考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略的大電網(wǎng)實時風(fēng)險評估

康 鵬，陳俊全，姚 剛，宋 弦，白宏宇，楊 帥

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽 550002）

實時風(fēng)險評估是電網(wǎng)調(diào)度運行分析的關(guān)鍵內(nèi)容，也是實時運行控制中重要的決策參考依據(jù)［1］。近年來，隨著新能源發(fā)展、交直流電網(wǎng)互聯(lián)擴大，電網(wǎng)運行特性日趨復(fù)雜，準(zhǔn)確高效的大電網(wǎng)實時風(fēng)險評估方法已成為調(diào)度運行分析領(lǐng)域的研究熱點。

大電網(wǎng)實時風(fēng)險評估一般包括風(fēng)險辨識、故障模擬、影響分析與風(fēng)險量化等步驟［2］。文獻［3］研究了風(fēng)電波動對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的影響，提出了高滲透率電網(wǎng)下的電網(wǎng)運行風(fēng)險評估方法。文獻［4］分析了通信網(wǎng)絡(luò)故障對電網(wǎng)運行造成的影響，提出了基于大數(shù)據(jù)的電力通信網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險分析模型與評價方法。文獻［5-6］則從外部因素出發(fā)，分析了自然災(zāi)害對電網(wǎng)設(shè)備運行的影響，提出了考慮自然災(zāi)害影響的電網(wǎng)運行風(fēng)險評價方法。文獻［7］研究了基于OPA連鎖故障模型的風(fēng)險評估方法。文獻［8］研究了動態(tài)N-1掃描方法，本質(zhì)上是一種針對設(shè)備故障的連鎖故障分析方法。文獻［9-10］研究了基于關(guān)鍵場景的暫態(tài)故障分析方法，主要用于解決實時電網(wǎng)運行分析中的暫態(tài)穩(wěn)定評估分析問題。文獻［11-12］均研究了風(fēng)險評估量化方法，以更客觀的反映不同故障發(fā)生后所造成的損失及其發(fā)生概率。

當(dāng)前的研究集中于連鎖故障分析方法。但是在建模中對二道防線、三道防線相關(guān)的控制系統(tǒng)考慮較少。部分考慮二、三道防線的研究主要用于解決離線分析問題，難以滿足實時分析的要求［13-14］。

為此，本文將研究考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略的大電網(wǎng)實時風(fēng)險分析方法。首先介紹穩(wěn)控系統(tǒng)基本概念，并構(gòu)建穩(wěn)控系統(tǒng)實時風(fēng)險分析簡化模型；在此基礎(chǔ)上，進一步考慮實時風(fēng)險分析特點，提出考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作的風(fēng)險分析方法。最后基于某地區(qū)電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，驗證本文所提出方法的有效性。

1 穩(wěn)控系統(tǒng)策略模型

1.1 基本概念

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的作用是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，采取切除負荷、切除機組等緊急控制措施，確保電網(wǎng)能夠維持穩(wěn)定運行［15-16］。

可采用不同的標(biāo)準(zhǔn)將穩(wěn)控系統(tǒng)劃分為不同類型。按照控制策略部署架構(gòu)，可將穩(wěn)控系統(tǒng)劃分為就地型、區(qū)域型和混合型。就地型穩(wěn)控系統(tǒng)中控制策略分散部署于不同控制子站，各子站根據(jù)本地電網(wǎng)運行狀態(tài)和其他子站傳輸?shù)倪\行狀態(tài)，進行邏輯判斷，下達控制策略。區(qū)域型穩(wěn)控系統(tǒng)中控制策略則集中于控制主站，各子站主要承擔(dān)運行信息采集及控制指令執(zhí)行作用，由控制主站根據(jù)運行信息制定控制策略。混合型穩(wěn)控系統(tǒng)則介于就地型與區(qū)域型之間，控制策略主要集中于控制主站，并有部分控制策略部署于子站。按照控制策略制定方式，可將穩(wěn)控系統(tǒng)劃分為離線型、在線型兩類。離線型穩(wěn)控系統(tǒng)中控制策略一般依據(jù)電網(wǎng)典型運行方式，離線方式分析計算得到，實時運行中則根據(jù)運行狀態(tài)對照各控制策略的動作條件，選取相應(yīng)的控制手段。在線型穩(wěn)控系統(tǒng)中控制策略則采取實時運行分析的方式，根據(jù)電網(wǎng)實際運行狀態(tài)，模擬仿真計算得到。

從當(dāng)前情況來看，盡管離線型穩(wěn)控系統(tǒng)存在預(yù)留安全裕度、防控偏保守、潛在特殊故障考慮不全等問題，但由于實時運行仿真計算耗時較長，準(zhǔn)確性難以保證，實際應(yīng)用仍以離線型穩(wěn)控系統(tǒng)為主。在線型穩(wěn)控系統(tǒng)尚處于試點建設(shè)階段，以試運行方式應(yīng)用。而從控制策略部署架構(gòu)來看，混合型穩(wěn)控系統(tǒng)已成為應(yīng)用最廣泛的架構(gòu)方式，原因在于該架構(gòu)能夠充分利用就地型、區(qū)域型兩種架構(gòu)的優(yōu)勢，部署相對靈活，能夠根據(jù)不同控制策略的實際情況，合理安排部署。

1.2 控制模型

根據(jù)上述介紹，本文重點考慮離線型穩(wěn)控系統(tǒng)，其策略執(zhí)行架構(gòu)如圖1所示。穩(wěn)控系統(tǒng)輸入信息包括三類，分別為故障信息、運行信息、網(wǎng)架信息；根據(jù)上述輸入信息，穩(wěn)控系統(tǒng)將對照離線方式下制定的動作條件，輸出控制策略。

上述控制策略可采用隱函數(shù)形式表示為：

式（1）中，F(xiàn)I、OI、GI依次為穩(wěn)控系統(tǒng)采集到的故障信息、運行信息和網(wǎng)架信息，F(xiàn)（）為離線方式下動作策略函數(shù)所構(gòu)成的隱函數(shù)，AS為輸出的動作策略。

需要說明的是，上述穩(wěn)控系統(tǒng)輸入信息分類是從數(shù)據(jù)概念角度出發(fā)實施分類得到的，而從數(shù)據(jù)類型本身來說，穩(wěn)控系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)包括離散狀態(tài)變量和連續(xù)狀態(tài)變量兩大類。如表1所示，離散狀態(tài)變量主要為斷路器狀態(tài)變量，包括閉合、斷開兩個類型；連續(xù)狀態(tài)變量包括母線電壓、線路潮流、線路電流等，均為連續(xù)數(shù)值類型。更細致分析不同類型輸入信息的數(shù)據(jù)類型，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架信息一般采用人工設(shè)置方式，由運行人員在電網(wǎng)運行狀態(tài)改變時調(diào)整穩(wěn)控系統(tǒng)控制壓板實現(xiàn)，并不屬于實時采集類數(shù)據(jù)。運行信息包括母線電壓、線路潮流和線路電流等，均屬于連續(xù)數(shù)值類型。而故障信息主要為發(fā)電機組跳閘、輸電線路跳閘等，則是通過不同的判定方式得到，第一種方式為通過檢測該發(fā)電機組或輸變電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，通過判定其是否發(fā)生變位得到，該方式下輸入信息為離散狀態(tài)變量，另一種方式則是通過檢測其電壓、電流等運行狀態(tài)變量，若發(fā)生突變，則視為發(fā)生跳閘。

表1 穩(wěn)控系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)類型分析Tab.1 Input data type analysis of stability control system

考慮上述數(shù)據(jù)類型后，穩(wěn)控系統(tǒng)的動作策略模型可調(diào)整為：

式（2）中，DI、CI分別為穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略判定所依據(jù)的離散狀態(tài)變量和連續(xù)狀態(tài)變量，F(xiàn)′（）則是采用上述基礎(chǔ)輸入狀態(tài)變量判定穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略時的策略函數(shù)。必須說明的是，盡管F′（）可視為包含了隱函數(shù)F（）動作策略和基礎(chǔ)輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程的綜合函數(shù)，但是由于其輸入信息與電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)一致，因此模型復(fù)雜度相對較低。

2 考慮穩(wěn)控系統(tǒng)的實時風(fēng)險評估方法

2.1 實現(xiàn)思路

在不考慮穩(wěn)控系統(tǒng)等安全穩(wěn)定控制裝置動作的情況下，可采用N-1故障掃描的方法實現(xiàn)。然而當(dāng)考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作后，傳統(tǒng)的N-1故障掃描方法可能出現(xiàn)與實際動作行為不匹配的問題，原因在于輸變電設(shè)備故障后可能觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)動作，改變原有的故障發(fā)展過程。詳細的穩(wěn)控系統(tǒng)動作狀態(tài)分析需要對系統(tǒng)進行仿真，即從式（1）所示的基礎(chǔ)輸入狀態(tài)信息出發(fā)，判定穩(wěn)控系統(tǒng)的動作行為。由于上述仿真計算分析過程較為復(fù)雜，因此實時風(fēng)險評估難以采用，只能作為離線分析的手段。

為此，本文所提出的考慮穩(wěn)控系統(tǒng)實時風(fēng)險評估方法，其主要思路在于不再從式（1）所示的復(fù)雜輸入信息出發(fā)構(gòu)建評估模型，而是從式（2）所示的狀態(tài)分析變量模型出發(fā)開展評價分析，保證輸入狀態(tài)信息與電網(wǎng)實際運行信息一致，降低模型處理的復(fù)雜程度。

2.2 實現(xiàn)框架

根據(jù)上述評價實現(xiàn)思路，本文所提出的考慮穩(wěn)控系統(tǒng)策略的大電網(wǎng)實時風(fēng)險評估實現(xiàn)框架如圖2所示。該實施框架下，大電網(wǎng)實時運行風(fēng)險評估可劃分為三個步驟，分別為關(guān)鍵故障辨識及潮流計算、穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略分析判定、風(fēng)險計算分析。

關(guān)鍵故障辨識及潮流計算是大電網(wǎng)實時風(fēng)險評估實施的基礎(chǔ)，其作用在于辨識將產(chǎn)生較大運行風(fēng)險的設(shè)備故障，并通過故障預(yù)想的形式，利用潮流計算軟件對該設(shè)備發(fā)生故障跳閘后的潮流分布計算出來。當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)模較大，以省級電網(wǎng)為例，涉及的輸電線路數(shù)量一般將超過500條，變電站數(shù)量一般將超過300座，如果不加篩選對所有設(shè)備故障進行分析，將導(dǎo)致計算規(guī)模過大，計算效率偏低的問題。

穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略分析判定是根據(jù)以上關(guān)鍵故障辨識后潮流計算的結(jié)果，對照穩(wěn)控系統(tǒng)的動作策略，來分析故障發(fā)生是否達到穩(wěn)控系統(tǒng)的動作條件，穩(wěn)控系統(tǒng)會如何發(fā)布動作指令。一般來說，若達不到穩(wěn)控系統(tǒng)動作條件，則表明穩(wěn)控系統(tǒng)不會下達動作指令，上述潮流計算結(jié)果即為該故障發(fā)生后的實際情況；若達到穩(wěn)控系統(tǒng)動作條件，則還需要按照穩(wěn)控系統(tǒng)下達的動作指令調(diào)整電網(wǎng)運行方式，重新啟動潮流計算。該步驟也是本文所提出的考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略的大電網(wǎng)實時風(fēng)險評估方法的核心步驟。

風(fēng)險計算分析是執(zhí)行的最后一步，其作用是統(tǒng)計故障損失，并綜合考慮故障發(fā)生概率，得到故障風(fēng)險值。

下面詳細介紹以上三個步驟的實施要點。

2.3 關(guān)鍵故障辨識及潮流計算

關(guān)鍵故障辨識是大電網(wǎng)風(fēng)險評估技術(shù)領(lǐng)域研究的重點，文獻［17-18］均研究了風(fēng)險評估領(lǐng)域關(guān)鍵故障辨識方法?？紤]本文實際，不再贅述，可結(jié)合實際選擇相關(guān)方法。

根據(jù)辨識出的關(guān)鍵設(shè)備故障，統(tǒng)計其故障發(fā)生概率，并預(yù)設(shè)其發(fā)生故障跳閘，在此基礎(chǔ)上通過潮流計算評估故障發(fā)生后的電網(wǎng)潮流分布，需要注意的是該潮流計算中不考慮輸變電設(shè)備的傳輸能力限制，以分析故障發(fā)生可能造成的過負荷問題。電網(wǎng)系統(tǒng)潮流公式可表示為：

式（3）-（4）中，Pi、Qi分別為節(jié)點 i凈注入有功功率與無功功率，Vi、Vj分別為節(jié)點i和節(jié)點j電壓幅值，Gij、Bij分別為輸電線路 ij的電導(dǎo)和電納，θij為該輸電線路兩端節(jié)點電壓相角差。

上述潮流計算可采用牛頓拉夫遜法，也可直接調(diào)用當(dāng)前成熟的潮流計算軟件包。通過潮流計算，不僅能夠獲得故障發(fā)生后在不考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作的前提下電網(wǎng)輸變電設(shè)備的潮流分布、電壓幅值及相角關(guān)系，還能夠獲得可能由于設(shè)備故障導(dǎo)致的孤立電網(wǎng)、失壓廠站等。

2.4 穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略分析判定

傳統(tǒng)大電網(wǎng)實時風(fēng)險分析評估中一般不考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略，其原因在于穩(wěn)控系統(tǒng)的動作邏輯較為復(fù)雜。為此，本文中推薦采用式（2）所構(gòu)建的動作策略模型。考慮到實際情況，做如下合理假設(shè)，認(rèn)為穩(wěn)控系統(tǒng)通信正常，沒有數(shù)據(jù)誤傳等情況發(fā)生，能夠依據(jù)潮流計算結(jié)果進行判定，而不會出現(xiàn)誤傳輸與誤分析。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)輸入信息數(shù)據(jù)類型，進一步補充規(guī)定如表2所示。斷路器開閉狀態(tài)統(tǒng)計時，不僅需要根據(jù)故障情況及潮流計算所發(fā)現(xiàn)的失壓廠站，對已明確斷開的斷路器狀態(tài)進行調(diào)整，還需要根據(jù)潮流計算結(jié)果，對發(fā)生潮流越限的設(shè)備相關(guān)斷路器狀態(tài)進行調(diào)整。輸電線路潮流、變壓器潮流、節(jié)點電壓幅值可直接利用潮流計算結(jié)果。輸電線路潮流突變量是指故障發(fā)生前后輸電線路的潮流改變量，同時還需要注意所謂的潮流翻轉(zhuǎn)及偽斷開問題。所謂潮流翻轉(zhuǎn)問題是指當(dāng)輸電線路潮流突變時，可能出現(xiàn)方向翻轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致輸電線路潮流短時為“零”的情況。所謂偽斷開問題是指輸電線路潮流突變后其潮流數(shù)值較小，穩(wěn)控系統(tǒng)策略會將其視為線路跳閘的情況。當(dāng)出現(xiàn)以上兩種情況時，需要根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)的動作策略校驗其是否會導(dǎo)致對該輸電線路狀態(tài)誤判的可能性。風(fēng)險評估過程中認(rèn)為電網(wǎng)始終保持安全穩(wěn)定運行，據(jù)此可認(rèn)為電網(wǎng)頻率始終處于系統(tǒng)額定頻率，即50 Hz。

表2 穩(wěn)控系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)處理Tab.2 Input data processing of stability control system

在以上數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，將故障前后系統(tǒng)潮流計算所得到的結(jié)果輸入式（2）所示的穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略判定公式，即可以得到穩(wěn)控系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。根據(jù)其輸出狀態(tài)有如下三種可能的判定結(jié)果。

（1）穩(wěn)控系統(tǒng)輸出為“空”，即不執(zhí)行任何動作策略。該情況意味著上述故障發(fā)生后并未達到穩(wěn)控系統(tǒng)的啟動條件，則穩(wěn)控系統(tǒng)并不會下達動作指令。該情況下電網(wǎng)實時運行風(fēng)險判定結(jié)果不會發(fā)生改變。

（2）穩(wěn)控系統(tǒng)輸出為“切負荷”類型，即為保證大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，需要切除部分變電站的供電負荷。

（3）穩(wěn)控系統(tǒng)輸出為“切機組”類型，即為了保證大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，需要切除部分運行中的發(fā)電機組。

當(dāng)輸出為“切負荷”或“切機組”類型時，需要根據(jù)下達的指令，在上述故障后潮流計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，調(diào)整發(fā)電機組運行狀態(tài)或變電站負荷；并將調(diào)整后的發(fā)電機組運行狀態(tài)和變電站負荷數(shù)值作為潮流計算的邊界條件輸入潮流計算模塊，重新進行潮流計算和穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略判定，直至穩(wěn)控系統(tǒng)輸出結(jié)果為“空”。

2.5 風(fēng)險計算分析

大電網(wǎng)運行風(fēng)險為故障發(fā)生概率及其影響的乘積，一般以電網(wǎng)失負荷作為故障影響的評價指標(biāo)，則大電網(wǎng)實時運行風(fēng)險評價指標(biāo)可表示為：

式（5）中，R為大電網(wǎng)實時風(fēng)險評價結(jié)果，γ為故障發(fā)生概率，即關(guān)鍵故障對應(yīng)設(shè)備的故障跳閘概率，Ploss為故障發(fā)生后總損失負荷，包括故障直接導(dǎo)致的負荷損失和穩(wěn)控系統(tǒng)切負荷指令導(dǎo)致的負荷損失。

3 應(yīng)用分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為驗證所提出方法的有效性，本文將在某電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上構(gòu)造算例，進行驗證分析。該地區(qū)電網(wǎng)簡化結(jié)構(gòu)如圖3所示，該區(qū)域電網(wǎng)通過輸電線路D1、D2及 E1、E2與主網(wǎng)連接，在D1、D2聯(lián)絡(luò)通道，電廠1、電廠3及變電站2依次相連并通過輸電線路A1、A2與主網(wǎng)聯(lián)系。

穩(wěn)控系統(tǒng)采用就地型方式，部署于變電站2，其策略為當(dāng)檢測到輸電線路A1及A2跳閘后，若電廠1及電廠2的總發(fā)電出力超過800 MW，則下達切機組指令，將電廠1及電廠3的運行機組總數(shù)控制到2臺及以下，以保證變電站主變壓器設(shè)備安全。同時由于輸電線路A1、A2兩側(cè)斷路器狀態(tài)不具備自動采集功能，該穩(wěn)控系統(tǒng)通過輸電線路潮流對其運行狀態(tài)進行判定，即若輸電線路A1及A2潮流發(fā)生超過100 MW 的突變，且突變后線路總潮流小于20 MW，則認(rèn)為這兩條線路同時跳閘。

3.2 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用算例中，電廠1及電廠3總發(fā)電出力為1 030 MW，其中電廠1出力為560 MW，電廠3出力為470 MW，此時輸電線路A1及A2總潮流恰好為120 MW。

根據(jù)潮流計算，若電廠1的發(fā)電機組1發(fā)生跳閘，則電廠1總出力將至340 MW。由此將導(dǎo)致輸電線路A1及A2潮流將至12 MW。

對此判定穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略：

（1）對輸電線路 A1、A2，其潮流突變量為108 MW，且突變之后總潮流小于20 MW，符合穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略判定條件1；

（2）對電廠1及電廠2，機組跳閘后總出力為810 MW，超過800 MW，符合穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略判定條件2。

由此可以知道當(dāng)電廠1的發(fā)電機組1跳閘后，將導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)下達“切機組”控制指令，電廠1和電廠3將按照僅保留1臺機組的運行要求，按照出力從高到低，切除剩余所有發(fā)電機組，據(jù)此總損失負荷將達到730 MW。進一步考慮機組跳閘概率為5%，則總風(fēng)險為36.5 MW。而采用傳統(tǒng)不考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略的評價方法，總損失負荷僅為220 MW，對應(yīng)的風(fēng)險為11 MW。

上述對比分析表明，考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略后，電網(wǎng)運行風(fēng)險評估將更加準(zhǔn)確，更符合實際運行的需要。

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)電網(wǎng)風(fēng)險評估方法基礎(chǔ)上，考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略，提出了一種考慮穩(wěn)控系統(tǒng)動作策略的大電網(wǎng)安全風(fēng)險評估方法。較傳統(tǒng)評價方法，該方法能更加準(zhǔn)確的評價穩(wěn)控系統(tǒng)動作對電網(wǎng)運行風(fēng)險的影響，有助于提升實時風(fēng)險評價的準(zhǔn)確性。