電力系統(tǒng)異常事件研究

摘 要：電力系統(tǒng)受到內(nèi)外部各種因素的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)各類(lèi)異常事件，容易造成不同程度的停電事故。在分析電網(wǎng)異常運(yùn)行狀態(tài)電氣量特征的基礎(chǔ)上，對(duì)異常事件進(jìn)行分類(lèi)，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論與方法，研究異常事件風(fēng)險(xiǎn)的定量計(jì)算方法。該方法通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)電壓、負(fù)荷功率和系統(tǒng)頻率等電氣量的隨機(jī)波動(dòng)過(guò)程，建立運(yùn)行參數(shù)異常事件概率和后果的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行和電網(wǎng)企業(yè)的管理決策具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；異常事件；節(jié)點(diǎn)電壓；負(fù)荷功率；系統(tǒng)頻率

中圖分類(lèi)號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）35-0106-02

引 言

近幾年世界各國(guó)大面積停電事故頻繁發(fā)生，而且間歇性能源發(fā)電的比例也不斷增加，電力系統(tǒng)自身具有脆弱性，容易受到各種不確定因素的影響，為異常事件的發(fā)生創(chuàng)造了條件。異常事件的發(fā)生將導(dǎo)致電力系統(tǒng)進(jìn)入異常的運(yùn)行狀態(tài)，而且異常事件的類(lèi)別多種多樣，最終的異常狀態(tài)也具有不同的表現(xiàn)特征。對(duì)于不同的異常程度，電氣參數(shù)將以不同的發(fā)展趨勢(shì)影響著停電事故發(fā)生的可能性。因此，有必要對(duì)電網(wǎng)的異常事件開(kāi)展深入的研究。

1 電力系統(tǒng)停電事件分析

1.1 停電事件分析

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，任何一次停電事故都可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響人們的日常生活。東京、倫敦、莫斯科、巴黎、紐約、印度、意大利等城市或國(guó)家均發(fā)生過(guò)大停電，可見(jiàn)大面積停電不僅僅是偶然的小概率事件[1]，它的出現(xiàn)具有一定的必然性，并且近幾年的發(fā)生率也明顯升高。另一方面，大面積停電事故造成的后果極其嚴(yán)重，倫敦大停電失負(fù)荷724MW，莫斯科大停電失負(fù)荷3539.5MW，巴黎大停電失負(fù)荷1136MW等，并且都造成了嚴(yán)重的交通癱瘓，停電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至更久。

在國(guó)內(nèi)，近幾年發(fā)生的大面積停電事故主要是2013年6月5日的上海大停電以及2012年4月10日的深圳大停電。上海“6.5”停電主要是由于一條500kV輸電線纜發(fā)生故障，導(dǎo)致其所供的下級(jí)三座110kV變電站停電，失負(fù)荷8萬(wàn)kW，停電1個(gè)多小時(shí)；深圳大停電的主要原因是設(shè)備故障，兩次的設(shè)備故障使得一個(gè)500kV變電站雙母線失壓，最終蔓延至8個(gè)變電站全站失壓，失負(fù)荷共759MW，停電時(shí)間達(dá)到1.5h[2]。

1.2 停電事故的演變機(jī)理

停電事故的誘因往往是電力系統(tǒng)內(nèi)部和外部所存在的各種隨機(jī)干擾，對(duì)系統(tǒng)造成了不同程度的擾動(dòng)，使其運(yùn)行狀況偏離于正常狀態(tài)。雖然電力系統(tǒng)受到的擾動(dòng)是隨機(jī)變化的，但是社會(huì)作息制度系統(tǒng)和用電習(xí)慣相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在時(shí)間上具有一定的重現(xiàn)性、在參數(shù)的變化上具有一定的規(guī)律性[3]。

對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多停電事故進(jìn)行分析研究，可以發(fā)現(xiàn)大面積停電的誘因主要包括自然天氣影響、設(shè)備裝置故障、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱和人為因素等，而這些誘因通常會(huì)使電網(wǎng)進(jìn)入一個(gè)異常運(yùn)行的狀態(tài)，表現(xiàn)為潮流越限、電壓跌落、頻率上升或者下降等，再加上一些推動(dòng)力事件的影響，使得這些異常參量在時(shí)間上增強(qiáng)、在空間上蔓延，異常事件所造成的后果不斷加劇，最終演變?yōu)榇笸ｋ?。大面積停電的演變機(jī)理如圖1所示，伴隨著表征參數(shù)的異常、惡化、崩潰，電力系統(tǒng)由正常狀態(tài)進(jìn)入異常狀態(tài)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺娣e停電狀態(tài)。

2 電力系統(tǒng)異常分析

2.1 異常事件的定義

異常狀態(tài)可以定義為沒(méi)有按照所期望的運(yùn)行規(guī)律運(yùn)行的狀態(tài)[4]，而異常事件則可以認(rèn)為是導(dǎo)致電力系統(tǒng)進(jìn)入異常狀態(tài)的事件。在電網(wǎng)異常事件發(fā)生的初始階段采取一定的防控措施，可以有效防止電網(wǎng)狀態(tài)惡化，并使其恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 異常事件的電氣量特征分析

通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)停電事件的研究和分析，歸納總結(jié)各類(lèi)停電事件的誘發(fā)原因和電氣量變化，大停電的誘因主要是負(fù)荷的異常變化和天氣因素的影響，而對(duì)于事件演變成大停電前，電力系統(tǒng)電氣量的特點(diǎn)主要包括：負(fù)荷功率、電壓、頻率的異常變化，并且也有可能由于天氣環(huán)境等原因?qū)е螺旊娋€路中斷引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)異常變化。

2.3 異常事件的分類(lèi)

異常事件作用于電力系統(tǒng)，將會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，電壓、頻率等電氣參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)異常變化，并且偏離正?？山邮艿姆秶?，使系統(tǒng)進(jìn)入電壓異常、功率異常、頻率異常等狀態(tài)。因此，從異常事件對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)造成的結(jié)果來(lái)看，可以分為造成電壓幅值異常的事件、造成負(fù)荷功率異常的事件和造成系統(tǒng)頻率異常的事件。

2.4 異常事件的概率模型

異常事件的發(fā)生會(huì)惡化電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，而不同的異常狀態(tài)的不良影響存在差異。因此，需要開(kāi)展異常事件風(fēng)險(xiǎn)的定量分析，研究異常事件對(duì)電網(wǎng)的影響程度。以電壓異常事件為例，當(dāng)電力系統(tǒng)受到眾多不確定因素的影響，負(fù)荷或者其他方面的很多因素都有可能引起電壓上升或下降超過(guò)規(guī)定的閾值。不失一般性，假設(shè)在t時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)的電壓由兩部分組成，分別為初始的電壓值和隨機(jī)變化的電壓波動(dòng)，如式（1）所示。

異常事件的發(fā)生概率可以通過(guò)蒙特卡羅法模擬求出。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論，電力系統(tǒng)異常事件的風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)應(yīng)的異常事件發(fā)生概率與其造成后果的乘積，計(jì)算表達(dá)式如式（2）所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)推演大面積停電事件的機(jī)理，分析電網(wǎng)異常狀態(tài)電氣特征量的變化，從電壓、功率和頻率三方面的異常表現(xiàn)來(lái)建立概率風(fēng)險(xiǎn)模型，量化分析異常事件的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]A Cameras，V E Lynch， I Dobson，et al.Complex dynamics of blackouts in power transmission system[J].Chaos An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science，2004，3（14）：643～652.

[2]胡晶晶.地區(qū)供電局大面積停電應(yīng)急機(jī)制研究[D].華南理工大學(xué)，2015.

[3]高中文，周蘇荃，劉有斌，等.電力系統(tǒng)運(yùn)行模式的建立問(wèn)題[J].華中電力，1994（2）：9～15.

[4]黃培清.試論異常系統(tǒng)運(yùn)行的兩個(gè)階段——決策和控制[J].系統(tǒng)工程，1987，5（1）：16～20.

收稿日期：2018-11-4