongji.Reliability of electric power system and equipment[J].Automation of Electric Power Systems,2001,29(17):53-56.
[6] BILLINTON R,ALLAN R.Reliability evaluation of engineering systems[M].2nd edition.New York:Plenum Press,1992.
[7]劉森森,陳為化,江全元.基于并行計算的電力系統(tǒng)風(fēng)險評估[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2009,43(3):589-595.LIU Sensen,CHEN Weihua,JIANG Quanyuan.Risk evaluation of power system based on parallel computation[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2009,43(3):589-595.
[8] BILLINTON R,JONNAVITHULA S.A test system for teaching overall power reliability assessment[J].IEEE transactions on Power Systems,1996,11(4):1670-1676.
[9]張國華,段滿銀,張建華,等.基于證據(jù)理論和效用理論的電力系統(tǒng)風(fēng)險評估[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(23):1-4.ZHANG Guohua,DUAN Manyin,ZHANG Jianhua,et al.Risk assessment of power system based on evidence theory and utility theory[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(23):1-4.