電網全故障智能分析及風險評估系統設計

王 凱，諶艷紅，萬 源，段志遠

（國網江西省電力公司，江西南昌 330077）

0 引言

隨著特高壓電網建設的不斷深入，互聯電網之間相互影響愈發明顯，行為特性愈發復雜。加之電網運行中不確定因素逐漸增多，電網運行呈現出強相關、非線性、復雜化的大系統特點。

為保證電網安全、穩定、經濟運行，電網規劃與運行人員必須開展大量N-1或N-2故障的靜態和動態安全計算分析[1]，并求取輸電斷面穩定極限，工作量十分繁重。但基于現有電網離線分析計算軟件（PSASP/PSD）的工作模式存在一定的不足：

1）基于PSASP/PSD的計算操作繁瑣，工作效率較低，在互聯電網規模不斷擴大的背景下，現有電網離線分析計算軟件無法滿足進行海量故障掃描的需要[2]。

2）為提高工作效率，電網規劃與運行人員只選取關鍵故障進行分析校核，關鍵故障集的選取依賴于人工的經驗與判斷[3]，但互聯電網運行方式和行為特性不斷變化，存在遺漏關鍵故障的可能。

3）常用的確定性分析方法基于電網中最不利的運行方式和最嚴重的故障標準，得出的結果往往過于保守，無法充分發揮電網的輸送能力，降低了電網投資的經濟效益。

為服務國民經濟的持續健康發展，適應人民生活水平不斷提高對電力可靠供應的需求，未來幾年，電網仍將處于快速發展的過程中，電網的規模和復雜程度正在顯著增加。為深入分析電網行為特性，提高電網輸送能力和經濟效益，十分迫切地需要開展電網全故障智能分析及風險評估系統研究工作。

1 系統結構

1.1 系統需求

針對現有離線分析計算存在的不足，在復雜互聯大電網背景下，電網安全穩定分析系統需要滿足以下要求：

1）自動進行全網范圍內N-1或N-2的全故障海量掃描。

2）結合電網可靠性數據，對電網運行風險進行量化評估。

3）必須基于現有PSASP/PSD數據格式，保證電網運行方式分析中參數模型的一致性。

1.2 系統結構

電網全故障掃描及風險評估系統可通過導入電力系統分析綜合程序（PSASP）或電力系統分析軟件包（PSD）數據形成電網模型，同時導入生產管理系統（PMS）中的電網設備故障數據形成可靠性數據。

該系統將在電網潮流及暫態穩定計算的基礎上，對影響電網安全穩定運行的靜態和動態故障進行全掃描，結合電網的實際運行數據及設備可靠性概率數據，綜合事故的影響和發生概率，對電網風險進行確定性和概率性量化分析，全面評價電網風險。

系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 系統功能

2.1 靜態掃描功能

靜態掃描是根據給定的電網結構、參數和發電機、負荷等元件的運行條件及給定的切除方案，確定切除某些元件是否危及系統的安全。其計算方法與潮流計算完全相同。

靜態掃描可由用戶選擇進行全網、某區域或某電壓等級的N-1或同桿并架故障靜態安全分析，也可以執行某指定元件斷開后的N-1計算（即N-1-1）。

2.2 動態掃描功能

動態掃描可以批量設置系統的動態故障，自動分析所有動態故障下系統的穩定水平。可以自動批量設置的電網典型故障，包括：交流線、母線、變壓器等設備的對稱/不對稱故障及多重復雜故障，并可以考慮重合閘動作、斷路器誤動或拒動的情況。

表1 動態故障類型

2.3 風險評估功能

風險評估既考慮了電網故障的可能性，又考慮了故障對系統的沖擊程度，是結合了概率性方法和確定性方法的實用性混合方法，可以確定一個突發事件出現的概率，并能量度該事件的嚴重程度[4]。

電網靜態風險評估基于靜態掃描結果，進行電壓越限風險評估、支路過載風險評估，進而分析電網的薄弱環節及故障狀態，給出電網靜態風險的定量指標。

電網動態風險評估基于動態掃描結果，進行電網動態失穩風險評估，包括功角失穩風險、電壓失穩風險及頻率失穩風險。

3 全故障掃描加速技術

由于電網規模不斷擴大，電網元件N-1和N-2組合數量十分龐大。為提高計算效率，需要在全故障掃描時采用加速技術。

3.1 靜態掃描加速技術

1）對于雙回線或多回線、并列運行的變壓器等，在掃描時無論是單重故障還是多重故障，均只枚舉一次；

2）使用拓撲分析功能，快捷地找出同塔雙回線路，以及同一發電機組的出口變壓器；

3）優化元件切除方案，生成校核元件列表，只生成一次節點導納陣，優化了靜態掃描計算流程；

4）使用改進PQ分解法，并用合并小支路的形式提高潮流計算收斂性和計算速度。

3.2 動態掃描加速技術

按故障的嚴重程度對故障的計算順序進行排序，優先計算較嚴重的故障。若計算結果顯示穩定，則自動認為該元件發生較輕的故障也能保持穩定，而不再對較輕故障進行校核，從而減少動態掃描計算量。

動態故障優先級見表2所示。優先級1表示故障后果最嚴重，優先級9表示故障后果最輕微。動態掃描時從優先級為1的故障開始。

表2 動態故障類型

4 應用測試

本系統已在江西電力調度控制中心投入運行。

使用本系統對江西電網2014年夏大方式進行分析，對220 kV及以上電網進行靜態和動態全故障掃描。故障元件范圍是江西省內220 kV及以上電網元件，分區選擇江西省內全部13個分區，電壓等級選擇220 kV、500 kV。越限元件范圍與故障范圍相同。

4.1 靜態全故障掃描

靜態故障類型選擇N-1和同桿并架故障掃描。

結果顯示，靜態掃描故障總數760個，導致越限的故障11個，其中導致母線電壓越下限的故障1個，導致線路過載的故障1個，導致變壓器過載的故障9個。

靜態掃描結果詳細列出了11個導致越限的故障信息，包括切除元件列表和越限元件及越限量。用戶可以在地理圖中選擇相應的故障作業號查看潮流結果。

4.2 動態全故障掃描

動態故障類型選擇線路三相短路、單相接地重合閘成功、同桿雙回或多回異名相故障。

根據計算設置，本次掃描自動生成3 202次故障，結果表中列出2 168次故障暫穩計算結果，有1 034次故障根據動態掃描加速技術省略計算。在有暫穩計算結果的故障中，導致功角失穩的有85個，導致電壓失穩的有420個。

4.3 計算結果分析

該系統計算過程迅速，結果準確。

該次應用在臺式計算機上完成，CPU是intel酷睿2.93 GHz，內存2 G。在進行江西220 kV及以上電網靜態全故障掃描時，僅需5~7 min即可完成。完成江西220 kV及以上電網線路三相故障動態掃描需要約22 h。

通過抽樣對比可以驗證該系統的計算結果與PSASP是一致的。

5 結論

電網全故障智能分析及風險評估系統可以自動、快速地對復雜大電網進行靜態和動態全故障掃描和分析，并在此基礎上進行電網運行風險評估分析。本系統采用了多種加速技術來解決計算量大的問題，提高了系統的計算效率，為復雜大電網安全穩定計算提供了一種有效的分析手段。

該系統可以有效降低電網運行的安全風險，提高電網安全穩定計算的工作效率。該系統基于現有PSASP/PSD數據格式和潮流穩定計算程序，適合在電網公司各級調度機構和規劃設計部門中推廣應用。

[1]DL 755-2001電力系統穩定導則[S].

[2]羅彬，劉漢偉，梅濤，等.基于PSD-BPA的電網潮流穩定計算分析平臺開發與應用[J].電力系統自動化，2012，36（17）：119-123.

[3]付紅軍，孟遠景，熊浩青，等.電網運行方式綜合管理系統設計與應用[J].電力自動化設備，2010，30（4）：119-122.

[4]劉怡芳，張步涵，李俊芳，等.考慮電網靜態安全風險的隨機潮流計算[J].中國電機工程學報，2011，31（1）：59-64.