劉　進(jìn)

(黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

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基于全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)的電網(wǎng)風(fēng)險評估

劉進(jìn)

(黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

針對電網(wǎng)方式計算面臨的實際困難,搭建了基于ADPSS的 “電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真平臺”,即通過對實際電網(wǎng)的建模和全故障掃描,分析評估電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性,同時找出電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié),為電網(wǎng)隱患排查和治理工作提供技術(shù)支撐。

ADPSS;全數(shù)字;電網(wǎng)風(fēng)險;評估

電網(wǎng)方式計算對電網(wǎng)運行控制有著非常重要作用,由于在實際系統(tǒng)上做試驗極為困難,只能通過模擬試驗仿真進(jìn)行電網(wǎng)運行特性研究和各類控制保護(hù)措施的驗證。因此可搭建基于ADPSS的“電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真數(shù)據(jù)平臺”,通過對實際電網(wǎng)的重新建模和仿真找出電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié),評估電網(wǎng)風(fēng)險水平,做好電網(wǎng)隱患排查和治理工作,并對計劃投產(chǎn)的電網(wǎng)項目進(jìn)行預(yù)分析,根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及用電負(fù)荷變化來確定電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)和穩(wěn)定水平。

隨著電力需求的快速增長和電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,黑龍江省電力系統(tǒng)運行的安全性問題日益成為關(guān)注的重點。因此對電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險評估,找到薄弱環(huán)節(jié)并給予治理來提高電網(wǎng)整體可靠性,降低電網(wǎng)運行風(fēng)險,具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。本文建立全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)的電網(wǎng)風(fēng)險評估模型,分析評估黑龍江省電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性,并建立電網(wǎng)隱患數(shù)據(jù)儲備庫,為將來建設(shè)項目順利入網(wǎng)提供必要的技術(shù)支撐。

1　計算工具與研究方法

1.1元件模型

發(fā)輸電系統(tǒng)的可靠性分析中,馬爾柯夫模型是基本的元件模型。對于線路、變壓器、母線這三類元件,都可以采用馬氏模型來描述。元件的可靠性模型一般采用傳統(tǒng)的二狀態(tài)模型[3-4],如圖1所示。

圖1　二狀態(tài)模型

λ和μ與平均無故障運行持續(xù)時間tMTTF和平均故障修復(fù)時間tMTTR的關(guān)系為

λ=1/tMTTF，μ=1/tMTTR

1.2評估算法

從理論上來講,對狀態(tài)空間Ω中的所有狀態(tài)進(jìn)行枚舉后,即可用下式計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo):

式中:P(Xi)為每一系統(tǒng)狀態(tài)Xi∈Ω的發(fā)生概率,F(Xi)可以表示概率、功率、頻率或時間等可靠性指標(biāo)[5]。

概率性和可靠性評估程序就是基于上述算法原理實現(xiàn)的,其主要流程如圖2所示。

圖2　概率性和可靠性評估程序主流程圖

1.3評估指標(biāo)

基于概率的可靠性評估指標(biāo)主要有以下三種類型:VPRI(電壓越界)、APRI(過負(fù)荷)及VSPRI(電壓穩(wěn)定性)。

電壓越界概率可靠性指標(biāo)為

式中:Vi·impact指第i個突發(fā)事件所引發(fā)的所有節(jié)點電壓偏離上、下限值總和,單位是kV或p.u.。

過載概率可靠性指標(biāo)為

式中:Ai·impact指第i個突發(fā)事件所引發(fā)的所有過載線路過負(fù)荷值的總和,單位是MVA或p.u.。

電壓穩(wěn)定性概率可靠性指標(biāo)為

1.4故障集的選取

本文采用黑龍江省2015年冬季大負(fù)荷運行方式的工程數(shù)據(jù)文件。計算時故障集選取黑龍江電網(wǎng)內(nèi)部所有220 kV和500 kV變壓器、交流線以及母線。

2　電網(wǎng)結(jié)構(gòu)概況

隨著中俄聯(lián)網(wǎng)工程的投產(chǎn),目前黑龍江省電網(wǎng)分為東部電網(wǎng)、中部電網(wǎng)、西部電網(wǎng)和北部電網(wǎng)。各區(qū)域電網(wǎng)間具體連接方式為：北部電網(wǎng)通過500 kV興黑線、220 kV海北線、拉嫩甲線、拉克線分別與中部電網(wǎng)和西部電網(wǎng)相連;西部電網(wǎng)通過500 kV大松1號線、大松2號線、大松3號線和220 kV中肇線、新樂線與中部電網(wǎng)相連;東部電網(wǎng)通過500 kV群興1線、方永甲線、方永乙線和220 kV德發(fā)甲線、德發(fā)乙線、牡亞線、牡尚乙線與中部電網(wǎng)相連；中部網(wǎng)內(nèi)部形成松北變-哈南變-永源變-興福變-松北變的500 kV環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[6]。黑龍江各區(qū)域主要斷面如圖3所示。

圖3　黑龍江各區(qū)域電網(wǎng)主要斷面示意圖

3　風(fēng)險評估分析

3.1潮流情況

根據(jù)2015年黑龍江電網(wǎng)負(fù)荷運行和電力平衡情況進(jìn)行2015年冬季大負(fù)荷運行方式潮流計算,冬季大負(fù)荷按10 500 MW左右考慮。

黑龍江東部聯(lián)絡(luò)線外送潮流不大于3100 MW,中西部聯(lián)絡(luò)線外送潮流不大于2000 MW,馮大斷面外送潮流不大于2600 MW,吉黑外送潮流不大于3000 MW。

3.2風(fēng)險評估

靜態(tài)掃描結(jié)果如圖4所示。

圖4　靜態(tài)掃描結(jié)果綜述

由圖4可看出,黑龍江電網(wǎng)靜態(tài)安全的主要問題集中在母線電壓越限。

3.2.1綜合分析

綜合分析是系統(tǒng)層次的分析,可以揭示整個系統(tǒng)的可靠性等級。確定性和概率性綜合分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　確定性綜合分析圖

圖6　概率性綜合分析圖

由圖5、圖6可看出,黑龍江電網(wǎng)的主要問題集中在母線電壓越限。

3.2.2薄弱環(huán)節(jié)分析

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。基于這一思路,對黑龍江電網(wǎng)進(jìn)行N-1靜態(tài)掃描分析和靜態(tài)風(fēng)險評估分析,然后再對風(fēng)險評估結(jié)果進(jìn)一步分析,以確定電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)所在。確定性和概率性母線電壓越限的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖如圖7、圖8所示。

圖7　確定性母線電壓越限的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖

圖8　概率性母線電壓越限的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖

由圖7、圖8可看出,由于黑河電網(wǎng)、大興安嶺環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱,無論是從概率性還是從確定性方面看,此地區(qū)電網(wǎng)的越限母線都占據(jù)了前二十位的一半多,因此風(fēng)險值較大。

確定性和概率性線路過載的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖如圖9、圖10所示。

圖9　確定性線路過載的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖

由圖9、圖10可看出,線路過載主要發(fā)生在雞西地區(qū)、七臺河地區(qū)。

確定性和概率性變壓器過載的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可看出,變壓器器過載問題主要集中在500 kV單主變和負(fù)荷過重的220 kV主變。

圖10　概率性線路過載的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖

圖11　確定性變壓器過載的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖

圖12　概率性變壓器過載的薄弱環(huán)節(jié)柱狀圖

3.2.3 故障狀態(tài)分析

對系統(tǒng)的各種故障狀態(tài)根據(jù)其對各項計算指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行了排序,并用氣泡圖形象化表示出來。氣泡圖中每一個氣泡均代表電網(wǎng)內(nèi)的一種故障狀態(tài),氣泡的縱坐標(biāo)代表對應(yīng)故障狀態(tài)產(chǎn)生的影響程度,橫坐標(biāo)代表該故障狀態(tài)發(fā)生的概率,氣泡的大小則代表該故障狀態(tài)的風(fēng)險系數(shù)指標(biāo)。因此,可以從該氣泡圖中很明顯看出哪些故障狀態(tài)具有高影響性,哪些故障狀態(tài)具有高概率性,哪些故障狀態(tài)兩者較高,從而可以幫助規(guī)劃人員對高概率性和高影響性的故障狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

確定性和概率性母線電壓越限故障狀態(tài)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。確定性和概率性母線電壓越限故障狀態(tài)氣泡圖如圖13、圖14所示。

表1　確定性母線電壓越限故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表

表2　概率性母線電壓越限故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表

圖13　確定性母線電壓越限故障狀態(tài)氣泡圖

圖14　概率性母線電壓越限故障狀態(tài)氣泡圖

由表1、表2、圖13、圖14可看出,采用確定性和概率性分析方法電壓越限指標(biāo)高的都在大興安嶺地區(qū)、黑河地區(qū)。

確定性和概率性線路過載故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表如表3、表4所示。

表3　確定性線路過載故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表

表4　概率性線路過載故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表

確定性和概率性線路過載故障狀態(tài)氣泡圖如圖15、圖16所示。

圖15　確定性線路過載故障狀態(tài)氣泡圖

圖16　概率性線路過載故障狀態(tài)氣泡圖

由表3、表4、圖15、圖16可以看出,采用確定性和概率性分析方法線路過載影響值排序較大的為七臺河地區(qū)、雞西地區(qū),主要是因為地區(qū)電網(wǎng)較薄弱,網(wǎng)內(nèi)電源送出線路和地區(qū)潮流聯(lián)絡(luò)線線徑較細(xì),切除元件易造成周邊薄弱線路過載。

確定性和概率性變壓器過載故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表如表5、表6所示。

確定性和概率性變壓器過載故障狀態(tài)氣泡圖如圖17、圖18所示。

表5　確定性變壓器過載故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表

表6　概率性變壓器過載故障狀態(tài)數(shù)據(jù)表

圖17　確定性變壓器過載故障狀態(tài)氣泡圖

圖18　概率性變壓器過載故障狀態(tài)氣泡圖

由表5、表6、圖17、圖18可看出,采用確定性和概率性分析方法變壓器過載影響值排序較大的為大興安嶺地區(qū)、黑河地區(qū),主要原因是受北部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點影響。

4　黑龍江省電網(wǎng)安全可靠性存在的問題

4.1大興安嶺、黑河地區(qū)環(huán)網(wǎng)電壓較低

北部電網(wǎng)受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點影響,受電潮流主要通過黑河換流站500 kV主變(500 kV興黑線)、220 kV馮拉線和海北線三個輸電通道受入。大興安嶺、黑河地區(qū)存在單回長距離環(huán)網(wǎng)供電,環(huán)網(wǎng)中目前供電電源只有大黑山風(fēng)電場、尼爾基水廠、北安廠、加格達(dá)奇廠,供電能力較差。當(dāng)環(huán)網(wǎng)中某個元件故障時易引起連鎖故障,使得大興安嶺、黑河地區(qū)變電站母線電壓降低,電壓對負(fù)荷變化比較敏感,從而影響地區(qū)電網(wǎng)供電可靠性。

4.2部分線路線徑較細(xì),易超過線路熱穩(wěn)定極限

東部地區(qū)220 kV部分聯(lián)絡(luò)線,導(dǎo)線線徑較小,線路過載主要發(fā)生在雞西、七臺河地區(qū)。此地區(qū)七河線、雞梨線、佳蘆線線徑較細(xì),當(dāng)周邊電源開機(jī)較大或滿載,周邊線路檢修時,易引起連鎖故障,影響地區(qū)電網(wǎng)供電可靠性。七河線、七民線、火中甲線作為電廠外送通道,線徑較細(xì),限制了電廠的出力,不滿足線路N-1條件。阿源甲、乙線承擔(dān)哈爾濱地區(qū)阿南變、五常變、金都變、阿城變的供電潮流。由于近年來該地區(qū)負(fù)荷持續(xù)增長,阿源甲、乙線運行潮流較大,當(dāng)非供熱期供熱機(jī)組停運后,雙回線中一條線路跳閘時,另一條線路會發(fā)生過載,同時五常變等末端變電所的運行電壓也將大幅下降。新同甲、乙線線徑較細(xì),當(dāng)新華熱電廠、大慶新海風(fēng)電場、和平風(fēng)電場投運后,切除周邊線路極易引起新同甲、乙線過載。

由于北部單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響,因此克山變、北安變的負(fù)荷主要都需經(jīng)過拉克線帶送,加格達(dá)奇熱電廠投產(chǎn)之后,由西部電網(wǎng)向北部電網(wǎng)送出的潮流大部分將通過拉克線送出,使拉克線潮流增大,當(dāng)周邊臨近線路切除時,會導(dǎo)致線路過載。

綏海線作為中部網(wǎng)向西部網(wǎng)主要潮流輸送通道,當(dāng)馮屯主變故障或興福變下網(wǎng)潮流較大,主變故障時,都會導(dǎo)致綏海線過載。富二廠是齊齊哈爾的主要功率輸出源,擔(dān)負(fù)著向齊齊哈爾地區(qū)和大慶地區(qū)供電的重要任務(wù),其與周圍變電站之間的聯(lián)絡(luò)線線徑較細(xì),由于其負(fù)擔(dān)較重,而且多是同塔雙回線路,容易同時斷線,因此會對其他的分流線路帶來更大負(fù)擔(dān),致使部分薄弱線路潮流過載。

4.3500 kV單主變運行問題

500 kV集賢變、前進(jìn)變、黑換流站為單主變運行,作為地區(qū)220 kV與500 kV系統(tǒng)唯一的電氣聯(lián)絡(luò),負(fù)擔(dān)將地區(qū)剩余電力轉(zhuǎn)入500 kV主網(wǎng)或地區(qū)電網(wǎng)受電的重任,一旦出現(xiàn)500 kV線路或主變跳閘事故,地區(qū)220 kV與500 kV主網(wǎng)電磁解環(huán),系統(tǒng)穩(wěn)定水平降低,加重了周圍區(qū)間聯(lián)絡(luò)線潮流。興福變主變?nèi)萘繛?50 MVA,且地區(qū)無220 kV及以上常規(guī)電源,當(dāng)主變發(fā)生N-1事故時,只能依靠220 kV線路及哈三廠供電,供電可靠性差。

5　結(jié)　論

1) 對于母線電壓越限情況,問題主要集中在大

興安嶺、黑河地區(qū)。

2) 對于線路過載情況,問題主要集中在七臺河地區(qū)、雞西地區(qū)薄弱線路,電廠出口薄弱線路。

3)對于變壓器過載情況,問題主要集中在500 kV單主變和負(fù)荷過重的220 kV主變。

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(責(zé)任編輯郭金光)

Power network risk assessment based on full digital real-time simulation system

LIU Jin

(Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)

In accordance with the practical difficulties which the power grid calculation faces, this paper established ‘the full digital real-time simulation platform’ of power system based on ADPSS, a platform which evaluates the safety of power grid operation and stability and finds out the weak links of power grid through the modeling and full fault scan of the actual power grid to provide technical support for hidden danger elimination and management.

ADPSS; full digital; grid risk; assessment

2015-10-15;

2015-11-12。

劉進(jìn)(1982—),女,工程師,主要從事電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定分析研究工作。

TM743

A

2095-6843(2016)03-0189-06