考虑极端气象的弹性电网仿真系统设计与实现

陈立征，张宇昊，刘林

(山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南250101)

0 引言

全球气候变暖带来的高严重度的极端气象事件频发，给各行业带来了不同程度的困扰，作为人类生存日益依赖的电网也饱受其害。 2008 年，湖南发生了严重冰灾，输电线路覆冰严重，造成大面积断线、倒塔事故，继而引起电力供应不足，给人们的正常生活与经济发展带来了严重的损失[1－2]。 2019 年，澳大利亚持续数月的大火，不仅给环境、动物造成灾难性破坏，也对电网基础设施造成损坏，给澳大利亚电网的正常运行带来了严峻挑战，大量用户与企业面临停电，悉尼遭受停电威胁[3－4]。 根据我国之前的统计数据，线路跳闸故障中，由自然灾害引起的高达60.8%[5]。 频发的极端气象对电网影响的研究越来越不容忽略。

由于目前电网(尤其是我国电网)大多通过高压输电网络实现跨区域高度互联，上述极端气象等扰动的发生往往会导致电网大面积故障[6]。 这类故障不同于传统电网故障，具有以下特征:(1) 发生概率较小，常常忽略其发生以及防御，一次设备在设计时一般能满足几十年一遇的标准，而对该类故障完全缺乏防御力；(2) 涉及范围广，一旦故障发生会带来大范围的影响，考虑经济性因素无法通过大范围提高电网一次设备的设计标准来改善电网防御能力；(3) 故障后果严重，虽然故障发生的概率较小，但由于后果严重，所以该类故障对电网的威胁丝毫不弱于发生概率相对更高的传统故障；(4) 故障后难以迅速恢复， 故障的表现形式往往是连锁、群发、相继型的，故障后电网出现一次设备机械性损坏以及电网大范围停电等，但电网的恢复过程涉及复杂的决策问题[7－8]。

传统电网仿真与评估研究往往是面向发生概率较高的单一故障场景，且无法仿真故障后气象影响下电力系统的复杂动态过程。 考虑上述极端气象事件在电网中引发故障的特征，相应的研究方法应面向故障发生后的整个电网动态过程，对极端气象影响下电网的抵御过程与恢复过程进行研究，弹性电网概念能较好地满足研究需求。 美国能源部首先提出了建设弹性电网，并给出了弹性具体的含义，即能源设施能够快速从其组成部分或其所依赖的外部系统的损坏中恢复[9]。 赵丽敬[10]基于弹性概念，把电网故障响应分为故障前预防灾害过程、故障后的脆弱性过程和恢复过程， 并实现了相应建模。KWASINSKI[11]总结弹性电网具有稳健性、智能性、恢复性和适应性等4 个特征。 HUANG 等[12]把极端扰动影响下的弹性电网分为准备、预防、响应、恢复等4 个阶段。 孙江玉等[13]给出了极端扰动下电力系统的性能图以及弹性电网演化过程，并针对不同的阶段给出了提升电网恢复力的建议。 别朝红等[14]总结了弹性电网及其恢复力的概念，并区分了国外灾变防御体系。

综上所述，弹性电网的研究大部分聚焦于概念理论和定性分析，相应的过程仿真与定量分析缺乏平台支撑，构建考虑极端气象事件影响的电力系统仿真系统能够提供相应研究平台与数据支撑。 因此，文章基于弹性电网的理论体系，提出了考虑极端气象的弹性电网仿真系统框架，对相关过程实现了数据建模，并基于电力系统暂态过程仿真分析软件(Power System Simulator/Engineering，PSS/E)与编程语言Python 完成了弹性电网仿真系统平台开发工作， 并在冰雪与强风天气下进行了仿真系统应用，以期能够揭示极端气象影响下弹性电网的动态过程。

1 考虑极端气象的弹性电网仿真系统设计

构建的弹性电网仿真框架如图1 所示，主要是实现3 部分功能:(1) 极端气象对电网的侵袭动态过程建模仿真；(2) 极端气象影响下的电网动态过程仿真；(3) 两系统交互关系仿真。

图1 弹性电网仿真框架图

1.1 气象系统动态过程仿真模块设计

弹性电网抵御对象为小概率、高严重度的极端气象，包括极端冰雪天气、强风天气以及其他极端天气。 构建弹性电网仿真系统首先要实现气象系统的过程仿真。

(1) 冰雪天气

冰雪天气对弹性电网的影响机理主要是在特定的温度、湿度条件下，输电线路或杆塔上出现覆冰并逐渐增多，直至覆冰的重量超出了线路或杆塔的机械承载能力，从而造成断线或者倒塔。 但是，输电线路上流经的电流产生的热效应会减缓覆冰进程。 基于文献[15]，建立以下考虑线路电流热效应的覆冰重量模型， 由式(1)表示为

式中Mi为覆冰重量，kg；r(t)为覆冰输电线路的半径，m；Sw为风速，m/s；Cw为空气液态水密度，kg/m3；I为输电线路电流，A；Cc为收集系数；Ca为覆冰系数；Va为空气运动指数；Ci为电流热效应系数；θ1、θ2分别为降水、风向与输电线路之间的夹角。

(2) 强风天气

强风天气对电网威胁的表现形式是当风速和风向满足一定条件时，会引起输电线路的舞动，即输电线路在风的作用下飞舞，有可能带来以下两类故障:①对于三相输电系统，两根输电线路之间的距离会由于舞动减小，从而造成相间短路；② 当输电线路周围有故障物时，会由于线路与故障物之间距离过小，造成单相短路。 基于上述机理，建立线路舞动幅值模型，由式(2)表示为

式中A为线路舞动幅值，m；k为等效刚度，N/m；u为风速，m/s；L为线路的长度，m；m1为单位长度线路的重量，kg/m；m2为单位长度线路上的覆冰重量，kg/m；a和b为常数。

(3) 其他极端天气

其他天气包括雷电以及地震等破坏性天气。 在高电压等级输电线路上一般都增设避雷线，但由于避雷措施单一，面临复杂雷击天气时，仍有个别情况无法起到作用，从而导致电网的跳闸故障。 当雷击作用过于强烈时，可能直接造成机械损坏，即带来断线故障。 对于地震、山洪等极端破坏性特强灾害，电力系统更是毫无抵御之力，而地震后的求助工作又极大程度上依赖于电能的供应。

1.2 电力系统动态过程仿真模块设计

弹性电网中电力系统的动态仿真主要是基于成熟商业电力系统仿真软件PSS/E 实现，其仿真模块可实现在极端气象发生时电网各参量的变化仿真。根据故障是否触发以及触发后时间节点可以分为以下3 类仿真模块:

(1) 无故障时的潮流计算

当没有故障发生时，电网潮流受负荷影响而发生变化，因此执行考虑负荷波动的潮流计算，负荷采取逐小时更新的日负荷数据。

(2) 故障后的暂态仿真

当故障发生时，电网状态会因外界扰动而在短时间内迅速变化，因此通过机电暂态仿真，实现故障后电网的变量跟踪与分析，由于该过程电网变量变化较快，因此仿真具有小步长、短周期的特性。

(3) 故障后的电网应对措施

应对措施主要包括继电保护手段、低压切负荷主动控制、功角失稳解列等。 故障后输电线路潮流改变，触发继电保护动作，根据线路电压等级差异，执行不同规范的跳闸与重合闸操作；对母线电压执行实时跟踪测量，当低于限定值时，执行两轮主动切负荷方案；当以上动作仍未阻止电网功角失稳时，执行解列操作，将故障区域切除。 上述应对措施均基于对电网参量变化的跟踪以及自定义接口功能的实现。

1.3 气象—电力系统交互作用仿真模块设计

基于上述输电线路覆冰模型、强风天气线路舞动模型以及电力系统动态过程，建立了揭示气象系统与电力系统间的交互影响机理的模型，并仿真实现。

(1) 冰雪天气

基于式(1)覆冰重量模型，可以得到输电线路上的实时覆冰重量，当覆冰重量超出线路承载重量限值时即触发断线，如图2 所示。 在式(1)中，考虑了流过输电线路的热效应，当部分输电线路断开时，会引起整个电网的拓扑变化以及电流的变化，从而影响覆冰过程。

图2 输电线路覆冰重量与断线故障关系图

(2) 强风天气

基于式(2)线路舞动幅值模型，可以得到输电线路的舞动幅值，当舞动幅度较小时，线路与线路之间的距离较大，不会触发故障；当舞动幅度过大时，线路与线路之间距离过小，从而触发相间短路；当舞动幅度介于两者之间时，故障的触发是概率事件。线路的相间故障本质是高电压下空气的击穿过程，根据巴申定律，介质的击穿电压是气体压力与间隙距离乘积的函数。 由于气体压力是常数，因此击穿与否与间隙距离呈现固定斜率直线关系。 对上述舞动幅值与输电线路短路故障关系建立相应的数据模型，如图3 所示，其中A1为开始发生故障的振幅，A2为一定发生故障的振幅。

图3 输电线路舞动振幅与短路故障率关系图

2 考虑极端气象的弹性电网仿真系统实现

2.1 实现工具

在气象系统动态过程仿真中，采用Python 编程语言对上述覆冰重量模型与线路舞动模型进行仿真实现。 Python 具有开放性好、代码简单、移植性与扩展性强等优点，有利于各行业人员开发与拓展。

在电力系统动态过程仿真中，采用仿真软件PSS/E，其功能完善，能够提供电力系统潮流计算、故障分析、机电暂态仿真等模块，而且提供了自定义接口，能够实现弹性电网在极端气象影响下3 道防线的设置。

在气象与电力系统交互仿真中，需要实现覆冰重量—断线故障、线路舞动幅值—短路故障率的模型仿真，以及气象系统仿真与电力系统仿真两者之间的衔接与调用，因此采用Python 编程实现。 PSS/E提供了Python 接口，能够通过丰富的应用程序接口(Application Programming Interface，API)指令实现对电力系统仿真过程的调用与控制；同时，Python 也能够对两系统间的数学模型进行仿真实现。

2.2 实现流程

以极端冰雪天气与强风天气为例，基于PSS/E与Python 实现弹性电网仿真系统的开发，其系统流程图如图4 所示。

图4 弹性电网仿真系统流程图

在上述弹性电网仿真流程中，主要通过Python实现气象过程仿真，调用PSS/E 实现电力过程仿真以及两者之间的交互。

(1) 气象过程的仿真，包括覆冰重量、线路舞动幅值等，并根据气象仿真结果设置电网故障，以下代码是基于强风舞动幅值结果的220 kV 输电线路的故障设置过程:

(2) 当无故障触发时，电力系统运行方式不会发生改变，因此仿真结果也会保持稳定，为提高仿真效率，直接跳过小步长、高精度的暂态仿真，采用大步长、高效率的潮流计算代替。 此仿真阶段采用预设的潮流计算步长与周期参数，直至下一次故障触发。 具体逻辑结构流程如图5 所示。

(3) 当故障触发时，结束上述过程中的潮流计算，转入小步长、高精度的暂态仿真过程。 根据气象结果与电力系统故障的对应关系，在电网中设置相应的故障类型与位置，根据预设暂态仿真步长与周期参数执行。 仿真过程中，对电压、功角等状态量逐步长监视，设置越限、失稳判断模块，并采用相应的继电保护与应急控制手段，包括线路跳闸、重合闸，紧急切负荷、电网主动解列等措施。

图5 弹性电网仿真系统逻辑结构流程图

3 弹性电网仿真系统应用算例

基于上述弹性电网仿真系统分别在极端冰雪天气与强风天气下执行弹性电网仿真。 采用PSS/E自带的23 节点算例，其中输电线路参数见表1。

表1 输电线路参数表

3.1 极端冰雪天气下弹性电网仿真系统分析

(1) 气象条件

温度设定为2:00 达到最低值－10 ℃，14:00 达到最高值－5 ℃。 在时间窗口内，温度在正弦函数关系中随时间变化；降水预测数据为降水基准值在1 mm/h的基础上，每5 min 随机变化20%；风速在8 m/s基准值上，每5 min 随机变化20%。

(2) 仿真结果

以其中若干条输电线路上覆冰动态过程为例，结果如图6 所示。 图6(a)中4 条输电线路覆冰重量随时间变化逐渐上升，其中＃3 由于超出了线路承载能力，发生了断线。 ＃3 线路上的覆冰速率变化曲线如图6(b)所示，覆冰速率受输入气象随机变化的影响而上下波动。 以弹性电网的电流动态变化为例，结果如图6(c)所示，可以看出在线路因覆冰开断时，电流也跌落至零，非故障线路因潮流转移引起了相应电流的变化。

图6 输电线路覆冰动态过程变化图

3.2 强风天气下弹性电网仿真系统分析

(1) 气象条件

对输电线路舞动起实质作用的是垂直于线路方向的风，因此采集故障发生地区的风向与风速信息，并转换为垂直输电线路方向的风速，如图7 所示。

图7 垂直于输电线路的风速波动曲线图

(2) 仿真结果

基于上述弹性电网仿真系统，可以得到强风气象影响下电网的失稳演化过程及参数动态变化过程，某次电网故障场景过程部分故障见表2，不同输电线路因故障类型不同，分别发生单相或相间短路故障。 对单相短路故障，设置重合闸措施。

另外，通过该系统仿真可以得到线路舞动幅值变化曲线，如图8 所示。 以其中4 条输电线路为例，振幅与风速变化趋势基本一致，当发生故障时，跳闸排除了线路影响，因此振幅置零。

如上述两个案例所示，文章建立的弹性电网仿真系统能够揭示极端气象的演化过程，对气象过程中的覆冰重量以及舞动幅值等进行跟踪，并能够展示在极端气象影响下的电力系统动态过程，涵盖电网中的各变量跟踪以及图形化演示，包括电压、电流、功角等。

表2 某次故障场景的详细过程表

图8 故障后部分线路电流变化图

4 结语

文章对极端气象事件在弹性电网中的影响开展了研究，提出了揭示气象事件与电力系统交互影响动态过程的弹性电网仿真框架，在时域范围内全面考虑各类气象事件的影响机理以及弹性电网在故障前后的各类保护动作与控制措施，从而实现两系统交互仿真。 建立了考虑输电线路电流热效应的覆冰重量模型及其与电网断线故障对应关系模型、强风影响下的线路舞动幅值模型及其与线路短路故障关系模型，并基于仿真软件PSS/E 与编程语言Python完成了弹性电网仿真系统开发工作。 系统能够实现弹性电网应对气象事件侵袭时的动态过程仿真，提供弹性电网在应对气候变化过程中动态的气象变量以及电气量，具有丰富的弹性电网仿真自定义接口，可为各类气象事件影响下弹性电网仿真构建平台，为电力从业人员提供了有效的电网系统仿真研究工具。