配电网风险防控分析及安全预警技术的应用

王大治，杨承河，侯方迪

（1.国网浙江余姚市供电有限公司，浙江 余姚 315400；2.国网浙江省电力公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000；3.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

配电网风险防控分析及安全预警技术的应用

王大治1，杨承河2，侯方迪3

（1.国网浙江余姚市供电有限公司，浙江 余姚 315400；2.国网浙江省电力公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000；3.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

随着配电网规模日益庞大，供电企业和电力用户对配电系统运行可靠性的要求也越来越高。运用配电网风险防控分析及安全预警技术，结合丽水地区和余姚地区的配电网线路特点，实现了系统故障集自动生成、考虑连锁故障的静态安全分析和配电网风险评估可视化等功能。最后，根据丽水配电网和余姚配电网的算例具体分析了该技术的实用性与优越性。

风险防控分析；安全预警技术；系统故障集；静态安全分析；风险评估可视化

0 引言

随着国民经济的迅速发展，配电网规模日益庞大，接线越来越复杂，供电企业和电力用户对配电系统运行可靠性的要求也越来越高[1]。配电网处于电力系统的最末端，直接向电力用户供应电能。据统计，大约有80%的用户停电事故是由配电系统故障所引起的[2]。而电力系统可靠性会随着分布式电源的不断接入受到很大影响[3]，风电场的大量接入也势必会对电网可靠性带来影响[4]。未来配电网要朝着智能化的方向发展，就必须将信息技术、通信技术、计算机技术和原有的输、配电基础设施高度集成，由此形成的新型配电网的可靠性必将面临严峻考验[5-10]。

对于企业而言，配电网可靠性分析和管理已成为国内外电力行业的重要工作之一[11]。配电网可靠性已经成为供电企业广泛关注的考核指标，对配电网运行、规划具有重要影响，无论是配电网运行管理还是规划方案的论证都需要有效的可靠性指标评估工具[12]。因此，对配电网准确快速地进行可靠性评估以及安全预警十分重要[13]。

利用配电网风险防控分析及安全预警技术，可以对配电线路进行风险防控分析，并对假想故障进行安全预警。以浙江省丽水地区和余姚地区配电网为例，主要介绍系统故障集自动生成、考虑连锁故障的静态安全分析、配电网风险评估可视化以及大规模清洁能源接入的电网风险评估和风险评估安全预警等功能，并通过算例分析验证了配电网风险防控分析及安全预警技术的实用性与优越性。

1 系统架构

风险评估系统构建在省地一体化智能计算平台基础上，位于安全Ⅲ区，通过Ⅲ区EMS（能量管理系统）服务器进行准实时负荷数据的交换。其硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件体系结构

系统软件架构分为4层，如图2所示。

（1）支撑平台：风险评估系统构建在地调智能计算平台基础上，支撑平台提供通信、数据管理服务，与省调系统进行通信。

（2）模型、方式管理：构建系统模型参数管理数据。根据设备历史统计数据和历史环境信息构建设备停运模型，进行负荷调整、检修计划导入、方式调整等工作。

（3）风险计算：自动给出故障集，根据故障集计算各类风险指标，将各种异常情况转换为切负荷指标，给出电网风险评级。

（4）展示界面：根据各个地区的特点构建可视化界面。

图2 系统软件体系结构

2 故障集自动生成

本系统基于拓扑分析和故障影响域，并基于概率进行故障过滤，自动生成故障集。进行风险评估的故障集除N-1故障外，还需考虑多重故障。用蒙特卡罗法可以考虑多重故障的情况，但其速度无法达到实用化程度，在实际的实时系统风险评估中，还需要使用解析法来进行风险评估，因此需要在进行风险评估前得到一个可以覆盖大部分危险点的故障集。

多重故障集自动生成主要考虑两方面的因素：对电网进行拓扑分析并对电网进行分区；考虑故障的影响域。

2.1 拓扑分析

首先建立电气岛的节点支路连通图，然后搜索该图的任一棵支撑树，以此为基础生成单连支回路，进而将存在公共边的回路合并为一个分区，再将这些环状分区相应的支路从图中移除，剩下的辐射状支路则按连通性进行分区。

根据上述分区原则，每条支路将属于某一分区，分区之间仅存在公共节点，不可能存在公共的边（支路）。因此，在不破坏电气岛连通性的情况下，一个分区内预想故障的影响范围仅限于该分区，因此只需对该分区进行分析计算，以提高计算效率。在不同的分区同时发生预想开断的后果可近似为各预想开断设备单独开断后果的线性叠加，对此，不论该多重预想故障是否存在安全问题，均不需要作进一步的详细分析。对于多重故障，仅需重点关注同一个区内发生多重故障，即多重故障的后果较各单重故障后果的线性叠加更为严重。对于预想开断导致电气岛连通性破坏的情况，如果孤立区域既没有电源，也没有负荷，仍可以采用上述方法进行处理，否则需要进行详细分析。对于母线预想开断的情况，相当于开断该母线相邻的所有支路，这些支路如果位于同一个分区内，则只需对该分区进行分析，否则需对相关的多个分区同时进行分析。

对电网进行分区有利于减小每次故障分析的计算规模，也能够有效过滤大量的预想开断后果可以近似线性叠加的故障。在电网逐渐解除电磁环网运行的情况下，充分利用上述分区思路可望获得较好的效果。

2.2 故障影响域

分区思路能够有效过滤许多不需要关注的故障（无害或后果可近似线性叠加的情况），并提高计算效率，但仍然不能完全解决风险评估问题。采用上述分区方法对实际电网进行分区时可能将一个大电网分解为一个或几个较大的分区和许多小的分区，对于大的分区，其N-2故障集的规模可能仍然较大，因此有必要进行进一步的分解，以快速过滤安全的故障集，而将关注的重点定位至可能存在安全问题并需详细分析的故障。

在电网风险评估时，可根据分区的思路先进行N-1预想故障分析。对于每一个N-1开断，首先可根据开断前后潮流的分布情况确定预想开断的主要影响域。对于开断前后潮流变化不大或开断后潮流反而变小的支路，可以不予关心，只关注开断后潮流明显变大的支路。将N-1预想开断设备自身及开断后潮流明显变大的支路定义为该设备的影响域。判断支路潮流是否明显增大可根据设备开断后的潮流转移系数，并参考支路短时过载能力与开断前支路潮流的差额来确定。

对于故障影响域没有重叠的2个N-1开断，如果这2个设备同时开断，其后果近似为2个N-1开断后果的线性叠加，可以不予关注。正常情况下，N-1开断下电网的安全性应得到保证，即所有的N-1开断均应是安全的，这样所有可以近似线性叠加的N-2开断也是安全的。因此只需根据N-1故障的影响域是否重叠，即可生成需关注的N-2故障集。由此再进一步，可以考虑根据N-m故障的影响域和N-1故障的影响域生成N-（m+1）故障集。根据上述思路，生成需关注的N-2故障集，并结合并行计算进行实际大规模电网的风险评估，在计算性能上能够得到较好保证。

3 考虑连锁故障的静态安全分析

静态安全分析主要通过对导纳矩阵的修正和修正后电网的潮流计算来实现。由于需要扫描的预想故障集规模庞大，潮流算法的性能是保证静态安全校核实时性的关键。可以直接采用精确的交流潮流计算进行静态安全分析，在潮流不收敛的情况下，采用直流潮流计算进行静态安全分析。系统实现了多种潮流计算方法，包括PQ分解法、极坐标牛顿拉夫逊法、直角坐标牛顿拉夫逊法和最优乘子法。其中，最优乘子法通过在牛顿拉夫逊法的状态修正时引入最优修正步长（乘子），并利用直角坐标下潮流方程的二次齐次特性，明显改善了潮流分析的收敛性，可用于求解病态潮流。

一般情况下，电网事故能够得到及时有效处理，但风险仿真考虑的是极端情况，是事故发生后，假设电网运行人员不作为或来不及响应，造成电力设备连锁开断。连锁故障的参数并不是线路的长期限额或短期限额，而是采用继保限额，该限额对应当前继电保护设备中整定的跳闸参数，使用这个参数来进行继电保护设备的跳闸模拟。当发现有线路在预想故障下超出其继保限额，则跳开该条线路，并继续进行潮流计算，计算的结束条件有3点：没有超继保限额的线路、电网解列、潮流计算不收敛。连锁故障的安全分析流程如图3所示。

图3 连锁故障的安全分析流程

4 配电网风险评估可视化

风险评估系统通过曲线、饼图、表格等方式展现风险计算结果。可在潮流图上以饼图形式自动显示当前电网的变电站风险等级，同时也可在潮流图上进行模拟检修操作、风险分析等。

4.1 风险指标可视化

对于周检修中的每个负荷断面的负荷消减概率，在折线图上的显示见图4。

图4 负荷消减概率

对于周检修中的每个负荷断面的变电站全停概率，在折线图上的显示见图5。

图5 变电站全停概率

4.2 地区电网的薄弱点可视化

周检修方式下，对电网进行风险计算分析后，可以通过显示风险等级，将电网薄弱点以饼图形式展示出来，如图6所示。

图6 风险饼图

5 算例分析

5.1 大规模清洁能源接入的电网风险评估及对策

针对丽水地区电网的特点，本系统在不对大量小容量清洁电源进行建模、不增加原电网模型维护工作量的前提下，为了准确统计社会总用电负荷，开发了大规模清洁能源接入电网风险评估功能。

本系统可实现从OPEN3000等EMS系统中获取实时负荷并导入BPA（电力系统综合仿真程序）电网模型的功能。在导入负荷时，由于不对小容量清洁电源进行建模，因此直接将已扣除小电源出力的母线负荷导入BPA模型。之后，在发用电平衡模块中，按分区将小容量电源的总出力值输入程序，保证准确统计出各分区的社会总用电负荷。

以丽水地区为例，由于5月份是汛期，对于龙泉、云和等水资源丰富的区域，总关口负荷可能是倒送的，所以在程序中输入每天的地区小水电总出力，以获得准确的社会总用电负荷。

针对丽水小水电发电比较多，衢州风能、太阳能已经并网等情况，风险评估系统考虑清洁能源所占地区供电百分比，建立了备用容量风险指标。丽水某月周检修风险评估报表及对策如图7所示。

图7 丽水周检修风险评估报表及对策

5.2 配电网风险评估及安全预警

针对余姚地区电网特点，本系统基于基础停运率、老化失效率和外部恶劣环境等因素，开发了对电网线路的风险评估及安全预警功能。系统关于余姚配电网的可靠性数据如图8所示，根据假想故障对配电网进行安全预警所给出的分析结果如图9所示。

从图8可见，余姚配电网地区线路的基础停运率、老化失效率相对较低，在正常运行方式下，可以认为线路可靠性相对较高。然而外部恶劣环境，尤其是台风因素对线路失效概率影响较大，对此系统也根据数据给出了线路失效的主要原因。

图8 余姚配电网部分线路可靠性数据

图9 余姚配电网风险评估及安全预警结果

从图9可见，当出现假想故障后，在配电网区域将会有不同个数的失电配电变压器（简称配变）出现，系统不仅给出了其个数及失去负荷量，还基于这些数据给出了失效概率和风险评级。

6 结语

结合丽水和余姚地区配电线路特点的配电网风险防控分析及安全预警技术，已经实现故障集自动生成、考虑连锁故障的静态安全分析、配电网风险评估可视化以及大规模清洁能源接入的电网风险评估和风险评估安全预警等功能，可以为调度运行人员进行故障风险评估提供可靠的决策依据，大大提高工作效率和风险预警水平。

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（本文编辑：徐 晗）

Application of Distribution Network Risk Prevention Analysis and Safety Warning Technology

WANG Dazhi1，YANG Chenghe2，HOU Fangdi3
（1.State Grid Yuyao Power Supply Company，Yuyao Zhejiang 315400，China；2.State Grid Lishui Power Supply Company，Lishui Zhejiang 323000，China；3.School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

As the scale of distribution networks is becoming increasingly larger,both power supply enterprises and power consumers have stricter requirements on power distribution system reliability.This paper introduces the distribution network risk prevention analysis and safety warning technology.In accordance with features of distribution lines in Lishui and Yuyao,the paper introduces the implementation of the technology in terms of automatic system fault set generation,static safety analysis considering cascading faults and visualization of distribution network risk evaluation.Finally,the paper analyzes practicability and superiority of the technology in accordance with calculation examples of distribution networks in Lishui and Yuyao.

risk prevention analysis；safety warning technology；system fault set；the static security analysis；risk assessment visualization

TM732

B

1007-1881（2015）12-0064-05

2015-05-08

王大治（1979），男，高级工程师，从事电力系统调控运行及自动化工作。