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结合输电网络以及变电站配置的风险评估及其在变电站规划中的应用
李文沅
摘要：本文提出了一种对输电网络和变电站配置组合系统进行风险评估的方法。与传统的输电网络和变电站配置的系统风险评估进行了比较，本文提出的方法可以自动捕获输电网络和变电站安排之间的相互影响。该方法的关键是组合系统的联合负荷缩减模型。本文提出的风险评估过程也为系统加固方案的概率经济分析提供了依据。本文提出了一种基于网络环境下的两种变电站布局的风险评估方法，并提出将其应用于给定变电站的分段总线结构的经济合理性。
关键词：组合系统可靠性、概率经济分析、变电站规划、变电站可靠性、系统风险评估
第一部分 简介
在过去的几十年里，大量的研究致力于对输电系统和变电站配置的概率风险评估[1-15]。变电站是发、输电之间或输、配电之间的能量传输点。就公用事业的功能划分而言，变电站通常是输电系统的一部分。然而，传统上，变电站配置的风险评估是单独执行的[10-11]。其中一个原因是由于输电网络和变电站配置有不同的建模概念。在输电网络的风险评估中，必须在功率流方程的约束条件下进行建模，而在变电站配置的风险评估中只需要连接性识别。
长期以来，人们已经认识到输电网络和变电站配置的可靠性是相互影响的。使用传统的独立方法很难得到这种相互影响。通过在输电线路风险评估中引入等效终端故障来考虑变电站对复合系统风险评价的影响[12-15]。目前所开发的所有方法都是基于单独的输电网络模型和变电站配置。
本文提出了一种联合输电网络和变电站的组合系统的风险评估模型。在评估这种组合系统的风险时，可以自动得到输电网络和变电站配置之间的相互影响。提出的风险评估程序也为系统加固方案提供了一种执行概率经济分析的工具。文中给出了一个简单的例子，说明了该方法的应用。
本文的其余内容如下。第二部分介绍了一种用于输电网络和变电站配置组合系统的联合负荷缩减模型。第三部分讨论风险评估的方法，包括组件失效建模、风险评估过程和概率经济分析方法。本案例研究在第四部分中给出，重点是在输电网络下的两个变电站布局的风险评估，以及在给定变电站的分段总线结构中对环形总线结构的经济合理性的应用。结论是在第五部分中得出的。
第二部分 负荷削减模型
风险评估的关键是在输电网络和变电站配置的组合系统中，评估每个故障状态的负荷曲线。在以前的文献[1, 4-15]中，描述了负荷削减模型应用于输电网络和变电站的配置，但对两者都不适用。这部分原因是在变电站的配置中没有断路器分支的阻抗，因此，断路器分支不能被合并到功率流方程的雅可比矩阵中。
图1显示了一个组合系统的结构，其中输电系统中一个变电站有一个完整的布局图(图中下部分)，而其他的则仍然使用单总线(图中上部分)进行简化。根据研究的目的，一个或几个变电站可以用一个详细的配置来表示。一般来说，如果目标是考虑变电站配置的影响来评估输电网络的风险，那么主要的变电站应详细建模。如果目标是用输电网络的约束条件来评估变电站配置的风险，只有考虑的变电站配置需要表示。为了将输电网络和变电站的配置整合到一个模型中，所有的总线都被分为四类。
bull;第一类包括输电网络部分的简化单总线，每个总线代表一个变电站。
bull;第二类包括线路和变电站设备(断路器或变压器)连接的公共总线，如图中1-3总线。
bull;第三类包括变电站内部的公共总线，只有变电站的分站(断路器和/或变压器)连接在一起，如4-6路总线。
bull;第四部分包括在一侧连接变电站设备的公共总线和另一侧的负荷，如公共总线7-9。
利用总线分类和功率流方程式，建立了输电网络和变电站配置组合系统的负荷曲线模型。
（1）
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（10）
在传输网络中，分支的能量流在哪里，当它流进公共总线时是正的；，
和 分别为母线的供电输入、实际电力负荷和负荷削减；是输电网络中分支流与总线功率注入之间的关系矩阵的元素；是变电分站配置中分支的功率流，当它从总线流出时是正的；，，和分别是，和的极限值;是连接到总线的变电站分支数；是连接到总线的传输分支的数目；，和并分别为传输网络中生成的总线、负载总线和分支的集合；是变电站配置中的一组分支；，，和分别是前面定义的第一、第二、第三和第四类公共总线的集合； 权重因子反映了公共总线负荷的重要性。该模型的目标是在满足功率平衡、输电网络中线性化的功率流关系、在变电站配置的每一总线上的基尔霍夫第一定律以及所有的限制条件下，最小总负荷的削减。
生成的变量一般被包含在模型中。如果在考虑减少输电系统的情况下，在某些公共总线上对整个系统进行建模或等价的代输入，这些变量可以表示成真正的发电机。在后一种情况下，应在主变电站中选择等效的生成变量，这样就可以指定较大的上限。
负荷削减模型是一个线性规划问题，可以用简单算法求解。在数学上，模型中权重因子只需要根据公共总线负荷 的相对重要性来选择。重要的公共总线相当于一个相对较大值。在该模型中，如果输电网络中的一个分支产生故障，则应该用一个零分支值来表示，并在计算系统故障状态的关系矩阵A时使用一个足够大的分支电抗值。如果子站配置中的一个分支产生故障，则只应该用一个零分支来限制。
第三部分 风险评估的方法
A组件故障模型
输电网络部分的组件(线路、电缆或变压器)采用两个状态(上下)随机变量建模。一般来说，发电机或等效发电机的故障是不考虑的，因为重点放在输电网络和变电站配置的风险评估上。
对变电站部分部件的故障建模需要更复杂的方程。应考虑正常和故障模式。变电站组件的开路故障可以用与输电组件相同的方式来建模。用开关状态表示断路器或变压器的短路故障。图2表示了开路和短路故障的联合模型[1], [2]。、分别是开路和短路故障的故障率；恢复率；是开关速率。例如，如果图1中的断路器B4有短路故障，则会打开B1、B2和B5，导致开关状态B1、B2、B4、B5 加上变压器Tx1和Tx2故障。B4通过在其两侧打开开关后分离，B1、B2和B5再次关闭，以恢复Tx1和Tx2的供应，导致恢复状态仅为B4。B4再次关闭，在恢复后，恢复到正常状态。子站中的总线故障可以使用组合中断模型表示，该模型定义为多个组件组成一个组合的情况，触发器组件的故障导致其他组件同时中断。例如，图1中总线4的故障导致总线本身与直接连接到它的两个断路器同时发生故障，这些组件无法恢复到正常状态，直到恢复了总线4。
B风险评估过程
输电网络和变电站配置组合系统的风险评估过程包括以下步骤。
1)在多级模型中选择一个负载级别。
2)使用状态枚举法或蒙特卡罗模拟法选择系统状态。在选择中，使用了上面讨论的组件故障模型。
3)检查变电站配置中是否存在与系统断开连接的负载总线，使用直接连接识别方法。
4)进行事故分析输电网络部分的时候，使用传统的事故分析方法来检查是否有任何系统问题[1]。
5)解决负荷削减模型在第二部分描述为选定的系统状态最小总负荷削减而满足所有的约束条件。
6)更新风险指数。
7)重复步骤2)到6)直到满足收敛规则。
8)进入第1步，直到考虑到所有的负载水平。在
某些情况下可以进行简化。例如，如果任务是在输电网络约束下的变电站配置的风险评估，一般不需要包括整个传输网络。仅将变电站周围的输电线路与模型结合起来就足够了。如果目的是在不同的变电站之间进行比较，而传输网络中某些部件的故障估计具有相同的影响，通常可以认为这些组件是100%可靠的。在这种情况下，输电网络在评价中的作用主要集中在能量流方程的约束上，而不是传输组件的故障。
C经济分析方法
一般而言，风险评估只是整个系统规划过程的一部分。综合的经济分析在决策中始终是至关重要的。收益/成本分析是评估系统加固方案的常用方法，它可能包括添加、替换和拓扑更改等方法。基本思路是直接如下:系统强化如附加设备需要投资成本，同时提高系统可靠性或降低系统风险。收益/成本分析包括以下几个方面。
1)年度投资成本的现金流使用资本回报率因子[16], [17]
（11）
（12）
这里，是年度等价资本，是某一年的实际投资，是折扣率，是投资的经济寿命(年)。
2)由于系统强化的风险成本降低。风险成本是指由随机系统组件中断引起的中断损失费用。理论上，它等于单位中断成本(以美元计每百万瓦特)的产品，而风险指数预期的能量没有提供(EENS)，在兆瓦年。有不同的方法来确定单位中断成本。客户损失函数是基于客户调查的一种广泛认可的方法。作为一个风险指标，EENS既包括概率，也包括中断事件造成的结果(负载损失)。风险成本以及由此带来的收益可以在每年的基础上进行评估，以便在规划时间范围内通过年度风险评估来创造收益的现金流。
3)投资成本和收益的两个现金流可以用公式转换为现有值。
（13）
现有值是，是 年成本还是收益，是折扣率，是系统规划中考虑的年数
4)得到加固方案的效益/成本比。这是系统排名加固方案的关键指标
第四部分 案例研究
该方法可用于对包含输电网络和变电站配置的组合系统进行风险评估，并对不同的输电网络或变电站配置进行比较。该案例演示了：
bull;在输电网络环境下对两个变电站的布局进行风险评估的应用。
bull;在给定的变电站中，环形结构与分段总线结构相对应。
利用蒙特卡罗模拟法确定了系统状态的风险评估。
A两个变电站的布局
图3和图4分别给出了同一输电网络环境下两个变电站布局的单线图。138千伏的输电网络已经减少，只有变电站周围的传输线被包括在内，数字中的两个发电机是等效的动力注入。注意，输电线路上的断路器以及每个变电站断路器或变压器两侧的开关都没有显示在图中。第一个变电站配置是传统的分段总线设计，而第二个变电站配置是环形总线。从直观上看，环总线结构更可靠，但与分段总线设计相比需要一个断路器。研究的目的是量化两种布局的风险之间的差异，并检验在环形结构中附加断路器是否合理。
B 风险评估
1)研究条件和数据:评估中包括输电网络和变电站布局。组件的故障建模如下。
bull;输电线路的故障用两态模型(上下状态)表示。
bull;断路器和变压器的故障用图2所示的三态模型表示。换句话说，我们考虑了保护方案。保护方案是指一种保护的逻辑指示，该逻辑指示应该采取哪些切换操作来响应组件的故障。这通常会导致一些正常组件的临时中断或故障组件的分离。
bull;在变电站中，所有公共总线或公共总线部分的故障都是使用组件中断模型来表示的。
bull;这两个等效发电机被认为是100%可靠的。
输电线路和变电站组件的数据见表I和表II。2002年的公共总线高峰负荷见表III。故障数据基于历史数据。表IV的12级负荷曲线模型是根据当地地区的平均时间负荷记录得出的。2)结果:本文评估了以下3个年度风险指标:
bull;负荷削减概率(PLC);
bull;预计负荷削减频率(EFLC)(每年故障);
bull;EENS(每年兆瓦时)。
总线11和12的风险指数在变电站低压侧可用于比较两个变电站布局和总结在表V。输电网络中的其他公共总线的指标表VI给出。应该提出的是，总线的PLC和EFLC指标不能直接得出自负荷削减事件在不同的总线并不是相互排斥的结论。表V中PLC和EFLC指标的“总数”是总线11和12的各项指标之和减去同时负荷削减事件所贡献的部分。
在这个例子中，公共部分非常小，这表明两个总线被控制的单独的负荷削减事件。与PLC和EFLC指标不同的是，总线上的EENS指数可以求和得到总EENS指数。可以从结果中得出以下结论。
bull;与公共总线的布局相比，在PLC和EENS指数中，环路总线的布局降低了24%的风险，在EFLC指数中降低了41%。
bull;变电站配置是总线11和12的对称结构，尽管输电网络提供了不对称的外部环境。两个总线的PLC和EFLC指标基本相同。
请注意，EENS的差异是由于两个总线上的MW负载不同造成的。
bull;在这个例子中，变电站配置对输电网络部分的影响太小，而且没有结果。其他仅受输电网络影响的公共总线的负荷削减要么非常小，要么是零。公共总线2和4的负荷削减基本上是由发生概率非常低的两相故障事件引起的。由于不同的原因，两个公共总线3和5都没有负载减少。总线3直接连接到100%可靠的发电机，而由于其极低的概率，在
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