基于覆冰動態增長的電力系統風險評估方法

摘 要：冰雪災害對電網造成的破壞與威脅不容忽視，分析覆冰對電網運行帶來的風險，制定合理的應對措施就顯得尤為重要。文章介紹了國內外冰雪災害對電力系統的影響，從基于覆冰動態增長的元件故障概率模型入手，結合電力系統風險評估模型，對冰雪災害下的電力系統進行風險評估研究，為制定融冰策略提供參考依據。

關鍵詞：電力系統；電網；冰雪災害；風險評估

冰災對電網的危害不容小視，近年來，電網大范圍覆冰對電力系統的安全穩定形成巨大威脅。文章提出的基于覆冰動態增長的電網冰雪災害風險評估模型能夠合理地分析冰雪災害下的高風險線路，為電網運行提供合理應對冰雪災害的措施，及時進行線路融冰，以防止因覆冰引起的電網線路停運，達到降低電網風險的目的。

1 冰雪災害對電力系統的影響

根據歷年全球經歷的冰雪災害事故分析得出，電力系統受災的形勢多種多樣，例如輸電線路斷線停運；倒桿、倒塔；電氣設備跳閘停運等。2008年我國南方部分省份遭受了最為嚴重的冰雪災害天氣，冰災引發貴州、湖南等地大面積停電，給電力系統安全穩定、電力供應和人民群眾的生產生活帶來了極大的影響與威脅。1998年，美國加拿大發生大范圍冰雪災害使當地電力系統超過3000千米輸電線路斷線停運，電網修復費用超過10億加元，當地居民生活受到嚴重影響。

總結下來，冰災對電力系統的影響主要是因為電氣設備上的覆冰過厚，突破了線路和桿塔所能承受的能力，導致斷線倒塔。如何預測電氣設備上的覆冰厚度，氣象學的理論在電網覆冰的研究上有了新的突破。研究表明，只有在特定的溫度、濕度和風速的天氣條件下，電網架空線路和桿塔才出現覆冰情況，而且覆冰的形態也各有不同，常見的有：雨凇、霧凇、濕雪等。架空線路和桿塔上結冰的速度也和氣象條件有關，這就使冰雪災害對電力系統的影響充滿了更多的不確定因素。架空導線覆冰的基本條件有以下三點：一是空氣溫度與導線表面溫度在-20℃～-2℃之間；二是空氣相對濕度在80%以上；三是風速在1～10m/s之間，使空氣中水份和導線發生碰撞。滿足上述三種條件后，電網的線路和桿塔就極有可能出現覆冰現象，對電網安全造成影響。

2 冰雪災害下的故障概率模型

電力系統在覆冰情況下的故障概率和電網線路的覆冰狀況密切相關，考慮覆冰增速能夠更科學的對覆冰情況進行分析。

2.1 覆冰增長模型

我國電力系統發生冰雪災害的主要受災地區集中在中南部地區，雨凇形式的覆冰是常見的覆冰形式。研究發現，Goodwin覆冰增長模型是假設所有與導線接觸的過冷卻水都在導線表面形成覆冰，即覆冰的干增長模式，該模型和我國中南部電網的覆冰增長模式相似，同時也綜合考慮了氣象因素對覆冰增速的影響。覆冰增長模型為：

其中ρw為水的密度，ρi為冰的密度；Hg為降水量；V為風速，Vd是水滴下落速度，取8m/s[1]。

2.2 基于覆冰增長的故障概率模型

導線出現覆冰情況之后，隨著時間的推移，覆冰厚度會逐漸增加，導線承受的力也就逐漸加大，當導線達到最大承受能力之后，隨著應變的增加，導線能夠承受的力會突然下降，發生斷線事故。線路故障概率與覆冰情況有直接關系，覆冰越厚，該線路就越危險，故障概率也就越高。但是由于電網中線路型號存在差異，因此綜合考慮覆冰厚度與線路所能承受的覆冰極限來衡量導線覆冰嚴重程度，結合2.1中的覆冰增長模型，線路i從當前時刻起t時刻內的故障概率模型為：

其中，h為覆冰厚度；s為覆冰極限值。

3 冰雪災害事故后果模型

3.1 運行狀態后果

（1）電壓嚴重度指標

電力系統電壓安全是故障后母線保持可接受的電壓的能力[2]。威脅電壓安全的最嚴重情況是電壓崩潰，尤其是在電網無功儲備不足時，電網會出現大面積電壓水平偏低。因此，低電壓嚴重度在電力系統風險評估后果模型中是十分重要的一部分。事故后系統低電壓嚴重度用節點電壓、節點額定電和節點權重表示[3]，模型為：

其中，Yp=（yp1，yp2，…，ypn）T為各個節點電壓偏移向量；Bp=（bp1，bp2，…，bpn）為各個節點電氣介數向量，作為節點權重。

（2）過載嚴重度指標

線路過載嚴重度指系統發生事故后，系統中各支路上輸送的容量與線路整定的極限輸送容量相比的過載程度作為嚴重度函數構成的系統嚴重度指標，反映系統事故后果。事故后線路過載嚴重函數用支路功率、支路滿載功率極限和之路權重表示。模型為：

其中，Yl=（yl1，yl2，…，yln）T為各條支路功率越限向量；Bl=（bl1，bl2，…，bln）為各條支路電氣介數向量，作為線路權重。

考慮電網結構和運行狀態的綜合嚴重度指標為：

3.2 負荷損失后果

電網負荷損失存在以下兩種情況：一是負荷節點因為支路故障形成孤立節點導致的負荷損失L1；二是故障后負荷節點由于電壓偏低造成低壓減載導致負荷損失L2。電網整體負荷損失總量：

其中，Llp是失負荷百分比；K取值為30%[4]。

3.3 綜合事故后果模型

事故后果嚴重度不僅包括事故對系統運行穩定的影響，同時和事故后系統減供負荷量與減供負荷中不同負荷類型的比例有密切關系。結合網絡結構與運行狀態的嚴重度模型與負荷損失嚴重度模型進行加權處理，得到電網事故后的綜合嚴重度模型：

4 電力系統冰雪災害風險評估

4.1 冰災情況下影響電網運行的因素

冰災情況下影響電網穩定運行的因素主要有三類：一是覆冰情況，覆冰嚴重程度直接影響該線路能否可靠運行，此時覆冰程度越嚴重的線路危險級別越高；二是電網拓撲結構，在一個網絡中，拓撲結構是一個本質的特征，不同支路與節點在其網絡結構上的重要程度是不同的，因此重要的支路在融冰過程中應該優先考慮；三是覆冰線路故障造成的嚴重程度，某些線路由于自身在電網中起著重要作用而顯得非常關鍵，一旦發生故障會對電網運行安全穩定造成較為嚴重的危害，所以當這些線路出現覆冰情況時即為高風險線路，應該受到更多重視。

4.2 冰災下電力系統風險評估模型

電力系統風險評估是電網事故可能性與事故嚴重程度的結合。事故的可能性即為故障概率，嚴重程度即是事故對電網運行的影響。冰災情況下影響電網運行的因素中，覆冰情況與線路故障概率密切相關，網絡拓撲結構和電網的運行狀態對事故嚴重程度有直接影響，因此將覆冰情況引入故障概率模型，將網絡拓撲結構與運行狀態相結合形成綜合性的事故嚴重度指標，再利用風險理論，將覆冰情況、網絡拓撲結構和電網的實際運行狀態三個對電網影響最大的重要因子綜合到風險指標中，對冰災情況下的電網進行風險評估，確定高風險線路，避免冰災引起電網的重大損失。評估模型為：

其中，P（i）為公式（2）計算的線路i覆冰情況的故障概率；S（i）為線路i故障后對電網的影響后果；Ri即為覆冰情況下線路i對電力系統的風險。

運用此風險評估模型對覆冰情況下的電網進行風險評估，找出對系統影響最大的覆冰線路，提前做好預防措施，及時進行線路融冰，以防止因覆冰引起的電網線路停運，達到降低電網風險的目的。

5 仿真算例

以某省一地區電網進行仿真。該系統共包含18個節點，22條支路。用文章方法對冰雪災害下覆冰線路進行風險評估，每次評估過后對該線路進行融冰處理（融冰時間為2小時），持續時間t從0～6時所找出的最大風險線路如表1所示。

從表1可以看出，從持續6小時的冰雪天氣的影響下，線路2是最先出現高風險的線路，之后是線路1和線路8。因此，為應對此次冰雪災害，課制定系列為L2-L1-L8的線路融冰順序，來達到降低系統風險的目的。

6 結束語

文章針對冰雪災害對電力系統的影響，綜合考慮覆冰增速、電網運行狀態和結構、事故后果失負荷情況，提出了基于覆冰動態增長的電力系統故障概率模型，并用此模型結合綜合事故后果指標，對冰雪災害下的電力系統進行風險評估。該方法克服了傳統風險指標只含運行狀態嚴重度的不足，對冰雪災害的風險評估更有針對性，能識別電網覆冰情況下的高風險線路，從而預防因線路覆冰所導致的災難性事故的發生，為電網安全和運行維護提供合理參考。

參考文獻

[1]呂宏興，武春龍.雨滴降落速度的數值模擬[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1997，3（2）：14-21.

[2]陳為化.基于風險的電力系統靜態安全分析與預防控制[D].杭州：浙江大學，2007.

[3]趙陽，李華強，王伊妙，等.基于復雜網絡理論和條件概率的災難性事故風險評估方法[J].電網技術，2013，37（11）：3190-3196.

[4]國務院.電力安全事故應急處置和調查處理條例[S].北京：中國電力出版社，2011.

作者簡介：趙陽（1989，04-），女，河北石家莊人，研究方向：電力市場研究，電力系統評估。

安佳坤（1988，09-），男，河北石家莊人，研究方向：電力系統規劃、設計。

孟斌（1986，08-），男，河北邯鄲人，研究方向：電力系統線路設計。

郭計元（1986，07-），男，河北滄州人，主要研究方向：電力系統線路設計。

劉雪飛（1984-），男，河北邢臺人，主要研究方向：電力系統規劃。