电网全故障智能分析及风险评估系统设计

王 凯，谌艳红，万 源，段志远

（国网江西省电力公司，江西南昌 330077）

0 引言

随着特高压电网建设的不断深入，互联电网之间相互影响愈发明显，行为特性愈发复杂。加之电网运行中不确定因素逐渐增多，电网运行呈现出强相关、非线性、复杂化的大系统特点。

为保证电网安全、稳定、经济运行，电网规划与运行人员必须开展大量N-1或N-2故障的静态和动态安全计算分析[1]，并求取输电断面稳定极限，工作量十分繁重。但基于现有电网离线分析计算软件（PSASP/PSD）的工作模式存在一定的不足：

1）基于PSASP/PSD的计算操作繁琐，工作效率较低，在互联电网规模不断扩大的背景下，现有电网离线分析计算软件无法满足进行海量故障扫描的需要[2]。

2）为提高工作效率，电网规划与运行人员只选取关键故障进行分析校核，关键故障集的选取依赖于人工的经验与判断[3]，但互联电网运行方式和行为特性不断变化，存在遗漏关键故障的可能。

3）常用的确定性分析方法基于电网中最不利的运行方式和最严重的故障标准，得出的结果往往过于保守，无法充分发挥电网的输送能力，降低了电网投资的经济效益。

为服务国民经济的持续健康发展，适应人民生活水平不断提高对电力可靠供应的需求，未来几年，电网仍将处于快速发展的过程中，电网的规模和复杂程度正在显著增加。为深入分析电网行为特性，提高电网输送能力和经济效益，十分迫切地需要开展电网全故障智能分析及风险评估系统研究工作。

1 系统结构

1.1 系统需求

针对现有离线分析计算存在的不足，在复杂互联大电网背景下，电网安全稳定分析系统需要满足以下要求：

1）自动进行全网范围内N-1或N-2的全故障海量扫描。

2）结合电网可靠性数据，对电网运行风险进行量化评估。

3）必须基于现有PSASP/PSD数据格式，保证电网运行方式分析中参数模型的一致性。

1.2 系统结构

电网全故障扫描及风险评估系统可通过导入电力系统分析综合程序（PSASP）或电力系统分析软件包（PSD）数据形成电网模型，同时导入生产管理系统（PMS）中的电网设备故障数据形成可靠性数据。

该系统将在电网潮流及暂态稳定计算的基础上，对影响电网安全稳定运行的静态和动态故障进行全扫描，结合电网的实际运行数据及设备可靠性概率数据，综合事故的影响和发生概率，对电网风险进行确定性和概率性量化分析，全面评价电网风险。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统功能

2.1 静态扫描功能

静态扫描是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件及给定的切除方案，确定切除某些元件是否危及系统的安全。其计算方法与潮流计算完全相同。

静态扫描可由用户选择进行全网、某区域或某电压等级的N-1或同杆并架故障静态安全分析，也可以执行某指定元件断开后的N-1计算（即N-1-1）。

2.2 动态扫描功能

动态扫描可以批量设置系统的动态故障，自动分析所有动态故障下系统的稳定水平。可以自动批量设置的电网典型故障，包括：交流线、母线、变压器等设备的对称/不对称故障及多重复杂故障，并可以考虑重合闸动作、断路器误动或拒动的情况。

表1 动态故障类型

2.3 风险评估功能

风险评估既考虑了电网故障的可能性，又考虑了故障对系统的冲击程度，是结合了概率性方法和确定性方法的实用性混合方法，可以确定一个突发事件出现的概率，并能量度该事件的严重程度[4]。

电网静态风险评估基于静态扫描结果，进行电压越限风险评估、支路过载风险评估，进而分析电网的薄弱环节及故障状态，给出电网静态风险的定量指标。

电网动态风险评估基于动态扫描结果，进行电网动态失稳风险评估，包括功角失稳风险、电压失稳风险及频率失稳风险。

3 全故障扫描加速技术

由于电网规模不断扩大，电网元件N-1和N-2组合数量十分庞大。为提高计算效率，需要在全故障扫描时采用加速技术。

3.1 静态扫描加速技术

1）对于双回线或多回线、并列运行的变压器等，在扫描时无论是单重故障还是多重故障，均只枚举一次；

2）使用拓扑分析功能，快捷地找出同塔双回线路，以及同一发电机组的出口变压器；

3）优化元件切除方案，生成校核元件列表，只生成一次节点导纳阵，优化了静态扫描计算流程；

4）使用改进PQ分解法，并用合并小支路的形式提高潮流计算收敛性和计算速度。

3.2 动态扫描加速技术

按故障的严重程度对故障的计算顺序进行排序，优先计算较严重的故障。若计算结果显示稳定，则自动认为该元件发生较轻的故障也能保持稳定，而不再对较轻故障进行校核，从而减少动态扫描计算量。

动态故障优先级见表2所示。优先级1表示故障后果最严重，优先级9表示故障后果最轻微。动态扫描时从优先级为1的故障开始。

表2 动态故障类型

4 应用测试

本系统已在江西电力调度控制中心投入运行。

使用本系统对江西电网2014年夏大方式进行分析，对220 kV及以上电网进行静态和动态全故障扫描。故障元件范围是江西省内220 kV及以上电网元件，分区选择江西省内全部13个分区，电压等级选择220 kV、500 kV。越限元件范围与故障范围相同。

4.1 静态全故障扫描

静态故障类型选择N-1和同杆并架故障扫描。

结果显示，静态扫描故障总数760个，导致越限的故障11个，其中导致母线电压越下限的故障1个，导致线路过载的故障1个，导致变压器过载的故障9个。

静态扫描结果详细列出了11个导致越限的故障信息，包括切除元件列表和越限元件及越限量。用户可以在地理图中选择相应的故障作业号查看潮流结果。

4.2 动态全故障扫描

动态故障类型选择线路三相短路、单相接地重合闸成功、同杆双回或多回异名相故障。

根据计算设置，本次扫描自动生成3 202次故障，结果表中列出2 168次故障暂稳计算结果，有1 034次故障根据动态扫描加速技术省略计算。在有暂稳计算结果的故障中，导致功角失稳的有85个，导致电压失稳的有420个。

4.3 计算结果分析

该系统计算过程迅速，结果准确。

该次应用在台式计算机上完成，CPU是intel酷睿2.93 GHz，内存2 G。在进行江西220 kV及以上电网静态全故障扫描时，仅需5~7 min即可完成。完成江西220 kV及以上电网线路三相故障动态扫描需要约22 h。

通过抽样对比可以验证该系统的计算结果与PSASP是一致的。

5 结论

电网全故障智能分析及风险评估系统可以自动、快速地对复杂大电网进行静态和动态全故障扫描和分析，并在此基础上进行电网运行风险评估分析。本系统采用了多种加速技术来解决计算量大的问题，提高了系统的计算效率，为复杂大电网安全稳定计算提供了一种有效的分析手段。

该系统可以有效降低电网运行的安全风险，提高电网安全稳定计算的工作效率。该系统基于现有PSASP/PSD数据格式和潮流稳定计算程序，适合在电网公司各级调度机构和规划设计部门中推广应用。

[1]DL 755-2001电力系统稳定导则[S].

[2]罗彬，刘汉伟，梅涛，等.基于PSD-BPA的电网潮流稳定计算分析平台开发与应用[J].电力系统自动化，2012，36（17）：119-123.

[3]付红军，孟远景，熊浩青，等.电网运行方式综合管理系统设计与应用[J].电力自动化设备，2010，30（4）：119-122.

[4]刘怡芳，张步涵，李俊芳，等.考虑电网静态安全风险的随机潮流计算[J].中国电机工程学报，2011，31（1）：59-64.