李 琥， 劉國靜， 朱 磊，胡曉燕, 談 健， 朱鑫要

( 1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 江蘇 南京 210008；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是當(dāng)前靈活交流輸電技術(shù)發(fā)展的前沿產(chǎn)品，它能夠同時調(diào)控系統(tǒng)的電壓、阻抗及功角等參數(shù)，具有靈活控制潮流、提高電網(wǎng)傳輸能力及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等多種功能[1-2]。2015年底，為解決南京220 kV西環(huán)網(wǎng)中關(guān)鍵輸電斷面輸電能力不足、新的輸電通道難以建設(shè)等實際問題，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司建成投運(yùn)了世界首個基于模塊化多電平(modular multilevel converter，MMC)技術(shù)的220 kV UPFC工程[3-4]。南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC工程投運(yùn)一年多來，多次調(diào)整控制策略，緩解了南京西環(huán)網(wǎng)輸電斷面的重載問題，發(fā)揮了巨大的工程效用。

然而，目前關(guān)于南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的研究中，更多的是從工程建設(shè)、運(yùn)行分析等方面展開研究[5-9]，對UPFC自身可靠性，尤其是對UPFC投運(yùn)后對電網(wǎng)整體可靠性的影響分析還相對較少。文獻(xiàn)[10]將UPFC三狀態(tài)、四狀態(tài)可靠性模型擴(kuò)展到九狀態(tài)，能夠考慮UPFC降額運(yùn)行、單換流器運(yùn)行等運(yùn)行方式，在此基礎(chǔ)上建立UPFC靈敏度解析模型，能夠更精確地獲取UPFC停運(yùn)概率。文獻(xiàn)[11]分析了UPFC隨機(jī)故障和不同的控制策略對系統(tǒng)失穩(wěn)概率指標(biāo)的影響，并基于非序貫蒙特卡洛模擬方法建立了分析流程，以修正EPRI-36節(jié)點系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真計算。文獻(xiàn)[12]考慮了母線電壓、線路潮流對UPFC停運(yùn)概率的影響，在此基礎(chǔ)上建立了含UPFC的負(fù)荷削減模型，可通過事故后的UPFC控制降低系統(tǒng)切負(fù)荷概率指標(biāo)。為保障UPFC的可靠運(yùn)行，實際中一般對其重要的子系統(tǒng)需配置備品、備件以減少故障停運(yùn)時間，現(xiàn)有研究在UPFC可靠性建模中對備用元件的考慮尚不夠充分。

隨著后續(xù)電網(wǎng)發(fā)展，江蘇電網(wǎng)必然會采用更多的柔性輸電裝置。然而，這些柔性輸電裝置的可靠性將不可避免的對江蘇電網(wǎng)的可靠性帶來影響。因此，有必要以南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC為研究對象，開展可靠性分析研究，為后續(xù)柔性輸電裝置在江蘇應(yīng)用提供借鑒分析。

1 南京220 kV UPFC工程概況

南京西環(huán)網(wǎng)主要由500 kV龍王山變電站和500 kV東善橋變電站從南北兩端供電，區(qū)域內(nèi)帶有華能南京電廠、華潤南京電廠等電源。西環(huán)網(wǎng)的供電范圍包括主城西部、河西新城、奧體新城等，集聚了政府機(jī)關(guān)、高等院校等較多重要負(fù)荷。南京西環(huán)網(wǎng)地處南京中心城區(qū)，無論是新建輸電通道還是對現(xiàn)有通道實施增容改造，均存在投資巨大、實施難度大的問題。為解決南京西環(huán)網(wǎng)潮流分布不均問題，2015年，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司建成了220 kV UPFC示范工程。該工程在220 kV曉莊—鐵北雙線上裝設(shè)2×60 MV·A串聯(lián)換流器，在220 kV燕子磯變電站35 kV母線上裝設(shè)1×60 MV·A并聯(lián)換流器,如圖1所示。

圖1 UPFC安裝位置Fig. 1 The installation location of UPFC

2 含UPFC可靠性評估

2.1 UPFC子系統(tǒng)可靠性模型

按照功能和連接關(guān)系，UPFC可劃分為4個子系統(tǒng)：VSC換流橋子系統(tǒng)，主要有換流閥組、換流閥冷卻設(shè)備及保護(hù)裝置等；換流變壓器子系統(tǒng)，包括單相三繞組換流變壓器、交流側(cè)斷路器等；控制及保護(hù)子系統(tǒng)；極設(shè)備子系統(tǒng)，包括中性點接地支路及相關(guān)開關(guān)元件。

UPFC各子系統(tǒng)及組成元件是可修復(fù)的且每個元件的狀態(tài)數(shù)是有限的，主要是運(yùn)行、檢修、安裝3種狀態(tài)，并且每個元件的壽命和修復(fù)時間都服從指數(shù)分布，可看作在空間上具有若干的離散可識別的狀態(tài)且在時間上是連續(xù)的系統(tǒng)，因而可以用穩(wěn)態(tài)馬爾科夫過程來建模[13]。因此，可以按照容量水平建立子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖，同時也可將子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖組合成整個系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖。

UPFC的重要設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且檢修時間長，如果子系統(tǒng)中設(shè)備故障，整個系統(tǒng)可能將無法運(yùn)行因而一些重要設(shè)備都有備用元件。對于各個子系統(tǒng)的建模需要考慮到備用的數(shù)量和所處的狀態(tài)。

2.1.1 無備用元件的可靠性模型

不考慮元件備用時，可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來模擬元件的運(yùn)行、檢修和安裝3個隨機(jī)過程。狀態(tài)空間圖如圖2所示，其中，100%和0%分別表示元件處于100%容量狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)；1運(yùn)行表示1個元件在運(yùn)行，0備用表示沒有元件處于備用狀態(tài)，1和0分別是處于該狀態(tài)的元件數(shù)；運(yùn)行和備用表示元件所處狀態(tài)；狀態(tài)1，狀態(tài)2表示元件處于不同的狀態(tài)；λ為元件的故障率；μ為元件的修復(fù)率；γ為元件的安裝率。λ，μ，γ單位均為次/a。

圖2 不帶備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.2 State transition diagram without backup

根據(jù)圖2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，無備用時元件的轉(zhuǎn)移概率密度矩陣A如式(1)。

(1)

平穩(wěn)狀態(tài)概率滿足：

(2)

式中：(p1,…,pN)為各個狀態(tài)的概率。求解式(2)，得到圖中3個狀態(tài)對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)概率p1,p2,p3。進(jìn)一步根據(jù)式(3—5)可求得元件等效可靠性參數(shù)。

λeq=λ

(3)

(4)

(5)

式中：λeq為元件的等效故障率；μeq為元件的等效故障修復(fù)率；γeq為元件的等效故障修復(fù)時間。

2.1.2 帶冷備用元件的可靠性模型

部分設(shè)備的修復(fù)過程較長，而更換過程時間相對較短，因此通常準(zhǔn)備一個冷備用元件。當(dāng)運(yùn)行元件發(fā)生故障，將其退出運(yùn)行，再安裝備用元件，安裝調(diào)試完畢，裝置即可恢復(fù)正常運(yùn)行。元件造價高，所以通常只準(zhǔn)備一個備用元件，同時認(rèn)為元件在處于備用狀態(tài)時不會發(fā)生故障。當(dāng)設(shè)備分別帶一個冷備用元件，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示，這種情況下裝置有5種運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 元件帶一個冷備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.3 State transition diagram with one backup

根據(jù)圖3的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，元件帶1個備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A如式(6)。求解式(6)得到圖3中各個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。進(jìn)一步根據(jù)式(7—9)可求得元件等效可靠性參數(shù)。

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 UPFC可靠性模型

各個子系統(tǒng)按照上文所述方法建立兩狀態(tài)模型，各個子系統(tǒng)都對整個裝置的正常運(yùn)行有著重要的影響，任意子模塊故障，系統(tǒng)都要退出運(yùn)行狀態(tài)，因此整個裝置的可靠性評估模型可以看作是各個子系統(tǒng)的可靠性評估模型串聯(lián)而成，得到整個裝置的模型，狀態(tài)空間圖如圖4所示。圖中λeqi和μeqi分別是各個子系統(tǒng)的等效故障率和等效修復(fù)率。

圖4 UPFC狀態(tài)空間轉(zhuǎn)移Fig.4 UPFC state transition diagram

按照元件串聯(lián)的關(guān)系，用串聯(lián)等值公式可以求得整個UPFC的兩狀態(tài)模型和對應(yīng)的可靠性指標(biāo)。

(10)

(11)

(12)

式中：λUPFC是裝置的等效故障率；γUPFC是每次故障平均修復(fù)時間；μUPFC是等效修復(fù)率。

2.3 含UPFC系統(tǒng)可靠性評估基本流程

含UPFC電網(wǎng)可靠性計算流程與常規(guī)電網(wǎng)可靠性計算總流程基本一致[14-15]，主要包括以下4個步驟：

(1) 建立元件可靠性模型。UPFC可靠性建模方法如2.1-2.3節(jié)所述，最終可獲得UPFC系統(tǒng)兩狀態(tài)的等效可靠性參數(shù)。系統(tǒng)中其它的發(fā)電機(jī)組、輸電線路、變壓器等元件采用常規(guī)兩狀態(tài)模型。

(2) 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)隨機(jī)模擬抽樣。文中采用蒙特卡洛模擬法對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行隨機(jī)抽樣[16-17]。

(3) 故障狀態(tài)分析。對于出現(xiàn)元件故障的抽樣狀態(tài)，若出現(xiàn)支路潮流越限，則考慮通過發(fā)電機(jī)組功率調(diào)整或UPFC參數(shù)調(diào)整的方式消除支路潮流越限。文中采用的啟發(fā)式調(diào)整過程如圖5所示。

圖5 支路越限調(diào)整流程Fig.5 Adjustment process of line power

(4) 可靠性指標(biāo)計算。文中計算了切負(fù)荷頻率、切負(fù)荷持續(xù)時間、電量不足期望值等18項可靠性指標(biāo)。

3 實例分析

3.1 可靠性參數(shù)計算

發(fā)電機(jī)、線路、主變的可靠性參數(shù)基于中電聯(lián)可靠性中心發(fā)布參數(shù)。發(fā)電機(jī)組非計劃停運(yùn)次數(shù)為0.34 次/(臺·a)，停運(yùn)時間為24.44 h/(臺·a)。線路、主變可靠性參數(shù)如表1所示。

表1 線路和主變可靠性參數(shù)Tab. 1 Line and transformer reliability data

UPFC裝置中主要組合元件的可靠性原始參數(shù)參照柔性直流輸電子系統(tǒng)可靠性參數(shù)[18]，具體如表2所示。

表2 UPFC子系統(tǒng)可靠性參數(shù)Tab. 2 UPFC reliability data

按照前文所述子模塊可靠性建模方法分別計算各個子模塊的可靠性參數(shù)，再按狀態(tài)合并方法得到各個子模塊的兩狀態(tài)模型和對應(yīng)的等效故障率、修復(fù)率。在元件是否有備用元件不同情況下的UPFC可靠性參數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

表3 UPFC可靠性參數(shù)計算結(jié)果

3.2 不同規(guī)劃方案可靠性對比分析

為下列3種規(guī)劃方案進(jìn)行對比分析，驗證UPFC對電網(wǎng)可靠性的影響。

(1) 新建線路方案。將220 kV華能南京—曉莊南側(cè)線路單開環(huán)入220 kV碼頭，需建設(shè)電纜線路2×9 km，投資約9億元。

(2) 線路倍容方案。將蘇下關(guān)—蘇曉莊和蘇曉莊—蘇中央線路約擴(kuò)容，由原先750 A擴(kuò)容到1500 A，需更換導(dǎo)線約30 km，但線路附近有高架路、居民小區(qū)、高層商住樓、京滬電氣化鐵路、加油站等設(shè)施，方案難以實施。

(3) 裝設(shè)UPFC方案。本節(jié)計算選用UPFC可靠性參數(shù)：故障率=4.372 次/a，修復(fù)時間=15.324 8 h/(次·a)。3種情況下的可靠性指標(biāo)計算結(jié)果如表4所示。

表4 可靠性指標(biāo)計算結(jié)果Tab. 4 Calculation result of power system reliability

通過表4可知，新建線路方案、線路倍容方案可靠性均略高于線路倍容方案。這主要是由于新建線路方案、線路倍容方案從根本上提升了電網(wǎng)傳輸能力，因此可靠性略高。

然而，新建線路方案總投資遠(yuǎn)高于UPFC方案，同時其經(jīng)濟(jì)成本過高，且更換倍容導(dǎo)線方案由于政處原因，難以實施。因此，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性與可行性，南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)UPFC仍是合適方案。

3.3 UPFC安裝位置不同可靠性影響分析

UPFC不同的安裝位置也會對可靠性帶來一定影響，此處重點分析了UPFC分別安裝在鐵北—曉莊雙回、曉莊—中央與曉莊—下關(guān)線路、堯化—東陽雙回雙回不同位置下對電網(wǎng)可靠性的影響。

表5 UPFC不同安裝位置下可靠性指標(biāo)計算結(jié)果Tab. 5 Reliability calculation results under different installation positions of UPFC

通過表5可知，UPFC不同安裝位置對可靠性影響較大，UPFC安裝在鐵北—雙回線上可靠性比在曉莊—中央、曉莊—下關(guān)雙線上可靠性下降50%；如果安裝在堯化—東陽雙線上，可靠性下降約500%。

4 結(jié)語

文中針對含UPFC南京西環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1) 在UPFC可靠性建模中考慮有無備用元件的影響，能夠使UPFC模型更貼近實際，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；

(2) 在故障狀態(tài)分析過程中，通過啟發(fā)式方法計及UPFC參數(shù)調(diào)整消除線路潮流越限的作用，具有較高的計算效率；

(3) 在南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，裝設(shè)UPFC方案的可靠性水平略低于新建線路方案和線路倍容方案，但考慮經(jīng)濟(jì)性因素后，裝設(shè)UPFC方案最為合適；

(4) UPFC不同安裝位置對可靠性影響較大，在選擇安裝位置時需經(jīng)詳細(xì)比較確定。

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