基于覆冰動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

摘 要：冰雪災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)造成的破壞與威脅不容忽視，分析覆冰對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，制定合理的應(yīng)對(duì)措施就顯得尤為重要。文章介紹了國(guó)內(nèi)外冰雪災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的影響，從基于覆冰動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的元件故障概率模型入手，結(jié)合電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)冰雪災(zāi)害下的電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，為制定融冰策略提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電網(wǎng)；冰雪災(zāi)害；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

冰災(zāi)對(duì)電網(wǎng)的危害不容小視，近年來(lái)，電網(wǎng)大范圍覆冰對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定形成巨大威脅。文章提出的基于覆冰動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的電網(wǎng)冰雪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型能夠合理地分析冰雪災(zāi)害下的高風(fēng)險(xiǎn)線路，為電網(wǎng)運(yùn)行提供合理應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害的措施，及時(shí)進(jìn)行線路融冰，以防止因覆冰引起的電網(wǎng)線路停運(yùn)，達(dá)到降低電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1 冰雪災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的影響

根據(jù)歷年全球經(jīng)歷的冰雪災(zāi)害事故分析得出，電力系統(tǒng)受災(zāi)的形勢(shì)多種多樣，例如輸電線路斷線停運(yùn)；倒桿、倒塔；電氣設(shè)備跳閘停運(yùn)等。2008年我國(guó)南方部分省份遭受了最為嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害天氣，冰災(zāi)引發(fā)貴州、湖南等地大面積停電，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、電力供應(yīng)和人民群眾的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的影響與威脅。1998年，美國(guó)加拿大發(fā)生大范圍冰雪災(zāi)害使當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)超過(guò)3000千米輸電線路斷線停運(yùn)，電網(wǎng)修復(fù)費(fèi)用超過(guò)10億加元，當(dāng)?shù)鼐用裆钍艿絿?yán)重影響。

總結(jié)下來(lái)，冰災(zāi)對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要是因?yàn)殡姎庠O(shè)備上的覆冰過(guò)厚，突破了線路和桿塔所能承受的能力，導(dǎo)致斷線倒塔。如何預(yù)測(cè)電氣設(shè)備上的覆冰厚度，氣象學(xué)的理論在電網(wǎng)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(fēng)速的天氣條件下，電網(wǎng)架空線路和桿塔才出現(xiàn)覆冰情況，而且覆冰的形態(tài)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(jié)冰的速度也和氣象條件有關(guān)，這就使冰雪災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的影響充滿了更多的不確定因素。架空導(dǎo)線覆冰的基本條件有以下三點(diǎn)：一是空氣溫度與導(dǎo)線表面溫度在-20℃～-2℃之間；二是空氣相對(duì)濕度在80%以上；三是風(fēng)速在1～10m/s之間，使空氣中水份和導(dǎo)線發(fā)生碰撞。滿足上述三種條件后，電網(wǎng)的線路和桿塔就極有可能出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，對(duì)電網(wǎng)安全造成影響。

2 冰雪災(zāi)害下的故障概率模型

電力系統(tǒng)在覆冰情況下的故障概率和電網(wǎng)線路的覆冰狀況密切相關(guān)，考慮覆冰增速能夠更科學(xué)的對(duì)覆冰情況進(jìn)行分析。

2.1 覆冰增長(zhǎng)模型

我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)生冰雪災(zāi)害的主要受災(zāi)地區(qū)集中在中南部地區(qū)，雨凇形式的覆冰是常見的覆冰形式。研究發(fā)現(xiàn)，Goodwin覆冰增長(zhǎng)模型是假設(shè)所有與導(dǎo)線接觸的過(guò)冷卻水都在導(dǎo)線表面形成覆冰，即覆冰的干增長(zhǎng)模式，該模型和我國(guó)中南部電網(wǎng)的覆冰增長(zhǎng)模式相似，同時(shí)也綜合考慮了氣象因素對(duì)覆冰增速的影響。覆冰增長(zhǎng)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(fēng)速，Vd是水滴下落速度，取8m/s[1]。

2.2 基于覆冰增長(zhǎng)的故障概率模型

導(dǎo)線出現(xiàn)覆冰情況之后，隨著時(shí)間的推移，覆冰厚度會(huì)逐漸增加，導(dǎo)線承受的力也就逐漸加大，當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到最大承受能力之后，隨著應(yīng)變的增加，導(dǎo)線能夠承受的力會(huì)突然下降，發(fā)生斷線事故。線路故障概率與覆冰情況有直接關(guān)系，覆冰越厚，該線路就越危險(xiǎn)，故障概率也就越高。但是由于電網(wǎng)中線路型號(hào)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(lái)衡量導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重程度，結(jié)合2.1中的覆冰增長(zhǎng)模型，線路i從當(dāng)前時(shí)刻起t時(shí)刻內(nèi)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(zāi)害事故后果模型

3.1 運(yùn)行狀態(tài)后果

（1）電壓嚴(yán)重度指標(biāo)

電力系統(tǒng)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(yán)重情況是電壓崩潰，尤其是在電網(wǎng)無(wú)功儲(chǔ)備不足時(shí)，電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)大面積電壓水平偏低。因此，低電壓嚴(yán)重度在電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后果模型中是十分重要的一部分。事故后系統(tǒng)低電壓嚴(yán)重度用節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)額定電和節(jié)點(diǎn)權(quán)重表示[3]，模型為：

其中，Yp=（yp1，yp2，…，ypn）T為各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓偏移向量；Bp=（bp1，bp2，…，bpn）為各個(gè)節(jié)點(diǎn)電氣介數(shù)向量，作為節(jié)點(diǎn)權(quán)重。

（2）過(guò)載嚴(yán)重度指標(biāo)

線路過(guò)載嚴(yán)重度指系統(tǒng)發(fā)生事故后，系統(tǒng)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(guò)載程度作為嚴(yán)重度函數(shù)構(gòu)成的系統(tǒng)嚴(yán)重度指標(biāo)，反映系統(tǒng)事故后果。事故后線路過(guò)載嚴(yán)重函數(shù)用支路功率、支路滿載功率極限和之路權(quán)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(shù)向量，作為線路權(quán)重。

考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的綜合嚴(yán)重度指標(biāo)為：

3.2 負(fù)荷損失后果

電網(wǎng)負(fù)荷損失存在以下兩種情況：一是負(fù)荷節(jié)點(diǎn)因?yàn)橹饭收闲纬晒铝⒐?jié)點(diǎn)導(dǎo)致的負(fù)荷損失L1；二是故障后負(fù)荷節(jié)點(diǎn)由于電壓偏低造成低壓減載導(dǎo)致負(fù)荷損失L2。電網(wǎng)整體負(fù)荷損失總量：

其中，Llp是失負(fù)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(yán)重度不僅包括事故對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的影響，同時(shí)和事故后系統(tǒng)減供負(fù)荷量與減供負(fù)荷中不同負(fù)荷類型的比例有密切關(guān)系。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)的嚴(yán)重度模型與負(fù)荷損失嚴(yán)重度模型進(jìn)行加權(quán)處理，得到電網(wǎng)事故后的綜合嚴(yán)重度模型：

4 電力系統(tǒng)冰雪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 冰災(zāi)情況下影響電網(wǎng)運(yùn)行的因素

冰災(zāi)情況下影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素主要有三類：一是覆冰情況，覆冰嚴(yán)重程度直接影響該線路能否可靠運(yùn)行，此時(shí)覆冰程度越嚴(yán)重的線路危險(xiǎn)級(jí)別越高；二是電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)本質(zhì)的特征，不同支路與節(jié)點(diǎn)在其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的重要程度是不同的，因此重要的支路在融冰過(guò)程中應(yīng)該優(yōu)先考慮；三是覆冰線路故障造成的嚴(yán)重程度，某些線路由于自身在電網(wǎng)中起著重要作用而顯得非常關(guān)鍵，一旦發(fā)生故障會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定造成較為嚴(yán)重的危害，所以當(dāng)這些線路出現(xiàn)覆冰情況時(shí)即為高風(fēng)險(xiǎn)線路，應(yīng)該受到更多重視。

4.2 冰災(zāi)下電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是電網(wǎng)事故可能性與事故嚴(yán)重程度的結(jié)合。事故的可能性即為故障概率，嚴(yán)重程度即是事故對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。冰災(zāi)情況下影響電網(wǎng)運(yùn)行的因素中，覆冰情況與線路故障概率密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)事故嚴(yán)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合形成綜合性的事故嚴(yán)重度指標(biāo)，再利用風(fēng)險(xiǎn)理論，將覆冰情況、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)三個(gè)對(duì)電網(wǎng)影響最大的重要因子綜合到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中，對(duì)冰災(zāi)情況下的電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定高風(fēng)險(xiǎn)線路，避免冰災(zāi)引起電網(wǎng)的重大損失。評(píng)估模型為：

其中，P（i）為公式（2）計(jì)算的線路i覆冰情況的故障概率；S（i）為線路i故障后對(duì)電網(wǎng)的影響后果；Ri即為覆冰情況下線路i對(duì)電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)用此風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)覆冰情況下的電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，找出對(duì)系統(tǒng)影響最大的覆冰線路，提前做好預(yù)防措施，及時(shí)進(jìn)行線路融冰，以防止因覆冰引起的電網(wǎng)線路停運(yùn)，達(dá)到降低電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

5 仿真算例

以某省一地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)共包含18個(gè)節(jié)點(diǎn)，22條支路。用文章方法對(duì)冰雪災(zāi)害下覆冰線路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，每次評(píng)估過(guò)后對(duì)該線路進(jìn)行融冰處理（融冰時(shí)間為2小時(shí)），持續(xù)時(shí)間t從0～6時(shí)所找出的最大風(fēng)險(xiǎn)線路如表1所示。

從表1可以看出，從持續(xù)6小時(shí)的冰雪天氣的影響下，線路2是最先出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)的線路，之后是線路1和線路8。因此，為應(yīng)對(duì)此次冰雪災(zāi)害，課制定系列為L(zhǎng)2-L1-L8的線路融冰順序，來(lái)達(dá)到降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)冰雪災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的影響，綜合考慮覆冰增速、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)構(gòu)、事故后果失負(fù)荷情況，提出了基于覆冰動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的電力系統(tǒng)故障概率模型，并用此模型結(jié)合綜合事故后果指標(biāo)，對(duì)冰雪災(zāi)害下的電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該方法克服了傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)只含運(yùn)行狀態(tài)嚴(yán)重度的不足，對(duì)冰雪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更有針對(duì)性，能識(shí)別電網(wǎng)覆冰情況下的高風(fēng)險(xiǎn)線路，從而預(yù)防因線路覆冰所導(dǎo)致的災(zāi)難性事故的發(fā)生，為電網(wǎng)安全和運(yùn)行維護(hù)提供合理參考。

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作者簡(jiǎn)介：趙陽(yáng)（1989，04-），女，河北石家莊人，研究方向：電力市場(chǎng)研究，電力系統(tǒng)評(píng)估。

安佳坤（1988，09-），男，河北石家莊人，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)。

孟斌（1986，08-），男，河北邯鄲人，研究方向：電力系統(tǒng)線路設(shè)計(jì)。

郭計(jì)元（1986，07-），男，河北滄州人，主要研究方向：電力系統(tǒng)線路設(shè)計(jì)。

劉雪飛（1984-），男，河北邢臺(tái)人，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃。