原文发表在《电力电容器与无功补偿》2024年第6期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2024.06.014
计及系统状态的多端柔性直流输电系统可靠性评估及灵敏度分析
马彦琴1，杨刚1，李湛宇1，郭莹1，雷博鸿2
(1. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075；2. 西安交通大学电气工程学院，西安 710049)
一 内容简介
多端柔性直流输电技术正在迅速发展，而对其进行可靠性分析是保证直流输电系统安全稳定运行的前提。由于目前缺乏对多端直流输电系统可靠性的定性与定量评估以及提升方法的研究，本文提出了一种基于状态空间法和分步组合模型的多端柔性直流输电系统可靠性建模方法。该方法考虑到多端柔性直流输电工程的多种实际运行状态，分别建立了直流线路和换流站子系统的状态转移模型，通过求解供电可用率、年等效停运时间等可靠性指标验证了该方法的正确性与可行性。最后采用分层等值法建立了可靠性指标对元件故障率灵敏度的解析表达式，定量分析得到了系统可靠性最薄弱环节。研究可给实际柔直工程的可靠性评估提供一定的参考。
二 主要内容
柔性直流输电技术（voltage source converter-based high voltage direct current ，VSC-HVDC）是一种在20世纪90年代兴起的基于电压源换流器的新型直流输电技术，具有可控性强、无换相失败问题、谐波含量小等优点，广泛应用于可再生能源并网、城市供电、交流系统互联、孤立无源负荷供电、改善电能质量等场合。基于VSC-HVDC的多端直流输电（multi-terminal HVDC ，MTDC）技术是构成直流电网的关键技术。直流电网的多网孔结构可以有效抑制新能源的功率波动，提高供电可靠性。如我国已建成的张北柔性直流电网示范工程是世界首个直流电网工程，解决了张家口地区的大规模新能源送出问题，并为京津冀地区提供了稳定、可靠的清洁能源。该工程的成功运行证明了直流电网将成为未来电网不可或缺的一部分。然而，多端直流电网中含有的大量电力电子设备使得难以对其进行可靠性评估，严重制约未来直流电网的发展。因此，有效的可靠性评估以及灵敏度分析对未来直流电网的安全稳定和经济运行具有重要意义。
目前针对柔性直流输电系统的可靠性分析方法主要有频率和持续时间法（FD法）、故障树法、状态空间法、状态解析法和蒙特卡洛模拟法等。许多学者开展了对柔性直流输电系统可靠性的研究，但是仅限于在常规两端柔性直流输电系统的可靠性分析方面，对于多端柔性直流输电系统可靠性评估的研究比较匮乏。有作者根据状态空间法提出了一种适用于海上风电的多端直流输电系统可靠性评估的等效模型，同时引入灵敏度定性分析。有作者利用基于布尔代数方法的高效矩阵程序计算高压直流输电系统的故障概率，可以以较为简单的矩阵形式描述考虑多个降额状态的复杂度很高的MTDC系统。有作者考虑系统在运行工况下的状态转移过程，基于半马尔可夫方法建立了五端VSC-HVDC可靠性评估模型。
然而这些方法对于VSC-MTDC在考虑不同工作模式下的可靠性评估仍有不足，针对薄弱环节进行量化分析研究也较少。基于此，本文考虑实际多端柔性直流输电工程的结构及运行方式，提出了结合状态空间法和系统等效结构的多端柔性直流输电系统可靠性评估方法，在保证求解可靠性指标计算量较小的同时有更高的求解精度。进一步对可靠性指标进行灵敏度分析，可以准确确定关键电气元件对系统可靠性水平的影响程度，为制定提高系统可靠性的改进措施提供坚实的理论基础。
1 多端柔性直流输电系统可靠性建模
1 柔性直流输电系统可靠性建模
2 多端柔性直流输电系统结构
3 多端柔性直流输电系统可靠性模型
4 多端柔性直流输电系统灵敏度分析
2 算例分析
2.1 可靠性指标计算分析
2.2 灵敏度分析
三 结论
本文以四端柔性直流输电系统为例建立了对应的柔性直流输电系统可靠性评估模型，使用该模型计算可靠性指标并进行灵敏度分析，得到如下结论：
1）建立的四端柔直系统可靠性评估模型将整个系统拆分为5个子系统，降低了系统复杂度以及计算难度；分别对换流站与直流线路的运行状态建模，结合故障树法简化直流线路的复杂运行状态，最后采用分步组合的计算方法，在高效计算的同时可以精准评估四端柔直系统的可靠性水平；
2）研究了不同子系统的故障率对可靠性计算结果的影响，通过量化可靠性指标对子系统参数的灵敏度，同时引入归一化灵敏度消除不同子系统参数不同产生的差异，判断得出对系统可靠性影响最大的子系统，继而对相应参数进行改善以最大程度提高系统的可靠性水平；
3）基于本文提出的可靠性评估方法求得的四端柔直系统单回路运行的稳态概率约为99.630 6%，双回路运行的稳态概率约为99.999 5%；灵敏度分析显示系统中最薄弱的部分为控制保护子系统，在实际应用中改进控制保护子系统可显著提高系统的可靠性，而极设备、换流器、换流变与直流线路对系统运行影响较小。可靠性评估结果可给实际多端柔直工程提供一定的参考依据。
作者简介
马彦琴（1980—），女，高级工程师，研究方向为电网变电站控制保护。
杨刚（1983—），男，工程师，研究方向为电网变电站控制保护。
李湛宇（1991—），男，工程师，研究方向为电网变电二次保护。
郭莹（1993—），女，工程师，研究方向为电网变电二次保护。
雷博鸿（2001—），女，硕士在读，研究方向为柔性直流输电系统控制保护与可靠性。E-mail：lbh466773020@163.com。
本文索引
马彦琴，杨刚，李湛宇，等. 计及系统状态的多端柔性直流输电系统可靠性评估及灵敏度分析[J]. 电力电容器与无功补偿，2024，45(6)：98-107.
MA Yanqin，YANG Gang，LI Zhanyu，et al. Reliability assessment and sensitivity analysis of multi-terminal VSC-HVDC system considering system status[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation，2024，45(6)：98-107.
功补偿》简介
《电力电容器与无功补偿》是我国电力电容器行业唯一公开发行的科技期刊。以其技术性强、信息快、发行广，在电工行业有着广泛的知名度和影响力。2015年、2018年连续2次入编中文核心期刊。自创刊以来，先后被《中国核心期刊（遴选）数据库》、中国学术期刊综合评价数据库（CAJCED）、《中国学术期刊（光盘版）》、中国期刊全文数据库（CJFD）、知网数据库、万方数据库、重庆维普资讯数据库等收录。《中国学术期刊（光盘版）检索与评价数据规范》首届《CAJ—CD规范》执行优秀期刊奖， 2016、2017年、2018年连续三年获第四届、第五届、第六届陕西省科技期刊优秀期刊奖。2021年获西部科技期刊联盟首届“西牛奖”十佳优秀中文科技期刊奖。
《电力电容器与无功补偿》原名《电力电容器》，1980年创刊。2007年经中华人民共和国新闻出版总署批复，陕西省新闻出版局批准，更名为《电力电容器与无功补偿》。主管、主办单位为中国西电集团有限公司，双月刊，邮发代号：52-13，国际标准连续出版物号为ISSN 1674-1757，国内统一连续出版物号为CN61-1468/TM。国内外公开发行。
《电力电容器与无功补偿》本着学术性、技术性、专业性兼顾的特征，既刊登电力电容器与无功补偿及其相关领域高水平研究性的文章，反映电力电容器与无功补偿行业发展的前瞻性技术问题，也刊登设计、工艺、检验、运行与维修技术问题及经验交流文章，以满足工程技术人员、电力系统研究运行维护人员、相关科研单位及高等院校等科研人员的需求。
《电力电容器与无功补偿》一直秉承“为全行业的科技进步、信息交流提供全面的服务，促进行业技术发展”的宗旨，将继续及时高效的报道行业国内外最新的研究成果，在新时代为行业技术发展做出新贡献。
投稿网址：www.dldrq.com
