韓 豐，高 藝，宋福龍，曾沅

(1．囯網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209;2．天津大學(xué)，天津市300072)

0 引 言

隨著我國(guó)電力需求的快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，電網(wǎng)安全問(wèn)題日益成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)是客觀存在的，電網(wǎng)規(guī)劃是電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)和安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，如何構(gòu)建合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，合理控制電網(wǎng)潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平，提高電網(wǎng)建設(shè)和投資決策水平是電網(wǎng)規(guī)劃工作面臨的挑戰(zhàn)。

目前我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃主要采用確定性N －1 可靠性準(zhǔn)則［1-3］，通過(guò)對(duì)滿足N －1 要求的幾類方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇出推薦的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。這種評(píng)估電網(wǎng)可靠性的處理方法，僅考慮了事故安全約束和后果，忽視了事故發(fā)生的概率，其結(jié)果往往過(guò)于保守。由于電網(wǎng)行為具有隨機(jī)性，客觀存在電氣設(shè)備故障、系統(tǒng)停電事故、負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電機(jī)出力預(yù)測(cè)等不確定因素，在日益精細(xì)的電網(wǎng)規(guī)劃當(dāng)中，有必要考慮這些事件發(fā)生的可能性，因此引入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)是電網(wǎng)規(guī)劃工作發(fā)展的迫切需要。

國(guó)際上已有國(guó)家采用概率方法開(kāi)展電網(wǎng)規(guī)劃，以風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為參考依據(jù)指導(dǎo)發(fā)電裝機(jī)容量配置和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展規(guī)劃［4-7］，這對(duì)我國(guó)在電網(wǎng)規(guī)劃階段引入風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)重要的啟示?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析所取得的成果集中在靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面［7-11］，主要應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和電氣主接線的可靠性評(píng)價(jià)中。相對(duì)而言，輸電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估起步較晚，考慮電網(wǎng)動(dòng)態(tài)和暫態(tài)行為的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更是涉及較少，仍處在探索階段。

本文將概率風(fēng)險(xiǎn)分析方法應(yīng)用在電網(wǎng)規(guī)劃工作中，結(jié)合工程案例，針對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃方案的不確定性影響因素，通過(guò)分析破壞電網(wǎng)靜態(tài)安全穩(wěn)定運(yùn)行事件發(fā)生的可能性、大干擾情況下電網(wǎng)失去暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的可能性及其二者產(chǎn)生的后果損失，進(jìn)行靜態(tài)和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，依據(jù)對(duì)規(guī)劃方案局部和相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)信息的量化分析，尋找電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，比較規(guī)劃方案的優(yōu)劣，提高規(guī)劃方案的合理性。

1 電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析基礎(chǔ)

1.1 評(píng)估方法

狀態(tài)枚舉法和蒙特卡羅模擬法是電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的2 類常用方法［7-10］。其中，狀態(tài)枚舉法是將系統(tǒng)可能出現(xiàn)的狀態(tài)全部列出，且在各元件工作與失效概率已知的情況下，計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)故障狀態(tài)的概率。蒙特卡羅模擬法通過(guò)隨機(jī)抽樣的方法獲得系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)，采用統(tǒng)計(jì)的方法以隨機(jī)狀態(tài)的頻率來(lái)估算概率。

狀態(tài)枚舉法適應(yīng)性較強(qiáng)，因此本文采用狀態(tài)枚舉法確定系統(tǒng)狀態(tài)。狀態(tài)枚舉法主要步驟包括選擇偶發(fā)事件、分析偶發(fā)事件構(gòu)成的系統(tǒng)狀態(tài)、綜合同類評(píng)估指標(biāo)3 步:

(1)選擇偶發(fā)事件。在實(shí)際工程分析中，通常只考慮那些發(fā)生次數(shù)較多且對(duì)系統(tǒng)正常功能影響較大的系統(tǒng)狀態(tài)，即主要選擇故障概率大的隨機(jī)事件。一般情況下，可首先選擇單重故障事件，再選擇二重故障事件，如有必要可分析三重故障事件。

(2)分析系統(tǒng)狀態(tài)。為了區(qū)分元件故障對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電氣計(jì)算分析。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的充裕度和安全性分別需要進(jìn)行潮流計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算。如果在給定元件故障時(shí)系統(tǒng)能完成其預(yù)定功能，那么該系統(tǒng)狀態(tài)屬于完好狀態(tài)，否則屬于失效狀態(tài)。對(duì)于靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，失效狀態(tài)是指線路潮流過(guò)載或節(jié)點(diǎn)電壓越限;暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)分析中的失效狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)出現(xiàn)功角失穩(wěn)或者節(jié)點(diǎn)電壓在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)低于某一預(yù)設(shè)值。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失效狀態(tài)后，如果需要采取削減節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等控制措施使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，則可依據(jù)該控制措施計(jì)算故障的嚴(yán)重程度。

(3)綜合同類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。由上述狀態(tài)分析結(jié)果，可計(jì)算出系統(tǒng)故障狀態(tài)的概率、頻率以及各負(fù)荷點(diǎn)的電力不足概率、頻率和電量不足期望值等指標(biāo)。根據(jù)終期輸電通道方案，考慮不同建設(shè)時(shí)序，擬定2個(gè)方案。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)分析的目的，需要建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，作為系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)和依據(jù)。由于風(fēng)險(xiǎn)和可靠性是同一事物的2個(gè)方面，因此電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)如負(fù)荷削減概率(probability of load curtailments，PLC)、負(fù)荷削減頻率(expected frequency of load curtailments，EFLC)、負(fù)荷削減平均持續(xù)時(shí)間、期望缺供電量(expected energy not supplied，EENS)等用在本文作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)［7-10］。其中EENS 是能量指標(biāo)，對(duì)可靠性經(jīng)濟(jì)評(píng)估、可靠性優(yōu)化、系統(tǒng)規(guī)劃等均具有重要意義，是常用的重要指標(biāo)，計(jì)算公式為

式中:8 760 是取1年的小時(shí)數(shù);Ci為系統(tǒng)狀態(tài)i 的切負(fù)荷量，MW;S 為有負(fù)荷削減的系統(tǒng)狀態(tài)集合;ti為系統(tǒng)狀態(tài)i 的持續(xù)時(shí)間，h;T 為總模擬時(shí)間，h。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致用戶供電中斷，會(huì)對(duì)用戶造成經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。停電損失通常分為基于用戶損失函數(shù)的方法、基于投資核算的方法和基于國(guó)民生產(chǎn)總值的方法3 類［7］。其中，基于國(guó)民生產(chǎn)總值的方法是用某個(gè)省或國(guó)家的國(guó)民生產(chǎn)總值除以該省或國(guó)家的年用電量，以此得到單位電量產(chǎn)生的平均價(jià)值，該方法簡(jiǎn)單有效。我國(guó)采用產(chǎn)電比R 來(lái)近似反映某個(gè)地區(qū)、省或國(guó)家缺1 kW·h 電的平均經(jīng)濟(jì)損失，計(jì)算公式為

式中:GDP 為1年的國(guó)民生產(chǎn)總值，元;EC 為1年的總耗電量，kW·h。

2 電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析實(shí)用技術(shù)

2.1 評(píng)估關(guān)鍵步驟

電網(wǎng)規(guī)劃方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)險(xiǎn)(可靠性)是衡量其優(yōu)劣的重要方面。對(duì)滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的推薦方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的目的，是基于量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行最優(yōu)方案比選，如圖1所示。

圖1 基于風(fēng)險(xiǎn)分析的電網(wǎng)規(guī)劃示意圖Fig.1 Power grid planning based on risk analysis

對(duì)形成的規(guī)劃方案進(jìn)行靜態(tài)、暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，計(jì)算方案的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并對(duì)方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合分析關(guān)鍵步驟描述如下:

(1)確定并選擇電網(wǎng)分析狀態(tài)。靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)電網(wǎng)中各元件的運(yùn)行、停運(yùn)等狀態(tài)組合以及電網(wǎng)的各級(jí)負(fù)荷水平，確定電網(wǎng)的分析狀態(tài)集合及各個(gè)狀態(tài)發(fā)生的概率?？紤]的設(shè)備元件停運(yùn)故障主要是輸電線路和變壓器的停運(yùn)故障。通過(guò)元件N －k 停運(yùn)狀態(tài)掃描分析，確定系統(tǒng)預(yù)想故障集，停運(yùn)階數(shù)k一般依據(jù)電網(wǎng)規(guī)模選擇。暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的分析狀態(tài)由電網(wǎng)的各元件故障狀態(tài)、負(fù)荷水平等邊界條件確定。暫態(tài)穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、故障類型、故障位置、故障切除時(shí)間、負(fù)荷水平等諸多因素均有關(guān)系。由于故障類型、故障地點(diǎn)、故障清除時(shí)間不同，所導(dǎo)致的后果嚴(yán)重程度也不同。

(2)失效狀態(tài)識(shí)別與后果分析。針對(duì)(1)確定的電網(wǎng)分析狀態(tài)，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析通過(guò)潮流計(jì)算分析，來(lái)判斷該狀態(tài)下是否處于線路潮流過(guò)載或節(jié)點(diǎn)電壓越限狀態(tài);暫停風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析通過(guò)暫態(tài)穩(wěn)定性分析，來(lái)判斷該狀態(tài)下系統(tǒng)是否處于發(fā)電機(jī)出現(xiàn)功角失穩(wěn)或者節(jié)點(diǎn)電壓在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)低于某一預(yù)設(shè)值狀態(tài)。

(3)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)量化分析。根據(jù)電網(wǎng)失效狀態(tài)發(fā)生的概率及其造成的安全控制措施后果，計(jì)算失效狀態(tài)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)或暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo);由電網(wǎng)各個(gè)失效狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)累積計(jì)算可得到電網(wǎng)整體或局部的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

(4)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜合分析?；?3)確定的量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，針對(duì)根源故障、可靠性參數(shù)敏感性及電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)等進(jìn)行分析。

2.2 故障損失控制方法

本文中靜態(tài)和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要區(qū)別在于失效后果的判定標(biāo)準(zhǔn)，暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以電網(wǎng)失去暫態(tài)穩(wěn)定性為準(zhǔn)，而靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要考慮電網(wǎng)的潮流約束限制，因而兩者在失效狀態(tài)下的安全控制方法有所不同。

2.2.1 靜態(tài)控制方法

本文采用的靜態(tài)控制方法是基于潮流靈敏度的靜態(tài)安全最優(yōu)控制法。該方法是以發(fā)電機(jī)出力調(diào)整和負(fù)荷削減的控制費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用發(fā)電機(jī)有功功率和負(fù)荷有功功率作為控制手段，引入潮流靈敏度技術(shù)［12-13］，將非線性靜態(tài)安全最優(yōu)控制模型轉(zhuǎn)化成線性靜態(tài)安全最優(yōu)控制模型，此線性模型如下所示。

式(3)～(7)中:J 為電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的集合;Jg、Jl分別為可調(diào)的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)集合和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合;ΔPgi、ΔPlj分別為發(fā)電機(jī)和負(fù)荷有功功率調(diào)整量;Cgi、Clj分別為發(fā)電機(jī)和負(fù)荷調(diào)整單位有功功率的控制費(fèi)用;Imijax為線路ij 上允許通過(guò)的最大電流;Vmiax、Vmiin分別為節(jié)點(diǎn)i 電壓幅值上、下限;Pmgiax、Pmgiin分別為節(jié)點(diǎn)i發(fā)電機(jī)有功功率上、下限;Pmliax、Pmliin分別為節(jié)點(diǎn)i 負(fù)荷有功功率上、下限;分別為發(fā)電機(jī)或負(fù)荷控制實(shí)施前線路電流、節(jié)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)有功功率、負(fù)荷有功功率的初始值;dIij/dPgi、Iij/dPli分別為線路電流對(duì)發(fā)電機(jī)、負(fù)荷有功功率的靈敏度系數(shù);dVi/dPgi、Vi/dPlj分別為節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)發(fā)電機(jī)、負(fù)荷有功功率的靈敏度系數(shù)。

當(dāng)模型中與發(fā)電機(jī)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)有功功率調(diào)整量相關(guān)的各個(gè)靈敏度系數(shù)確定后，即可利用常規(guī)線性規(guī)劃方法進(jìn)行模型優(yōu)化求解，從而得到滿足靜態(tài)安全最優(yōu)控制目標(biāo)的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷有功功率調(diào)整量。

2.2.2 暫態(tài)控制方法

暫態(tài)穩(wěn)定最優(yōu)控制目的是在電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中，調(diào)整失效狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的有功出力、負(fù)荷的削減量，以故障發(fā)生后的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷控制費(fèi)用最小作為優(yōu)化目標(biāo)。

本文采用基于軌跡靈敏度的暫態(tài)穩(wěn)定最優(yōu)控制模型，其目標(biāo)函數(shù)同式(3);以發(fā)電機(jī)/負(fù)荷的有功功率為控制變量，建立發(fā)電機(jī)功角穩(wěn)定約束和節(jié)點(diǎn)電壓限值約束方程。由電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型可知，發(fā)電機(jī)功角變化軌跡、節(jié)點(diǎn)電壓變化軌跡與發(fā)電機(jī)/負(fù)荷有功功率之間存在非線性關(guān)系，因此采用軌跡靈敏度方法［14］將非線性優(yōu)化控制模型進(jìn)行變換，得到由軌跡靈敏度系數(shù)表示的線性約束方程:

暫態(tài)穩(wěn)定最優(yōu)控制模型中的發(fā)電機(jī)有功功率約束方程和負(fù)荷有功功率約束方程分別與式(6)、(7)相同。

應(yīng)用上述軌跡靈敏度分析方法，可以針對(duì)某一穩(wěn)定問(wèn)題給出最優(yōu)的切機(jī)切負(fù)荷策略，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平。然而，由于該方法采用線性化近似，單次計(jì)算得到的控制策略并不能確保系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，需要不斷修正發(fā)電機(jī)或負(fù)荷注入功率并重復(fù)計(jì)算發(fā)電機(jī)出力調(diào)整和負(fù)荷削減量，直至系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)正常。因此該方法計(jì)算復(fù)雜且計(jì)算量較大，目前僅適用于較小規(guī)模的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性控制。對(duì)于大系統(tǒng)的暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可考慮將軌跡靈敏度的方法與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，以靈敏度分析方法的計(jì)算結(jié)果作為指導(dǎo)，確定相應(yīng)的發(fā)電機(jī)出力調(diào)整及負(fù)荷削減情況，切機(jī)切負(fù)荷節(jié)點(diǎn)及其切機(jī)切負(fù)荷量。

2.3 根源故障分析

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)只是反映系統(tǒng)各狀態(tài)發(fā)生的概率、頻率及系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)水平的高低，難以反映不同元件故障后對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。本文提出的根源故障分析是對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行故障分析，將元件的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)按照從大到小的順序進(jìn)行排列，得出元件平均每次故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)量，根據(jù)貢獻(xiàn)量的大小判斷造成系統(tǒng)故障的元件，即為造成系統(tǒng)故障的根源所在。

根源故障分析中，可采用元件的期望缺供電量EENSc、嚴(yán)重度SIc等指標(biāo)進(jìn)行判斷。EENSc計(jì)算公式為

式中:EENS(i)為第i個(gè)系統(tǒng)失效狀態(tài)的EENS;m 為系統(tǒng)故障狀態(tài)的總個(gè)數(shù);kc為包含元件c 故障的系統(tǒng)狀態(tài)總數(shù)。

SIc計(jì)算公式如下:

式中:60 表示1 h 有60 min;L 為系統(tǒng)最大負(fù)荷，MW。

通過(guò)對(duì)EENSc或SIc指標(biāo)排序，就可以判斷哪些元件對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的單位貢獻(xiàn)量最大。在電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)多加注意貢獻(xiàn)量大的元件。

2.4 薄弱環(huán)節(jié)分析

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)將導(dǎo)致某些區(qū)域和節(jié)點(diǎn)的電力供應(yīng)不足，某些線路傳輸容量不足，這些區(qū)域、節(jié)點(diǎn)和線路是系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。為分析系統(tǒng)中存在的薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱線路，提出節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENSb和線路風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENSl如式(12)、(13)。

式中:n 為集合O(i)所包含的線路數(shù)，O(i)為第i個(gè)系統(tǒng)失效狀態(tài)所造成越限線路的集合;分別為線路l、j 的初始潮流;Sprel、Sprej分別為線路l、j 的現(xiàn)行潮流。

利用節(jié)點(diǎn)和線路風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENSb和EENSl，可以較好地反映系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。EENSb數(shù)值較大，表明在系統(tǒng)失效狀態(tài)時(shí)，經(jīng)常在該節(jié)點(diǎn)切除大量的負(fù)荷，系統(tǒng)不能滿足此節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷需求，節(jié)點(diǎn)附近系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較薄弱需要加強(qiáng)。較大數(shù)值的EENSl表明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失效情況時(shí)，該線路由于其越限程度較大，造成系統(tǒng)損失的負(fù)荷也較多，為電網(wǎng)傳輸電能的薄弱環(huán)節(jié)。

3 電網(wǎng)規(guī)劃工程案例分析

結(jié)合前面所提風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和方法，在規(guī)劃方案綜合比較階段對(duì)已有的西北750 kV 電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行靜態(tài)和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估規(guī)劃方案靜態(tài)安全穩(wěn)定運(yùn)行存在的風(fēng)險(xiǎn)水平以及在嚴(yán)重故障情況下的暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。

3.1 方案描述

規(guī)劃期內(nèi)，為滿足西北電網(wǎng)跨省區(qū)電源、調(diào)峰容量配置和負(fù)荷發(fā)展需求，增強(qiáng)省區(qū)間功率交換，提高運(yùn)行可靠性，規(guī)劃建設(shè)BJ、QX、WN、XAN、YA 共5個(gè)750 kV 變電站，在此基礎(chǔ)上，提出4個(gè)750 kV 網(wǎng)架方案。通過(guò)安全穩(wěn)定計(jì)算、短路電流計(jì)算等常規(guī)電氣計(jì)算分析，4個(gè)方案均能滿足技術(shù)要求。

方案一:如圖2(a)所示，新建TS—BJ 雙回750 kV 線路，形成BJ—QX—WN—XAN—BJ 雙環(huán)網(wǎng)。新建各線路用虛線表示，圖中數(shù)字為線路長(zhǎng)度，km。

方案二:如圖2(b)所示，在方案一基礎(chǔ)上，將QX—WN—YA 鏈?zhǔn)诫p回線路改為QX—WN—YA—QX 單環(huán)網(wǎng)。

方案三:如圖2(c)所示，在方案一基礎(chǔ)上，將BJ—QX—WN—XAN—BJ 雙 環(huán) 網(wǎng) 調(diào) 整 為 QX—WN—XAN—QX 雙環(huán)網(wǎng)。

方案四:如圖2(d)所示，在方案一基礎(chǔ)上，BJ—QX—WN—XAN—BJ 雙 環(huán) 網(wǎng) 修 改 為 BJ—QX—YA—WN—XAN—BJ 雙環(huán)網(wǎng)。

圖2 規(guī)劃方案示意圖Fig.2 Planning schemes

3.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算

750 kV 電壓等級(jí)元件的不可用率、失效率、修復(fù)率等可靠性參數(shù)是參考相應(yīng)500 kV元件的可靠性參數(shù)［15］進(jìn)行估計(jì)的，得到的750 kV 架空線路和變壓器可靠性參數(shù)如表1 所示。

表1 750 kV元件的計(jì)算用可靠性參數(shù)Table 1 Reliability parameters of 750kV components for calculation

采用狀態(tài)枚舉法枚舉故障模式并進(jìn)行失效狀態(tài)分析，在基于PSD-BPA 軟件進(jìn)行系統(tǒng)潮流計(jì)算［16］基礎(chǔ)上，利用前文提出的靜態(tài)控制方法計(jì)算切機(jī)切負(fù)荷量，負(fù)荷水平僅考慮系統(tǒng)大方式情況，得到各方案靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如表2 所示。

表2 方案靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Table 2 Static risk indices for study cases

比較表2 所列風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值可以看出，方案一靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENS 最小，僅為118.247 MW·h/a，方案四靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENS 最大，達(dá)到371 886.823 MW·h/a。其主要原因是方案四將YA 節(jié)點(diǎn)納入環(huán)網(wǎng)，形成由XAN—BJ—QX—YA—WN—XAN 構(gòu)成的較大雙環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)潮流較重，一旦環(huán)網(wǎng)線路故障，易出現(xiàn)潮流轉(zhuǎn)移引起周邊其他線路越限情況，因此切負(fù)荷量大于其他方案。

暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析與靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析類似，是基于BPA 軟件進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算［17］，在考慮線路三相永久短路時(shí)跳開(kāi)并列兩回線路故障、線路三相永久故障時(shí)開(kāi)關(guān)單相拒動(dòng)故障2 種嚴(yán)重故障情況下，根據(jù)暫態(tài)控制方法計(jì)算切機(jī)切負(fù)荷量，從而得到各方案暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如表3 所示。需指出，靜態(tài)、暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)基本涵義相同，只是針對(duì)對(duì)象有所不同。本文靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是采用各元件與計(jì)劃停運(yùn)相關(guān)的可靠性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是采用各元件與強(qiáng)迫停運(yùn)相關(guān)的可靠性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表3 方案暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Table 3 Transient risk indices for study cases

表3 中暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)表明方案一、方案二和方案四的暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENS 相差不大，即暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平基本相當(dāng)，而方案三暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大于其他3個(gè)方案。但4個(gè)方案的嚴(yán)重程度指標(biāo)SI 在1 ～9 系統(tǒng)分/a 之間，即系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)用戶沖擊的程度為1 級(jí)［8］，基本滿足系統(tǒng)安全性要求，處于用戶可接受范圍之內(nèi)。

3.3 根源故障分析

根源故障是依據(jù)元件EENSc或SIc大小順序進(jìn)行排序，找出對(duì)系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)造成影響較大的元件。EENSc或SIc值越高，表明元件故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)影響越大。

靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中各方案線路SIc最大的線路名稱及相應(yīng)數(shù)值如表4 所示。

小布什還表示，他不會(huì)在當(dāng)天的峰會(huì)上說(shuō)太多的話，不像某些國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)人?！拔也粫?huì)像其他人一樣說(shuō)該死的冗長(zhǎng)的話。一些人說(shuō)得太多了?！?/p>

表4 靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中各方案線路SIc 最大的線路名稱及相應(yīng)數(shù)值Table 4 Transmission line's name and relatively SIc values for each cases based on static risk analysis

表4 反映了各方案靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)者，方案一中線路QX—WN 故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)影響最大;方案二中線路WN—XAN 故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)影響超過(guò)其他線路，由于WN 與YA 和QX 通過(guò)單回線路相聯(lián)，當(dāng)線路WN—XAN 故障時(shí)，潮流轉(zhuǎn)移量低于其他方案;方案三中線路BJ—QX 故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平影響最大，原因是方案三BE 電廠電力送出是以QX 作為唯一落點(diǎn)向電網(wǎng)集中送電，當(dāng)BJ—QX 故障，影響B(tài)E電力送出;方案四中線路WN—XAN 故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)影響最大，主要原因是該電網(wǎng)的大部分負(fù)荷集中在南部，電源主要分布在北部，因此WN—XAN 線路故障對(duì)地區(qū)可靠性影響較大。

暫態(tài)根源故障分析中各方案線路EENSc最大的線路名稱及相應(yīng)數(shù)值如表5 所示。

表5 暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中各方案線路EENSc 最大的線路名稱及相應(yīng)數(shù)值Table 5 Transmission line's name and relatively EENSc values for each cases based on transient risk analysis

表5 表明，方案一、方案二和方案四中，線路AK—XAN 故障對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)影響最大，而方案三中線路QX—XAN 故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)影響超過(guò)其他線路，由于線路AK—XAN 的影響次之未列表中。可見(jiàn)，減少AK—XAN 線路故障的發(fā)生，對(duì)降低4個(gè)方案的風(fēng)險(xiǎn)均有明顯影響。

3.4 薄弱環(huán)節(jié)分析

以靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例，分析所關(guān)心的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和線路對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)量，找出系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時(shí)，需要經(jīng)常切除大量負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)以及較易出現(xiàn)線路潮流越限的線路。從而在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需留意這些節(jié)點(diǎn)及線路周邊的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以減少或避免切負(fù)荷。

各方案中主要750 kV 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)量如表6 所示。

表6 各方案中主要750 kV 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)方案EENS 的貢獻(xiàn)量Table 6 Contribution of 750kV load bus in each case to scheme EENS

表6 表明，方案一和方案三750 kV 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)EENS 貢獻(xiàn)量為0。主要原因是2個(gè)方案靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平低，對(duì)系統(tǒng)EENS 貢獻(xiàn)量大的節(jié)點(diǎn)電壓低于750 kV，未列于表中。方案二和方案四風(fēng)險(xiǎn)水平較高，750 kV 節(jié)點(diǎn)WN 對(duì)2個(gè)方案的EENS 貢獻(xiàn)量分別為27.9%和15.1%。

各方案中，EENSl最大的線路名稱及其對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENS 貢獻(xiàn)量如表7 所示。

表7 各方案中EENSl 最大的750 kV 線路及其對(duì)方案EENS 貢獻(xiàn)量Table 7 Contribution of 750kV key transmission line with largest EENSl in each case to scheme EENS

表7 表明，PL—QX 雙回線路、BJ—QX 雙回線路分別是方案一和方案三的薄弱線路，其較容易出現(xiàn)線路潮流過(guò)載，從而對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)造成的影響較大;方案二和方案四的薄弱線路主要是與所帶負(fù)荷較重的WN、XAN 站直接相連的WN—XAN 雙回線路，但是由于方案二和方案四網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不同，線路WN—XAN對(duì)不同方案的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)貢獻(xiàn)量不同，對(duì)方案二EENS 的貢獻(xiàn)量為21.4%，對(duì)方案四的為30.1%。

3.5 風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用分析

通過(guò)靜態(tài)、暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可看出，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低的方案不一定暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較低，方案四暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)雖然低于其他方案，但靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。因此有必要通過(guò)經(jīng)濟(jì)性比較分析，以確定最優(yōu)方案。

本文采用基于國(guó)民生產(chǎn)總值的方法近似估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)停電損失。根據(jù)各方案中靜態(tài)與暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，負(fù)荷削減節(jié)點(diǎn)所在地區(qū)的EENS 值，以及發(fā)生負(fù)荷削減的地區(qū)相應(yīng)的產(chǎn)電比值R，根據(jù)公式(14)計(jì)算得到各方案的總風(fēng)險(xiǎn)停電損失費(fèi)用LS。

4個(gè)方案的總風(fēng)險(xiǎn)停電損失費(fèi)用如圖3 所示。根據(jù)圖3 可看出，方案一的風(fēng)險(xiǎn)停電損失費(fèi)用非常小，方案四的風(fēng)險(xiǎn)停電損失費(fèi)用高于其他方案。

基于EENS 指標(biāo)的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)比較、暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)比較，以及風(fēng)險(xiǎn)停電損失費(fèi)用比較表明:方案一靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平最低，方案三次之，方案二和方案四要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案一和方案三;方案四暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平最低，方案二、方案一和方案三依次增大，但4個(gè)方案總體水平相差不大;風(fēng)險(xiǎn)停電損失計(jì)及了靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的停電損失費(fèi)用，本例中方案一、方案三的風(fēng)險(xiǎn)停電損失要遠(yuǎn)小于方案二和方案四。從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估角度分析，方案一為最優(yōu)方案。

圖3 方案風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用Fig.3 Risk cost for study cases

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃實(shí)際，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)劃，闡述了對(duì)形成的規(guī)劃方案進(jìn)行靜態(tài)、暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，提出了對(duì)電力系統(tǒng)事故發(fā)生概率和事故后果進(jìn)行綜合評(píng)估的，基于潮流靈敏度的靜態(tài)安全最優(yōu)控制模型，和基于軌跡靈敏度的暫態(tài)穩(wěn)定最優(yōu)控制模型和實(shí)用算法，為分析電網(wǎng)根源故障提出了EENSc指標(biāo)，以及為分析電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENSb和線路風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)EENSl。

電網(wǎng)規(guī)劃工程案例研究表明，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析角度不同，各方案的優(yōu)劣不同，但均為確定最終方案提供了參考依據(jù)。通過(guò)電網(wǎng)規(guī)劃工程案例分析，論證了本文所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)用的可行性和實(shí)用性。

概率風(fēng)險(xiǎn)分析可以計(jì)及系統(tǒng)元件的隨機(jī)特性、系統(tǒng)事故發(fā)生的頻率和可能性，是對(duì)確定性N －1 準(zhǔn)則的有益補(bǔ)充。在傳統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較基礎(chǔ)上，結(jié)合量化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，不僅給規(guī)劃設(shè)計(jì)工作者提供了電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)信息，而且為完善電網(wǎng)規(guī)劃方法提供了一種新思路。

［1］電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院．電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1998．

［2］張惠勤． 電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)［M］． 西安:西安交通大學(xué)出版社，1994．

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)．DL755—2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則［S］．北京:中國(guó)電力出版社，2001．

［4］Allan R N，Billinton R，Breipohl A M，et al． Bibliography on the application of probability methods in power system reliability evaluation，1987 －1991［J］． IEEE Transaction On Power Systems．1994，9(1):41-49．

［5］李晨光，郭劍波，張冬霞． 國(guó)外電網(wǎng)規(guī)劃可靠性準(zhǔn)則綜述［J］． 中國(guó)電力，2000，33(10):96-99．

［6］H． Lee Willis． 配電系統(tǒng)規(guī)劃參考手冊(cè)［M］． 范天明，劉健，張毅威，譯．北京:中國(guó)電力出版社，2012．

［7］李文沅．電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型、方法和應(yīng)用［M］． 北京:科學(xué)出版社，2006．

［8］郭永基．電力系統(tǒng)可靠性分析［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

［9］Billinton R，Allan R N．Reliability evaluation of power system［M］．New York:Plenum Press，1996．

［10］Billinton R，Li W． Reliability assessment of electric power system using monte carlo methods［M］．New York:Plenum Press，1994．

［11］國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院．交流特高壓站電氣主接線選擇原則研究［R］．北京:國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，2010．

［12］王爾智，趙玉環(huán)．電力網(wǎng)絡(luò)靈敏度分析與潮流計(jì)算［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992．

［13］吳際瞬．電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析［M］． 上海:上海交通大學(xué)出版社，1985．

［14］周鯤鵬，陳允平．運(yùn)用軌跡靈敏度的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全控制［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12):46-50．

［15］國(guó)家電監(jiān)會(huì)電力可靠性管理中心．2006年～2010年《電力可靠性 指 標(biāo)》［EB/OL］． 2010 ［2013-07-09］． http://www．chinaer．org．

［16］中國(guó)電力科學(xué)研究院．PSD—BPA潮流程序用戶手冊(cè)［K］． 4.2版．北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院．2012．

［17］中國(guó)電力科學(xué)研究院．PSD—BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(cè)［K］．4.2 版．北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院．2012．