一种风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估方法

摘要

本发明在调研国内外电网可靠性评估研究进展基础之上，结合风电并网对电网特性的影响情况，提出种风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估方法，于所提的思路构造出了风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估算法流程。本发明所提出的风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估方法能够用定量评估指标直观地表达风电对系统安全性能的影响，并确定影响电力系统安全性的风电电源因素，有利于指导调度运行人员制定相应的防范和改进措施，从而减少风电并网对电网带来的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及可靠性评估方法，具体涉及一种风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评 估方法。

背景技术

当今环境问题和能源危机日趋严重的发展趋势对全球电力工业的可持续发展提出了无法 回避的挑战，从而促使世界各国普遍加速研究和发展适应这一新挑战的各种电力领域的新技 术和新方法，其中就包括了概率性的电力系统可靠性评估方法。

从历史上看，由于发电系统可以用简单的单节点模拟，上世纪五、六十年代就已在有些 国家使用了基于概率的可靠性评估方法，现在很多国家都开展了相关的研究和应用工作，如 俄罗斯已开始使用包括设备年平均故障次数、故障平均恢复时间、计划检修的平均频率和计 划检修系数等在内的概率性指标，指导电网规划工作的开展。

风电大规模集中并网后，由于风电随机性、波动性和间歇性的特点，电网运行的随机性、 波动性明显增加，稳定运行难度加大，电网运行出现了调峰、调压、频率控制和功率控制等 方面的难题；且由于风电机组性能不稳，风电设计安装存在隐患，入网检测手段不足，建设 运行管理存在问题等原因，致使风电并网后，发生多次故障，甚至扩大为电网事故，对电网 的安全稳定运行构成较大威胁。

由于风电功率波动涉及时间较长，时间尺度不仅包括机电暂态过程，还包括涉及发电机 汽轮机和锅炉等在内的中长期稳定性。如何全面衡量风电并网对电网可靠性影响等研究工作， 目前国内外基本未见相关报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种风电并网对电网暂态及中长期可靠性影 响评估方法，能够用定量评估指标直观地表达风电对系统安全性能的影响，并确定影响电力 系统安全性的风电电源因素，有利于指导调度运行人员制定相应的防范和改进措施，从而减 少风电并网对电网带来的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：构建概率稳定评估的仿真计算条件R＝R_t∩R_p∩R_f∩R_c；

其中，R_t表示电网故障前的网络拓扑条件；

R_p表示电网故障前的系统状态条件，其包括潮流和负荷水平；

R_f表示故障条件，其包括故障元件、故障类型和故障持续时间以及风电影响因素集；

R_c为该系统在所关心时段内的后续扰动序列条件，式中： C_i(i=0，1，2，3，…)表示发生第i级扰动时的扰动元件集合，m为正整数，C₀＝φ表示任何扰动均 未发生，φ表示空集，加上划线的扰动表示已出现，未加上划线的扰动表示将要出现；

步骤2：根据所述概率稳定评估的仿真计算条件，采用时域暂态仿真程序和全过程动态 仿真程序，进行暂态稳定和中长期稳定计算；

步骤3：对所有故障下的可靠性指标F(X_i)进行评估；

其中，X_i表示系统当前的运行方式；F(X_i)表示在当前运行方式下所需要考虑的故障发生 后系统的可靠性指标，具体可为稳定性、功率、电量和损失指标中的任意一种，i为正整数；

步骤4：在对状态空间Ω中的所有状态完成确定性的稳定计算之后，应用故障枚举法，计 算风电对电网可靠性影响的概率安全指标E(F)，完成概率稳定性评估。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：对状态空间Ω中所有的系统状态全部逐一列举，再确定每一系统状态中各个系 统元件的状态和不同的负荷水平，对包括m个元件的系统来说，元件运行状态的概率可由下 式计算得到：

其中，k(1≤k≤m)表示电力系统中的任一元件，p_k表示该元件不可用概率，X_k是该 元件的运行状态，P(X_k)为X_k的概率函数；

步骤4-2：在各元件故障相互独立的条件下，得到元件运行状态概率P(X_k)后，状态空间 中的一个系统运行状态X_i＝(X_i1，X_i2，...,X_ik，...,X_im)的联合概率分布函数P(X_i)可由式 $P\left(X_i\right)=\underset{k}{\Pi }P\left(X_{\mathrm{ik}}\right)$计算得到；

步骤4-3：由公式得到风电对系统可靠性影响的概率安全指标 E(F)，式中P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率。

所述构建的概率稳定评估的仿真计算条件中，故障条件确定包括以下步骤：

（1）根据稳定导则要求，计算中加入元件的单重故障模式，其中元件范围包括线路、变 压器、母线和保护；

（2）根据电网运行实际需要并顾及中长期稳定计算需求，计算中加入两重独立元件同时 故障，其中需包括元件故障耦合继电保护误动的情况；

（3）根据风电电源的自身特点，确定风电并网对电网可靠性影响的影响因素集，具体包 括风电出力长时间大幅度波动、风电机组低电压穿越不具备和风电配套无功补偿投切不正常。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

和风电并网对系统影响的确定性评估分析相比，本发明提出的概率稳定性评估能够提供 风电对电网可靠性影响概率的数学期望。因为该方法可以考虑全部可能的状态及风电影响的 全过程，因此风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估获得的可靠性指标构成了比相应 的确定性指标对风电并网事故风险更好的估计；

电网仿真结果表明，风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估可以用定量评估指标 直观地表达系统的安全性能，同时还可以从风电自身角度出发找出影响电力系统安全性的瓶 颈和薄弱环节，通过制定相应的防范和改进措施，能提高电力系统运行的安全性和可靠性， 减少风电并网对系统的影响。

附图说明

图1是电网元件的二状态模型图；

图2是风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估的目标是结合概率统计方法和确定性分析 方法来定量评估风电并网对电力系统可靠性的影响，并明确风电各影响因素的影响程度。为 此需要解决以下一些问题：如风电对电力系统可靠性影响因素的确定、适用于工程应用的概 率分析模型的选取以及实用算法流程的建立等。本发明针对上述问题，首次明确提出了风电 并网对电网可靠性影响评估的分析思路。基于该思路发展出了风电并网对电网暂态及中长期 可靠性影响评估的工程实用分析方法。

1.概率分析模型

风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估的概率分析模型包括元件模型和系统状态 模型两部分。

（1）元件模型

发输电系统的可靠性分析中，马尔柯夫模型是基本的元件模型。对于线路、变压器、母 线这三类元件，都可以采用马氏模型来描述。元件的可靠性模型一般采用传统的二状态模型， 如附图1所示。其中，N表示正常状态，R表示故障修复状态；λ和μ分别表示故障率和修复 率，与平均无故障运行持续时间MTTF和平均故障修复时间MTTR的关系如下所示：

λ＝1/MTTF

μ＝1/MTTR

（2）系统状态模型

故障前系统状态由系统的网络拓扑、发电方式和负荷水平确定，再根据故障发生的位置、 故障类型、保护和开关动作情况即可确定系统状态。

一特定系统可能出现的全部状态的集合称为状态空间Ω，状态空间分解法用系统所处的 状态和这些状态之间可能发生的转移来表示系统，并由故障判据划分系统工作状态和故障状 态，求得系统的可靠性指标。在元件的故障密度函数服从指数分布的情况下，元件的故障率 和修复率都是常数，可用时齐次马尔柯夫过程描述系统状态的变化，求解得到系统状态的概 率、频率和持续时间等指标。

在基于故障枚举法的概率安全性评估中，首先对状态空间Ω中所有的系统状态一一列举， 然后再确定每一系统状态中各个元件的状态，其中，系统元件包括各种系统设备(如发电机、 线路、变压器等)以及不同的负荷水平。

对包括m个元件的电力系统来说，系统中的任一元件k(1≤k≤m)，设其不可用概率为 p_k，X_k是其运行状态，则X_k的概率函数P(X_k)为：

X_i＝(X_i1，X_i2，...,X_ik，...,X_im)是状态空间中的一个系统运行状态，i为正整数，根据各元件 的不可用概率和相互关系，可以确定其联合概率分布函数P(X_i)。例如当各元件的故障相互 独立时：

$P\left(X_i\right)=\underset{k}{\Pi }P\left(X_{\mathrm{ik}}\right)$

2.风电并网对电网可靠性影响评价的综合原则及影响因素集和故障集选取准则

风电并网对电网可靠性影响评价的综合原则主要是指可靠性评估中的评估内容及风电影 响因素及故障选取。具体内容如下：

（1）风电并网对电网可靠性影响评价的综合原则

考虑到风电场与常规发电厂有很大的不同，首先风电场的出力受它的原动力风的影响， 是随机波动的，本身具有不确定性；其次其波动时间尺度较长，不仅包括机电暂态过程，同 时还包括了计及汽轮机和锅炉过程的中长期过程。

考虑到上述区别，本发明提出的风电并网对电网可靠性影响评价的综合原则主要针对风 电并网的特殊性展开，具体即为：时间尺度需要全面涵盖。分析过程如下：

a)风电并网对系统暂态可靠性影响。

b)风电并网对系统中长期可靠性影响。

（2）风电并网对电网可靠性影响的影响因素集选取准则

新型的风力发电设备从原动机结构、发电机结构以及发电控制设备等多个方面都与传统 电力系统发电设备有较大区别，特别是其使用了大容量的交流变频控制设备接入电网。因此 风电对系统可靠性影响的因素较多，即包括其自身因素，也包括其配套设备因素等。根据对 风电并网事故的多年统计和分析，本发明提出的风电影响因素集准则主要包括风电出力长时 间大幅度波动、风电机组低电压穿越不具备、风电配套无功补偿投切不正常三项主要影响因 素。

（3）系统故障选取准则

在计算系统的可靠性概率指标时，需要模拟电网故障事件，因此必须确定系统故障的选 取准则。本发明提出的故障准则主要考虑单重独立元件故障和两重独立元件同时故障，即考 虑元件的N－1和N－2故障，另外根据我国《电力系统安全稳定导则》，计算中还需要考虑较 可能发生的一些多重严重故障类型。

3.风电并网对电网暂态及中长期可靠性影响评估的实用算法流程

从理论上来讲，对状态空间Ω中的所有状态进行枚举后，即可用下式计算系统的概率安 全指标：

$E\left(F\right)=\underset{X_i\in \Omega }{\Sigma }F\left(X_i\right)P\left(X_i\right)$

式中：P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为根据实际计算任务目的确定 的可靠性指标，且有

实施例

风电并网对系统稳定性影响的概率性分析方法可以看成是确定性方法的推广，即对所有 可能的状态都可以检验，并计算每一状态的一个或几个可靠性指标，这些状态指标的状态概 率加权之和即为某节点或全网的总指标。在电力系统的规划、设计、运行的全过程中，坚持 系统全面的可靠性定量评估制度，是提高电力系统效能的有效方法。在风电对电网可靠性影 响的评估中，除了能够对可能出现的故障进行故障分析，采取相应措施，以减少故障造成的 影响之外，还可以确定电网合理的可靠性水平，使电力系统的综合效益趋于最佳。

下述概率可靠性评估程序PSD-PRE就是基于上述算法原理实现的。其主要流程如附图2 所示，包括以下步骤：

步骤1：构建概率稳定评估的仿真计算条件R＝R_t∩R_p∩R_f∩R_c；

其中，R_t表示电网故障前的网络拓扑条件；

R_p表示电网故障前的系统状态条件，其包括潮流和负荷水平；

R_f表示故障条件，其包括故障元件、故障类型和故障持续时间以及风电影响因素集；

R_c为该系统在所关心时段内的后续扰动序列条件，式中： C_i(i=0，1，2，3，…)表示发生第i级扰动时的扰动元件集合，m为正整数，C₀＝φ表示任何扰动均 未发生，φ表示空集，加上划线的扰动表示已出现，未加上划线的扰动表示将要出现；

步骤2：根据所述概率稳定评估的仿真计算条件，采用时域暂态仿真程序和全过程动态 仿真程序，进行暂态稳定和中长期稳定计算；

步骤3：对所有故障下的可靠性指标F(X_i)进行评估；

其中，X_i表示系统当前的运行方式；F(X_i)表示在当前运行方式下所需要考虑的故障发生 后系统的可靠性指标，具体可为稳定性、功率、电量和损失指标中的任意一种，i为正整数；

步骤4：在对状态空间Ω中的所有状态完成确定性的稳定计算之后，应用故障枚举法，计 算风电对电网可靠性影响的概率安全指标E(F)，完成概率稳定性评估。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：对状态空间Ω中所有的系统状态全部逐一列举，再确定每一系统状态中各个系 统元件的状态和不同的负荷水平，对包括m个元件的系统来说，元件运行状态的概率可由下 式计算得到：

其中，k(1≤k≤m)表示电力系统中的任一元件，p_k表示该元件不可用概率，X_k是该 元件的运行状态，P(X_k)为X_k的概率函数；

步骤4-2：在各元件故障相互独立的条件下，得到元件运行状态概率P(X_k)后，状态空间 中的一个系统运行状态X_i＝(X_i1，X_i2，...,X_ik，...,X_im)的联合概率分布函数P(X_i)可由式 $P\left(X_i\right)=\underset{k}{\Pi }P\left(X_{\mathrm{ik}}\right)$计算得到；

步骤4-3：由公式得到风电对系统可靠性影响的概率安全指标 E(F)，式中P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率。

所述构建的概率稳定评估的仿真计算条件中，故障条件确定包括以下步骤：

（1）根据稳定导则要求，计算中加入元件的单重故障模式，其中元件范围包括线路、变 压器、母线和保护；

（2）根据电网运行实际需要并顾及中长期稳定计算需求，计算中加入两重独立元件同时 故障，其中需包括元件故障耦合继电保护误动的情况；

（3）根据风电电源的自身特点，确定风电并网对电网可靠性影响的影响因素集，具体包 括风电出力长时间大幅度波动、风电机组低电压穿越不具备和风电配套无功补偿投切不正常。

对于本实施例，先根据发明内容中介绍的概率分析模型公式要求，整理了系统的可靠性 数据，主要包括：

一：发电机组、变压器、架空线路、断路器、母线等元件的强迫停运率（故障率）、计 划检修（停运）次数、计划停运时间、统计台（百公里）年数的可靠性指标；

二：故障类型分布及重合闸率统计数据；

三：继电保护装置误动概率统计数据。表1和表2列出了部分统计数据，其中，表1为 全国220kV以上电压等级架空线故障类型统计表，表2为2000-2004年全国继电保护装置不 正确动作率统计表。

表1

表2

根据上述统计得到的系统及元件的可靠性数据，基于某实际电网2015年冬大方式的各 种单一故障和多重故障的确定性稳定计算结果，即可利用本发明所提的算法流程计算风电并 网对系统稳定性影响的概率安全指标。具体如下：

首先，对状态空间Ω中所有的系统状态一一列举，然后再确定每一系统状态中各个元件 的状态，根据公式列式计算元件运行状态的概率P(X_k)，其中X_k表示系统的运行状态，k(1 ≤k≤m)表示电力系统中的任一元件，m为系统元件个数。

其次，在得到元件运行状态概率后，根据公式列式计算状态空间中的系统运行状态 X_i＝(X_i1，X_i2，...,X_ik,..,X_im)的联合概率分布函数P(X_i)；

最后，根据公式列式计算系统的概率安全指标E(F)。

在本实施例中，采用基于概率的安全可靠性评估方法进行风电并网影响评估，求解结果 如表3和表4所示，其中表3为不同故障下大规模风电场运行特性对电网暂稳可靠性的影响 统计表，表4为不同故障下大规模风电场运行特性对电网中长期稳定性影响统计表。和现有 工程实际中常用的确定性评估方法相比，克服了确定性分析方法只能针对有限的、故障重数 较少的事故进行安全稳定性校验，且只能给出定性评价的缺点，对系统保持安全可靠运行的 能力给予更全面的评价。随着电网复杂化程度的增加和电力管理体制的变化，本发明提出的 风电并网概率评估方法作为电力系统安全稳定分析的辅助分析手段，将被更多地应用到工程 实际中，具有广泛的推广应用前景。

表3

表4

风电出力特性 西北电网失稳概率 不考虑风电功率变化 3.910769E-05 考虑风电功率变化 3.910769E-05

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。