3 特高压网架方案安全性评价分析
电力系统安全性指的是系统受扰动后避免停电的性能,它的量化指标为电力系统安全度,IEEE/CIGRE联合工作组将电力系统安全度定义为对系统经受住随时可能发生的扰动而不中断为用户服务的能力的风险性量度[15]。该工作组指出系统的安全度取决于系统的鲁棒性（robustness）、运行方式、发生故障的概率和故障后果等4个要素,其中故障后果隐含在“风险”这一术语中。电力系统的鲁棒性与稳定性的含义很接近,取决于系统中发电机群之间联系的紧密程度、网架强度、电压支撑能力、维持频率恒定的能力等因素。文献[7-11]基于我国电力系统安全稳定导则指定的故障集,通过仿真计算分析,论证了我国特高压三华同步电网网架方案在典型运行方式下的鲁棒性满足电力系统安全稳定导则的要求。上述校核电网规划方案安全性的方法是国内外电力系统规划安全准则普遍采纳的[16-17]。
从近十余年世界上发生的大停电事件来看,导致大电网大停电的不确定因素较多,许多大电网大停电事件的过程与基于故障集仿真分析的稳定破坏过程差异较大,影响大电网安全问题涉及复杂系统的复杂特性[18-22]。因此,在上述文献研究成果的基础上,本文还结合电力系统复杂性理论以及大停电机理,对特高压网架方案的系统安全性做了进一步讨论。
电力系统及其安全的复杂性关键有如下3点：
1）系统的开放性[22-24]。电力系统是开放复杂巨系统中的一个子系统,会受到外部系统很多不确定因素的影响,因此相对于复杂连锁故障的发展过程而言,虽然传统故障的仿真计算分析中有一部分是有效的,但是总体来说还是存在一定的局限性[22]。在电力系统的规划阶段,通常只对网架规划方案进行有限的故障集仿真计算,以校核网架的稳定特性[16,17,25]。而应对电网大停电的复杂过程和影响因素则可基于系统大停电的机理分析,研究配置必要的电网安全监控系统,从而进一步地降低电网大停电的风险[21,26]。
2）复杂系统的自组织临界性。复杂系统在一定的条件下,会通过自组织过程自发地演化到一种临界状态,在此状态下微小的扰动有可能触发连锁反应并导致灾变。当电力系统处于持续的危急状态时,一个小的故障都可能导致电网发生连锁故障。例如在电网电压持续偏低、电流持续过大的情况下,一些设备出于自我保护的需要所做的状态调整或退出运行,都会导致电力系统的状态逐步恶化而崩溃。针对上述情况,可以通过配置相应的电网监控系统,未及时识别和调控电网的状态,从而提高电网的安全水平[21,26]。
3）网络故障传播的复杂性。在网络结构复杂而负载过重的条件下,电网元件状态间的相互影响以及故障的传播往往具有“小世界”特征。一个元件的故障可能最终会导致相隔很远的许多元件故障而退出运行,从而发展成大停电事件[20-22]。上述问题主要是由电力系统元件过流保护的配置以及电网安全防御体系的缺陷造成的,可通过“机网协调”之类的技术改进,并建立新一代的电网安全监控系统[21,26],从而处理好设备自身保护与电网安全之间的关系,达到降低发生大停电概率的目的。
文献[21]指出电网大停电事件往往发生在天气最热或最冷季节的负荷高峰时段。多种不利条件叠加后使电网负载持续过重是导致电网大停电的主要原因,连锁反应的发展过程以及在此期间多种电气量得相互作用情况如图3所示。上述情况说明,电力系统运行方式以及运行安全防御体系的缺陷是造成电网大停电事件的主要原因。
图3 系统与设备不安全状态相互作用过程
