摘 要：冰雪災(zāi)害對電網(wǎng)造成的破壞與威脅不容忽視，分析覆冰對電網(wǎng)運(yùn)行帶來的風(fēng)險，制定合理的應(yīng)對措施就顯得尤為重要。文章介紹了國內(nèi)外冰雪災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響，從基于覆冰動態(tài)增長的元件故障概率模型入手，結(jié)合電力系統(tǒng)風(fēng)險評估模型，對冰雪災(zāi)害下的電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評估研究，為制定融冰策略提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電網(wǎng)；冰雪災(zāi)害；風(fēng)險評估

冰災(zāi)對電網(wǎng)的危害不容小視，近年來，電網(wǎng)大范圍覆冰對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定形成巨大威脅。文章提出的基于覆冰動態(tài)增長的電網(wǎng)冰雪災(zāi)害風(fēng)險評估模型能夠合理地分析冰雪災(zāi)害下的高風(fēng)險線路，為電網(wǎng)運(yùn)行提供合理應(yīng)對冰雪災(zāi)害的措施，及時進(jìn)行線路融冰，以防止因覆冰引起的電網(wǎng)線路停運(yùn)，達(dá)到降低電網(wǎng)風(fēng)險的目的。

1 冰雪災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響

根據(jù)歷年全球經(jīng)歷的冰雪災(zāi)害事故分析得出，電力系統(tǒng)受災(zāi)的形勢多種多樣，例如輸電線路斷線停運(yùn)；倒桿、倒塔；電氣設(shè)備跳閘停運(yùn)等。2008年我國南方部分省份遭受了最為嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害天氣，冰災(zāi)引發(fā)貴州、湖南等地大面積停電，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、電力供應(yīng)和人民群眾的生產(chǎn)生活帶來了極大的影響與威脅。1998年，美國加拿大發(fā)生大范圍冰雪災(zāi)害使當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)超過3000千米輸電線路斷線停運(yùn)，電網(wǎng)修復(fù)費(fèi)用超過10億加元，當(dāng)?shù)鼐用裆钍艿絿?yán)重影響。

總結(jié)下來，冰災(zāi)對電力系統(tǒng)的影響主要是因為電氣設(shè)備上的覆冰過厚，突破了線路和桿塔所能承受的能力，導(dǎo)致斷線倒塔。如何預(yù)測電氣設(shè)備上的覆冰厚度，氣象學(xué)的理論在電網(wǎng)覆冰的研究上有了新的突破。研究表明，只有在特定的溫度、濕度和風(fēng)速的天氣條件下，電網(wǎng)架空線路和桿塔才出現(xiàn)覆冰情況，而且覆冰的形態(tài)也各有不同，常見的有：雨凇、霧凇、濕雪等。架空線路和桿塔上結(jié)冰的速度也和氣象條件有關(guān)，這就使冰雪災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響充滿了更多的不確定因素。架空導(dǎo)線覆冰的基本條件有以下三點(diǎn)：一是空氣溫度與導(dǎo)線表面溫度在-20℃～-2℃之間；二是空氣相對濕度在80%以上；三是風(fēng)速在1～10m/s之間，使空氣中水份和導(dǎo)線發(fā)生碰撞。滿足上述三種條件后，電網(wǎng)的線路和桿塔就極有可能出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，對電網(wǎng)安全造成影響。

2 冰雪災(zāi)害下的故障概率模型

電力系統(tǒng)在覆冰情況下的故障概率和電網(wǎng)線路的覆冰狀況密切相關(guān)，考慮覆冰增速能夠更科學(xué)的對覆冰情況進(jìn)行分析。

2.1 覆冰增長模型

我國電力系統(tǒng)發(fā)生冰雪災(zāi)害的主要受災(zāi)地區(qū)集中在中南部地區(qū)，雨凇形式的覆冰是常見的覆冰形式。研究發(fā)現(xiàn)，Goodwin覆冰增長模型是假設(shè)所有與導(dǎo)線接觸的過冷卻水都在導(dǎo)線表面形成覆冰，即覆冰的干增長模式，該模型和我國中南部電網(wǎng)的覆冰增長模式相似，同時也綜合考慮了氣象因素對覆冰增速的影響。覆冰增長模型為：

其中ρw為水的密度，ρi為冰的密度；Hg為降水量；V為風(fēng)速，Vd是水滴下落速度，取8m/s[1]。

2.2 基于覆冰增長的故障概率模型

導(dǎo)線出現(xiàn)覆冰情況之后，隨著時間的推移，覆冰厚度會逐漸增加，導(dǎo)線承受的力也就逐漸加大，當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到最大承受能力之后，隨著應(yīng)變的增加，導(dǎo)線能夠承受的力會突然下降，發(fā)生斷線事故。線路故障概率與覆冰情況有直接關(guān)系，覆冰越厚，該線路就越危險，故障概率也就越高。但是由于電網(wǎng)中線路型號存在差異，因此綜合考慮覆冰厚度與線路所能承受的覆冰極限來衡量導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重程度，結(jié)合2.1中的覆冰增長模型，線路i從當(dāng)前時刻起t時刻內(nèi)的故障概率模型為：

其中，h為覆冰厚度；s為覆冰極限值。

3 冰雪災(zāi)害事故后果模型

3.1 運(yùn)行狀態(tài)后果

（1）電壓嚴(yán)重度指標(biāo)

電力系統(tǒng)電壓安全是故障后母線保持可接受的電壓的能力[2]。威脅電壓安全的最嚴(yán)重情況是電壓崩潰，尤其是在電網(wǎng)無功儲備不足時，電網(wǎng)會出現(xiàn)大面積電壓水平偏低。因此，低電壓嚴(yán)重度在電力系統(tǒng)風(fēng)險評估后果模型中是十分重要的一部分。事故后系統(tǒng)低電壓嚴(yán)重度用節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)額定電和節(jié)點(diǎn)權(quán)重表示[3]，模型為：

其中，Yp=（yp1，yp2，…，ypn）T為各個節(jié)點(diǎn)電壓偏移向量；Bp=（bp1，bp2，…，bpn）為各個節(jié)點(diǎn)電氣介數(shù)向量，作為節(jié)點(diǎn)權(quán)重。

（2）過載嚴(yán)重度指標(biāo)

線路過載嚴(yán)重度指系統(tǒng)發(fā)生事故后，系統(tǒng)中各支路上輸送的容量與線路整定的極限輸送容量相比的過載程度作為嚴(yán)重度函數(shù)構(gòu)成的系統(tǒng)嚴(yán)重度指標(biāo)，反映系統(tǒng)事故后果。事故后線路過載嚴(yán)重函數(shù)用支路功率、支路滿載功率極限和之路權(quán)重表示。模型為：

其中，Yl=（yl1，yl2，…，yln）T為各條支路功率越限向量；Bl=（bl1，bl2，…，bln）為各條支路電氣介數(shù)向量，作為線路權(quán)重。

考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的綜合嚴(yán)重度指標(biāo)為：

3.2 負(fù)荷損失后果

電網(wǎng)負(fù)荷損失存在以下兩種情況：一是負(fù)荷節(jié)點(diǎn)因為支路故障形成孤立節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的負(fù)荷損失L1；二是故障后負(fù)荷節(jié)點(diǎn)由于電壓偏低造成低壓減載導(dǎo)致負(fù)荷損失L2。電網(wǎng)整體負(fù)荷損失總量：

其中，Llp是失負(fù)荷百分比；K取值為30%[4]。

3.3 綜合事故后果模型

事故后果嚴(yán)重度不僅包括事故對系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的影響，同時和事故后系統(tǒng)減供負(fù)荷量與減供負(fù)荷中不同負(fù)荷類型的比例有密切關(guān)系。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)的嚴(yán)重度模型與負(fù)荷損失嚴(yán)重度模型進(jìn)行加權(quán)處理，得到電網(wǎng)事故后的綜合嚴(yán)重度模型：

4 電力系統(tǒng)冰雪災(zāi)害風(fēng)險評估

4.1 冰災(zāi)情況下影響電網(wǎng)運(yùn)行的因素

冰災(zāi)情況下影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素主要有三類：一是覆冰情況，覆冰嚴(yán)重程度直接影響該線路能否可靠運(yùn)行，此時覆冰程度越嚴(yán)重的線路危險級別越高；二是電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個本質(zhì)的特征，不同支路與節(jié)點(diǎn)在其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的重要程度是不同的，因此重要的支路在融冰過程中應(yīng)該優(yōu)先考慮；三是覆冰線路故障造成的嚴(yán)重程度，某些線路由于自身在電網(wǎng)中起著重要作用而顯得非常關(guān)鍵，一旦發(fā)生故障會對電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定造成較為嚴(yán)重的危害，所以當(dāng)這些線路出現(xiàn)覆冰情況時即為高風(fēng)險線路，應(yīng)該受到更多重視。

4.2 冰災(zāi)下電力系統(tǒng)風(fēng)險評估模型

電力系統(tǒng)風(fēng)險評估是電網(wǎng)事故可能性與事故嚴(yán)重程度的結(jié)合。事故的可能性即為故障概率，嚴(yán)重程度即是事故對電網(wǎng)運(yùn)行的影響。冰災(zāi)情況下影響電網(wǎng)運(yùn)行的因素中，覆冰情況與線路故障概率密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)對事故嚴(yán)重程度有直接影響，因此將覆冰情況引入故障概率模型，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合形成綜合性的事故嚴(yán)重度指標(biāo)，再利用風(fēng)險理論，將覆冰情況、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)三個對電網(wǎng)影響最大的重要因子綜合到風(fēng)險指標(biāo)中，對冰災(zāi)情況下的電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險評估，確定高風(fēng)險線路，避免冰災(zāi)引起電網(wǎng)的重大損失。評估模型為：

其中，P（i）為公式（2）計算的線路i覆冰情況的故障概率；S（i）為線路i故障后對電網(wǎng)的影響后果；Ri即為覆冰情況下線路i對電力系統(tǒng)的風(fēng)險。

運(yùn)用此風(fēng)險評估模型對覆冰情況下的電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險評估，找出對系統(tǒng)影響最大的覆冰線路，提前做好預(yù)防措施，及時進(jìn)行線路融冰，以防止因覆冰引起的電網(wǎng)線路停運(yùn)，達(dá)到降低電網(wǎng)風(fēng)險的目的。

5 仿真算例

以某省一地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)共包含18個節(jié)點(diǎn)，22條支路。用文章方法對冰雪災(zāi)害下覆冰線路進(jìn)行風(fēng)險評估，每次評估過后對該線路進(jìn)行融冰處理（融冰時間為2小時），持續(xù)時間t從0～6時所找出的最大風(fēng)險線路如表1所示。

從表1可以看出，從持續(xù)6小時的冰雪天氣的影響下，線路2是最先出現(xiàn)高風(fēng)險的線路，之后是線路1和線路8。因此，為應(yīng)對此次冰雪災(zāi)害，課制定系列為L2-L1-L8的線路融冰順序，來達(dá)到降低系統(tǒng)風(fēng)險的目的。

6 結(jié)束語

文章針對冰雪災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響，綜合考慮覆冰增速、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)構(gòu)、事故后果失負(fù)荷情況，提出了基于覆冰動態(tài)增長的電力系統(tǒng)故障概率模型，并用此模型結(jié)合綜合事故后果指標(biāo)，對冰雪災(zāi)害下的電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評估。該方法克服了傳統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)只含運(yùn)行狀態(tài)嚴(yán)重度的不足，對冰雪災(zāi)害的風(fēng)險評估更有針對性，能識別電網(wǎng)覆冰情況下的高風(fēng)險線路，從而預(yù)防因線路覆冰所導(dǎo)致的災(zāi)難性事故的發(fā)生，為電網(wǎng)安全和運(yùn)行維護(hù)提供合理參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]趙陽，李華強(qiáng)，王伊妙，等.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和條件概率的災(zāi)難性事故風(fēng)險評估方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（11）：3190-3196.

[4]國務(wù)院.電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理條例[S].北京：中國電力出版社，2011.

作者簡介：趙陽（1989，04-），女，河北石家莊人，研究方向：電力市場研究，電力系統(tǒng)評估。

安佳坤（1988，09-），男，河北石家莊人，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計。

孟斌（1986，08-），男，河北邯鄲人，研究方向：電力系統(tǒng)線路設(shè)計。

郭計元（1986，07-），男，河北滄州人，主要研究方向：電力系統(tǒng)線路設(shè)計。

劉雪飛（1984-），男，河北邢臺人，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃。