張彥琪，林 濤，畢如玉，楊明臻，盛逸標(biāo)，王訓(xùn)哲

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

TK 01;TM 71

A

2096-2185(2017)05-0036-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.05.006

新能源電源出力變化對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性影響分析及應(yīng)對

張彥琪，林 濤，畢如玉，楊明臻，盛逸標(biāo)，王訓(xùn)哲

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

結(jié)構(gòu)脆弱性反映的是系統(tǒng)故障時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠保持完整并且繼續(xù)保持正常運(yùn)行的能力。近年來大量新能源電源并網(wǎng)運(yùn)行，而新能源電源出力波動特性會導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性發(fā)生變化，因此評估新能源出力對結(jié)構(gòu)脆弱性的影響十分必要。首先通過求取各個線路結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的平均值來計(jì)算電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)；然后基于蒙特卡洛法分析新能源電源出力波動時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的均值與方差，來指導(dǎo)如何選擇電源進(jìn)行功率平衡調(diào)節(jié)；最后以IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接入新能源電源為例，對該方法的有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證，證明其對含新能源電源電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、事故預(yù)防都具有很好的指導(dǎo)意義。

整體結(jié)構(gòu)脆弱性；出力波動；新能源電源

0 引言

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性是對電力系統(tǒng)中的某一單元退出運(yùn)行或某一些單元相繼退出運(yùn)行(即電力系統(tǒng)發(fā)生連鎖故障)后，電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠保持完整并且繼續(xù)保持正常運(yùn)行能力的電氣描述[1]。結(jié)構(gòu)脆弱性反映了電力系統(tǒng)固有脆弱性，反映了電網(wǎng)內(nèi)在的本質(zhì)特征，是電網(wǎng)的固有特性。對于某一個確定的電網(wǎng)，在運(yùn)行方式發(fā)生變化的情況下，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性也會發(fā)生改變。通過對電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行評估可找到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的脆弱環(huán)節(jié)，從而通過加強(qiáng)對脆弱環(huán)節(jié)監(jiān)管和防護(hù)來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，降低系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

自21世紀(jì)以來，新能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)入了一個高速發(fā)展期。風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、潮汐能發(fā)電等新能源發(fā)電方式不僅已經(jīng)占據(jù)了發(fā)電領(lǐng)域的一席之位，而且還在快速發(fā)展，越來越多的新能源電源將并網(wǎng)運(yùn)行[2-5]。然而由于新能源電源實(shí)際出力的波動性，新能源電源在并網(wǎng)運(yùn)行時，電網(wǎng)的運(yùn)行方式勢必會發(fā)生改變，從而致使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性發(fā)生改變。在新能源發(fā)電地位越來越高的今天，分析含新能源電源電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性，可以對含新能源電源的電網(wǎng)發(fā)生大停電事故的概率進(jìn)行評估，這對含新能源電源的電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義[6]。

然而，目前大多數(shù)文獻(xiàn)[7-10]只針對傳統(tǒng)電網(wǎng)線路和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行了深入研究，就新能源電源并網(wǎng)時其出力波動性對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性影響的研究不多。鑒于此，本文首先通過求取各個線路結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的平均值來計(jì)算電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)；然后基于蒙特卡洛法分析新能源電源出力波動時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的均值與方差，來指導(dǎo)如何選擇電源進(jìn)行功率平衡調(diào)節(jié)。

1 結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)

1.1線路結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)

目前在對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行研究時，較為常見的是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的研究[6-10]。研究通過計(jì)算和分析電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)度數(shù)、平均距離、節(jié)點(diǎn)介數(shù)和聚類系數(shù)等特征參數(shù)，分析出電網(wǎng)的固有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電力系統(tǒng)發(fā)生大停電事故之間存在的內(nèi)在關(guān)系[11]。但是文獻(xiàn)[9]提出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論具有局限性，即復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)是信息流不可分，且只沿特征路徑(即最短路徑)傳送，而電流是可分的，幾乎流經(jīng)整個網(wǎng)絡(luò)；并且目前大部分的脆弱線路辨識方法建立在簡單的拓?fù)鋱D上，缺少詳細(xì)的電氣元件信息，這與實(shí)際電網(wǎng)還有較大距離。為使辨識結(jié)果與實(shí)際電網(wǎng)更吻合，應(yīng)結(jié)合電氣參數(shù)，建立涵蓋更多電氣特性的辨識指標(biāo)[12]。

本文通過計(jì)算“電氣介數(shù)”，對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行分析?！半姎饨閿?shù)”是在“介數(shù)”原理的基礎(chǔ)上，考慮電路原理，并結(jié)合功率潮流在電網(wǎng)中沿所有可能路徑傳輸?shù)膶?shí)際潮流分布情況，提出的一個衡量電網(wǎng)線路脆弱性的電氣指標(biāo)[13]?！半姎饨閿?shù)”的定義如下：

(1)

1.2電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性

通過計(jì)算線路脆弱性指標(biāo)Be可以對電網(wǎng)中的潛在薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行評估，但是無法評估電網(wǎng)整體脆弱性情況。本文通過求取各個線路結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的平均值，計(jì)算電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性λ，對電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性情況進(jìn)行描述。

電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性λ的計(jì)算公式為

(2)

式中：N為線路總數(shù)；Bei為第i條線路的結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)值。

2 新能源電源出力波動對電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性的影響

2.1新能源電源出力波動時的電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性

新能源電源最主要的特性之一是出力波動性，當(dāng)新能源電源的輸出功率波動時，潮流計(jì)算結(jié)果有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性發(fā)生變化。新能源電源出力波動對電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性影響分析是一個不確定性問題，需要轉(zhuǎn)化為確定性問題進(jìn)行計(jì)算分析。本文采用蒙特卡洛抽樣法，在新能源電源出力范圍內(nèi)進(jìn)行抽樣，然后通過計(jì)算所有樣點(diǎn)下電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的期望和方差，對含新能源電源電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行描述。

圖1 含新能源電源的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性計(jì)算步驟Fig.1 Calculation of structural vulnerability of grid with renewable energy source

含新能源電源的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性的計(jì)算流程如圖1所示。含新能源電源的這類電網(wǎng)在運(yùn)行時，為保證系統(tǒng)的功率平衡，系統(tǒng)中的其他電源出力需要隨新能源電源的出力發(fā)生改變。按圖1所示步驟計(jì)算時，首先要確定系統(tǒng)功率平衡的調(diào)節(jié)方式才能求取各個樣點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)。

2.2功率平衡調(diào)節(jié)電源的選擇

由上述分析可知，當(dāng)系統(tǒng)中有新能源電源接入時，可以通過計(jì)算電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差來描述新能源電源出力波動時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性情況。

新能源電源出力具有波動性，接入電網(wǎng)運(yùn)行時需要其他電源進(jìn)行功率平衡調(diào)節(jié)。在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中不同電源的出力，從而進(jìn)行系統(tǒng)功率平衡調(diào)節(jié)。當(dāng)不同電源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)的運(yùn)行方式不一樣，因此不同情況下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)脆弱性也不一樣?？梢酝ㄟ^比較不同電源調(diào)節(jié)時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差，得到使用哪個電源調(diào)節(jié)時電網(wǎng)運(yùn)行更加有利，從而在系統(tǒng)運(yùn)行時選擇該電源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)(電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差越小表示選擇該電源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)越好)。

3 算例分析

選用IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行算例分析。IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)共有46條支路、10個電源節(jié)點(diǎn)和19個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線如圖2所示。

3.1 IEEE-39系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性

按式(1)計(jì)算IEEE-39系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)電氣介數(shù)時，計(jì)算得各線路電氣介數(shù)的結(jié)果如表1所示。

得到IEEE-39系統(tǒng)各線路電氣介數(shù)的結(jié)果后，按式(2)計(jì)算電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性，得到IEEE-39系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)λ為176.127 9。

3.2新能源電源出力波動時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性

3.1節(jié)內(nèi)容計(jì)算得到了IEEE-39系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)λ，證明用一個指標(biāo)來衡量電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性情況是可行的。本節(jié)將基于3.1節(jié)計(jì)算過程和圖1所示的計(jì)算步驟，計(jì)算IEEE-39系統(tǒng)接入一個新能源電源時電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)脆弱性。

假設(shè)IEEE-39系統(tǒng)在32節(jié)點(diǎn)處接入一個新能源電源，該新能源電源出力為2.0 pu，出力按均勻分布；取波動范圍為10%，在出力范圍等間距依次抽取1 000個樣點(diǎn)進(jìn)行分析；當(dāng)系統(tǒng)功率不平衡時由31節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行功率平衡調(diào)節(jié)。

圖2 IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖Fig.2 Wiring diagram of IEEE-39 node system

表1 IEEE-39系統(tǒng)線路電氣介數(shù)Table 1 Line electricalbetweenness of IEEE-39 node system

假設(shè)每一個樣點(diǎn)的新能源電源出力恒定，先求取線路脆弱性指標(biāo)Be，再計(jì)算電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)脆弱性。得到在32節(jié)點(diǎn)處接入一個新能源電源時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性隨新能源電源出力波動時的分布，如圖3所示。

圖3 32節(jié)點(diǎn)接入新能源電源時電網(wǎng)整體脆弱性均值情況Fig.3 Mean of overall structural vulnerability when renewable energy source accesses to node 32

得到各個樣點(diǎn)下的整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)λ后，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望λE和方差λD，用來描述含新能源電源的電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性。計(jì)算得到該運(yùn)行條件下整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差結(jié)果，如表2所示。

表2 整體脆弱性均值的期望和方差Table 2 Expectation and variance of mean of overall structural vulnerability

3.3功率平衡調(diào)節(jié)電源的選擇

和3.2節(jié)一樣，假設(shè)IEEE-39系統(tǒng)在32節(jié)點(diǎn)處接入一個出力為2.0 pu、出力按均勻分布的新能源電源，其他運(yùn)行條件一樣，只改變調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率平衡節(jié)點(diǎn)的選擇。按圖1步驟，分別計(jì)算30、33、34、35、36、37、38或39節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時的電網(wǎng)脆弱性指標(biāo)，得到不同電源調(diào)節(jié)功率平衡時的電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性情況如圖4所示，而對應(yīng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差結(jié)果如表3所示。

圖4 不同電源調(diào)節(jié)功率平衡時電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性均值情況Fig.4 Mean of overall structural vulnerability when different power sources adjust power balance

表3 不同電源調(diào)節(jié)功率平衡時整體結(jié)構(gòu)脆弱性均值的期望和方差Table 3 Expectation and variance of mean of overall structural vulnerability when different power sources adjust power balance

由圖4和表3可知，當(dāng)系統(tǒng)接入新能源電源運(yùn)行時，采用不同電源進(jìn)行功率平衡調(diào)節(jié)對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)脆弱性明顯不同。通過比較整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差不難得知，在該算例中采用35節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時，整體結(jié)構(gòu)脆弱性的期望和方差最小，即系統(tǒng)脆弱性最好。分析可得，該算例中采用35節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時效果最好。

4 結(jié)論

新能源電源出力波動性是其運(yùn)行時的主要特性之一，隨著新能源電源日益廣泛的接入，進(jìn)行計(jì)及不確定因素的電網(wǎng)整體脆弱性評估是十分必要的。本文考慮了新能源電源出力的波動性，通過求取電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的期望和方差，從整體上評估含新能源電源電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)脆弱性情況。由IEEE-39系統(tǒng)算例分析可知，通過計(jì)算、比較電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)的期望和方差，可判斷出相對好的脆弱性平均水平，從而得到最佳功率調(diào)節(jié)方案。這對含新能源電源電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、事故預(yù)防都具有很好的指導(dǎo)意義。

[1] 林濤, 范杏元, 徐遐齡. 電力系統(tǒng)脆弱性評估方法研究綜述[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 25(4): 20-24.

LIN Tao, FAN Xingyuan, XU Xialing. Summary of power system vulnerability assessment methods[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2010, 25(4): 20-24.

[2] 黨岳. 經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下我國能源結(jié)構(gòu)的研究[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2015(12): 1-3.

DANG Yue. Research on the energy structure in China under the new normal economy[J]. Applied Energy Technology, 2015(12): 1-3.

[3] ANDUJAR J M, SEGURA F, DOMINGUEZ T. Study of a renewable energy sources-based smart grid: requirements, targets and solutions[C]//2016 3rd Conference on Power Engineering and Renewable Energy (ICPERE), Yogyakarta Indonesia, 2016.

[4] 高澤, 楊建華. 新能源發(fā)電現(xiàn)狀概述與分析[J]. 中外能源, 2014, 19(10): 31-36.

GAO Ze, YANG Jianhua. Overview and analysis of new energy generation[J]. Sino-global Energy, 2014, 19(10): 31-36.

[5] WU Geng, ZENG Ming, PENG Lilin, et al. China’s new energy development: Status, constraints and reforms[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016(53): 885-896.

[6] 譚玉東. 復(fù)雜電力系統(tǒng)脆弱性評估方法研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2013.

TAN Yudong. Research on complex power system vulnerability assessment methods[D]. Changsha: Hunan University, 2013.

[7] 丁明, 韓平平. 加權(quán)拓?fù)淠Ｐ拖碌男∈澜珉娋W(wǎng)脆弱性評估[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, 28(10): 20-25.

DING Ming, HAN Pingping. Vulnerability assessment to small-world power grid based on weighted topological model[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(10): 20-25.

[8] ZHANG Kan, JIANG Fei, NIU Yunyun, et al. Structural vulnerability analysis in complex networks based on core theory[C]//IEEE International Conference on Data Science in Cyberspace (DSC), Changsha, China, 2016.

[9] 曹一家, 陳曉剛, 孫可. 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的大型電力系統(tǒng)脆弱線路辨識[J]. 電力自動化設(shè)備, 2006, 26(12): 1-5.

CAO Yijia, CHEN Xiaogang, SUN Ke. Large power system vulnerability line identification based on complex network theory[J]. Electric Power Automation Equipment, 2006, 26(12): 1-5.

[10] ALIM M A, NGUYEN N P, DINH T N, et al. Structural vulnerability analysis of overlapping communities in complex networks[C]//2014 IEEE/WIC/ACM International Joint Conferences on Web Intelligence (WI) and Intelligent Agent

Technologies (IAT), Warsaw , Poland, 2014.

[11] 唐強(qiáng). 電力系統(tǒng)脆弱性評估方法研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

TANG Qiang. Research on power system vulnerability assessment methods[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2012.

[12] 趙瑩瑩, 趙洪山. 電網(wǎng)脆弱性評估方法[J]. 山東電力技術(shù), 2009(5): 21-27.

ZHAO Yingying, ZHAO Hongshan. Vulnerability assessment of power systems[J]. Shandong Electric Power, 2009(5): 21-27.

[13] 謝春瑰, 方菲, 呂項(xiàng)羽, 等. 電網(wǎng)脆弱性評估方法研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2013, 29(5): 35-38.

XIE Chungui, FANG Fei, Lü Xiangyu, et al. Research on power grid vulnerability assessment methods[J]. Power System and Clean Energy, 2013, 29(5): 35-38.

ImpactofRenewableEnergySourcesOutputFluctuationonGridStructureVulnerabilityandItsCountermeasures

ZHANG Yanqi, LIN Tao, BI Ruyu, YANG Mingzhen, SHENG Yibiao, WANG Xunzhe

(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei Province, China)

Structural vulnerability is an electrical term description of a network topology that can remain intact and continues to maintain normal operational capability when the system fails. Recent years, a large number of renewable energy sources are incorporated into the power grid. However, because of the characteristics of output fluctuation, the renewable energy sources will change the structural vulnerability of the power grid when it runs. So it is essential to assess the structural vulnerability of the power grid which contains renewable energy sources. This paper first calculates the overall structural vulnerability index of the grid by calculating the average of the structural vulnerability indexes of each line; then, based on the Monte Carlo method, analyzes the expectation and variance of the overall structural vulnerability index when output fluctuates and guides how to select the sources for power balance adjustment. Finally, choosing the IEEE-39 node system accessing renewable energy source as an example, this paper verifies the validity and feasibility of the proposed method and proves that it has a good guiding significance for the safety and stable operation of the power grid with containing renewable energy sources, and for the prevention of accidents.

overall structural vulnerability; output fluctuation; renewable energy sources

張彥琪

2017-07-03

張彥琪(1995—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制；林 濤(1969—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與自動裝置等，tlin@whu.edu.cn；畢如玉(1991—)，女，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制楊明臻(1995—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定；盛逸標(biāo)(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制;王訓(xùn)哲(1994—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。

(編輯 谷子)