羅玉春，龔成明，王 毅，李 雷，葛亮亮

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106)

為了對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)和預(yù)控，給調(diào)度運(yùn)行提供理論分析支持，合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為一項(xiàng)重要的內(nèi)容被電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理部門所重視。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[1-8]。但目前在我國(guó)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[9]，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(guò)程繁瑣且無(wú)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(wú)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(duì)電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行分析和評(píng)判只是簡(jiǎn)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(lái)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 基于EMS的合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)

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(guò)EMS系統(tǒng)的功能對(duì)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)估模型和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

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(guò)流、主變過(guò)載、母線短路電流過(guò)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(duì)合環(huán)操作整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分解為對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(lái)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[10-12]。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 合環(huán)沖擊電流風(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 支路熱穩(wěn)定合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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 N-1 合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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 母線短路電流水平合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

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(duì)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(zhǎng)迅速，有些廠站母線的單相短路容量甚至超過(guò)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(guò)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 基于EMS的合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)

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(kù)系統(tǒng)和層次庫(kù)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(kù)并返回結(jié)果報(bào)文至客戶端，整個(gè)過(guò)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。

圖1 合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)軟件框架

2 工程應(yīng)用

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110 kV 安湯線。選取220 kV 坪山站、宏圖站、簡(jiǎn)龍站、110 kV 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。

圖2 開環(huán)運(yùn)行方式示意圖

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(cè)值如表1 所示。

圖3 合環(huán)運(yùn)行方式示意圖

表1 合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際合環(huán)量測(cè)

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(wú)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。

表2 合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平

圖4 案例合環(huán)路徑拓?fù)?/p>

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(duì)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(guò)對(duì)不同項(xiàng)指標(biāo)的整合對(duì)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)據(jù)。經(jīng)測(cè)試表明，合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析軟件能夠滿足地區(qū)電網(wǎng)的分析需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)分析的缺點(diǎn)做了詳細(xì)深入的分析，提出并開發(fā)了基于EMS 系統(tǒng)的在線合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)分析方法的缺點(diǎn)，基于EMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了合環(huán)分析的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和便利性?？梢詾榇笠?guī)模地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析提供決策支持，從而有效提高電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行人員對(duì)電網(wǎng)的控制能力和對(duì)電網(wǎng)事故的處理能力，減少電網(wǎng)事故造成的損失。

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