摘 要

为了设备的安全、有效运行，变电站的运维检修非常重要。它可以直接影响电网稳定性和用户供电风险，对经济和社会的发展至关重要。目前，调度部门在安排变电站停电检修或改造时，往往优先考虑电网安全稳定性。针对目前研究中的不足，本文围绕变电站220kV开关间隔设备停电检修应急转供技术开展研究。

首先，本文建立了220kV变电站主接线风险评估模型。根据变电站内主要元件的失效模型构建了元件组停运模型，基于均值聚类技术，构建了多级负荷模型。根据不同变电站主接线形式，采用最小割集法和可达矩阵法对变电站主接线进行连通性分析，多维度比较了两种方法的优劣。传统的蒙特卡洛法效率不高，本文提出了一种结合非序贯蒙特卡洛法和解析法的电网风险评估方法，对变电站元件实现了高速高精度的分散抽样法。本文还建立了基于负荷重要性原则和子区域邻近原则的负荷分级削减优化模型来进一步评价系统的风险性。

其次，本文对含有220kV变电站的 IEEE_RTS79 系统进行了风险评估，考虑了状态抽样方法、变电站主接线以及负荷削减顺序和区域三种情况下对系统常见风险评价指标的影响。使用MATPOWER的算例分析表明：模拟次数相同时，改进分散抽样法的方差系数更小，体现了更高的计算效率。从经济性和风险性考虑，单母分段接线、双母线带旁路母线接线两种接线方式更适合用于220kV变电站的设计中。虑及缺电量概率（LOLP），缺电量频率（FLOL）和电力不足期望值(EDNS) 三大指标，负荷分级削减优化模型要比传统模型好。

最后，本文探讨了基于简单拓扑和湖北省某变电站的可移动GIS设备检修技术。在某简单拓扑中变电站II段开关柜需要改造的情况下，从电缆接线、施工难度等方面定性分析了三种不同的负荷转供方案。在PSASP中对湖北省某电网220kV可移动式GIS设备在检修期间的备选接入方案进行潮流计算以验证是否满足系统潮流约束。本文还利用现有的SSRE-TH软件定量进行了基于停电概率、频率和时间的主接线风险评价。

关键词：220kV变电站；风险评价指标；可移动GIS；PSASP

Abstract

For the perfect equipment operation, maintenance of the substation is fateful. It can directly affect the stability and the risk of the power grid to users. It is also the key to modern development. At present, dispatching departments often give priority to the safety and stability of power grids when arranging the maintenance or renovation of substations. In view of the deficiencies in the current research, this paper studies on the power technology of emergency supply for 220kV switchgear equipment in the substation.

First of all, this paper establishes a risk assessment model for the main wiring of 220kV substations. Based on the failure model of main components in the substation, a component group outage model was constructed. A multi-level load model was built by the mean clustering technology. According to different forms of substation main wiring, the minimum cut set method and reachable matrix method are used to analyze the connectivity of substation main wiring while the characters of the two methods are compared in multiple dimensions. As the traditional Monte Carlo method is not efficient, this paper proposes a grid risk assessment method combining non-sequential Monte Carlo method and analytical method whose goal is to realize high-speed and high-precision decentralized sampling method. This paper also establishes an optimized model of load grading reduction lying on load importance and the principle of sub-region proximity to further evaluate the risk of the system.

Secondly, this paper conducts a risk assessment of the IEEE_RTS79 system where there are 220kV substations. Impacts of the sampling method, main wiring and load reduction on the common risk assessment indicators of the system are all discussed. By using MATPOWER, calculation shows that, when the number of simulations is the same, the variance coefficient of the improved scatter sampling method is smaller, reflecting higher calculation efficiency. When it comes to economic and risk factors, single bus with sectional wiring and double bus with bypass bus wiring are most suitable for the design of 220kV substations. Considering the three major indicators which are LOLP, FLOL and EDNS, the optimized model of load reduction is better than the traditional model.

Finally, the maintenance technology of mobile GIS equipment based on simple topology and a substation in Hubei province is explored. Under the circumstance of a simple topology where the substation section II switch cabinet needs to be reformed. Three different load transfer methods are qualitatively analyzed from the aspects of cable wiring and construction difficulty. A power flow calculation is performed in PSASP for the alternative access plan of 220kV mobile GIS equipment of a power grid in Hubei Province during maintenance. Whether the system power flow constraints are met is verified. Besides, the existing SSRE-TH software is also used to quantify the risk assessment of main wiring based on blackout probability, frequency and time.

Key Words：220kV substation；risk assessment indicators；movable GIS；PSASP

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题意义和研究背景 1

1.2 国内外研究水平综述 1

1.2.1 行业现状及难题 1

1.2.2 国内外需求 2

1.2.3 电网风险评估技术的国内外研究现状 2

1.2.4 负荷转供技术国内外现状 3

1.3 本文主要研究内容 5

第二章 变电站主接线风险评估模型 6

2.1 引言 6

2.2 元件失效模型和负荷模型 6

2.2.1 断路器模型 6

2.2.2 输电线路和变压器模型 7

2.2.3 母线模型 8

2.2.4 隔离开关模型 8

2.2.5 基于均值聚类的多项负荷模型 8

2.2.6 元件组停运模型 9

2.3 变电站主接线形式 10

2.3.1 3/2断路器接线 10

2.3.2 单母分段接线 10

2.3.3 双母线接线 10

2.3.4 双母线带旁路母线接线 10

2.4变电站主接线连通性评估 12

2.4.1 最小割集法 12

2.4.2 可达矩阵法 14

2.4.3 最小割集法和可达矩阵法的算法比较 16

2.5结合非序贯蒙特卡洛和解析法的电网风险评估 16

2.5.1 非序贯蒙特卡洛法和解析法 16

2.5.2分散抽样法 17

2.5.3 结合非序贯蒙特卡洛和解析法的电网风险评估 17

2.6 改进的负荷削减优化模型 18

2.6.1 采用直流潮流的负荷削减优化模型 18

2.6.2 负荷分级削减优化模型 18

第三章 算例分析 20

3.1 IEEERTS_79系统的风险性评估 20

3.1.1 IEEE RTS_79系统基本参数 20

3.1.2 非序贯蒙特卡洛抽样和分散抽样法的比较 21

3.1.3 变电站主接线形式对系统风险评估的影响 23

3.1.4 负荷分级削减优化 26

第四章 220kV可移动式GIS设备接入方案 28

4.1 基于简单拓扑的可移动GIS设备检修技术评估 28

4.1.1 2号主变转供接于低压侧方案 28

4.1.2 低压侧开关柜互转方案 28

4.1.3 移动GIS设备整体转供方案 29

4.1.4 三种不同转供方案的比较 29

4.2基于湖北省某变电站的可移动GIS设备检修技术评估 29

4.2.1 基于PSASP的输电网-变电站主接线联合仿真模型 29

4.2.2 利用SSRE-TH软件实现主接线风险评估 33

4.2.3 可移动GIS的外接电缆技术 37

第五章 总结与展望 37

参考文献 39

致 谢 41

第一章 绪论

1.1 课题意义和研究背景

变电站的运维检修对于设备的安全、有效运行具有非常重要的作用，直接影响电网稳定性和用户供电风险，对经济和社会的发展至关重要。目前，调度部门在安排变电站停电检修或改造时，往往优先考虑电网安全稳定性。对于500kV、110kV电网，由于电网结构及系统负荷转供能力因素，其变电站允许长时间全停电改造。因为变电站220kV常用双母线接线或双母线分段接线的方式，220kV母线停电甚至会导致电网三级事故，也导致了220kV设备整体改造工程，及需要双母线停电的老旧变电站母线或构架改造工程难以实施。

为保证设备检修时220kV电网的稳定化运行和重要用户的不间断供电，采用建设过渡工程的方法以实现负荷转移。比如，某220kV变电站需要改造母线及构架，在变电站外对220kV线路进行临时立塔，并4回出线对接；其他的220kV变电站在实施由AIS改造为GIS工程时，用临时搭建线变组方式以实现部分负荷转供。上述方式从一定程度上降低了整站停电对电力系统带来的风险，但存在以下问题：（1）工程量大、时间长，且过渡工程在设备检修或更换后还需拆除，成本高且无法重复利用，经济性较差；（2）有些变电站受场地限制，实际施工作业需变电站内220kV整个电压等级全停，导致站内线变组供电方案不可用；（3）现场临时搭接线变组方案，存在部分设备带电，施工作业风险较大。为了解决以上难题，急需一种紧凑型、可灵活移动、重复使用的应急转供解决方案。伴随着经济繁荣，用户对供电风险的要求日益提升，因此，对应急转供需求的满足迫在眉睫。

1.2 国内外研究水平综述

1.2.1 行业现状及难题

随着社会经济的发展，国民经济各部门和人民生活电气化程度越来越高，如高铁、智能制造、信息通信等各行各业对电力风险的要求越来越高，电网设备停电检修时需采取风险预控措施，负荷转供技术是其中非常重要的一种措施，目前不同电压等级采取的负荷转供技术主要为：