考慮負載率的電磁環(huán)網供電可靠性評估方法

劉樹安,吳杰康,鄭風雷,晏浩然,黃　強

(1.廣東電網有限責任公司 東莞供電局,廣東 東莞 523008; 2.廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣州 510006)

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考慮負載率的電磁環(huán)網供電可靠性評估方法

劉樹安1,吳杰康2,鄭風雷1,晏浩然2,黃強1

(1.廣東電網有限責任公司 東莞供電局,廣東 東莞 523008; 2.廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣州 510006)

針對多電壓等級電網中電磁環(huán)網對供電可靠性的影響問題,構建了多級電磁環(huán)網運行和聯(lián)絡線負載概率模型;根據負荷變化的不確定特性,在一定的負荷水平下,對電磁環(huán)網中進線及聯(lián)絡線負載率和過負荷率進行了關聯(lián)分析,并提出電磁環(huán)網進線和聯(lián)絡線過負荷概率計算方法。以某一大型電網2個220 kV變電站所形成電磁環(huán)網為例,計算分析了各種運行方式下進線和聯(lián)絡線過負荷概率,揭示了電磁環(huán)網運行對供電可靠性的影響。

電磁環(huán)網;可靠性評估方法;負載率;進線;聯(lián)絡線

在多電壓等級電網中,變電站之間在不同的電壓等級通過不同聯(lián)絡線進行互聯(lián),往往在變壓器電磁回路形成環(huán)路[1]。電磁環(huán)網是電力系統(tǒng)的一種結構特征,電磁環(huán)網運行是電力系統(tǒng)運行中需要特別注意的一種方式。因此電磁環(huán)網及其對運行可靠性影響已受到極大的關注,并成為研究的熱點主題[2]。在中國,220～500 kV、330～750 kV等多電壓等級電網中電磁環(huán)網問題比較突出[3-4],需要給以高度重視并進行針對性研究,以找出防范和控制的技術方法。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)可靠性評估中,模擬法、解析法、多狀態(tài)模型評估算法、重要抽樣算法、卷積計算方法、運行可靠性評估方法、故障模式后果分析法、最小路最小割集法、網絡等值法、故障擴散法等[5-10],對于電磁環(huán)網可靠性評估均有借鑒之處,同時在這些成熟的評估方法基礎上加以進行針對性研究,可以提出改進方法。本文考慮負載率的影響,針對變電站高低壓側電磁環(huán)網的可靠性問題進行了研究,并提出變電站進線過載概率計算方法。

1　電磁環(huán)網中線路負載率

圖1　高低壓側均有聯(lián)絡線的兩級互聯(lián)系統(tǒng)

假設2個變電站的負荷功率變化互不影響、相互獨立,并服從正態(tài)分布,則有

2個變電站總的負荷功率也服從正態(tài)分布,其概率密度函數為

2個變電站總負荷功率的累積分布函數為

其中y為2個變電站總負荷功率。

在2個變電站進線全部正常運行時,所有進線不過載的概率為

對兩級多條線路多臺變壓器并列運行的供電系統(tǒng)進行N-1靜態(tài)安全分析,當變電站I中有1條進線因檢修或故障退出運行時,此種情況下所有進線不過載的概率為

當變電站Ⅱ中有1條進線因檢修或故障退出運行時,此種情況下所有進線不過載的概率為

2　實例計算與分析

東莞電網的部分接線如圖2所示。

圖2　220 kV板橋站和寒溪站兩級互聯(lián)系統(tǒng)接線圖

從圖2可以看出,220 kV的板橋站和寒溪站的高低壓側均用輸電線連接,形成了兩級電磁環(huán)網,符合圖1所示的高低壓側均有聯(lián)絡線的兩級互聯(lián)系統(tǒng)的結構特征。

220 kV板橋變電站有3條進線,分別為水板甲線、水板乙線、新板線。水板甲線、水板乙線的安全輸電容量均為380 MVA,新板線的安全輸電容量為360 MVA。220 kV寒溪變電站有2條進線,分別為橫寒甲線和橫寒乙線,橫寒甲線和橫寒乙線的安全輸電容量均為375 MVA。取標準容量SB=100 MVA,假定220 kV板橋變電站所接負荷功率服從期望值為7.45,方差為1;220 kV寒溪變電站所接負荷功率服從期望值為4.80,方差為1。

2個變電站負荷功率為

2.1變電站進線全部正常運行時可靠性分析

當2個變電站的進線全部正常工作時,在此種負荷水平下進線不過負載的概率為

P(kLI≤1,kLⅡ≤1)=

Φ(4.56)≈1

這說明當板橋變電站和寒溪變電站的進線全部正常運行時,在此種負荷水平下進線過負荷的概率極小,為小概率事件,幾乎不可能發(fā)生。

2.2進線故障或檢修下獨立運行變電站可靠性分析

當220 kV板橋變電站和寒溪變電站未形成電磁環(huán)網、變電站分開獨立運行時,若板橋變電站有1條進線,例如水板甲線因故障或檢修而退出運行,則在此種負荷水平下板橋變電站其余進線不過負荷概率為

Φ(-0.1)=0.496

當2個變電站不形成電磁環(huán)網時,若寒溪變電站有1條進線,例如橫寒甲線因故障或檢修而退出運行時,則在此種負荷水平下,橫寒乙線不過負荷的概率為

Φ(-1.05)=0.147

2.3進線故障或檢修下電磁環(huán)網可靠性分析

當220 kV板橋變電站有1條進線,例如水板甲線,因故障或檢修退出運行時,則在此種負荷水平下板橋變電站和寒溪變電站其余進線不過負荷的概率為

P(kLI≤1,kLⅡ≤1)=

Φ(1.87)≈0.969

在板橋變電站和寒溪變電站形成環(huán)網的情況下,若寒溪變電站有1條進線,例如橫寒甲線因故障或檢修而退出運行時,則在此種負荷水平下2個變電站其余進線不過負荷的概率為

P(kLI≤1,kLⅡ≤1)=

Φ(1.91)≈0.972

以上計算結果表明,當板橋變電站1條進線因故障或檢修而退出運行時,則220 kV板橋變電站和寒溪變電站之間形成電磁環(huán)網比板橋變電站和寒溪變電站獨立運行時,進線過負荷的概率更低,說明此種負荷水平下形成電磁環(huán)網比分開獨立運行的結構更加安全可靠。

2.4聯(lián)絡線故障或檢修下電磁環(huán)網可靠性分析

以上N-1靜態(tài)安全分析考慮的都是變電站進線斷開后的情況,現(xiàn)考慮兩級電磁環(huán)網中2個變電站高壓側連接線因檢修或故障而退出運行時對其他線路的影響。兩級電磁環(huán)網的高壓側聯(lián)絡線斷開后的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　高壓側聯(lián)絡線斷開的兩級互聯(lián)系統(tǒng)

為簡化對于兩級電磁環(huán)網聯(lián)絡線的斷線分析,現(xiàn)假設變電站I中進線傳送總功率小于變電站I所接負荷功率,根據功率平衡原則剩余功率會經過2個變電站的聯(lián)絡線傳輸到變電站I,其剩余功率為

兩級電磁環(huán)網高低壓側的聯(lián)絡線均正常運行時,剩余功率將分配到高壓側聯(lián)絡線和低壓聯(lián)絡線上,而分配比例與高壓輸電線和低壓輸電線的阻抗值有關。低壓側聯(lián)絡線的阻抗值比高壓側聯(lián)絡線的阻抗值高,因此高壓側聯(lián)絡線傳輸的功率要比低壓側聯(lián)絡線傳輸的功率要大。高壓側聯(lián)絡線和低壓側聯(lián)絡線所傳輸的功率為

式中:Srh、Srl分別為高壓側和低壓側聯(lián)絡線所傳輸的功率;α、β分別為分配到高壓側和低壓側聯(lián)絡線上的分配因子。

假定對于220 kV電磁環(huán)網的分配因子為α=0.8,β=0.2,在兩級電磁環(huán)網中高低壓側聯(lián)絡線正常工作時,高低壓側連接線不過負荷的概率分別為

在圖2中,以220 kV板橋變電站和寒溪變電站為例,板橋變電站和寒溪變電站的220 kV高壓側聯(lián)絡線有2條分別為寒板甲線和寒板乙線,110 kV低壓側聯(lián)絡線有1條為寒橋線。寒板甲線、寒板乙線和寒橋線的最大安全輸電容量分別為325、325和97 MW。假定板橋變電站的進線負載率為0.6,所有聯(lián)絡線正常運行時的分配因子α=0.8,β=0.2。當高壓側的聯(lián)絡線因故障或檢修而有1條退出運行時,則高壓側聯(lián)絡線的總阻抗值會發(fā)生變化,隨之高低壓側聯(lián)絡線的分配因子也會發(fā)生改變,假定此時α′=0.6,β′=0.4。

當聯(lián)絡線正常運行時,可求得高壓側聯(lián)絡線和低壓側聯(lián)絡線不過負荷的概率分別為

Φ(7.395)≈1

Φ(4.12)≈1

當1條高壓側聯(lián)絡線例如寒板甲線因故障或檢修而退出運行時,此時寒板乙線和寒橋線不過負荷的概率為

Φ(4.68)≈1

Φ(1.69)≈0.95

當高壓側聯(lián)絡線因故障全部斷開時,剩余功率將全部轉移到低壓側寒橋線上,β′=1此時寒橋線不過負荷的概率為

Φ(0.24)≈0.59

以上計算結果表明,在2個變電站形成的兩級電磁環(huán)網中,當高壓側聯(lián)絡線因故障或檢修,部分或全部退出運行時,高壓側聯(lián)絡線上經過的功率會部分轉移到低壓側聯(lián)絡線上,而低壓側聯(lián)絡線的最大安全輸電容量遠小于高壓側聯(lián)絡線的最大安全輸電容量,所以極可能導致低壓側聯(lián)絡線過負荷。

綜合上述,當2個變電站形成兩級電磁環(huán)網時,有利于降低因變電站進線斷開而導致其他進線過負荷的概率,使變電站之間的聯(lián)絡性加強。但變電站形成電磁環(huán)網時因增加了高低壓側的聯(lián)絡線,也會帶來因為聯(lián)絡線因故障或檢修而致使其他聯(lián)絡線過負荷的風險,容易使得故障范圍擴大,產生故障連鎖反應,加大了網絡的不確定性。因此變電站之間是否應互聯(lián),如何連接,高低壓側聯(lián)絡線的條數在安全可靠的前提下如何搭配保障其經濟性,這些都是應該考慮的問題。

3　結　論

1) 在一定的負荷水平下,2個或多個變電站形成電磁環(huán)網運行比各個變電站獨立運行的結構更加安全可靠,進線過負荷的概率較低。

2) 當2個變電站形成兩級電磁環(huán)網時,有利于降低因變電站進線斷開而導致其他進線過負荷的概率,使變電站之間的聯(lián)絡性加強。

3) 當變電站之間形成電磁環(huán)網時,會帶來因為聯(lián)絡線因故障或檢修而致使其他聯(lián)絡線過負荷的風險,所以容易使故障范圍擴大,產生故障連鎖反應,加大網絡不確定性。

[1] 葉華,劉玉田,牛新生.220～500 kV 電磁環(huán)網開環(huán)方案模糊綜合評價[J].電力自動化設備,2006,26(7):1-5.

YE Hua,LIU Yutian,NIU Xinsheng.Fuzzy comprehensive evaluation of opening schemes for 220～500 kV electromagnetic loop[J].Electric Power Automation Equipment,2006,26(7):1-5.

[2] 張保會,姚峰,周德才,等.輸電斷面安全性保護及其關鍵技術研究[J].中國電機工程學報,2006,26(21):1-7.

ZHANG Baohui,YAO Feng,ZHOU Decai,et al.Study on security protection of transmission section and its key technologies[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(21):1-7.

[3] 侯春青,鄭惠萍.2005 年山西中南部500 kV 及220 kV 電網的電磁環(huán)網運行方式研究[J].電網技術,2005,29(10):83-87.

HOU Chunqing,ZHENG Huiping.Research on parallel operation of 500 kV and 220 kV power networks in south and central part of Shanxi power grid in 2005[J].Power System Technology,2005,29(10):83-87.

[4] 潘煒,劉文穎,楊以涵,等.電磁環(huán)網條件下西北750 kV 電網運行方式的研究[J].電網技術,2007,31(15):33-38.

PAN Wei,LIU Wenying,YANG Yihan,et al.Research on operating modes of 750 kV northwest china power grid electro-magnetically coupled with 330 kV power grid[J].Power System Technology,2007,31(15):33-38.

[5] BILLINTON R,CHEN H,ZHOU J.Generalized n+2 state system Markov model for station-oriented reliability evaluation[J].IEEE Transactions on Power Systems,1997,12(4):1511-1517.

[6] 宋曉通,譚震宇.基于最優(yōu)抽樣與選擇性解析的電力系統(tǒng)可靠性評估[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(5):29-33.

SONG Xiaotong,TAN Zhanyu.Power system reliability evaluation based on optimal sampling and selective analysis algorithm[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(5):29-33.

[7] 楊汾艷,兌瀟瑋,唐景星,等.考慮站網協(xié)調的500 kV 終端變電站可靠性評估[J].電網技術,2013,37(3):847-854.

YANG Fenyan,DUI Xiaowei,TANG Jingxing,et al.500 kV terminal substation’s reliability assessment considering coordination between power grid and substation[J].Power System Technology,2013,37(3):847-854.

[8] BILLINTON R,CHEN H, ZHOU J.Individual generation station reliability assessment[J].IEEE Transactions on Power Systems,1999,14(4):1238-1244.

[9] 謝紹宇,王秀麗,王錫凡,等.自適應重要抽樣技術在發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估中的應用[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(5):13-17.

XIE Shaoyu,WANG Xiuli,WANG Xifan,et al.A dynamic aggregation method for induction motors based on their coherent characteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(5):13-17.

[10] 趙淵,張進,蘆晶晶,等.大電網可靠性評估的卷積計算模型[J].電網技術,2013,37(9):2466-2473.

ZHAO Yuan,ZHANG Jin,LU Jingjing,et al.A convolution model for bulk power grid reliability evaluation[J].Power System Technology,2013,37(9):2466-2473.

Probability assessment method for supply systems with electromagnetic looped networks considering load ratel

LIU Shuan1, WU Jiekang2, ZHENG Fenglei1, YAN Haoran2, HUANG Qiang1

(1.Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan 523008, China;2.School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In the light of the study of the influence of electromagnetic looped networks on the reliability of power supply is studied, and the calculation method for overload rate of in-lines connected to the Infinite systems and tie-lines between substations is studied in this paper. According to the connection between two or more 220 kV substations, the model of the overload probability model of the in-lines and the tie-lines is analyzed. According to the uncertainty of load variation, the correlation analysis between the load rate and the overload rate of the electromagnetic looped networks is carried out under a certain load level. The reliability calculation method of overload rate of the in-lines and tie-lines in electromagnetic looped networks between substations is presented. In this paper, an electromagnetic loop network between two 220 kV substations in a large power grid is taken as a study example. The calculation and analysis of the overload probability of the in-lines and the tie-lines under various operating modes are carried out. The influence of operation of electromagnetic loop networks on power supply reliability is revealed.

electromagnetic looped networks; probability assessment method; load rate; in-lines; tie-lines

2015-10-14;

2016-03-15。

國家自然科學基金項目(50767001)；國家863高技術基金項目(2007AA04Z197)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20094501110002)；廣東自然科學基金項目(S2013010012431，2014A030313509)。

劉樹安(1978—),男,工程師,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

TM714

A

2095-6843(2016)03-0200-04