含UPFC南京西環電網系統可靠性評估研究

李 琥， 劉國靜， 朱 磊，胡曉燕, 談 健， 朱鑫要

( 1. 國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院, 江蘇 南京 210008；2. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是當前靈活交流輸電技術發展的前沿產品，它能夠同時調控系統的電壓、阻抗及功角等參數，具有靈活控制潮流、提高電網傳輸能力及改善系統穩定性等多種功能[1-2]。2015年底，為解決南京220 kV西環網中關鍵輸電斷面輸電能力不足、新的輸電通道難以建設等實際問題，國網江蘇省電力有限公司建成投運了世界首個基于模塊化多電平(modular multilevel converter，MMC)技術的220 kV UPFC工程[3-4]。南京220 kV西環網UPFC工程投運一年多來，多次調整控制策略，緩解了南京西環網輸電斷面的重載問題，發揮了巨大的工程效用。

然而，目前關于南京西環網UPFC工程的研究中，更多的是從工程建設、運行分析等方面展開研究[5-9]，對UPFC自身可靠性，尤其是對UPFC投運后對電網整體可靠性的影響分析還相對較少。文獻[10]將UPFC三狀態、四狀態可靠性模型擴展到九狀態，能夠考慮UPFC降額運行、單換流器運行等運行方式，在此基礎上建立UPFC靈敏度解析模型，能夠更精確地獲取UPFC停運概率。文獻[11]分析了UPFC隨機故障和不同的控制策略對系統失穩概率指標的影響，并基于非序貫蒙特卡洛模擬方法建立了分析流程，以修正EPRI-36節點系統為例進行仿真計算。文獻[12]考慮了母線電壓、線路潮流對UPFC停運概率的影響，在此基礎上建立了含UPFC的負荷削減模型，可通過事故后的UPFC控制降低系統切負荷概率指標。為保障UPFC的可靠運行，實際中一般對其重要的子系統需配置備品、備件以減少故障停運時間，現有研究在UPFC可靠性建模中對備用元件的考慮尚不夠充分。

隨著后續電網發展，江蘇電網必然會采用更多的柔性輸電裝置。然而，這些柔性輸電裝置的可靠性將不可避免的對江蘇電網的可靠性帶來影響。因此，有必要以南京西環網220 kV UPFC為研究對象，開展可靠性分析研究，為后續柔性輸電裝置在江蘇應用提供借鑒分析。

1 南京220 kV UPFC工程概況

南京西環網主要由500 kV龍王山變電站和500 kV東善橋變電站從南北兩端供電，區域內帶有華能南京電廠、華潤南京電廠等電源。西環網的供電范圍包括主城西部、河西新城、奧體新城等，集聚了政府機關、高等院校等較多重要負荷。南京西環網地處南京中心城區，無論是新建輸電通道還是對現有通道實施增容改造，均存在投資巨大、實施難度大的問題。為解決南京西環網潮流分布不均問題，2015年，國網江蘇省電力有限公司建成了220 kV UPFC示范工程。該工程在220 kV曉莊—鐵北雙線上裝設2×60 MV·A串聯換流器，在220 kV燕子磯變電站35 kV母線上裝設1×60 MV·A并聯換流器,如圖1所示。

圖1 UPFC安裝位置Fig. 1 The installation location of UPFC

2 含UPFC可靠性評估

2.1 UPFC子系統可靠性模型

按照功能和連接關系，UPFC可劃分為4個子系統：VSC換流橋子系統，主要有換流閥組、換流閥冷卻設備及保護裝置等；換流變壓器子系統，包括單相三繞組換流變壓器、交流側斷路器等；控制及保護子系統；極設備子系統，包括中性點接地支路及相關開關元件。

UPFC各子系統及組成元件是可修復的且每個元件的狀態數是有限的，主要是運行、檢修、安裝3種狀態，并且每個元件的壽命和修復時間都服從指數分布，可看作在空間上具有若干的離散可識別的狀態且在時間上是連續的系統，因而可以用穩態馬爾科夫過程來建模[13]。因此，可以按照容量水平建立子系統的狀態空間圖，同時也可將子系統的狀態空間圖組合成整個系統的狀態空間圖。

UPFC的重要設備結構復雜并且檢修時間長，如果子系統中設備故障，整個系統可能將無法運行因而一些重要設備都有備用元件。對于各個子系統的建模需要考慮到備用的數量和所處的狀態。

2.1.1 無備用元件的可靠性模型

不考慮元件備用時，可用狀態轉移圖來模擬元件的運行、檢修和安裝3個隨機過程。狀態空間圖如圖2所示，其中，100%和0%分別表示元件處于100%容量狀態和停運狀態；1運行表示1個元件在運行，0備用表示沒有元件處于備用狀態，1和0分別是處于該狀態的元件數；運行和備用表示元件所處狀態；狀態1，狀態2表示元件處于不同的狀態；λ為元件的故障率；μ為元件的修復率；γ為元件的安裝率。λ，μ，γ單位均為次/a。

圖2 不帶備用的狀態轉移Fig.2 State transition diagram without backup

根據圖2所示的狀態轉移圖，無備用時元件的轉移概率密度矩陣A如式(1)。

(1)

平穩狀態概率滿足：

(2)

式中：(p1,…,pN)為各個狀態的概率。求解式(2)，得到圖中3個狀態對應的穩態概率p1,p2,p3。進一步根據式(3—5)可求得元件等效可靠性參數。

λeq=λ

(3)

(4)

(5)

式中：λeq為元件的等效故障率；μeq為元件的等效故障修復率；γeq為元件的等效故障修復時間。

2.1.2 帶冷備用元件的可靠性模型

部分設備的修復過程較長，而更換過程時間相對較短，因此通常準備一個冷備用元件。當運行元件發生故障，將其退出運行，再安裝備用元件，安裝調試完畢，裝置即可恢復正常運行。元件造價高，所以通常只準備一個備用元件，同時認為元件在處于備用狀態時不會發生故障。當設備分別帶一個冷備用元件，狀態轉移圖如圖3所示，這種情況下裝置有5種運行狀態。

圖3 元件帶一個冷備用的狀態轉移Fig.3 State transition diagram with one backup

根據圖3的狀態轉移圖，元件帶1個備用的狀態轉移矩陣A如式(6)。求解式(6)得到圖3中各個狀態的穩態概率。進一步根據式(7—9)可求得元件等效可靠性參數。

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 UPFC可靠性模型

各個子系統按照上文所述方法建立兩狀態模型，各個子系統都對整個裝置的正常運行有著重要的影響，任意子模塊故障，系統都要退出運行狀態，因此整個裝置的可靠性評估模型可以看作是各個子系統的可靠性評估模型串聯而成，得到整個裝置的模型，狀態空間圖如圖4所示。圖中λeqi和μeqi分別是各個子系統的等效故障率和等效修復率。

圖4 UPFC狀態空間轉移Fig.4 UPFC state transition diagram

按照元件串聯的關系，用串聯等值公式可以求得整個UPFC的兩狀態模型和對應的可靠性指標。

(10)

(11)

(12)

式中：λUPFC是裝置的等效故障率；γUPFC是每次故障平均修復時間；μUPFC是等效修復率。

2.3 含UPFC系統可靠性評估基本流程

含UPFC電網可靠性計算流程與常規電網可靠性計算總流程基本一致[14-15]，主要包括以下4個步驟：

(1) 建立元件可靠性模型。UPFC可靠性建模方法如2.1-2.3節所述，最終可獲得UPFC系統兩狀態的等效可靠性參數。系統中其它的發電機組、輸電線路、變壓器等元件采用常規兩狀態模型。

(2) 系統運行狀態隨機模擬抽樣。文中采用蒙特卡洛模擬法對系統運行狀態進行隨機抽樣[16-17]。

(3) 故障狀態分析。對于出現元件故障的抽樣狀態，若出現支路潮流越限，則考慮通過發電機組功率調整或UPFC參數調整的方式消除支路潮流越限。文中采用的啟發式調整過程如圖5所示。

圖5 支路越限調整流程Fig.5 Adjustment process of line power

(4) 可靠性指標計算。文中計算了切負荷頻率、切負荷持續時間、電量不足期望值等18項可靠性指標。

3 實例分析

3.1 可靠性參數計算

發電機、線路、主變的可靠性參數基于中電聯可靠性中心發布參數。發電機組非計劃停運次數為0.34 次/(臺·a)，停運時間為24.44 h/(臺·a)。線路、主變可靠性參數如表1所示。

表1 線路和主變可靠性參數Tab. 1 Line and transformer reliability data

UPFC裝置中主要組合元件的可靠性原始參數參照柔性直流輸電子系統可靠性參數[18]，具體如表2所示。

表2 UPFC子系統可靠性參數Tab. 2 UPFC reliability data

按照前文所述子模塊可靠性建模方法分別計算各個子模塊的可靠性參數，再按狀態合并方法得到各個子模塊的兩狀態模型和對應的等效故障率、修復率。在元件是否有備用元件不同情況下的UPFC可靠性參數計算結果如表3所示。

表3 UPFC可靠性參數計算結果

3.2 不同規劃方案可靠性對比分析

為下列3種規劃方案進行對比分析，驗證UPFC對電網可靠性的影響。

(1) 新建線路方案。將220 kV華能南京—曉莊南側線路單開環入220 kV碼頭，需建設電纜線路2×9 km，投資約9億元。

(2) 線路倍容方案。將蘇下關—蘇曉莊和蘇曉莊—蘇中央線路約擴容，由原先750 A擴容到1500 A，需更換導線約30 km，但線路附近有高架路、居民小區、高層商住樓、京滬電氣化鐵路、加油站等設施，方案難以實施。

(3) 裝設UPFC方案。本節計算選用UPFC可靠性參數：故障率=4.372 次/a，修復時間=15.324 8 h/(次·a)。3種情況下的可靠性指標計算結果如表4所示。

表4 可靠性指標計算結果Tab. 4 Calculation result of power system reliability

通過表4可知，新建線路方案、線路倍容方案可靠性均略高于線路倍容方案。這主要是由于新建線路方案、線路倍容方案從根本上提升了電網傳輸能力，因此可靠性略高。

然而，新建線路方案總投資遠高于UPFC方案，同時其經濟成本過高，且更換倍容導線方案由于政處原因，難以實施。因此，綜合考慮工程經濟性與可行性，南京西環網裝設UPFC仍是合適方案。

3.3 UPFC安裝位置不同可靠性影響分析

UPFC不同的安裝位置也會對可靠性帶來一定影響，此處重點分析了UPFC分別安裝在鐵北—曉莊雙回、曉莊—中央與曉莊—下關線路、堯化—東陽雙回雙回不同位置下對電網可靠性的影響。

表5 UPFC不同安裝位置下可靠性指標計算結果Tab. 5 Reliability calculation results under different installation positions of UPFC

通過表5可知，UPFC不同安裝位置對可靠性影響較大，UPFC安裝在鐵北—雙回線上可靠性比在曉莊—中央、曉莊—下關雙線上可靠性下降50%；如果安裝在堯化—東陽雙線上，可靠性下降約500%。

4 結語

文中針對含UPFC南京西環電網系統可靠性進行研究，得到以下結論。

(1) 在UPFC可靠性建模中考慮有無備用元件的影響，能夠使UPFC模型更貼近實際，提高分析結果的準確性；

(2) 在故障狀態分析過程中，通過啟發式方法計及UPFC參數調整消除線路潮流越限的作用，具有較高的計算效率；

(3) 在南京西環網系統，裝設UPFC方案的可靠性水平略低于新建線路方案和線路倍容方案，但考慮經濟性因素后，裝設UPFC方案最為合適；

(4) UPFC不同安裝位置對可靠性影響較大，在選擇安裝位置時需經詳細比較確定。

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