新能源电源出力变化对电网结构脆弱性影响分析及应对

张彦琪，林 涛，毕如玉，杨明臻，盛逸标，王训哲

(武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

TK 01;TM 71

A

2096-2185(2017)05-0036-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.05.006

新能源电源出力变化对电网结构脆弱性影响分析及应对

张彦琪，林 涛，毕如玉，杨明臻，盛逸标，王训哲

(武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

结构脆弱性反映的是系统故障时网络拓扑结构能够保持完整并且继续保持正常运行的能力。近年来大量新能源电源并网运行，而新能源电源出力波动特性会导致电网结构脆弱性发生变化，因此评估新能源出力对结构脆弱性的影响十分必要。首先通过求取各个线路结构脆弱性指标的平均值来计算电网整体结构脆弱性指标；然后基于蒙特卡洛法分析新能源电源出力波动时电网整体结构脆弱性指标的均值与方差，来指导如何选择电源进行功率平衡调节；最后以IEEE-39节点系统接入新能源电源为例，对该方法的有效性和可行性进行验证，证明其对含新能源电源电网的安全稳定运行、事故预防都具有很好的指导意义。

整体结构脆弱性；出力波动；新能源电源

0 引言

电网结构脆弱性是对电力系统中的某一单元退出运行或某一些单元相继退出运行(即电力系统发生连锁故障)后，电网的网络拓扑结构能够保持完整并且继续保持正常运行能力的电气描述[1]。结构脆弱性反映了电力系统固有脆弱性，反映了电网内在的本质特征，是电网的固有特性。对于某一个确定的电网，在运行方式发生变化的情况下，电网结构脆弱性也会发生改变。通过对电网的结构脆弱性进行评估可找到电网结构中的脆弱环节，从而通过加强对脆弱环节监管和防护来提高系统的抗干扰能力，降低系统的潜在风险。

自21世纪以来，新能源发电技术进入了一个高速发展期。风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等新能源发电方式不仅已经占据了发电领域的一席之位，而且还在快速发展，越来越多的新能源电源将并网运行[2-5]。然而由于新能源电源实际出力的波动性，新能源电源在并网运行时，电网的运行方式势必会发生改变，从而致使电网结构脆弱性发生改变。在新能源发电地位越来越高的今天，分析含新能源电源电网的结构脆弱性，可以对含新能源电源的电网发生大停电事故的概率进行评估，这对含新能源电源的电网安全、稳定运行具有十分重要的意义[6]。

然而，目前大多数文献[7-10]只针对传统电网线路和节点结构脆弱性进行了深入研究，就新能源电源并网时其出力波动性对电网结构脆弱性影响的研究不多。鉴于此，本文首先通过求取各个线路结构脆弱性指标的平均值来计算电网整体结构脆弱性指标；然后基于蒙特卡洛法分析新能源电源出力波动时电网整体结构脆弱性指标的均值与方差，来指导如何选择电源进行功率平衡调节。

1 结构脆弱性指标

1.1线路结构脆弱性指标

目前在对电网结构脆弱性进行研究时，较为常见的是基于复杂网络进行的研究[6-10]。研究通过计算和分析电网的节点度数、平均距离、节点介数和聚类系数等特征参数，分析出电网的固有拓扑结构与电力系统发生大停电事故之间存在的内在关系[11]。但是文献[9]提出复杂网络理论具有局限性，即复杂网络理论的基础是信息流不可分，且只沿特征路径(即最短路径)传送，而电流是可分的，几乎流经整个网络；并且目前大部分的脆弱线路辨识方法建立在简单的拓扑图上，缺少详细的电气元件信息，这与实际电网还有较大距离。为使辨识结果与实际电网更吻合，应结合电气参数，建立涵盖更多电气特性的辨识指标[12]。

本文通过计算“电气介数”，对电网结构脆弱性进行分析。“电气介数”是在“介数”原理的基础上，考虑电路原理，并结合功率潮流在电网中沿所有可能路径传输的实际潮流分布情况，提出的一个衡量电网线路脆弱性的电气指标[13]。“电气介数”的定义如下：

(1)

1.2电网整体结构脆弱性

通过计算线路脆弱性指标Be可以对电网中的潜在薄弱环节进行评估，但是无法评估电网整体脆弱性情况。本文通过求取各个线路结构脆弱性指标的平均值，计算电网整体结构脆弱性λ，对电网整体结构脆弱性情况进行描述。

电网整体结构脆弱性λ的计算公式为

(2)

式中：N为线路总数；Bei为第i条线路的结构脆弱性指标值。

2 新能源电源出力波动对电网整体结构脆弱性的影响

2.1新能源电源出力波动时的电网整体结构脆弱性

新能源电源最主要的特性之一是出力波动性，当新能源电源的输出功率波动时，潮流计算结果有所不同，进而导致电网结构脆弱性发生变化。新能源电源出力波动对电网整体结构脆弱性影响分析是一个不确定性问题，需要转化为确定性问题进行计算分析。本文采用蒙特卡洛抽样法，在新能源电源出力范围内进行抽样，然后通过计算所有样点下电网整体结构脆弱性指标的期望和方差，对含新能源电源电网的结构脆弱性进行描述。

图1 含新能源电源的电网结构脆弱性计算步骤Fig.1 Calculation of structural vulnerability of grid with renewable energy source

含新能源电源的电网结构脆弱性的计算流程如图1所示。含新能源电源的这类电网在运行时，为保证系统的功率平衡，系统中的其他电源出力需要随新能源电源的出力发生改变。按图1所示步骤计算时，首先要确定系统功率平衡的调节方式才能求取各个样点处的结构脆弱性指标。

2.2功率平衡调节电源的选择

由上述分析可知，当系统中有新能源电源接入时，可以通过计算电网整体结构脆弱性的期望和方差来描述新能源电源出力波动时电网整体结构脆弱性情况。

新能源电源出力具有波动性，接入电网运行时需要其他电源进行功率平衡调节。在电网实际运行中，可以通过调节系统中不同电源的出力，从而进行系统功率平衡调节。当不同电源进行功率调节时，系统的运行方式不一样，因此不同情况下对应的结构脆弱性也不一样。可以通过比较不同电源调节时电网整体结构脆弱性的期望和方差，得到使用哪个电源调节时电网运行更加有利，从而在系统运行时选择该电源进行功率调节(电网整体结构脆弱性的期望和方差越小表示选择该电源进行功率调节越好)。

3 算例分析

选用IEEE-39节点系统对电网结构脆弱性进行算例分析。IEEE-39节点系统共有46条支路、10个电源节点和19个负荷节点。IEEE-39节点系统接线如图2所示。

3.1 IEEE-39系统整体结构脆弱性

按式(1)计算IEEE-39系统线路结构脆弱性指标电气介数时，计算得各线路电气介数的结果如表1所示。

得到IEEE-39系统各线路电气介数的结果后，按式(2)计算电网整体结构脆弱性，得到IEEE-39系统的整体结构脆弱性指标λ为176.127 9。

3.2新能源电源出力波动时电网整体结构脆弱性

3.1节内容计算得到了IEEE-39系统的整体结构脆弱性指标λ，证明用一个指标来衡量电网整体结构脆弱性情况是可行的。本节将基于3.1节计算过程和图1所示的计算步骤，计算IEEE-39系统接入一个新能源电源时电网的整体结构脆弱性。

假设IEEE-39系统在32节点处接入一个新能源电源，该新能源电源出力为2.0 pu，出力按均匀分布；取波动范围为10%，在出力范围等间距依次抽取1 000个样点进行分析；当系统功率不平衡时由31节点电源进行功率平衡调节。

图2 IEEE-39节点系统接线图Fig.2 Wiring diagram of IEEE-39 node system

表1 IEEE-39系统线路电气介数Table 1 Line electricalbetweenness of IEEE-39 node system

假设每一个样点的新能源电源出力恒定，先求取线路脆弱性指标Be，再计算电网的整体结构脆弱性。得到在32节点处接入一个新能源电源时电网整体结构脆弱性随新能源电源出力波动时的分布，如图3所示。

图3 32节点接入新能源电源时电网整体脆弱性均值情况Fig.3 Mean of overall structural vulnerability when renewable energy source accesses to node 32

得到各个样点下的整体结构脆弱性指标λ后，计算整体结构脆弱性的期望λE和方差λD，用来描述含新能源电源的电网整体结构脆弱性。计算得到该运行条件下整体结构脆弱性的期望和方差结果，如表2所示。

表2 整体脆弱性均值的期望和方差Table 2 Expectation and variance of mean of overall structural vulnerability

3.3功率平衡调节电源的选择

和3.2节一样，假设IEEE-39系统在32节点处接入一个出力为2.0 pu、出力按均匀分布的新能源电源，其他运行条件一样，只改变调节系统功率平衡节点的选择。按图1步骤，分别计算30、33、34、35、36、37、38或39节点电源进行功率调节时的电网脆弱性指标，得到不同电源调节功率平衡时的电网整体结构脆弱性情况如图4所示，而对应整体结构脆弱性的期望和方差结果如表3所示。

图4 不同电源调节功率平衡时电网整体结构脆弱性均值情况Fig.4 Mean of overall structural vulnerability when different power sources adjust power balance

表3 不同电源调节功率平衡时整体结构脆弱性均值的期望和方差Table 3 Expectation and variance of mean of overall structural vulnerability when different power sources adjust power balance

由图4和表3可知，当系统接入新能源电源运行时，采用不同电源进行功率平衡调节对应的整体结构脆弱性明显不同。通过比较整体结构脆弱性的期望和方差不难得知，在该算例中采用35节点电源进行功率调节时，整体结构脆弱性的期望和方差最小，即系统脆弱性最好。分析可得，该算例中采用35节点电源进行功率调节时效果最好。

4 结论

新能源电源出力波动性是其运行时的主要特性之一，随着新能源电源日益广泛的接入，进行计及不确定因素的电网整体脆弱性评估是十分必要的。本文考虑了新能源电源出力的波动性，通过求取电网整体结构脆弱性指标的期望和方差，从整体上评估含新能源电源电网的整体结构脆弱性情况。由IEEE-39系统算例分析可知，通过计算、比较电网整体结构脆弱性指标的期望和方差，可判断出相对好的脆弱性平均水平，从而得到最佳功率调节方案。这对含新能源电源电网的安全稳定运行、事故预防都具有很好的指导意义。

[1] 林涛, 范杏元, 徐遐龄. 电力系统脆弱性评估方法研究综述[J]. 电力科学与技术学报, 2010, 25(4): 20-24.

LIN Tao, FAN Xingyuan, XU Xialing. Summary of power system vulnerability assessment methods[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2010, 25(4): 20-24.

[2] 党岳. 经济新常态下我国能源结构的研究[J]. 应用能源技术, 2015(12): 1-3.

DANG Yue. Research on the energy structure in China under the new normal economy[J]. Applied Energy Technology, 2015(12): 1-3.

[3] ANDUJAR J M, SEGURA F, DOMINGUEZ T. Study of a renewable energy sources-based smart grid: requirements, targets and solutions[C]//2016 3rd Conference on Power Engineering and Renewable Energy (ICPERE), Yogyakarta Indonesia, 2016.

[4] 高泽, 杨建华. 新能源发电现状概述与分析[J]. 中外能源, 2014, 19(10): 31-36.

GAO Ze, YANG Jianhua. Overview and analysis of new energy generation[J]. Sino-global Energy, 2014, 19(10): 31-36.

[5] WU Geng, ZENG Ming, PENG Lilin, et al. China’s new energy development: Status, constraints and reforms[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016(53): 885-896.

[6] 谭玉东. 复杂电力系统脆弱性评估方法研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2013.

TAN Yudong. Research on complex power system vulnerability assessment methods[D]. Changsha: Hunan University, 2013.

[7] 丁明, 韩平平. 加权拓扑模型下的小世界电网脆弱性评估[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(10): 20-25.

DING Ming, HAN Pingping. Vulnerability assessment to small-world power grid based on weighted topological model[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(10): 20-25.

[8] ZHANG Kan, JIANG Fei, NIU Yunyun, et al. Structural vulnerability analysis in complex networks based on core theory[C]//IEEE International Conference on Data Science in Cyberspace (DSC), Changsha, China, 2016.

[9] 曹一家, 陈晓刚, 孙可. 基于复杂网络理论的大型电力系统脆弱线路辨识[J]. 电力自动化设备, 2006, 26(12): 1-5.

CAO Yijia, CHEN Xiaogang, SUN Ke. Large power system vulnerability line identification based on complex network theory[J]. Electric Power Automation Equipment, 2006, 26(12): 1-5.

[10] ALIM M A, NGUYEN N P, DINH T N, et al. Structural vulnerability analysis of overlapping communities in complex networks[C]//2014 IEEE/WIC/ACM International Joint Conferences on Web Intelligence (WI) and Intelligent Agent

Technologies (IAT), Warsaw , Poland, 2014.

[11] 唐强. 电力系统脆弱性评估方法研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2012.

TANG Qiang. Research on power system vulnerability assessment methods[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2012.

[12] 赵莹莹, 赵洪山. 电网脆弱性评估方法[J]. 山东电力技术, 2009(5): 21-27.

ZHAO Yingying, ZHAO Hongshan. Vulnerability assessment of power systems[J]. Shandong Electric Power, 2009(5): 21-27.

[13] 谢春瑰, 方菲, 吕项羽, 等. 电网脆弱性评估方法研究[J]. 电网与清洁能源, 2013, 29(5): 35-38.

XIE Chungui, FANG Fei, LÜ Xiangyu, et al. Research on power grid vulnerability assessment methods[J]. Power System and Clean Energy, 2013, 29(5): 35-38.

ImpactofRenewableEnergySourcesOutputFluctuationonGridStructureVulnerabilityandItsCountermeasures

ZHANG Yanqi, LIN Tao, BI Ruyu, YANG Mingzhen, SHENG Yibiao, WANG Xunzhe

(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei Province, China)

Structural vulnerability is an electrical term description of a network topology that can remain intact and continues to maintain normal operational capability when the system fails. Recent years, a large number of renewable energy sources are incorporated into the power grid. However, because of the characteristics of output fluctuation, the renewable energy sources will change the structural vulnerability of the power grid when it runs. So it is essential to assess the structural vulnerability of the power grid which contains renewable energy sources. This paper first calculates the overall structural vulnerability index of the grid by calculating the average of the structural vulnerability indexes of each line; then, based on the Monte Carlo method, analyzes the expectation and variance of the overall structural vulnerability index when output fluctuates and guides how to select the sources for power balance adjustment. Finally, choosing the IEEE-39 node system accessing renewable energy source as an example, this paper verifies the validity and feasibility of the proposed method and proves that it has a good guiding significance for the safety and stable operation of the power grid with containing renewable energy sources, and for the prevention of accidents.

overall structural vulnerability; output fluctuation; renewable energy sources

张彦琪

2017-07-03

张彦琪(1995—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行与控制；林 涛(1969—)，男，博士，教授，主要研究方向为电力系统运行与控制、电力系统继电保护与自动装置等，tlin@whu.edu.cn；毕如玉(1991—)，女，博士研究生，主要研究方向为电力系统运行与控制杨明臻(1995—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统安全稳定；盛逸标(1993—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行与控制;王训哲(1994—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统保护与控制。

(编辑 谷子)