考虑负载率的电磁环网供电可靠性评估方法

刘树安,吴杰康,郑风雷,晏浩然,黄　强

(1.广东电网有限责任公司 东莞供电局,广东 东莞 523008; 2.广东工业大学 自动化学院,广州 510006)



考虑负载率的电磁环网供电可靠性评估方法

刘树安1,吴杰康2,郑风雷1,晏浩然2,黄强1

(1.广东电网有限责任公司 东莞供电局,广东 东莞 523008; 2.广东工业大学 自动化学院,广州 510006)

针对多电压等级电网中电磁环网对供电可靠性的影响问题,构建了多级电磁环网运行和联络线负载概率模型;根据负荷变化的不确定特性,在一定的负荷水平下,对电磁环网中进线及联络线负载率和过负荷率进行了关联分析,并提出电磁环网进线和联络线过负荷概率计算方法。以某一大型电网2个220 kV变电站所形成电磁环网为例,计算分析了各种运行方式下进线和联络线过负荷概率,揭示了电磁环网运行对供电可靠性的影响。

电磁环网;可靠性评估方法;负载率;进线;联络线

在多电压等级电网中,变电站之间在不同的电压等级通过不同联络线进行互联,往往在变压器电磁回路形成环路[1]。电磁环网是电力系统的一种结构特征,电磁环网运行是电力系统运行中需要特别注意的一种方式。因此电磁环网及其对运行可靠性影响已受到极大的关注,并成为研究的热点主题[2]。在中国,220～500 kV、330～750 kV等多电压等级电网中电磁环网问题比较突出[3-4],需要给以高度重视并进行针对性研究,以找出防范和控制的技术方法。

在传统电力系统可靠性评估中,模拟法、解析法、多状态模型评估算法、重要抽样算法、卷积计算方法、运行可靠性评估方法、故障模式后果分析法、最小路最小割集法、网络等值法、故障扩散法等[5-10],对于电磁环网可靠性评估均有借鉴之处,同时在这些成熟的评估方法基础上加以进行针对性研究,可以提出改进方法。本文考虑负载率的影响,针对变电站高低压侧电磁环网的可靠性问题进行了研究,并提出变电站进线过载概率计算方法。

1　电磁环网中线路负载率

图1　高低压侧均有联络线的两级互联系统

假设2个变电站的负荷功率变化互不影响、相互独立,并服从正态分布,则有

2个变电站总的负荷功率也服从正态分布,其概率密度函数为

2个变电站总负荷功率的累积分布函数为

其中y为2个变电站总负荷功率。

在2个变电站进线全部正常运行时,所有进线不过载的概率为

对两级多条线路多台变压器并列运行的供电系统进行N-1静态安全分析,当变电站I中有1条进线因检修或故障退出运行时,此种情况下所有进线不过载的概率为

当变电站Ⅱ中有1条进线因检修或故障退出运行时,此种情况下所有进线不过载的概率为

2　实例计算与分析

东莞电网的部分接线如图2所示。

图2　220 kV板桥站和寒溪站两级互联系统接线图

从图2可以看出,220 kV的板桥站和寒溪站的高低压侧均用输电线连接,形成了两级电磁环网,符合图1所示的高低压侧均有联络线的两级互联系统的结构特征。

220 kV板桥变电站有3条进线,分别为水板甲线、水板乙线、新板线。水板甲线、水板乙线的安全输电容量均为380 MVA,新板线的安全输电容量为360 MVA。220 kV寒溪变电站有2条进线,分别为横寒甲线和横寒乙线,横寒甲线和横寒乙线的安全输电容量均为375 MVA。取标准容量SB=100 MVA,假定220 kV板桥变电站所接负荷功率服从期望值为7.45,方差为1;220 kV寒溪变电站所接负荷功率服从期望值为4.80,方差为1。

2个变电站负荷功率为

2.1变电站进线全部正常运行时可靠性分析

当2个变电站的进线全部正常工作时,在此种负荷水平下进线不过负载的概率为

P(kLI≤1,kLⅡ≤1)=

Φ(4.56)≈1

这说明当板桥变电站和寒溪变电站的进线全部正常运行时,在此种负荷水平下进线过负荷的概率极小,为小概率事件,几乎不可能发生。

2.2进线故障或检修下独立运行变电站可靠性分析

当220 kV板桥变电站和寒溪变电站未形成电磁环网、变电站分开独立运行时,若板桥变电站有1条进线,例如水板甲线因故障或检修而退出运行,则在此种负荷水平下板桥变电站其余进线不过负荷概率为

Φ(-0.1)=0.496

当2个变电站不形成电磁环网时,若寒溪变电站有1条进线,例如横寒甲线因故障或检修而退出运行时,则在此种负荷水平下,横寒乙线不过负荷的概率为

Φ(-1.05)=0.147

2.3进线故障或检修下电磁环网可靠性分析

当220 kV板桥变电站有1条进线,例如水板甲线,因故障或检修退出运行时,则在此种负荷水平下板桥变电站和寒溪变电站其余进线不过负荷的概率为

P(kLI≤1,kLⅡ≤1)=

Φ(1.87)≈0.969

在板桥变电站和寒溪变电站形成环网的情况下,若寒溪变电站有1条进线,例如横寒甲线因故障或检修而退出运行时,则在此种负荷水平下2个变电站其余进线不过负荷的概率为

P(kLI≤1,kLⅡ≤1)=

Φ(1.91)≈0.972

以上计算结果表明,当板桥变电站1条进线因故障或检修而退出运行时,则220 kV板桥变电站和寒溪变电站之间形成电磁环网比板桥变电站和寒溪变电站独立运行时,进线过负荷的概率更低,说明此种负荷水平下形成电磁环网比分开独立运行的结构更加安全可靠。

2.4联络线故障或检修下电磁环网可靠性分析

以上N-1静态安全分析考虑的都是变电站进线断开后的情况,现考虑两级电磁环网中2个变电站高压侧连接线因检修或故障而退出运行时对其他线路的影响。两级电磁环网的高压侧联络线断开后的系统如图3所示。

图3　高压侧联络线断开的两级互联系统

为简化对于两级电磁环网联络线的断线分析,现假设变电站I中进线传送总功率小于变电站I所接负荷功率,根据功率平衡原则剩余功率会经过2个变电站的联络线传输到变电站I,其剩余功率为

两级电磁环网高低压侧的联络线均正常运行时,剩余功率将分配到高压侧联络线和低压联络线上,而分配比例与高压输电线和低压输电线的阻抗值有关。低压侧联络线的阻抗值比高压侧联络线的阻抗值高,因此高压侧联络线传输的功率要比低压侧联络线传输的功率要大。高压侧联络线和低压侧联络线所传输的功率为

式中:Srh、Srl分别为高压侧和低压侧联络线所传输的功率;α、β分别为分配到高压侧和低压侧联络线上的分配因子。

假定对于220 kV电磁环网的分配因子为α=0.8,β=0.2,在两级电磁环网中高低压侧联络线正常工作时,高低压侧连接线不过负荷的概率分别为

在图2中,以220 kV板桥变电站和寒溪变电站为例,板桥变电站和寒溪变电站的220 kV高压侧联络线有2条分别为寒板甲线和寒板乙线,110 kV低压侧联络线有1条为寒桥线。寒板甲线、寒板乙线和寒桥线的最大安全输电容量分别为325、325和97 MW。假定板桥变电站的进线负载率为0.6,所有联络线正常运行时的分配因子α=0.8,β=0.2。当高压侧的联络线因故障或检修而有1条退出运行时,则高压侧联络线的总阻抗值会发生变化,随之高低压侧联络线的分配因子也会发生改变,假定此时α′=0.6,β′=0.4。

当联络线正常运行时,可求得高压侧联络线和低压侧联络线不过负荷的概率分别为

Φ(7.395)≈1

Φ(4.12)≈1

当1条高压侧联络线例如寒板甲线因故障或检修而退出运行时,此时寒板乙线和寒桥线不过负荷的概率为

Φ(4.68)≈1

Φ(1.69)≈0.95

当高压侧联络线因故障全部断开时,剩余功率将全部转移到低压侧寒桥线上,β′=1此时寒桥线不过负荷的概率为

Φ(0.24)≈0.59

以上计算结果表明,在2个变电站形成的两级电磁环网中,当高压侧联络线因故障或检修,部分或全部退出运行时,高压侧联络线上经过的功率会部分转移到低压侧联络线上,而低压侧联络线的最大安全输电容量远小于高压侧联络线的最大安全输电容量,所以极可能导致低压侧联络线过负荷。

综合上述,当2个变电站形成两级电磁环网时,有利于降低因变电站进线断开而导致其他进线过负荷的概率,使变电站之间的联络性加强。但变电站形成电磁环网时因增加了高低压侧的联络线,也会带来因为联络线因故障或检修而致使其他联络线过负荷的风险,容易使得故障范围扩大,产生故障连锁反应,加大了网络的不确定性。因此变电站之间是否应互联,如何连接,高低压侧联络线的条数在安全可靠的前提下如何搭配保障其经济性,这些都是应该考虑的问题。

3　结　论

1) 在一定的负荷水平下,2个或多个变电站形成电磁环网运行比各个变电站独立运行的结构更加安全可靠,进线过负荷的概率较低。

2) 当2个变电站形成两级电磁环网时,有利于降低因变电站进线断开而导致其他进线过负荷的概率,使变电站之间的联络性加强。

3) 当变电站之间形成电磁环网时,会带来因为联络线因故障或检修而致使其他联络线过负荷的风险,所以容易使故障范围扩大,产生故障连锁反应,加大网络不确定性。

[1] 叶华,刘玉田,牛新生.220～500 kV 电磁环网开环方案模糊综合评价[J].电力自动化设备,2006,26(7):1-5.

YE Hua,LIU Yutian,NIU Xinsheng.Fuzzy comprehensive evaluation of opening schemes for 220～500 kV electromagnetic loop[J].Electric Power Automation Equipment,2006,26(7):1-5.

[2] 张保会,姚峰,周德才,等.输电断面安全性保护及其关键技术研究[J].中国电机工程学报,2006,26(21):1-7.

ZHANG Baohui,YAO Feng,ZHOU Decai,et al.Study on security protection of transmission section and its key technologies[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(21):1-7.

[3] 侯春青,郑惠萍.2005 年山西中南部500 kV 及220 kV 电网的电磁环网运行方式研究[J].电网技术,2005,29(10):83-87.

HOU Chunqing,ZHENG Huiping.Research on parallel operation of 500 kV and 220 kV power networks in south and central part of Shanxi power grid in 2005[J].Power System Technology,2005,29(10):83-87.

[4] 潘炜,刘文颖,杨以涵,等.电磁环网条件下西北750 kV 电网运行方式的研究[J].电网技术,2007,31(15):33-38.

PAN Wei,LIU Wenying,YANG Yihan,et al.Research on operating modes of 750 kV northwest china power grid electro-magnetically coupled with 330 kV power grid[J].Power System Technology,2007,31(15):33-38.

[5] BILLINTON R,CHEN H,ZHOU J.Generalized n+2 state system Markov model for station-oriented reliability evaluation[J].IEEE Transactions on Power Systems,1997,12(4):1511-1517.

[6] 宋晓通,谭震宇.基于最优抽样与选择性解析的电力系统可靠性评估[J].电力系统自动化,2009,33(5):29-33.

SONG Xiaotong,TAN Zhanyu.Power system reliability evaluation based on optimal sampling and selective analysis algorithm[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(5):29-33.

[7] 杨汾艳,兑潇玮,唐景星,等.考虑站网协调的500 kV 终端变电站可靠性评估[J].电网技术,2013,37(3):847-854.

YANG Fenyan,DUI Xiaowei,TANG Jingxing,et al.500 kV terminal substation’s reliability assessment considering coordination between power grid and substation[J].Power System Technology,2013,37(3):847-854.

[8] BILLINTON R,CHEN H, ZHOU J.Individual generation station reliability assessment[J].IEEE Transactions on Power Systems,1999,14(4):1238-1244.

[9] 谢绍宇,王秀丽,王锡凡,等.自适应重要抽样技术在发输电系统可靠性评估中的应用[J].电力系统自动化,2010,34(5):13-17.

XIE Shaoyu,WANG Xiuli,WANG Xifan,et al.A dynamic aggregation method for induction motors based on their coherent characteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(5):13-17.

[10] 赵渊,张进,芦晶晶,等.大电网可靠性评估的卷积计算模型[J].电网技术,2013,37(9):2466-2473.

ZHAO Yuan,ZHANG Jin,LU Jingjing,et al.A convolution model for bulk power grid reliability evaluation[J].Power System Technology,2013,37(9):2466-2473.

Probability assessment method for supply systems with electromagnetic looped networks considering load ratel

LIU Shuan1, WU Jiekang2, ZHENG Fenglei1, YAN Haoran2, HUANG Qiang1

(1.Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan 523008, China;2.School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In the light of the study of the influence of electromagnetic looped networks on the reliability of power supply is studied, and the calculation method for overload rate of in-lines connected to the Infinite systems and tie-lines between substations is studied in this paper. According to the connection between two or more 220 kV substations, the model of the overload probability model of the in-lines and the tie-lines is analyzed. According to the uncertainty of load variation, the correlation analysis between the load rate and the overload rate of the electromagnetic looped networks is carried out under a certain load level. The reliability calculation method of overload rate of the in-lines and tie-lines in electromagnetic looped networks between substations is presented. In this paper, an electromagnetic loop network between two 220 kV substations in a large power grid is taken as a study example. The calculation and analysis of the overload probability of the in-lines and the tie-lines under various operating modes are carried out. The influence of operation of electromagnetic loop networks on power supply reliability is revealed.

electromagnetic looped networks; probability assessment method; load rate; in-lines; tie-lines

2015-10-14;

2016-03-15。

国家自然科学基金项目(50767001)；国家863高技术基金项目(2007AA04Z197)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20094501110002)；广东自然科学基金项目(S2013010012431，2014A030313509)。

刘树安(1978—),男,工程师,研究方向为电力系统及其自动化。

TM714

A

2095-6843(2016)03-0200-04