含UPFC南京西環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估研究

李 琥， 劉國靜， 朱 磊，胡曉燕, 談 健， 朱鑫要

( 1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 江蘇 南京 210008；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是當(dāng)前靈活交流輸電技術(shù)發(fā)展的前沿產(chǎn)品，它能夠同時(shí)調(diào)控系統(tǒng)的電壓、阻抗及功角等參數(shù)，具有靈活控制潮流、提高電網(wǎng)傳輸能力及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等多種功能[1-2]。2015年底，為解決南京220 kV西環(huán)網(wǎng)中關(guān)鍵輸電斷面輸電能力不足、新的輸電通道難以建設(shè)等實(shí)際問題，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司建成投運(yùn)了世界首個(gè)基于模塊化多電平(modular multilevel converter，MMC)技術(shù)的220 kV UPFC工程[3-4]。南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC工程投運(yùn)一年多來，多次調(diào)整控制策略，緩解了南京西環(huán)網(wǎng)輸電斷面的重載問題，發(fā)揮了巨大的工程效用。

然而，目前關(guān)于南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的研究中，更多的是從工程建設(shè)、運(yùn)行分析等方面展開研究[5-9]，對UPFC自身可靠性，尤其是對UPFC投運(yùn)后對電網(wǎng)整體可靠性的影響分析還相對較少。文獻(xiàn)[10]將UPFC三狀態(tài)、四狀態(tài)可靠性模型擴(kuò)展到九狀態(tài)，能夠考慮UPFC降額運(yùn)行、單換流器運(yùn)行等運(yùn)行方式，在此基礎(chǔ)上建立UPFC靈敏度解析模型，能夠更精確地獲取UPFC停運(yùn)概率。文獻(xiàn)[11]分析了UPFC隨機(jī)故障和不同的控制策略對系統(tǒng)失穩(wěn)概率指標(biāo)的影響，并基于非序貫蒙特卡洛模擬方法建立了分析流程，以修正EPRI-36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[12]考慮了母線電壓、線路潮流對UPFC停運(yùn)概率的影響，在此基礎(chǔ)上建立了含UPFC的負(fù)荷削減模型，可通過事故后的UPFC控制降低系統(tǒng)切負(fù)荷概率指標(biāo)。為保障UPFC的可靠運(yùn)行，實(shí)際中一般對其重要的子系統(tǒng)需配置備品、備件以減少故障停運(yùn)時(shí)間，現(xiàn)有研究在UPFC可靠性建模中對備用元件的考慮尚不夠充分。

隨著后續(xù)電網(wǎng)發(fā)展，江蘇電網(wǎng)必然會采用更多的柔性輸電裝置。然而，這些柔性輸電裝置的可靠性將不可避免的對江蘇電網(wǎng)的可靠性帶來影響。因此，有必要以南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC為研究對象，開展可靠性分析研究，為后續(xù)柔性輸電裝置在江蘇應(yīng)用提供借鑒分析。

1 南京220 kV UPFC工程概況

南京西環(huán)網(wǎng)主要由500 kV龍王山變電站和500 kV東善橋變電站從南北兩端供電，區(qū)域內(nèi)帶有華能南京電廠、華潤南京電廠等電源。西環(huán)網(wǎng)的供電范圍包括主城西部、河西新城、奧體新城等，集聚了政府機(jī)關(guān)、高等院校等較多重要負(fù)荷。南京西環(huán)網(wǎng)地處南京中心城區(qū)，無論是新建輸電通道還是對現(xiàn)有通道實(shí)施增容改造，均存在投資巨大、實(shí)施難度大的問題。為解決南京西環(huán)網(wǎng)潮流分布不均問題，2015年，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司建成了220 kV UPFC示范工程。該工程在220 kV曉莊—鐵北雙線上裝設(shè)2×60 MV·A串聯(lián)換流器，在220 kV燕子磯變電站35 kV母線上裝設(shè)1×60 MV·A并聯(lián)換流器,如圖1所示。

圖1 UPFC安裝位置Fig. 1 The installation location of UPFC

2 含UPFC可靠性評估

2.1 UPFC子系統(tǒng)可靠性模型

按照功能和連接關(guān)系，UPFC可劃分為4個(gè)子系統(tǒng)：VSC換流橋子系統(tǒng)，主要有換流閥組、換流閥冷卻設(shè)備及保護(hù)裝置等；換流變壓器子系統(tǒng)，包括單相三繞組換流變壓器、交流側(cè)斷路器等；控制及保護(hù)子系統(tǒng)；極設(shè)備子系統(tǒng)，包括中性點(diǎn)接地支路及相關(guān)開關(guān)元件。

UPFC各子系統(tǒng)及組成元件是可修復(fù)的且每個(gè)元件的狀態(tài)數(shù)是有限的，主要是運(yùn)行、檢修、安裝3種狀態(tài)，并且每個(gè)元件的壽命和修復(fù)時(shí)間都服從指數(shù)分布，可看作在空間上具有若干的離散可識別的狀態(tài)且在時(shí)間上是連續(xù)的系統(tǒng)，因而可以用穩(wěn)態(tài)馬爾科夫過程來建模[13]。因此，可以按照容量水平建立子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖，同時(shí)也可將子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖組合成整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖。

UPFC的重要設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且檢修時(shí)間長，如果子系統(tǒng)中設(shè)備故障，整個(gè)系統(tǒng)可能將無法運(yùn)行因而一些重要設(shè)備都有備用元件。對于各個(gè)子系統(tǒng)的建模需要考慮到備用的數(shù)量和所處的狀態(tài)。

2.1.1 無備用元件的可靠性模型

不考慮元件備用時(shí)，可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來模擬元件的運(yùn)行、檢修和安裝3個(gè)隨機(jī)過程。狀態(tài)空間圖如圖2所示，其中，100%和0%分別表示元件處于100%容量狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)；1運(yùn)行表示1個(gè)元件在運(yùn)行，0備用表示沒有元件處于備用狀態(tài)，1和0分別是處于該狀態(tài)的元件數(shù)；運(yùn)行和備用表示元件所處狀態(tài)；狀態(tài)1，狀態(tài)2表示元件處于不同的狀態(tài)；λ為元件的故障率；μ為元件的修復(fù)率；γ為元件的安裝率。λ，μ，γ單位均為次/a。

圖2 不帶備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.2 State transition diagram without backup

根據(jù)圖2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，無備用時(shí)元件的轉(zhuǎn)移概率密度矩陣A如式(1)。

(1)

平穩(wěn)狀態(tài)概率滿足：

(2)

式中：(p1,…,pN)為各個(gè)狀態(tài)的概率。求解式(2)，得到圖中3個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)概率p1,p2,p3。進(jìn)一步根據(jù)式(3—5)可求得元件等效可靠性參數(shù)。

λeq=λ

(3)

(4)

(5)

式中：λeq為元件的等效故障率；μeq為元件的等效故障修復(fù)率；γeq為元件的等效故障修復(fù)時(shí)間。

2.1.2 帶冷備用元件的可靠性模型

部分設(shè)備的修復(fù)過程較長，而更換過程時(shí)間相對較短，因此通常準(zhǔn)備一個(gè)冷備用元件。當(dāng)運(yùn)行元件發(fā)生故障，將其退出運(yùn)行，再安裝備用元件，安裝調(diào)試完畢，裝置即可恢復(fù)正常運(yùn)行。元件造價(jià)高，所以通常只準(zhǔn)備一個(gè)備用元件，同時(shí)認(rèn)為元件在處于備用狀態(tài)時(shí)不會發(fā)生故障。當(dāng)設(shè)備分別帶一個(gè)冷備用元件，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示，這種情況下裝置有5種運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 元件帶一個(gè)冷備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.3 State transition diagram with one backup

根據(jù)圖3的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，元件帶1個(gè)備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A如式(6)。求解式(6)得到圖3中各個(gè)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。進(jìn)一步根據(jù)式(7—9)可求得元件等效可靠性參數(shù)。

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 UPFC可靠性模型

各個(gè)子系統(tǒng)按照上文所述方法建立兩狀態(tài)模型，各個(gè)子系統(tǒng)都對整個(gè)裝置的正常運(yùn)行有著重要的影響，任意子模塊故障，系統(tǒng)都要退出運(yùn)行狀態(tài)，因此整個(gè)裝置的可靠性評估模型可以看作是各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性評估模型串聯(lián)而成，得到整個(gè)裝置的模型，狀態(tài)空間圖如圖4所示。圖中λeqi和μeqi分別是各個(gè)子系統(tǒng)的等效故障率和等效修復(fù)率。

圖4 UPFC狀態(tài)空間轉(zhuǎn)移Fig.4 UPFC state transition diagram

按照元件串聯(lián)的關(guān)系，用串聯(lián)等值公式可以求得整個(gè)UPFC的兩狀態(tài)模型和對應(yīng)的可靠性指標(biāo)。

(10)

(11)

(12)

式中：λUPFC是裝置的等效故障率；γUPFC是每次故障平均修復(fù)時(shí)間；μUPFC是等效修復(fù)率。

2.3 含UPFC系統(tǒng)可靠性評估基本流程

含UPFC電網(wǎng)可靠性計(jì)算流程與常規(guī)電網(wǎng)可靠性計(jì)算總流程基本一致[14-15]，主要包括以下4個(gè)步驟：

(1) 建立元件可靠性模型。UPFC可靠性建模方法如2.1-2.3節(jié)所述，最終可獲得UPFC系統(tǒng)兩狀態(tài)的等效可靠性參數(shù)。系統(tǒng)中其它的發(fā)電機(jī)組、輸電線路、變壓器等元件采用常規(guī)兩狀態(tài)模型。

(2) 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)隨機(jī)模擬抽樣。文中采用蒙特卡洛模擬法對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行隨機(jī)抽樣[16-17]。

(3) 故障狀態(tài)分析。對于出現(xiàn)元件故障的抽樣狀態(tài)，若出現(xiàn)支路潮流越限，則考慮通過發(fā)電機(jī)組功率調(diào)整或UPFC參數(shù)調(diào)整的方式消除支路潮流越限。文中采用的啟發(fā)式調(diào)整過程如圖5所示。

圖5 支路越限調(diào)整流程Fig.5 Adjustment process of line power

(4) 可靠性指標(biāo)計(jì)算。文中計(jì)算了切負(fù)荷頻率、切負(fù)荷持續(xù)時(shí)間、電量不足期望值等18項(xiàng)可靠性指標(biāo)。

3 實(shí)例分析

3.1 可靠性參數(shù)計(jì)算

發(fā)電機(jī)、線路、主變的可靠性參數(shù)基于中電聯(lián)可靠性中心發(fā)布參數(shù)。發(fā)電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)為0.34 次/(臺·a)，停運(yùn)時(shí)間為24.44 h/(臺·a)。線路、主變可靠性參數(shù)如表1所示。

表1 線路和主變可靠性參數(shù)Tab. 1 Line and transformer reliability data

UPFC裝置中主要組合元件的可靠性原始參數(shù)參照柔性直流輸電子系統(tǒng)可靠性參數(shù)[18]，具體如表2所示。

表2 UPFC子系統(tǒng)可靠性參數(shù)Tab. 2 UPFC reliability data

按照前文所述子模塊可靠性建模方法分別計(jì)算各個(gè)子模塊的可靠性參數(shù)，再按狀態(tài)合并方法得到各個(gè)子模塊的兩狀態(tài)模型和對應(yīng)的等效故障率、修復(fù)率。在元件是否有備用元件不同情況下的UPFC可靠性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 UPFC可靠性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 不同規(guī)劃方案可靠性對比分析

為下列3種規(guī)劃方案進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證UPFC對電網(wǎng)可靠性的影響。

(1) 新建線路方案。將220 kV華能南京—曉莊南側(cè)線路單開環(huán)入220 kV碼頭，需建設(shè)電纜線路2×9 km，投資約9億元。

(2) 線路倍容方案。將蘇下關(guān)—蘇曉莊和蘇曉莊—蘇中央線路約擴(kuò)容，由原先750 A擴(kuò)容到1500 A，需更換導(dǎo)線約30 km，但線路附近有高架路、居民小區(qū)、高層商住樓、京滬電氣化鐵路、加油站等設(shè)施，方案難以實(shí)施。

(3) 裝設(shè)UPFC方案。本節(jié)計(jì)算選用UPFC可靠性參數(shù)：故障率=4.372 次/a，修復(fù)時(shí)間=15.324 8 h/(次·a)。3種情況下的可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab. 4 Calculation result of power system reliability

通過表4可知，新建線路方案、線路倍容方案可靠性均略高于線路倍容方案。這主要是由于新建線路方案、線路倍容方案從根本上提升了電網(wǎng)傳輸能力，因此可靠性略高。

然而，新建線路方案總投資遠(yuǎn)高于UPFC方案，同時(shí)其經(jīng)濟(jì)成本過高，且更換倍容導(dǎo)線方案由于政處原因，難以實(shí)施。因此，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性與可行性，南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)UPFC仍是合適方案。

3.3 UPFC安裝位置不同可靠性影響分析

UPFC不同的安裝位置也會對可靠性帶來一定影響，此處重點(diǎn)分析了UPFC分別安裝在鐵北—曉莊雙回、曉莊—中央與曉莊—下關(guān)線路、堯化—東陽雙回雙回不同位置下對電網(wǎng)可靠性的影響。

表5 UPFC不同安裝位置下可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab. 5 Reliability calculation results under different installation positions of UPFC

通過表5可知，UPFC不同安裝位置對可靠性影響較大，UPFC安裝在鐵北—雙回線上可靠性比在曉莊—中央、曉莊—下關(guān)雙線上可靠性下降50%；如果安裝在堯化—東陽雙線上，可靠性下降約500%。

4 結(jié)語

文中針對含UPFC南京西環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1) 在UPFC可靠性建模中考慮有無備用元件的影響，能夠使UPFC模型更貼近實(shí)際，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；

(2) 在故障狀態(tài)分析過程中，通過啟發(fā)式方法計(jì)及UPFC參數(shù)調(diào)整消除線路潮流越限的作用，具有較高的計(jì)算效率；

(3) 在南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，裝設(shè)UPFC方案的可靠性水平略低于新建線路方案和線路倍容方案，但考慮經(jīng)濟(jì)性因素后，裝設(shè)UPFC方案最為合適；

(4) UPFC不同安裝位置對可靠性影響較大，在選擇安裝位置時(shí)需經(jīng)詳細(xì)比較確定。

[1] GYUGYI L．Unified power-flow control concept for flexible AC transmission systems[J]． IEEE Proceedings，1992， 139(4)：323-331．

[2] GYUGYI L， SCHAUDER C D， WILLIAMS S L，et al．The unified power flow controller：a new approach to power transmission control[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10(2)：1085-1097．

[3] 竇 飛． 統(tǒng)一潮流控制器在南京220 kV西環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用研究 [D]． 華北電力大學(xué)，2015．

DOU Fei. Research on applications of UPFC in Nanjing 220 kV west loop[D]. North China Electric Power University，2015.

[4] 楊曉峰，林智欽，鄭瓊林，等． 模塊組合多電平變換器的研究綜述 [J]． 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(6)：1-14．

YANG Xiaofeng，LIN Zhiqin，ZHENG Qionglin，et al. A review of modular multilevel converter[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33(6)：1-14．

[5] 蔡 暉, 祁萬春, 黃俊輝,等. 統(tǒng)一潮流控制器在南京西環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(8):73-78.

CAI Hui，QI Wanchun，HUANG Junhui，et al. Application of UPFC in Nanjing western power system[J]. Electric Power System，2015, 36(8):73-78.

[6] 林金嬌, 李 鵬, 孔祥平,等. 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC保護(hù)系統(tǒng)及配合策略[J]. 電力工程技術(shù), 2015, 34(6):56-60.

LIN Jinjiao，LI Peng，KONG Xiangping，et al. The UPFC protection system configuration and action strategy in Nanjing western power grid[J]. Electric Power Engineering Technology, 2015, 34(6):56-60.

[7] 王 瑩, 甄宏寧, 常寶立,等. UPFC在南京西環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)用需求分析[J]. 電力工程技術(shù), 2016, 35(1):53-56.

WANG Ying, ZHEN Hongning, CHANG Baoli, et al. Research on the application of UPFC in Nanjing western grid[J]. Electric Power Engineering Technology, 2016, 35(1):53-56.

[8] 陳 剛, 李 鵬, 袁宇波. MMC-UPFC在南京西環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用及其諧波特性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(7):121-127.

CHEN Gang, LI Peng, YANG Yubo. Application of MMC-UPFC on Nanjing western grid and its harmonic analysis[J]. Automation of Electric Power System, 2016, 40(7):121-127.

[9] 祁萬春, 楊 林, 宋鵬程,等. 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程系統(tǒng)級控制策略研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(1):92-96.

QI Wanchun, YANG Lin, SONG Pengcheng, et al. UPFC system control strategy research in Nanjing western power grid[J].Power System Technology, 2016, 40(1):92-96.

[10] 李生虎，馬燕如，董王朝. UPFC擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)空間模型和基于矩陣描述的可靠性靈敏度解析算法 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(增刊):44-51.

LI Shenghu，MA Yanru，DONG Shengchao. Extended state space modeling and analytical reliability sensitivity algorithm based on matrix description for UPFC [J]. Proceedings of the CSEE，2015，35:44-51.

[11] 丁 明，湯海雁，吳紅斌. 含UPFC的電力系統(tǒng)概率穩(wěn)定分析 [J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2003，23(5):1-4.

DING Ming，TANG Haiyan，WU Hongbin. Probabilistic stability analysis of power system with UPFC[J]. Electric Power Automation Equipment，2003，23(5):1-4.

[12] 李 立，魯宗相，邱阿瑞. 基于新負(fù)荷削減模型的UPFC優(yōu)化配置 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(13):6-10.

LI Li，LU Zongxiang，QIU Arui. Optimal allocation of UPFC based on a new load curtailments model[J]. Automation of Electric Power System，2010，34(13):6-10.

[13] 王 勇, 韓學(xué)山, 丁 穎,等. 基于馬爾科夫鏈的電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性快速評估[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(2):405-410.

WANG Yong, HAN Xueshan, DING Ying, et al. Markov chain-based rapid assessment on operational reliability of power grid[J]. Power System Technology, 2013, 37(2):405-410.

[14] 張巍峰, 車延博, 劉陽升. 電力系統(tǒng)可靠性評估中的改進(jìn)拉丁超立方抽樣方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(4):52-57.

ZHANG Weifeng, CHEN Yanbo, LIU Yangsheng. Improved Latin hypercube sampling method for reliability evaluation of power systems[J]. Automation of Electric Power System, 2015,39(4):52-57.

[15] 暴英凱, 王 越, 唐俊熙,等. 序貫蒙特卡洛方法在電力系統(tǒng)可靠性評估中的應(yīng)用差異分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(5):1189-1195.

BAO Yingkai, WANG Yue, TANG Junxi, et al. Analysis on differences of applying sequential Monte Carlo methods in power grid reliability assessment[J]. Power System Technology, 2014, 38(5):1189-1195.

[16] 葛少云, 王浩鳴, 徐 櫟. 基于蒙特卡洛模擬的分布式風(fēng)光蓄發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(4):39-44.

GE Shaoyun，WANG Haoming, XU Li. Reliability of evaluation of distributed generating system including wind energy, solar energy and battery storage using Monte Carlo simulation[J]. Power System Technology, 2012, 36(4):39-44.

[17] 麻常輝, 梁 軍, 楊永軍,等. 基于蒙特卡羅模擬法的輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(4):99-102.

MA Changhui, LIANG Jun, YANG Yongjun, et al. Monte Carlo simulation based flexible planning of power transmission network[J]. Power System Technology, 2009, 33(4):99-102.

[18] 丁 明，畢 銳，王京景. 基于FD 法和模型組合的柔性直流輸電可靠性評估[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36

(21):33-37.

DING Ming，BI Rui，WANG Jingjing. FD method and combined model for reliability assessment of HVDC flexible[J]. Power System Protection and Control, 2008, 36(21):33-37.