馬晨霄，戴則梅,3，胡超凡，羅玉春,3，王毅,3，張小聰，閃鑫,3

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京市 211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京市 211106；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京市 211106；4.國(guó)家電網(wǎng)有限公司國(guó)家電力調(diào)度控制中心，北京市100031；5.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州市 310007)

0 引 言

省級(jí)高壓網(wǎng)架存在電壓等級(jí)高、傳輸容量大以及地理跨度遠(yuǎn)等特點(diǎn)[1-2]，隨著交直流混聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展以及分布式能源、儲(chǔ)能等新型能源的接入，高壓網(wǎng)架重要程度更甚，其一旦發(fā)生故障將造成嚴(yán)重的電力與經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。與此同時(shí)，全球氣候問(wèn)題造成的嚴(yán)重自然災(zāi)害在近年頻發(fā)，尤其以夏季臺(tái)風(fēng)、水災(zāi)等對(duì)省級(jí)高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與考驗(yàn)為最[6-7]，而傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度已難以適應(yīng)嚴(yán)重災(zāi)害發(fā)生前后電網(wǎng)不確定性與非連續(xù)性的狀況，亟需準(zhǔn)確而有效的調(diào)控決策方法輔助災(zāi)時(shí)電網(wǎng)調(diào)度[8]。

針對(duì)上述狀況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出“電網(wǎng)韌性”一詞[9-11]，旨在建設(shè)能夠抵御災(zāi)害、應(yīng)對(duì)各類故障并快速恢復(fù)的新型電網(wǎng)。當(dāng)前對(duì)于配電網(wǎng)的故障處置方法研究較多，文獻(xiàn)[12]提出一種二次負(fù)荷轉(zhuǎn)供方案，首先以停電負(fù)荷快速恢復(fù)為目標(biāo)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)供，然后針對(duì)后續(xù)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)供優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行；文獻(xiàn)[13-14]充分考慮網(wǎng)絡(luò)中分布式電源出力，針對(duì)災(zāi)害條件或嚴(yán)重故障狀況，進(jìn)行孤島劃分與快速重構(gòu)相結(jié)合的策略保障供電。但上述研究主要基于輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)省級(jí)高壓網(wǎng)架韌性增強(qiáng)策略研究較少。

文獻(xiàn)[15-16]將電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化納入考慮，分別基于泰爾指數(shù)和靜態(tài)安全裕度構(gòu)建脆弱線路有效評(píng)估方法；文獻(xiàn)[17]結(jié)合數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)，建立一種臺(tái)風(fēng)災(zāi)害下的輸電線路失效預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[18]提出一種電力系統(tǒng)連鎖事故鏈模型與仿真算法，旨在提前甄別惡劣天氣下電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)與故障傳播途徑。上述研究都能夠有效辨識(shí)或預(yù)測(cè)出電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)與故障狀況，但沒有給出進(jìn)一步的預(yù)防補(bǔ)救與處理措施。

綜上所述，為預(yù)防嚴(yán)重災(zāi)害對(duì)省級(jí)高壓電網(wǎng)產(chǎn)生過(guò)大影響，降低災(zāi)害引起的電力經(jīng)濟(jì)損失，本文提出一種側(cè)重電網(wǎng)網(wǎng)架的韌性增強(qiáng)策略。通過(guò)對(duì)故障前后多個(gè)時(shí)段電網(wǎng)運(yùn)行方式與狀態(tài)分析，搜索其中薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)，并針對(duì)薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)給出相應(yīng)的熱備線路投運(yùn)、母聯(lián)合環(huán)兩種輔助控制決策，代替僅僅依靠調(diào)度員經(jīng)驗(yàn)與人工操作故障處理方式，以解決目前交流設(shè)備相繼故障前后態(tài)勢(shì)評(píng)估能力不足、協(xié)同處置效率較低的問(wèn)題。

1 臺(tái)風(fēng)災(zāi)害及電網(wǎng)處置策略

1.1 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響情況

近年來(lái)，我國(guó)頻繁遭受諸如臺(tái)風(fēng)“煙花”、鄭州暴雨水災(zāi)等嚴(yán)重自然災(zāi)害，電網(wǎng)網(wǎng)架也遭受極端考驗(yàn)。其中，以2019年8月在臺(tái)州溫嶺登陸的9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”給浙江電網(wǎng)帶來(lái)的影響尤為嚴(yán)重[19]?！袄骜R”中心最大風(fēng)力達(dá)到16級(jí)，先后穿過(guò)臺(tái)州、金華、紹興、杭州和湖州多個(gè)地市，且在浙江省內(nèi)滯留持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20 h，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大、范圍廣且持續(xù)時(shí)間久，給各類電力設(shè)備的運(yùn)行造成較大的損害與挑戰(zhàn)，也給檢修人員的工作帶來(lái)極大的困難。

從負(fù)荷狀況來(lái)看，臺(tái)風(fēng)時(shí)期由于電網(wǎng)網(wǎng)架與各類設(shè)備受損，當(dāng)天負(fù)荷下降嚴(yán)重，包括由于故障引起的大面積停電與調(diào)度部門為維持電網(wǎng)安全運(yùn)行而主動(dòng)切除的負(fù)荷。臺(tái)風(fēng)當(dāng)日與前后兩日浙江電網(wǎng)調(diào)度口徑的最大最小負(fù)荷狀況見表1。

表1 臺(tái)風(fēng)前后浙江電網(wǎng)負(fù)荷狀況

可以看出，浙江全省調(diào)度最大負(fù)荷在臺(tái)風(fēng)登陸當(dāng)日由正常水平約7 500萬(wàn)kW降至5 158萬(wàn)kW，在臺(tái)風(fēng)登陸前兩日，降幅高達(dá)30.8%。臺(tái)州作為臺(tái)風(fēng)登陸地受災(zāi)最為嚴(yán)重，圖1為臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)州的負(fù)荷變化，其最大負(fù)荷由臺(tái)風(fēng)登陸前的506萬(wàn)kW降至163萬(wàn)kW，降幅更是達(dá)到67.8%?？梢?，臺(tái)風(fēng)自然災(zāi)害嚴(yán)重影響了用戶的正常工作生活。

圖1 臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)州負(fù)荷變化

而對(duì)于電網(wǎng)網(wǎng)架而言，省級(jí)電網(wǎng)架設(shè)高度高，跨度大，在臺(tái)風(fēng)天氣中極易受到影響與破壞，造成關(guān)聯(lián)設(shè)備故障與失電。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”對(duì)浙江電網(wǎng)高壓網(wǎng)架造成的影響狀況見表2。

表2 臺(tái)風(fēng)對(duì)浙江高壓網(wǎng)架影響

臺(tái)風(fēng)造成省級(jí)網(wǎng)架500 kV和220 kV設(shè)備頻繁跳閘，高壓線路與變電站的頻繁停運(yùn)失電，進(jìn)一步造成電網(wǎng)運(yùn)行方式極端薄弱，風(fēng)險(xiǎn)加劇。在500 kV網(wǎng)架中仍一度出現(xiàn)塘嶺變、柏樹變、麥嶼變、玉環(huán)電廠只剩下500 kV浦塘5473線和220 kV君燎2Q48線的“兩線四站”薄弱方式。另外在220 kV網(wǎng)架更是發(fā)生“一線饋供六站”，即嶺澤4341線一條線路供電220 kV澤國(guó)變、白楓變、桔鄉(xiāng)變、巨峰變、劍山變和臺(tái)牽變6個(gè)變電站的極端薄弱運(yùn)行方式，給電網(wǎng)運(yùn)行造成極大的安全隱患。

1.2 源網(wǎng)荷各側(cè)處置策略

高壓電網(wǎng)的故障后安全運(yùn)行涉及發(fā)電、負(fù)荷、電網(wǎng)三者之間的協(xié)調(diào)控制，其整體思路如圖2所示。在發(fā)電側(cè)通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制快速恢復(fù)電網(wǎng)頻率，并針對(duì)其他電源特性調(diào)節(jié)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；在負(fù)荷側(cè)，當(dāng)系統(tǒng)備用不足或通過(guò)調(diào)整機(jī)組出力無(wú)法消除設(shè)備越限時(shí)，需要通過(guò)切負(fù)荷措施，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行；在電網(wǎng)側(cè)，則可以通過(guò)線路試送與開關(guān)的停運(yùn)投運(yùn)來(lái)進(jìn)行故障隔離與運(yùn)行方式的調(diào)整優(yōu)化。源網(wǎng)荷三側(cè)的手段相輔相成，最終達(dá)到最大程度的預(yù)防故障并減少故障停電損失的目標(biāo)。

圖2 源網(wǎng)荷協(xié)同處置框架

1)電源側(cè)。在災(zāi)害來(lái)臨前需要有計(jì)劃地安排一定量的常規(guī)機(jī)組調(diào)停，水電廠提前削落水庫(kù)水位。災(zāi)時(shí)首先針對(duì)故障發(fā)生后的功率變化，第一時(shí)間采用自動(dòng)發(fā)電控制對(duì)優(yōu)先級(jí)較高響應(yīng)較好的可控機(jī)組進(jìn)行處理調(diào)整，保證大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；然后根據(jù)后續(xù)電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，以及分布式能源的發(fā)電預(yù)測(cè)，進(jìn)一步?jīng)Q定抽水蓄能機(jī)組的起停與儲(chǔ)能電站出力計(jì)劃，以處理故障引起的局部越限，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。災(zāi)后根據(jù)電網(wǎng)網(wǎng)架與設(shè)備搶修程度逐步恢復(fù)正常發(fā)電方式，保障用戶負(fù)荷正常供電。

2)電網(wǎng)側(cè)。首先為增強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架的響應(yīng)程度，在災(zāi)前需要盡可能地恢復(fù)網(wǎng)架全接線正常方式；在災(zāi)時(shí)故障發(fā)生后，首先迅速調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式隔離故障，防止其進(jìn)一步蔓延；其次考慮電源及負(fù)荷特性，并根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，有針對(duì)性地通過(guò)投運(yùn)部分熱備線路或合并母聯(lián)開關(guān)等手段來(lái)減少電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)失電與孤島運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，極力避免因線路“N-1”故障造成的大面積停電損失。

3)負(fù)荷側(cè)。對(duì)于重要程度較高負(fù)荷，提前預(yù)留備用供電線路與電源，保障重要負(fù)荷不失電。其次根據(jù)不同負(fù)荷類型的不同特性，提前控制降低災(zāi)時(shí)負(fù)荷電量，保障系統(tǒng)備用與響應(yīng)能力。在嚴(yán)重故障發(fā)生后，源網(wǎng)測(cè)調(diào)控?zé)o法滿足安全運(yùn)行要求時(shí)，需要進(jìn)行負(fù)荷控制。對(duì)負(fù)荷的控制優(yōu)先通過(guò)營(yíng)銷負(fù)荷控制系統(tǒng)對(duì)可中斷負(fù)荷進(jìn)行控制，即優(yōu)先控制大用戶的可中斷電源及非工空調(diào)等負(fù)荷，保證災(zāi)時(shí)系統(tǒng)的功率平衡與頻率穩(wěn)定的同時(shí)，盡力降低負(fù)荷控制帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

2 高壓網(wǎng)架增強(qiáng)策略數(shù)學(xué)模型

2.1 電網(wǎng)基本模型及約束

1)電網(wǎng)模型邊界等值。

省級(jí)電網(wǎng)模型與外部電網(wǎng)存在明確邊界，并且主要包含特定高電壓等級(jí)的設(shè)備線路，因此，模型的建立需要對(duì)外部電網(wǎng)以及部分低電壓區(qū)域進(jìn)行外部網(wǎng)絡(luò)等值處理：

(1)

(2)

式中：Pi,ex和Qi,ex分別表示需要等值的外網(wǎng)流入邊界節(jié)點(diǎn)i發(fā)電有功和無(wú)功功率；Ui表示節(jié)點(diǎn)i電壓幅值；Ei為邊界節(jié)點(diǎn)i外部等值發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)；θie和θij分別表示節(jié)點(diǎn)i與等值機(jī)e以及其他節(jié)點(diǎn)j之間的相角差；Gij、Bij分別為導(dǎo)納矩陣元素中節(jié)點(diǎn)i、j的電導(dǎo)、電納值。

2)電網(wǎng)潮流約束。

采用本文網(wǎng)架增強(qiáng)策略后，電網(wǎng)運(yùn)行方式必然發(fā)生變化。為保證電網(wǎng)后續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)依舊處于合理空間以及電網(wǎng)整體發(fā)用電平衡，首先需要進(jìn)行潮流驗(yàn)證。

(3)

式中：Pgn,i和Qgn,i分別為節(jié)點(diǎn)i的發(fā)電有功和無(wú)功功率；Pld,i和Qld,i分別為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷有功和無(wú)功功率。

3)靜態(tài)指標(biāo)約束。

(4)

(5)

式中：Ui,max、Ui,min分別表示節(jié)點(diǎn)i電壓上下限；Iij和Imax分別表示支路ij的電流及其上限。

2.2 薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)與網(wǎng)架增強(qiáng)

本文考慮針對(duì)災(zāi)害情況的網(wǎng)架增強(qiáng)控制輔助決策具體分為2種，其主要思路如圖3所示?；陔娋W(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)斷面信息與預(yù)想故障，辨識(shí)電網(wǎng)中遇故障后容易直接失電甚至造成連鎖反應(yīng)的薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)。針對(duì)該類薄弱環(huán)節(jié)，策略一是針對(duì)站間連通度低的廠站進(jìn)行熱備線路的匹配，投運(yùn)連接廠站中薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)的熱備線路；策略二是針對(duì)薄弱運(yùn)行母線，根據(jù)條件判別其母聯(lián)開關(guān)與對(duì)側(cè)母線狀態(tài)，故障狀況下可合并符合判別條件的母聯(lián)開關(guān)，降低單母線運(yùn)行失電風(fēng)險(xiǎn)。上述策略均可加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生前后的運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)防或減少因“N-1”或“N-2”設(shè)備故障引起的全站停電與后續(xù)連鎖反應(yīng)。

圖3 高壓網(wǎng)架增強(qiáng)策略框架

2.2.1 薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)指標(biāo)

1)站間連通度。定義站間連通度來(lái)衡量高壓輸電線路故障后特定廠站的失電容易程度。

(6)

式中：Ti,t表示時(shí)間斷面t下廠站i的站間連通度；Line表示對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的線路集合；Ll,i,t表示線路l與廠站i的連接狀況，若直接相連則為1，否則為0；Bus表示電網(wǎng)中的電源節(jié)點(diǎn)集合；Lb,i,t表示電源點(diǎn)b與節(jié)點(diǎn)i連通狀況，若能夠連通(不穿越高電壓等級(jí)廠站)則為1，否則為0。

其中能連通電源節(jié)點(diǎn)除發(fā)電機(jī)外，還包括高壓等級(jí)的廠站，如500 kV廠站可以作為省級(jí)220 kV廠站電源。

2)站內(nèi)連通度。對(duì)于220 kV雙母線、多母線或帶旁路母線的運(yùn)行方式，可能存在母線與其他母線分列運(yùn)行。定義站內(nèi)連通度來(lái)衡量廠站內(nèi)部母線的連接情況。

(7)

(8)

式中：Nj,t表示時(shí)間斷面t下母線j的站內(nèi)連通度；CB表示母聯(lián)開關(guān)合集，c表示其編號(hào)；λc,j,t表示母線j的站內(nèi)聯(lián)通狀況。當(dāng)存在母聯(lián)開關(guān)為合并狀態(tài)且對(duì)側(cè)母線也帶電即OPEN,c=0時(shí)，則λc,j,t為1，否則為0。

2.2.2 熱備線路匹配

當(dāng)站間連通度Ti,t不大于1時(shí)，表示該廠站僅有一條進(jìn)線或無(wú)備用電源，那么當(dāng)該單進(jìn)線或上游電源發(fā)生故障后，該環(huán)節(jié)無(wú)備用供電選擇，極易造成下游低電壓等級(jí)的負(fù)荷大面積失電，以及相關(guān)設(shè)備越限進(jìn)一步產(chǎn)生連鎖故障。

針對(duì)這種情況，采用熱備用線路集與相關(guān)薄弱廠站節(jié)點(diǎn)匹配的方法，提前投運(yùn)相關(guān)熱備線路。這樣，當(dāng)網(wǎng)架中單一線路遭受破壞而發(fā)生故障時(shí)，新投運(yùn)的熱備線路可以繼續(xù)保證薄弱運(yùn)行點(diǎn)的持續(xù)供電，減少停電損失。

2.2.3 母聯(lián)開關(guān)匹配

進(jìn)一步對(duì)于廠站內(nèi)存在連通度Ni,t為0的母線，若廠站的站間連通度Ti,t同樣不大于1，表示該母線單進(jìn)線且與其他母線分列運(yùn)行，此時(shí)，若唯一的進(jìn)線因?yàn)?zāi)害天氣發(fā)生故障，則必然造成該條薄弱母線及其下游片區(qū)的失電。

針對(duì)這種情況，采用符合條件的母聯(lián)開關(guān)判別策略來(lái)提早合并該類型薄弱母線與其他運(yùn)行母線的母聯(lián)開關(guān)，災(zāi)害發(fā)生前進(jìn)行合環(huán)運(yùn)行，便可以有效降低母線分列運(yùn)行的失電風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 安全校核

通過(guò)節(jié)點(diǎn)匹配得出的初步網(wǎng)架增強(qiáng)策略，還需要通過(guò)潮流驗(yàn)證與安全校核，以保證實(shí)際應(yīng)用的安全可靠，校核需要重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容。

2.3.1 合環(huán)電壓差

網(wǎng)架增強(qiáng)策略涉及到實(shí)際的合環(huán)操作，而合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差值大小直接關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行與操作人員的安全。為避免合環(huán)產(chǎn)生較大過(guò)電壓與電弧，需要將合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差值調(diào)節(jié)至最小。對(duì)合環(huán)電壓差限制約束為：

Vi-Vj=Vij

(9)

式中：Vi、Vj分別表示合環(huán)前節(jié)點(diǎn)i、j的節(jié)點(diǎn)電壓；Vij表示待合環(huán)節(jié)點(diǎn)i、j之間的電壓差值；Udevi則表示模型約束中合環(huán)電壓差的限值。

一般情況下，對(duì)于省級(jí)電網(wǎng)主網(wǎng)架電壓等級(jí)220 kV及以下合環(huán)操作中，合環(huán)電壓差一般不超過(guò)額定電壓的20%，最大不超過(guò)額定電壓的30%。

2.3.2 短路電流

當(dāng)前電網(wǎng)短電流水平隨著負(fù)荷與裝機(jī)容量的增長(zhǎng)以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化在不斷提升。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式的調(diào)整可能會(huì)造成短路電流超標(biāo)的問(wèn)題，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行[20]。

常見的幾種短路類型兩相接地短路、兩相短路和單相短路，其短路電流的正序分量計(jì)算公式可以統(tǒng)一寫為：

(10)

式中：n表示短路的類型；In, (1)為類型n的短路電流正序分量；V0為短路故障前短路點(diǎn)的電壓；X(1)為正序電抗；Xn,△為附加阻抗。

對(duì)節(jié)點(diǎn)匹配的方法篩選得到的熱備線路投運(yùn)以及母聯(lián)開關(guān)合并策略中，需要通過(guò)上述潮流與安全校核驗(yàn)算，保證最終策略在實(shí)際應(yīng)用中安全可靠。

3 技術(shù)路線

3.1 基于層次庫(kù)的電網(wǎng)模型

層次庫(kù)[21](hierarchical database, HIDB)來(lái)源于SD6000系統(tǒng)的SDDBMS數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)強(qiáng)大的SDDBMS系統(tǒng)的精簡(jiǎn)與移植后，生成的層次庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠很好地描述電力系統(tǒng)模型并適用于實(shí)際電網(wǎng)模型計(jì)算，因此目前廣泛應(yīng)用于D5000、OPEN-3000等電力調(diào)度系統(tǒng)中高級(jí)應(yīng)用軟件所需的電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)與實(shí)際功能開發(fā)。電網(wǎng)高級(jí)軟件應(yīng)用開發(fā)中層次庫(kù)與其他接口關(guān)系如圖4所示。

圖4 層次庫(kù)與外部接口關(guān)系圖

對(duì)實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度輔助與模型功能開發(fā)，層次庫(kù)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

1)從電網(wǎng)模型而言，多數(shù)仿真軟件為便于計(jì)算，會(huì)將電網(wǎng)簡(jiǎn)單抽象為有節(jié)點(diǎn)和支路組成的加權(quán)無(wú)向圖網(wǎng)絡(luò)G=(N,E)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，由于經(jīng)過(guò)大量簡(jiǎn)化而缺乏準(zhǔn)確性。而層次庫(kù)數(shù)據(jù)由電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)估計(jì)獲取，數(shù)據(jù)真實(shí)有效；此外，層次庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)電網(wǎng)模型中用到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都進(jìn)行建模，如：描述靜態(tài)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型完整結(jié)構(gòu)以及設(shè)備上下級(jí)連接與從屬關(guān)系的NETMOM庫(kù)，還有用于記錄潮流計(jì)算變化的PFBASE庫(kù)、用于記錄設(shè)備狀態(tài)與越限告警數(shù)據(jù)PASMOM庫(kù)等，每個(gè)庫(kù)中有適合于自己的數(shù)據(jù)域、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和類型，對(duì)電網(wǎng)模型的描述更加準(zhǔn)確實(shí)際。

2)從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而言，層次庫(kù)采用混合型表結(jié)構(gòu)，其中的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是“二維表”，此外也可以有游離于表結(jié)構(gòu)之外的單個(gè)數(shù)據(jù)量用于描述如斷面時(shí)間的全局變量。與純關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)不同的是，由于層次庫(kù)中的二維表之間的“指針”的使用避免了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)使用中繁重的查詢工作，極大地提高了應(yīng)用程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的效率，也使得層次庫(kù)能夠支持實(shí)際電網(wǎng)大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與功能計(jì)算。

3)從訪問(wèn)機(jī)理而言，層次庫(kù)的數(shù)據(jù)實(shí)體靜止時(shí)是駐留在磁盤上的。當(dāng)應(yīng)用程序訪問(wèn)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理例程首先將磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體 “映射”到應(yīng)用程序的程序內(nèi)存空間，然后所有的數(shù)據(jù)操作均在內(nèi)存進(jìn)行。避免了磁盤的讀寫操作，且不會(huì)被類似于斷電等突然事件改變數(shù)據(jù)實(shí)體，應(yīng)用安全高效。

3.2 網(wǎng)架增強(qiáng)策略流程

本文網(wǎng)架增強(qiáng)策略具體流程如圖5所示。首先對(duì)獲取的實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行斷面，進(jìn)行基態(tài)潮流計(jì)算獲取潮流信息并驗(yàn)證網(wǎng)架完整性；其次按照目標(biāo)電壓等級(jí)(本文策略以省級(jí)網(wǎng)架中220 kV線路為主體)對(duì)策略需要的設(shè)備與線路集合進(jìn)行篩選，并采用拓?fù)渌阉鞯姆绞綄?duì)電網(wǎng)薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)進(jìn)行辨識(shí)；最后搜索并匹配薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)與相關(guān)增強(qiáng)策略并進(jìn)行潮流安全校核，即得出最終完整的網(wǎng)架增強(qiáng)策略。

圖5 網(wǎng)架增強(qiáng)策略流程圖

其中，電網(wǎng)熱備線路的篩選條件包括：線路兩端都在電氣島內(nèi)，即線路帶電，且線路存在一端開關(guān)處于分位。

母聯(lián)開關(guān)的篩選條件包括：開關(guān)本身處于打開狀態(tài)，且開關(guān)兩側(cè)母線均帶電。

需要特別說(shuō)明的是，在實(shí)際計(jì)算中存在以下幾種特殊情況：1)對(duì)于內(nèi)橋接線形式的廠站，進(jìn)線通過(guò)變壓器連接母線，進(jìn)線端點(diǎn)在同一電壓等級(jí)無(wú)法搜到母線；2)存在部分廠站僅單母線運(yùn)行，無(wú)法得出對(duì)應(yīng)母聯(lián)開關(guān)；3)存在不同薄弱環(huán)節(jié)增強(qiáng)策略相同，是因?yàn)?個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)為同廠站分段運(yùn)行的母線，共用一個(gè)母聯(lián)開關(guān)。

4 算例分析

本文算例在仿真調(diào)度環(huán)境后臺(tái)D5000環(huán)境中運(yùn)行，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux系統(tǒng)，具體配置：8核64位系統(tǒng)，處理器具體為Intel(R) Xeon(R) Gold 5117 CPU @ 2.00GHz。采用層次庫(kù)特定QS類型文件導(dǎo)入我國(guó)A省2020年6月30日某時(shí)刻斷面，作為算例模型進(jìn)行分析計(jì)算。模型中共包含500個(gè)廠站，系統(tǒng)功率平衡總量為(44 814.6 +j30 694.3)MV·A，主網(wǎng)架220 kV線路與其他設(shè)備數(shù)量見表3。

表3 220 kV電壓等級(jí)設(shè)備數(shù)量

采用本文基于層次庫(kù)的網(wǎng)架增強(qiáng)策略計(jì)算方法計(jì)算速度快，現(xiàn)場(chǎng)部署的程序?qū)κ〖?jí)網(wǎng)架進(jìn)行掃描并生成一次網(wǎng)架增強(qiáng)策略列表計(jì)算僅耗時(shí)50 ms左右，可以保證在災(zāi)害期間根據(jù)網(wǎng)架變化情況同步實(shí)時(shí)更新。此外，策略保證了其有效性與準(zhǔn)確性，以下面2個(gè)算例來(lái)驗(yàn)證。

4.1 熱備線路投運(yùn)算例

設(shè)定廠站中存在計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)線數(shù)量小于等于2判定為含脆弱環(huán)節(jié)的脆弱廠站，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行搜索，得到脆弱廠站167個(gè)。按照3.2節(jié)流程對(duì)所有熱備線路與脆弱環(huán)節(jié)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)匹配，得到可有效投運(yùn)并增強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)的熱備線路共計(jì)21條。

為驗(yàn)證策略的有效性，采用結(jié)果中含脆弱環(huán)節(jié)的220 kV廠站JF站的熱備線路投運(yùn)策略進(jìn)行驗(yàn)證， 其廠站層次庫(kù)下標(biāo)為42。正常運(yùn)行狀況下，廠站作為受電端有2條進(jìn)線QJ-4413線與JW-2R70線，分別連接500 kV廠站QS與220 kV 廠站W(wǎng)J，經(jīng)過(guò)拓?fù)渌阉靼l(fā)現(xiàn)，該廠站還存在2條熱備線路FH-2489線與JH-2488線，其對(duì)側(cè)廠站均為侯潮變，具體線路情況如表4所示。

表4 220 kV廠站JF進(jìn)線情況

圖6為空充線路投運(yùn)策略案例過(guò)程示意圖。斷面初始接線方式如圖6(a)所示，采用潮流程序運(yùn)行得到，JF站分別從2條進(jìn)線QJ-4413線與JW-2R70線受電103.787 MW與80.529 MW。此時(shí)，當(dāng)1條線路(JW-2R70線)發(fā)生故障，功率降為0，為保證負(fù)荷用電，另1條線路(QJ-4413線)傳輸功率增加至184.848 MW，如圖6(b)所示。此時(shí)JF變僅由1條供電線路，且線路功率的激增易導(dǎo)致線路與斷面越限，造成進(jìn)一步故障；當(dāng)2條在運(yùn)行的進(jìn)線全部斷開時(shí)，JF站失去所有電源，導(dǎo)致下游負(fù)荷失電，全網(wǎng)負(fù)荷由44 814.6 MW降低至44 630.6 MW，如圖6(c)所示。若在全部線路故障前采用本文投運(yùn)熱備線路的策略，則JF站會(huì)繼續(xù)由新投運(yùn)的JH-2488線供電，如圖6(d)所示，系統(tǒng)總負(fù)荷44 814.6 MW在故障前后未發(fā)生變化，提升了脆弱廠站與整體網(wǎng)架的可靠性。

圖6 空充線路投運(yùn)策略案例

電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，類似JF站這樣電源進(jìn)線小于等于2條的脆弱廠站不在少數(shù)，其中尤其是單進(jìn)線或者同路雙回線為電源的廠站，在嚴(yán)重災(zāi)害下極易失去受電路徑。而由上述算例可驗(yàn)證，按照本文熱備線路投運(yùn)策略，在災(zāi)時(shí)提前投運(yùn)連通脆弱廠站的高壓熱備線路，可以有效防止廠站因線路受損而直接失電。

4.2 母聯(lián)開關(guān)合并算例

設(shè)定母線進(jìn)線數(shù)量單一時(shí)為脆弱母線，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行拓?fù)渌阉鞯玫酱嗳跄妇€38條。進(jìn)一步從脆弱母線節(jié)點(diǎn)出發(fā)，搜索模型中連接脆弱母線的母聯(lián)開關(guān)數(shù)量共計(jì)28個(gè)。再按照3.2節(jié)流程對(duì)得到的母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行篩選，過(guò)濾本身閉合與對(duì)側(cè)母線不帶電母聯(lián)，最終得到有效母聯(lián)開關(guān)合并策略24個(gè)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果中策略有效性，針對(duì)220 kV廠站XW站中分列運(yùn)行的三段母線所得出的母聯(lián)開關(guān)合并策略為例進(jìn)行說(shuō)明。站中220 kV三段母線接線方式與正常運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖7所示?？梢钥闯?，正常運(yùn)行狀況下三段母線均只有1條進(jìn)線且分列運(yùn)行，當(dāng)某1條進(jìn)線發(fā)生故障時(shí)，必然造成該進(jìn)線對(duì)應(yīng)母線失電，進(jìn)而對(duì)下游負(fù)荷造成停電損失。

圖7 XW站220 kV母線接線情況

策略中針對(duì)三段母線分別給出其對(duì)應(yīng)可合環(huán)的母聯(lián)見表5?？梢钥闯?，每個(gè)母聯(lián)開關(guān)連接2條母線，即合并一個(gè)開關(guān)可以使得兩側(cè)母線互為后備電源，從而減少其失電概率。

表5 XW站220 kV母聯(lián)策略

本案例模擬XW站Ⅲ段母線進(jìn)線RX-2P03線故障，故障發(fā)生前1、2、3三段母線各自對(duì)應(yīng)的進(jìn)線有功功率分別為38.003、104.503、66.093 MW，斷面總負(fù)荷為44 814.6 MW，總發(fā)電功率為45 129.2 MW。對(duì)比故障后采用本文策略合并母聯(lián)前后運(yùn)行情況，結(jié)果如表6所示。

表6 RX-2P03線故障后母聯(lián)策略效果

由表6可以看出，若不采取任何策略，當(dāng)RX-2P03線故障后，對(duì)應(yīng)的流入Ⅲ段母線的功率降為0，導(dǎo)致下游停電，系統(tǒng)總負(fù)荷由44 814.6 MW降低至44 748.5 MW。當(dāng)采用本文策略合并相應(yīng)的母聯(lián)開關(guān)后，Ⅲ段母線由于線路故障導(dǎo)致的缺失功率由合并母聯(lián)開關(guān)對(duì)側(cè)的母線進(jìn)線傳輸功率升高來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，保證了故障區(qū)域的負(fù)荷供電，有效提升了網(wǎng)架的堅(jiān)韌性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)本文提出了一種應(yīng)對(duì)嚴(yán)重自然災(zāi)害的省級(jí)高壓網(wǎng)架增強(qiáng)輔助策略。首先采用連通度指標(biāo)進(jìn)行電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)，然后搜索并匹配有效的熱備線路與母聯(lián)開關(guān)，形成有效的網(wǎng)架增強(qiáng)策略。

2)通過(guò)對(duì)策略所需操作的合環(huán)電壓與短路電流的計(jì)算校核確保策略安全性，策略基于實(shí)際電力調(diào)度系統(tǒng)中HIDB的電網(wǎng)模型，保證了其可靠性與優(yōu)越性。

3)采用某省實(shí)際電網(wǎng)斷面對(duì)策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明本文所提策略能有效減少自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)薄弱運(yùn)行環(huán)節(jié)的破壞所帶來(lái)的停電損失。