地區電網供電風險評估與校正軟件設計

鄒德虎，徐 希

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

傳統上，電網運行安全評估采用確定性的分析方法。具體到地區電網，主要使用計及備自投等自動裝置的靜態安全分析［1］作為安全性評估的依據。該方法以N-1掃描為主形成故障集，輔以人工設置的部分N-k故障。沒有考慮故障的概率特性，也忽略了連鎖性故障的可能性。在現代電網波動性、不確定性越來越增加的形勢下，需要更強有力的分析手段。

風險分析方法綜合了可能性和嚴重性［2］，和確定性的分析相比，可能會得到更加合理的結果。電力系統基于風險的分析方法近年來得到了廣泛研究和應用［3］。文獻［4-5］針對美國電網的特點設計了在線的電網安全風險評估軟件。除了針對調度運行的風險分析［6，7］以外，風險理論同樣應用在保護薄弱區域辨識［8］、操作風險評估［9］、特定接線方式風險［10］等方面。但是目前風險評估主要討論的是輸電網，針對地區電網的研究和應用很少。文獻［11］介紹了計及電網變化過程的地區電網運行風險評估，取得了較好效果，但考慮的因素不夠全面。

本文設計了地區電網風險評估與校正軟件，分為三個主要功能：風險定性分析、風險定量分析、風險校正，形成了完整的風險評估校正流程。其中在風險定量分析方面，充分考慮保護、備自投、同桿雙回線等因素的影響。

1 總體結構

本文所設計的地區電網風險評估與校正軟件屬于智能電網調度控制系統（D5000）高級應用的一部分，總體結構及其操作流程如圖1所示。

該軟件依托于調度控制系統，其數據來源是多樣化的。軟件可周期性在線運行，也可在指定方式下離線運行。該軟件的用途也是多樣化的，在操作票預演校核、檢修計劃安排等方面，均可使用本軟件作為安全校核檢驗措施。

2 風險定性分析

風險定性分析指的是通過拓撲搜索的手段找出電網的薄弱環節與風險運行方式，包括單電源或單變壓器供電、電磁環網運行、串行供電等。

圖1 地區電網風險評估與校正軟件結構

單電源或單變壓器供電會因為缺少備用導致相應的失負荷風險，比較容易分析，在此不再贅述。下面介紹電磁環網運行和串行供電的拓撲辨識方法。示例見圖2所示的地區局部電網，該電網分別包含電磁環網和串行供電的運行方式。圖中的母線是經過廠站拓撲后形成的抽象計算母線，而不是物理母線。

圖2 一個地區局部電網

電磁環網拓撲辨識的步驟：首先取相同電壓等級的計算母線進行島分析，圖2中的A、B、C、D、E計算母線構成一個局部島；其次，選取與上一電壓等級電網有主變聯系的計算母線，即A、C母線，分析A、C母線在局部島的連通性，如果存在連通路徑，則該路徑可能構成電磁環網中的低電壓等級部分，例如A、B、C即為這樣的連通路徑。最后從有主變聯系的計算母線開始搜索上一電壓等級電網，如果存在連通路徑，則與之前的連通路徑合并成一個完整的電磁環網。

串行供電拓撲辨識的步驟：辨識出所有的輻射狀支路，方法是找到度1節點和相應的支路，去除這樣的節點和支路后重新計算節點的度，再找到度1節點和相應的支路并去除。反復如此，直到不再有度1節點。之前去除的支路即為輻射狀支路。將輻射狀支路和關聯的節點進行島分析，會得到若干個局部島。如A、D、E即為這樣的局部島。如果其中有的局部島包含兩條及以上的支路串聯，則這樣的局部島即為串行供電網絡。

3 風險定量分析

目前地區電網絕大多數都配備了自動電壓無功控制（AVC），已經很好的實現了電壓越限或崩潰風險的預警和控制，因此本文不再考慮電壓無功類型的風險。從地區電網的實際需求出發，主要考慮的是失負荷風險和有功越限風險。

分別定義失負荷風險指標和越限風險指標：

式中 G——引起風險的故障場景集合；s——故障場景；p（s）——當前故障場景發生的概率；clost——當前故障場景引起的失負荷損失；cover——當前故障場景引起的越限損失；Rbase——基準值。

風險分析結果的參考價值很大程度上取決于故障場景的選擇是否合理，下面依次論述本文所采用的故障場景。

（1）N-1故障

為了降低計算量，設備N-1的風險分析直接調用靜態安全分析的結果，但是可以考慮概率。例如用戶可以根據設備長期運行資料設置線路故障的概率不同于主變故障。假定氣象信息能夠接入調度控制系統，在極端氣象條件下，不同地理位置設備的故障概率也可以不同。

（2）同桿雙回線故障

現在存在大量的同桿雙回線（甚至多回線），雙回線路發生同時故障的概率大幅度超過單獨故障概率的平方。因此需要分析同桿雙回線同時故障的風險性。

（3）保護拒動

很多連鎖性故障的發生都與保護拒動、誤動有關，傳統的N-1分析顯然不能分析這種情形。本文設置N-1-1的故障場景，即設備故障退出后保護拒動，引起相鄰元件后備保護動作。這種故障場景的概率要比單純的N-1故障小得多，但因為后果可能極其嚴重，分析時不能忽略。

（4）備自投拒動

地區電網一般開環運行，故障時依賴備自投的準確動作來確保不失電，但是過于依賴自動裝置本身也是風險因素。本文的軟件可以通過設置備自投拒動概率，來仔細分析備自投拒動造成的風險影響。

除了N-1故障直接調用靜態安全分析的結果外，其余故障場景的風險分析采用直流潮流算法，避免迭代過程，以大幅度降低計算量。因為本文已經不再考慮電壓無功類型的風險，采用直流潮流算法不會造成不可接受的誤差。

為便于比較不同電網的風險水平，風險指標是標幺化的?；鶞手档脑O定有以下考慮：可以反映電網的規模，同時在相當長的時間內應該是變化不大的。這樣才可以保證在短的時間尺度內（例如1天）風險的變化曲線不失真。如果采用負荷大小作為基準值，甚至有可能導致負荷高峰的風險值小于低谷的風險值。本文采用方案：將電網內主變的容量和線路的最大輸送容量累加，作為基準值。在以后技術條件許可的情況下，可實現分地區的電網風險指標的考核統計，這對于電網的運行、規劃會起到更加明確的參考意義。

為便于調控人員直觀把握故障場景風險的損失，進行風險級別判斷。風險級別判斷根據國務院599號令和國家電網、南方電網關于事故調查方面的規范，考慮以下因素：損失負荷量及比例、失去用戶數及比例、損失重要用戶信息，得到相應的事故級別。

4 風險校正

4.1 失負荷風險校正

串行供電結構是造成地區電網失負荷風險的主要因素，徹底解決這一問題需要通過電網規劃和基建來完成。但是在電網實時運行中，可以通過局部電網的開環點重構來減輕失負荷風險。下面簡要介紹失負荷風險校正的思路。

（1）針對定性風險分析得到的串供網絡，以高電壓等級主變為邊界，提取出一個假定獨立的局部區域電網。

（2）搜索出所有可能的開環點運行方式，需要滿足以下條件：母線全部帶電，即母線與電源有連通；母線與單一的電源有聯通，即開環運行。搜索出全部運行方式需要采用圖論算法，具體如下：1）將電源點合并為一個拓撲意義上的頂點，將母線看成頂點，假定開關全部合位，將線路看成一個支路，形成一個圖；2）搜索出所有可能的樹，斷開全部連枝（開環點在連枝上），這就對應一種拓撲方式。

以圖3作為一個例子，首先將M1、M5、M8合并組成頂點。然后從頂點出發，可以構成一系列的樹，每一種樹對應一種開環點運行方式，下面列舉出幾種：

①樹枝為：L1、L3、L5、L7、L8；連枝為：L6、L2、L4

②樹枝為：L1、L3、L5、L6、L8；連枝為：L7、L2、L4

③樹枝為：L1、L3、L5、L6、L7；連枝為：L8、L2、L4

④樹枝為：L2、L3、L4、L6、L8；連枝為：L7、L5、L1

⑤樹枝為：L2、L3、L5、L6、L8；連枝為：L7、L4、L1

圖3 一個局部電網的拓撲結構

（3）針對每一種開環點運行方式，進行局部的N－1掃描分析（需要考慮備自投，不考慮無功），計算出總失電量。對總失電量進行排序，失電最少的開環點運行方式就是校正結果。

4.2 越限風險校正

越限或重載是導致風險指標上升的主要因素之一。在基態越限的情況下，甚至可能導致風險指標數量級的上升，因此消除越限或過載是風險校正的主要手段。與網省級輸電網不同，地區電網校正設備越限的手段主要有兩種：通過改變拓撲轉供出一部分負荷；切除負荷。最有利的方式是在不損失負荷的情況通過開關變位實現轉供，但可能涉及到一系列復雜的操作步驟。

下面以變壓器越限校正為例說明轉供方法，基本思路如下：如果越限變壓器所在變電站超過1臺主變，而且主變非并列運行，越限校正首先在本站進行負荷均衡操作。如果是并列主變，則等效為一臺等值主變，再進行后續環節。如果均衡操作不能完全消除越限，則進行拓撲搜索，找出轉移路徑。然后適當選取轉移路徑的組合和順序，來盡量消除越限。

可能采用站內均衡操作的越限主變是有條件的，應該滿足以下條件：（1）主變中壓側連接雙母線接線方式；（2）另一臺主變沒有越限；（3）母線分列運行，即母聯為分位；（4）越限主變與另一臺主變連接至不同的母線。在滿足以上條件的前提下，站內均衡操作操作實際就是選擇部分出線（負荷）切換母線的操作。選擇的原則如下：首先計算另一條母線的裕度。選取連接越限主變，且潮流小于裕度的線路，按照從大到小排隊。逐次切換母線，直到滿足以下條件：越限主變越限消失；或者裕度將要用完。

轉移路徑搜索時遵循如下步驟：以同電壓等級主變為根節點，形成一個個分區。注意，這里的主變可能是等值主變。通過拓撲搜索到越限主變所在分區的熱備用開關，如果該開關連著存在供電裕度的另一個分區（為了保證負荷轉移后別的主變不越限），則這個開關所在的熱備用線路為一個可能的轉移路徑。這樣的轉移路徑可能有多個，將轉移路徑存儲下來，然后進入轉移路徑選取環節。

關于轉移路徑選取問題，理論上是個整數線性規劃優化問題，但可以采用實用化的方法求解。

如果一個110 k V變電站有1個轉移路徑，假定變電站有2個母線，可形成多個轉移方式，如圖4所示，2DL所在線路為轉移路徑：

圖4 一個110 k V變電站

僅轉移2母負荷時，合上2DL，再分開3DL。如果轉移該變電站全部負荷，則合上2DL，分開1DL。這樣總共有2種轉移方式。反映到將要建立的數學模型上，轉移2母負荷作為1個變量，轉移全部負荷作為1個變量，變量都可取0值和1值。以轉移方式作為變量，則圖4可形成2個變量。為避免轉移方式沖突，將這兩個變量和小于等于1作為約束條件。

如果一個變電站有多個轉移路徑，可形成更多的轉移方式。

路徑選取問題構成下面的0－1整數規劃問題：

以轉移方式xi為變量，假定總共為n個。

設置目標函數：

F函數是一個折線函數，當x＞0時，F（x）＝x；當x＜0時，F（x）＝－mx，m為懲罰系數，m可取0.2。這個函數反映盡量優先消除越限，條件允許時避免過度轉移負荷。

約束條件：應保證負荷轉移不會引起別的相關變壓器越限，假定存在相關變壓器b，則有：

式中 Pb——相關變壓器的最大可轉移負荷量；bi——每個變量對應轉移到變壓器b的負荷大小。

如果有多個相關變壓器，類似于式（7）的式子也有多個。雖然整數線性規劃有成熟的算法，但為了實現簡易起見，本文采用一種啟發式的求解方法：調度員在轉移負荷時，最開始的操作應該是效果最大，然后逐步操作。因此求解時可仿照這種做法，采用多步迭代方法。首先在滿足約束的前提下，變量x只有1個值取1，其余取0，選取的是消除越限最有效的變量。然后去除該變量，重新生成規劃模型。直到越限消除，或者約束范圍內沒有可行的解。

5 工程應用

本文所設計的軟件在某地區電網的D5000調度控制系統上試運行。下面的例子使用某時刻斷面數據，依次進行了定性風險分析、定量風險分析、風險校正。

定性風險分析的結果包括電磁環網共2串、串供網絡共17串，單主變或單電源供電的變電站共35個。定性分析結果從拓撲的角度給出電網的薄弱環節，同時便于可視化展示，方便運行人員的監視工作。但是沒有定量信息，不足以找出全部的風險環節。

定量風險分析的結果更加全面。排在前10位的失負荷風險場景中，有6條是屬于串供網絡設備故障，這是因為串供網絡缺少備用電源造成風險較大，同時也有設備故障后保護拒動影響范圍太大而形成的較大風險。失負荷定量風險涉及到拓撲結構、自動裝置、潮流分布等幾個不同因素的結合。因此，定量風險分析的結果更全面。

針對風險定性評估給出的串供網絡，進行失負荷校正操作，45%的串供網絡可以給出風險更低的開環點運行方式。有8臺22 0k V主變重載，風險校正程序進行了負荷轉供操作，經過39次開關變位操作后，有6臺主變消除了重載，另2臺因為沒有轉移路徑無法消除重載。校正完成后的電網斷面風險指標下降了20%以上。

軟件運行一次時間超過1 min，和狀態估計等實時模塊相比，耗時偏長。但實時運行中，考慮到地區電網運行狀態不會發生過快的變化，運行周期設置為15 min左右是合理的。

6 結論與展望

本文設計了地區電網供電風險評估與校正軟件，通過工程實施案例認為該軟件可以通過定性風險的方式發現電網運行的薄弱點，便于調控人員重點監視?？梢酝ㄟ^定量分析的方式得到更精確的風險信息和風險級別。設計的風險校正功能降低串供網絡失負荷風險；降低設備的越限風險。

風險評估和校正領域仍然有廣闊的研究和開發空間，以下的方向是我們的建議：（1）與二次設備監視系統聯動，與保護定值校核軟件配合，從而更加精細的分析保護（包括分析誤動、拒動、誤整定）對風險的影響；（2）研究風險定量分析的高效算法，提高計算速度；（3）故障場景的選取更加多樣化，特別是可以讓用戶自行選擇配置；（4）以降低風險指標為目標的風險校正優化，優化中考慮多種約束。

［1］ 陳 勇，姚玉斌，夏 翔，等.考慮備自投的地區電網靜態安全分析設計與應用［J］.電力系統自動化，2004，28（19）：84-87.

CHEN Yong，YAO Yu-bin，Xia Xiang，el al.Design and Application of Static Security Analysis Considering Bats for a District Power System，2004，28（19）：84-87.

［2］ HAIMES Y Y.風險建模、評估和管理（第二版）［M］西安：西安交通大學出版社，2007.

［3］ 李碧君，方勇杰，徐泰山.關于電網運行安全風險在線評估的評述［J］.電力系統自動化，2012，36（18）：171-177.

LI Bi-jun，FANG Yong－jie，XU Tai-shan.Review on Online Operational Security Risk Assessment of Power Systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36（18）：171-177.

［4］LI Ming，MCCALEY J D，VITTAL V，el al.Online riskbased security assessment［J］.IEEE trans on Power System，2003，18（1）：258-265.

［5］LI Ming，MCCALEY J D，VITTAL V，el al.Software Implementation if online risk-based security assessment［J］.IEEE trans on Power System，2003，18（3）：1165-1172.

［6］ 文云峰，崔建磊，張金江，等.面向調度運行的電網安全風險管理控制系統：（一）概念及架構與功能設計［J］.電力系統自動化，2013，37（9）：66-73.

WEN Yun-feng，CUI Jian-lei，ZHANG Jin-jiang，el al.Design of a security risk management system for power system dispatching and operation part one concepts and design of architecture and function［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37（9）：66-73.

［7］ 崔建磊，文云峰，郭創新，等.面向調度運行的電網安全風險管理控制系統：（二）風險指標體系、評估方法與應用策略［J］.電力系統自動化，2013，37（10）：92-97.

CUI Jian-lei，WEN Yun-feng，GUO Chuang-xin，et al.Design of a security risk management system for power system dispatching and operation part two risk index，Assessment Methodologies and Application Strategies［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37（10）：92-97.

［8］ 黃 超，李銀紅，石東源，等.基于風險的繼電保護定值薄弱區域在線辨識［J］.電力系統自動化，2012，36（5）：77-81.

UANG Chao，LI Yin-hong，SHI Dong－yuan，et al.Risk Based On-line Identification of Weak Region of Relay Settings［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36（5）：77-81.

［9］ 魏 煒，王 恩，劉 哲.時變概率模型下的電網調度操作過程風險評估［J］.電網技術，2013，37（12）：3509-3514.

WEI Wei，Wang En，LIU Zhe.Real-Time Probabilistic Model Based Risk Assessment of Dispatching Operations Process［J］.Power System Technology，2013，37（12）：3509-3514.

［10］ 閃 鑫，戴則梅，曹 路，等.針對電網3／2接線方式的設備風險在線辨識方法［J］.電力系統自動化，2012，36（1）：112-115.

SHAN Xin，DAI Ze-mei，CAO Lu，el al.An On-line Identification of Equipment Risk for 3／2 Circuit Breaker Connections［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36（1）：112-115.

［11］ 汪隆君，李 博，王 鋼，等.計及電網變化過程的地區電網運行風險評估［J］.電力系統自動化，2011，35（1）：18-22.

WANG Long－jun，LI Bo，WANG Gang，el al.Operational Risk Assessment of Regional Power Grid Considering Developing Process［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35（1）：18-22.