地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (6): 1709-1719   PDF    
电网磁暴灾害风险影响因素研究综述
刘连光1, 吴伟丽1,2    
1. 华北电力大学电气与电子工程学院, 北京昌平 102206;
2. 伊犁师范学院电子与信息工程学院, 新疆伊宁 835000
摘要:磁暴是源自太阳磁场剧烈变化的地球空间效应,随着电网规模的增大和电压等级的增高,磁暴灾害已经成为诱发电网故障风险的威胁之一.研究电力系统磁暴灾害风险的影响因素可为预防与控制其引发的电网事故提供重要参考.在分析历史典型磁暴事件的基础上,剖析了磁暴诱发电力系统故障的机理,阐述了故障传播与电力系统响应的过程,总结了近年来关于影响电力系统的地磁感应电流水平及其产生的变压器无功损耗方面的研究成果,从磁暴本身的特点和电力系统的参数与结构两方面将影响因素分类.以GIC标准模型,通过改变磁暴扰动环境和电力系统参数,说明了各因素对电网磁暴灾害风险的影响程度,并比较了不同因素影响后果的差异,最后指出了尚未解决的问题和可能的研究方向.
关键词磁暴     电网故障风险     影响因素     地磁感应电流    
Review of the influential factors of the power system disaster risk due to geomagnetic storm
LIU Lian-Guang1, WU Wei-Li1,2    
1. Department of Electronic and Electrical Engineering, North China Electric Power University, Beijing Changping 102206, China;
2. Department of Electronics and Information Engineering, Yili Normal University, Xinjiang Yining 835000, China
Abstract: Geomagnetic storm is the effect on the earth derived from the dramatic changes in the solar magnetic field and has become a severe threat inducing the power failure risk with the increase of the grid size and voltage level. Studying the influencing factors of storm disaster risks on the power system can provide important references for preventing and controlling the accident due to geomagnetic disturbance. On the basis of analyzing the typical power system disaster resulted from geomagnetic storm, firstly, we analyzed the mechanism of storm-induced power system fault and explained how the breakdown transmits and the power system responses,then summarized the researches in recent years about the influence factor of the GIC level and the consequent loss of reactive power, and finally classified these factors according to the intrinsic characteristics of the geomagnetic storm and the topology of power system. We took the GIC benchmark model as an example to indicate the influencing extent of the factors on the power system geomagnetic storm disasters risk by changing the magnetic storm disturbance environment and electrical system parameters, and compared the differences of the different factors. At last, the unresolved issues and possible research directions are proposed.
Key words: Geomagnetic storm     Power system accident risk     Influence factor     GIC    
 1 引言

太阳活动引起全球性剧烈的地磁扰动(Geomagnetic disturbance,GMD)称地磁暴或磁暴,属于灾害性空间天气的范畴(魏奉思,2000).磁暴灾害可看作由太阳风暴引起的、对地面技术系统,尤其是电力系统的安全运行构成重大威胁、引发电网灾害性事故的强地磁扰动的灾难性事件(Baker,2002).根据法拉第电磁感应定律,地磁场剧烈变化会导致地球大地表面产生感应电场,即地电场.地电场在接地技术系统 中驱动产生地磁感应电流(Geomagnetically Induced Currents,GIC),当GIC流过电力变压器,不仅导致接地点电位变化,还会导致变压器铁芯饱和而产生大量的无功损耗和丰富的谐波,骤然增多的无功损耗会对电力系统的电压稳定构成威胁;谐波又极可能会造成电力保护装置误动,切除无功补偿设备的同时,增大潮流转移的规模,系统得不到有效控制就会发生大面积的停电事故.

早先研究者们认为高纬地区更容易发生磁暴灾害事件,如,1989年3月13—14日发生的强磁暴使加拿大魁北克(46°5′N,71°15′W)水电站735 kV变压器烧毁,导致魁北克近6000000用户停电超过9小时(Kappenman,1996).2003年10月30日发生第23太阳周最大磁暴,导致瑞典北部马尔默(55°35′N,13°00′E)电网的一台三相变压器流过了330 A的GIC,一条130 kV输电线路跳闸导致大面积停电近50 min.然而随着电力系统的发展,我国(刘连光等,2008)、南非(22°S—35°S,17°E—33°E)(Koen and Gaunt, 2003)、新西兰(34°S—47°S,166°E—178°E)(Béland and Small,2005)、巴西(5°N—34°S,35°W—74°W)(Trivedi et al., 2007)和日本(30°N—45°N,35°39′E—139°49′E)(Watari et al., 2009)等中低纬度国家也发现了大量的磁暴侵害电网事件.研究表明(Molinski,2002; Kappenman,2005),电力系统之所以会越来越容易受到磁暴的侵袭,就连中低纬度地区电网也不能除外,是因为电力系统磁暴灾害故障风险后果不仅受到磁暴灾害强烈程度影响,还依赖于电网结构、参数和设备,对于前者,可用感应地电场大小来衡量,后者则需要用GIC水平或系统故障严重程度来衡量.不过,有时候GIC水平高也不一定代表能带来严重的电网事故,芬兰(60°1′N,24°53′E)电网GIC水平普遍比北美电网的高,但从来没有发生过严重的电网事故,主要是因为采用的电力变压器能够抗GIC扰动(Elovaara et al., 1992).

Pirjola(2000)指出了太阳风暴-日地空间-地表电场-电力系统GIC的关系链,Albertson等(19731974)分析了磁暴灾害与地理纬度和地质条件的关系,并认为高纬度地区,尤其是靠近北极地区,同一磁暴水平下的地磁场变化剧烈,因此电网也更易受到影响.Albertson和Van(1970)首创性地提出了计算磁暴感应地电场的方法,指出地磁变化越剧烈,通过电磁感应产生的地电场越大,即地电场幅值与地磁变化率成正比;此外,大地电性结构也同样影响地电场,即高大地电阻率地区产生的地电场较低大地电阻率地区的大.Pulkkinen等(2012)建立了地电场百年极值的模型,并对高低纬度、高电阻率低电阻率地区的地电场差异进行了分析与量化.郑宽等(2013a)Boteler和Pirjola(1998)Pirjola(2000)Overbye等(2012)提出了GIC的计算方法与模型,Cooper和Sovacool(2011)指出了影响GIC的电力系统的参数有电力线路电阻、输电线走向与长度、变电站在网络拓扑中的位置等,还指出线路越长、电阻越小的输电线路中易产生更大的GIC.Zheng等(2013b)利用GIC标准模型研究了地理参数对GIC造成的影响.Boteler等(1994)分析了磁暴感应地电场的方向对电力系统GIC的影响.Fallon等(1990)首次提出了GIC对电力变压器造成的直流偏磁机理,并对GIC作用下的电力变压器产生的谐波特性进行了分析,Mohan等(1982)通过实验得出了不同类型电力变压器抗直流偏磁能力的不同以及同一GIC水平下产生谐波的差异,Albertson等(1981)建立了GIC作用下的电力变压器带负载能力模型,并指出了增加的无功损耗与GIC的定性关系,Kappenman(2010)通过实验和仿真计算了不同类型电力变压器的无功需求与GIC的定量关系,等.

可见,电网磁暴灾害受到了地理参数、地质参数、电力系统参数与电力设备类型等诸多因素影响,而上述文献多是对单类影响因素进行分析,没有进一步将该因素与电网磁暴灾害后果相联系,也没有比较各因素的影响程度的差别,因此在现有研究成果的基础上,本文全面综述了多因素对电力系统的影响,将各因素对电力系统磁暴灾变后果的影响作用进行对比,并以算例进行说明.

本文第2节在加拿大魁北克事件的基础上分析了磁暴扰动电力系统发生故障、灾变的过程与机理,指出了引发大面积停电的关键;第3节分析了影响电网磁暴灾害后果的因素,并将影响因素分类,从电网故障后果的角度,指出了各影响因素的差异;第4节利用GIC标准算例系统,展示了各影响因素对电力系统的扰动作用与差异. 2 电网磁暴灾害过程与机理 2.1 1989年加拿大魁北克电网磁暴灾害事故简介

1989年3月9—12日,一系列的日冕物质抛射在同一太阳区域爆发,10日末喷射的带电粒子朝向地球,并在50小时后到达地球,引发地磁扰动.3月12日傍晚(05 ∶ 00UT)开始,魁北克系统调度人员发现有不稳定的迹象;13日2 ∶ 33(7 ∶ 44UT)强磁暴导致地磁场剧烈变化,静止补偿装置要么因为过电流要么因为过电压一个接一个跳闸,直到James Bay的所有进线跳闸后,系统彻底不稳定:大量的负荷从主电源切除,但仍不足以使系统恢复平衡,最后系统电压崩溃.

魁北克大停电毁坏电气设备的损失达到了650万美元,系统损失达到了1320万美元;6百万用户失去电力供应,9小时后,仅恢复了83%的负荷;大 量无功补偿设备故障、烧毁;LaGr and e、Chibougamau 等地电力变压器在后续的几个月陆续故障,更换周期长达6个月. 2.2 电网磁暴灾害过程与机理

分析魁北克事故可知,磁暴在电力系统中驱动产生的GIC是发生电网故障的诱因,导致事故扩大、发展与传播的则是GIC使中性点电位改变和电力变压器产生的大量无功损耗与谐波,中性点电位改变和无功损耗影响系统电压稳定,而谐波则加大了系统继电保护装置的误动概率和负荷转移规模,最终使部分发电机过载、系统电压崩溃.图 1给出了电网磁暴故障的发生、发展和扩大过程.图 2给出了磁暴灾害引发电网电压崩溃的机理.

图 1 魁北克电网磁暴故障的发生、发展和扩大过程 Fig. 1 The process of Quebec power grid failure due to GMD occurs,development and expansion

图 2 磁暴灾害引发电网电压崩溃的机理 Fig. 2 The mechanism of grid voltage collapse resulted from GMD

图 1图 2可知,电力变压器饱和后产生的大 量无功损耗和谐波是导致系统电压崩溃的关键因素. 3 影响电网磁暴灾害风险因素分析

磁暴属于自然灾害的一种,对电力系统造成的影响不仅与磁暴灾害发生的地理环境与地质环境相关,也与电力系统本身的架构与参数有关.作为诱发电网磁暴灾害的根源GIC其值越大表明系统面临的磁暴灾害风险也就越大,所以可将影响GIC大小的因素作为分析对象.目前继电保护技术抗谐波干扰的能力有了很大的提高,GIC引发的谐波、变压器温升已经不是主要问题,而电力变压器产生的无功损耗和谐波成为导致系统故障的关键,因此影响变压器无功损耗的因素也是需要分析的对象.

电力系统GIC的计算有两部分,一部分是地电场计算,第二部分是已知地电场,利用电力系统的相关理论计算GIC.影响GIC的因素如下: 3.1 地理位置影响因素

Zheng等(2013a)分析和对比了2003年10月29—31日期间的欧洲—非洲地磁台链、亚洲—澳大利亚—太平洋地磁台链和北美地磁台链观测数据,发现极区地磁扰动最大幅值达±2000 nT且变化剧烈,而低纬度地区地磁扰动较小(<±500 nT),表明磁暴期间不同地理纬度地区的地磁扰动程度差异明显. 3.2 大地电性结构影响因素

Pirjola(1985)基于均匀大地模型假设条件下和平面波理论首次提出计算磁暴感应地电场的方法:

其中 Ex(t)和Ey(t)为磁暴感应地电场的北向(x)和东向(y)分量,gx(u)=dBx/dt和gy(u)=dBy/dt 为地磁场x分量和y分量的变化率. σ 可看作大地不同深度电导率综合作用的结果,与大地电性结构有关. μ0 为真空磁导率.

从式(1)—(2)可见,影响地电场的因素有地磁场强度 B 变化率和大地电阻率综合作用结果σ.由于地磁场的分布特性,导致两极处磁场和高纬度地区磁场受到太阳活动影响而产生剧烈的变化,换句话说,极区与高纬地区地磁场变化的幅值与变化率要比中低纬度地区的大.Pulkkinen等(2012)将50°纬度作为划分高、低纬度的阈值,得出了同一地磁扰动下,高纬度地区地电场约是低纬度地区的10倍,高大地电阻率地区的地电场约是低电阻率地区的5倍的结论.Zheng等(2013b)也证实了这一点.

海岸效应是大地电性结构的特殊情况,Pirjola(2013)指出了海岸效应对地电场的影响不可忽视.Gilbert(2005)建立的近海地区的磁暴感应地电场模型也表明,在中低纬度地区,海岸效应影响下地电场强度大大高于其他同纬度地区. 3.3 电网参数与结构等影响因素

地电场一定时,电力系统的结构与参数决定GIC水平.Lehtinen和Pirjola(1985)首次提出了根据地电场计算电力系统GIC的算法,Pirjola(2007)发展了GIC算法:

式中,N×1 矩阵 I e 为变电站流入或流出大地的GIC,I 为 N×N 阶单位矩阵,Y n 为 N×N 阶系统导纳矩阵,Z e 为 N×N 阶系统接地阻抗矩阵,N为系统内变电站节点个数. J e 为 N×1 矩阵,其中第i元素可记为:

式中,V0ji 为地电场沿着变电站节点ji路径的积分,Rnji 代表节点ij间的线路电阻.

从式(3)—(4)可知,从变电站流入或流出大地的GIC与系统节点导纳矩阵 Y n 有关,即与所有的输 电线路电阻和变电站接地电阻 Z e 有关,表明加大单个变电站的接地电阻不足以有效削弱该变电站的GIC. 3.3.1 输电线路长度对GIC的影响

按照定义,有

E 是沿输电线路的电场强度(矢量),dl 代表变电站ji间的路径增量.变电站相距越远,站间输电线路越长,V0ji 的值也就越大,表明输电线路两端地电势差与变电站间的距离和相对位置有关. 3.3.2 输电线路走向对GIC的影响

地电场受到地磁场与大地电导率影响,实质上是一个非保守场,其在变电站间产生的电压需要用式(5)计算.在GIC工程计算中,常采用均匀地电场的假定,此时,变电站间的电压可记为(Overbye et al., 2013):

式中,E为地电场幅值,Lji 为变电站ji间的距离,θe 代表地电场与正北方向的夹角,θji 代表变电站ji间连线与正北方向的夹角.可见,当 θeji 时,地电场在输电线路中产生的电压最大. 3.3.3 输电线路等效电阻对GIC的影响

输电线路中流过的GIC可用(7)式计算:

其中,Ucur,i-Ucur,j 是仅有地电场作用时接地变电站ji的对地电压差.

输电线路电压等级越高,线路单位电阻越小,同等距离时 Rnij 就越小,在相同的 V0ji和Ucur,i-Ucur,j 作用下,产生的GIC也就越大. 3.4 电力设备影响因素

虽然GIC大小能够表征磁暴对电力系统的影响程度,但电力系统中的设备种类与参数能够影响无功扰动的程度,也是导致电网磁暴灾害后果严重程度的关键因素. 3.4.1 电力变压器

GIC作用下,电力变压器产生的无功损耗可用(8)式计算(简称GIC无功损耗)(Pirjola,2000; Dong et al., 2001):

式中,k1[1~1.18,0.33~0.5,0.29,0.66~0.7]是通过实验测得的因GIC而产生的电力变压器无功损耗系数(Mvar/A),与电力变压器的类型有关,k1=1~1.18,0.33,0.29和0.66~0.7分别对应单相变压器、三相壳式变压器、三相三柱芯式变压器和三相五柱芯式变压器. Vk 是电压系数(pu),有 Vk=V·Ve/500,此处,V和Ve 分别是变压器运行电压(kV)和额定电压(kV). IGICi 是流过变压器i的绕组的地磁感应电流.

可见,不同种类的电力变压器在同一GIC水平下所需要的无功功率差别较大,尤其是单相变压器与三相变压器消耗的无功功率相差大于3倍,当普遍采用单相变压器且GIC较大时,变压器的集群无功损耗效应将对电力系统电压的影响更为严重.

Walling和Khan(1991)Price(2002)还分析了GIC作用下不同类型的电力变压器产生的谐波效应、热效应和无功损耗效应,并指出电力变压器耐GIC的能力取决于电力变压器的设计和种类. 3.4.2 GIC治理装置

在电力变压器中性点加装电容、电阻等装置能 够在一定程度上削弱GIC(Kappenman et al., 1991Bolduc et al., 2005).不过,由于接地电阻或电容改变了电力系统的接地性能,装置参数或位置还需要进行系统运行稳定性检查,此外,个别变电站加装接地电阻不能达到全网削弱GIC的目的(Pirjola,2009),还需要全局规划. 3.4.3 无功电源或补偿装置

磁暴导致的电力系统变压器集群无功损耗需要从系统吸收大量无功功率才能达到平衡,因此,对于无功损耗在电力系统中的配置以及容量设置也是影响磁暴灾害后果的因素.

此外,当作为无功补偿装置的并联电容器接地时,电力变压器半波饱和产生的谐波还会通过它流向大地,导致流过电容器的均方根电流大幅增加和电压过高,有时还会产生谐振,这些都会影响到节点电压,当并联电容器不接地时,这些影响会小很多. 3.4.4 继电保护装置

变压器饱和后产生的谐波会增大传统的保护装置误动概率(Bozoki et al., 1996),尤其是极有可能导致关键支撑设备的孤岛,如输电线路、变压器、电容器和SVC等,最终会使系统面临崩溃.增加了谐波过滤功能的保护装置能够有效地避免因GIC而产生的误动. 3.5 调度策略的影响

磁暴灾害发生后,电力系统受到变压器集群无功扰动和谐波的影响,会发生无功电源过载、电压下降、保护误动切除无功补偿装置和负荷大规模转移等现象,如果此时调度得当,能够有效控制事态的进一步发展,否则将会导致电压崩溃、大面积停电的严重事故.北美电力可靠性委员会(NERC,2012)曾在可靠性特殊评估报告中指出,调度与控制是防御磁暴灾害中必不可少的环节. 3.6 电网磁暴灾害风险影响因素分类

将影响电网磁暴灾害的因素细分为图 3所示. 4 算例分析

图 4为GIC Benchmark模型,母线节点、变电站、变压器类型和编号标于图中,线路电压等级也标 于图中,其余详细参数见文献(Horton et al., 2012).

图 3 影响电力系统磁暴灾害因素分类 Fig. 3 The classification for the influence factors of power system disaster resulted from GMD

图 4 GIC Benchmark模型单线图 Fig. 4 Single-line configuration of GIC Benchmark case
4.1 自然因素影响

Zheng等(2013b)针对GIC标准模型,选用2003 年10月29—31日磁暴期间,IQA(73°N)、ABK(65°N)、NUR(57°N)、OTT(55°N)、MMB(35°N)、 CTA(27°N)和HER(32.5°S)等7个地磁台站数据,并采 用加拿大的Alberta、British Columbia(BC)、Quebec、 中国的 Ge′ermu、日本、Southern Finl and和Southern Manitoba 等7个典型大地电导率数据,做了对比分析,见图 5.

图 5 2003年10月29—31日磁暴期间不同纬度地区 地磁扰动、地电场强度(Quebec代表高电阻率地区RI,BC代表低电阻率地区CI) Fig. 5 The geomagnetic disturbances and geoelectric fields at different latitudes during October 29—31,2003(Quebec area represents the high resistivity region RI, and BC area is on behalf of low resistivity region CI)

图 5中,|Bmax|(nT),|Eymax|(mV/km)RI和|Eymax|(mV/km)CI分别代表地磁扰动、高电阻率地区(Quebec)地电场和低电阻率地区(BC)地电场的最大值.将图 5中高电阻率模型的地电场施加到GIC Benchmark模型中,计算得到平均GIC及其引起的变压器总无功损耗如表 1示.

图 5表 1可见,同一次磁暴,不同地理纬度,甚至同一地理纬度而大地电阻率不同,所产生的地电场及其驱动电力系统的GIC和无功损耗水平差异也是十分明显的.

表 1 位于不同地区时GIC Benchmark算例系统的GIC平均值和系统总GIC无功损耗 Table 1 GIC average value and system total reactive power loss of GIC Benchmarks system located different areas during the same geomagnetic storm

除了地理纬度、地质条件对电力系统磁暴灾害风险有影响外,作者还认为,磁暴发生时,在大地表面感应的地电场方向也是影响电网磁暴灾害后果的因素之一.为此,假定地电场E=1 V/km,方向θ从正北(0°)到正南(180°),依据式(3)和式(8),分析系 统总GIC无功损耗(图中标注为∑QGIC)如图 6示.

图 6 系统总GIC无功损耗与地电场方向关系曲线 Fig. 6 The relationship curves between the total reactive power loss of GIC and geoelectric field direction

图 6可见,不同地电场方向作用下电力系统的 GIC无功损耗差异明显.这一点也和电网内变电站=分布的相对位置有关. 4.2 电网参数与结构影响

假定E=1 V/km,方向向东.将标准模型中的变电站地理经纬度作调整,结果列于表 2.

表 2 GIC Benchmark模型中变电站初始和调整后经纬度 Table 2 The initial and adjusted latitudes and longitudes of the GIC Benchmark case substations

情况1:保持线路单位参数不变,调整经纬度后线路总长度为原来的1.78倍;情况2:保持变电站地理位置不变,将输电线路的电阻改为原有输电线路的1/2.系统初始状态和情况1、情况2各变电站 有效GIC变化见图 7,各变压器无功损耗变化见图 8.

图 7 系统原有参数条件、情况1和情况2变电站接地点处GIC对比 Fig. 7 Comparison of GICs flowing substation with the original system parameter conditions,case 1 and case 2

图 8 系统原有参数条件、情况1和情况2变压器GIC无功损耗对比 Fig. 8 Comparison of reactive power loss with the original system parameter conditions,case 1 and case 2

图 7中,GIC0为系统原有参数条件下的各变电站接地GIC,GIC1和GIC2分别为情况1和情况2各变电站接地点处GIC.图 8中QGIC0为系统原有参数条件下各变压器的GIC无功损耗,QGIC1和QGIC2分别为情况1和情况2各变压器的GIC无功损耗.

图 7可见,增大输电线路长度和减小输电线路电阻都能够增加各变电站流向(流出)大地的GIC幅值,其中,增大变电站间的距离使得变电站中性点GIC幅值增大的更为明显.当线路改变电阻比例相同时,各变电站接地GIC变化不大,主要是因为各输电线路通过变电站流入(流出)大地的电流相互抵消.图 8可见,增大输电线路长度和减小输电线路电阻都能够改变各变压器GIC无功损耗,不过增大输电线路长度均能使各变压器无功损耗增加,而减小输电线路则有可能减小某些变压器的GIC无功损耗. 4.3 电力设备因素影响

假定地电场E=1 V/km,方向向东. 4.3.1 电力变压器类型的影响

假定初始变压器类型均为三相壳式变压器(k1=0.5),逐渐替换变压器类型,则随着单相变压器(k1=1)个数增多,系统总GIC无功损耗如图 9示.

图 9 单相变压器个数与系统总GIC无功损耗的关系 Fig. 9 The relationship histogram between the number of single-phase transformers and total reactive power loss resulted from GIC

图 9可见,随着单相变压器个数的增多,系统总GIC无功损耗也随着增多,注意到二者不是完全线性递增,是因为各变压器的有效GIC不尽相同.系统全部采用单相变压器时的GIC无功损耗是全部采用三相变压器时的2倍左右. 4.3.2 GIC治理装置的影响

标准模型共有8座变电站,SUB7不接地,SUB1已串接接地电容器.分别给SUB2、SUB3、…、SUB8串接接地电容器,并对系统仿真,结果表明只有所有变电站都加装接地电容器以后,系统节点电压才不受磁暴灾害的影响,否则系统总存在电压越限的节点.此外,输电线路串接电容器也能够隔断GIC通路,经过仿真,效果与变电站并联地电容器类似.

图 10所示为变电站加装接地电容器后系统总GIC无功损耗的变化.图 10说明了安装GIC治理装置能够有效降低GIC无功损耗对系统的扰动.

图 10 变电站加装接地电容后系统因GIC产生的总无功损耗变化 Fig. 10 The changes of the total reactive power loss after installing the substation grounding capacitors
4.4 讨论与小结

根据已有文献对影响电网磁暴灾害的自然因素、电网参数因素的研究成果,以GIC标准模型为例,通过改变地理纬度、大地电性结构、地电场方向、输电线路距离和电阻等因素来说明各因素对电网磁暴灾害影响.

(1)磁暴扰动在不同的地理纬度差别巨大,导致在电力系统中产生的GIC水平差异明显;相同磁暴扰动时高电阻率地区产生的GIC比低电阻率地区要高得多.

(2)由于GIC的抵消效应,同比例改变输电线路电阻对变电站接地点处GIC水平影响不大,输电线路的长度影响相对输电线路电阻而言要大得多,二者对变压器GIC无功损耗都有较大的影响.

(3)个别变电站加装GIC治理装置不能有效改善磁暴扰动对电力系统电压稳定性的影响,只有所有流入系统的GIC通路阻断后,系统电压才不会受到影响;加装GIC治理装置可以有效削弱磁暴扰动产生的无功损耗效应.

算例仅对GIC标准模型进行了分析,没有分析紧急调度策略对电网磁暴灾害后果的影响,各因素对系统影响的程度还需要更多细节的研究.

本文仅总结了现有文献对影响电力系统磁暴灾害的研究工作,将影响因素分为自然因素和电力系统参数两大类,各类因素又细分为一些相关子因素.以GIC标准模型为例,通过改变磁暴扰动环境和电网参数说明了各因素对电网磁暴灾害后果的影响作用,并比较了各因素对GIC水平、变压器无功损耗和电力系统节点电压的稳定性的影响差异.然而,磁暴扰动电力系统过程与机理受到空间环境、地理因素和电网参数等诸多因素影响,目前还有许多尚不明确的问题.

(1)目前电力系统对磁暴灾害扰动响应的分析还没一种比较完善的理论方法,主要由于影响因素众多、模型过于复杂.

(2)研究影响电力系统GIC水平的文献虽多,但GIC水平并不能代表电网磁暴灾害后果的严重程度,如1989年大磁暴事件时芬兰电网GIC水平比魁北克电网高得多,但却没发生较大电网事故,因此,还需要进一步研究与分析GIC作用电网产生故障及其后果等方面的内容.

(3)本文仅针对GIC标准模型总结、分析和比较了各因素对系统影响的程度,结果是否普遍性还需要进一步检验,若衡量与区别各因素在磁暴灾害后果中的作用,还需要建立科学的量化指标和敏感度指标.

(4)电网磁暴灾害关系到太阳活动、空间天气、地质信息与电力系统等方面,获取磁暴信息需要多部门合作,目前电力系统的测量并未涉及到磁暴扰动方面,且与空间天气预警信息沟通尚显不足,因此需要建立预测磁暴灾害信息的方法与理论. 5 今后工作展望

磁暴灾害已经是当今电力系统不得不面临的问题,虽然电力系统磁暴灾害研究和探讨已取得了大量成果,但由于磁暴灾害问题与电力系统的复杂性和空间天气、地理要素的未知性等,对此方面的研究仍有许多需要深入的地方:

(1)建立电力系统磁暴灾害、故障传播的分析方法与理论体系,从理论上说明GIC扰动下电力系统的响应机制以及故障灾害的原因和影响因素;

(2)量化各因素对电力系统磁暴灾害后果的影响程度并提出相应的量化指标、敏感性指标,目的在于预测、衡量特定区域特定环境下的电力系统可能的磁暴灾害风险,并为防御与治理电网磁暴灾害风险提供关键技术参考;

(3)根据量化指标和敏感性指标,制定对应的防治磁暴灾害措施,合理规划电网GIC治理装置,以及制定电力系统紧急情况下的调度策略,为避免大电网磁暴灾害提供有用参考.调整、制定紧急情况下的系统调度方案,应从全局出发既考虑应对磁暴灾害也要保证系统运行调度的安全性与经济性,这是需要进一步探讨的重要问题;

(4)建立科学和全面磁暴扰动预测指标,使之既与空间天气现有的预警指标相关,又适用于电力系统.指标应具有时效性,可提供与电力系统有关的磁暴扰动变化信息,为电力调度人员提供应用紧急调度策略时间.

论文仅根据电力系统磁暴灾害风险的影响方面提出了一些今后研究工作的思路与看法,磁暴干扰电力系统是极其复杂的课题,仍有许多方面亟需研究与探讨.对影响因素的分析、归类和比较可以为今后预防、治理磁暴灾害提供有用参考.

参考文献
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