台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估.pdf

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台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估1 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估2 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估3 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估4 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估5 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估6 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估7 台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估8

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第40卷第24期2012年12月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlvo1.40No.24Dec.16,2012台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估宋晓掂,汪震,甘德强,邱家驹(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘要:基于风险的分析方法可以定量地评估灾害条件下电网的短期安全稳定水平,并为电网的安全预警提供支持。提出了一种台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估方法。该方法考虑了台风天气条件对输电线路运行可靠性的影响,并根据故障概率建立电网风险评估的预想故障集。对于预想故障集中不满足暂态稳定或静态安全的故障,建立了该故障下的最优紧急控制模型,并以紧急控制代价来衡量各预想故障的后果最后通过新英格兰测试系统初步验证了所提出方法的有效性。关键词:台风天气;运行可靠性;风险评估;暂态稳定;紧急控制Transientstabilityriskassessmentofpowergridundertyphoonweather—SONGXiao-zhe,WANGZhen,GANDeqiang,QiuJia-ju(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)—Abstract:Risk-basedanalysismethodscanquantitativelyassessthesecuritylevelofpowersystemsunderdisastersintheshorttermlevel,andprovidesupporttothesecurityalarmofpowergrid.Anovelmethodtoassessthetransientstabilityriskofpowersystemsundertyphoonweatherconditionsisproposed.Thismethodconsiderstheinfluenceoftyphoonontheoperationalreliabilityoftransmissionslines,andthecontingencysetforriskassessmentisestablishedaccordingtothecontingencyprobabilities.Forthe—contingencywhichcouldnotsatisfyboththetransientstabilityconstraintsandpostcontingencystaticsecurityconstraints,anoptimalemergencycontrolmodelisformulated.Thecontingencyconsequenceinducedbytyphoonismeasuredbythecostoftheemergencycontrolinthestudy.TheNewEnglandtestsystemisusedtodemonstratetheeffectivenessoftheproposedmethod.ThisworkissupposedbyN ̄ionalNaturalScienceFoundationofChina(No.51277160).Keywords:typhoonweather;operationalreliability;riskassessment;transientstability;emergencycontrol中图分类号:TM71文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2012)24-0001080引言近年来,全球范围内的极端气象灾害(如台风、冰灾、暴雨等)有增多的趋势,对电网的安全稳定运行造成了极大的威胁【1J,有关极端气象条件下的停电防御系统设计【2】和安全评估【3J等问题目益为电力工作者所重视。在极端气象灾害发生期间,常发生大量输电设备停运,甚至可能引发连锁故障造成大面积停电事故【4]。2008年初中国南方许多地区出现低温雨雪冰冻天气导致了电力设施大面积损毁,各级部门对电网抗灾能力更为重视,亦提出了基金项目:国家自然科学基金资助项目(51277160);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011QNA4012);浙江省自然科学基金资助项目(LY12E07003);浙江省教育厅科研基金资助项目(Y201119800)更高的要求J。目前,通过数值天气预报、多普勒天气雷达和自动气象站等多信息源的灾前、灾中和灾后信息采集和监控,可以做到对部分气象条件(如台风、暴雨等)进行及时跟踪和一定精度的预报J。在电力系统中,近年来一些(网)省级电力公司逐步建立了台风、雷电、覆冰等气象灾害的信息采集和监视系统【8],使电力系统运行人员比以往能更准确、更全面地掌握灾情的演变过程、电力设备的即时运行能力和电网的实时运行状态,为深入开展电网防抗灾工作创造了有利条件。目前,研究人员在电力系统的气象灾害影响评估方面做了许多工作,大致可分为运行可靠性评估、系统影响评估和灾损评估等几个方面【9-uj。运行可靠性是研究电网在短期内(如未来15min、30min)遭遇设备故障并导致设备或系统停电的风险,侧重电力系统保护与控制于从现在电网状态出发去预测较短时间内电网的抗风险能力,它是灾害影响评估及制定抗灾决策的基础f1。在进行电力系统灾损评估中,考虑到停电损失较难估计,目前理论界倾向于从风险角度进行预期灾损评估【20]。风险评估方法同时考虑了故障发生的概率和故障的后果,因此可以定量地评估极端气象条件下未来短期内的电网安全稳定水平[13,为电网的安全预警提供必要的支持。本文提出了一种台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估方法,通过台风天气下的输电线路运行可靠性分析得到了故障概率分布模型,对于不满足暂态稳定约束或故障后静态安全约束的故障建立了该故障下的最优紧急控制模型,通过新英格兰1O机39节点系统算例的仿真初步验证了本文所提出方法的有效性。1台风天气下的电网风险评估1.1电网安全风险评估在电力系统风险评估框架中,风险定义为故障发生的概率与后果的乘积【3j,电网风险表示为所有可能发生故障的风险之和,如式(4)。R=(E1)=P(Ef)・S(Ef)(1):式中:为预想故障集;R)为第i个故障的风险;尸(E和Ei)分别为第i个故障发生的概率和后果。一方面,输电线路的故障概率受到很多因素的影响,包括外部环境、继电保护误动或拒动、设备老化等。正常天气条件下,输电设备的故障概率可以根据输电设备可靠性的历史数据统计分析得到L1,而在极端气象灾害条件下输电设备(主要是架空线)的故障概率受到恶劣外部环境的影响而迅速增大,因此需要根据极端气象灾害条件下的输电设备运行可靠性分析得到相应的输电设备故障概率。另一方面,故障后果可以有稳定裕度、停电损失、控制代价等几种表达方式,其中采用最优稳定控制代价衡量故障后果较为合理Il引。用最优稳定控制的主动停电损失代替不可控的被动停电损失,恰好实现了稳定控制的目标。在本文中故障后果表示为满足暂态稳定约束和故障后静态安全约束的紧急控制代价为∑△∑△S:Cg,j,+Cd,jPd,J(2)je其中:和分别是参与紧急控制的发电机和负△△荷集合;J9和Pd分别为发电机和负荷的有功功率切除量;C和Cd分别为发电机和负荷的经济系数。1。2台风天气下电网风险评估的流程台风期间,输电线路停运、机组退出运行等事故导致电网的网架结构不断变化,同时输电线路的故障概率受外部环境影响也不断变化,因此电网风险评估是一个实时更新的过程,其流程图如图1所示。首先根据台风的短期预报信息进行输电线路运行可靠性分析,得到未来短期内各段输电线路的故障概率,进而建立相应的预想故障集。其次分别评估预想故障集中各故障的风险:.若某一故障下系统不满足暂态稳定约束或故障后静态安全约束,则计算该故障下紧急控制措施的代价,进而得到该故障的风险;否则该故障的风险为零。开始输入台风数值预报信息设备运行可靠性分析生成预想故障集进行暂态仿真和故障后稳态下的潮流计算稳计算紧急控制成本f得到故障风险(鱼室)图1台风天气下电网风险评估流程Fig.1Systemriskassessmentprocedureundertyphoon值得一提的是,台风天气下输电线路的停运多因倒塔断线造成L4J,所以本文以三相短路最严重故障进行模拟。由于输电线路故障位置的不确定性,分析中将受影响区域输电线路分段并对各段输电线路单独进行风险评估。在建立预想故障集时,当某段输电线路的故障概率小于某一门槛值时,忽略该段输电线路发生故障的可能性。这在一定程度上减少了电网风险评估的计算量,也更符合受外境环境影响的输电线路随着台风的移动不断更新的实际情况。Y一宋晓拮,等台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估.3.2输电线路运行可靠性分析3最优紧急控制2.1台风天气下输电线路的停运率由于暴露于外部环境中,台风天气下输电线路的停运率主要由垂直作用于输电线路的有效风速决定。根据文献[9],,时刻某段输电线路上的有效风速为):(Atexp(一)一(3)。p(一__—二二))sino)口2式中:,Y为该段输电线路的实际坐标;(0和(为t时刻台风中心的实际坐标;A1和A2分别为两个最大风速系数,o'1和为对应的衰减系数,两项参数满足1>A2,>;厦力为输电线路与风向之间的夹角,输电线路和台风的位置如图2所示。图2台风与输电线路位置示意图Fig.2Illustrationoftyphoonmovingandtransmissionlinelocation输电线路停运率和有效风速的关系可用如下的指数函数模型近似表示为【loJT,,、(f)=exp(a.+6)(4)式中:为输电线路的设计风速;(0为输电线路的单位长度停运率,单位为1/(50km.h);模型参数a和b可以通过对历史数据的统计分析中得到。通常输电线路在空间上的跨度很大,各段风速不尽相同,不同位置的单位长度停运率也不同。对输电线路分段后,假设每一段上的气象条件相同,则长度为的某段输电线路的停运率为(f)=()上(5)2.2输电线路的故障概率台风天气下输电线路的停运率随时间变化,输电线路段在时间内发生故障的概率分布可以用如下的时变停运模型表示为【llJ.P(f)=1一exp(一Ll-J2(u)du)(6)3.1紧急控制模型紧急控制通过切机切负荷控制使系统运行点(状态)满足暂态稳定约束和故障后静态安全约束,控制目标为控制成本最小。∑∑’△minf(u)=Cg,j,,+cd『,,(7)l,E珐∈l,s.t.{,≤f<。(8)0I=g】(,Y)”“一{/,'fd(9)0【=g2(,Y,zf)““J(x,,)0(10)G(y,)=0(11)“H(y,)0(12)≤(13)其中:x和Y分别表示系统的状态变量(如发电机功角和转速)和代数变量(如节点电压幅值和相角);“U为控制变量,包括切机、切负荷量,/./和zf分别为它们的下限和上限;to、。和d分别表示故障发生时刻,紧急控制措施执行时刻和暂态仿真终止时刻。、紧急控制前后的动态过程分别用式(8)和式(9)“”中的两组微分代数方程描述,其中方程式下标1“”和2分别表示紧急控制前和后;式(10)表示暂态稳定判据;式(11)和式(12)分别表示故障后潮流方程及线路潮流约束,Y为对应的电压幅值和角度。本文中暂态稳定判据进一步采用暂态仿真终止时刻各发电机转子角度相对惯性中心角(共n台发电机)的均方差不大于某一门槛值Il9J:∑a(x)=(,一o.d,ooi)0(14)文献[191 ̄出,当暂态仿真时间足够长时,门槛值选取不会影响暂态稳定的判断。3.2求解方法在应用微分方程差分化技术的基础上[。刚,在当前紧急控制变量(为当前迭代步数)及各状态变量、代数变量处线性展开,可以得到如式(15)~式(18)的线性规划模型,具体变量意义及推导过程参见附录A。minf(u)+,Au(15)s.t.(。d)+lJx,0IA。dAu0(16)H(y)一Hy,Gf)GAu0(17)“一AuU一U(18)本文采用逐次线性规划法求解紧急控制模型,电力系统保护与控制其具体步骤如下:11设迭代次数k=0,并设紧急控制变量=0。21在紧急控制变量下进行暂态仿真计算和故障后潮流计算。“3)在当前紧急控制变量及各状态变量、代数变量处对模型式(7)~式(13)进行线性展开,并利用△线性规划求解优化问题式(15)~式(18)得到甜。△41设 ̄/k+l=,k=k+l。5)检验收敛条件: ̄uk)-J(u川)l且lk一甜川I(和为预设值),条件满足则为紧急控制模型的最优解。6)重复过程2)~5),直到算法收敛或者达到最大迭代次数。在前期工作(基于MATPOWER工具包【2uJ)的基础上,我们在Matlab平台上实现对上述问题的求解,其中紧急控制模型中的线性规划子问题采用Matlablinprog优化包进行求解。4算例本文以图3fa1所示的新英格兰10机39节点系统为算例进行仿真研究,其中G10为平衡机,发电机采用经典模型,负荷采用恒阻抗模型,系统网络和动态参数可参见文献[21],线路的热稳约束见附录B。系统中除平衡机外所有发电机和负荷均参与紧急控制,发电机节点和负荷节点的经济系数分别为0.1万元W和l万元/Mw。故障统一设为:to=OS输电线路段发生三相短路,l=0.15S故障线路切除,t ̄c=0.2S实施紧急控制,暂态仿真时长fend=5.0S,取100。。假设有如图3(1))所示的输电线路L1~L6处于台风影响区域内,这些输电线路按每段20km长度共分15段。在零时刻,台风中心位于(O,60km)并以v=20km/h的速度向Y轴正方向移动,台风的其他气象信息参数参见表1。系统中的气象信息更新时间为l5min,并以此作为电网风险评估周期。预想故障集中输电线路段的故障概率门槛值设为1E.4。表1台风模型相关参数Table1Parametersoftyphoonmodelinthestudy参数取值影响区域半径尺_nd最大风速系数最大风速系数衰减系数衰减系数输电线路设计风速线路停运率模型系数300km50m/s20m/s04Rid0.05Rid30m/sa=l1,6=一18(a】新英格兰10机39节点系统X/km(b)输电线路和台风实际坐标图(粗体表示节点)图3系统接线图及台风移动路径Fig.3TheNewEnglandpowersystemandillustrationoftyphoonmoving4.1输电线路运行可靠性分析图4为台风天气下输电线路段9、14在时间内发生故障的概率分布曲线。由于地理位置的不同,同一时间内各段输电线路发生故障的概率不同,且随着时间的增加,台风中心逐渐远离输电线路,各段输电线路故障概率的增长也变得缓慢。m图4典型输电线路段的故障概率分布曲线Fig.4Failureprobabilitiesoftypicaltransmissionlinesegments宋晓酷,等台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估一5.4.2电网风险评估结果在零时刻,各段输电线路在未来15min内的故障概率分析结果在表2给出。表2同时列出了预想故障集中各故障的风险评估结果,其中线路段1~5的故障概率小于lE.4未列其中,对应的紧急控制措施的切机切负荷结果在表3给出。可以看出,同一条输电线路不同段的故障概率不相同,控制成本也不尽相同;其中部分输电线路段故障后系统安全稳定,其风险值为0,该阶段电网风险总值(即各故障风险之和)为6.78万元。表2系统各段输电线路的风险评估结果Table2Resultsofriskassessmentofeachsegmentoftransmissionlines表3紧急控制措施的切机切载情况Table3Theresultsofemergencycontrolntstudy序号切机、切负荷量/MW△尸g,961.02,,2761.02&961.02,蛾,2761.02△Pg,9=61.O2,蛾,27:61.02△,128.13,,3_28.13△△尸l=28.13,.3=28.13△,856.26,,2756.26APg,8-28.19,厶Pg,9=28.45,厶Pd,27:56.65△APg966.77,尸d.276.774.3实施紧急控制的效果以输电线路段12发生三相短路故障为例说明采取紧急控制措施的有效性。故障发生后,若不采取紧急控制措施,发电机功角相对惯性中心角的暂态仿真曲线如图5Ca)所示,出现暂态失稳情况。采取紧急控制措施后,发电机功角曲线如图5(b)所示,系统暂态稳定。故障后紧急控制措施下的输电线路—潮流如表4所示,其中输电线路2627的潮流恰好控制在热稳约束内。t(a)无紧急控制措施时各发电机相对惯性中心角曲线s(b)采取紧急控制措施时各发电机相对惯性中心角曲线图5有无紧急控制措施时发电机功角曲线Fig.5Curvesofgeneratorrotorangleswithandwithoutemergencycontrol表4采取紧急控制后输电线路故障后潮流情况Table4Post-contingencyloadflowoftransmissionlineswithemergencycontrol4.4设计风速对电网风险的影响输电线路的设计风速通常指设计输电线路时必须遵循的线路所能承受的10min平均风速的电力行业标准值,比如浙江省的设计风速一般在30~35m/sI训。以本文为例,可以画出输电线路的设计风速与零时刻电网总风险的关系,如图6所示。从图中可以看到当线路设计风速提高时可以有效地降低停电风险、提高电网抗击风险的能力。对于频繁遭6789m¨.6.电力系统保护与控制受强台风袭击的沿海地区,制定合适的输电线路的设计风速标准是一个值得深入研究的重要课题。Vd(m/s)图6设计风速与电网风险的关系Fig.6Relationshipbetweendesignedwindspeedandtheriskofsystem4.5计算效率及加速策略本文的算例分析及算法是在单机InterPentiumG6302.7GHz/2GRAMPC计算机硬件平台上实现的,其中进行一次完整5S时间长度的暂态仿真和开断潮流计算耗时约0.7S,求解一次10个预想故障的电网暂态稳定风险评估的耗时约2rain。通过研究发现,可以采用下述几个措施进一步加快算法计算效率:(11仅根据故障前后两摆功角线判断系统是否失稳;(2)通过判定曲线失稳提前结束仿真时间;(3)基于C/C++等编译语言实现算法;(4)各独立故障下的紧急控制具有天然并行性,因此可实施并行计算技术实现在线应用。研究中仅通过(1)和(2)即取得整个暂态稳定风险评估计算效率的有效提升:在相同的计算硬件平台上,上述计算分析的时间可降低N3os以下。因此,通过加速策略提升计算效率的研究将会为进一步大规模系统的在线应用打下基础。5结论本文提出的台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估方法,以紧急控制代价衡量故障后果避免了故障后停电范围和停电时间难以估计的困难。根据台风预报信息和电网的运行情况进行实时的电网暂态稳定风险评估,可以让运行调度人员及时掌握当前电网的安全稳定水平,以便进行台风天气条件下的电网安全预警。同时电网风险评估也为设计规划部门确定输电线路的设计风速提供了有效的依据。基于风险评估的预防控制决策的制定将是本文的后续工作。同时算法的加速策略研究也进一步有助于实际系统的在线应用。附录A紧急控制的线性规划模型A1暂态稳定约束线性化以紧急控制执行时刻为分界点,应用差分化技术将式(8)~式(9)中发电机转子动态方程转化为。】——xil=0.5at[f,(xi,Yf)+(l,Yf1)]…i=1,,nec一1(A1)——“xil=0.5At[L(Xi,Yf,)+(I,Yi一1,)】…i=Flec,,nend(A2)△式中:f为积分步长;f为积分步数;/.'/ec为紧急控制时刻的积分步数;nend为暂态仿真终止时刻的积分步数。进一步,紧急控制后系统暂态过程转化成如式(A3)的代数方程形式。F(xf,Yf,一1,Yf_1,)=0f=nec,...,nend(A3)迭代过程中,在当前的紧急控制点U(为当前迭代步数)及各状态变量、代数变量对式fA3)及式(14)进行线性化分析。…[…[AX"ec。(A4)…[]+IFFLAYi-1IJl+F=。…i=nec+1,,nend(。)[Jx。J[1AX"end]。(A5)(A6)其中:式(A4)是线性化初始条件;、,和分△别为式(A3)对相应变量的雅可比矩阵;f、6y和分别为相应变量的增量;为稳定判据指标对向量的梯度。△通过高斯消去法,可以将各时刻的和y用△控制变量的增量表示为FAx]..j(A7)其中:厂]一l。=一【…f(A8)=_[]~([]一+)(A9)因此暂态稳定约束可以简化成控制变量增量的线性化约束的形式宋晓,等台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估.7.△≤(d)+l.0lA0(A10)A2静态安全约束线性化’式(11)和式(12)在(甜,Y)处线性展开…G,+G=()uAu0A11H(y)+Hy,Ay0(A12)由式(A111和式(A12),静态安全约束可表示为△H(y)一Hy,GIl,0(A13)A3线性规划模型综上,线性化后的紧急控制模型可表示为minf(u)+/=,Au(A14)广1…≤s.t.J(xd)+IJ,0lAnendAu0H(y)一Hy,Gy-,1GuAu0…材mm一Au材max一附录B表B1输电线路的热稳极限值TableB1ThethermallimitsoftransmissionlinesMVA[5][6][7][8]参考文献[1]谢强,李杰.电力系统自然灾害的现状与对策[J】.自然灾害学报,2006,15(4):126.131.[9]XIEQiang,L1Jie.Currentsituationofnaturaldisasterinelectricpowersystemandcountermeasures[J].JoumalofNaturalDisasters,2006,l5(4):126-131.薛禹胜,费圣英,卜凡强.极端外部灾害中的停电防御系统构思(一)新的挑战与反思[J】.电力系统自动化,2008,32(9):1-6.——XUEYusheng,FEIShengying,BUFan・qiang.UpgradingtheblackoutdefenseschemeagainstextremedisasterspartInewchallengesandreflection[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(9):1-6.IEEEPESReliabilityRiskandProbabilityApplicationsSubcommittee.Probabilisticsecurityassessmentforpowersystemoperations[C】//ProceedingsoftheIEEEPESGeneralMeeting,June,2004.“”张锋,吴秋晗,李继红.台风云娜对浙江电网造成的危害与防范措施[J].中国电力,2005,8(5):39-42.—ZHANGFeng,WUQiuhan,LIJi-hong.HazardsoftyphoonRananimtoZh 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