城市核心電網規(guī)劃的可靠性充裕度等值評估

張 林，張繼紅，劉欣宇，邊宏宇，賴民昊

（國網重慶市電力公司，重慶400014）

城市核心電網規(guī)劃的可靠性充裕度等值評估

張 林，張繼紅，劉欣宇，邊宏宇，賴民昊

（國網重慶市電力公司，重慶400014）

對與城市核心電網相連的其他電網進行充裕度等值及可靠性評估，仿真算例證明該方法能有效提高城市核心電網的可靠性評估精度和速度，為城市核心電網的電力規(guī)劃、設計和運行管理決策提供更為準確有效的理論支撐。

城市核心電網；充裕度等值；可靠性評估

最近10年來，國家電網朝著交直流混聯(lián)堅強智能系統(tǒng)的方向快速發(fā)展，隨著特高壓交直流電網、500 kV及以下不同電壓等級電網的協(xié)調發(fā)展，城市核心電網與周邊其他電網的聯(lián)系愈加緊密，電網的規(guī)劃和運行管理決策的非線性度與復雜度與日俱增。城市電網規(guī)劃決策具有規(guī)模大、不確定因素多、涉及領域廣的特點，是一項復雜艱巨的系統(tǒng)工程。從電網規(guī)劃階段提高供電可靠性是提升供電公司核心競爭力的有效手段。但是，由于技術或涉及行業(yè)機密等原因，城市電網間往往無法進行完備的數(shù)據(jù)交換，即使可以獲取其他電網的完整數(shù)據(jù)，龐大的計算量和儲存量也使普通的計算設備難以負擔［1］。所以，希望現(xiàn)有的城市核心電網可靠性評估不考慮相連外部電網的影響，將其視為絕對可靠，但該方法存在明顯誤差，在某些情況下可能導致決策錯誤。因此，在進行城市核心電網可靠性評估時就需要對周邊其他電網進行基于概率充裕度的科學等值，以快速、準確地獲得可靠性評估結果。

等值方法的基本思路是：把不需要詳細研究或無法直接獲取完備數(shù)據(jù)的網絡用一個等值模型來代替。該等值模型需保留進一步研究所需的必要信息，且規(guī)模通常較小。文獻［2－3］在全網信息都已知的條件下，對發(fā)輸電系統(tǒng)中不需要詳細研究的部分進行了充裕度等值，有效減少了對研究系統(tǒng)進行可靠性評估所耗費的時間，但未考慮當城市核心電網難以獲取周邊電網詳細數(shù)據(jù)時的情況?；诔湓６鹊戎档姆椒蓪χ苓呺娋W精確等值，用等值后的模型為核心城市電網提供可靠性評估所需的研究信息，以此提高城市核心電網可靠性評估的精度。

因此，本文利用充裕度等值法對與城市核心電網相連的周邊電網進行等值，通過等值網絡將外部電網的影響因子保留在城市核心電網的可靠性評估中。由此提高城市核心電網可靠性評估的精度，并進一步保證城市核心電網規(guī)劃決策的有效性。

1 充裕度等值方法

1．1 等值模型

等值前互聯(lián)系統(tǒng)如圖1所示。在對城市核心電網進行可靠性評估時，通常把城市核心電網作為內網，周邊其他電網作為外網，通過聯(lián)絡線將兩個區(qū)域聯(lián)系在一起。其中，外網通過聯(lián)絡線與內網相連的節(jié)點作為邊界節(jié)點。

圖1 等值前互聯(lián)系統(tǒng)

本文采用可用容量、概率、頻率和停運水平等表示外網的充裕度等值結果，充裕度等值模型如圖2所示。等值發(fā)電機容量Ge和等值負荷Le表示可用容量信息?？捎萌萘渴莾染W的可靠性評估中需要的重要外網信息，可通過枚舉法或潮流計算獲得。外網等值后的可用容量為能傳輸?shù)竭吔绻?jié)點的最大可用容量。該可用容量可為正數(shù)、零或負數(shù)：當可用容量為負時，表示外網需要內網的功率支撐；當可用容量為零時，表示在外網內部功率的供需達到平衡；當可用容量為正時，表示外網有富余的功率，在內網功率不足時可以為內網提供功率支撐。圖2中，等值發(fā)電機容量Ge為假設外網系統(tǒng)中負荷為零時，外網能傳輸?shù)竭吔绻?jié)點處可用容量；等值負荷Le為等值發(fā)電機容量滿足外網所需負荷后能傳輸?shù)竭吔绻?jié)點處的可用容量。

圖2 充裕度等值后系統(tǒng)

另外，外網任意故障狀態(tài)的概率和頻率是最基本的系統(tǒng)參數(shù)，每個狀態(tài)對應的同時故障元件數(shù)，即停運水平，也是重要的系統(tǒng)參數(shù)。

如果1個停運事件中，有l(wèi)個元件正常工作，m個元件發(fā)生故障，假設發(fā)電元件和輸電元件的失效率和修復率是相互獨立的，那么發(fā)生這個停運事件的概率和頻率可以由式（1）和式（2）得到：

式中：a＝1，2，…，l；b＝1，2，…，m；Ps為狀態(tài)s的概率；Fs為狀態(tài)s的頻率；Aa為元件a的可用率；Ub為元件b的不可用率；λa為元件a的失效率；μb為元件b的修復率。

在分析完所有系統(tǒng)狀態(tài)后，那些對系統(tǒng)影響相同且停運水平一致的狀態(tài)，可以通過公式（3）和（4）進行合并：

式中：E是對系統(tǒng)影響相同且停運水平相同的狀態(tài)的集合。

1．2 可靠性評估

在對內網可靠性進行評估之前，首先需要單獨對內網故障狀態(tài)進行分析，計算獲得包括聯(lián)絡線在內的內網每個狀態(tài)的停運水平及其對應的概率和頻率。

假設等值網絡的故障狀態(tài)數(shù)為neq，內網和聯(lián)絡線的故障狀態(tài)數(shù)為nI，考慮外網的影響，對內網進行分析時的故障狀態(tài)數(shù)為neq×nI。整個系統(tǒng)的停運水平和系統(tǒng)概率、頻率由式（5）～（7）計算得到。

式中：i＝1，2，…，nI；j＝1，2，…，neq；k＝（i－1）neq＋j；Lt（k），Pt（k），F(xiàn)t（k）分別為互聯(lián)系統(tǒng)狀態(tài)k的停運水平、概率和頻率；LI（i），PI（i），F(xiàn)I（i）分別為不考慮外網影響時內網狀態(tài)i的停運水平、概率和頻率；Leq（j），Peq（j），F(xiàn)eq（j）分別為外網狀態(tài)j的停運水平、概率和頻率。

可靠性評估中，充裕度指標主要包括切負荷概率（probability load curtalments，PLC）、切負荷頻率（expected frequency of load curtailments，EFLC）、負荷切除期望值（expected load curtailments，ELC）、電量不足期望值（expected energy not supplied，EENS）、切負荷持續(xù)時間（expected duration of load curtail ments，EDLC），其計算公式見式（8）～（12）：

式中：M是有切負荷的系統(tǒng)狀態(tài)集合；C（k）為狀態(tài)k下削減的負荷功率。

2 算例分析

簡單輻射系統(tǒng)如圖3所示。本文采用兩個2節(jié)點的簡單輻射系統(tǒng)模擬城市核心電網（內網）和與之相連的電網（外網），該系統(tǒng)發(fā)電機和線路參數(shù)如表1所示。

圖3 簡單輻射系統(tǒng)

表1 發(fā)電機和線路參數(shù)

本文將對以下兩種情況下內網的可靠性評估仿真結果進行對比：case 1，即不考慮外網影響，將其看作100%可靠；case 2，即考慮外網充裕度等值模型。

圖3中，外網系統(tǒng)的充裕度等值模型如表2所示。在表2中：第1欄為狀態(tài)編號；第2欄為停運水平，其中00表示沒有元件（發(fā)電機和線路）發(fā)生故障，01和02分別表示1和2臺發(fā)電機組發(fā)生故障，10和20分別表示1和2條線路退出運行，11則表示1臺發(fā)電機和1條線路同時故障，其他故障狀態(tài)依次類推；第3欄和第4欄分別代表等值發(fā)電機容量和負荷，在圖3的網絡中可由枚舉法獲得；第5欄和第6欄為外網的概率和頻率，可由公式（1）～（4）獲得。

表2 外網充裕度等值模型

單獨對內網和聯(lián)絡線分析時，其概率和頻率可類似地由式（1）～（4）計算獲得。假設在可靠性評估中只考慮互聯(lián)系統(tǒng)二階以內的故障，因此內網（包括聯(lián)絡線）的充裕度指標計算也僅考慮二階以內的故障狀態(tài)。同時，假設當系統(tǒng)發(fā)電機出力不足時，各節(jié)點負荷（包括邊界節(jié)點）按比例削減。以對互聯(lián)系統(tǒng)直接進行全網計算的內網停運表和充裕度指標為基準，計算在case 1和case 2兩種情況下，內網（包括聯(lián)絡線）的概率頻率、充裕度系統(tǒng)指標及節(jié)點3的充裕度負荷點指標的相對誤差，其結果分別如表3至表5所示。

由表3可以看出，無論是概率還是頻率的相對誤差，case 2的誤差都比case 1小，尤其是當內網停運水平為00，即內網沒有元件故障時，case 1頻率的相對誤差達到了62．048 3%，而case 2頻率的相對誤差接近于0。同時，case 2在內網各停運水平下，概率和頻率的相對誤差都保持在0．001%以內。

另外，由表4和表5可以看出，case 2的充裕度系統(tǒng)指標和負荷點指標的相對誤差都不超過0．001%。而case 1的充裕度系統(tǒng)指標和負荷點的相對誤差最大值均超過了80%。綜上所述，通過對外網的充裕度等值，可在內網的可靠性評估中有效保留外網的影響，大幅提高內網可靠性評估的精度。

表3 內網的概率頻率相對誤差%

表4 內網的充裕度系統(tǒng)指標相對誤差%

表5 節(jié)點3的充裕度負荷點指標相對誤差%

3 結論

本文闡述了充裕度等值法的基本原理，并對內網進行了可靠性評估。通過一個小系統(tǒng)模擬城市核心電網及其周邊電網，從而進行仿真，計算結果證明，通過對外網的充裕度等值能夠有效保留外網對內網的影響，大幅提高內網可靠性評估的精度，為城市核心電網的規(guī)劃決策提供更為準確有效的理論支持。

［1］ 余娟，張勉，朱柳，等．考慮靈敏度一致性的外網靜態(tài)等值新理論研究［J］．中國電機工程學報，2013，33（10）：64－70．

［2］ BILLINTON R，ZHONGW．An adequacy equivalent ap proach for composite power system reliability evaluation［C］／／WESCANEX 95．Communications，Power，and Computing．Conference Proceedings．IEEE．IEEE，1995，1：163－168．［3］ BILLINTON R，ZHONG W．Enhanced adequacy equiva lent for composite power system reliability evaluation［J］．IEE Proceedings Generation，Transmission and Distribu tion，1996，143（5）：420－426．

A Study on the Adequacy Equivalent Reliability Evaluation of the Planning of Core Urban Power Grids

ZHANG Lin，ZHANG Jihong，LIU Xinyu，BIAN Hongyu，LAIMinhao
（State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400014，P．R．China）

This paper introduces the adequacy equivalent reliability evaluation of other power grids connected with complex core urban power grids．Simulation examples have proved that the approach of the evaluation can not only effectively improve the accuracy and speed of the reliability evaluation of core urban power grids but also provide accurate and effective theoretical support for the power planning，the design and the operation and management deci sion－making of core urban power grids

core urban power grid；adequacy equivalence；reliability evaluation

TM732

A

1008 8032（2017）02 0013 03

2016－11－03

該文獲重慶市電機工程學會2016年學術年會優(yōu)秀論文一等獎

張 林（1975－），高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化，電力系統(tǒng)調度與控制。