配電網(wǎng)風險防控分析及安全預警技術(shù)的應用

王大治，楊承河，侯方迪

（1.國網(wǎng)浙江余姚市供電有限公司，浙江 余姚 315400；2.國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；3.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

配電網(wǎng)風險防控分析及安全預警技術(shù)的應用

王大治1，楊承河2，侯方迪3

（1.國網(wǎng)浙江余姚市供電有限公司，浙江 余姚 315400；2.國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；3.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

隨著配電網(wǎng)規(guī)模日益龐大，供電企業(yè)和電力用戶對配電系統(tǒng)運行可靠性的要求也越來越高。運用配電網(wǎng)風險防控分析及安全預警技術(shù)，結(jié)合麗水地區(qū)和余姚地區(qū)的配電網(wǎng)線路特點，實現(xiàn)了系統(tǒng)故障集自動生成、考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析和配電網(wǎng)風險評估可視化等功能。最后，根據(jù)麗水配電網(wǎng)和余姚配電網(wǎng)的算例具體分析了該技術(shù)的實用性與優(yōu)越性。

風險防控分析；安全預警技術(shù)；系統(tǒng)故障集；靜態(tài)安全分析；風險評估可視化

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，配電網(wǎng)規(guī)模日益龐大，接線越來越復雜，供電企業(yè)和電力用戶對配電系統(tǒng)運行可靠性的要求也越來越高[1]。配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的最末端，直接向電力用戶供應電能。據(jù)統(tǒng)計，大約有80%的用戶停電事故是由配電系統(tǒng)故障所引起的[2]。而電力系統(tǒng)可靠性會隨著分布式電源的不斷接入受到很大影響[3]，風電場的大量接入也勢必會對電網(wǎng)可靠性帶來影響[4]。未來配電網(wǎng)要朝著智能化的方向發(fā)展，就必須將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)和原有的輸、配電基礎設施高度集成，由此形成的新型配電網(wǎng)的可靠性必將面臨嚴峻考驗[5-10]。

對于企業(yè)而言，配電網(wǎng)可靠性分析和管理已成為國內(nèi)外電力行業(yè)的重要工作之一[11]。配電網(wǎng)可靠性已經(jīng)成為供電企業(yè)廣泛關(guān)注的考核指標，對配電網(wǎng)運行、規(guī)劃具有重要影響，無論是配電網(wǎng)運行管理還是規(guī)劃方案的論證都需要有效的可靠性指標評估工具[12]。因此，對配電網(wǎng)準確快速地進行可靠性評估以及安全預警十分重要[13]。

利用配電網(wǎng)風險防控分析及安全預警技術(shù)，可以對配電線路進行風險防控分析，并對假想故障進行安全預警。以浙江省麗水地區(qū)和余姚地區(qū)配電網(wǎng)為例，主要介紹系統(tǒng)故障集自動生成、考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析、配電網(wǎng)風險評估可視化以及大規(guī)模清潔能源接入的電網(wǎng)風險評估和風險評估安全預警等功能，并通過算例分析驗證了配電網(wǎng)風險防控分析及安全預警技術(shù)的實用性與優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

風險評估系統(tǒng)構(gòu)建在省地一體化智能計算平臺基礎上，位于安全Ⅲ區(qū)，通過Ⅲ區(qū)EMS（能量管理系統(tǒng)）服務器進行準實時負荷數(shù)據(jù)的交換。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為4層，如圖2所示。

（1）支撐平臺：風險評估系統(tǒng)構(gòu)建在地調(diào)智能計算平臺基礎上，支撐平臺提供通信、數(shù)據(jù)管理服務，與省調(diào)系統(tǒng)進行通信。

（2）模型、方式管理：構(gòu)建系統(tǒng)模型參數(shù)管理數(shù)據(jù)。根據(jù)設備歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和歷史環(huán)境信息構(gòu)建設備停運模型，進行負荷調(diào)整、檢修計劃導入、方式調(diào)整等工作。

（3）風險計算：自動給出故障集，根據(jù)故障集計算各類風險指標，將各種異常情況轉(zhuǎn)換為切負荷指標，給出電網(wǎng)風險評級。

（4）展示界面：根據(jù)各個地區(qū)的特點構(gòu)建可視化界面。

圖2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

2 故障集自動生成

本系統(tǒng)基于拓撲分析和故障影響域，并基于概率進行故障過濾，自動生成故障集。進行風險評估的故障集除N-1故障外，還需考慮多重故障。用蒙特卡羅法可以考慮多重故障的情況，但其速度無法達到實用化程度，在實際的實時系統(tǒng)風險評估中，還需要使用解析法來進行風險評估，因此需要在進行風險評估前得到一個可以覆蓋大部分危險點的故障集。

多重故障集自動生成主要考慮兩方面的因素：對電網(wǎng)進行拓撲分析并對電網(wǎng)進行分區(qū)；考慮故障的影響域。

2.1 拓撲分析

首先建立電氣島的節(jié)點支路連通圖，然后搜索該圖的任一棵支撐樹，以此為基礎生成單連支回路，進而將存在公共邊的回路合并為一個分區(qū)，再將這些環(huán)狀分區(qū)相應的支路從圖中移除，剩下的輻射狀支路則按連通性進行分區(qū)。

根據(jù)上述分區(qū)原則，每條支路將屬于某一分區(qū)，分區(qū)之間僅存在公共節(jié)點，不可能存在公共的邊（支路）。因此，在不破壞電氣島連通性的情況下，一個分區(qū)內(nèi)預想故障的影響范圍僅限于該分區(qū)，因此只需對該分區(qū)進行分析計算，以提高計算效率。在不同的分區(qū)同時發(fā)生預想開斷的后果可近似為各預想開斷設備單獨開斷后果的線性疊加，對此，不論該多重預想故障是否存在安全問題，均不需要作進一步的詳細分析。對于多重故障，僅需重點關(guān)注同一個區(qū)內(nèi)發(fā)生多重故障，即多重故障的后果較各單重故障后果的線性疊加更為嚴重。對于預想開斷導致電氣島連通性破壞的情況，如果孤立區(qū)域既沒有電源，也沒有負荷，仍可以采用上述方法進行處理，否則需要進行詳細分析。對于母線預想開斷的情況，相當于開斷該母線相鄰的所有支路，這些支路如果位于同一個分區(qū)內(nèi)，則只需對該分區(qū)進行分析，否則需對相關(guān)的多個分區(qū)同時進行分析。

對電網(wǎng)進行分區(qū)有利于減小每次故障分析的計算規(guī)模，也能夠有效過濾大量的預想開斷后果可以近似線性疊加的故障。在電網(wǎng)逐漸解除電磁環(huán)網(wǎng)運行的情況下，充分利用上述分區(qū)思路可望獲得較好的效果。

2.2 故障影響域

分區(qū)思路能夠有效過濾許多不需要關(guān)注的故障（無害或后果可近似線性疊加的情況），并提高計算效率，但仍然不能完全解決風險評估問題。采用上述分區(qū)方法對實際電網(wǎng)進行分區(qū)時可能將一個大電網(wǎng)分解為一個或幾個較大的分區(qū)和許多小的分區(qū)，對于大的分區(qū)，其N-2故障集的規(guī)模可能仍然較大，因此有必要進行進一步的分解，以快速過濾安全的故障集，而將關(guān)注的重點定位至可能存在安全問題并需詳細分析的故障。

在電網(wǎng)風險評估時，可根據(jù)分區(qū)的思路先進行N-1預想故障分析。對于每一個N-1開斷，首先可根據(jù)開斷前后潮流的分布情況確定預想開斷的主要影響域。對于開斷前后潮流變化不大或開斷后潮流反而變小的支路，可以不予關(guān)心，只關(guān)注開斷后潮流明顯變大的支路。將N-1預想開斷設備自身及開斷后潮流明顯變大的支路定義為該設備的影響域。判斷支路潮流是否明顯增大可根據(jù)設備開斷后的潮流轉(zhuǎn)移系數(shù)，并參考支路短時過載能力與開斷前支路潮流的差額來確定。

對于故障影響域沒有重疊的2個N-1開斷，如果這2個設備同時開斷，其后果近似為2個N-1開斷后果的線性疊加，可以不予關(guān)注。正常情況下，N-1開斷下電網(wǎng)的安全性應得到保證，即所有的N-1開斷均應是安全的，這樣所有可以近似線性疊加的N-2開斷也是安全的。因此只需根據(jù)N-1故障的影響域是否重疊，即可生成需關(guān)注的N-2故障集。由此再進一步，可以考慮根據(jù)N-m故障的影響域和N-1故障的影響域生成N-（m+1）故障集。根據(jù)上述思路，生成需關(guān)注的N-2故障集，并結(jié)合并行計算進行實際大規(guī)模電網(wǎng)的風險評估，在計算性能上能夠得到較好保證。

3 考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析

靜態(tài)安全分析主要通過對導納矩陣的修正和修正后電網(wǎng)的潮流計算來實現(xiàn)。由于需要掃描的預想故障集規(guī)模龐大，潮流算法的性能是保證靜態(tài)安全校核實時性的關(guān)鍵?？梢灾苯硬捎镁_的交流潮流計算進行靜態(tài)安全分析，在潮流不收斂的情況下，采用直流潮流計算進行靜態(tài)安全分析。系統(tǒng)實現(xiàn)了多種潮流計算方法，包括PQ分解法、極坐標牛頓拉夫遜法、直角坐標牛頓拉夫遜法和最優(yōu)乘子法。其中，最優(yōu)乘子法通過在牛頓拉夫遜法的狀態(tài)修正時引入最優(yōu)修正步長（乘子），并利用直角坐標下潮流方程的二次齊次特性，明顯改善了潮流分析的收斂性，可用于求解病態(tài)潮流。

一般情況下，電網(wǎng)事故能夠得到及時有效處理，但風險仿真考慮的是極端情況，是事故發(fā)生后，假設電網(wǎng)運行人員不作為或來不及響應，造成電力設備連鎖開斷。連鎖故障的參數(shù)并不是線路的長期限額或短期限額，而是采用繼保限額，該限額對應當前繼電保護設備中整定的跳閘參數(shù)，使用這個參數(shù)來進行繼電保護設備的跳閘模擬。當發(fā)現(xiàn)有線路在預想故障下超出其繼保限額，則跳開該條線路，并繼續(xù)進行潮流計算，計算的結(jié)束條件有3點：沒有超繼保限額的線路、電網(wǎng)解列、潮流計算不收斂。連鎖故障的安全分析流程如圖3所示。

圖3 連鎖故障的安全分析流程

4 配電網(wǎng)風險評估可視化

風險評估系統(tǒng)通過曲線、餅圖、表格等方式展現(xiàn)風險計算結(jié)果?？稍诔绷鲌D上以餅圖形式自動顯示當前電網(wǎng)的變電站風險等級，同時也可在潮流圖上進行模擬檢修操作、風險分析等。

4.1 風險指標可視化

對于周檢修中的每個負荷斷面的負荷消減概率，在折線圖上的顯示見圖4。

圖4 負荷消減概率

對于周檢修中的每個負荷斷面的變電站全停概率，在折線圖上的顯示見圖5。

圖5 變電站全停概率

4.2 地區(qū)電網(wǎng)的薄弱點可視化

周檢修方式下，對電網(wǎng)進行風險計算分析后，可以通過顯示風險等級，將電網(wǎng)薄弱點以餅圖形式展示出來，如圖6所示。

圖6 風險餅圖

5 算例分析

5.1 大規(guī)模清潔能源接入的電網(wǎng)風險評估及對策

針對麗水地區(qū)電網(wǎng)的特點，本系統(tǒng)在不對大量小容量清潔電源進行建模、不增加原電網(wǎng)模型維護工作量的前提下，為了準確統(tǒng)計社會總用電負荷，開發(fā)了大規(guī)模清潔能源接入電網(wǎng)風險評估功能。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)從OPEN3000等EMS系統(tǒng)中獲取實時負荷并導入BPA（電力系統(tǒng)綜合仿真程序）電網(wǎng)模型的功能。在導入負荷時，由于不對小容量清潔電源進行建模，因此直接將已扣除小電源出力的母線負荷導入BPA模型。之后，在發(fā)用電平衡模塊中，按分區(qū)將小容量電源的總出力值輸入程序，保證準確統(tǒng)計出各分區(qū)的社會總用電負荷。

以麗水地區(qū)為例，由于5月份是汛期，對于龍泉、云和等水資源豐富的區(qū)域，總關(guān)口負荷可能是倒送的，所以在程序中輸入每天的地區(qū)小水電總出力，以獲得準確的社會總用電負荷。

針對麗水小水電發(fā)電比較多，衢州風能、太陽能已經(jīng)并網(wǎng)等情況，風險評估系統(tǒng)考慮清潔能源所占地區(qū)供電百分比，建立了備用容量風險指標。麗水某月周檢修風險評估報表及對策如圖7所示。

圖7 麗水周檢修風險評估報表及對策

5.2 配電網(wǎng)風險評估及安全預警

針對余姚地區(qū)電網(wǎng)特點，本系統(tǒng)基于基礎停運率、老化失效率和外部惡劣環(huán)境等因素，開發(fā)了對電網(wǎng)線路的風險評估及安全預警功能。系統(tǒng)關(guān)于余姚配電網(wǎng)的可靠性數(shù)據(jù)如圖8所示，根據(jù)假想故障對配電網(wǎng)進行安全預警所給出的分析結(jié)果如圖9所示。

從圖8可見，余姚配電網(wǎng)地區(qū)線路的基礎停運率、老化失效率相對較低，在正常運行方式下，可以認為線路可靠性相對較高。然而外部惡劣環(huán)境，尤其是臺風因素對線路失效概率影響較大，對此系統(tǒng)也根據(jù)數(shù)據(jù)給出了線路失效的主要原因。

圖8 余姚配電網(wǎng)部分線路可靠性數(shù)據(jù)

圖9 余姚配電網(wǎng)風險評估及安全預警結(jié)果

從圖9可見，當出現(xiàn)假想故障后，在配電網(wǎng)區(qū)域?qū)胁煌瑐€數(shù)的失電配電變壓器（簡稱配變）出現(xiàn)，系統(tǒng)不僅給出了其個數(shù)及失去負荷量，還基于這些數(shù)據(jù)給出了失效概率和風險評級。

6 結(jié)語

結(jié)合麗水和余姚地區(qū)配電線路特點的配電網(wǎng)風險防控分析及安全預警技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)故障集自動生成、考慮連鎖故障的靜態(tài)安全分析、配電網(wǎng)風險評估可視化以及大規(guī)模清潔能源接入的電網(wǎng)風險評估和風險評估安全預警等功能，可以為調(diào)度運行人員進行故障風險評估提供可靠的決策依據(jù)，大大提高工作效率和風險預警水平。

[1]許丹，唐巍.基于區(qū)域可達性分析的復雜配電網(wǎng)可靠性評估[J].電工技術(shù)學報，2011（06）∶172-178.

[2]陳璨，吳文傳，張伯明，等.基于元件組的復雜配電網(wǎng)可靠性評估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012（08）∶81-86.

[3]蓋佳麒，張煥.含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評估綜述[J].廣東電力，2013（05）∶1-7.

[4]張勇，張勇軍.風電接入配電網(wǎng)可靠性評估綜述[J].廣東電力，2014（06）∶17-20.

[5]雷振，韋鋼，蔡陽，等.分布式電源大量接入對配電網(wǎng)可靠性評估的影響[J].能源技術(shù)經(jīng)濟，2011，23（6）∶25-29.

[6]董力通，周原冰，李蒙.智能電網(wǎng)對智能電表的要求及產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].能源技術(shù)經(jīng)濟，2010，22（1）：15-17.

[7]韋鋼，吳偉力，胡丹云，等.分布式電源及其并網(wǎng)時對電網(wǎng)的影響[J].高電壓技術(shù)，2007，01∶36-40.

[8]謝紹雄.電力發(fā)展要關(guān)注小型，分散電源的潛在市場[J].電力技術(shù)經(jīng)濟，1999，03∶62-63.

[9]宋軍英，董寒冰.基于應對自然災害的湖南電源接入電網(wǎng)方式初探[J].電力技術(shù)經(jīng)濟，2008，04∶15-19.

[10]易海瓊，李雋.基于序優(yōu)化理論的電源規(guī)劃方法研究[J].能源技術(shù)經(jīng)濟，2010（08）∶11-17.

[11]謝開貴，易武，夏天，等.面向開關(guān)的配電網(wǎng)可靠性評估算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，16∶40-44.

[12]王浩浩，管霖，邱生敏，等.基于地理信息系統(tǒng)的大規(guī)模配電網(wǎng)可靠性評估方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，04∶92-97.

[13]趙華，王主丁，謝開貴，等.中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法的比較研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，11∶3295-3302.

[14]徐光年，吉晏平，葉宇清，等.考慮外部影響因素的配電系統(tǒng)可靠性評估模型[J].能源工程，2014，05∶27-30.

[15]萬國成，任震，吳日昇，等.混合法在復雜配電網(wǎng)可靠性評估中的應用[J].中國電機工程學報，2004，09∶96-102.

（本文編輯：徐 晗）

Application of Distribution Network Risk Prevention Analysis and Safety Warning Technology

WANG Dazhi1，YANG Chenghe2，HOU Fangdi3
（1.State Grid Yuyao Power Supply Company，Yuyao Zhejiang 315400，China；2.State Grid Lishui Power Supply Company，Lishui Zhejiang 323000，China；3.School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

As the scale of distribution networks is becoming increasingly larger,both power supply enterprises and power consumers have stricter requirements on power distribution system reliability.This paper introduces the distribution network risk prevention analysis and safety warning technology.In accordance with features of distribution lines in Lishui and Yuyao,the paper introduces the implementation of the technology in terms of automatic system fault set generation,static safety analysis considering cascading faults and visualization of distribution network risk evaluation.Finally,the paper analyzes practicability and superiority of the technology in accordance with calculation examples of distribution networks in Lishui and Yuyao.

risk prevention analysis；safety warning technology；system fault set；the static security analysis；risk assessment visualization

TM732

B

1007-1881（2015）12-0064-05

2015-05-08

王大治（1979），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運行及自動化工作。