第36卷第3期山东建筑大学学报Vol.36No.3 2021年6月JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Jun.2021
D0I：10.12077/sdjz.2021.03.005
陈立征”，张宇昊，刘林
（山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南250101）
摘要：全球气候变化导致极端气象事件频发，给电网的运行带来严峻挑战，构建考虑极端气象事件影响的电网
仿真系统是提供相应研究平台与数据支撑的重要手段。文章提出了揭示气象事件与电力系统交互影响动态过
程的弹性电网仿真框架，建立了气象事件及其与电力系统交互影响过程的模型，基于电力系统仿真软件与编程
语言完成了全时域动态交互弹性电网仿真系统的设计开发。系统以冰雪、强风气象为例进行了应用分析，表明
其能够提供弹性电网在应对气候变化过程中动态的气象变量以及电气量，并能实现图像化输出，是针对电力系
统有效的研究工具。
关键词：极端气象；弹性电网；仿真系统
中图分类号:TM712文献标识码:A文章编号：1673-7644（2021）03-0032-07
Design and implementation of resilient power grid simulation
systems considering extreme weather
CHEN Lizheng*,ZHANG Yuhao,LIU Lin
(School of Information and Electrical Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan250101,China)
Abstract:The frequent occurrence of extreme weather events due to global climate change poses a
serious challenge to the power grid operation,and a simulation research method for power system
considering the impact of extreme weather events need to be constructed to provide corresponding
research platform and data support.In this paper,a resilience power grid simulation framework is
proposed to reveal the dynamic process of the interaction between weather events and power system,
and the model for interaction between weather events and power system is established.The full-time
domain dynamic interactive resilience power grid simulation system is designed and developed based
on the the power system simulation software and programming language.The related examples
deployed in icing weather and strong wind show that the system can provide detailed meteorological
variables and electrical quantities of the resilient power grid in response to climate change and output
these variables graphically,which is an effective research tool for power grid system.
Key words:extreme weather；resilient power grid;simulation system
0引言
全球气候变暖带来的高严重度的极端气象事件频发，给各行业带来了不同程度的困扰，作为人类生存日益依赖的电网也饱受其害。2008年，湖南发生了严重冰灾，输电线路覆冰严重，造成大面积断线、倒塔事故，继而引起电力供应不足，给人们的正常生活与经济发展带来了严重的损失[1-2]o2019年，澳大利亚持续数月的大火，不仅给环境、动物造成灾难性破坏，也对电网基础设施造成损坏，给澳大利亚电网的正常运行带来了严峻挑战，大量用户与企业面 收稿日期：2020-09-04
基金项目：山东建筑大学博士基金项目（XNBS1915）；山东省高等学校科技计划项目（J17KZ006）
作者简介：陈立征（1989-），男，讲师，博士，主要从事电网稳定、电网仿真等方面的研究。E-mail：***************[*通讯作者]
第3期陈立征，等：考虑极端气象的弹性电网仿真系统设计与实现
33
临停电，悉尼遭受停电威胁［3-4］。根据我国之前的
统计数据，线路跳闸故障中，由自然灾害引起的高达 60.8%⑸。频发的极端气象对电网影响的研究越来 越不容忽略。由于目前电网（尤其是我国电网）大多通过高 压输电网络实现跨区域高度互联，上述极端气象等 扰动的发生往往会导致电网大面积故障⑹。这类
故障不同于传统电网故障，具有以下特征：（1）发生 概率较小，常常忽略其发生以及防御，一次设备在设
计时一般能满足几十年一遇的标准，而对该类故障
完全缺乏防御力；（2）涉及范围广，一旦故障发生会
带来大范围的影响，考虑经济性因素无法通过大范
围提高电网一次设备的设计标准来改善电网防御能 力；（3）故障后果严重，虽然故障发生的概率较
小， 但由于后果严重，所以该类故障对电网的威胁丝毫 不弱于发生概率相对更高的传统故障；（4）故障后
难以迅速恢复，故障的表现形式往往是连锁、发、
相继型的，故障后电网出现一次设备机械性损坏以
及电网大范围停电等，但电网的恢复过程涉及复杂
的决策问题［7-8］。
传统电网仿真与评估研究往往是面向发生概率 较高的单一故障场景，且无法仿真故障后气象影响
下电力系统的复杂动态过程。 考虑上述极端气象事
件在电网中引发故障的特征，相应的研究方法应面 向故障发生后的整个电网动态过程，对极端气象影
响下电网的抵御过程与恢复过程进行研究，弹性电
网概念能较好地满足研究需求。美国能源部首先提
出了建设弹性电网，并给出了弹性具体的含义，即能 源设施能够快速从其组成部分或其所依赖的外部系
统的损坏中恢复［9］。赵丽敬［10］基于弹性概念，把电
网故障响应分为故障前预防灾害过程、故障后的脆
弱性过程和恢复过程，并实现了相应建模。 KWASINSKI ［11］总结弹性电网具有稳健性、智能性、
恢复性和适应性等4个特征。HUANG 等［12］把极端
扰动影响下的弹性电网分为准备、预防、响应、恢复
等4个阶段。孙江玉等［13］给出了极端扰动下电力
系统的性能图以及弹性电网演化过程，并针对不同
的阶段给出了提升电网恢复力的建议。别朝红
等［14］总结了弹性电网及其恢复力的概念，并区分了
国外灾变防御体系。
综上所述，弹性电网的研究大部分聚焦于概念 理论和定性分析，相应的过程仿真与定量分析缺乏
平台支撑，构建考虑极端气象事件影响的电力系统
仿真系统能够提供相应研究平台与数据支撑。因
此，文章基于弹性电网的理论体系，提出了考虑极端
气象的弹性电网仿真系统框架，对相关过程实现了
数据建模，并基于电力系统暂态过程仿真分析软件 （Power System Simulator/Engineering , PSS/E ）与编
程语言Python 完成了弹性电网仿真系统平台开发
工作，并在冰雪与强风天气下进行了仿真系统应 用，以期能够揭示极端气象影响下弹性电网的动态
过程。
1考虑极端气象的弹性电网仿真系统
设计
构建的弹性电网仿真框架如图1所示，主要是
实现3部分功能：（1）极端气象对电网的侵袭动态
过程建模仿真;（2）极端气象影响下的电网动态过 程仿真;（3）两系统交互关系仿真。
气象动态过程
电网动态过程
其他极端天气建模与仿真
囂菽=建模仿真
图1
线路舞动建模与仿真
线路覆冰建模与仿真
弹性电网仿真框架图
扑〔变乞、
电网参数
交互
潮流计算
接口
— i ‘ 暂态分析
J ----------故將扰动
继电保护 自动控制恢复决策
1.1气象系统动态过程仿真模块设计 气。构建弹性电网仿真系统首先要实现气象系统的
弹性电网抵御对象为小概率、高严重度的极端
过程仿真。
气象，包括极端冰雪天气、强风天气以及其他极端天
（1）
冰雪天气
34山东建筑大学学报2021年
冰雪天气对弹性电网的影响机理主要是在特定的温度、湿度条件下，输电线路或杆塔上出现覆冰并逐渐增多，直至覆冰的重量超出了线路或杆塔的机
械承载能力，从而造成断线或者倒塔。但是，输电线路上流经的电流产生的热效应会减缓覆冰进程。基于文献[15]，建立以下考虑线路电流热效应的覆冰重量模型，由式(1)表示为
厂4C a F a1
甌二I[r(t)(l+Q)S w C w C c Sin&1Sin J0n S w r
+Q/]d/,(1)
式中为覆冰重量,kg；r(t)为覆冰输电线路的半径,m；S w为风速,m/s；C w为空气液态水密度,kg/m3；/为输电线路电流，A；C c为收集系数；C a为覆冰系数；为空气运动指数;C-为电流热效应系数；％、&2分别为降水、风向与输电线路之间的夹角。
(2)强风天气
强风天气对电网威胁的表现形式是当风速和风
向满足一定条件时，会引起输电线路的舞动，即输电线路在风的作用下飞舞，有可能带来以下两类故障:①对于三相输电系统，两根输电线路之间的距离会由于舞动减小，从而造成相间短路;②当输电线路周围有故障物时，会由于线路与故障物之间距离过小，造成单相短路。基于上述机理，建立线路舞动幅值模型，由式(2)表示为
22
4a(一)x£x(®+m2)
式中A为线路舞动幅值,m；k为等效刚度，N/m；u
为风速,m/s；£为线路的长度，m；®为单位长度线
路的重量,kg/m；为单位长度线路上的覆冰重量,
kg/m；a和b为常数。
(3)其他极端天气
其他天气包括雷电以及地震等破坏性天气。在
高电压等级输电线路上一般都增设避雷线，但由于
避雷措施单一，面临复杂雷击天气时，仍有个别情况
无法起到作用，从而导致电网的跳闸故障。当雷击
作用过于强烈时，可能直接造成机械损坏，即带来断
线故障。对于地震、山洪等极端破坏性特强灾害，电
力系统更是毫无抵御之力，而地震后的求助工作又
极大程度上依赖于电能的供应。
1.2电力系统动态过程仿真模块设计
弹性电网中电力系统的动态仿真主要是基于成熟商业电力系统仿真软件PSS/E实现，其仿真模块可实现在极端气象发生时电网各参量的变化仿真。根据故障是否触发以及触发后时间节点可以分为以下3类仿真模块：
(1)无故障时的潮流计算
当没有故障发生时，电网潮流受负荷影响而发生变化，因此执行考虑负荷波动的潮流计算，负荷采取逐小时更新的日负荷数据。
(2)故障后的暂态仿真
当故障发生时，电网状态会因外界扰动而在短时间内迅速变化，因此通过机电暂态仿真，实现故障后电网的变量跟踪与分析，由于该过程电网变量变化较快，因此仿真具有小步长、短周期的特性。
(3)故障后的电网应对措施
应对措施主要包括继电保护手段、低压切负荷主动控制、功角失稳解列等。故障后输电线路潮流改变，触发继电保护动作，根据线路电压等级差异，执行不同规范的跳闸与重合闸操作；对母线电压执行实时跟踪测量，当低于限定值时，执行两轮主动切负荷方案；当以上动作仍未阻止电网功角失稳时，执行解列操作，将故障区域切除。上述应对措施均基于对电网参量变化的跟踪以及自定义接口功能的实现。
1.3气象一电力系统交互作用仿真模块设计
基于上述输电线路覆冰模型、强风天气线路舞动模型以及电力系统动态过程，建立了揭示气象系统与电力系统间的交互影响机理的模型，并仿真实现。
(1)冰雪天气
基于式(1)覆冰重量模型，可以得到输电线路上的实时覆冰重量，当覆冰重量超出线路承载重量限值时即触发断线，如图2所示。在式(1)中，考虑了流过输电线路的热效应，当部分输电线路断开时，会引起整个电网的拓扑变化以及电流的变化，
输电线路覆冰
从而
第3期陈立征，等：考虑极端气象的弹性电网仿真系统设计与实现35
(2)强风天气
基于式(2)线路舞动幅值模型，可以得到输电线路的舞动幅值，当舞动幅度较小时，线路与线路之间的距离较大，不会触发故障；当舞动幅度过大时，线路与线路之间距离过小，从而触发相间短路；当舞动幅度介于两者之间时，故障的触发是概率事件。线路的相间故障本质是高电压下空气的击穿过程，根据巴申定律，介质的击穿电压是气体压力与间隙距离乘积的函数。由于气体压力是常数，因此击穿与否与间隙距离呈现固定斜率直线关系。对上述舞动幅值与输电线路短路故障关系建立相应的数据模型，如图3所示，其中缶为开始发生故障的振幅,A2为一定发生故障的振幅。
舞动振幅/m
图3输电线路舞动振幅与短路故障率关系图
2考虑极端气象的弹性电网仿真系统实现
2.1实现工具
在气象系统动态过程仿真中，采用Python编程语言对上述覆冰重量模型与线路舞动模型进行仿真实现。Python具有开放性好、代码简单、移植性与扩展性强等优点，有利于各行业人员开发与拓展。
在电力系统动态过程仿真中，采用仿真软件PSS/E，其功能完善，能够提供电力系统潮流计算、故障分析、机电暂态仿真等模块，而且提供了自定义接口，能够实现弹性电网在极端气象影响下3道防线的设置。
在气象与电力系统交互仿真中，需要实现覆冰重量一断线故障、线路舞动幅值一短路故障率的模型仿真，以及气象系统仿真与电力系统仿真两者之间的衔接与调用，因此采用Python编程实现。PSS/E提供了Python接口，能够通过丰富的应用程序接口(Application Programming Interface,API)指令实现对电力系统仿真过程的调用与控制；同时,Python也能够对两系统间的数学模型进行仿真实现。2.2实现流程
以极端冰雪天气与强风天气为例，基于PSS/E 与Python实现弹性电网仿真系统的开发，其系统流程图如图4所示。
［气象信息］
气象系统
仿真
Python
J故障概率
I,_____i_____|线路舞动幅值阙
11覆冰胃量模型J廟动幅值
.覆冰重量瞬动詁值分析|其迪气象
模型-
仿真结束|
图4弹性电网仿真系统流程图
电們
PSS/E
顶章设置
在上述弹性电网仿真流程中，主要通过Python 实现气象过程仿真，调用PSS/E实现电力过程仿真以及两者之间的交互。
(1)气象过程的仿真，包括覆冰重量、线路舞动幅值等，并根据气象仿真结果设置电网故障，以下代码是基于强风舞动幅值结果的220kV输电线路的故障设置过程:
for i in range(LineNum):
if(A[i]-fault_220_1)/(fault_220_2-fault_ 220_1)<0：
fault[i]=0
elif(A[i]-fault_220_1)/(fault_220_2一fault _220_1)>1：
fault[i]=1
else:
fault[i]=(A[i]-fault_220_1)/(fault_ 220_2-fault_220_1)
if(random.random()<fault[i])and(line_ flag_wind_state[i]==0):
if random.random()<fault_limit_220:
line_flag_wind[i]=1
else
:
36山东建筑大学学报2021年line_flag_wind[i]=2
line_flag_wind_state[i]=1
(2)当无故障触发时，电力系统运行方式不会发生改变，因此仿真结果也会保持稳定，为提高仿真效率，直接跳过小步长、高精度的暂态仿真，采用大步长、高效率的潮流计算代替。此仿真阶段采用预设的潮流计算步长与周期参数，直至下一次故障触发。具体逻辑结构流程如图5所示。
(3)当故障触发时，结束上述过程中的潮流计算，转入小步长、高精度的暂态仿真过程。根据气象结果与电力系统故障的对应关系，在电网中设置相应的故障类型与位置，根据预设暂态仿真步长与周期参数执行。仿真过程中，对电压、功角等状态量逐步长监视，设置越限、失稳判断模块，并采用相应的继电保护与应急控制手段，包括线路跳闸、重合闸，紧急切负荷、电网主动解列等措施。
潮流
故障触发判据
|仿真结束|
孩限、
：稳判;
智态仿直
周期判据总象仿真结
判据/
A气象过程仿真
继电保护、
稳控措施
暂态仿真
输入
—信息
T潮流计算*
图5弹性电网仿真系统逻辑结构流程图
3弹性电网仿真系统应用算例
基于上述弹性电网仿真系统分别在极端冰雪天气与强风天气下执行弹性电网仿真。采用PSS/E 自带的23节点算例，其中输电线路参数见表1o
表1输电线路参数表
线路号线路名电压等级/k V档距/k m线路重量/(kg•km-1)线路受力极限/kg额定功率/MVA #1153-154/1220 1.29603000400
#2153-154/2220 1.19603000400
#3153-30062200.99603000400
#4154-2032200.89603000400
#5154-3008220 1.29603000400
#6203-205/1220 1.19603000400
#7203-205/22200.99603000400
#83001-30032200.89603000400
#93003-3005/1220 1.29603000400
#103003-3005/2220 1.19603000400
#113005-30062200.99603000400
#123005-30072200.89603000400
#133005-3008220 1.29603000400
#143007-3008220 1.19603000400
#15154-2052200.99603000600
#16151-152/1500 1.2160050001200
#17151-152/2500 1.1160050001200
#18151-2015000.9160050001200
#19152-2025000.8160050001200
#20152-3004500 1.2160050001200
#21201-202500 1.1160050001200
#22201-2045000.9160050001200
#233002-30015000.8160050001200
3.1极端冰雪天气下弹性电网仿真系统分析
(1)气象条件
温度设定为2:00达到最低值-10兀，14：00达到最高值-5兀。在时间窗口内，温度在正弦函数关系中随时间变化；降水预测数据为降水基准值在1mm/h的基础上，每5min随机变化20%；风速在8m/s基准值上，每5min随机变化20%。
(2)仿真结果
以其中若干条输电线路上覆冰动态过程为例，结果如图6所示。图6(a)中4条输电线路覆冰重量随时间变化逐渐上升，其中#3由于超出了线路承载能力，发生了断线。#3线路上的覆冰速率变化曲线如图6(b)所示，覆冰速率受输入气象随机变化的影响而上下波动。以弹性电网的电流动态变化为
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