應對嚴重自然災害的省級高壓網架增強輔助策略

馬晨霄，戴則梅,3，胡超凡，羅玉春,3，王毅,3，張小聰，閃鑫,3

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，南京市 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京市 211106；3.智能電網保護和運行控制國家重點實驗室，南京市 211106；4.國家電網有限公司國家電力調度控制中心，北京市100031；5.國網浙江省電力有限公司，杭州市 310007)

0 引 言

省級高壓網架存在電壓等級高、傳輸容量大以及地理跨度遠等特點[1-2]，隨著交直流混聯電網的發展以及分布式能源、儲能等新型能源的接入，高壓網架重要程度更甚，其一旦發生故障將造成嚴重的電力與經濟損失[3-5]。與此同時，全球氣候問題造成的嚴重自然災害在近年頻發，尤其以夏季臺風、水災等對省級高壓電網安全穩定運行帶來的風險與考驗為最[6-7]，而傳統的經驗調度已難以適應嚴重災害發生前后電網不確定性與非連續性的狀況，亟需準確而有效的調控決策方法輔助災時電網調度[8]。

針對上述狀況，國內外學者提出“電網韌性”一詞[9-11]，旨在建設能夠抵御災害、應對各類故障并快速恢復的新型電網。當前對于配電網的故障處置方法研究較多，文獻[12]提出一種二次負荷轉供方案，首先以停電負荷快速恢復為目標進行一次轉供，然后針對后續薄弱環節進行二次轉供優化電網運行；文獻[13-14]充分考慮網絡中分布式電源出力，針對災害條件或嚴重故障狀況，進行孤島劃分與快速重構相結合的策略保障供電。但上述研究主要基于輻射狀配電網絡，對省級高壓網架韌性增強策略研究較少。

文獻[15-16]將電網運行狀態的動態變化納入考慮，分別基于泰爾指數和靜態安全裕度構建脆弱線路有效評估方法；文獻[17]結合數據與模型驅動技術，建立一種臺風災害下的輸電線路失效預測方法。文獻[18]提出一種電力系統連鎖事故鏈模型與仿真算法，旨在提前甄別惡劣天氣下電網的薄弱環節與故障傳播途徑。上述研究都能夠有效辨識或預測出電網風險與故障狀況，但沒有給出進一步的預防補救與處理措施。

綜上所述，為預防嚴重災害對省級高壓電網產生過大影響，降低災害引起的電力經濟損失，本文提出一種側重電網網架的韌性增強策略。通過對故障前后多個時段電網運行方式與狀態分析，搜索其中薄弱運行環節，并針對薄弱運行環節給出相應的熱備線路投運、母聯合環兩種輔助控制決策，代替僅僅依靠調度員經驗與人工操作故障處理方式，以解決目前交流設備相繼故障前后態勢評估能力不足、協同處置效率較低的問題。

1 臺風災害及電網處置策略

1.1 臺風“利奇馬”影響情況

近年來，我國頻繁遭受諸如臺風“煙花”、鄭州暴雨水災等嚴重自然災害，電網網架也遭受極端考驗。其中，以2019年8月在臺州溫嶺登陸的9號臺風“利奇馬”給浙江電網帶來的影響尤為嚴重[19]。“利奇馬”中心最大風力達到16級，先后穿過臺州、金華、紹興、杭州和湖州多個地市，且在浙江省內滯留持續時間長達20 h，臺風強度大、范圍廣且持續時間久，給各類電力設備的運行造成較大的損害與挑戰，也給檢修人員的工作帶來極大的困難。

從負荷狀況來看，臺風時期由于電網網架與各類設備受損，當天負荷下降嚴重，包括由于故障引起的大面積停電與調度部門為維持電網安全運行而主動切除的負荷。臺風當日與前后兩日浙江電網調度口徑的最大最小負荷狀況見表1。

表1 臺風前后浙江電網負荷狀況

可以看出，浙江全省調度最大負荷在臺風登陸當日由正常水平約7 500萬kW降至5 158萬kW，在臺風登陸前兩日，降幅高達30.8%。臺州作為臺風登陸地受災最為嚴重，圖1為臺風期間臺州的負荷變化，其最大負荷由臺風登陸前的506萬kW降至163萬kW，降幅更是達到67.8%。可見，臺風自然災害嚴重影響了用戶的正常工作生活。

圖1 臺風期間臺州負荷變化

而對于電網網架而言，省級電網架設高度高，跨度大，在臺風天氣中極易受到影響與破壞，造成關聯設備故障與失電。臺風“利奇馬”對浙江電網高壓網架造成的影響狀況見表2。

表2 臺風對浙江高壓網架影響

臺風造成省級網架500 kV和220 kV設備頻繁跳閘，高壓線路與變電站的頻繁停運失電，進一步造成電網運行方式極端薄弱，風險加劇。在500 kV網架中仍一度出現塘嶺變、柏樹變、麥嶼變、玉環電廠只剩下500 kV浦塘5473線和220 kV君燎2Q48線的“兩線四站”薄弱方式。另外在220 kV網架更是發生“一線饋供六站”，即嶺澤4341線一條線路供電220 kV澤國變、白楓變、桔鄉變、巨峰變、劍山變和臺牽變6個變電站的極端薄弱運行方式，給電網運行造成極大的安全隱患。

1.2 源網荷各側處置策略

高壓電網的故障后安全運行涉及發電、負荷、電網三者之間的協調控制，其整體思路如圖2所示。在發電側通過自動發電控制快速恢復電網頻率，并針對其他電源特性調節優化電網運行狀態；在負荷側，當系統備用不足或通過調整機組出力無法消除設備越限時，需要通過切負荷措施，保障電網的安全運行；在電網側，則可以通過線路試送與開關的停運投運來進行故障隔離與運行方式的調整優化。源網荷三側的手段相輔相成，最終達到最大程度的預防故障并減少故障停電損失的目標。

圖2 源網荷協同處置框架

1)電源側。在災害來臨前需要有計劃地安排一定量的常規機組調停，水電廠提前削落水庫水位。災時首先針對故障發生后的功率變化，第一時間采用自動發電控制對優先級較高響應較好的可控機組進行處理調整，保證大電網頻率穩定；然后根據后續電網運行態勢，以及分布式能源的發電預測，進一步決定抽水蓄能機組的起停與儲能電站出力計劃，以處理故障引起的局部越限，保證電網電壓穩定。災后根據電網網架與設備搶修程度逐步恢復正常發電方式，保障用戶負荷正常供電。

2)電網側。首先為增強電網網架的響應程度，在災前需要盡可能地恢復網架全接線正常方式；在災時故障發生后，首先迅速調整電網運行方式隔離故障，防止其進一步蔓延；其次考慮電源及負荷特性，并根據電網實時運行狀況，有針對性地通過投運部分熱備線路或合并母聯開關等手段來減少電網薄弱環節失電與孤島運行的風險，極力避免因線路“N-1”故障造成的大面積停電損失。

3)負荷側。對于重要程度較高負荷，提前預留備用供電線路與電源，保障重要負荷不失電。其次根據不同負荷類型的不同特性，提前控制降低災時負荷電量，保障系統備用與響應能力。在嚴重故障發生后，源網測調控無法滿足安全運行要求時，需要進行負荷控制。對負荷的控制優先通過營銷負荷控制系統對可中斷負荷進行控制，即優先控制大用戶的可中斷電源及非工空調等負荷，保證災時系統的功率平衡與頻率穩定的同時，盡力降低負荷控制帶來的經濟損失。

2 高壓網架增強策略數學模型

2.1 電網基本模型及約束

1)電網模型邊界等值。

省級電網模型與外部電網存在明確邊界，并且主要包含特定高電壓等級的設備線路，因此，模型的建立需要對外部電網以及部分低電壓區域進行外部網絡等值處理：

(1)

(2)

式中：Pi,ex和Qi,ex分別表示需要等值的外網流入邊界節點i發電有功和無功功率；Ui表示節點i電壓幅值；Ei為邊界節點i外部等值發電機內電勢；θie和θij分別表示節點i與等值機e以及其他節點j之間的相角差；Gij、Bij分別為導納矩陣元素中節點i、j的電導、電納值。

2)電網潮流約束。

采用本文網架增強策略后，電網運行方式必然發生變化。為保證電網后續穩態運行的各項參數依舊處于合理空間以及電網整體發用電平衡，首先需要進行潮流驗證。

(3)

式中：Pgn,i和Qgn,i分別為節點i的發電有功和無功功率；Pld,i和Qld,i分別為節點i的負荷有功和無功功率。

3)靜態指標約束。

(4)

(5)

式中：Ui,max、Ui,min分別表示節點i電壓上下限；Iij和Imax分別表示支路ij的電流及其上限。

2.2 薄弱環節辨識與網架增強

本文考慮針對災害情況的網架增強控制輔助決策具體分為2種，其主要思路如圖3所示。基于電網實時狀態估計斷面信息與預想故障，辨識電網中遇故障后容易直接失電甚至造成連鎖反應的薄弱運行環節。針對該類薄弱環節，策略一是針對站間連通度低的廠站進行熱備線路的匹配，投運連接廠站中薄弱運行環節的熱備線路；策略二是針對薄弱運行母線，根據條件判別其母聯開關與對側母線狀態，故障狀況下可合并符合判別條件的母聯開關，降低單母線運行失電風險。上述策略均可加強網絡故障發生前后的運行薄弱環節，預防或減少因“N-1”或“N-2”設備故障引起的全站停電與后續連鎖反應。

圖3 高壓網架增強策略框架

2.2.1 薄弱環節辨識指標

1)站間連通度。定義站間連通度來衡量高壓輸電線路故障后特定廠站的失電容易程度。

(6)

式中：Ti,t表示時間斷面t下廠站i的站間連通度；Line表示對應電壓等級的線路集合；Ll,i,t表示線路l與廠站i的連接狀況，若直接相連則為1，否則為0；Bus表示電網中的電源節點集合；Lb,i,t表示電源點b與節點i連通狀況，若能夠連通(不穿越高電壓等級廠站)則為1，否則為0。

其中能連通電源節點除發電機外，還包括高壓等級的廠站，如500 kV廠站可以作為省級220 kV廠站電源。

2)站內連通度。對于220 kV雙母線、多母線或帶旁路母線的運行方式，可能存在母線與其他母線分列運行。定義站內連通度來衡量廠站內部母線的連接情況。

(7)

(8)

式中：Nj,t表示時間斷面t下母線j的站內連通度；CB表示母聯開關合集，c表示其編號；λc,j,t表示母線j的站內聯通狀況。當存在母聯開關為合并狀態且對側母線也帶電即OPEN,c=0時，則λc,j,t為1，否則為0。

2.2.2 熱備線路匹配

當站間連通度Ti,t不大于1時，表示該廠站僅有一條進線或無備用電源，那么當該單進線或上游電源發生故障后，該環節無備用供電選擇，極易造成下游低電壓等級的負荷大面積失電，以及相關設備越限進一步產生連鎖故障。

針對這種情況，采用熱備用線路集與相關薄弱廠站節點匹配的方法，提前投運相關熱備線路。這樣，當網架中單一線路遭受破壞而發生故障時，新投運的熱備線路可以繼續保證薄弱運行點的持續供電，減少停電損失。

2.2.3 母聯開關匹配

進一步對于廠站內存在連通度Ni,t為0的母線，若廠站的站間連通度Ti,t同樣不大于1，表示該母線單進線且與其他母線分列運行，此時，若唯一的進線因災害天氣發生故障，則必然造成該條薄弱母線及其下游片區的失電。

針對這種情況，采用符合條件的母聯開關判別策略來提早合并該類型薄弱母線與其他運行母線的母聯開關，災害發生前進行合環運行，便可以有效降低母線分列運行的失電風險。

2.3 安全校核

通過節點匹配得出的初步網架增強策略，還需要通過潮流驗證與安全校核，以保證實際應用的安全可靠，校核需要重點關注以下內容。

2.3.1 合環電壓差

網架增強策略涉及到實際的合環操作，而合環點兩側的電壓差值大小直接關系到電網運行與操作人員的安全。為避免合環產生較大過電壓與電弧，需要將合環點兩側的電壓差值調節至最小。對合環電壓差限制約束為：

Vi-Vj=Vij

(9)

式中：Vi、Vj分別表示合環前節點i、j的節點電壓；Vij表示待合環節點i、j之間的電壓差值；Udevi則表示模型約束中合環電壓差的限值。

一般情況下，對于省級電網主網架電壓等級220 kV及以下合環操作中，合環電壓差一般不超過額定電壓的20%，最大不超過額定電壓的30%。

2.3.2 短路電流

當前電網短電流水平隨著負荷與裝機容量的增長以及網架結構的變化在不斷提升。電網結構與運行方式的調整可能會造成短路電流超標的問題，影響電網安全運行[20]。

常見的幾種短路類型兩相接地短路、兩相短路和單相短路，其短路電流的正序分量計算公式可以統一寫為：

(10)

式中：n表示短路的類型；In, (1)為類型n的短路電流正序分量；V0為短路故障前短路點的電壓；X(1)為正序電抗；Xn,△為附加阻抗。

對節點匹配的方法篩選得到的熱備線路投運以及母聯開關合并策略中，需要通過上述潮流與安全校核驗算，保證最終策略在實際應用中安全可靠。

3 技術路線

3.1 基于層次庫的電網模型

層次庫[21](hierarchical database, HIDB)來源于SD6000系統的SDDBMS數據庫管理系統。經過對強大的SDDBMS系統的精簡與移植后，生成的層次庫數據結構能夠很好地描述電力系統模型并適用于實際電網模型計算，因此目前廣泛應用于D5000、OPEN-3000等電力調度系統中高級應用軟件所需的電網模型數據與實際功能開發。電網高級軟件應用開發中層次庫與其他接口關系如圖4所示。

圖4 層次庫與外部接口關系圖

對實際電網調度輔助與模型功能開發，層次庫的優勢有以下幾點：

1)從電網模型而言，多數仿真軟件為便于計算，會將電網簡單抽象為有節點和支路組成的加權無向圖網絡G=(N,E)來進行計算，由于經過大量簡化而缺乏準確性。而層次庫數據由電網實際運行的狀態估計獲取，數據真實有效；此外，層次庫數據對電網模型中用到的各項數據都進行建模，如：描述靜態電力系統網絡模型完整結構以及設備上下級連接與從屬關系的NETMOM庫，還有用于記錄潮流計算變化的PFBASE庫、用于記錄設備狀態與越限告警數據PASMOM庫等，每個庫中有適合于自己的數據域、數據結構和類型，對電網模型的描述更加準確實際。

2)從數據結構而言，層次庫采用混合型表結構，其中的基本數據結構是“二維表”，此外也可以有游離于表結構之外的單個數據量用于描述如斷面時間的全局變量。與純關系型數據庫不同的是，由于層次庫中的二維表之間的“指針”的使用避免了關系型數據庫使用中繁重的查詢工作，極大地提高了應用程序訪問數據庫的效率，也使得層次庫能夠支持實際電網大規模數據的高效存儲與功能計算。

3)從訪問機理而言，層次庫的數據實體靜止時是駐留在磁盤上的。當應用程序訪問本地數據庫時，數據庫管理例程首先將磁盤上的數據庫實體 “映射”到應用程序的程序內存空間，然后所有的數據操作均在內存進行。避免了磁盤的讀寫操作，且不會被類似于斷電等突然事件改變數據實體，應用安全高效。

3.2 網架增強策略流程

本文網架增強策略具體流程如圖5所示。首先對獲取的實際電網運行斷面，進行基態潮流計算獲取潮流信息并驗證網架完整性；其次按照目標電壓等級(本文策略以省級網架中220 kV線路為主體)對策略需要的設備與線路集合進行篩選，并采用拓撲搜索的方式對電網薄弱運行環節進行辨識；最后搜索并匹配薄弱運行環節與相關增強策略并進行潮流安全校核，即得出最終完整的網架增強策略。

圖5 網架增強策略流程圖

其中，電網熱備線路的篩選條件包括：線路兩端都在電氣島內，即線路帶電，且線路存在一端開關處于分位。

母聯開關的篩選條件包括：開關本身處于打開狀態，且開關兩側母線均帶電。

需要特別說明的是，在實際計算中存在以下幾種特殊情況：1)對于內橋接線形式的廠站，進線通過變壓器連接母線，進線端點在同一電壓等級無法搜到母線；2)存在部分廠站僅單母線運行，無法得出對應母聯開關；3)存在不同薄弱環節增強策略相同，是因為2個計算節點為同廠站分段運行的母線，共用一個母聯開關。

4 算例分析

本文算例在仿真調度環境后臺D5000環境中運行，操作系統為Linux系統，具體配置：8核64位系統，處理器具體為Intel(R) Xeon(R) Gold 5117 CPU @ 2.00GHz。采用層次庫特定QS類型文件導入我國A省2020年6月30日某時刻斷面，作為算例模型進行分析計算。模型中共包含500個廠站，系統功率平衡總量為(44 814.6 +j30 694.3)MV·A，主網架220 kV線路與其他設備數量見表3。

表3 220 kV電壓等級設備數量

采用本文基于層次庫的網架增強策略計算方法計算速度快，現場部署的程序對省級網架進行掃描并生成一次網架增強策略列表計算僅耗時50 ms左右，可以保證在災害期間根據網架變化情況同步實時更新。此外，策略保證了其有效性與準確性，以下面2個算例來驗證。

4.1 熱備線路投運算例

設定廠站中存在計算節點進線數量小于等于2判定為含脆弱環節的脆弱廠站，對整個模型進行搜索，得到脆弱廠站167個。按照3.2節流程對所有熱備線路與脆弱環節進行節點匹配，得到可有效投運并增強薄弱環節的熱備線路共計21條。

為驗證策略的有效性，采用結果中含脆弱環節的220 kV廠站JF站的熱備線路投運策略進行驗證， 其廠站層次庫下標為42。正常運行狀況下，廠站作為受電端有2條進線QJ-4413線與JW-2R70線，分別連接500 kV廠站QS與220 kV 廠站WJ，經過拓撲搜索發現，該廠站還存在2條熱備線路FH-2489線與JH-2488線，其對側廠站均為侯潮變，具體線路情況如表4所示。

表4 220 kV廠站JF進線情況

圖6為空充線路投運策略案例過程示意圖。斷面初始接線方式如圖6(a)所示，采用潮流程序運行得到，JF站分別從2條進線QJ-4413線與JW-2R70線受電103.787 MW與80.529 MW。此時，當1條線路(JW-2R70線)發生故障，功率降為0，為保證負荷用電，另1條線路(QJ-4413線)傳輸功率增加至184.848 MW，如圖6(b)所示。此時JF變僅由1條供電線路，且線路功率的激增易導致線路與斷面越限，造成進一步故障；當2條在運行的進線全部斷開時，JF站失去所有電源，導致下游負荷失電，全網負荷由44 814.6 MW降低至44 630.6 MW，如圖6(c)所示。若在全部線路故障前采用本文投運熱備線路的策略，則JF站會繼續由新投運的JH-2488線供電，如圖6(d)所示，系統總負荷44 814.6 MW在故障前后未發生變化，提升了脆弱廠站與整體網架的可靠性。

圖6 空充線路投運策略案例

電網實際運行中，類似JF站這樣電源進線小于等于2條的脆弱廠站不在少數，其中尤其是單進線或者同路雙回線為電源的廠站，在嚴重災害下極易失去受電路徑。而由上述算例可驗證，按照本文熱備線路投運策略，在災時提前投運連通脆弱廠站的高壓熱備線路，可以有效防止廠站因線路受損而直接失電。

4.2 母聯開關合并算例

設定母線進線數量單一時為脆弱母線，對整個模型進行拓撲搜索得到脆弱母線38條。進一步從脆弱母線節點出發，搜索模型中連接脆弱母線的母聯開關數量共計28個。再按照3.2節流程對得到的母聯開關進行篩選，過濾本身閉合與對側母線不帶電母聯，最終得到有效母聯開關合并策略24個。

為進一步驗證結果中策略有效性，針對220 kV廠站XW站中分列運行的三段母線所得出的母聯開關合并策略為例進行說明。站中220 kV三段母線接線方式與正常運行數據如圖7所示。可以看出，正常運行狀況下三段母線均只有1條進線且分列運行，當某1條進線發生故障時，必然造成該進線對應母線失電，進而對下游負荷造成停電損失。

圖7 XW站220 kV母線接線情況

策略中針對三段母線分別給出其對應可合環的母聯見表5。可以看出，每個母聯開關連接2條母線，即合并一個開關可以使得兩側母線互為后備電源，從而減少其失電概率。

表5 XW站220 kV母聯策略

本案例模擬XW站Ⅲ段母線進線RX-2P03線故障，故障發生前1、2、3三段母線各自對應的進線有功功率分別為38.003、104.503、66.093 MW，斷面總負荷為44 814.6 MW，總發電功率為45 129.2 MW。對比故障后采用本文策略合并母聯前后運行情況，結果如表6所示。

表6 RX-2P03線故障后母聯策略效果

由表6可以看出，若不采取任何策略，當RX-2P03線故障后，對應的流入Ⅲ段母線的功率降為0，導致下游停電，系統總負荷由44 814.6 MW降低至44 748.5 MW。當采用本文策略合并相應的母聯開關后，Ⅲ段母線由于線路故障導致的缺失功率由合并母聯開關對側的母線進線傳輸功率升高來進行補充，保證了故障區域的負荷供電，有效提升了網架的堅韌性。

5 結 語

1)本文提出了一種應對嚴重自然災害的省級高壓網架增強輔助策略。首先采用連通度指標進行電網薄弱環節辨識，然后搜索并匹配有效的熱備線路與母聯開關，形成有效的網架增強策略。

2)通過對策略所需操作的合環電壓與短路電流的計算校核確保策略安全性，策略基于實際電力調度系統中HIDB的電網模型，保證了其可靠性與優越性。

3)采用某省實際電網斷面對策略進行驗證，結果表明本文所提策略能有效減少自然災害對電網薄弱運行環節的破壞所帶來的停電損失。