彭石明，鄧集，李欣，夏駿

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

基于回路可靠性統(tǒng)計指標(biāo)的電網(wǎng)充裕性在線評估模型

彭石明1，鄧集1，李欣2，夏駿1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

本文以回路作為最小分析單元，提出了一種基于回路可靠性統(tǒng)計指標(biāo)的電網(wǎng)充裕性在線評估模型。該模型在線采集輸變電設(shè)施可靠性管理系統(tǒng)中的回路可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并從EMS中在線獲取電網(wǎng)評估狀態(tài)數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)電網(wǎng)充裕性評估系統(tǒng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)－回路－節(jié)點三層指標(biāo)體系，全面反映電網(wǎng)的可靠性水平。對華中某省實際電網(wǎng)的評估結(jié)果表明，該模型簡單有效，具有在線應(yīng)用的前景。

回路；電網(wǎng)可靠性在線評估；回路可靠性統(tǒng)計指標(biāo)

如何評估電網(wǎng)在運行過程中特別是在故障狀態(tài)和特殊運行方式下的電網(wǎng)可靠性水平已經(jīng)成為世界各國電力系統(tǒng)面臨的緊迫任務(wù)。在線分析自動按電網(wǎng)可靠性模型進行分析計算，從而得出反應(yīng)本系統(tǒng)當(dāng)前和未來狀態(tài)的可靠性水平，可以即時掌握和發(fā)布本系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)影響可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，因此電網(wǎng)可靠性在線評估是電網(wǎng)運行管理的重要技術(shù)手段之一。

運行可靠性〔1－3〕概念和算法的提出使得電網(wǎng)實時可靠性評估有了重大進展。國內(nèi)已開始針對設(shè)備(開關(guān)、刀閘等)建立獨立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為可靠性分析積累數(shù)據(jù)，從2011年開始，國家電網(wǎng)公司先后開展了電網(wǎng)資產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督管理系統(tǒng)和電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和推廣工作，目前已實現(xiàn)了設(shè)備停電事件的自動采集，設(shè)施 (回路)可靠性統(tǒng)計指標(biāo)的在線計算與監(jiān)測。2013年，通過系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)了27家單位220 kV及以上典型時刻 (峰、谷、平)的可靠性相關(guān)電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)集成，但尚無全局性、系統(tǒng)性的在線可靠性分析系統(tǒng)。實際電力系統(tǒng)中電源位置及出力情況對電網(wǎng)的可靠性影響很大，即電網(wǎng)可靠性評估不僅僅是一個電網(wǎng)連通性問題，還需考慮電源的影響。因此文中采用發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估 (包括充裕度評估和安全性評估)的方法。由于安全性評估無法解決計算量的問題，現(xiàn)階段僅進行電網(wǎng)充裕性評估。

基于上述情況，提出一種基于回路可靠性統(tǒng)計指標(biāo)的電網(wǎng)充裕性在線評估模型。傳統(tǒng)電網(wǎng)充裕性評估以元件作為最小研究單元〔4〕，隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大其評估計算量顯著增加，在實際電網(wǎng)的充裕性在線評估中運用較為困難。文中所提模型以回路作為最小研究單元，從輸變電設(shè)施管理系統(tǒng)中在線獲取回路可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及從EMS系統(tǒng)中在線獲取電網(wǎng)評估狀態(tài)數(shù)據(jù)，不僅實現(xiàn)了現(xiàn)有系統(tǒng)對該模型的兼容性，同時也實現(xiàn)了評估數(shù)據(jù)的在線獲取。該模型不僅可以對特定時刻的電網(wǎng)可靠性進行定量評估，還能結(jié)合歷史評估數(shù)據(jù)對電網(wǎng)的長期可靠性進行定量評估。采用該模型對華中某省500 kV輸電線路進行在線充裕性評估，結(jié)果表明該模型能很好地適用于現(xiàn)有電網(wǎng)的充裕度在線評估。

1 電網(wǎng)充裕性在線評估模型

電網(wǎng)充裕性在線評估模型如圖1所示。模型分為:

圖1 電網(wǎng)充裕性在線評估模型

①回路可靠性參數(shù)及運行方式在線接收模塊。該模塊主要與輸變電設(shè)施可靠性管理平臺及EMS系統(tǒng)進行在線數(shù)據(jù)交換，在線獲取評估所需的回路可靠性輸入?yún)?shù)以及待評估電網(wǎng)的運行方式數(shù)據(jù)。

②電網(wǎng)充裕性評估模塊。該模塊對在線獲取的待評估電網(wǎng)運行方式進行狀態(tài)分析，對存在充裕性問題的狀態(tài)，通過切除負(fù)荷來消除充裕性問題。

③充裕度指標(biāo)輸出模塊。該模塊基于狀態(tài)分析結(jié)果及回路可靠性輸入?yún)?shù)進行充裕性指標(biāo)計算。

1.1 回路停運模型及回路可靠性參數(shù)

2010年發(fā)布的 《輸電系統(tǒng)可靠性評價實施細(xì)則 (試行稿)》首次提出了回路的概念，使可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理從元件基本單元管理升級到了以回路為基本單元的管理〔5〕。回路綜合了連接在傳輸終端變電站或者是系統(tǒng)輸電節(jié)點之間，具有一定功能的元件 (設(shè)備)組，因此即使在較大規(guī)模的電網(wǎng)中其回路數(shù)量也遠(yuǎn)小于元件數(shù)量。采用回路作為最小研究單元不僅滿足了在線評估的計算量需求，又與現(xiàn)有可靠性管理運用情況相適應(yīng)。

回路可靠性模型是建立在元件可靠性模型(兩狀態(tài)模型、三狀態(tài)模型、相關(guān)停運模型)〔6〕和元件在回路中的電氣連接關(guān)系上的模型，是對回路狀態(tài)的描述，回路的停運性質(zhì)把回路的停運狀態(tài)分為調(diào)度停運狀態(tài)、受累停運狀態(tài)、計劃停運狀態(tài)和故障停運狀態(tài)〔7〕。按照對不同回路停運狀態(tài)的描述，得到以下幾種回路停運模型:

①當(dāng)回路考慮故障停運狀態(tài)或計劃停運狀態(tài)時回路停運模型采用兩狀態(tài)停運模型；

②當(dāng)回路考慮故障停運狀態(tài)及計劃停運狀態(tài)時回路停運模型采用三狀態(tài)停運模型；

③當(dāng)回路考慮受累停運狀態(tài)時回路停運模型采用相關(guān)停運模型。

回路可靠性模型中的參數(shù)即為進行電網(wǎng)可靠性評估所需的回路可靠性參數(shù)，其主要包括回路的故障率λ、回路的平均修復(fù)時間r和回路的可用度U，上述參數(shù)可通過回路可靠性參數(shù)接收模塊對輸變電設(shè)施可靠性管理平臺中在線獲取的回路可靠性統(tǒng)計指標(biāo)的計算求得。

輸變電設(shè)施可靠性管理平臺，對回路可靠性統(tǒng)計指標(biāo)按停運類別可分為兩大類:①持續(xù)停運指標(biāo)，包括可用系數(shù)、回路停運率、平均停運時間、停運平均恢復(fù)時間、重復(fù)停運率、停運回路平均停運次數(shù)等；②瞬時停運指標(biāo)，包括瞬時停運率。文中模型僅獲取持續(xù)停運指標(biāo)。

回路主要包括母線回路、變電回路和輸電回路，以典型的輸電回路 (如圖2所示)為例推導(dǎo)了回路統(tǒng)計可靠性指標(biāo)與回路可靠性參數(shù)之間的計算關(guān)系。

圖2 輸電回路 (T接線)

由圖2可知，該回路的回路可靠性參數(shù)與回路統(tǒng)計參數(shù)的計算關(guān)系為:

①回路的故障率λ等于回路停運率；

②回路的平均修復(fù)時間 r等回路平均恢復(fù)時間；

1.2 電網(wǎng)運行方式數(shù)據(jù)

充裕性評估采用穩(wěn)態(tài)潮流計算模型。運行參數(shù)接收模塊每天固定時刻在線接收EMS系統(tǒng)的電網(wǎng)運行參數(shù)并形成該時刻待評估的運行方式。運行參數(shù)接收模塊，主要完成在線時刻運行方式的生成以及與歷史評估方式進行比對和分類。前者是為了生成待評估時刻的電網(wǎng)運行方式，后者是為了形成歷史的電網(wǎng)運行方式集合。

2 電網(wǎng)充裕性評估分層指標(biāo)體系

傳統(tǒng)的充裕度指標(biāo)體系已有一套同時適用于負(fù)荷點和系統(tǒng)2個層次的指標(biāo)體系〔6〕。前者針對具體負(fù)荷點，表征故障的局部影響；后者針對系統(tǒng)，從全局衡量故障對整個系統(tǒng)的影響，但是該指標(biāo)體系并不能很好地體現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，因此在上述體系的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)—回路—節(jié)點三層次指標(biāo)體系，從節(jié)點—回路—系統(tǒng)3個層面來表電網(wǎng)的可靠性水平，辨識出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)可靠性充裕度評分層指標(biāo)體系

系統(tǒng)指標(biāo)和節(jié)點指標(biāo)遵循傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系?；芈分笜?biāo)可量化各回路對電網(wǎng)可靠性的貢獻。重點對新提出的回路充裕度貢獻指標(biāo)進行介紹，其指標(biāo)計算公式如下:

①回路失效切負(fù)荷概率LOLPLF(Loss of load Probability due to loop failure):給定時間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)由于回路失效且調(diào)節(jié)措施實施后電網(wǎng)依然故障，導(dǎo)致切負(fù)荷的概率。

式中 Pi為包含回路l(l代表系統(tǒng)中某一個回路)的系統(tǒng)狀態(tài)i的概率；Lj為多級負(fù)荷模型中第j個負(fù)荷水平下由回路l失效導(dǎo)致切負(fù)荷狀態(tài)的集合；Tj為系統(tǒng)第j級負(fù)荷時間，T系統(tǒng)總的負(fù)荷時間。

②回路失效切負(fù)荷期望ELCLF(Expected load curtailments due to loop failure) (單位為MW/a):給定時間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)由于回路失效且調(diào)節(jié)措施實施后電網(wǎng)依然故障，導(dǎo)致切除的負(fù)荷期望值。

式中 Ci為系統(tǒng)狀態(tài)i下由于回路l失效導(dǎo)致的切負(fù)荷量。

③回路過載切負(fù)荷的概率LOLPLO(Loss of load Probability due to loop overload):給定時間區(qū)間內(nèi)由于回路l過載且調(diào)節(jié)措施實施后回路依然過載，導(dǎo)致系統(tǒng)切負(fù)荷的概率。

式中 Gj為多級負(fù)荷模型中第j個負(fù)荷水平下由于回路l過載導(dǎo)致切負(fù)荷狀態(tài)的集合。

④回路過載切負(fù)荷期望ELCLO(Expectation of load curtailments due to loop overload)(單位為MW/ a):給定時間區(qū)間內(nèi)由于回路l過載且調(diào)節(jié)措施實施后回路依然過載，導(dǎo)致系統(tǒng)切除的負(fù)荷期望值。

式中 Ci′為多級負(fù)荷模型中第j個負(fù)荷水平下由于回路l過載導(dǎo)致的系統(tǒng)切負(fù)荷量。

3 電網(wǎng)充裕性在線評估步驟

把電網(wǎng)充裕性在線評估模型，運用到省級電網(wǎng)中，每天固定時間點運行電網(wǎng)可靠性評估軟件進行該時刻的電網(wǎng)充裕性評估。其評估步驟如下:

①由數(shù)據(jù)接收模塊在線接收該時刻的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)和回路可靠性數(shù)據(jù)，形成待評估運行方式。

②更新待評估運行方式集合。

③對充裕性評估運行方式進行N，N－1，N－2，…，N－i計算，若任意N－i潮流計算結(jié)果出現(xiàn)電壓越限回路過載問題，需通過調(diào)整無功設(shè)備或變壓器分接頭，調(diào)整電源有功或無功出力等措施消除該N－i運行方式下的電壓越限和回路過載問題。若不能消除電壓越限和回路過載，則出現(xiàn)充裕性問題，需通過切除負(fù)荷來。

④輸出此時刻該運行方式下的電網(wǎng)可靠性充裕度指標(biāo)。

⑤更新電網(wǎng)充裕度指標(biāo)集合，若達到評估的時間要求 (一般時間需等于或大于8 760 h)。輸出該評估時間段的電網(wǎng)可靠性評估指標(biāo)。否則跳至第一步繼續(xù)進行計算。

4 算例分析

對華中某省 (以下簡稱A省)500 kV電壓等級電網(wǎng)進行在線評估。其計算條件如下:

①從EMS端在線獲取的數(shù)據(jù)包括500 kV主干網(wǎng)架、直流部分，未對220 kV和110 kV部分系統(tǒng)進行簡化。

②電網(wǎng)回路可靠性數(shù)據(jù)來自輸變電可靠性管理系統(tǒng)從近五年到評估時刻為止的回路統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由于一年內(nèi)回路可靠性數(shù)據(jù)變化不大，則假設(shè)每天固定時段的回路可靠性輸入?yún)?shù)為固定值。

③使用歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)形成不同負(fù)荷水平的集合，并計算出每一負(fù)荷水平的負(fù)荷概率。在線接收的運行方式與該歷史負(fù)荷集合比對，計算待評估運行方式的概率。

4.1 某時刻下電網(wǎng)充裕性評估結(jié)果

從EMS獲取某天11∶00的電網(wǎng)運數(shù)據(jù)，按第3節(jié)所述步驟①—④進行電網(wǎng)充裕度評估，輸出此時刻的電網(wǎng)充裕性指標(biāo)，并與傳統(tǒng)的基于元件的電網(wǎng)可靠性評估進行了對比，見表1。

表1 某時刻下電網(wǎng)充裕性評估結(jié)果

由表1可知，基于元件的電網(wǎng)充裕性評估需要分析的狀態(tài)數(shù)量遠(yuǎn)大于基于回路的電網(wǎng)充裕性評估，文中提出的模型相對于傳統(tǒng)的充裕性評估大大減少了分析的狀態(tài)數(shù)量，同時，其評估指標(biāo)處于同一數(shù)量級，且相差較小，說明文中所提模型能在減少計算量的前提下保證評估的準(zhǔn)確性。

4.2 評估時間段內(nèi)電網(wǎng)充裕性評估結(jié)果

電網(wǎng)的充裕性水平是動態(tài)變化的過程，電網(wǎng)可靠性評估需收集不同季節(jié)下的水/火電開機方式及不同負(fù)荷水平的運行方式來保證評估的全面性，因此最好取一年或大于一年作為評估時段。取評估時段為一年，在該評估時段內(nèi)從EMS獲取的在線運行數(shù)據(jù)進行電網(wǎng)充裕性評估，其評估指標(biāo)隨時間的推移不斷更新，最后所得該時段內(nèi)電網(wǎng)充裕性評估指標(biāo)見表2。

表2 電網(wǎng)充裕性評估系統(tǒng)指標(biāo)

由表 2可知，A省電網(wǎng)充裕性概率達到99.98%(1－LOLP)，但是電量不足期望達到495.26 MWh/a，發(fā)生充裕性問題帶來的后果較嚴(yán)重。SI指標(biāo)分級處在2級，但是其值僅超出1級0.320 610 77系統(tǒng)分，電網(wǎng)仍處于可接受的不可靠狀態(tài)。這主要是因為A省在華中地區(qū)僅有2條500 kV線路與B省相連，當(dāng)出現(xiàn)充裕性問題后，本省的調(diào)節(jié)能力有限，從而限制了A省充裕性問題的改善?；谖闹兴嵩诰€評估模型可對各評估時刻的評估指標(biāo)進行存儲、分析，系統(tǒng)指標(biāo)可隨著在線評估時間的推移而更新。圖4給出了9—12月之間電力不足期望EDNS的變化曲線圖。

該曲線可以顯示不同時段電網(wǎng)評估指標(biāo)的變化情況，可對日常電網(wǎng)充裕性做到在線監(jiān)測。

表3給出了節(jié)點充裕性貢獻指標(biāo)值排序前12位的節(jié)點編號及其指標(biāo)值。表4給出了回路充裕性貢獻指標(biāo)值排序前10位的回路編號。

圖4 電力不足期望EDNS變化曲線

表3 電網(wǎng)節(jié)點充裕性貢獻指標(biāo)

表3未給出其他節(jié)點，是因為其他節(jié)點發(fā)生的概率相對這12個節(jié)點小很多，即電網(wǎng)的充裕性對這12個節(jié)點的變化最為敏感，所以從節(jié)點指標(biāo)的大小可以辨識出電網(wǎng)的薄弱節(jié)點。同理，表4—5給出了回路指標(biāo)值前10的回路，但是回路造成電網(wǎng)充裕性問題較為復(fù)雜，因此從回路失效及回路過載造兩方面對回路造成的充裕性影響進行量化。依據(jù)表3—5給出的電網(wǎng)薄弱節(jié)點和薄弱回路，可有針對性地對電網(wǎng)進行充裕度水平改善。其改善結(jié)果可通過圖4的系統(tǒng)指標(biāo)的變化情況來進行檢驗。

表4 電網(wǎng)回路失效充裕度貢獻指標(biāo)

表5 電網(wǎng)回路過載充裕度貢獻指標(biāo)

5 結(jié)論

提出了一種基于回路的電網(wǎng)可靠性在線評估模型。該模型能減少電網(wǎng)可靠性評估的狀態(tài)數(shù)量，降低電網(wǎng)可靠性評估的計算復(fù)雜度，保證了在線評估的計算量要求。同時從輸變電可靠性管理系統(tǒng)及EMS系統(tǒng)進行在線數(shù)據(jù)獲取實現(xiàn)了可靠性評估的在線運行和兼容。新提出的系統(tǒng)－回路－節(jié)點分層指標(biāo)思想，全面量化了電網(wǎng)的充裕性水平，從回路和節(jié)點層面給出了影響電網(wǎng)充裕性的薄弱節(jié)點和薄弱回路，豐富了電網(wǎng)充裕性評估指標(biāo)體系。

算例表明，該模型能在線評估某一時刻及一段時間內(nèi)電網(wǎng)的充裕性水平，隨著評估時間的推移能實現(xiàn)評估指標(biāo)的更新，能動態(tài)反映電網(wǎng)充裕性的變化情況。該模型對于加強電網(wǎng)可靠性管理，以及進一步推進電網(wǎng)可靠性在線評估計算工作提出了較為可行的思路和方法。

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〔3〕孫元章，程林，劉海濤.基于實時運行狀態(tài)的電力系統(tǒng)運行可靠性評估〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(15):6-12.

〔4〕郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析〔M〕.清華大學(xué)出版社，2003.

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Online evaluation model of power grid adequacy based on loop statistical reliability indices

PENG Shiming1，DENG Ji1，LI Xin2，XIA Jun1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper analyzes loop as the minimum unit，and presents an online adequacy evaluation model of power grid based on loop statistical reliability indices.The model collects loop statistical reliability indices online on the facilities of electric power reliability management system，and accesses the state of assess data online from the EMS.On the basis of traditional grid system reliability evaluation indices，three levels index of system-loops-node is established，fully reflecting the reliability of the electrical network.The actual assessment of power grid of certain a province in Central China indicates that the model is simple and effective，with the prospect of online applications.

loop；power grid online reliability assessment；loop statistical reliability indices

TM732

A

1008-0198(2015)06-0010-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.003

2015-03-17 改回日期:2015-06-19

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目 (SGHN0000AZJS1400288)