城市核心电网规划的可靠性充裕度等值评估

张 林，张继红，刘欣宇，边宏宇，赖民昊

（国网重庆市电力公司，重庆400014）

城市核心电网规划的可靠性充裕度等值评估

张 林，张继红，刘欣宇，边宏宇，赖民昊

（国网重庆市电力公司，重庆400014）

对与城市核心电网相连的其他电网进行充裕度等值及可靠性评估，仿真算例证明该方法能有效提高城市核心电网的可靠性评估精度和速度，为城市核心电网的电力规划、设计和运行管理决策提供更为准确有效的理论支撑。

城市核心电网；充裕度等值；可靠性评估

最近10年来，国家电网朝着交直流混联坚强智能系统的方向快速发展，随着特高压交直流电网、500 kV及以下不同电压等级电网的协调发展，城市核心电网与周边其他电网的联系愈加紧密，电网的规划和运行管理决策的非线性度与复杂度与日俱增。城市电网规划决策具有规模大、不确定因素多、涉及领域广的特点，是一项复杂艰巨的系统工程。从电网规划阶段提高供电可靠性是提升供电公司核心竞争力的有效手段。但是，由于技术或涉及行业机密等原因，城市电网间往往无法进行完备的数据交换，即使可以获取其他电网的完整数据，庞大的计算量和储存量也使普通的计算设备难以负担［1］。所以，希望现有的城市核心电网可靠性评估不考虑相连外部电网的影响，将其视为绝对可靠，但该方法存在明显误差，在某些情况下可能导致决策错误。因此，在进行城市核心电网可靠性评估时就需要对周边其他电网进行基于概率充裕度的科学等值，以快速、准确地获得可靠性评估结果。

等值方法的基本思路是：把不需要详细研究或无法直接获取完备数据的网络用一个等值模型来代替。该等值模型需保留进一步研究所需的必要信息，且规模通常较小。文献［2－3］在全网信息都已知的条件下，对发输电系统中不需要详细研究的部分进行了充裕度等值，有效减少了对研究系统进行可靠性评估所耗费的时间，但未考虑当城市核心电网难以获取周边电网详细数据时的情况。基于充裕度等值的方法可对周边电网精确等值，用等值后的模型为核心城市电网提供可靠性评估所需的研究信息，以此提高城市核心电网可靠性评估的精度。

因此，本文利用充裕度等值法对与城市核心电网相连的周边电网进行等值，通过等值网络将外部电网的影响因子保留在城市核心电网的可靠性评估中。由此提高城市核心电网可靠性评估的精度，并进一步保证城市核心电网规划决策的有效性。

1 充裕度等值方法

1．1 等值模型

等值前互联系统如图1所示。在对城市核心电网进行可靠性评估时，通常把城市核心电网作为内网，周边其他电网作为外网，通过联络线将两个区域联系在一起。其中，外网通过联络线与内网相连的节点作为边界节点。

图1 等值前互联系统

本文采用可用容量、概率、频率和停运水平等表示外网的充裕度等值结果，充裕度等值模型如图2所示。等值发电机容量Ge和等值负荷Le表示可用容量信息。可用容量是内网的可靠性评估中需要的重要外网信息，可通过枚举法或潮流计算获得。外网等值后的可用容量为能传输到边界节点的最大可用容量。该可用容量可为正数、零或负数：当可用容量为负时，表示外网需要内网的功率支撑；当可用容量为零时，表示在外网内部功率的供需达到平衡；当可用容量为正时，表示外网有富余的功率，在内网功率不足时可以为内网提供功率支撑。图2中，等值发电机容量Ge为假设外网系统中负荷为零时，外网能传输到边界节点处可用容量；等值负荷Le为等值发电机容量满足外网所需负荷后能传输到边界节点处的可用容量。

图2 充裕度等值后系统

另外，外网任意故障状态的概率和频率是最基本的系统参数，每个状态对应的同时故障元件数，即停运水平，也是重要的系统参数。

如果1个停运事件中，有l个元件正常工作，m个元件发生故障，假设发电元件和输电元件的失效率和修复率是相互独立的，那么发生这个停运事件的概率和频率可以由式（1）和式（2）得到：

式中：a＝1，2，…，l；b＝1，2，…，m；Ps为状态s的概率；Fs为状态s的频率；Aa为元件a的可用率；Ub为元件b的不可用率；λa为元件a的失效率；μb为元件b的修复率。

在分析完所有系统状态后，那些对系统影响相同且停运水平一致的状态，可以通过公式（3）和（4）进行合并：

式中：E是对系统影响相同且停运水平相同的状态的集合。

1．2 可靠性评估

在对内网可靠性进行评估之前，首先需要单独对内网故障状态进行分析，计算获得包括联络线在内的内网每个状态的停运水平及其对应的概率和频率。

假设等值网络的故障状态数为neq，内网和联络线的故障状态数为nI，考虑外网的影响，对内网进行分析时的故障状态数为neq×nI。整个系统的停运水平和系统概率、频率由式（5）～（7）计算得到。

式中：i＝1，2，…，nI；j＝1，2，…，neq；k＝（i－1）neq＋j；Lt（k），Pt（k），Ft（k）分别为互联系统状态k的停运水平、概率和频率；LI（i），PI（i），FI（i）分别为不考虑外网影响时内网状态i的停运水平、概率和频率；Leq（j），Peq（j），Feq（j）分别为外网状态j的停运水平、概率和频率。

可靠性评估中，充裕度指标主要包括切负荷概率（probability load curtalments，PLC）、切负荷频率（expected frequency of load curtailments，EFLC）、负荷切除期望值（expected load curtailments，ELC）、电量不足期望值（expected energy not supplied，EENS）、切负荷持续时间（expected duration of load curtail ments，EDLC），其计算公式见式（8）～（12）：

式中：M是有切负荷的系统状态集合；C（k）为状态k下削减的负荷功率。

2 算例分析

简单辐射系统如图3所示。本文采用两个2节点的简单辐射系统模拟城市核心电网（内网）和与之相连的电网（外网），该系统发电机和线路参数如表1所示。

图3 简单辐射系统

表1 发电机和线路参数

本文将对以下两种情况下内网的可靠性评估仿真结果进行对比：case 1，即不考虑外网影响，将其看作100%可靠；case 2，即考虑外网充裕度等值模型。

图3中，外网系统的充裕度等值模型如表2所示。在表2中：第1栏为状态编号；第2栏为停运水平，其中00表示没有元件（发电机和线路）发生故障，01和02分别表示1和2台发电机组发生故障，10和20分别表示1和2条线路退出运行，11则表示1台发电机和1条线路同时故障，其他故障状态依次类推；第3栏和第4栏分别代表等值发电机容量和负荷，在图3的网络中可由枚举法获得；第5栏和第6栏为外网的概率和频率，可由公式（1）～（4）获得。

表2 外网充裕度等值模型

单独对内网和联络线分析时，其概率和频率可类似地由式（1）～（4）计算获得。假设在可靠性评估中只考虑互联系统二阶以内的故障，因此内网（包括联络线）的充裕度指标计算也仅考虑二阶以内的故障状态。同时，假设当系统发电机出力不足时，各节点负荷（包括边界节点）按比例削减。以对互联系统直接进行全网计算的内网停运表和充裕度指标为基准，计算在case 1和case 2两种情况下，内网（包括联络线）的概率频率、充裕度系统指标及节点3的充裕度负荷点指标的相对误差，其结果分别如表3至表5所示。

由表3可以看出，无论是概率还是频率的相对误差，case 2的误差都比case 1小，尤其是当内网停运水平为00，即内网没有元件故障时，case 1频率的相对误差达到了62．048 3%，而case 2频率的相对误差接近于0。同时，case 2在内网各停运水平下，概率和频率的相对误差都保持在0．001%以内。

另外，由表4和表5可以看出，case 2的充裕度系统指标和负荷点指标的相对误差都不超过0．001%。而case 1的充裕度系统指标和负荷点的相对误差最大值均超过了80%。综上所述，通过对外网的充裕度等值，可在内网的可靠性评估中有效保留外网的影响，大幅提高内网可靠性评估的精度。

表3 内网的概率频率相对误差%

表4 内网的充裕度系统指标相对误差%

表5 节点3的充裕度负荷点指标相对误差%

3 结论

本文阐述了充裕度等值法的基本原理，并对内网进行了可靠性评估。通过一个小系统模拟城市核心电网及其周边电网，从而进行仿真，计算结果证明，通过对外网的充裕度等值能够有效保留外网对内网的影响，大幅提高内网可靠性评估的精度，为城市核心电网的规划决策提供更为准确有效的理论支持。

［1］ 余娟，张勉，朱柳，等．考虑灵敏度一致性的外网静态等值新理论研究［J］．中国电机工程学报，2013，33（10）：64－70．

［2］ BILLINTON R，ZHONGW．An adequacy equivalent ap proach for composite power system reliability evaluation［C］／／WESCANEX 95．Communications，Power，and Computing．Conference Proceedings．IEEE．IEEE，1995，1：163－168．［3］ BILLINTON R，ZHONG W．Enhanced adequacy equiva lent for composite power system reliability evaluation［J］．IEE Proceedings Generation，Transmission and Distribu tion，1996，143（5）：420－426．

A Study on the Adequacy Equivalent Reliability Evaluation of the Planning of Core Urban Power Grids

ZHANG Lin，ZHANG Jihong，LIU Xinyu，BIAN Hongyu，LAIMinhao
（State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400014，P．R．China）

This paper introduces the adequacy equivalent reliability evaluation of other power grids connected with complex core urban power grids．Simulation examples have proved that the approach of the evaluation can not only effectively improve the accuracy and speed of the reliability evaluation of core urban power grids but also provide accurate and effective theoretical support for the power planning，the design and the operation and management deci sion－making of core urban power grids

core urban power grid；adequacy equivalence；reliability evaluation

TM732

A

1008 8032（2017）02 0013 03

2016－11－03

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文一等奖

张 林（1975－），高级工程师，研究方向为电力系统自动化，电力系统调度与控制。