调控一体化配电网故障风险评估及安全预警技术的分析与研究.pdf

调控一体化配电网故障风险评估及安全 预警技术的分析与研究 王曜飞1 ，王威2 ，王波2 ，杨承河3 ，侯方迪4 ( I 国网浙汀缙云县供电公司浙汀缙3 2 1 4 0 0 ；2 1 司刚浙汀省电力公司宁波供电公司浙门：宁波3 1 5 0 0 0 ； 3 网网浙汀省电，J 公司丽水供电公司浙汀丽水3 2 3 0 0 0 ；4 浙汀大学电气丁程学院浙江杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要：介绍了一种配电网故障风险评估及安全预警技术。其硬件部分建立在安全三区。功能大体分为设备基 础计算参数管理、实时态风险评估、研究态风险评估和供电半径统计。该项技术的创新点在于提出并实现了基 于自然灾害因素的风险计算模型、计及检修的主配网联合风险校核和基于节点连接权分段优化的配电网馈线 自动布局。目前该项技术已经在缙云地区配电网应用，取得了良好的效果。 关键词：故障风险评估；风险计算模型；预想事故集；馈线自动布局 中图分类号：T M 7 ll文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 3 9 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 1 3 0 5 A n a ly s isa n dr e s e a r cho ff a ilu r er is ka s s e s s m e n ta n ds a f e t y w a r n in gt e ch n o lo g yint h ed is t r ib u t io nn e t w o r k W A N GY a o - f e il，W A N GW e i2 W A N GB 0 2 ，e ta l ( 1 S t a t eG r idZ h e j ia n gJ in y u nE le ct r icP o w e rS u p p lyC o ，L t d J in y u n3 2 1 4 0 0 ，C h in a ； 2 S t a t eG r idZ h e j ia n gE le ct r icP o w e rC o m p a n yN in g b oP o w e rS u p p lyC o m p a n y ，N in g b o3 1 5 0 0 0 ，C h in a ) A b s t r a ct ：Af a ilu r er is ka s s e s s m e n ta n ds a f e t yw a r n in gt e ch n o lo g yw a sin t r o d u ce dint h ed is t r ib u t io nn e t w o r k I t sh a r d - w a r ep a r tw a se s t a b lis h e dins a f et h r e ea r e a s F r o mt h ef u n ct io nitco u ldb ed iv id e din t om a n a g e m e n to fe q u ip m e n tf o u n d a t io nca lcu la t io np a r a m e t e r s ，r e a l t e m p o r a l r is ka s s e s s m e n t ，r e s e a r chs t a t eo fr is ka s s e s s m e n ta n dt h es t a t is t icso fp o w e rs u p p lyr a d iu s T h ein n o v a t io np o in t so ft h ist e ch n o lo g yw e r ep u t t in gf o r w a r da n dr e a liz in gt h er is kca lcu la t io nm o d e l b a s e do nt h er is ko fn a t u r a ld is a s t e r sf a ct o r ，t h em a ind is t r ib u t io nn e t w o r kj o in tr is kch e ckco n s id e r in gm a in t e n a n cea n d a u t o m a t ic la y o u td is t r ib u t io nf e e d e r sb a s e do nn o d eco n n e ct io np o w e rs e ct io no p t im iz a t io n N o wt h et e ch n o lo g yw a sin co m m is s io ninH a iy a nd is t r ict K e yw o r d s ：f a ilu r er is ka s s e s s m e n t ：r is kca lcu la t io nm o d e l；a n t icip a t e da ccid e n tlis t ；a u t o m a t icla y o u td is t r ib u t io n f e e d e r s 0 引言 现代电力系统是一个极其复杂和特殊的系 统，电网的结构日益复杂，在电力系统取得巨大联 网效益的同时，也不得不承受着更大的潜在风 险1 2 1 。近年来，国内外电力系统发生多次大停 电事故，虽然电网事故发生的频率在下降，但后果 却日益严重 。随着我国电力系统规模的扩 大，可能引发大面积停电的因素也不断增多，而且 大规模风电并网也给电力系统带来较大的风 险。6 。，给传统电网的稳定运行带来巨大的挑 战【7 。，因此在全面考虑各种因素的基础上对复杂 电力系统进行安全风险评估的需求更加迫切旧j 。 风险问题已经逐渐成为当今电力工业的挑战与基 本义务9 | 。 对于现代电力系统，传统的分析方法主要基 于确定性分析 ，传统的确定性电力系统安全评 估方法有灵敏度分析方法、数值仿真方法、直接法 等 1 ，但目前已不足以合理地评估安全水平 。 于是有文献提出基于风险的安全评估，作为一种 收稿日期：2 0 1 5 0 2 0 5 作者简介：王曜E ( 1 9 7 8 一) ! ：f ；浙汀缙厶人I ：样1 i研究h 向为电力系统渊腰运 j - 竹婵 稚琚乒程2 0 1 5 年，第4 期 一1 3 不确定性安全分析 ，风险指标可以对电力系统 面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综 合量度1 “，可以比较全面地反映事故对整个电力 系统的影响。 本文中，基于浙江缙云地区配电线路的可靠 性数据分析，从智能配电网的结构特点、运行实践 经验、设备运行状态及环境因素概率分布特性出 发，提出配电网风险评估模型，其中包括基于自然 灾害因素的风险指标量化计算模型和计及检修的 主配网联合风险校验模型，以及配电网馈线的自 动布局技术，开展智能配电网风险预测，并分析智 能配电网可能面临的风险及其对智能配电网的危 害程度和影响范围。 1系统构架 本文中的配电网故障风险评估及安全预警 软件系统位于安全三区，其硬件结构如图1 所示。 殴叭 务器P 壤 L 照嗍 安全三区 实。点蕊 一臼G 鱼 孑匿 k 筵 S e r v e rB ：数| 图1 系统硬件体系结构 系统的软件架构在安全三区，数据的接口主要 包括E M S 数据的接人、G I S 数据的接人和配变监测 数据的接人。主网的网架和量测由E M S 提供，配 网的网架和量测由G I S 和调控管理系统提供，配变 的信息由营配大数据系统提供，P M I S 提供历史的 可靠性数据。系统的软件架构如图2 所示。 i 图形化界面兰二lI I L ：三：J 研究态风险评估lI I t 月j J 削风险评估I I n、自 一1 4 一 图2系统软件体系结构 软件系统的具体接口见表1 。 表1软件系统的接口信息 数据类型业务系统接口方式接口情况 借助地县转发网络可 主网调度以在海盐二：I 式获取嘉 ( ) P E N 3 0 0 0C I M 文件 模型兴地调O P E N 3 0 0 0 的 模型、断面、图形。 1 0k V 馈 通过G I S 导出C I M G I S C I M 文件 线模型文件来获得模型 配变监测 营配大数 E x ( - e l 模型据系统 1 0k V 馈 线开关模 调控管理 中间数据通过数据库接口来采 系统库集 型 表1 ( 续)软件系统的接口信息 数据类型业务系统接口方式接口情况 检修开始时间、结束 主网检修 P M I SE x e e I 时间 主网影响没备投运日期、设备 风险因子 P M I SE x c e l 缺陷、设备评级、历史 的信息故障 是否大风、大J 札区域、 气象数据 E x e e l 大风级别、是否有雷 雨 H j 户与配变关联、用 用户数据营销系统 E x e e l 户等级 2 配电网风险评估模型 2 1 配电网故障风险事件概率数学模型 电力系统风险评估的基本步骤通常包括确 定元件的停运模型、选择系统状态和计算它们 的概率、评估所选择状态的后果和计算风险等 级。 配电网的风险评估首先考虑的是元件的风 险评估5 。恒定的设备故障率无法描述运行条 件和外部天气变化对设备停运率的影响，从而 计算的风险水平多为系统中长期的风险水平。 恶劣天气下元件发生故障的可能性将大大增 加。本文中数学模型的设备主要指1 1 0k V 及以 下设备( 包括1 1 0k V 线路、主变、1 0k V 分支线 路) ，如果计算2 2 0k V 的话使用平均故障率。 其中1 0 k V 分支线路需要区分裸导线和绝缘导 线这两种类型。 引发配电线路的故障原因是多种多样的，根 据缙云的线路故障数据统计可以分为雷击、外力 ( 包括基建) 、鸟害、设备、台风和其他原因。由此 建立的概率数学模型中的概率数学公式为 A = A I h 。d 。一+ A 。i。d l+ Ad 。，i。+ Ab ir d i+ A 陆 。l+ Ab a 。 ( 1 ) 式中：A i为该设备的停运率；A 汕，。为雷电引起的 输配电线停运率；A m 。i为输电设备引起的输配 电线停运率；A 。为台风( 大风) 引起的输配电线 停运率；A h 。为鸟害引起的输配电线停运率；A 如。 为外力引起的输配电线停运率；A 。为其他输配 电线的输配基础停运率。 在软件系统中，对于每个设备，其具体的概率 及组成见图3 。 g 玮值 硬；名称幕潜6 8 1 谩鲁凳翟啦珏 设电压薯蝠lo i# ；椰 设备捷寄甘翦 I 设鲁授远日娟2 一ll- o l 埴鲁退投日期 接远年坤 风蘧鼍西 风谴。 腿历口 凰建历史啦太话啦t 老化俘运辜0 叠击蟮辞虻 叠击当釉丈倍鑫1 0 0 叠蛾0 叠击历史艘丈倍盎l 叠击历史 馥 井力当眦丈信封9 外力当前I 话等自E 岛寡当盯眭走信静0 鸟喜当I n 嘟午受髑 山火当前衄犬倍数O 山火当前I 蟮 薛诛当盯啦太倍赶。 酣当1 1 肆罐 基础夹蕾稚s1 1 1 溉弼3 8 鸵 设鲁夹器 毫。 日皿麦静孵辜。 叠击走艘1 日覃O 蝴1 5 6 3 t T 钒5 2 0 6 蚪力夹盏弭覃23 T a 9 昭l6 3 仇 端先m 事O 山火失靛幢事。 淳球夹麓龋摹0 罐旨夹慧峨摹 O H 龇柚3 0 * 先畦日鲒 所岖 所lil- 站 昭# 度1 6 图3 设备概率详细信息 囊 2 2 配电网预想事故集 对于配电网，在实际的实时系统风险评估中， 需要使用解析法来进行风险评估，所以必须在进 行风险评估前得到一个可以覆盖所有危险点的故 障集，使得风险评估的结果具有实用性。 多重故障集的自动生成主要考虑两方面的因 素：一是对电网进行拓扑分析，并对电网进行分 区；二是故障的影响域。 对于拓扑分析，分区应保证一个区内的故障 对区外设备的影响几乎可以忽略不计，这样在对 某一区内的故障进行分析时就不需要对区外进行 分析计算，以提高算法的效率。 不同于以往的基于节点的分区算法，预想故 障分析时的分区应针对支路进行。首先建立电气 岛的节点支路连通图，而后搜索该图的任一棵支 撑树，以此为基础生成单连支回路，进而将存在公 共边的回路合并为一个分区，将这些环状分区相 应的支路从图中移除，剩下的辐射状支路则按连 通性进行分区。 对电网进行分区有利于减小每次故障后果分 析的计算规模，也能够有效过滤大量的预想开断 后果可以近似线性叠加的故障。在我国电网逐渐 解除电磁环网运行的情况下，充分利用上述分区 思路可望获得较好的效果。 对于故障的影响域，分区会导致一些较大的分 区，其一2 故障集的规模可能仍然较大，因此有必 要进行进一步的分解，以快速过滤安全的故障集。 绺露乒程2 0 l5 眠第4 期一1 5 在电网风险评估时可根据分区的思路先进行 一l预想故障分析。对于每一个J 7 、r l开断，可 根据开断前后潮流的分布情况确定预想开断的主 要影响域。将N 一1 预想开断设备自身及开断后 潮流明显变大的支路定义为该设备的影响域。支 路潮流是否明显增大可根据设备开断后的潮流转 移系数，并参考支路短时过载能力与开断前支路 潮流的差额确定。 2 3 静态安全分析 将地调、县调、用户的电网模型结合在一起， 进行一体化的风险评估。主网和配网的结合点是 1 0k V 和2 0k V 的出线开关，通过主网C I M 中的 出线开关和配网馈线名字的匹配，可以将主网和 配网的网架进行自动无缝的拼接。拼接好后，缙 云以外的地调系统中只扫描2 2 0k V 线路、主变和 母线，而不扫描5 0 0k V 设备，2 2 0k V 在没有检修 的情况下也不必扫描。扫描具体过程： ( 1 ) 扫描地区电网，自动生成地区电网的自 动装置结构( 比如备自投) ，并允许用户二次 编辑； ( 2 ) 扫描地区电网，开断每一条线路、变压 器、母线，仿真可能的备自投动作，寻找失电的1 0 k V 负荷母线。对于每个失电的1 0k V 母线，寻找 其在配网模型中供电的用户，判断该用户是否会 失电或者降级； ( 3 ) 扫描配网电网，开断每一条馈线段，寻找 受影响的用户，判断该用户是否会失电或者降级。 系统软件每半个小时进行一次实时态的风险评 估，评估主要根据自动产生的故障集进行主配网联 合的静态安全分析。点击“实时态风险评估”，即生 成实时态风险评估结果，其界面如图4 所示。 1 6 I F f 黼i 二j街船 I E r街】“ 驰 舱 r - ；一I 璺q I t - I 贸r 舟曩刍r 盎蜀0 蒿 ； m _ _ H m _ - 1 日，t 嘲l，1 - I 】 o ，o 啊 o m , lt ”* 1 5 I l_ - ”一m ，1 _ cI 1 n H ；西簏：= ， ：蔷器：薯；。”。 ：器= 器 臻餮= 毖器誉t 藏篡一。 簿蓬。 吼；珏“ 嚣鞫I ：产”1 壤舞郝贯 躲嚣，一 篇：翟k ，一 ：霸皇r 图4实时态风险评估结果 系统软件还可以通过设置检修计划，对研究 态进行风险评估，对风险等级高的设备进行保供 电研究。点击“研究态风险评估”，即生成研究态 风险评估结果，其界面如图5 所示。 冀籀”： 髑 璐l 搿。帮搿I ； 掣； 。j ：黔；眷 盛：= ；：=婶：嚣l：= ：= ：；：；：o ：= ： ： 鲁= ：；：捕：嚣I ：；： = ：；： ：；：岛： ”r1 ” 一 ro 7 。一 葛= l：= 品：器l；：l：= ：器：嚣：；：j ： ! | | | | 萝。i蚕| | | | 蒌蓦要鼹黎i薹萋雾 ? ；托等：=* u 器 ；篇托 ：! 潆：= “。黟 ，? ；! 苷： = 一器 嚣：垮：= =高 ：= 譬符器 ：“篇- ，I = ：鉴蔓F 一强 _ = ；j ：兰基鞫 图5研究态风险评估结果 2 4 配电网馈线自动布局 对于分析人员来说，配电网站外单线图是比 较方便的图形展现形式，因此系统软件可根据 G I S 的拓扑自动生成配网馈线图( 见图6 ) ，以减 少本系统的维护工作量。 _ y ：i 澜 ：o 雩 i潼 I 1 妻 ii矗 厂吖警一；舞参； 肾7讶恕龋 驰蹋岢讶 龋蹋 霹兽一 誊跫一l耀_ 慧譬 二 船 一 ! ； ? = i碴I 蔓，罄彝- | 一 图6自动生成的馈线图 一一黜甍蓦 躲 一 一一一 黯 瞳 系统软件研究全自动的馈线总图和各线路的 排布优化算法，以G I S 系统的拓扑为基本信息，并 自动完成结构的精简和压缩，使得整个电气单线 图的元件排布趋于合理。系统软件所设计的基于 节点连接权分段优化的几个关键算法，能够有效 地在极短的时间内对电网抽象图结构进行优化， 使得交叉点数目逼近理论最小数，且满足“最短 的连接线、最少的交叉、电网厂站均匀分布”的原 则。从电力系统运行的实际物理模型及运行方式 的改变实现可视化图形的快速形成，可根据电网 模型自动生成系统图，使得系统具备自动设计节 点位置与线路排布的全局优化功能。 3 技术创新点 3 1 提出并实现基于自然灾害因素的风险计算 模型 通过对缙云地区配电线路的可靠性数据分 析，设立计及雷击、台风、外力、鸟害的元件概率模 型，并根据元件概率模型实时态和研究态下计算 风险，给出风险指标和负荷转移方案。 3 2 提出并实现计及检修的主配网联合风险校核 通过将主网和配网的模型进行自动合并，以 1 0k V 和2 0k V 的出线开关与馈线名称进行无缝 对接，使得基于主配网的风险校核可以很好地考 虑主网在设备检修状态下对配网的影响，对于配 网的可靠性有比较大的提升。同时在计算中，将 下一周的检修计划导人，进一步提前揭示电网运 行的风险，能够提早准备保供电方案和停电预案。 3 3 提出并实现基于节点连接权分段优化的配 电网馈线自动布局 配电网馈线自动布局可大大减轻配网图形的 维护工作，通过提前优化好全部馈线图，实时生成 单条馈线图，系统基本实现自动的最新电网拓扑 的展示。 4结 语 配电网故障风险评估及安全预警软件系统基 本实现设备基础计算参数管理、实时态风险评估、 研究态风险评估和供电半径统计功能，目前该系 统已经在缙云地区配电网试运行，协助调度运行 员在故障风险评估方面提供可靠的决策依据，提 升风险预警水平，从风险预警和评估角度大大增 强配用电管理和控制能力。 参考文献： 1 李 丽，温秀峰电力系统风险评估综述 J 科学 之友( B 版) ，2 0 0 8 ( 2 ) ：1 9 2 1 2 李文沅电力系统风险评估：模型、方法和应用 M 北京：科学出版社，2 0 0 6 3 李蓉蓉，张哗，江全元复杂电力系统连锁故障的 风险评估