湯 奕，李 峰，王 琦，倪 明

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)逐漸演變成信息系統(tǒng)與電力系統(tǒng)深度融合的時空多維異構(gòu)的電力信息物理融合系統(tǒng) CPS（Cyber Physical System）［1-2］。電力CPS在為廣域電網(wǎng)的實(shí)時控制提供全局信息技術(shù)支撐的同時［3-4］，也對信息可靠性提出了更高的要求。通信的延時、誤碼和中斷等故障將使得互聯(lián)電網(wǎng)的全局最優(yōu)協(xié)調(diào)控制無法得到保證，甚至可能導(dǎo)致控制器采取錯誤策略，惡化系統(tǒng)性能。已有研究指出通信系統(tǒng)的故障是部分大停電事故的主要誘因之一［5］。因此亟需研究通信系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)運(yùn)行控制的影響。

目前，此類研究主要集中在以下3個方面：（1）以特定電力業(yè)務(wù)或通信網(wǎng)絡(luò)模型為研究對象，評估電力通信系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性［6-9］；（2）建立考慮電力一次系統(tǒng)與電力通信系統(tǒng)的復(fù)合模型，分析通信故障下電網(wǎng)的故障特性及綜合脆弱程度［10-12］；（3）將通信影響等外部因素簡化為特定運(yùn)行工況，研究其對電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響［13-15］。文獻(xiàn)［10］應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論揭示了電力和通信耦合網(wǎng)絡(luò)連鎖故障的發(fā)生機(jī)理。文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［15］考慮了監(jiān)控設(shè)備非可靠工作后對電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的影響，其中后者將信息系統(tǒng)的作用反映在設(shè)備可靠性模型中，并對其進(jìn)行了深入的研究。但電力一次系統(tǒng)中設(shè)備眾多，建立完整的信息系統(tǒng)功能可靠性模型難度較大，難以指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行與控制。

隨著電力系統(tǒng)控制方式趨于實(shí)時化［16-17］，通信過程逐漸成為電力系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中不可忽略的因素［18-20］。通信系統(tǒng)中故障的類型和后果具有不確定性，其對電力系統(tǒng)的影響主要通過電力業(yè)務(wù)傳遞。因此通信系統(tǒng)故障對電力一次系統(tǒng)的影響研究應(yīng)分為2個部分進(jìn)行：通信系統(tǒng)故障機(jī)理研究，確定故障類型及其對電力業(yè)務(wù)的影響程度，例如關(guān)鍵線路發(fā)生故障造成業(yè)務(wù)通信中斷、節(jié)點(diǎn)路由設(shè)備發(fā)生故障造成業(yè)務(wù)傳輸延時增加等；受通信故障影響的業(yè)務(wù)對電力一次系統(tǒng)的影響研究，例如繼電保護(hù)業(yè)務(wù)受影響后，造成線路保護(hù)拒動或誤動，擴(kuò)大電網(wǎng)故障的影響。

本文重點(diǎn)研究了通信系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷控制的影響。首先介紹了電力通信復(fù)合系統(tǒng)的基本框架；根據(jù)通信故障的基本形式，闡述了通信故障對電網(wǎng)觀測和控制水平的影響；提出了通信中斷故障對電網(wǎng)實(shí)時負(fù)荷控制業(yè)務(wù)影響的評價方法；最后在IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 通信系統(tǒng)故障影響研究方法

1.1 電力通信復(fù)合系統(tǒng)框架

如圖1所示，電力網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)上一一對應(yīng)，通信網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與電力網(wǎng)絡(luò)相似，在保證節(jié)點(diǎn)連通性的情況下，具有單個或多個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

電力通信復(fù)合系統(tǒng)包括：電力網(wǎng)絡(luò)層為傳統(tǒng)電力一次系統(tǒng)，包括電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備、電力線路及電網(wǎng)運(yùn)行控制設(shè)備；區(qū)域信息中心，獲取監(jiān)測系統(tǒng)采集的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（如節(jié)點(diǎn)電壓幅值、相角，線路傳輸功率）和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（如斷路器開關(guān)狀態(tài)、繼電保護(hù)裝置狀態(tài)等），數(shù)據(jù)處理后，人為或自動進(jìn)行決策并下發(fā)控制指令；監(jiān)測元件和系統(tǒng)（如相量測量單元PMU（Phasor Measurement Unit）），獲取電力系統(tǒng)實(shí)時、非實(shí)時運(yùn)行信息，對電力系統(tǒng)各項(xiàng)實(shí)時、非實(shí)時業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持；控制元件和系統(tǒng)（如節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備），根據(jù)就地信息或網(wǎng)絡(luò)信息指令，完成對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整和執(zhí)行緊急控制命令等任務(wù)；通信網(wǎng)絡(luò)層為電力通信系統(tǒng)，執(zhí)行電力系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

電力通信復(fù)合系統(tǒng)的核心就是電力一次系統(tǒng)與電力通信系統(tǒng)之間的交互影響，體現(xiàn)為電網(wǎng)信息-控制信號-電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)換。

以基于PMU的廣域測量系統(tǒng)WAMS（Wide-Area Measurement System）為例，安裝在電力節(jié)點(diǎn)上的PMU可采集電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議的要求以及預(yù)先設(shè)置好的路由策略，經(jīng)由電力通信網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域信息中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理完成后，區(qū)域信息中心將控制信號下發(fā)到各通信節(jié)點(diǎn)的控制設(shè)備，實(shí)施操作，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。

圖1 電力通信復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electric power-communication complex system

1.2 通信系統(tǒng)故障影響研究框架

通信系統(tǒng)故障影響的研究框架如圖2所示。一方面，受自然或人為等因素的影響，通信系統(tǒng)有發(fā)生故障（如設(shè)備故障、線路故障及電信業(yè)務(wù)故障）的風(fēng)險，具體表現(xiàn)為傳輸延時增加、數(shù)據(jù)誤碼率增加及通信中斷等。通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)碾娏I(yè)務(wù)會因此受到影響，如繼電保護(hù)系統(tǒng)中傳輸延時過大時，將導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備誤動。另一方面，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整可通過分析監(jiān)視、控制信息，依靠相應(yīng)的電力業(yè)務(wù)實(shí)施。各類電力業(yè)務(wù)在通信時效性、準(zhǔn)確性和可靠性方面，對通信指標(biāo)的要求并不一致，例如繼電保護(hù)系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)對通信實(shí)時性和可靠性要求較高，而信息管理及電能計量遙測等業(yè)務(wù)則對數(shù)據(jù)完整性要求較高。因此，通信系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)的影響研究應(yīng)包括兩方面：通信故障影響分析；受通信故障影響后，電力業(yè)務(wù)實(shí)施效果分析。

通信技術(shù)的發(fā)展使基于廣域信息的安全穩(wěn)定控制措施成為研究的熱點(diǎn)，為電網(wǎng)實(shí)時控制技術(shù)的工程化應(yīng)用發(fā)展提供了技術(shù)支撐。以負(fù)荷減載為例，按照電網(wǎng)事故的緊急程度，傳統(tǒng)的負(fù)荷減載措施可以分為預(yù)防減載、計劃減載和緊急減載，這類減載措施主要基于事件響應(yīng)和就地控制，受通信故障的影響較小。而基于廣域測量技術(shù)和高速通信技術(shù)的“實(shí)時決策，實(shí)時控制”負(fù)荷減載措施［18］，對通信系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性有較高要求，當(dāng)通信系統(tǒng)發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)中實(shí)時負(fù)荷減載措施可能無法啟動或正確執(zhí)行，從而擴(kuò)大事故的影響和損失。本文針對電力系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷減載的問題，研究通信系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)的影響。

圖2 通信系統(tǒng)故障影響研究框架Fig.2 Framework for researching communication system fault effects

1.2.1 通信故障影響分析

在電力通信系統(tǒng)中，通信故障造成的后果主要為延時、誤碼和中斷，其將影響電力業(yè)務(wù)實(shí)施的準(zhǔn)確性和可靠性。其中，延時和誤碼對實(shí)時負(fù)荷減載業(yè)務(wù)的影響有限，研究表明，在同步數(shù)字序列（SDH）光纖通信系統(tǒng)中，其抗干擾性比傳統(tǒng)的準(zhǔn)同步數(shù)字序列（PDH）微波通道更強(qiáng)，能保證誤碼率在10-5以下，480 km傳輸距離內(nèi)延時不超過5 ms［21］，完全能夠滿足實(shí)時負(fù)荷減載業(yè)務(wù)誤碼率低于10-5、傳輸延時低于30 ms 的要求［22］。

相比之下，中斷造成的影響更嚴(yán)重，其將導(dǎo)致電力業(yè)務(wù)無法傳遞，使電力系統(tǒng)失去部分節(jié)點(diǎn)或區(qū)域監(jiān)視和控制功能。以實(shí)時負(fù)荷減載措施為例，關(guān)鍵監(jiān)視信息的缺失將使電網(wǎng)控制中心無法確定系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，難以對故障做出合理的響應(yīng)措施，使電網(wǎng)抵御故障風(fēng)險的能力降低。

1.2.2 通信故障對電力系統(tǒng)影響分析

在電力通信系統(tǒng)中，造成通信中斷故障的主要原因?yàn)樵O(shè)備故障，如PMU故障、節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備故障、關(guān)鍵線路故障等。在確定通信中斷的類型和影響后，即可通過某些指標(biāo)來評價電力業(yè)務(wù)實(shí)施結(jié)果對電力系統(tǒng)的影響，如電力系統(tǒng)預(yù)期負(fù)荷減載量、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度等。因此，通信故障對電力系統(tǒng)的影響可以通過式（1）說明。

其中，αi、βi、…、γi（i=1，2，…，n）為電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn) i的受通信影響的通信狀態(tài)量；A（αi，βi，…，γi）為考慮節(jié)點(diǎn) i通信狀態(tài)的相關(guān)電力業(yè)務(wù)的執(zhí)行結(jié)果；f為電力業(yè)務(wù)執(zhí)行后電力系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)評價函數(shù)，用于最終評價通信故障對電力系統(tǒng)的影響。不失一般性，以實(shí)時負(fù)荷減載為例，可用αi、βi分別表示通信中斷后節(jié)點(diǎn)i的可觀性和可控性受到的影響，其中可觀性指該節(jié)點(diǎn)的電力狀態(tài)信息可以直接測量或計算獲得，可控性指該節(jié)點(diǎn)可以接收到的控制信號，并控制電力一次設(shè)備正確動作；A（αi，βi）表示計及節(jié)點(diǎn)可觀性、可控性影響后，實(shí)時負(fù)荷減載業(yè)務(wù)的實(shí)施結(jié)果；f表示基于實(shí)時負(fù)荷減載業(yè)務(wù)實(shí)施后的電網(wǎng)狀態(tài)，對電網(wǎng)的供電可靠性進(jìn)行評估。

2 通信中斷對實(shí)時負(fù)荷控制影響評價方法

本文在分析通信故障對電力系統(tǒng)的影響時，主要考慮的場景為：電網(wǎng)中任意一條線路發(fā)生故障后斷開，造成電網(wǎng)中的有功潮流發(fā)生變化，部分線路可能出現(xiàn)過載問題。電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心通過分析接收到的電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷是否有線路過載，若有則通過負(fù)荷減載措施進(jìn)行調(diào)整，以消除線路過載問題，該過程即為完整的實(shí)時負(fù)荷控制過程。但是，當(dāng)電力通信系統(tǒng)發(fā)生故障后，電網(wǎng)的部分節(jié)點(diǎn)失去可觀性、可控性，將會使實(shí)時負(fù)荷控制業(yè)務(wù)無法實(shí)施或影響其實(shí)施效果。當(dāng)依靠實(shí)時負(fù)荷控制措施無法消除線路過載問題時，線路的過電流保護(hù)裝置將會動作，切除過載線路。

基于1.2.2節(jié)中對電網(wǎng)可觀性、可控性的介紹，在考慮通信中斷故障的電力系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷控制研究方法中，有以下的理論基礎(chǔ)。

a.安裝PMU的節(jié)點(diǎn)及其相鄰節(jié)點(diǎn)具有可觀測性；電力線路的2個端點(diǎn)均可觀測時，則該條線路也是可觀測的［23］。

b.電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)可觀性的丟失，將同時導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)失去可控性；電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)可控性的丟失，將導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)所連的發(fā)電機(jī)及負(fù)荷失去調(diào)控能力［13］。

2.1 最優(yōu)負(fù)荷減載算法

本文的負(fù)荷控制方案由最優(yōu)負(fù)荷減載算法確定，該算法以電網(wǎng)發(fā)生故障后負(fù)荷減載量最小為優(yōu)化目標(biāo)：

其中，fload_shedding為優(yōu)化減載量；N為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合；LSi為節(jié)點(diǎn)i的減載量。

首先，考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本約束條件。

線路潮流計算及其約束為：

其中，Pl為線路潮流；Sl為線路運(yùn)行狀態(tài)；xl為線路阻抗；A為線路的有向鄰接矩陣，Ail為其元素，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i為線路l的首端時為1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i為線路l的末端時為-1，否則為0；δi為節(jié)點(diǎn)i的相角；L為系統(tǒng)中線路集合；Lobserve為可觀測線路的集合；UPl、LPl分別為線路潮流的上、下界。

節(jié)點(diǎn)電流方程約束為：

其中，Gk為發(fā)電機(jī)k的運(yùn)行狀態(tài)；Pgk為發(fā)電機(jī)k的初始發(fā)電量；ΔPgk為發(fā)電機(jī)k的可調(diào)節(jié)量；∑l∈LAilPl為節(jié)點(diǎn)由線路輸入或輸出的功率；Pdi為節(jié)點(diǎn)i的初始負(fù)荷；Geni為系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)集合。

其次，考慮電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不可觀性、不可控性的約束。不可控發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)沒有功率調(diào)節(jié)能力，不可控負(fù)荷節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行減載操作，即：

其中，Ugi、Lgi分別為可控發(fā)電機(jī) i的上、下界；Gcon為可控發(fā)電機(jī)集合；ΔPj為可控發(fā)電機(jī)的功率調(diào)整量；Lcon為可控負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的集合。

2.2 通信中斷對實(shí)時負(fù)荷控制影響研究方法

通信中斷故障對電網(wǎng)實(shí)時負(fù)荷控制影響的量化評價方法的步驟如下。

a.以全網(wǎng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)確定電網(wǎng)的基準(zhǔn)潮流，并開始程序。

b.通過外部循環(huán)實(shí)現(xiàn)對各通信系統(tǒng)故障場景的考慮，每次計算指定1種通信系統(tǒng)故障場景。

c.通過內(nèi)部循環(huán)實(shí)現(xiàn)對各電力系統(tǒng)故障場景的考慮，每次計算指定1種電力系統(tǒng)故障場景。

d.利用1.2節(jié)中提出的理論基礎(chǔ)，分析通信故障對電力系統(tǒng)可觀性、可控性的影響。

e.判斷利用負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率平衡的方法是否可行，即最優(yōu)負(fù)荷減載算法是否有解。若該方法不可行，則電網(wǎng)的基本運(yùn)行條件無法滿足，以失去全網(wǎng)負(fù)荷作為負(fù)荷控制代價；若該方法可行，則進(jìn)一步判斷電網(wǎng)不可觀測部分是否存在故障。

f.判斷電網(wǎng)中不可觀測部分是否存在故障，若不可觀測部分沒有故障，則以最優(yōu)負(fù)荷減載算法給出的負(fù)荷減載量作為負(fù)荷控制代價；若不可觀測部分存在故障，則依靠繼電保護(hù)措施進(jìn)行控制，切除故障線路或孤立的負(fù)荷，形成新的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟d繼續(xù)執(zhí)行。

g.在每次故障仿真時更新負(fù)荷控制代價指標(biāo)δLoad_loss：

其中，δLoad_sheddingi為通信及電力系統(tǒng)故障共同作用下電網(wǎng)的負(fù)荷控制代價；M為測試的故障次數(shù)。

h.更新負(fù)荷控制代價指標(biāo)，進(jìn)入下一個電力系統(tǒng)故障場景，若電力系統(tǒng)故障場景遍歷完成，則進(jìn)入下一個通信系統(tǒng)故障場景；否則，返回步驟c。若通信系統(tǒng)故障場景遍歷完成，則計算過程結(jié)束；否則，返回步驟b。

具體算法流程如圖3所示。

圖3 通信中斷故障下實(shí)時負(fù)荷控制算法流程圖Fig.3 Flowchart of real-time load control algorithm in condition of communication interrupt fault

3 算例分析

本文采用IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)（如圖4（a）所示）作為電力系統(tǒng)的一次網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電力通信網(wǎng)絡(luò)特征，采用如圖4（b）所示的電力信息通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)與電力一次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以簡化的電力一次網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的多環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通信系統(tǒng)采用基于SDH技術(shù)的光纖通信方式和主站-子站的系統(tǒng)架構(gòu)。為了保證全網(wǎng)可觀測性，在節(jié)點(diǎn)1、4、6、7、10、14處裝有PMU。各負(fù)荷和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置有負(fù)荷控制設(shè)備以及發(fā)電機(jī)出力調(diào)節(jié)設(shè)備。圖4（b）中節(jié)點(diǎn)4為通信系統(tǒng)的信息中心。

圖4 IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)圖和通信網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Power grid and communication system of IEEE 14-bus system

以電網(wǎng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行潮流計算，計算結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)1、2、3為系統(tǒng)的主要發(fā)電中心，實(shí)際發(fā)電量占全網(wǎng)的96.8%，最大發(fā)電量占全網(wǎng)的79.5%，節(jié)點(diǎn)3具有全系統(tǒng)最高的負(fù)荷，且節(jié)點(diǎn)1、2、3的出力受線路最大輸送容量的限制。

為了研究通信中斷故障對電力系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷控制的影響，本文以圖4（a）所示網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在不同通信中斷故障情景下，對電力系統(tǒng)發(fā)生線路N-1故障進(jìn)行遍歷測試，并以平均期望故障失負(fù)荷量Mload作為評估指標(biāo)：

其中，S為仿真的通信和電網(wǎng)故障場景總數(shù)。算例中對可能的通信、電力系統(tǒng)組合故障進(jìn)行完全遍歷。

3.1 通信系統(tǒng)正常

當(dāng)通信系統(tǒng)正常工作時，電力一次系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)均可以觀測和控制。在此基礎(chǔ)上，對電力系統(tǒng)發(fā)生線路N-1故障進(jìn)行遍歷測試，由于線路傳輸容量的限制，在某些嚴(yán)重故障情景下，電網(wǎng)需要通過負(fù)荷減載控制以平衡電網(wǎng)功率。采用2.1節(jié)所提方法對該情景下的負(fù)荷減載情況進(jìn)行計算，平均期望故障失負(fù)荷量為3.56 MW。具體各條線路故障下對應(yīng)的負(fù)荷減載量如表1所示。

表1 通信系統(tǒng)正常時各線路故障對應(yīng)的負(fù)荷減載量Table 1 Amount of load shedding corresponding to different single-line faults when communication system is normal

3.2 PMU故障

PMU的配置及其正常運(yùn)行保證了系統(tǒng)的可觀測性。但當(dāng)某個PMU發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的一些節(jié)點(diǎn)的可觀測性將受到影響，不能對電網(wǎng)的故障做出及時響應(yīng)，只能依靠電網(wǎng)的其他控制措施（如繼電保護(hù)措施），這將增加電網(wǎng)負(fù)荷控制的代價。對電網(wǎng)中每個PMU發(fā)生故障的情況加以考慮，得出電網(wǎng)發(fā)生線路N-1故障后的預(yù)期負(fù)荷減載量，如表2所示。

表2 單個PMU和電網(wǎng)同時發(fā)生故障時的預(yù)期負(fù)荷減載量Table 2 Expected amount of load shedding corresponding to different single-PMU faults with power grid fault

從表2的結(jié)果可以看出，PMU故障后，不同位置的故障PMU對電網(wǎng)抵御事故風(fēng)險能力的影響差異較大。其中影響表現(xiàn)最突出的是PMU1，這是因?yàn)镻MU1發(fā)生故障后導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的觀測性受到影響，使系統(tǒng)中功率支撐能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2失去發(fā)電及負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，再加上線路傳輸容量的限制，造成系統(tǒng)失去大電源，產(chǎn)生嚴(yán)重功率不平衡。基于此，以增強(qiáng)大電源、大負(fù)荷區(qū)域的觀測可靠性為目標(biāo)，對PMU布局進(jìn)行改進(jìn)。

在電力一次系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn) 1、3、5、7、10、13 處配置PMU，既可保證全網(wǎng)可觀測性，又可提高大電源、大負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處觀測設(shè)備的冗余度，具有很好的觀測可靠性，仿真結(jié)果表明，PMU布局改進(jìn)后，PMU1發(fā)生故障對大電源區(qū)域節(jié)點(diǎn)的可觀測性影響很小，電網(wǎng)發(fā)生故障時，預(yù)期的負(fù)荷減載量也由原來的48.82 MW下降到3.56 MW，改善效果顯著。然而PMU5發(fā)生故障對局部負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的可觀性影響較大，預(yù)期的負(fù)荷減載量與初始PMU布局相比，從4.01 MW上升到5.49 MW。從整體上看，PMU布局改進(jìn)后預(yù)期的負(fù)荷減載總量減小。因此，該改進(jìn)方法可發(fā)現(xiàn)可觀測性重要程度較高的節(jié)點(diǎn)，可作為優(yōu)化電力系統(tǒng)觀測設(shè)備布局的條件。

3.3 節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備故障

對系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)的控制器發(fā)生故障的情景進(jìn)行分析，主要包含2個方面：a.控制中心對控制器故障已知，并避免故障設(shè)備動作；b.控制中心對控制器故障未知，并正常做出控制措施。

首先，針對情景a，選取帶負(fù)荷節(jié)點(diǎn)為研究對象，仿真結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，節(jié)點(diǎn)3的控制設(shè)備發(fā)生故障后，對電網(wǎng)造成的影響最大，而節(jié)點(diǎn) 4、5、10、11、13的控制設(shè)備發(fā)生故障對電網(wǎng)并未造成影響，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)3的負(fù)荷需求最大，線路受入、送出能力有限，而節(jié)點(diǎn) 4、5、10、11、13 的負(fù)荷需求相對較小，且聯(lián)絡(luò)線路多，因此具有更好的供電可靠性。

表3 節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備和電網(wǎng)同時發(fā)生故障時的預(yù)期負(fù)荷減載量Table 3 Expected amount of load shedding corresponding to different single-node-control-equipment faults with power grid fault

針對情景b的仿真分析，在區(qū)域負(fù)荷與線路傳輸容量配置不合理時，控制器的不可靠動作存在擴(kuò)大事故影響的隱患，以通信系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)10的控制設(shè)備發(fā)生故障、一次系統(tǒng)發(fā)生線路6-11斷線故障為例，節(jié)點(diǎn)10、11總負(fù)荷量為12.5 MW，而關(guān)鍵線路9-10的傳輸功率僅為10MW，因此，控制中心采取了節(jié)點(diǎn)10、11分別減載1.39 MW、1.11 MW的措施，而實(shí)際上由于節(jié)點(diǎn)10的控制器發(fā)生故障，其減載操作并未進(jìn)行，線路9-10過載運(yùn)行觸發(fā)過電流保護(hù)，造成節(jié)點(diǎn)10、11的負(fù)荷均被動失去，增加了負(fù)荷控制代價。

3.4 通信鏈路故障

基于SDH技術(shù)的光纖通信方式具有自愈特性，使電力通信網(wǎng)具有非常高的可靠性，任意單條通信鏈路發(fā)生故障，不會影響通信網(wǎng)絡(luò)中電力業(yè)務(wù)的傳輸。但多條鏈路同時發(fā)生故障時，電力通信網(wǎng)絡(luò)的受破壞程度會比較嚴(yán)重。因此，考慮多條通信鏈路同時發(fā)生故障中斷的情景，利用圖3所示的分析流程分析預(yù)期負(fù)荷控制代價，結(jié)果如表4所示。

表4 2條通信鏈路與電網(wǎng)同時發(fā)生故障時的預(yù)期負(fù)荷減載量Table 4 Expected amount of load shedding corresponding to different double-communication-line faults with power grid fault

從以上仿真結(jié)果可以看出，本文提出的方法可用于分析PMU故障、節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備故障及通信鏈路故障對實(shí)時負(fù)荷控制的影響程度，進(jìn)而可以指導(dǎo)提出考慮最小化故障代價的PMU布局方案，設(shè)計基于控制設(shè)備運(yùn)行可靠性的實(shí)時負(fù)荷控制策略以及分析通信故障影響下的電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險。

4 結(jié)論

本文主要研究了通信系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷控制業(yè)務(wù)的影響，并通過仿真實(shí)現(xiàn)了對該影響的量化分析。結(jié)果表明，電力系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷控制業(yè)務(wù)的實(shí)施受通信故障類型及區(qū)域的影響，其中在主要發(fā)電及負(fù)荷區(qū)域發(fā)生通信中斷故障的影響最大。本文所提研究方法可用于評價電網(wǎng)監(jiān)測及控制設(shè)備的重要度，結(jié)合設(shè)備可用性概率的統(tǒng)計分析，可實(shí)現(xiàn)電力通信復(fù)合系統(tǒng)的風(fēng)險評估，為構(gòu)建計及通信風(fēng)險的電網(wǎng)在線輔助決策系統(tǒng)提供實(shí)施依據(jù)。

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