考慮極端氣象的彈性電網仿真系統設計與實現

陳立征，張宇昊，劉林

(山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東濟南250101)

0 引言

全球氣候變暖帶來的高嚴重度的極端氣象事件頻發，給各行業帶來了不同程度的困擾，作為人類生存日益依賴的電網也飽受其害。 2008 年，湖南發生了嚴重冰災，輸電線路覆冰嚴重，造成大面積斷線、倒塔事故，繼而引起電力供應不足，給人們的正常生活與經濟發展帶來了嚴重的損失[1－2]。 2019 年，澳大利亞持續數月的大火，不僅給環境、動物造成災難性破壞，也對電網基礎設施造成損壞，給澳大利亞電網的正常運行帶來了嚴峻挑戰，大量用戶與企業面臨停電，悉尼遭受停電威脅[3－4]。 根據我國之前的統計數據，線路跳閘故障中，由自然災害引起的高達60.8%[5]。 頻發的極端氣象對電網影響的研究越來越不容忽略。

由于目前電網(尤其是我國電網)大多通過高壓輸電網絡實現跨區域高度互聯，上述極端氣象等擾動的發生往往會導致電網大面積故障[6]。 這類故障不同于傳統電網故障，具有以下特征:(1) 發生概率較小，常常忽略其發生以及防御，一次設備在設計時一般能滿足幾十年一遇的標準，而對該類故障完全缺乏防御力；(2) 涉及范圍廣，一旦故障發生會帶來大范圍的影響，考慮經濟性因素無法通過大范圍提高電網一次設備的設計標準來改善電網防御能力；(3) 故障后果嚴重，雖然故障發生的概率較小，但由于后果嚴重，所以該類故障對電網的威脅絲毫不弱于發生概率相對更高的傳統故障；(4) 故障后難以迅速恢復， 故障的表現形式往往是連鎖、群發、相繼型的，故障后電網出現一次設備機械性損壞以及電網大范圍停電等，但電網的恢復過程涉及復雜的決策問題[7－8]。

傳統電網仿真與評估研究往往是面向發生概率較高的單一故障場景，且無法仿真故障后氣象影響下電力系統的復雜動態過程。 考慮上述極端氣象事件在電網中引發故障的特征，相應的研究方法應面向故障發生后的整個電網動態過程，對極端氣象影響下電網的抵御過程與恢復過程進行研究，彈性電網概念能較好地滿足研究需求。 美國能源部首先提出了建設彈性電網，并給出了彈性具體的含義，即能源設施能夠快速從其組成部分或其所依賴的外部系統的損壞中恢復[9]。 趙麗敬[10]基于彈性概念，把電網故障響應分為故障前預防災害過程、故障后的脆弱性過程和恢復過程， 并實現了相應建模。KWASINSKI[11]總結彈性電網具有穩健性、智能性、恢復性和適應性等4 個特征。 HUANG 等[12]把極端擾動影響下的彈性電網分為準備、預防、響應、恢復等4 個階段。 孫江玉等[13]給出了極端擾動下電力系統的性能圖以及彈性電網演化過程，并針對不同的階段給出了提升電網恢復力的建議。 別朝紅等[14]總結了彈性電網及其恢復力的概念，并區分了國外災變防御體系。

綜上所述，彈性電網的研究大部分聚焦于概念理論和定性分析，相應的過程仿真與定量分析缺乏平臺支撐，構建考慮極端氣象事件影響的電力系統仿真系統能夠提供相應研究平臺與數據支撐。 因此，文章基于彈性電網的理論體系，提出了考慮極端氣象的彈性電網仿真系統框架，對相關過程實現了數據建模，并基于電力系統暫態過程仿真分析軟件(Power System Simulator/Engineering，PSS/E)與編程語言Python 完成了彈性電網仿真系統平臺開發工作， 并在冰雪與強風天氣下進行了仿真系統應用，以期能夠揭示極端氣象影響下彈性電網的動態過程。

1 考慮極端氣象的彈性電網仿真系統設計

構建的彈性電網仿真框架如圖1 所示，主要是實現3 部分功能:(1) 極端氣象對電網的侵襲動態過程建模仿真；(2) 極端氣象影響下的電網動態過程仿真；(3) 兩系統交互關系仿真。

圖1 彈性電網仿真框架圖

1.1 氣象系統動態過程仿真模塊設計

彈性電網抵御對象為小概率、高嚴重度的極端氣象，包括極端冰雪天氣、強風天氣以及其他極端天氣。 構建彈性電網仿真系統首先要實現氣象系統的過程仿真。

(1) 冰雪天氣

冰雪天氣對彈性電網的影響機理主要是在特定的溫度、濕度條件下，輸電線路或桿塔上出現覆冰并逐漸增多，直至覆冰的重量超出了線路或桿塔的機械承載能力，從而造成斷線或者倒塔。 但是，輸電線路上流經的電流產生的熱效應會減緩覆冰進程。 基于文獻[15]，建立以下考慮線路電流熱效應的覆冰重量模型， 由式(1)表示為

式中Mi為覆冰重量，kg；r(t)為覆冰輸電線路的半徑，m；Sw為風速，m/s；Cw為空氣液態水密度，kg/m3；I為輸電線路電流，A；Cc為收集系數；Ca為覆冰系數；Va為空氣運動指數；Ci為電流熱效應系數；θ1、θ2分別為降水、風向與輸電線路之間的夾角。

(2) 強風天氣

強風天氣對電網威脅的表現形式是當風速和風向滿足一定條件時，會引起輸電線路的舞動，即輸電線路在風的作用下飛舞，有可能帶來以下兩類故障:①對于三相輸電系統，兩根輸電線路之間的距離會由于舞動減小，從而造成相間短路；② 當輸電線路周圍有故障物時，會由于線路與故障物之間距離過小，造成單相短路。 基于上述機理，建立線路舞動幅值模型，由式(2)表示為

式中A為線路舞動幅值，m；k為等效剛度，N/m；u為風速，m/s；L為線路的長度，m；m1為單位長度線路的重量，kg/m；m2為單位長度線路上的覆冰重量，kg/m；a和b為常數。

(3) 其他極端天氣

其他天氣包括雷電以及地震等破壞性天氣。 在高電壓等級輸電線路上一般都增設避雷線，但由于避雷措施單一，面臨復雜雷擊天氣時，仍有個別情況無法起到作用，從而導致電網的跳閘故障。 當雷擊作用過于強烈時，可能直接造成機械損壞，即帶來斷線故障。 對于地震、山洪等極端破壞性特強災害，電力系統更是毫無抵御之力，而地震后的求助工作又極大程度上依賴于電能的供應。

1.2 電力系統動態過程仿真模塊設計

彈性電網中電力系統的動態仿真主要是基于成熟商業電力系統仿真軟件PSS/E 實現，其仿真模塊可實現在極端氣象發生時電網各參量的變化仿真。根據故障是否觸發以及觸發后時間節點可以分為以下3 類仿真模塊:

(1) 無故障時的潮流計算

當沒有故障發生時，電網潮流受負荷影響而發生變化，因此執行考慮負荷波動的潮流計算，負荷采取逐小時更新的日負荷數據。

(2) 故障后的暫態仿真

當故障發生時，電網狀態會因外界擾動而在短時間內迅速變化，因此通過機電暫態仿真，實現故障后電網的變量跟蹤與分析，由于該過程電網變量變化較快，因此仿真具有小步長、短周期的特性。

(3) 故障后的電網應對措施

應對措施主要包括繼電保護手段、低壓切負荷主動控制、功角失穩解列等。 故障后輸電線路潮流改變，觸發繼電保護動作，根據線路電壓等級差異，執行不同規范的跳閘與重合閘操作；對母線電壓執行實時跟蹤測量，當低于限定值時，執行兩輪主動切負荷方案；當以上動作仍未阻止電網功角失穩時，執行解列操作，將故障區域切除。 上述應對措施均基于對電網參量變化的跟蹤以及自定義接口功能的實現。

1.3 氣象—電力系統交互作用仿真模塊設計

基于上述輸電線路覆冰模型、強風天氣線路舞動模型以及電力系統動態過程，建立了揭示氣象系統與電力系統間的交互影響機理的模型，并仿真實現。

(1) 冰雪天氣

基于式(1)覆冰重量模型，可以得到輸電線路上的實時覆冰重量，當覆冰重量超出線路承載重量限值時即觸發斷線，如圖2 所示。 在式(1)中，考慮了流過輸電線路的熱效應，當部分輸電線路斷開時，會引起整個電網的拓撲變化以及電流的變化，從而影響覆冰過程。

圖2 輸電線路覆冰重量與斷線故障關系圖

(2) 強風天氣

基于式(2)線路舞動幅值模型，可以得到輸電線路的舞動幅值，當舞動幅度較小時，線路與線路之間的距離較大，不會觸發故障；當舞動幅度過大時，線路與線路之間距離過小，從而觸發相間短路；當舞動幅度介于兩者之間時，故障的觸發是概率事件。線路的相間故障本質是高電壓下空氣的擊穿過程，根據巴申定律，介質的擊穿電壓是氣體壓力與間隙距離乘積的函數。 由于氣體壓力是常數，因此擊穿與否與間隙距離呈現固定斜率直線關系。 對上述舞動幅值與輸電線路短路故障關系建立相應的數據模型，如圖3 所示，其中A1為開始發生故障的振幅，A2為一定發生故障的振幅。

圖3 輸電線路舞動振幅與短路故障率關系圖

2 考慮極端氣象的彈性電網仿真系統實現

2.1 實現工具

在氣象系統動態過程仿真中，采用Python 編程語言對上述覆冰重量模型與線路舞動模型進行仿真實現。 Python 具有開放性好、代碼簡單、移植性與擴展性強等優點，有利于各行業人員開發與拓展。

在電力系統動態過程仿真中，采用仿真軟件PSS/E，其功能完善，能夠提供電力系統潮流計算、故障分析、機電暫態仿真等模塊，而且提供了自定義接口，能夠實現彈性電網在極端氣象影響下3 道防線的設置。

在氣象與電力系統交互仿真中，需要實現覆冰重量—斷線故障、線路舞動幅值—短路故障率的模型仿真，以及氣象系統仿真與電力系統仿真兩者之間的銜接與調用，因此采用Python 編程實現。 PSS/E提供了Python 接口，能夠通過豐富的應用程序接口(Application Programming Interface，API)指令實現對電力系統仿真過程的調用與控制；同時，Python 也能夠對兩系統間的數學模型進行仿真實現。

2.2 實現流程

以極端冰雪天氣與強風天氣為例，基于PSS/E與Python 實現彈性電網仿真系統的開發，其系統流程圖如圖4 所示。

圖4 彈性電網仿真系統流程圖

在上述彈性電網仿真流程中，主要通過Python實現氣象過程仿真，調用PSS/E 實現電力過程仿真以及兩者之間的交互。

(1) 氣象過程的仿真，包括覆冰重量、線路舞動幅值等，并根據氣象仿真結果設置電網故障，以下代碼是基于強風舞動幅值結果的220 kV 輸電線路的故障設置過程:

(2) 當無故障觸發時，電力系統運行方式不會發生改變，因此仿真結果也會保持穩定，為提高仿真效率，直接跳過小步長、高精度的暫態仿真，采用大步長、高效率的潮流計算代替。 此仿真階段采用預設的潮流計算步長與周期參數，直至下一次故障觸發。 具體邏輯結構流程如圖5 所示。

(3) 當故障觸發時，結束上述過程中的潮流計算，轉入小步長、高精度的暫態仿真過程。 根據氣象結果與電力系統故障的對應關系，在電網中設置相應的故障類型與位置，根據預設暫態仿真步長與周期參數執行。 仿真過程中，對電壓、功角等狀態量逐步長監視，設置越限、失穩判斷模塊，并采用相應的繼電保護與應急控制手段，包括線路跳閘、重合閘，緊急切負荷、電網主動解列等措施。

圖5 彈性電網仿真系統邏輯結構流程圖

3 彈性電網仿真系統應用算例

基于上述彈性電網仿真系統分別在極端冰雪天氣與強風天氣下執行彈性電網仿真。 采用PSS/E自帶的23 節點算例，其中輸電線路參數見表1。

表1 輸電線路參數表

3.1 極端冰雪天氣下彈性電網仿真系統分析

(1) 氣象條件

溫度設定為2:00 達到最低值－10 ℃，14:00 達到最高值－5 ℃。 在時間窗口內，溫度在正弦函數關系中隨時間變化；降水預測數據為降水基準值在1 mm/h的基礎上，每5 min 隨機變化20%；風速在8 m/s基準值上，每5 min 隨機變化20%。

(2) 仿真結果

以其中若干條輸電線路上覆冰動態過程為例，結果如圖6 所示。 圖6(a)中4 條輸電線路覆冰重量隨時間變化逐漸上升，其中＃3 由于超出了線路承載能力，發生了斷線。 ＃3 線路上的覆冰速率變化曲線如圖6(b)所示，覆冰速率受輸入氣象隨機變化的影響而上下波動。 以彈性電網的電流動態變化為例，結果如圖6(c)所示，可以看出在線路因覆冰開斷時，電流也跌落至零，非故障線路因潮流轉移引起了相應電流的變化。

圖6 輸電線路覆冰動態過程變化圖

3.2 強風天氣下彈性電網仿真系統分析

(1) 氣象條件

對輸電線路舞動起實質作用的是垂直于線路方向的風，因此采集故障發生地區的風向與風速信息，并轉換為垂直輸電線路方向的風速，如圖7 所示。

圖7 垂直于輸電線路的風速波動曲線圖

(2) 仿真結果

基于上述彈性電網仿真系統，可以得到強風氣象影響下電網的失穩演化過程及參數動態變化過程，某次電網故障場景過程部分故障見表2，不同輸電線路因故障類型不同，分別發生單相或相間短路故障。 對單相短路故障，設置重合閘措施。

另外，通過該系統仿真可以得到線路舞動幅值變化曲線，如圖8 所示。 以其中4 條輸電線路為例，振幅與風速變化趨勢基本一致，當發生故障時，跳閘排除了線路影響，因此振幅置零。

如上述兩個案例所示，文章建立的彈性電網仿真系統能夠揭示極端氣象的演化過程，對氣象過程中的覆冰重量以及舞動幅值等進行跟蹤，并能夠展示在極端氣象影響下的電力系統動態過程，涵蓋電網中的各變量跟蹤以及圖形化演示，包括電壓、電流、功角等。

表2 某次故障場景的詳細過程表

圖8 故障后部分線路電流變化圖

4 結語

文章對極端氣象事件在彈性電網中的影響開展了研究，提出了揭示氣象事件與電力系統交互影響動態過程的彈性電網仿真框架，在時域范圍內全面考慮各類氣象事件的影響機理以及彈性電網在故障前后的各類保護動作與控制措施，從而實現兩系統交互仿真。 建立了考慮輸電線路電流熱效應的覆冰重量模型及其與電網斷線故障對應關系模型、強風影響下的線路舞動幅值模型及其與線路短路故障關系模型，并基于仿真軟件PSS/E 與編程語言Python完成了彈性電網仿真系統開發工作。 系統能夠實現彈性電網應對氣象事件侵襲時的動態過程仿真，提供彈性電網在應對氣候變化過程中動態的氣象變量以及電氣量，具有豐富的彈性電網仿真自定義接口，可為各類氣象事件影響下彈性電網仿真構建平臺，為電力從業人員提供了有效的電網系統仿真研究工具。