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1、 第 31 卷 第 10 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.31 No.10 Apr.5,2011 52 2011 年 4 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013(2011)10-0052-07 中图分类号：TM 71 文献标志码：A 学科分类号：47040 极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估 张恒旭，刘玉田(山东大学电气工程学院，山东省 济南市 250061)Comprehensive Assessment of Extreme Ice Disaster Affecting
2、 Power System Operation ZHANG Hengxu,LIU Yutian(School of Electrical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,Shandong Province,China)ABSTRACT:Extreme meteorological events,such as icing weather,may influence the operation of power system,and even destroy power transmission equipment.Power syste
3、m intelligent dispatching,optimal decision making and security defence system all need to predict meteorological events,and to quantitatively assess their impacts.The characteristics of ice disaster invading power grid were analyzed,and the framework for power system numerical simulation with extrem
4、e snow-icing weather was presented.The relevant simulation program was developed.Based on analytic hierarchy process(AHP),a comprehensive assessment method for assessing the influence of meteorological events on power system operation was proposed according to the stability,security,and economical a
5、ttributes of power system.The proposed method was applied to the comprehensive assessment of the typical stages of ice disaster invading power system.Numerical results show that it can be used to quantify the extent and tendency of the impacts of extreme snow-icing weather event on power system.KEY
6、WORDS:power system;weather event;snow-ice disaster;security assessment;hybrid numerical simulation 摘要：冰雪等极端气象事件可影响电力系统运行，甚至破坏输变电设备。电力系统智能化调度决策和安全防御体系需要预知气象事件，并对其影响做出量化评估。分析冰雪灾害侵袭电网的过程特点，设计冰雪灾害下电力系统运行模拟程序框架，开发了初步的冰雪气象条件下电力系统运行的模拟程序。提出一种综合评价方法来评价气象事件对电网的影响，从稳定性、安全性和经济性 3 方面进行考虑，并采用层次分析法(analytic hiera
7、rchy process，AHP)对各层面的影响进行综合评估。将所述方法用于冰雪灾害侵袭电网的各个典型阶段的综合评估。仿真结果表明该方法可量化极端冰雪气象事件对电网影响的程度和趋势。关键词：电力系统；气象事件；冰雪灾害；安全评估；混合仿真 0 引言 绝大多数电力设备暴露于外界，极端冰雪灾害侵袭电网过程中1-2，可能造成短路、闪络、断线等电气扰动；输电走廊的破坏会改变电力输送路径，导致运行方式变化，影响系统的安全稳定运行。智能调度决策和安全防御系统需要预知气象事件并对其进行综合评估，从而评价冰雪灾害等极端气象事件对电力系统运行的影响。电力系统安全稳定评估3、停电防御系统设 计4和各种自然灾害的影
8、响一直是国际电力界研究的热点，但电网安全分析与冰雪灾害等极端气象事件的研究基本呈割裂状态，并没有建立统一的仿真、分析和评估体系。文献5-6基于现场实测数据对覆冰模型以及影响覆冰的各种因素进行了分析。文献7提出了导线覆冰的热平衡方程，并分析导线覆冰与外界温度等因素的关系。文献8基于热平衡方程研究了直流融冰电流与冰面温度的关系，总结了影响融冰的各种因素。文献9-10强调了应该针对传统防御系统进行改进以考虑极端气象事件的影响。文献11提出了冰雪灾害下电网安全评估的理论框架和气象电气混合仿真的概念，并针对简化模型初步编程实现。冰雪冻雨灾害为小概率、大范围事件，仅靠一次系统投资来抵御所有可能的冰雪灾害既
9、不经济，也不可能，因此，迫切需要从二次系统入手，完善现有电力系统安全评估、预警及停电防御理论和技术，丰富能量管理系统功能，使其智能感知外部自然条件的变化，并对极端冰雪事件侵袭电网的过程进行评估，必要时给出预警信息和建议性防御方案。第 10 期 张恒旭等：极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估 53 本文分析了冰雪灾害侵袭电网的过程特点，提出了一种冰雪灾害对电力系统运行影响的综合分析方法，从稳定性、安全性和经济性 3 个层面分别评估，并基于层次分析法对各属性进行综合，从而在宏观层面对冰雪灾害的影响进行把握，以实现冰雪灾害事件的预估和预警。1 冰雪灾害侵袭电网过程的特点分析 不同类型气象事件的成
10、因、侵袭电网的物理过程各不相同，而且严重程度不一的气象事件对电网造成的物理破坏和安全稳定威胁差别也很大。气象事件对电力系统运行的影响通常为渐变过程，短则几分钟，长则几天。应针对气象事件对电网影响进程进行综合评估，把握气象事件影响电网的衍变过程，评估不同严重程度的灾害对电网影响的差异，为电网灾害防御提供参考。冰雪、冻雨气象事件对电力系统运行影响的时间尺度为几小时至几天，为渐进累积过程。在严重冰雪灾害气象条件下，线路、杆塔、绝缘子等主设备覆冰逐渐增加，机械部件受力逐渐增大，线路受风面积增大，绝缘子绝缘水平降低，系统主设备的安全水平逐渐降低。绝缘子覆冰到一定程度，开始出现闪络跳闸；线路、杆塔持续覆冰
11、增加最终会导致机械部件受力超过限值而发生断线、倒塔。闪络跳闸、线路断线会改变系统潮流分布、导致停电和输电阻塞。长时间持续的冰雪灾害又会恶化交通运输条件，威胁火电厂煤炭的及时供应和电力的充足供给。因此，极端冰雪灾害会在绝缘、机械受力等方面影响主设备安全运行，在运行方式方面影响安全稳定水平，又会在一次能源供给方面影响电力生产，对电力系统运行的影响为长时间尺度、多物理参量的复杂过程。2 冰雪气象条件下电力系统运行的模拟系统 冰雪灾害的物理过程极其复杂，很难用数学模型精确描述。可以从其与电网机械、电气作用关系入手进行简化，建立数学模型。冰雪灾害侵袭电网具有明显的累积特性，对电网影响取决于前一段时间内的
12、交互作用过程。考虑外部冰雪灾害的影响，建立电力系统运行模拟数学模型，由微分代数方程组来近似描述：(,)0(,)(,)0(,)xW x y z hV x y z hzF x y z hG x y z h=?(1)式中：x和y分别为冰雪事件的状态量和代数量；W和V分别为描述冰雪动态的微分方程组和代数方程组；z 和 h 分别为电力系统状态量和代数量；F和 G 分别为描述电力系统动态的微分方程组和代数方程组。冰雪灾害下电力系统运行模拟建模中，F 和 G 通常不显含 x 和 y，而是通过其达到临界值后引发闪络跳闸和断线来体现冰雪灾害对电网的影响。冰雪灾害侵袭电网历时长短不一，可能几个小时，也可能几天、十
13、几天。气象动态与电气动态混合仿真数学模型，为高维的非线性微分代数方程组。既能考虑冰雪灾害对电网的影响，又能高效求解，是冰雪灾害下电力系统运行模拟系统的关键问题之一。PSS/E具有灵活开放的程序架构、强大的模型处理能力和自定义功能，以其为电气动态计算引擎，在Python环境下开发了冰雪气象条件下电力系统运行模拟系统，主要模拟了线路覆冰的动态过程及由其造成的线路开断影响，程序结构原理如图1所示。该系统基于Python开发了线路覆冰和线路受力分析程序，并可以考虑输电走廊的外部气象信息(环境温度、湿度、降水、风力等)以及负荷随时间的变化因素。气象条件、负荷等因素随时间变化的过程以数据库的形式保存，在仿
14、真计算中与仿真时间进程进行匹配，及时更新，以考虑各因素变化对覆冰过程的影响。线路覆冰计算输入信息包括线路所处环境温 0=V(x,y,z,h)x=W(x,y,z,h)线路覆冰数学模型覆冰量线路 负载 气象信息负荷信息 机械应力计算 电气稳态和动态数学模型 0=G(x,y,z,h)z=F(x,y,z,h)PSS/EPython.图 1 冰雪灾害下电力系统运行模拟系统结构 Fig.1 Schematic diagram of power system operating simulation under extreme icing weather 54 中 国 电 机 工 程 学 报 第 31 卷
15、度、降水类型、降水强度、风速以及线路负载等。该模块根据上述信息确定线路等设备的覆冰动态增长过程，将计算结果(线路覆冰量)送入机械应力计算模块。机械应力计算用于分析线路/杆塔的受力情况，给出线路两侧的关键机械连接部件以及杆塔的所受应力，并根据杆塔自身结构、强度等信息判断是否会发生断线等事故。如果发生断线，将其转换为PSS/E的电网扰动信息，送入PSS/E并触发仿真计算。电气稳态计算主要是针对线路开断事件重新计算潮流分布。电气动态仿真为传统的机电暂态时域仿真，计算在给定外部扰动下的动态过程，判断安全稳定性，并将支路潮流信息返回到覆冰计算模块。在线路因覆冰开断前，往往伴随着大量的因绝缘子覆冰而引发的
16、闪络跳闸事件，绝缘子覆冰、闪络发生临界条件的计算非常复杂，该仿真系统暂时没有考虑闪络跳闸的模拟。由于输电走廊分布地域广，气象动态随时间、地点变化巨大，而且气象信息的动态准确获得非常困难，这也是影响运行模拟系统仿真精度的重要因素。3 冰雪灾害对电网影响的综合评价模型 3.1 基于层次分析法的综合评价模型 冰雪灾害侵袭电网可能会恶化安全水平，甚至导致停电。衡量电力系统因冰雪灾害而导致运行状态改变的层面有多种，包括稳定性、安全性以及经济性等。单项指标仅能代表某一方面的属性，需要从整体上评价系统的运行状态变化，从而衡量气象事件从宏观层面对电力系统运行的影响。层次分析法是一种定性和定量相结合、系统化、层
17、次化的分析方法，它把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的排序12。基于层次分析法建立了冰雪灾害对电力系统运行状态影响的综合评估模型，如图2所示。该模型以极端冰雪灾害侵袭电网的不同进程为评估对象，综合考虑稳定性、安全性和经济性，以较全面地定量分析冰雪灾害造成的影响。此模型同样适用于不同气象事件或严重程度不等的同类型气象事件的影响评价。气象事件对电网运行影响 A 稳定性 B1稳定性 B2 稳定性 B3 暂态稳定裕度 C11支路过负荷程度 C21母线电压越限程度 C22
18、网损 C31停电损失C32气象事件进程 1气象事件进程 2气象事件进程 N 图 2 冰雪灾害对电力系统影响综合评估模型 Fig.2 Diagram of comprehensive assessment of icing weather events affecting power system operation 3.2 指标定义 参考现有安全性评价标准及各项规程13-15，从3个方面定义了5个指标，以对气象事件的影响进行评估。1）稳定性指标。气象事件导致的负荷变化、线路开断以及潮流分布改变等都会影响到系统暂态稳定水平。在此基于扩展等面积准则(extended equal-area crit
19、erion，EEAC)定义系统的稳定性指标：min(),aii=(2)式中：i为预想故障 i 作用下基于EEAC计算得到的暂态稳定裕度，标幺化后，1,1i；为预想故障集。经过上述处理，a值越大表示不稳定程度越严重。2）安全性指标。定义支路(包括输电线路和变压器)过载指标和母线电压越限指标，来表征冰雪灾害影响下的系统安全性。a）支路过载指标。支路过载指标定义如下：P,P,ps,11maxmax1nNkkllikl nklwIwInII=+=+(3)式中：ps,i为系统在第i个预想故障下的支路过载指标；N和n分别为支路总数和不过载支路数；P,kw、P,lw为相应支路的权重因子，反映支路重要程度差异
20、；kI、lI为相应的各支路电流，maxkI、maxlI为其上限。ps,i值总为非负值，值越大表示过载程度越大。式(3)中第1项为不过载支路的平均负载率；第2项为所有过载支路的负载率之和。不过载支路相当于一个元件作用到指标中，而过载支路每个元件都得以体现，突出了过载支路。由于过载支路通常为少数，如果对不过载支路的指标不进行均值处第 10 期 张恒旭等：极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估 55 理，少数的过载支路可能被淹没在整体指标中。例如，可能存在如下情况：支路A的部分功率完全转移到支路B而导致后者过载，但2条支流的负载率之和在潮流转移前后不变。这样就可能导致支路过载状况并不能被有效反映。
21、针对多个预想故障分析时，取上述指标的最大值作为系统的支路过载指标，以表征预想故障集下的最严重过载情况。b）母线电压越限指标。与支路过载指标定义类似，对电压越限和不越限母线进行分别统计：us,U,U,lim1111.0mMikklllkl mwUwUUm=+=+(4)式中：us,i为系统在第i个预想故障下的母线电压越限指标；M和m分别为母线总数和电压不越限母线数；U,kw和U,lw为相应各母线的权重因子；kU和lU分别为相应母线的电压幅值，pu；limlU为对应 母线电压限值(越上限时取上限值，越下限时取下限 值)。us,i值总为非负值，值越大表示电压越限程度 越大；为0表示没有电压越限发生，且
22、所有母线电压幅值均为1.0 pu。取所有预想故障下越限最大者为系统电压越限指标。3）经济性指标。冰雪灾害导致跳闸、断线、倒塔等事故会导致潮流重新分布、网损发生变化，影响系统运行的经济性；中断负荷也造成经济损失。a）网损指标。采用网损指标从经济性层面衡量气象事件的影响：w0L0LLL=(5)式中：0L和wL分别为冰雪灾害发生前后的网损；L为网损指标，反映了气象事件对网损的影响程度，为正值表示系统网损增大，为负值则表示网损减小，值越大表示气象事件导致系统经济性越差。b）停电损失指标。停电损失指电力供应中断造成的用户损失和电力企业损失。在中国，停电损失评估方法主要包括平均电价折算倍数法、产电比法和总
23、拥有费用法。产电比指某一时期区域内国内生产总值与耗电量之比，描述了该地区单位电能创造的经济效益，可以从宏观的角度作为停电损失的近似估计，适用于宏观估计。在此采用产电比定义停电损失指标：cPT=(6)式中：为停电区域的产电比，元/(kWh)；P和T分别为中断负荷功率(kW)和停电时长(h)。为了便于和其他指标在一个框架内综合评估，将其标幺化：cS SS SPTPTPTPT=(7)式中：SP系统总负荷，kW；ST为所研究的仿真时长，h。标幺化后，停电损失指标c取值范围为0,1。上述指标从不同侧面反映了系统运行状态，可用于气象事件对系统影响的综合评估，并可用于比较不同严重程度的气象事件对系统影响的差
24、异性。3.3 权重集 稳定性、安全性和经济性等属性的重要程度并不完全相同，且在不同场景下，各属性的相对重要程度还会改变。例如：正常运行时，在保证安全稳定满足要求的前提下，可尽量提高系统长期运行的经济性；但在冰雪灾害等突发状况下，首要任务就是防止停电，又由于气象事件往往持续时间不会太长，故可以牺牲短期运行的经济性。权重反映各指标因素在评估过程中的地位和作用，是影响综合评价结果的一个重要环节。实际应用中，确定权重集的常用方法包括专家评议法、专家调查法和判断矩阵分析法等。判断矩阵分析法先通过对各因素之间的相对重要性作两两比较后构造判断矩阵，然后计算判断矩阵的最大特征值对应的特征向量，归一化后即为各因
25、素对应的权重。判断矩阵构造时，通常采用1-9比例标度衡量各种因素间的相对重要性12。综合评价中：相对于经济性，稳定性、安全性的重要性标度可分别设为a和b；安全性和经济性下一层各自2个属性的重要程度可设相同。A-B判断矩阵如表1所示。表 1 判断矩阵构成 Tab.1 Composition of judgment matrix A B1 B2 B3 B1 1 a/b a/c B2 b/a 1 b/c B3 c/a c/b 1 求上述矩阵的最大特征根对应的特征向量，归一化处理后即为3个属性对应的权重集。出于不同的评价目的，权重的选择并不唯一，可根据需要调整各属性的相对重要性。4 算例仿真 制约冰雪
26、气象条件下电力系统运行模拟的因素极其复杂：气象状况沿输电走廊差异较大，很难56 中 国 电 机 工 程 学 报 第 31 卷 精确预报，甚至也很难精确测量；线路覆冰模型尚未有效解决；闪络不仅与覆冰有关，而且也受空气湿度等因素的影响；线路、杆塔机械受力不仅与线路总重(线路自重与覆冰之和)有关，而且也与风速和风向相关。对冰雪气象条件下电力系统运行的精确模拟是一需要长期努力的研究方向，尚无法在短时间内精确考虑所有因素。线路覆冰模型和机械受力分析的精确性并不是本文的工作重点。为了说明上述程序和评估方法的可行性，对简化的线路覆冰模型和线路应力计算模型进行相关仿真计算，与文献11所述相同，但外部气象条件采
27、用时变模型。由于负荷变化会产生新的运行状态，系统安全稳定水平往往也会发生变化。在此为了着重分析气象事件对系统的影响，仿真计算中没有考虑负荷的日变化特征，但该仿真系统可以考虑负荷的任意复杂变化规律。线路外界温度、风速和降水速率在72 h内的变化曲线分别如图3(a)、(b)和(c)所示。仿真中，设置线路外界温度随时间变化：凌晨2点温度最低，为 0 20 40 60 10 8 6 4 t/h 温度/(a)外界温度 0 20 40 60 12 14 16 18 t/h 风速/(km/h)(b)风速 0 20 40 60 35 40 45 t/h 降水速率/(mm/h)(c)降水速率 图 3 线路外界气
28、象信息 Fig.3 Weather information around transmission lines 10；下午2点温度最高，为5；之间温度成线性增减。设置风速和降水速率均为5 min改变一次，并各自以15 km/h、40 mm/h为基准做20%幅度的随机变化。仿真算例采用PSS/E程序自带6机23节点系统。稳定性计算中预想故障集为线路三相短路、主保护动作跳三相；安全性计算中预想故障集为线路N1无故障开断。杆塔档距设置为大档距，并通过不同档距来反映线路的区域性差异。500和220 kV线路自重分别取1 600和960 kg/km。线路应力计算中，简化线路和杆塔受力分析，假设关键部件受
29、力与线路总重成正比，并假设相同电压等级线路关键部件的承力极限值相同：折算成线路重量，500和220 kV线路分别取8 000和4 800 kg；2个杆塔之间线路总重超过该限值时，线路将断开。设置局部区域共3回500 kV线路和3回220 kV线路处于冰雪环境，线路信息见表2。相关参数通过配置文件由用户设定，表中数据仅为此算例所用。表 2 线路信息 Tab.2 Line information 线路 编号 电压 等级/kV 档距/km 自重/(kg/km)机械受力 限值/kg 1 500 1.2 1 600 8 000 2 500 1.0 1 600 8 000 3 500 0.8 1 600
30、8 000 4 220 1.2 960 4 800 5 220 1.0 960 4 800 6 220 0.8 960 4 800 由于没有考虑负荷的变化，故无线路开断时，系统网络拓扑和潮流分布不发生变化，系统安全稳定状态也不发生变化。在每次因覆冰而导致断线故障后，基于上述指标综合计算一次系统的状态属性。在给定模型和外部气象条件下，线路4、5、6和1分别在经过41.62、47.62、66.27和69.20 h后发生断线故障。线路1的覆冰增长率变化曲线如 图4所示；由于外界气象条件变化的影响，致使因潮流转移而引起的覆冰增长率变化相对并不明显。500和220 kV线路的覆冰增长曲线分别如图5(a)
31、和(b)所示。在每次发生断线故障后，系统状态都会发生变化。初始状态与4次线路开断后的状态总共构成5个冰雪灾害侵袭电网的代表性状态，分别计算上述评价指标。不同运行管理部门对稳定性、安全性和经济性 第 10 期 张恒旭等：极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估 57 0 20 40 60 60 80 100 t/h A/(kg/(kmh)图 4 线路 1 覆冰增长率变化曲线 Fig.4 Icing load increasing rate of line 1 0 20 40 60 2 000 4 000 6 000 8 000 线路3 线路1 线路2 0 t/h L/kg (a)线路 1、2、3
32、 的覆冰变化曲线 0 20 40 60 0 2 000 4 000 6 000 8 000 t/h 线路 6 线路 5 线路 4 L/kg (b)线路 4、5、6 的覆冰变化曲线 图 5 线路覆冰变化曲线 Fig.5 Ice load of transmission lines 等属性的重视程度不同，随着外界状况的变化，各属性的相对重要程度也在发生变化，因此，判断矩阵中a、b的取值并不固定，它们应该体现评价主体对系统不同属性的偏重。仿真系统允许用户通过参数配置来修改相关值。此算例中a和b分别取5和3，计算得到因素子集B1、B2和B3对应的权重集分别为 W=0.555 6,0.333 3,0.1
33、11 1。综合评估计算结果如表3所示。表 3 冰雪事件影响电网运行综合评价结果 Tab.3 Comprehensive assessment results of extreme snow-icing weather affecting power system operation 状态编号 稳定性指标 安全性指标经济性指标 综合评价指标1 0.353 6 0.247 5 0.000 0 0.279 0 2 0.361 5 0.254 6 0.054 4 0.291 8 3 0.382 4 0.278 4 0.089 7 0.315 2 4 0.392 1 0.282 2 0.136 7 0.
34、327 1 5 0.411 5 0.289 4 0.227 3 0.350 3 计算结果揭示了冰雪灾害侵袭电网过程中系统各属性的变化。所述方法可用于量化评价自然灾害对电力系统不同层面造成的影响，还可用于从系统运行层面比较自然灾害的严重程度，预估系统对自然灾害的承受能力。例如，对于给定冰雪气象状况，计算系统最长能够承受多长时间的冰雪侵袭而不会导致系统安全水平低于要求值。综合指标则反映了在设定的权重下系统整体状况的变化过程。冰雪气象条件下电力系统运行模拟系统则可为处理相关特殊事件提供模拟训练平台。5 结论 极端冰雪灾害为小概率、大范围、长过程事件，可能对电力基础设施造成损坏，影响系统的安全稳定运行
35、。电力系统智能化调度决策、安全稳定评估和防御体系的建设需要预知气象事件，并对其影响做出量化评估以积极应对。考虑冰雪灾害的电力系统运行仿真是对冰雪灾害评估的必要手段；文中提出了气象动态电气动态混合仿真数学模型，设计了冰雪灾害下电力系统运行模拟程序框架，开发了初步的冰雪气象条件下电力系统运行模拟程序。综合评价方法从稳定性、安全性和经济性3方面进行冰雪灾害影响综合量化评估，能够在所用模型精度下揭示冰雪灾害侵袭电网过程中微观和宏观的各种属性的变化。考虑极端气象事件的电网安全评估是非常具有挑战性的研究课题，气象动态建模、气象条件获取、气象事件对电气设备作用规律以及相关仿真计算程序的设计等领域均迫切需要深
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