任 惠，鄭至斌，賈 凱

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

海上油田電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行是海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)的重要保障。隨著負(fù)荷需求的不斷增長(zhǎng)以及海上多平臺(tái)電力系統(tǒng)互聯(lián)運(yùn)行的逐步推進(jìn)，油田電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性也受到挑戰(zhàn)。不同于陸地油田系統(tǒng)，海上油田電力系統(tǒng)電氣設(shè)備數(shù)量大且種類復(fù)雜，系統(tǒng)輸電線路較短，工作環(huán)境也更惡劣[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，供電故障導(dǎo)致的油井躺井?dāng)?shù)占躺井事故總數(shù)的65%以上。海上油井作業(yè)費(fèi)高于陸上數(shù)十倍，故障造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大；因此研究海上石油平臺(tái)電力系統(tǒng)可靠性具有重要的工程意義[2]。

已有眾多學(xué)者對(duì)海上油田電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)[2]著眼于海上油田系統(tǒng)發(fā)輸電一體的特點(diǎn)，采用全系統(tǒng)評(píng)估方法對(duì)海上油田獨(dú)立電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估過(guò)程中考慮了油田生產(chǎn)特有的負(fù)荷脫扣順序。文獻(xiàn)[3]提出了一種計(jì)及生產(chǎn)指標(biāo)的可靠性評(píng)估方法，建立了負(fù)荷聯(lián)動(dòng)切負(fù)荷模型，對(duì)電網(wǎng)可靠性與石油產(chǎn)出收益之間的關(guān)系進(jìn)行了描述。文獻(xiàn)[4]兼顧了可靠性和經(jīng)濟(jì)性，提出了考慮負(fù)荷優(yōu)先等級(jí)的最小切負(fù)荷費(fèi)用模型，對(duì)海上油田互聯(lián)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。然而，以上對(duì)于油田電力系統(tǒng)的可靠性研究?jī)H僅著眼于油田群整體角度，未能指出具體的薄弱位置。文獻(xiàn)[5]指出，不同負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的可靠性存在明顯差異。因此，需要有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的脆弱性進(jìn)行評(píng)估，以便采取相應(yīng)的措施來(lái)提升節(jié)點(diǎn)可靠性。

海上油田群電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備多為燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組；相比陸地配電系統(tǒng)，其裝機(jī)容量較小。除此之外，海上油田群電力系統(tǒng)用電設(shè)備以注水泵、外輸泵、壓縮機(jī)等高壓旋轉(zhuǎn)負(fù)荷為主，負(fù)荷啟停沖擊大于陸上電力系統(tǒng)[6]，不具有傳統(tǒng)陸地電網(wǎng)的慣性特征。海上油田電壓穩(wěn)定問(wèn)題相比大電網(wǎng)更突出：油田電力系統(tǒng)保護(hù)配置與陸地電網(wǎng)35 kV配電系統(tǒng)配置水平相似；但是孤島海上油田電力系統(tǒng)具有多個(gè)發(fā)電平臺(tái)，且系統(tǒng)控制主要依賴能量管理系統(tǒng)（EMS），缺乏陸地高電壓等級(jí)電網(wǎng)的完備的“三道防線”。油田電力系統(tǒng)的事故分析表明[7]，繼電保護(hù)配置不完善、EMS 邏輯不健全會(huì)導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大，造成電網(wǎng)關(guān)停；陸地電網(wǎng)研究也表明，繼電保護(hù)隱性故障是造成連鎖故障的重要原因之一[8-9]。因此，對(duì)于海上油田進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不能忽視繼電保護(hù)及EMS 的可靠性以及所引發(fā)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。上述文獻(xiàn)未針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論。

基于此，本文針對(duì)油田電網(wǎng)特點(diǎn)，建立了節(jié)點(diǎn)脆弱性評(píng)估方法。首先對(duì)歷史故障進(jìn)行分析，提取典型事故鏈；其次，建立考慮繼電保護(hù)拒動(dòng)/誤動(dòng)的設(shè)備失效模型；然后通過(guò)仿真N–1、多重故障、級(jí)聯(lián)故障等多種故障場(chǎng)景，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)切負(fù)荷大?。蛔詈?，采用電壓–無(wú)功靈敏度指標(biāo)[10]和各節(jié)點(diǎn)的期望缺供電力值（expected demand not supplied，EDNS）[11]來(lái)評(píng)估節(jié)點(diǎn)的脆弱性。結(jié)果表明，本文提出的方法可以準(zhǔn)確識(shí)別電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，辨識(shí)高風(fēng)險(xiǎn)的運(yùn)行方式。

1 歷史故障分析

1.1 歷史故障概述

某油田電網(wǎng)自2010 年投運(yùn)以來(lái)，共發(fā)生了157 起故障（包含9 起潰網(wǎng)事故），其中設(shè)備原因引發(fā)的故障最多，占82.6%。在設(shè)備引發(fā)的故障中，繼電保護(hù)、機(jī)組、線路、變壓器、EMS故障次數(shù)最多，分別為31%、30.6%、10%、11.6%、7%。自2013 年Ⅱ期調(diào)整后，油田電力系統(tǒng)運(yùn)行共發(fā)生故障36 次；其中大規(guī)模潰網(wǎng)事件6 次，占總故障數(shù)目的23%，潰網(wǎng)故障明顯增加。與其他建設(shè)較早的油田群相比，Ⅱ期調(diào)整油田的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)更高。

歷史故障數(shù)據(jù)記載了故障模式、故障處理方式、原因分析等內(nèi)容，可為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析提供依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立連鎖故障事故鏈，以分析造成連鎖故障的重要影響因素。

1.2 潰網(wǎng)事故及典型事故鏈

對(duì)9 起潰網(wǎng)事故進(jìn)行分析，提取典型事故鏈。連鎖故障事故鏈如圖1 所示。

圖1 連鎖故障事故鏈Fig.1 Fault chain of cascading failures

相繼動(dòng)作事故發(fā)展包含3 個(gè)發(fā)展階段。

（1）第一階段：主保護(hù)未能瞬時(shí)動(dòng)作以隔離故障元件、遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)過(guò)大未能及時(shí)切除故障，是連鎖故障發(fā)生的重要誘因，其原因是：設(shè)備未按規(guī)程運(yùn)行，導(dǎo)致無(wú)主保護(hù)運(yùn)行；或者故障時(shí)的擾動(dòng)使得保護(hù)被損毀。此外，在設(shè)備異常、系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后，雖然主保護(hù)按整定時(shí)間切除了故障元件，但故障發(fā)生至切除的時(shí)間內(nèi)，擾動(dòng)電流仍達(dá)到很大的數(shù)值。

（2）第二階段：由于保護(hù)配合不當(dāng)，導(dǎo)致透平機(jī)組故障。鄰近平臺(tái)的多臺(tái)透平機(jī)組過(guò)流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作發(fā)生脫扣，故障點(diǎn)或者擾動(dòng)源依然存在，系統(tǒng)帶故障運(yùn)行；同時(shí)發(fā)生多臺(tái)透平機(jī)組脫扣，系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)一步惡化。

（3）第三階段：電網(wǎng)控制系統(tǒng)不完善，事故進(jìn)一步擴(kuò)大。EMS 控制力度不足或缺少相應(yīng)的Case，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓進(jìn)一步降低。低電壓情況下，輔機(jī)退出運(yùn)行，更多發(fā)電機(jī)脫扣。盡管故障元件的后備保護(hù)按整定時(shí)限動(dòng)作并隔離故障元件，但系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)惡化，于是造成了多平臺(tái)失電、系統(tǒng)解列。

1.3 引發(fā)潰網(wǎng)事故的關(guān)鍵因素

油田電網(wǎng)潰網(wǎng)事故發(fā)生的原因主要涉及到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)備、保護(hù)控制等幾個(gè)方面。深入分析油田電網(wǎng)潰網(wǎng)整個(gè)事故鏈可得出以下關(guān)鍵信息：（1）保護(hù)可靠性差。故障發(fā)生后，主保護(hù)拒動(dòng)，導(dǎo)致相繼故障發(fā)生；系統(tǒng)在N–1 故障下又發(fā)生發(fā)電機(jī)脫扣，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步惡化。（2）電壓崩潰導(dǎo)致更多的設(shè)備低電壓脫扣，進(jìn)一步推動(dòng)連鎖故障的發(fā)展。（3）海上油田電力系統(tǒng)控制缺少完備的“三道防線”，主要依賴能量管理系統(tǒng)EMS，對(duì)故障未能采取有效控制措施，導(dǎo)致事故繼續(xù)蔓延。

2 油田電網(wǎng)脆弱域評(píng)估模型

2.1 整體評(píng)估模型

基于1.2 和1.3 的分析，建立油田電網(wǎng)脆弱域評(píng)估模型。油田電力系統(tǒng)整體評(píng)估流程如圖2所示。

圖2 油田電力系統(tǒng)整體評(píng)估流程Fig.2 Overall evaluation process of an oilfield power system

步驟1：對(duì)歷史故障信息進(jìn)行分析，形成典型事故鏈，提取關(guān)鍵故障信息。

步驟2：由關(guān)鍵故障信息選取初始仿真場(chǎng)景，進(jìn)行潮流計(jì)算，計(jì)算各場(chǎng)景下電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算各場(chǎng)景概率，篩選連鎖故障場(chǎng)景。

步驟3：計(jì)算各故障場(chǎng)景故障風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算場(chǎng)景切負(fù)荷大小，根據(jù)故障與切負(fù)荷結(jié)果計(jì)算脆弱性指標(biāo)。

步驟4：計(jì)算各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷損失概率分布，對(duì)各節(jié)點(diǎn)失負(fù)荷模式進(jìn)行分析。

2.2 場(chǎng)景篩選及場(chǎng)景概率

分析可知，電壓崩潰會(huì)導(dǎo)致多臺(tái)設(shè)備關(guān)停，引發(fā)連鎖故障。因此，需要對(duì)各場(chǎng)景下的電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，判斷是否由于電壓崩潰而引發(fā)連鎖故障，進(jìn)而對(duì)發(fā)生電壓崩潰的高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行連鎖故障仿真。

傳統(tǒng)的電壓崩潰裕度，以節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)下電壓與節(jié)點(diǎn)低電壓極限的距離來(lái)描述電壓越限的嚴(yán)重程度，其低電壓極限常選取0.9 倍的額定電壓用于粗略地評(píng)估。實(shí)際上，在事故的狀態(tài)下，各節(jié)點(diǎn)電壓與靜態(tài)穩(wěn)定電壓極限值的距離對(duì)調(diào)度人員而言更有意義。本文采用無(wú)功電壓靈敏度[10]表征節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性，如式（1）所示。

式中：ΔVi為故障前后節(jié)點(diǎn)i的電壓變化量；ΔQg,j為故障前后第j臺(tái)發(fā)電機(jī)無(wú)功出力的變化量。

在系統(tǒng)趨于其電壓穩(wěn)定極限的過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)逐漸增加并趨于0。指標(biāo)小于0，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且絕對(duì)值越大越有利于穩(wěn)定；而當(dāng)系統(tǒng)電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增加，則指標(biāo)趨于0；當(dāng)指標(biāo)大于0 時(shí)，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

在高風(fēng)險(xiǎn)電壓崩潰的場(chǎng)景中，極易發(fā)生發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)切機(jī)，或者由于EMS 緊急控制措施不足導(dǎo)致的故障范圍擴(kuò)大，最終導(dǎo)致大規(guī)模潰網(wǎng)事故。連鎖故障過(guò)程可以看作馬爾科夫鏈過(guò)程，下一級(jí)故障都只與本級(jí)的故障有關(guān)。因此，對(duì)于電壓崩潰引發(fā)的連鎖故障，其故障概率為發(fā)生電壓崩潰的場(chǎng)景概率，即：

式中：P(Li)為連鎖故障事故鏈Li發(fā)生的概率；P(A0)為初始場(chǎng)景故障概率；P(Ai)(i=1,2,···,n)為初始場(chǎng)景發(fā)生后，導(dǎo)致故障擴(kuò)大的關(guān)鍵事件發(fā)生的概率，例如EMS Case 缺失、發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)等故障的概率。

2.3 切負(fù)荷模型

當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障或輸電線路故障等導(dǎo)致電網(wǎng)解列時(shí)，需要切除一定的負(fù)荷來(lái)保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。關(guān)于陸上電力系統(tǒng)的這方面研究很多，有就近負(fù)荷削減模型[12]和基于負(fù)荷優(yōu)先級(jí)的切負(fù)荷模型[13]等。本文根據(jù)潮流傳輸特點(diǎn)，計(jì)及功率損耗的影響，按照潮流方向搜索原則進(jìn)行負(fù)荷削減計(jì)算。

對(duì)于一個(gè)包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，任意一條傳輸線路都可以表示成類似圖3 的模型。各線路有功潮流可由公式（3）（4）表示。

圖3 3 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)示意圖Fig.3 Illustration of a 3-node power system

式中：U1、U2、U3分別為各節(jié)點(diǎn)電壓；P1、P2為各節(jié)點(diǎn)有功功率；Q1、Q2為各節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率；R12、R23、X12、X23分別為節(jié)點(diǎn)1、2 之間線路1-2、節(jié)點(diǎn)2、3 之間線路2-3 的電阻電抗參數(shù)；分別為線路1-2、2-3上的有功損耗。

由式（3）和式（4）可知，末端功率會(huì)在各線路上產(chǎn)生功率損耗。當(dāng)重載時(shí)，線路損耗急劇增加。當(dāng)線路過(guò)載時(shí)，相較于切除發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，切除末端節(jié)點(diǎn)功率不僅可以緩解各線路過(guò)載情況，還能顯著降低因功率傳輸帶來(lái)的損耗，減少發(fā)電機(jī)過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)。切負(fù)荷流程如圖4 所示。

圖4 切負(fù)荷流程圖Fig.4 Flow chart of load shedding

步驟1：計(jì)算故障場(chǎng)景下潮流。

步驟2：判斷是否有過(guò)載線路（支路功率超過(guò)極限功率80%）。若存在過(guò)載線路則進(jìn)行步驟3；若無(wú)過(guò)載線路，跳轉(zhuǎn)到步驟4。

步驟3：根據(jù)潮流流向判斷下游線路，并切除最后一級(jí)線路負(fù)荷。

步驟4：判斷節(jié)點(diǎn)電壓是否越限（電壓低于0.8 倍額定電壓）。若存在越限節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行步驟5；若無(wú)越限節(jié)點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)到步驟6。

步驟5：切除低電壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。

步驟6：判斷發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)無(wú)功出力是否越限。若存在功率越限的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，則將該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下一步；若不存在越限發(fā)電機(jī)，跳轉(zhuǎn)到步驟8。

步驟7：切除發(fā)電機(jī)附近負(fù)荷。

步驟8：計(jì)算場(chǎng)景切負(fù)荷大小。

2.4 脆弱度評(píng)估指標(biāo)

以往的油田電力系統(tǒng)評(píng)估方法多采用系統(tǒng)級(jí)的評(píng)估指標(biāo)，因而無(wú)法定位脆弱環(huán)節(jié)，且沒(méi)有關(guān)于保護(hù)拒動(dòng)或者EMS 控制不足對(duì)連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)影響的討論[14]。對(duì)此，本文以節(jié)點(diǎn)期望缺供電力及其概率分布和停電時(shí)間表述故障后果。

節(jié)點(diǎn)缺供電力期望，即故障后由于發(fā)電容量短缺或電網(wǎng)約束造成的各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷需求削減量的期望值。節(jié)點(diǎn)期望缺供電力的計(jì)算見(jiàn)式（5）。

式中：EEDNS,i為節(jié)點(diǎn)i的期望缺供電力；Pi,LOSS為i節(jié)點(diǎn)負(fù)荷有功損失；Pk為故障場(chǎng)景k發(fā)生的概率。

缺電時(shí)間期望（loss of load expectation，LOLE）是指給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷需求的時(shí)間的期望值。各平臺(tái)故障時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)式（6）。

式中：LLOLE,j為j平臺(tái)故障時(shí)間期望值；Pkj為節(jié)點(diǎn)j在故障k下的發(fā)生故障的概率。

3 算例分析

以前面所提及的油田電力系統(tǒng)為算例，驗(yàn)證所提方法的可行性和有效性。該油田群電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D5 所示。

圖5 油田系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of the oilfield power system

3.1 油田電網(wǎng)基本情況介紹

油田群電力系統(tǒng)包括4 個(gè)中央平臺(tái)，17 個(gè)井口平臺(tái)，電氣連接關(guān)系如圖5 所示。發(fā)電機(jī)位于中央平臺(tái)9、16、21、24 上，裝機(jī)容量分別為4×9 MW、3×10 MW、3×9.5 MW、6×10 MW。方形節(jié)點(diǎn)為中央平臺(tái)，圓形節(jié)點(diǎn)為井口平臺(tái)。海底電纜在圖5 中為黑色，棧橋?yàn)樗{(lán)色。各平臺(tái)出力按最大方式出力考慮，各平臺(tái)負(fù)荷在模擬中固定為最大運(yùn)行方式下系統(tǒng)負(fù)荷，具體數(shù)據(jù)如附錄A 表A1 所示。各元件可靠性參數(shù)由歷史故障數(shù)據(jù)得到，見(jiàn)附錄A 表A2。10 種最大運(yùn)行方式信息見(jiàn)附錄A 表A3。

3.2 仿真算例介紹

本文基于歷史故障數(shù)據(jù)分析，對(duì)下述3 種故障場(chǎng)景進(jìn)行仿真，客觀地評(píng)估油田電網(wǎng)的停電風(fēng)險(xiǎn)。

由于油田電網(wǎng)規(guī)模較小，因此采用枚舉法，對(duì)下述故障場(chǎng)景逐一仿真。

（1）N–1 故障。仿真1 條線路或1 臺(tái)變壓器發(fā)生故障，共25 個(gè)場(chǎng)景。

（2）多重故障。在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式1 下，仿真1 條線路/變壓器故障后，1 臺(tái)發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行的故障場(chǎng)景，共80 個(gè)場(chǎng)景；仿真10 種最大運(yùn)行方式下，2 臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)退出運(yùn)行時(shí)的97個(gè)場(chǎng)景。

（3）繼電保護(hù)、EMS 故障，共64 個(gè)場(chǎng)景。

由于3 臺(tái)發(fā)電機(jī)故障發(fā)生概率較小，且歷史故障數(shù)據(jù)中鮮有此類故障發(fā)生，因此，本文對(duì)于3 臺(tái)發(fā)電機(jī)故障場(chǎng)景不做深入研究。

3.3 場(chǎng)景篩選及概率

采用公式（1）定義的指標(biāo)評(píng)估故障場(chǎng)景下各節(jié)點(diǎn)電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)，篩選出高風(fēng)險(xiǎn)的故障場(chǎng)景進(jìn)行連鎖故障分析。各仿真場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)無(wú)功–電壓靈敏度指標(biāo)見(jiàn)圖6。圖6 中紅色直線表示系統(tǒng)位于電壓臨界失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)曲線位于0 值上方時(shí)，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

由圖6 可知，在大方式2、6、7、8、9、10運(yùn)行方式下，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度較低。上述運(yùn)行方式下，因電壓崩潰造成的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他運(yùn)行方式，即方式1、3、4、5 的電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)更低；N–1 及一臺(tái)發(fā)電機(jī)故障、2 臺(tái)發(fā)電機(jī)在最嚴(yán)重故障情況下，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)均有電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 各故障場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)無(wú)功–電壓靈敏度指標(biāo)Fig.6 Node reactive power-voltage sensitivity index under fault conditions

電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值總體在0～160 之間。表1給出崩潰風(fēng)險(xiǎn)值高于10 的場(chǎng)景及其發(fā)生的概率。各種場(chǎng)景下的電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)（由公式（1）指標(biāo)的最大值表示）和連鎖故障場(chǎng)景概率（由公式（2）計(jì)算）見(jiàn)表1。表1 中，故障元件數(shù)據(jù)含義：對(duì)于數(shù)據(jù)“13-21，24”，13-21 表示節(jié)點(diǎn)13 與節(jié)點(diǎn)21所連接線路發(fā)生故障，24 表示24 節(jié)點(diǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障。

表1 連鎖故障場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)及概率Tab.1 Risk and probability of cascading failures

3.4 主要負(fù)荷點(diǎn)失負(fù)荷模式分析

本節(jié)重點(diǎn)分析繼電保護(hù)拒動(dòng)/誤動(dòng)以及EMS Case 缺失或者功能不足，對(duì)節(jié)點(diǎn)停電風(fēng)險(xiǎn)的影響。EMS 故障、保護(hù)誤動(dòng)拒動(dòng)概率由統(tǒng)計(jì)油田群故障日志得到，繼電保護(hù)故障概率為0.2，EMS 故障概率為0.000 56。

以熱力圖的形式展示節(jié)點(diǎn)各比例切負(fù)荷概率，如圖7 所示。對(duì)節(jié)點(diǎn)失負(fù)荷比例進(jìn)行適當(dāng)合并：60%～100%節(jié)點(diǎn)切負(fù)荷比例視為高風(fēng)險(xiǎn)切負(fù)荷比例；40%～60%視為中風(fēng)險(xiǎn)切負(fù)荷比例；0～40%視為低風(fēng)險(xiǎn)切負(fù)荷比例。圖7 中，綠色越深代表該節(jié)點(diǎn)某個(gè)比例切負(fù)荷概率越高。

圖7 各節(jié)點(diǎn)缺供電力概率分布Fig.7 Probability distribution of power shortage of nodes

各節(jié)點(diǎn)缺供電力期望見(jiàn)圖8；各節(jié)點(diǎn)停電時(shí)間見(jiàn)圖9。

圖8 各節(jié)點(diǎn)EDNSFig.8 Expected demand not supplied of nodes

圖9 各節(jié)點(diǎn)缺電時(shí)間期望Fig.9 Loss of load expectation of nodes

由圖8、圖9 可知，節(jié)點(diǎn)11 和節(jié)點(diǎn)14 切負(fù)荷期望很小，而缺電時(shí)間期望很大。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)切負(fù)荷的概率高，而節(jié)點(diǎn)自身的負(fù)荷較少。本文以故障后果，即切負(fù)荷期評(píng)估各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的脆弱性。各節(jié)點(diǎn)脆弱性由從大到小排序見(jiàn)表2。

表2 各節(jié)點(diǎn)脆弱性排序Tab.2 Rank of weak level for load nodes MW

對(duì)比圖7－圖9，綜合分析EMS、繼電保護(hù)對(duì)節(jié)點(diǎn)可靠性評(píng)估的影響，可知。

（1）高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)不僅僅存在于聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（10節(jié)點(diǎn)）以及距中央平臺(tái)（發(fā)電機(jī)平臺(tái)）較遠(yuǎn)的井口平臺(tái)（節(jié)點(diǎn)6、7、8）。與中央平臺(tái)直接相連的平臺(tái)（節(jié)點(diǎn)11、13、14、15），也存在著極高的失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)。

（2）高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)切負(fù)荷模式存在差異：11、13 節(jié)點(diǎn)甩負(fù)荷比例主要集中在0%～60%階段，為中低比例切負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；14 節(jié)點(diǎn)切負(fù)荷比例集中在80%～100%，為高比例切負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；10、15 節(jié)點(diǎn)各切負(fù)荷比例均有發(fā)生，為均衡切負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。負(fù)荷較小的井口平臺(tái)（節(jié)點(diǎn)1、2、3、4、5、7、8、12、19、22、23）、發(fā)電功率充裕的中心平臺(tái)（節(jié)點(diǎn)9、21）多為低風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)。

（3）忽略EMS 的性能和繼電保護(hù)可靠性，會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)可靠性評(píng)估帶來(lái)顯著誤差。忽略EMS、繼電保護(hù)可靠性影響后，14 節(jié)點(diǎn)切負(fù)荷期望分別下降52.8%、10.0%。

（4）EMS、繼電保護(hù)可靠性對(duì)節(jié)點(diǎn)脆弱性評(píng)估的影響，主要集中在高風(fēng)險(xiǎn)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)14）的高比例切負(fù)荷階段。因此，忽視發(fā)電機(jī)保護(hù)的誤動(dòng)、設(shè)備主保護(hù)拒動(dòng)以及EMS 控制不足帶來(lái)的影響，則節(jié)點(diǎn)脆弱性評(píng)估難以準(zhǔn)確地反應(yīng)各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成評(píng)估結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀。

4 結(jié)論

本文基于對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)的分析，提出了油田電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)脆弱性評(píng)估方法。該方法不僅可以準(zhǔn)確、有效地識(shí)別油田群電力系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)，還可以對(duì)高電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)的運(yùn)行方式進(jìn)行辨識(shí)。

結(jié)合仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)可靠性有明顯差異。N–1 及1 臺(tái)發(fā)電機(jī)脫扣故障工況下的系統(tǒng)電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)，高于N–1 及2 臺(tái)發(fā)電機(jī)故障工況。EMS 可靠性對(duì)節(jié)點(diǎn)脆弱性評(píng)估的影響主要集中在高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)；繼電保護(hù)可靠性對(duì)各節(jié)點(diǎn)脆弱性評(píng)估主要集中于高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的高比例切負(fù)荷階段。忽略EMS、繼電保護(hù)誤動(dòng)/拒動(dòng)的影響，系統(tǒng)可靠性評(píng)估將過(guò)于樂(lè)觀。

與傳統(tǒng)油田可靠性評(píng)估方法相比，本文方法更全面地考慮了多種因素對(duì)海上油田互聯(lián)電力系統(tǒng)評(píng)估的影響，有較高的使用價(jià)值。

附錄A：

表A1 油田群各平臺(tái)參數(shù)Tab.A1 Parameters of platforms in the oil field group

表A2 元件可靠性參數(shù)Tab.A2 Component reliability parameters

表A3 最大方式運(yùn)行信息Tab.A3 Maximum mode operation information