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鉴于近年来地磁暴侵害中低纬度地区电网事件的增加及强地磁暴引起的魁北克大停电事故,分析地磁暴对电力系统稳定运行的影响十分必要。受各种因素的约束,电力系统往往运行在极限稳定状态,地磁暴感应电流(GIC)会引起变压器无功损耗(以下简称为GIC-Q)增加,具有全网群发性和波动性的GIC-Q是否会增大系统失稳风险以及直流系统的加入是否会对电网抗磁暴能力产生影响尚未得到研究。 高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)、新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 的研究人员王泽忠、司远、刘连光,在2022年第7期《电工技术学报》上撰文,从电力系统稳定的角度出发,研究长时间尺度下变电站GIC-Q的概率分布规律,结合GIC标准算例,在系统原有负荷的基础上将GIC-Q作为一种无功负荷,分析地磁暴对交流系统及交直流混联系统概率稳定性的影响。

随着电网规模的扩大,电压等级的升高及大截面多分裂导线的应用,地磁感应电流(Geomagnetically Induced Currents, GIC)侵害中低纬度地区电网事件增加,对电网安全稳定运行构成潜在威胁。地磁暴作为一种极端空间天气灾害,是一种概率事件,以某一次具体的地磁暴事件评估其对电网的影响并不能客观反映电网抗地磁暴能力。

有学者提出将GIC作为衡量电网地磁暴灾害水平的指标,将地磁暴电网风险分为“低”“中”“高”和“极高”,研究地磁暴对系统的影响程度。但是GIC的大小并不能完全反映地磁暴对系统稳定造成的影响,并且魁北克大停电事故分析结果表明GIC引起变电站无功损耗(以下简称为GIC-Q)骤增导致无功不平衡才是事故的诱因。研究长时间尺度下GIC-Q概率分布规律需要长期、大量的地磁台地磁场测量数据作为统计样本。

有学者借助地磁台观测的历史地磁暴数据对实际电网GIC进行仿真分析。有学者依据Kp指数、Dst指数、K指数筛选磁暴事件,对多次磁暴事件进行了讨论。这些研究为进行多次地磁暴对电力系统稳定影响分析提供了基础数据及地磁暴事件选择标准。为了将地磁暴与系统稳定性耦合起来,需对多次地磁暴事件变电站大量的GIC-Q计算数据进行采样,在原有负荷的基础上将GIC-Q样本作为冲击负荷施加在系统中,因此GIC-Q概率分布特征成为关键。

关于地磁暴对电力系统的影响,有学者将GIC-Q作为负荷施加到系统中,通过潮流计算研究节点电压是否会低于规定水平。这种研究只是在恒功率负荷的基础上研究节点电压波动,一方面不能反映GIC-Q的波动性,另一方面并没有考虑施加GIC-Q之前实际系统中大量存在的异步电动机负荷。异步电动机负荷的无功功率与端电压的关系会进一步恶化发生地磁暴时系统的无功情况。

随着特高压电网的大规模建设及电网运行成本的限制,电力系统往往运行在稳定极限状态。发生地磁暴时地磁场强度的不确定性使GIC-Q具有随机性,地磁暴的全球同步性使GIC-Q具有全网群发性,地磁暴引起的GIC-Q骤增作为一种冲击性的无功波动负荷施加在系统中是否会对系统的稳定造成影响,以及直流系统的加入能否提高电力系统抗磁暴灾害的能力尚未得到研究。

针对上述问题,高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)、新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 的研究人员从电力系统概率稳定性的角度出发,以GIC标准网络为例,利用一个太阳活动周期内强地磁暴地磁场数据计算变电站GIC-Q,得到GIC-Q的概率分布函数。利用拉丁超立方采样获得GIC-Q样本,在原有负荷的基础上,将GIC-Q作为无功负荷施加到系统中,基于概率小扰动稳定性方法研究地磁暴对系统的影响,并对比交流系统和交直流混联系统抗地磁暴灾害能力的强弱,为电网磁暴风险评估和有针对性地设计防治措施提供依据。

研究人员得出主要结论如下:

1)各个变电站的GIC-Q概率分布模型符合韦伯分布。从系统稳定性的角度出发,将具有全网群发性和波动性的GIC-Q作为一种小扰动施加到系统中,并基于振荡失稳函数提出地磁暴对电力系统稳定性影响概率评价指标。研究发现,发生地磁暴时系统的特征根分布向阻尼比小的区域移动,系统失稳概率增加。

2)结合目前普遍存在的交直流混联系统,在研究地磁暴对系统稳定性的影响时考虑直流系统的影响,研究发现:直流输电系统的加入在一定程度上改善了发生地磁暴时系统的区内振荡阻尼特性,但同时也恶化了区间振荡。因此,对于交直流混联系统更应重视发生地磁暴时可能引起电力系统区间振荡失稳的潜在威胁。

3)以GIC标准系统为例,研究地磁暴对电力系统稳定性影响的规律和判据,根据系统小干扰稳定性计算结果建立风险评估指标,将系统小干扰失稳风险进行量化,以期在考虑小干扰稳定阻尼比等约束条件下建立以系统成本、发电调整量及小干扰稳定性风险最小为目标的多目标优化函数,进行地磁暴灾害防治。

本文编自2022年第7期《电工技术学报》,论文标题为“地磁暴对电力系统稳定性的影响”,作者为王泽忠、司远 等。论文第一作者为王泽忠,1960年生,博士,高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)教授,博士生导师,研究方向为电力系统电磁兼容和电磁场数值计算。通讯作者为司远,1993年生,高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)博士研究生,研究方向为电网安全运行与灾变控制。

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2022年9月16-18日 重庆市

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