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隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大，電壓等級的升高及大截面多分裂導線的應(yīng)用，地磁感應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）侵害中低緯度地區(qū)電網(wǎng)事件增加，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行構(gòu)成潛在威脅。地磁暴作為一種極端空間天氣災(zāi)害，是一種概率事件，以某一次具體的地磁暴事件評估其對電網(wǎng)的影響并不能客觀反映電網(wǎng)抗地磁暴能力。

有學者提出將地磁暴感應(yīng)電流作為衡量電網(wǎng)地磁暴災(zāi)害水平的指標，將地磁暴電網(wǎng)風險分為“低”“中”“高”和“極高”，研究地磁暴對系統(tǒng)的影響程度。但是地磁暴感應(yīng)電流的大小并不能完全反映地磁暴對系統(tǒng)穩(wěn)定造成的影響，并且魁北克大停電事故分析結(jié)果表明地磁暴感應(yīng)電流引起變電站無功損耗（GIC-Q）驟增導致無功不平衡才是事故的誘因。研究長時間尺度下變壓器無功損耗概率分布規(guī)律需要長期、大量的地磁臺地磁場測量數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計樣本。

有學者借助地磁臺觀測的歷史地磁暴數(shù)據(jù)對實際電網(wǎng)地磁暴感應(yīng)電流進行仿真分析。有學者依據(jù)Kp指數(shù)、Dst指數(shù)、K指數(shù)篩選磁暴事件，對多次磁暴事件進行了討論。這些研究為進行多次地磁暴對電力系統(tǒng)穩(wěn)定影響分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及地磁暴事件選擇標準。為了將地磁暴與系統(tǒng)穩(wěn)定性耦合起來，需對多次地磁暴事件變電站大量的變壓器無功損耗計算數(shù)據(jù)進行采樣，在原有負荷的基礎(chǔ)上將變壓器無功損耗樣本作為沖擊負荷施加在系統(tǒng)中，因此變壓器無功損耗概率分布特征成為關(guān)鍵。

關(guān)于地磁暴對電力系統(tǒng)的影響，有學者將變壓器無功損耗作為負荷施加到系統(tǒng)中，通過潮流計算研究節(jié)點電壓是否會低于規(guī)定水平。這種研究只是在恒功率負荷的基礎(chǔ)上研究節(jié)點電壓波動，一方面不能反映變壓器無功損耗的波動性，另一方面并沒有考慮施加變壓器無功損耗之前實際系統(tǒng)中大量存在的異步電動機負荷。異步電動機負荷的無功功率與端電壓的關(guān)系會進一步惡化發(fā)生地磁暴時系統(tǒng)的無功情況。

隨著特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)及電網(wǎng)運行成本的限制，電力系統(tǒng)往往運行在穩(wěn)定極限狀態(tài)。發(fā)生地磁暴時地磁場強度的不確定性使變壓器無功損耗具有隨機性，地磁暴的全球同步性使變壓器無功損耗具有全網(wǎng)群發(fā)性，地磁暴引起的變壓器無功損耗驟增作為一種沖擊性的無功波動負荷施加在系統(tǒng)中是否會對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成影響，以及直流系統(tǒng)的加入能否提高電力系統(tǒng)抗磁暴災(zāi)害的能力尚未得到研究。

針對上述問題，高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室（華北電力大學）、新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學） 的研究人員從電力系統(tǒng)概率穩(wěn)定性的角度出發(fā)，以地磁暴感應(yīng)電流標準網(wǎng)絡(luò)為例，利用一個太陽活動周期內(nèi)強地磁暴地磁場數(shù)據(jù)計算變電站變壓器無功損耗，得到變壓器無功損耗的概率分布函數(shù)。

研究人員利用拉丁超立方采樣獲得變壓器無功損耗樣本，在原有負荷的基礎(chǔ)上，將變壓器無功損耗作為無功負荷施加到系統(tǒng)中，基于概率小擾動穩(wěn)定性方法研究地磁暴對系統(tǒng)的影響，并對比交流系統(tǒng)和交直流混聯(lián)系統(tǒng)抗地磁暴災(zāi)害能力的強弱，為電網(wǎng)磁暴風險評估和有針對性地設(shè)計防治措施提供依據(jù)。

研究人員得出的主要結(jié)論如下：

1）各個變電站的變壓器無功損耗概率分布模型符合韋伯分布。從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，將具有全網(wǎng)群發(fā)性和波動性的變壓器無功損耗作為一種小擾動施加到系統(tǒng)中，并基于振蕩失穩(wěn)函數(shù)提出地磁暴對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響概率評價指標。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生地磁暴時系統(tǒng)的特征根分布向阻尼比小的區(qū)域移動，系統(tǒng)失穩(wěn)概率增加。

2）結(jié)合目前普遍存在的交直流混聯(lián)系統(tǒng)，在研究地磁暴對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響時考慮直流系統(tǒng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)：直流輸電系統(tǒng)的加入在一定程度上改善了發(fā)生地磁暴時系統(tǒng)的區(qū)內(nèi)振蕩阻尼特性，但同時也惡化了區(qū)間振蕩。因此，對于交直流混聯(lián)系統(tǒng)更應(yīng)重視發(fā)生地磁暴時可能引起電力系統(tǒng)區(qū)間振蕩失穩(wěn)的潛在威脅。

3）以地磁暴感應(yīng)電流標準系統(tǒng)為例，研究地磁暴對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的規(guī)律和判據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性計算結(jié)果建立風險評估指標，將系統(tǒng)小干擾失穩(wěn)風險進行量化，以期在考慮小干擾穩(wěn)定阻尼比等約束條件下建立以系統(tǒng)成本、發(fā)電調(diào)整量及小干擾穩(wěn)定性風險最小為目標的多目標優(yōu)化函數(shù)，進行地磁暴災(zāi)害防治。

本文編自2022年第7期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“地磁暴對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響”，作者為王澤忠、司遠 等。論文第一作者為王澤忠，1960年生，博士，高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室（華北電力大學）教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)電磁兼容和電磁場數(shù)值計算。通訊作者為司遠，1993年生，高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室（華北電力大學）博士研究生，研究方向為電網(wǎng)安全運行與災(zāi)變控制。