余銀輝， 高超峰， 陳大明， 周念成， 張芮漩

(1.中廣核研究院有限公司， 廣東 深圳 518000； 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))， 重慶 400044)

1 引言

海洋具有巨大的能源潛力，蘊含石油、天然氣等豐富的能源，通過海上平臺建設(shè)充分利用海洋資源，是助推能源發(fā)展的重要手段之一[1-3]。海上孤立電網(wǎng)是保證海上平臺的全部生產(chǎn)、生活供電的重要電力系統(tǒng)，還擔(dān)負(fù)著為平臺的安全、控制、通信等重要系統(tǒng)供電的任務(wù)，其安全性和可靠性直接或間接決定了海上平臺的安全運行[4-6]。海上孤立電網(wǎng)所處海洋環(huán)境具有一定的特殊性，其安全穩(wěn)定性具有更高的要求[7，8]。海上移動電源作為分布式電源，能夠為海上孤立電網(wǎng)提供更多供電容量，有助于提升供電可靠性和穩(wěn)定性，但是接入后的調(diào)節(jié)范圍往往受限。此外，在不同的接入方案下，系統(tǒng)在負(fù)荷起動、三相短路故障、單相接地故障、機(jī)組跳閘等各種擾動下的安全穩(wěn)定性將受到不同程度的影響[9,10]，因此需要針對接入方案提出一套可靠的評價指標(biāo)體系。

目前，國內(nèi)外針對海上電力系統(tǒng)的評估方法已展開廣泛研究。文獻(xiàn)[11,12]結(jié)合海洋平臺的特點，分析了海上平臺電網(wǎng)的中性點接地方式，并提出網(wǎng)源直連系統(tǒng)的保護(hù)方法及保護(hù)裝置，此外還提出了抑制勵磁涌流的串接變壓器預(yù)充磁方法以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，但研究僅針對接地方式及抑制勵磁涌流為主要影響因素進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[13]針對海上電力系統(tǒng)特點，分析短路電流影響并對比各種限制短路電流的措施及優(yōu)缺點。文獻(xiàn)[14]提出了一種海上系統(tǒng)的可靠性評估方法，該方法能夠得到系統(tǒng)及發(fā)輸配電各環(huán)節(jié)的可靠性指標(biāo)，主要是故障概率、切負(fù)荷概率、電力不足期望值。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[15]針對海上油田群，提出了一種考慮生產(chǎn)指標(biāo)的評估方法，在計算設(shè)備故障率可靠性的基礎(chǔ)上，提出了石油生產(chǎn)指標(biāo)完成度指標(biāo)，給出了電網(wǎng)與石油收益的關(guān)系，和實際利益聯(lián)系密切，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義，但是考慮因素還不夠多。文獻(xiàn)[16]對海上油田電網(wǎng)各性能指標(biāo)進(jìn)行定義，主要考慮的是安全性指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對指標(biāo)進(jìn)行量化的定義，并采用海上電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(Energy Management System, EMS)實測在線狀態(tài)，但指標(biāo)未結(jié)合實際算例分析有效性。上述對于海上電力系統(tǒng)評估的研究主要側(cè)重于故障擾動或經(jīng)濟(jì)性等某一種類型的指標(biāo)，沒有將指標(biāo)結(jié)合起來，并不能夠全面地評估海上移動電源接入后的安全穩(wěn)定性，且對于提出的各指標(biāo)沒有形成指標(biāo)體系或是沒有進(jìn)行算例分析。

本文為了評估海上移動電源接入海上孤立電網(wǎng)后的安全穩(wěn)定性，綜合考慮各種擾動場景下系統(tǒng)安全運行可能受到的影響，提出了一套基于指標(biāo)維度和時間維度二次加權(quán)的評價指標(biāo)體系。針對海上孤立電網(wǎng)的實際情況，基于不同接入方案選擇下可能會存在的擾動因素，從功率安全、故障擾動、穩(wěn)定性三個方面提出評價指標(biāo)，側(cè)面量化反映出接入方案選擇的可靠性，根據(jù)所提指標(biāo)，運用二次加權(quán)法，將各指標(biāo)形成不同方案選擇下的指標(biāo)體系，最后通過仿真驗證所提安全運行評價指標(biāo)體系的正確性和有效性。

2 安全評價指標(biāo)體系

2.1 海上移動電源接入孤立電網(wǎng)方案及安全運行問題

某海上移動電源接入孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的簡化電氣主接線如圖1所示，圖1中海上孤立電網(wǎng)系統(tǒng)獨立運行，其主要供電系統(tǒng)為2臺主發(fā)電機(jī)，經(jīng)由升壓變壓器送出功率，負(fù)荷包括電動機(jī)及船用負(fù)荷等。在孤立電網(wǎng)運行中，系統(tǒng)的主接線方式、設(shè)備的運行特性、負(fù)荷情況由圖1可知。對于海上移動電源接入孤立電網(wǎng)系統(tǒng)來說，影響到系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵因素主要包括：電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷情況、主接線形式、多電壓等級接地方式、升壓變壓器并列運行方式、保護(hù)及自動裝置配置。

圖1 海上移動電源接入孤網(wǎng)的電氣主接線圖Fig.1 Main electrical connection of offshore mobile power source integrated into isolated power grid

移動電源主要工況有4種，起停：兩臺主發(fā)電機(jī)帶船用負(fù)荷，移動起機(jī)；正常航行：兩臺主發(fā)電機(jī)帶船用負(fù)荷；雙機(jī)對外送電：兩臺主發(fā)電機(jī)向平臺供電并帶船用負(fù)荷；單機(jī)對外送電：一臺主發(fā)電機(jī)向平臺供電并帶船用負(fù)荷，另一臺停運。

為評估海上移動電源接入孤立電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，需要針對孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的運行特點，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的安全運行要求、系統(tǒng)安全運行要求，對海上移動電源接入孤立電網(wǎng)的安全運行問題進(jìn)行分析，并綜合選取評估指標(biāo)，實現(xiàn)接入方案的安全評價。對于圖1所示的海上移動電源接入孤立電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷情況、主接線形式、多電壓等級接地方式、升壓變壓器并列運行方式、保護(hù)及自動裝置配置等接入方案的選取，可能對系統(tǒng)的運行產(chǎn)生影響。考慮系統(tǒng)功率安全，選取有功及無功安全裕度作為評價指標(biāo)；考慮系統(tǒng)故障擾動，選取三相短路電流安全裕度、單相接地故障安全裕度作為評價指標(biāo)；考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，選取變壓器的勵磁涌流抑制能力、頻率穩(wěn)定性及電動機(jī)負(fù)荷起動能力為評價指標(biāo)。以上各個評價指標(biāo)會受到接入方案選取的綜合影響，接入方案與安全問題的映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 海上移動電源接入方案與安全問題的映射關(guān)系Fig.2 Relationship between integrated scheme and security issues of offshore mobile power source

2.2 海上移動電源接入孤立電網(wǎng)安全運行評價指標(biāo)

基于海上移動電源接入方案與安全問題的映射關(guān)系，主要考慮功率安全、故障擾動及穩(wěn)定性三方面的安全問題，分別提出相應(yīng)的評價指標(biāo)，用于量化各類安全問題，評價指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 接入方案評價指標(biāo)體系Fig.3 Parameter system of safety assessment

2.2.1 有功和無功安全裕度

功率安全是電力系統(tǒng)安全運行的重要評價指標(biāo)之一。定義有功安全裕度為機(jī)組可能的最大有功功率和實際有功之間的差值與實際有功的比值，無功安全裕度為機(jī)組可能的最大無功功率和實際無功的差值與實際無功的比值。這2個指標(biāo)數(shù)值越大，則認(rèn)為該接入方案下的功率安全評價越好。有功和無功安全裕度計算分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中，Pmax為機(jī)組可能的最大有功功率；Pg為機(jī)組當(dāng)前實際的有功功率；Qmax為機(jī)組可能的最大無功功率；Qg為機(jī)組當(dāng)前實際的無功功率。

2.2.2 三相短路電流安全裕度

海上移動電源通常為分布式電源，在接入電網(wǎng)后可能會提高系統(tǒng)的短路電流水平，也可能助增流過導(dǎo)體的短路電流，系統(tǒng)短路電流可能會影響載流導(dǎo)體的安全運行，需要評估其導(dǎo)致的三相短路電流風(fēng)險。本文選取三相短路電流x3=Ik來評價海上移動電源接入后三相短路的暫態(tài)安全性，該指標(biāo)值由軟件仿真直接得到。三相短路電流指標(biāo)x3越小，認(rèn)為該接入方案下三相短路的暫態(tài)安全性越高。

2.2.3 單相接地故障暫態(tài)安全裕度

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，不僅有可能發(fā)展為更嚴(yán)重的故障，影響正常供電，而且可能產(chǎn)生過電壓，危及系統(tǒng)的安全運行。因此，需考慮系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的暫態(tài)安全。對于不同海上移動電源接入方案，本文選取單相接地電容電流值x4=If(1)來評價系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的暫態(tài)安全性，該指標(biāo)值由軟件仿真直接得到。單相接地電容電流值x4越小，認(rèn)為該接入方案下單相接地故障時的暫態(tài)安全性越高。

2.2.4 變壓器勵磁涌流抑制能力

變壓器空載合閘時繞組內(nèi)部會產(chǎn)生一個暫態(tài)電流，即勵磁涌流。由于海上孤立電網(wǎng)與陸上電網(wǎng)獨立運行，當(dāng)海上移動電源接入后，會影響變壓器的勵磁涌流，較大的勵磁涌流將影響電網(wǎng)的安全運行，因此對于不同的接入方案，有必要對變壓器的勵磁涌流抑制能力進(jìn)行評估。變壓器的勵磁涌流抑制方式主要有改變變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選相合閘技術(shù)、變壓器軟啟動方法及變壓器預(yù)充磁技術(shù)等。因此，如何評估變壓器的勵磁涌流抑制能力主要取決于海上移動電源接入孤立電網(wǎng)方案所采取的升壓變壓器并列運行方式和保護(hù)及自動裝置的配置。在評價海上移動電源接入孤立電網(wǎng)的安全運行性時，對應(yīng)不同的升壓變壓器并列運行方式和保護(hù)及自動裝置，對變壓器空載合閘進(jìn)行仿真，以產(chǎn)生的勵磁涌流大小x5=Itr作為評估指標(biāo)，該指標(biāo)值由軟件仿真直接得到。變壓器勵磁涌流值越小，認(rèn)為該接入方案下勵磁涌流抑制能力越高。

2.2.5 頻率穩(wěn)定性

海上移動電源接入后，系統(tǒng)可能會受到不同的故障擾動，如三相短路故障、單相接地故障、機(jī)組跳閘等故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致孤立電網(wǎng)頻率波動，頻率偏差可能報警，甚至可能需要切除部分負(fù)荷，將對整個系統(tǒng)造成較大的影響。以故障發(fā)生后穩(wěn)態(tài)頻率偏差值來衡量系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，故障發(fā)生后頻率偏差值越小，則該接入方案下的頻率穩(wěn)定性評價越好。頻率偏差值計算如下：

(3)

式中，Δf∞為穩(wěn)態(tài)頻率降低值；Pm0為受到故障擾動后的機(jī)組初始有功功率；PL0為受到故障擾動后的負(fù)荷初始功率；f0為穩(wěn)態(tài)頻率的初始值；KL為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，負(fù)荷消耗功率隨頻率的下降而減少，KL越大，負(fù)荷功率減少得越多，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)頻率下降程度的緩解。因此，為了對最壞情況下的系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行估計，應(yīng)綜合考慮實際情況盡量取KL的最小值。

2.2.6 電動機(jī)負(fù)荷起動能力

為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，根據(jù)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用曲線圖對系統(tǒng)電動機(jī)負(fù)荷起動能力提出指標(biāo)，以量化系統(tǒng)電動機(jī)負(fù)荷起動能力，從而作為海上移動電源接入孤立電網(wǎng)方案的一項安全運行評判依據(jù)。

(4)

式中，ωA1、ωA2分別為A1、A2點對應(yīng)的橫坐標(biāo)；ωmax為B、C1、C2點對應(yīng)的橫坐標(biāo)。

圖4 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.4 Relation between torque and speed

SEI<0表示電動機(jī)負(fù)荷起動后無法運行在可行域內(nèi)，則該系統(tǒng)無法帶電動機(jī)負(fù)荷起動，應(yīng)切除該負(fù)荷保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。提出的電動機(jī)負(fù)荷起動能力指標(biāo)，利用曲線交點坐標(biāo)即可量化電動機(jī)負(fù)荷的起動能力，作為海上移動電源接入孤立電網(wǎng)方案選擇的一項指標(biāo)，進(jìn)而評估不同接入方案下電動機(jī)負(fù)荷的起動能力。電動機(jī)負(fù)荷起動能力指標(biāo)值越大，則該接入方案下負(fù)荷起動時的穩(wěn)定性評價越好。

3 基于二次加權(quán)的安全運行綜合評價方法

在得到相應(yīng)安全評價指標(biāo)后，將指標(biāo)與二次加權(quán)法相結(jié)合，形成基于二次加權(quán)的海上移動電源接入安全運行綜合評價方法，流程圖如圖5所示。

圖5 綜合評價方法流程圖Fig.5 Flow chart of comprehensive evaluation method

以往一般采用層次分析法來對各指標(biāo)進(jìn)行評估，但層次分析法在評估中還是過于隨機(jī)以及主觀，當(dāng)元素過多時，還有可能因為矩陣不一致，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)矛盾。因此，本文采用二次加權(quán)法對海上移動電源接入后的安全性進(jìn)行評估，在時間和空間上均對各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，計算量減少，且能夠保證結(jié)果相對的準(zhǔn)確性。

3.1 指標(biāo)預(yù)處理

指標(biāo)預(yù)處理是將不同量綱、數(shù)量級指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，從而將各原始指標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無量綱的數(shù)值，便于指標(biāo)的比較和加權(quán)，本文采用極值法對原始指標(biāo)數(shù)據(jù)值進(jìn)行歸一化。假設(shè)存在m個評價對象S={S1,S2,…,Sm}，n個評價指標(biāo)X={x1,x2,…,xn}，時間樣本點T={t1,t2,…,tq}，評價對象Si的評價指標(biāo)xj在tk(k=1,2,3,…)時刻的值為xij(tk)。

當(dāng)指標(biāo)xj為極大型指標(biāo)時，其歸一化指標(biāo)值為：

(5)

當(dāng)指標(biāo)xj為極小型指標(biāo)時，其歸一化指標(biāo)值為：

(6)

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

二次加權(quán)中，指標(biāo)權(quán)重用于衡量在單個評價時間點下，每個評價指標(biāo)的相對重要度，目前常用的指標(biāo)賦權(quán)方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。其中，主觀賦權(quán)法主要依賴于專家主觀上對指標(biāo)重要度的判定來計算指標(biāo)權(quán)重，客觀賦權(quán)法主要根據(jù)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)的客觀信息來確定權(quán)重。因此，為了更為準(zhǔn)確地測算指標(biāo)權(quán)重，本文采用主客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法[17,18]。

(1)主觀權(quán)重

本文采用序關(guān)系分析法來計算各指標(biāo)的主觀權(quán)重，首先對指標(biāo)的序關(guān)系進(jìn)行排序為：

(7)

在指標(biāo)排序下，依據(jù)專家的經(jīng)驗和判斷，比較相鄰兩個指標(biāo)的相對重要度，得到xj-1和xj的相對重要度之比為：

(8)

式中，ωj為第j個指標(biāo)的權(quán)重。

然后得到最終主觀權(quán)重：

(9)

(2)客觀權(quán)重

(10)

然后計算指標(biāo)xj的熵值：

(11)

式中，n為評價指標(biāo)數(shù)。

然后按式(12)計算指標(biāo)xj的差異系數(shù)。當(dāng)指標(biāo)的差異性越大，此時熵值越少，客觀權(quán)重越大。

gj(tk)=1-ej(tk)

(12)

則指標(biāo)xj的最終客觀權(quán)重為：

(13)

(3)組合權(quán)重

根據(jù)3.1節(jié)中步驟確定的主客觀權(quán)重，按照以下方法得到指標(biāo)xj在時間點tk的組合權(quán)重為：

(14)

對于任一時間點tk，指標(biāo)組合權(quán)重向量為ωtk=(ω1tk,ω2tk,…,ωntk)。

3.3 時間權(quán)向量

除指標(biāo)權(quán)重外，不同時間點對評價結(jié)果的重要程度也不大相同，確定合適的時間權(quán)向量λ=[λ1,λ2,…,λq]獲得二次加權(quán)后的評價結(jié)果。與指標(biāo)賦權(quán)類似，時間權(quán)重也通過主客觀結(jié)合的賦權(quán)方法確定，本文綜合考慮時間度l和信息熵I相結(jié)合來計算最合適的時間權(quán)向量，如式(15)、式(16)所示。

(15)

(16)

時間度l由專家主觀賦值，取值范圍為[0,1]，反映在不同時間下每個評價指標(biāo)的重要度。l越小，即專家主觀上認(rèn)為近期數(shù)據(jù)的重要度更高；l越大，即專家主觀上認(rèn)為遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)的重要度更高；當(dāng)l=0.5時，即專家主觀上認(rèn)為所有時刻數(shù)據(jù)的重要度相同。而信息熵的確定同樣采用熵權(quán)法，此處不再贅述。

在事先確定時間度l的前提下，以獲取到的樣本信息熵最大為目標(biāo)，并兼顧所評價指標(biāo)在不同時間的信息差異，建立最優(yōu)化問題，對評價指標(biāo)的時間權(quán)向量λ=[λ1,λ2,…,λq]進(jìn)行求解，如式(17)所示。

(17)

4 算例分析

4.1 海上移動電源接入孤立電網(wǎng)案例的構(gòu)成

本文算例中的海上孤立電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由用電平臺和電站平臺構(gòu)成，海上移動電源接入孤立電網(wǎng)的接線方式有兩種，分別為單回接入及雙回接入，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖6和圖7所示，圖中A、B、D、F、G平臺為用電平臺，C、E、H平臺為電站平臺。圖6為海上移動電源采用單回接入方式接入孤立電網(wǎng)的網(wǎng)架模型結(jié)構(gòu)圖，即電源通過低功率一回輸電線路接入電網(wǎng)A平臺35 kV母線，不會改變原有孤立電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；圖7為海上移動電源采用雙回接入方式接入孤立電網(wǎng)的網(wǎng)架模型結(jié)構(gòu)圖，即電源通過大功率一回輸電線路接入電網(wǎng)A平臺35 kV母線，另一回接至電網(wǎng)B平臺35 kV母線，不同于圖6所示的單回接入方式，雙回接入方式將改變原有孤立電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致原有孤立電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由“鏈?zhǔn)健弊優(yōu)椤版準(zhǔn)?環(huán)網(wǎng)”。

圖6 海上移動電源單回接入孤立電網(wǎng)Fig.6 Offshore mobile power connected to isolated grid through transmission line

圖7 海上移動電源雙回接入孤立電網(wǎng)Fig.7 Offshore mobile power sources connected to isolated power grids through two-circuit transmission lines

對于海上移動電源接入孤立電網(wǎng)的接入方案，不同接入方案選取的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷情況、主接線形式、多電壓等級接地方式、升壓變壓器并列運行方式、保護(hù)及自動裝置配置可能不同，導(dǎo)致接入后運行評價指標(biāo)值的波動。由于六項關(guān)鍵因素的組合方式繁多，組成多種接入方案，本文僅從中選取幾種典型方案進(jìn)行評價。

幾種典型接入方案的主接線方式、多電壓等級接線方式、保護(hù)及自動裝置配置均采用相同案例，即圖1所示案例。主接線可分為兩種：有匯流母線的接線和無匯流母線的接線。有匯流母線的接線方式包括：單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段等；無匯流母線的接線方式包括：外橋接線、內(nèi)橋接線、角形接線等。有匯流母線的接線形式，接線簡單清晰、運行方便，便于安裝和擴(kuò)展，但占地面積大，適用于進(jìn)出線較多的站；無匯流母線的接線形式，使用設(shè)備相對較少，占地面積少，適用于進(jìn)出線數(shù)少的站。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、對外輸電回路數(shù)、占地面積以及運行可靠性，優(yōu)先選擇投資相對較低、占地面積較小、具有一定運行靈活性的方案。因此，電氣主接線方式采用內(nèi)橋型接線，中性點接地方式為發(fā)電機(jī)中性點配置接地電阻、船用中壓配置接地變壓器，保護(hù)及自動裝置配置則均具備基本的保護(hù)功能[19,20]見表1。

表1 保護(hù)及自動裝置配置Tab.1 Protection and automatic device configuration

本文選取的5種典型接入方案對比見表2。由于在一回輸電線路接入電網(wǎng)時，升壓變壓器高壓側(cè)只能并列運行，故方案1和方案2中，升壓變壓器并列運行方式均為高壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列。而在雙回輸電線路接入電網(wǎng)的方案3、方案4中，則考慮了升壓變壓器高壓側(cè)并列與高壓側(cè)分列的對比。

表2 海上移動電源接入孤立電網(wǎng)的典型接入方案Tab.2 Typical schemes for offshore mobile power source integrated into isolated power grid

在DIgSILENT PowerFactory上搭建上述5種方案的仿真模型，按時序給予擾動信號，時序為：電動機(jī)負(fù)荷啟動→35 kV海纜三相短路故障→機(jī)端單相接地故障→發(fā)電機(jī)組跳閘，通過主客觀賦權(quán)法計算各個指標(biāo)的權(quán)重，并從指標(biāo)維度及時間維度兩個層面進(jìn)行二次加權(quán)，得到最終的動態(tài)評價指標(biāo)。

4.2 海上移動電源接入方案的安全運行評價

搭建仿真模型后，在不同時刻給予擾動信號，在1 s時電動機(jī)負(fù)荷起動，在10 s時35 kV海纜三相短路故障，故障在0.1 s后恢復(fù)，在20 s時機(jī)端單相接地故障，故障在0.1 s后恢復(fù)，在30 s時發(fā)電機(jī)組跳閘，對各變量在不同時序下的擾動變化進(jìn)行仿真，選取幾組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8～圖11所示。

圖8 方案1下海上移動電源1、2相關(guān)參數(shù)波形圖Fig.8 Waveforms diagram of relevant parameters of marine mobile power 1 and 2 under scheme 1

圖9 方案3下海上移動電源1、2相關(guān)參數(shù)波形圖Fig.9 Waveforms diagram of relevant parameters of marine mobile power 1 and 2 under scheme 3

海上移動電源接入孤立電網(wǎng)有多種接入方案可以進(jìn)行選擇，本文選取了方案1、方案3下海上移動電源1和海上移動電源2的有功功率、無功功率參數(shù)進(jìn)行仿真，可以得到如圖8、圖9所示的波形圖。從圖8、圖9中可以看到，在發(fā)生擾動的各個時刻，有功功率、無功功率都發(fā)生了相應(yīng)的波動。圖中無功功率在10 s時都出現(xiàn)了較高的尖峰，主要是由于仿真時刻設(shè)置三相短路故障發(fā)生在送出線路電廠這一側(cè)，即在升壓變壓器高壓側(cè)，由于電網(wǎng)較小，帶的負(fù)荷也較少，移動電源作為系統(tǒng)的主要供電電源，當(dāng)送出線路電廠側(cè)三相短路時，故障較為嚴(yán)重，導(dǎo)致無功功率波動較大。移動電源2在30 s發(fā)生發(fā)電機(jī)組跳閘時，有功功率及無功功率均瞬時變化為零，變化明顯，在其余擾動時刻，有功功率、無功功率在擾動時刻及其后一小段時間波動后恢復(fù)穩(wěn)定，說明整體對系統(tǒng)的影響不大。

對比不用方案下的各參數(shù)，圖10所示為方案1和方案3下海上移動電源1的頻率波形圖。圖11為方案1和方案2下電動機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)速的波形圖。

圖10 方案1、3的頻率波形圖Fig.10 Waveforms diagram of frequency for schemes 1 and 3

圖11 方案1、2的電動機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)速波形圖Fig.11 Waveforms diagram of motor load speed for schemes 1 and 2

由圖10可以看到，方案1和方案3下移動電源1的頻率波動大致相當(dāng)，在每個擾動時刻均產(chǎn)生較小波動，說明方案1和方案3的頻率穩(wěn)定性總體來說是較好的，擾動后基本穩(wěn)定在50 Hz附近，最后海上移動電源2跳閘后，海上移動電源1的頻率有所下降，總體頻率波動不超過1.0 Hz。

圖11為方案1和方案2下電動機(jī)負(fù)荷起動的轉(zhuǎn)速波形圖，在1 s時，電動機(jī)負(fù)荷進(jìn)行起動動作。方案1和方案2在負(fù)荷情況下有所區(qū)別，方案1負(fù)荷情況為船用電+電動機(jī)負(fù)荷，方案2負(fù)荷情況為船用電+電動機(jī)負(fù)荷+外網(wǎng)負(fù)荷，方案2較方案1所帶負(fù)荷類型及容量增多，且本文選取方案2的電動機(jī)負(fù)荷容量也較方案1增加，從波形圖可以看出，在方案2下，電動機(jī)負(fù)荷起動的時間增長，說明容量增加后，電動機(jī)負(fù)荷起動時間及穩(wěn)定性比方案1需要更長的時間，但方案1和方案2電動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定運行后轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定在1 pu。

通過仿真計算得到各個安全運行指標(biāo)值，并進(jìn)行二次加權(quán)計算后，得到的5種典型接入方案安全運行動態(tài)評價指標(biāo)值見表3。經(jīng)過二次加權(quán)計算后，可得方案1的動態(tài)評價指標(biāo)值0.642 8最大，認(rèn)為該接入方案下的系統(tǒng)安全穩(wěn)定性在5種方案中是最好的。

表3 5種典型接入方案的安全運行動態(tài)評價指標(biāo)Tab.3 Dynamic evaluation indicators for safe operation of 5 typical access schemes

由表3可得，在同樣采取單回輸電線路接入電網(wǎng)的方案下，對比方案1及方案2可得，方案2動態(tài)評價指標(biāo)值小于方案1，即海上移動電源接入孤立電網(wǎng)所帶負(fù)荷情況越復(fù)雜，其安全穩(wěn)定性越差。在同樣采取雙回輸電線路接入電網(wǎng)的方案下，對比方案3及方案4可得，方案3動態(tài)評價指標(biāo)值大于方案4，即在雙回輸電線路接入電網(wǎng)時，選擇升壓變壓器高壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列的運行方式優(yōu)于兩側(cè)均分列運行的方案，安全穩(wěn)定性越好。對比方案3和方案5可得，方案3動態(tài)評價指標(biāo)值大于方案5，與單回輸電線路接入電網(wǎng)方案評價結(jié)果一致，證明了海上移動電源接入孤立電網(wǎng)所帶負(fù)荷情況越復(fù)雜，其安全穩(wěn)定性越差。

5 結(jié)論

本文提出了一套針對海上移動電源接入海上孤立電網(wǎng)的安全運行評價指標(biāo)體系，體系中涵蓋功率安全、故障擾動、穩(wěn)定性三個方面下七種影響安全運行的指標(biāo)，可實現(xiàn)對海上移動電源接入海上孤立電網(wǎng)的安全性、可靠性進(jìn)行綜合、全面評估。各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后通過二次加權(quán)法，對各指標(biāo)在空間及時間上進(jìn)行加權(quán)，可對各接入方案下的指標(biāo)值進(jìn)行分析對比選擇。通過DIgSILENT PowerFactory中的仿真分析可以看出，本文所提出的評估指標(biāo)體系能有效反映海上移動電源接入海上孤立電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，為提高海上移動電源接入海上孤立電網(wǎng)防止出現(xiàn)安全事故提供理論支持。