基于覆冰动态增长的电力系统风险评估方法

基于覆冰动态增长的电力系统风险评估方法
冰雪灾害对电网造成的破坏与威胁不容忽视，分析覆冰对电网运行带来的风险，制定合理的应对措施就显得尤为重要。

文章介绍了国内外冰雪灾害对电力系统的影响，从基于覆冰动态增长的元件故障概率模型入手，结合电力系统风险评估模型，对冰雪灾害下的电力系统进行风险评估研究，为制定融冰策略提供参考依据。

标签：电力系统；电网；冰雪灾害；风险评估
冰灾对电网的危害不容小视，近年来，电网大范围覆冰对电力系统的安全稳定形成巨大威胁。

文章提出的基于覆冰动态增长的电网冰雪灾害风险评估模型能够合理地分析冰雪灾害下的高风险线路，为电网运行提供合理应对冰雪灾害的措施，及时进行线路融冰，以防止因覆冰引起的电网线路停运，达到降低电网风险的目的。

1 冰雪灾害对电力系统的影响
根据历年全球经历的冰雪灾害事故分析得出，电力系统受灾的形势多种多样，例如输电线路断线停运；倒杆、倒塔；电气设备跳闸停运等。

2008年我国南方部分省份遭受了最为严重的冰雪灾害天气，冰灾引发贵州、湖南等地大面积停电，给电力系统安全稳定、电力供应和人民群众的生产生活带来了极大的影响与威胁。

1998年，美国加拿大发生大范围冰雪灾害使当地电力系统超过3000千米输电线路断线停运，电网修复费用超过10亿加元，当地居民生活受到严重影响。

总结下来，冰灾对电力系统的影响主要是因为电气设备上的覆冰过厚，突破了线路和杆塔所能承受的能力，导致断线倒塔。

如何预测电气设备上的覆冰厚度，气象学的理论在电网覆冰的研究上有了新的突破。

研究表明，只有在特定的温度、湿度和风速的天气条件下，电网架空线路和杆塔才出现覆冰情况，而且覆冰的形态也各有不同，常见的有：雨凇、雾凇、湿雪等。

架空线路和杆塔上结冰的速度也和气象条件有关，这就使冰雪灾害对电力系统的影响充满了更多的不确定因素。

架空导线覆冰的基本条件有以下三点：一是空气温度与导线表面温度在-20℃～-2℃之间；二是空气相对湿度在80%以上；三是风速在1～10m/s之间，使空气中水份和导线发生碰撞。

满足上述三种条件后，电网的线路和杆塔就极有可能出现覆冰现象，对电网安全造成影响。

2 冰雪灾害下的故障概率模型
电力系统在覆冰情况下的故障概率和电网线路的覆冰状况密切相关，考虑覆冰增速能够更科学的对覆冰情况进行分析。

2.1 覆冰增长模型
我国电力系统发生冰雪灾害的主要受灾地区集中在中南部地区，雨凇形式的覆冰是常见的覆冰形式。

研究发现，Goodwin覆冰增长模型是假设所有与导线接触的过冷却水都在导线表面形成覆冰，即覆冰的干增长模式，该模型和我国中南部电网的覆冰增长模式相似，同时也综合考虑了气象因素对覆冰增速的影响。

覆冰增长模型为：
其中ρw为水的密度，ρi为冰的密度；Hg为降水量；V为风速，Vd是水滴下落速度，取8m/s[1]。

2.2 基于覆冰增长的故障概率模型
导线出现覆冰情况之后，随着时间的推移，覆冰厚度会逐渐增加，导线承受的力也就逐渐加大，当导线达到最大承受能力之后，随着应变的增加，导线能够承受的力会突然下降，发生断线事故。

线路故障概率与覆冰情况有直接关系，覆冰越厚，该线路就越危险，故障概率也就越高。

但是由于电网中线路型号存在差异，因此综合考虑覆冰厚度与线路所能承受的覆冰极限来衡量导线覆冰严重程度，结合2.1中的覆冰增长模型，线路i从当前时刻起t时刻内的故障概率模型为：
其中，h为覆冰厚度；s为覆冰极限值。

3 冰雪灾害事故后果模型
3.1 运行状态后果
（1）电压严重度指标
电力系统电压安全是故障后母线保持可接受的电压的能力[2]。

威胁电压安全的最严重情况是电压崩溃，尤其是在电网无功储备不足时，电网会出现大面积电压水平偏低。

因此，低电压严重度在电力系统风险评估后果模型中是十分重要的一部分。

事故后系统低电压严重度用节点电压、节点额定电和节点权重表示[3]，模型为：
其中，Yp=（yp1，yp2，…，ypn）T为各个节点电压偏移向量；Bp=（bp1，bp2，…，bpn）为各个节点电气介数向量，作为节点权重。

（2）过载严重度指标
线路过载严重度指系统发生事故后，系统中各支路上输送的容量与线路整定的极限输送容量相比的过载程度作为严重度函数构成的系统严重度指标，反映系统事故后果。

事故后线路过载严重函数用支路功率、支路满载功率极限和之路权重表示。

模型为：
其中，Yl=（yl1，yl2，…，yln）T为各条支路功率越限向量；Bl=（bl1，bl2，…，bln）为各条支路电气介数向量，作为线路权重。

考虑电网结构和运行状态的综合严重度指标为：
3.2 负荷损失后果
电网负荷损失存在以下两种情况：一是负荷节点因为支路故障形成孤立节点导致的负荷损失L1；二是故障后负荷节点由于电压偏低造成低压减载导致负荷损失L2。

电网整体负荷损失总量：
其中，Llp是失负荷百分比；K取值为30%[4]。

3.3 综合事故后果模型
事故后果严重度不仅包括事故对系统运行稳定的影响，同时和事故后系统减供负荷量与减供负荷中不同负荷类型的比例有密切关系。

结合网络结构与运行状态的严重度模型与负荷损失严重度模型进行加权处理，得到电网事故后的综合严重度模型：
4 电力系统冰雪灾害风险评估
4.1 冰灾情况下影响电网运行的因素
冰灾情况下影响电网稳定运行的因素主要有三类：一是覆冰情况，覆冰严重程度直接影响该线路能否可靠运行，此时覆冰程度越严重的线路危险级别越高；二是电网拓扑结构，在一个网络中，拓扑结构是一个本质的特征，不同支路与节点在其网络结构上的重要程度是不同的，因此重要的支路在融冰过程中应该优先考虑；三是覆冰线路故障造成的严重程度，某些线路由于自身在电网中起着重要作用而显得非常关键，一旦发生故障会对电网运行安全稳定造成较为严重的危害，所以当这些线路出现覆冰情况时即为高风险线路，应该受到更多重视。

4.2 冰灾下电力系统风险评估模型
电力系统风险评估是电网事故可能性与事故严重程度的结合。

事故的可能性即为故障概率，严重程度即是事故对电网运行的影响。

冰灾情况下影响电网运行的因素中，覆冰情况与线路故障概率密切相关，网络拓扑结构和电网的运行状态对事故严重程度有直接影响，因此将覆冰情况引入故障概率模型，将网络拓扑结构与运行状态相结合形成综合性的事故严重度指标，再利用风险理论，将覆冰情况、网络拓扑结构和电网的实际运行状态三个对电网影响最大的重要因子综合到风险指标中，对冰灾情况下的电网进行风险评估，确定高风险线路，避免冰灾引起电网的重大损失。

评估模型为：
其中，P（i）为公式（2）计算的线路i覆冰情况的故障概率；S（i）为线路i故障后对电网的影响后果；Ri即为覆冰情况下线路i对电力系统的风险。

运用此风险评估模型对覆冰情况下的电网进行风险评估，找出对系统影响最大的覆冰线路，提前做好预防措施，及时进行线路融冰，以防止因覆冰引起的电网线路停运，达到降低电网风险的目的。

5 仿真算例
以某省一地区电网进行仿真。

该系统共包含18个节点，22条支路。

用文章方法对冰雪灾害下覆冰线路进行风险评估，每次评估过后对该线路进行融冰处理（融冰时间为2小时），持续时间t从0～6时所找出的最大风险线路如表1所示。

从表1可以看出，从持续6小时的冰雪天气的影响下，线路2是最先出现高风险的线路，之后是线路1和线路8。

因此，为应对此次冰雪灾害，课制定系列为L2-L1-L8的线路融冰顺序，来达到降低系统风险的目的。

6 结束语
文章针对冰雪灾害对电力系统的影响，综合考虑覆冰增速、电网运行状态和结构、事故后果失负荷情况，提出了基于覆冰动态增长的电力系统故障概率模型，并用此模型结合综合事故后果指标，对冰雪灾害下的电力系统进行风险评估。

该方法克服了传统风险指标只含运行状态严重度的不足，对冰雪灾害的风险评估更有针对性，能识别电网覆冰情况下的高风险线路，从而预防因线路覆冰所导致的灾难性事故的发生，为电网安全和运行维护提供合理参考。

参考文献
[1]吕宏兴，武春龙.雨滴降落速度的数值模拟[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1997，3（2）：14-21.
[2]陈为化.基于风险的电力系统静态安全分析与预防控制[D].杭州：浙江大学，2007.
[3]赵阳，李华强，王伊妙，等.基于复杂网络理论和条件概率的灾难性事故风险评估方法[J].电网技术，2013，37（11）：3190-3196.
[4]国务院.电力安全事故应急处置和调查处理条例[S].北京：中国电力出版社，2011.
安佳坤（1988，09-），男，河北石家庄人，研究方向：电力系统规划、设计。

孟斌（1986，08-），男，河北邯郸人，研究方向：电力系统线路设计。

郭计元（1986，07-），男，河北沧州人，主要研究方向：电力系统线路设计。

刘雪飞（1984-），男，河北邢台人，主要研究方向：电力系统规划。