基于回路可靠性统计指标的电网充裕性在线评估模型

彭石明，邓集，李欣，夏骏

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

基于回路可靠性统计指标的电网充裕性在线评估模型

彭石明1，邓集1，李欣2，夏骏1

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

本文以回路作为最小分析单元，提出了一种基于回路可靠性统计指标的电网充裕性在线评估模型。该模型在线采集输变电设施可靠性管理系统中的回路可靠性统计数据，并从EMS中在线获取电网评估状态数据。在传统电网充裕性评估系统指标的基础上，建立了系统－回路－节点三层指标体系，全面反映电网的可靠性水平。对华中某省实际电网的评估结果表明，该模型简单有效，具有在线应用的前景。

回路；电网可靠性在线评估；回路可靠性统计指标

如何评估电网在运行过程中特别是在故障状态和特殊运行方式下的电网可靠性水平已经成为世界各国电力系统面临的紧迫任务。在线分析自动按电网可靠性模型进行分析计算，从而得出反应本系统当前和未来状态的可靠性水平，可以即时掌握和发布本系统的可靠性指标，发现影响可靠性的薄弱环节，因此电网可靠性在线评估是电网运行管理的重要技术手段之一。

运行可靠性〔1－3〕概念和算法的提出使得电网实时可靠性评估有了重大进展。国内已开始针对设备(开关、刀闸等)建立独立数据采集系统，为可靠性分析积累数据，从2011年开始，国家电网公司先后开展了电网资产质量监督管理系统和电能质量在线监测系统建设和推广工作，目前已实现了设备停电事件的自动采集，设施 (回路)可靠性统计指标的在线计算与监测。2013年，通过系统建设，实现了27家单位220 kV及以上典型时刻 (峰、谷、平)的可靠性相关电网运行数据集成，但尚无全局性、系统性的在线可靠性分析系统。实际电力系统中电源位置及出力情况对电网的可靠性影响很大，即电网可靠性评估不仅仅是一个电网连通性问题，还需考虑电源的影响。因此文中采用发输电系统可靠性评估 (包括充裕度评估和安全性评估)的方法。由于安全性评估无法解决计算量的问题，现阶段仅进行电网充裕性评估。

基于上述情况，提出一种基于回路可靠性统计指标的电网充裕性在线评估模型。传统电网充裕性评估以元件作为最小研究单元〔4〕，随着电网规模的增大其评估计算量显著增加，在实际电网的充裕性在线评估中运用较为困难。文中所提模型以回路作为最小研究单元，从输变电设施管理系统中在线获取回路可靠性统计数据以及从EMS系统中在线获取电网评估状态数据，不仅实现了现有系统对该模型的兼容性，同时也实现了评估数据的在线获取。该模型不仅可以对特定时刻的电网可靠性进行定量评估，还能结合历史评估数据对电网的长期可靠性进行定量评估。采用该模型对华中某省500 kV输电线路进行在线充裕性评估，结果表明该模型能很好地适用于现有电网的充裕度在线评估。

1 电网充裕性在线评估模型

电网充裕性在线评估模型如图1所示。模型分为:

图1 电网充裕性在线评估模型

①回路可靠性参数及运行方式在线接收模块。该模块主要与输变电设施可靠性管理平台及EMS系统进行在线数据交换，在线获取评估所需的回路可靠性输入参数以及待评估电网的运行方式数据。

②电网充裕性评估模块。该模块对在线获取的待评估电网运行方式进行状态分析，对存在充裕性问题的状态，通过切除负荷来消除充裕性问题。

③充裕度指标输出模块。该模块基于状态分析结果及回路可靠性输入参数进行充裕性指标计算。

1.1 回路停运模型及回路可靠性参数

2010年发布的 《输电系统可靠性评价实施细则 (试行稿)》首次提出了回路的概念，使可靠性基础数据的管理从元件基本单元管理升级到了以回路为基本单元的管理〔5〕。回路综合了连接在传输终端变电站或者是系统输电节点之间，具有一定功能的元件 (设备)组，因此即使在较大规模的电网中其回路数量也远小于元件数量。采用回路作为最小研究单元不仅满足了在线评估的计算量需求，又与现有可靠性管理运用情况相适应。

回路可靠性模型是建立在元件可靠性模型(两状态模型、三状态模型、相关停运模型)〔6〕和元件在回路中的电气连接关系上的模型，是对回路状态的描述，回路的停运性质把回路的停运状态分为调度停运状态、受累停运状态、计划停运状态和故障停运状态〔7〕。按照对不同回路停运状态的描述，得到以下几种回路停运模型:

①当回路考虑故障停运状态或计划停运状态时回路停运模型采用两状态停运模型；

②当回路考虑故障停运状态及计划停运状态时回路停运模型采用三状态停运模型；

③当回路考虑受累停运状态时回路停运模型采用相关停运模型。

回路可靠性模型中的参数即为进行电网可靠性评估所需的回路可靠性参数，其主要包括回路的故障率λ、回路的平均修复时间r和回路的可用度U，上述参数可通过回路可靠性参数接收模块对输变电设施可靠性管理平台中在线获取的回路可靠性统计指标的计算求得。

输变电设施可靠性管理平台，对回路可靠性统计指标按停运类别可分为两大类:①持续停运指标，包括可用系数、回路停运率、平均停运时间、停运平均恢复时间、重复停运率、停运回路平均停运次数等；②瞬时停运指标，包括瞬时停运率。文中模型仅获取持续停运指标。

回路主要包括母线回路、变电回路和输电回路，以典型的输电回路 (如图2所示)为例推导了回路统计可靠性指标与回路可靠性参数之间的计算关系。

图2 输电回路 (T接线)

由图2可知，该回路的回路可靠性参数与回路统计参数的计算关系为:

①回路的故障率λ等于回路停运率；

②回路的平均修复时间 r等回路平均恢复时间；

1.2 电网运行方式数据

充裕性评估采用稳态潮流计算模型。运行参数接收模块每天固定时刻在线接收EMS系统的电网运行参数并形成该时刻待评估的运行方式。运行参数接收模块，主要完成在线时刻运行方式的生成以及与历史评估方式进行比对和分类。前者是为了生成待评估时刻的电网运行方式，后者是为了形成历史的电网运行方式集合。

2 电网充裕性评估分层指标体系

传统的充裕度指标体系已有一套同时适用于负荷点和系统2个层次的指标体系〔6〕。前者针对具体负荷点，表征故障的局部影响；后者针对系统，从全局衡量故障对整个系统的影响，但是该指标体系并不能很好地体现系统的薄弱环节，因此在上述体系的基础上，提出了系统—回路—节点三层次指标体系，从节点—回路—系统3个层面来表电网的可靠性水平，辨识出系统的薄弱环节，其指标体系如图3所示。

图3 电网可靠性充裕度评分层指标体系

系统指标和节点指标遵循传统可靠性指标体系。回路指标可量化各回路对电网可靠性的贡献。重点对新提出的回路充裕度贡献指标进行介绍，其指标计算公式如下:

①回路失效切负荷概率LOLPLF(Loss of load Probability due to loop failure):给定时间区间内系统由于回路失效且调节措施实施后电网依然故障，导致切负荷的概率。

式中 Pi为包含回路l(l代表系统中某一个回路)的系统状态i的概率；Lj为多级负荷模型中第j个负荷水平下由回路l失效导致切负荷状态的集合；Tj为系统第j级负荷时间，T系统总的负荷时间。

②回路失效切负荷期望ELCLF(Expected load curtailments due to loop failure) (单位为MW/a):给定时间区间内系统由于回路失效且调节措施实施后电网依然故障，导致切除的负荷期望值。

式中 Ci为系统状态i下由于回路l失效导致的切负荷量。

③回路过载切负荷的概率LOLPLO(Loss of load Probability due to loop overload):给定时间区间内由于回路l过载且调节措施实施后回路依然过载，导致系统切负荷的概率。

式中 Gj为多级负荷模型中第j个负荷水平下由于回路l过载导致切负荷状态的集合。

④回路过载切负荷期望ELCLO(Expectation of load curtailments due to loop overload)(单位为MW/ a):给定时间区间内由于回路l过载且调节措施实施后回路依然过载，导致系统切除的负荷期望值。

式中 Ci′为多级负荷模型中第j个负荷水平下由于回路l过载导致的系统切负荷量。

3 电网充裕性在线评估步骤

把电网充裕性在线评估模型，运用到省级电网中，每天固定时间点运行电网可靠性评估软件进行该时刻的电网充裕性评估。其评估步骤如下:

①由数据接收模块在线接收该时刻的电网运行数据和回路可靠性数据，形成待评估运行方式。

②更新待评估运行方式集合。

③对充裕性评估运行方式进行N，N－1，N－2，…，N－i计算，若任意N－i潮流计算结果出现电压越限回路过载问题，需通过调整无功设备或变压器分接头，调整电源有功或无功出力等措施消除该N－i运行方式下的电压越限和回路过载问题。若不能消除电压越限和回路过载，则出现充裕性问题，需通过切除负荷来。

④输出此时刻该运行方式下的电网可靠性充裕度指标。

⑤更新电网充裕度指标集合，若达到评估的时间要求 (一般时间需等于或大于8 760 h)。输出该评估时间段的电网可靠性评估指标。否则跳至第一步继续进行计算。

4 算例分析

对华中某省 (以下简称A省)500 kV电压等级电网进行在线评估。其计算条件如下:

①从EMS端在线获取的数据包括500 kV主干网架、直流部分，未对220 kV和110 kV部分系统进行简化。

②电网回路可靠性数据来自输变电可靠性管理系统从近五年到评估时刻为止的回路统计数据，由于一年内回路可靠性数据变化不大，则假设每天固定时段的回路可靠性输入参数为固定值。

③使用历史负荷数据形成不同负荷水平的集合，并计算出每一负荷水平的负荷概率。在线接收的运行方式与该历史负荷集合比对，计算待评估运行方式的概率。

4.1 某时刻下电网充裕性评估结果

从EMS获取某天11∶00的电网运数据，按第3节所述步骤①—④进行电网充裕度评估，输出此时刻的电网充裕性指标，并与传统的基于元件的电网可靠性评估进行了对比，见表1。

表1 某时刻下电网充裕性评估结果

由表1可知，基于元件的电网充裕性评估需要分析的状态数量远大于基于回路的电网充裕性评估，文中提出的模型相对于传统的充裕性评估大大减少了分析的状态数量，同时，其评估指标处于同一数量级，且相差较小，说明文中所提模型能在减少计算量的前提下保证评估的准确性。

4.2 评估时间段内电网充裕性评估结果

电网的充裕性水平是动态变化的过程，电网可靠性评估需收集不同季节下的水/火电开机方式及不同负荷水平的运行方式来保证评估的全面性，因此最好取一年或大于一年作为评估时段。取评估时段为一年，在该评估时段内从EMS获取的在线运行数据进行电网充裕性评估，其评估指标随时间的推移不断更新，最后所得该时段内电网充裕性评估指标见表2。

表2 电网充裕性评估系统指标

由表 2可知，A省电网充裕性概率达到99.98%(1－LOLP)，但是电量不足期望达到495.26 MWh/a，发生充裕性问题带来的后果较严重。SI指标分级处在2级，但是其值仅超出1级0.320 610 77系统分，电网仍处于可接受的不可靠状态。这主要是因为A省在华中地区仅有2条500 kV线路与B省相连，当出现充裕性问题后，本省的调节能力有限，从而限制了A省充裕性问题的改善。基于文中所提在线评估模型可对各评估时刻的评估指标进行存储、分析，系统指标可随着在线评估时间的推移而更新。图4给出了9—12月之间电力不足期望EDNS的变化曲线图。

该曲线可以显示不同时段电网评估指标的变化情况，可对日常电网充裕性做到在线监测。

表3给出了节点充裕性贡献指标值排序前12位的节点编号及其指标值。表4给出了回路充裕性贡献指标值排序前10位的回路编号。

图4 电力不足期望EDNS变化曲线

表3 电网节点充裕性贡献指标

表3未给出其他节点，是因为其他节点发生的概率相对这12个节点小很多，即电网的充裕性对这12个节点的变化最为敏感，所以从节点指标的大小可以辨识出电网的薄弱节点。同理，表4—5给出了回路指标值前10的回路，但是回路造成电网充裕性问题较为复杂，因此从回路失效及回路过载造两方面对回路造成的充裕性影响进行量化。依据表3—5给出的电网薄弱节点和薄弱回路，可有针对性地对电网进行充裕度水平改善。其改善结果可通过图4的系统指标的变化情况来进行检验。

表4 电网回路失效充裕度贡献指标

表5 电网回路过载充裕度贡献指标

5 结论

提出了一种基于回路的电网可靠性在线评估模型。该模型能减少电网可靠性评估的状态数量，降低电网可靠性评估的计算复杂度，保证了在线评估的计算量要求。同时从输变电可靠性管理系统及EMS系统进行在线数据获取实现了可靠性评估的在线运行和兼容。新提出的系统－回路－节点分层指标思想，全面量化了电网的充裕性水平，从回路和节点层面给出了影响电网充裕性的薄弱节点和薄弱回路，丰富了电网充裕性评估指标体系。

算例表明，该模型能在线评估某一时刻及一段时间内电网的充裕性水平，随着评估时间的推移能实现评估指标的更新，能动态反映电网充裕性的变化情况。该模型对于加强电网可靠性管理，以及进一步推进电网可靠性在线评估计算工作提出了较为可行的思路和方法。

〔1〕Sun Y，Cheng L，Liu H，et al.Power system operational reliability evaluation based on real-time operating state〔C〕.Power Engineering Conference，2005.IPEC 2005.The 7th International. IEEE，2005:722-727.

〔2〕KovalD O，Chowdhury A A.An investigation into extreme-weathercaused transmission line〔C〕.Power Engineering Society General Meeting.2005.IEEE，2005:2 425-2 428.

〔3〕孙元章，程林，刘海涛.基于实时运行状态的电力系统运行可靠性评估〔J〕.电网技术，2005，29(15):6-12.

〔4〕郭永基.电力系统可靠性分析〔M〕.清华大学出版社，2003.

〔5〕谭文刚，刘为，靳东一.大电网可靠性评估的灵敏度分析新方法〔J〕.黑龙江电力，2014，36(3):263-265.

〔6〕Billinton R，Allan R N，Allan R N.Reliability evaluation of power systems〔M〕.New York:Plenum press，1984.

〔7〕国家电网公司.电力可靠性管理培训教材·管理篇:输变电设施及系统可靠性管理〔M〕.北京:中国电力出版社，2012.

Online evaluation model of power grid adequacy based on loop statistical reliability indices

PENG Shiming1，DENG Ji1，LI Xin2，XIA Jun1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper analyzes loop as the minimum unit，and presents an online adequacy evaluation model of power grid based on loop statistical reliability indices.The model collects loop statistical reliability indices online on the facilities of electric power reliability management system，and accesses the state of assess data online from the EMS.On the basis of traditional grid system reliability evaluation indices，three levels index of system-loops-node is established，fully reflecting the reliability of the electrical network.The actual assessment of power grid of certain a province in Central China indicates that the model is simple and effective，with the prospect of online applications.

loop；power grid online reliability assessment；loop statistical reliability indices

TM732

A

1008-0198(2015)06-0010-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.003

2015-03-17 改回日期:2015-06-19

国网湖南省电力公司科技项目 (SGHN0000AZJS1400288)