張辰皓

(國網安徽省電力有限公司六安供電公司，安徽 六安 237006)

0 引言

電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行對國家經濟增長、政治穩(wěn)定以及人民生活保障起著重要作用，而及時對出現(xiàn)的故障進行預測評估和解決對于保持電網系統(tǒng)在各種情況下的穩(wěn)定運行至關重要。

在電壓等級不斷升高、電站容量不斷提升的狀態(tài)下，如何遠距離低損耗地輸送電力是每個電力公司亟待解決的問題。

國外許多發(fā)達國家已經完成建立跨區(qū)域的同步電網，能夠保證不同電力用戶的需求及電網資源的高效利用。我國電網也實現(xiàn)了從局部供電向跨省市交流用電形式，形成了華東、華中、華北、東北和西北的同步電力運行電網系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)運行過程中因受多種因素影響可能引發(fā)不同程度的故障，存在斷電或電網崩潰的風險，因此，需要一種有效的電網安全風險評估方法，在故障發(fā)生前或者發(fā)生時及時監(jiān)測出故障位置和類型并消除故障，保證電力系統(tǒng)的正常運行。但由于傳統(tǒng)評估方法中缺乏針對各類因子較好的風險等級評判指標，往往會失去故障最佳診斷時機。為此，展開計及關鍵場景的電力系統(tǒng)暫態(tài)安全風險評估方法的研究，旨在確保大數(shù)據(jù)電網的穩(wěn)定運行以及滿足正常供電需求。

1 確定暫態(tài)安全風險評估方法

1.1 設定計及關鍵場景的安全評估指標

設定電力系統(tǒng)在計及關鍵場景中有效保持安全運行的評估指標，需要對能夠產生風險系數(shù)的故障因子進行排除，并在此基礎上設置多個安全評估指標；從降維角度分析指標設定的范圍，須明確不同電力系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生安全風險的次數(shù)和具體位置，引入K均值換算對比方法，劃分故障流經區(qū)域并定位關鍵斷面。

每個關鍵場景中能夠生成安全模塊的數(shù)據(jù)需要包含獲取發(fā)電的數(shù)據(jù)大小和節(jié)點負荷，用以判斷電路中承載的負荷量和電流比之間的有效關系。

在指標設置中，實際電網運行的安全指標主要包括兩個方面。

(1) 電力系統(tǒng)中某一個階段承載的最小和最大負荷，在關鍵路徑中是否需要擴展或縮進，能否支撐大區(qū)域電網的運行。

(2) 電網中關鍵元件在運行過程中是否能夠準確替代，在超大規(guī)模的電力系統(tǒng)中能否及時剔除發(fā)生故障點的元件組合，從而預防多維度電力災害。

根據(jù)相關要求整合出相應的安全評估指標，如功角穩(wěn)定指標、電壓風險指標、頻率風險指標、時間裕度指標等。

安全評估指標設定完成后，檢查不同級別的指標是否存在相互交叉，采用專家打分的模式對設置好的指標個數(shù)依次評定，進行3～5個輪次的專家評級，對不滿足70分以上的指標加以刪除，按照專家分析后的結果重新劃分指標級別，并在此基礎上建立暫態(tài)穩(wěn)定的組合模型，完成指標參數(shù)的選取。

1.2 建立暫態(tài)穩(wěn)定組合模型

完成評估指標設定后，對計算量過大的限定因素進行重組，建立一個暫態(tài)穩(wěn)定的組合模型(如圖1所示)，用于電力系統(tǒng)運行狀態(tài)測量。

圖1 暫態(tài)穩(wěn)定組合模型

該暫態(tài)穩(wěn)定組合模型中需要包含向量選擇和函數(shù)校對兩個模塊，用于對大量電網數(shù)據(jù)進行分類和范圍設定。

(1) 向量選擇模塊。對能夠自由選擇的函數(shù)指標的參數(shù)范圍進行初次設定，即在整個模型中需要一個初始處理數(shù)據(jù)的界定范圍。在此過程中要考慮具體分類參數(shù)在給定數(shù)據(jù)集合中獨立組合的變化規(guī)律，在合理界定范圍內保持其分類結果的優(yōu)先選擇權，在該范圍內加入距離參數(shù)的取值標準和閾值的選取類型等。

(2) 函數(shù)校對模塊。利用選定函數(shù)的標定范圍進行數(shù)據(jù)全系列網格搜索的過程，根據(jù)上述安全指標對每種評價結果劃分出4個數(shù)量應用領域，直接對可以通過電網的數(shù)據(jù)完成類型的分差集合組合。以分類類型的不同對應選擇一定參數(shù)范圍進行自由排列，并容許所有自由組合的參數(shù)在電路介入時保持原有狀態(tài)不變。

在兩個模塊組合過程中對形同影響因素的范圍選擇必須保持一致，如果向量選取中無法針對某一個電力風險因子進行敲定時，可以引入函數(shù)校訂中不同領域的數(shù)量均值，用以擬補參數(shù)空缺，保證模型的連貫測量。此時，組合模型構建完成后，可以將特定的安全指標放置其中，進行電力系統(tǒng)連續(xù)風險的等級排序。

1.3 連續(xù)比較雙層指標風險等級

在暫態(tài)穩(wěn)定的組合模型中對能夠產生風險的指標因素進行分類，將其按照相對順序形成雙層組織葉狀結構，清晰布置每個風險因素對電網系統(tǒng)的威懾指數(shù)。

整個結構中相對連續(xù)的整數(shù)能夠形成線性的離散變量，需要依次對變量中轉換因子的確定劃定逐次區(qū)，并在劃定過程中進一步排序結構中風險的先后等級。

(1) 在連續(xù)混合中找到相似的分數(shù)類型，限制其在短暫時間內不會產生變化，依次確定安全因子和風險因子分布層級。

(2) 對需要調整上下結構的暫定因子進行重新布控，將兩級狀態(tài)下分布的各個故障因子布控在可以隨意摘取的樹狀組織上，協(xié)調控制約束中的緊急制控風險因子擾動問題。

(3) 將控制區(qū)域的所有安全因子加以剔除，保留全部能夠影響電力系統(tǒng)運行的風險因子，在可以接受的水平范圍之內，按照映射范圍區(qū)域的大小進行排序，采用相應的緊急控制措施以保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。

根據(jù)整合后的風險因子，按照緊急狀態(tài)、平緩狀態(tài)、不參與狀態(tài)進行故障的等級劃分，在每個等級中可以對產生風險因子的主要因素進行指標評估，找出相同類型故障因子產生的具體原因。

針對能夠影響電力系統(tǒng)的安全風險進行等級排序，可以清晰地了解每個風險因素對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的破壞指數(shù)，并在此基礎上對每個指數(shù)進行風險發(fā)生高概率預測。

1.4 最大系數(shù)預測電力系統(tǒng)風險概率

在劃分好等級的風險安全等級中，尋找各個指標中不同程度的風險因子，在每個因子的不同排列組合中造成大小不一的故障發(fā)生，需要對組合狀態(tài)下的各類因子進行風險概率預測。將所有的風險因素看作一個數(shù)據(jù)集合，在每個集合內會存在相互的隱含關系，其中隱藏關系越深的因素對整個集合的變動影響越大，需要在衡量變量之間的關系中尋找到相互依存的指標，從而預測每個線性關系中風險識別能力。

在變量中對最小信息系數(shù)求解的過程可以捕捉到最近的變量，設置有限集合K中帶有橫縱坐標軸，每個元素a和b到坐標的位置涵蓋多個區(qū)域，每個區(qū)域小格在變化過程中會映射出對應的變量U，推導最大系數(shù)表達式為：

其中：U(K/j)代表(K/j)之間的相互信息，Ui(K[a，b])可以為所有產生距離的元素a和b提供網格對照位置，其中能夠影響最遠距離的結算因子為U(K/j)涵蓋的范圍。每次元素在自我替換過程中可以根據(jù)變量U進行數(shù)字矩陣轉換，在無限增加的數(shù)值取量中找到最大值對應的區(qū)域范圍，即為風險因子能夠布控的地點，從而評估出風險發(fā)生的概率。

在設置多個安全風險指標的基礎上，構建暫態(tài)穩(wěn)定模型，判斷各類指標的等級排序，求取不同系數(shù)中風險發(fā)生的概率以完成計及關鍵場景下電力系統(tǒng)暫態(tài)安全風險的評估方法設計。

2 實驗結果分析

2.1 線路與節(jié)點選擇

為驗證該方法是否能夠有效地應用在電力系統(tǒng)暫態(tài)安全風險評估中，決定采用實驗測試的方法進行論證。

實驗開始前引入2組傳統(tǒng)評估方法，在能夠準確定位故障點的基礎上進行對比實驗，比較不同方法在評估故障時所用的時間。

以某市新建的電力系統(tǒng)為例，選擇5條運行線路，每個線路中各包含3個節(jié)點，根據(jù)實際調查中近3個月內每個節(jié)點發(fā)生故障的情況進行選擇(見表1)。

表1 線路與節(jié)點樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中選擇樣本數(shù)據(jù)可知，主要故障類型為過負荷，其次是發(fā)電機故障。在發(fā)生過電壓故障的線路中，以L114-21和L124-28線路發(fā)生故障的次數(shù)偏多，21和17號節(jié)點的故障次數(shù)超過15次，每條線路中包含3個不同位置的節(jié)點之間不會產生交叉電流。對選擇好的線路進行監(jiān)測，記錄每個節(jié)點位置承受的負荷情況，以便定位節(jié)點故障發(fā)生的時間。

2.2 故障位置時間

電力系統(tǒng)的線路安全問題主要受電路的負荷影響，在不同電路負荷下產生的電流比不同，所流經到每個線路節(jié)點處的電壓值會發(fā)生一定的變化。

一般情況在負荷值增加的情況下，產生的電流比值會增強，此時，電力系統(tǒng)中各線路能夠承受的電流密度大小是發(fā)生故障與否的唯一指標，檢測在不同負荷下線路所承受的電流比值變化情況，如圖1所示。

圖1 電力負荷與電流比值變化情況

根據(jù)圖1中曲線走向可知，在負荷值越高的情況下電力系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率越大，在負荷值為320 kW時電力系統(tǒng)承載的電流壓強會隨之升高，影響線路的安全。

以負荷轉折值為故障定位指標，對用電高峰時段檢測每條線路中節(jié)點故障發(fā)生的時間，對比結果如圖2所示。

圖2 線路節(jié)點故障發(fā)生時間

由圖2可知，在L114-21和L124-28線路中產生了較大的電流比值波動，表示該線路中的某些節(jié)點有發(fā)生過負荷故障的可能，檢查后得知故障節(jié)點分別為21和17號節(jié)點，對照電流的前后變化可以確定兩個節(jié)點分別在12:40和14:30發(fā)生了過負荷故障。

2.3 測試結果分析

為進一步驗證該方法能否在安全風險發(fā)生之前減少預測等待時間并提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要在故障點確定之前評估出線路的節(jié)點位置。引用軌跡分析與相位校正兩組傳統(tǒng)的評估方法作對比，每組評估方法均可以在故障發(fā)生前完成定位，在MAYILU仿真平臺中進行10組實驗測試，驗證對產生故障點的線路所需的評估時間。設置線路中壓降不超過320 V，每次通過線路的電流比為24～32，具體測試結果見表2。

表2 故障點位置的評估時間 s

根據(jù)表2可知，上述暫態(tài)安全風險評估方法在2個故障節(jié)點的評估時間分別為8.17 s和10.16 s，軌跡分析評估方法所用的時間分別為125.04 s和124.32 s，相位校正評估方法所用時間分別為131.80 s和127.57 s。

綜合測試結果來看，該暫態(tài)安全風險評估方法在故障點評估中所用時間能夠控制11 s以內，而兩組傳統(tǒng)方法的用時均超過120 s，因此，采用上述新方法不僅能夠提高工作效率，而且能夠及時維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 結束語

電力系統(tǒng)超大負荷的運行會產生較大電流，影響線路的運行效果，并且由此產生節(jié)點故障，增大了風險發(fā)生概率。實驗結果表明，在故障點評估方面，兩組傳統(tǒng)方法的評估用時均超過2 min，而新方法能夠控制在11 s以內，可以及時維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

然而，在研究過程中，對評估方法設計的側重點放在了等級排序上，一旦電力系統(tǒng)在大規(guī)模電壓崩潰中因無法直接選擇風險系數(shù)造成故障定位偏差，會在一定程度上影響評估結果的準確性。因此，在后續(xù)研究過程中，將針對提出的問題進行深層次剖析，解決不同情況下電力系統(tǒng)的安全風險問題，確?？茖W有效地保障其穩(wěn)定運行。