基于EMS的地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風險評估系統(tǒng)

羅玉春，龔成明，王 毅，李 雷，葛亮亮

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106)

為了對電網(wǎng)風險進行辨識和預控，給調度運行提供理論分析支持，合環(huán)風險評估作為一項重要的內容被電網(wǎng)調度運行管理部門所重視。傳統(tǒng)合環(huán)風險分析方法根據(jù)經(jīng)驗或者離線分析，能適應特定的運行方式或者電網(wǎng)規(guī)模較小的情況，不適用于日益復雜的大電網(wǎng)合環(huán)風險分析[1-8]。但目前在我國很多地區(qū)，依然是憑調度人員的經(jīng)驗進行合環(huán)操作，在發(fā)生合環(huán)失敗的情況再進行分析計算[9]，這樣所進行的分析計算不可避免存在以下幾個方面的局限：

（1）電網(wǎng)模型的時效性。一般運方人員在進行合環(huán)分析時，進行離線近似計算，其過程繁瑣且無法保證其模型是否能夠完整準確地表述電網(wǎng)當前運行情況，直接影響了計算分析的數(shù)據(jù)基礎。

（2）合環(huán)暫態(tài)電流計算的準確性。現(xiàn)有傳統(tǒng)的合環(huán)操作風險分析方法，由運方人員畫出環(huán)路路徑并將合環(huán)路徑上的支路阻抗進行累加作為合環(huán)阻抗，該方法無法考慮多環(huán)等復雜情況，使得計算得到的環(huán)路阻抗不甚準確，基于此值求解的合環(huán)電流穩(wěn)態(tài)分量和自由分量均存在誤差，由此可能導致分析結論的錯誤。

（3）缺乏實用的分析機制。現(xiàn)有傳統(tǒng)的合環(huán)操作風險分析方法，是在計算前手動建立等值近似模型，依靠手工運用潮流分析程序得出需要的指標，步驟較為復雜，在一定程度上影響了合環(huán)操作風險分析的實用性。

（4）計算結果缺乏實用性。以往對電磁環(huán)網(wǎng)進行分析和評判只是簡單孤立地分析沖擊電流、穩(wěn)態(tài)潮流，沒有形成一個綜合的評價指標來直接指示合環(huán)風險等級。

本文提出一種基于能量管理（EMS）系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風險評估系統(tǒng)，基于EMS 系統(tǒng)建立的全網(wǎng)模型和實時數(shù)據(jù)斷面基礎上，在控制中心實現(xiàn)實時在線合環(huán)風險分析，建立合環(huán)沖擊電流校驗、支路熱穩(wěn)定校驗、靜態(tài)安全分析校驗、短路電流水平校驗等風險指標，實現(xiàn)合環(huán)路徑的搜索檢驗及拓撲展示，突破傳統(tǒng)合環(huán)分析方法存在的局限性，有助于提高合環(huán)風險分析水平，該系統(tǒng)已在深圳電網(wǎng)投入運行。

1 基于EMS的合環(huán)風險評估系統(tǒng)

目前EMS 系統(tǒng)已經(jīng)能獲得電網(wǎng)的實時運行方式，因此電網(wǎng)在采用電磁環(huán)網(wǎng)運行方式前可以通過EMS系統(tǒng)的功能對合環(huán)后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流、N-1 靜態(tài)安全和斷路器的遮斷容量做預先的分析，獲得合環(huán)操作風險等級，從而為實際合環(huán)操作做指導。

1.1 合環(huán)風險評估模型和風險指標

合環(huán)操作后電網(wǎng)會出現(xiàn)某些特殊狀態(tài)，包括線路過流、主變過載、母線短路電流過大等。目前電力系統(tǒng)風險分析一般是從經(jīng)濟損失的角度考慮事故后果，本文從電網(wǎng)安全方面結合地區(qū)電網(wǎng)實際情況，綜合電網(wǎng)安全因素進行合環(huán)風險評估分析。由于合環(huán)風險計算分析具有強解耦性，合環(huán)操作風險可以按照每一類安全性問題、每一起事故或者每一個元件進行計算，因此可以將對合環(huán)操作整體風險評估分解為對各類安全性問題的評估，計算不同類型考核項的風險指標值，以反映系統(tǒng)安全問題的不同方面，根據(jù)相應的權重可以達到整體評估合環(huán)操作風險的目的。對于合環(huán)風險評估系統(tǒng)，將合環(huán)產(chǎn)生的后果定義為合環(huán)操作暫態(tài)過程中及合環(huán)操作后考核指標的嚴重度函數(shù)值，這樣求出的風險指標為具體數(shù)值，可以直觀地得到系統(tǒng)相應部分對應的風險大小。合環(huán)操作風險指標定義為合環(huán)操作時事故發(fā)生的概率×合環(huán)產(chǎn)生的后果。該指標用來反映合環(huán)操作風險綜合程度，定量的抓住決定風險等級的因素：合環(huán)操作相應產(chǎn)生結果的可能性以及其相應結果的嚴重性[10-12]。定義合環(huán)風險綜合指標計算公式為：

式（1）中：i為合環(huán)操作風險評估項目；Si為合環(huán)操作風險評估單項的風險水平；Pi（X）為合環(huán)操作風險評估單項的出現(xiàn)概率；ωi為合環(huán)操作風險評估單項的權重；R為合環(huán)操作風險指標值。

1.2 合環(huán)沖擊電流風險指標

定義合環(huán)沖擊電流風險指標：合環(huán)操作時由于合環(huán)端口電壓矢量差引起的合環(huán)沖擊電流大小決定該合環(huán)沖擊電流風險嚴重度函數(shù)的取值。

合環(huán)沖擊電流風險指標反映的是合環(huán)端口電壓矢量差引起的合環(huán)沖擊電流大小的嚴重度。合環(huán)沖擊電流的大小和保護定值決定合環(huán)沖擊電流嚴重度函數(shù)取值。當合環(huán)沖擊電流未引起設備保護動作時，其合環(huán)操作風險嚴重度函數(shù)取值為0；當合環(huán)沖擊電流引起設備保護動作時，其合環(huán)操作風險嚴重度函數(shù)取值為1。定義合環(huán)沖擊電流風險指標的計算公式：

式（2）中：SCLF為合環(huán)沖擊電流風險嚴重度；RCLF為合環(huán)沖擊電流風險指標。

1.3 支路熱穩(wěn)定合環(huán)風險指標

支路（包括線路和變壓器）的熱穩(wěn)定電流是支路傳輸容量的一個絕對限制條件。定義支路合環(huán)風險指標：環(huán)網(wǎng)運行方式下流經(jīng)支路的電流（或者功率）大小決定該支路合環(huán)風險嚴重度函數(shù)的取值。

支路合環(huán)風險指標反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下系統(tǒng)中運行的支路傳輸功率重載和過載的危害嚴重度。每條支路的負載率大小決定該支路合環(huán)風險嚴重度函數(shù)取值。對于合環(huán)風險評估系統(tǒng)，重點考慮合環(huán)引起的新的越限支路情況，兼顧考慮合環(huán)操作前已經(jīng)越限和重載的支路，對于新引起的越限，支路合環(huán)風險嚴重度函數(shù)取值為合環(huán)操作引起新的越限支路總數(shù)，對于合環(huán)前已經(jīng)越限的支路，其風險嚴重度與重載風險嚴重度取均值。定義支路合環(huán)風險指標的計算公式：

式（3）中：Si為某一條運行支路對應的合環(huán)風險嚴重度；nalm，nove為重載/ 越限支路條數(shù)；Salm，Sove為重載/越限支路風險嚴重度；Sovenew為合環(huán)操作后新引起的越限支路風險嚴重度；RBCH為環(huán)網(wǎng)運行方式下整個系統(tǒng)所有支路合環(huán)風險。

1.4 N-1 合環(huán)風險指標

在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)方式下，必須保證在任何事故后情況下，通過低一級電壓等級支路的電流低于其熱穩(wěn)定電流。如果高一級電壓支路斷開后，潮流轉移到低一級電壓支路，極易超過低壓支路的熱穩(wěn)定極限，因而在合環(huán)風險分析時需要考慮環(huán)網(wǎng)情況下的N-1 靜態(tài)安全水平。定義N-1 合環(huán)風險指標：環(huán)網(wǎng)運行方式下對環(huán)路支路設備（線路、變壓器）做N-1 安全分析時引起電力設備過載的嚴重函數(shù)程度。N-1 合環(huán)風險指標反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下合環(huán)路徑上運行的變壓器/ 線路開斷運行時對電網(wǎng)的危害嚴重度。合環(huán)支路開斷運行時引起的越限設備數(shù)決定該支路合環(huán)風險嚴重度函數(shù)取值。當合環(huán)支路開斷運行引起的越限設備數(shù)為0時，其合環(huán)風險嚴重度函數(shù)取值為0；把不能滿足N-1 安全準則要求的環(huán)路元件總數(shù)作為N-1 合環(huán)風險嚴重度，進行N-1 安全校核的元件包括線路、變壓器。定義N-1 合環(huán)風險指標的計算公式：

式（4）中：Si為環(huán)路某一支路開斷時合環(huán)風險嚴重度；RN-1為環(huán)網(wǎng)運行方式下合環(huán)支路開斷合環(huán)風險。

1.5 母線短路電流水平合環(huán)風險指標

在各種類型的短路中，最常見的是單相短路。三相短路發(fā)生的概率雖然較低，但它卻是各種短路故障中最嚴重的一種，對系統(tǒng)的危害最大，而且隨著中性點接地變壓器的大量適用，使得單相短路容量增長迅速，有些廠站母線的單相短路容量甚至超過三相短路容量。因此，在制定母線短路電流合環(huán)風險指標中需考慮單相短路電流和三相短路電流。

定義母線短路電流水平風險指標：環(huán)網(wǎng)運行方式下母線發(fā)生短路故障時短路電流和斷路器額定開斷電流決定該母線短路故障合環(huán)風險嚴重度函數(shù)的取值。

短路電流合環(huán)風險指標合環(huán)風險指標反映的是電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下合環(huán)路徑上母線發(fā)生短路故障時遮斷容量重載和過載（相比于斷路器額定開斷電流）的危害嚴重度。母線短路電流的負載率大小決定合環(huán)風險短路電流水平嚴重度函數(shù)取值。由于母線發(fā)生短路故障，往往是觸發(fā)電網(wǎng)大事故的元兇，母線短路電流權重在合環(huán)風險各項中權重需設置較高，當環(huán)路母線短路電流越限時，此時可認為合環(huán)短路電流風險很大。定義母線短路電流合環(huán)風險指標的計算公式：

式（5）中：Si_flt為環(huán)路某一條母線短路電流合環(huán)風險嚴重度；n為合環(huán)路徑上重載/ 越限線路的母線條數(shù)；Si_alm和Si_ove為重載/ 越限母線短路電流水平風險嚴重度；RFLT為環(huán)網(wǎng)運行方式下環(huán)路母線短路電流水平合環(huán)風險。

1.6 基于EMS的合環(huán)風險評估軟件實現(xiàn)

合環(huán)風險評估系統(tǒng)軟件基于EMS 平臺，采用服務器/ 客戶端的消息機制，基于EMS 通用關系表數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和層次庫結構。使用人員在客戶端側進行操作，由客戶端發(fā)送相應的報文至服務器側，由服務器側主進程根據(jù)報文中的信息進行分析和計算，并將結果寫入數(shù)據(jù)庫并返回結果報文至客戶端，整個過程由消息報文進行控制，流程如圖1 所示。合環(huán)風險評估軟件嵌入在EMS 系統(tǒng)高級應用軟件的調度員潮流模塊中，共享調度員潮流模塊的數(shù)據(jù)和功能，可以同時由不同的使用者在不同的研究模式下進行操作，不同的使用人員之間相互不影響。

圖1 合環(huán)風險評估系統(tǒng)軟件框架

2 工程應用

某地區(qū)電網(wǎng)某合環(huán)前/ 后電網(wǎng)運行方式如圖2、圖3 所示，合環(huán)線路為110 kV 安湯線。選取220 kV 坪山站、宏圖站、簡龍站、110 kV 湯坑站、安良站區(qū)域電網(wǎng)，在正常運行方式下，安湯線1360 處于充電狀態(tài)，湯坑站側安湯線1360 開關處于分位。

圖2 開環(huán)運行方式示意圖

合環(huán)風險分析評估系統(tǒng)模擬分析計算結果和電網(wǎng)實際合環(huán)操作SCADA 量測值如表1 所示。

圖3 合環(huán)運行方式示意圖

表1 合環(huán)風險評估系統(tǒng)計算結果和實際合環(huán)量測

本系統(tǒng)直接從地區(qū)電網(wǎng)調度控制中心EMS 系統(tǒng)中獲取實時電網(wǎng)模型和狀態(tài)估計數(shù)據(jù)，無需另行進行設備參數(shù)維護和建立等值計算模型。基于全網(wǎng)模型和實時拓撲分析結果，自動搜索合環(huán)路徑，基于全網(wǎng)導納陣進行和合環(huán)端口電壓計算合環(huán)沖擊電流，并基于全網(wǎng)模型計算合環(huán)后穩(wěn)態(tài)潮流、N-1 靜態(tài)安全分析、環(huán)路母線短路電流水平。合環(huán)操作風險評估系統(tǒng)分析得出的此斷面運行方式下合環(huán)風險總水平及其分項風險評估水平如表2 所示，基于廣度搜索算法得到的環(huán)路拓撲如圖4 所示。

表2 合環(huán)風險評估水平

圖4 案例合環(huán)路徑拓撲

在本系統(tǒng)確立了4 種合環(huán)操作安全性問題，從地區(qū)電網(wǎng)安全的的不同角度對系合環(huán)操作進行了風險描述并建立了不同類型的風險指標，通過對不同項指標的整合對合環(huán)操作進行了合環(huán)風險水平的評估。

應該指出合環(huán)分析計算結果依賴于EMS 系統(tǒng)的狀態(tài)估計結果，隨著變電站裝置的改造，狀態(tài)合格率隨著調度控制中采集的SCADA 數(shù)據(jù)質量改善也在不斷提高，另外隨著地區(qū)電網(wǎng)外網(wǎng)等值接入功能的加入，電網(wǎng)計算模型也日趨完整，這些為合環(huán)風險分析軟件提供了更準確的基礎數(shù)據(jù)。經(jīng)測試表明，合環(huán)風險分析軟件能夠滿足地區(qū)電網(wǎng)的分析需求。

3 結束語

本文針對傳統(tǒng)地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)分析的缺點做了詳細深入的分析，提出并開發(fā)了基于EMS 系統(tǒng)的在線合環(huán)風險分析系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)分析方法的缺點，基于EMS 系統(tǒng)實現(xiàn)了合環(huán)分析的實時性、準確性和便利性。可以為大規(guī)模地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)風險風險分析提供決策支持，從而有效提高電網(wǎng)調度和運行人員對電網(wǎng)的控制能力和對電網(wǎng)事故的處理能力，減少電網(wǎng)事故造成的損失。

[1]葉清華，唐國慶，王 磊，等.配電網(wǎng)合環(huán)操作環(huán)流分析系統(tǒng)的開發(fā)和應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(22)：66-69.

[2]錢 兵，程浩忠，楊鏡非，等.電網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件研究[J].電力自動化設備，2002，22(3)：8-11.

[3]夏 翔，熊 軍，胡列翔.地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流分析與控制[J].電網(wǎng)技術，2004，28(22)：76-80.

[4]胡 偉.2004～2005年江蘇電網(wǎng)分層分區(qū)運行分析[J].華東電力，2003(8)：14-17.

[5]張 勇，姚建光，俞曉榮，等.具備快速合解環(huán)功能的備自投分析[J].江蘇電機工程，2012，31(1)：61-63.

[6]應夏曦，紀 良.常州電網(wǎng)分區(qū)運行對地區(qū)配網(wǎng)跨區(qū)合解環(huán)操作的影響及其對策[J].電力設備，2008，09(1)：65-68.

[7]秦躍進，汪 勇，胡 廣.2005年湖北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)問題研究[J].華中電力，2002，15(6)：15-17.

[8]葛少云，李曉明.基于戴維南等值的配電網(wǎng)合環(huán)沖擊電流計算[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2007，19(6)：124-127.

[9]胡宏波，孟清譜，劉高飛，等.一起10 kV 配電網(wǎng)合環(huán)倒電引起線路跳閘的事故分析[J].江蘇電機工程，2011，30(3)：15-18.

[10]陳 霄，王 磊，李 揚.配電網(wǎng)絡合環(huán)沖擊電流的分析[J].電力自動化設備，2005，24(5)：40-42.

[11]劉新東，江全元，曹一家，等.基于風險理論和模糊推理的電力系統(tǒng)暫態(tài)安全風險評估[J].電力系統(tǒng)自動化設備，2009，29(2)：15-20.

[12]潘 軒，張建華.基于風險理論的電力系統(tǒng)安全評估方法應用[J].中國電力教育，2008（S1）：219-222.