CN101592700B - 基于事故链的大电网连锁故障分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于事故链的大电网连锁故障分析方法，该方法是将事故链理论应用于连锁故障分析，用事故链理论指导故障选择，将故障选择限制在供电路径上，采用交替的潮流计算和稳定计算进行分析，并综合考虑连锁故障过程中的过载、稳定、保护动作性能和自动装置的动作情况。进行连锁故障分析时，采用元件停运的显式和隐式连锁方法在每一条供电路径上搜寻引起区域停电事故的停运元件组合，得到以元件停运表示的事故链形式；考虑连锁故障事故链环节的显式触发和隐式触发选择，对隐式触发事件的搜索深度设定为相邻区域，即本线路所在断面上的上或下一级断面；考虑事故链环节触发的潮流转移造成残余网络供电路径的变化。本发明可用于电力系统大电网连锁故障分析。

Description

基于事故链的大电网连锁故障分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统电网故障分析方法，属电力电网技术领域。

背景技术

目前对电网连锁故障进行分析的方法主要有模式搜索法、基于复杂系统理论的模型法和基于复杂网络理论的模型法。这些方法的主要目的是进行连锁故障机理的认知分析。将这些方法应用于分析实际电网的连锁故障存在计算量大或者由于过度简化影响实际应用分析效果等缺陷。

模式搜索方法主要是通过建立符合电网实际物理过程的模型和算法对电网的连锁故障进行模拟，采用抽样方法和概率方法选择故障，不仅计算组合多而导致计算量增大，而且在故障选择上可能遗漏概率较小的连锁故障模式。而且，目前采用模式搜索法进行的研究，一般都不考虑稳定性问题，也很少综合考虑连锁故障过程中的过载、稳定、保护动作性能和自动装置的动作情况，因此搜索结果仅仅代表某一个方面的连锁故障模式。虽提高了计算速度，却降低了计算精度，因此，现有的模式搜索法一直未能进入实用化阶段。

后两类方法对实际电网进行了大量的简化，因而这类方法在真实反映实际电网的情况方面存在着很大的缺陷，只能作为一种定性的连锁故障机理分析方法。基于复杂系统和网络理论的模型法的研究现状距离实际应用还十分遥远。

本发明选择对现有模式搜索法进行改进，构建新的适应大电网连锁故障分析需求的分析方法。建立连锁故障实用化分析方法，必须综合考虑连锁故障过程中的过载、稳定、保护动作性能和自动装置的动作情况，分析计算量必须限制在工程可接受的程度，并且必须有可选择的分析计算工具或能够在项目周期内开发新的分析计算工具。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有模式搜索法对电网故障分析中存在的诸多问题，将事故链理论应用于连锁故障分析，提出一种实用的连锁故障分析方法，采用现有潮流、稳定分析工具，针对省级区域电网，建立区域电网的连锁故障模式。

事故链理论认为电网大事故极少是由一个原因引起的，而是在多个条件同时满足的情况下由相关诱发因素诱发而产生的，这些同时满足的条件就象链条一样把各个环节连接在一起时，任何一个条件不满足，事故就不会发生。而电力系统连锁故障是指电网一个元件或一部分元件出现的问题波及了电网的其它部分从而使其它元件不能正常工作，或诱发了新的问题，即电网最初发生的事件以连锁的方式导致了新的事件的出现，然后以连锁的方式进一步导致了更新的事件出现，如果这种连锁效应持续发展，其结果就像“多米诺骨牌效应”一样，造成电网的恶性事故。事件之间的连锁性、相关性是这类事件的典型特点。显然，连锁故障符合上述事故链理论的基本思想，事故链是表征连锁故障的有效工具。本发明的核心就是将事故链理论与电力系统连锁故障结合起来分析大电网连锁故障的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明方法是将事故链理论应用于连锁故障分析，用事故链理论指导故障选择，将故障选择限制在供电路径上，采用交替的潮流计算和稳定计算进行分析，并综合考虑连锁故障过程中的过载、稳定、保护动作性能和自动装置的动作情况。

1、在供电路径上选择故障进行连锁故障分析

供电路径根据电力系统潮流有向图确定。电力系统有向图与电力系统某种特定的运行方式一一对应，即电力系统任何一种特定的运行方式都可以采用对应的有向图表征，当电力系统运行方式发生变化时，有向图也发生变化。根据连锁分析需要，停运的电力系统元件不包括在电力系统有向图中，因为其潮流为零，不能表示其方向；对分析结果没有实质性影响的元件可以不包括在电力电力系统有向图中。

设向区域A_i供电的路径有m条，表示为C₁₁C₁₂…C_1l，C₂₁C₂₂…C_2n，…，C_m1C_m2…C_mk，其中C_ij为第i条供电路径的第j个元件。即

R＝C₁₁C₁₂…C_1l+C₂₁C₂₂…C_2n+…+C_m1C_m2…C_mk

只有当所有供电路径都被切断时才引发区域A_i停电事故，可以用R＝0或R＝1表示区域A_i的停电事故。

R＝C₁₁C₁₂…C_1l+C₂₁C₂₂…C_2n+…+C_m1C_m2…C_mk

＝C₁₁C₁₂…C_1l·C₂₁C₂₂…C_2n·…·C_m1C_m2…C_mk

＝(C₁₁+C₁₂+…+C_1l)·(C₂₁+C₂₂+…+C_2l)·…·(C_m1+C_m2+…+C_ml)

对上式进行逻辑变形，并进行不交化运算，将其变换成如下形式：

R＝E₁+E₂+…+E_q

式中，E_i具有如下形式：E_i＝C₁…C_aC_b…C_p。C_j表示元件C_j停运，C_j停运可能是正常停运和故障停运(包括出现稳定问题停运)。

令E_i中L_i＝C_b…C_p，当L_i＝1时，R＝1。根据事故链的概念，L_i是造成区域A_i停电的事故链之一。这样，理论上可以得到区域A_i停电的所有事故链。所有事故链的集合表示为

L＝{L1，L2，…，Lq}

可见，若分析供电路径R上任一元件停运对其它元件的影响和多个元件停运是否会造成区域A_i的停电事故，就可以得到区域A_i停电事故的所有连锁故障事故链L。

假设一个连锁故障由事件S₁开始，S₁连锁诱发了事件S₂，S₂连锁诱发了事件S₃，依次类推，S_n-1连锁诱发了事件S_n，并因此导致区域A_i的停电事故，则区域A_i的停电事故可以表示为：R_k＝S₁S₂…S_n。任何一个连锁事件S_i不出现(S_i＝0)，都不会导致区域A_i的停电事故发生(R_k＝0)。

2、采用元件停运的显式和隐式连锁方法在每一条供电路径上搜寻引起区域A_i停电事故的停运元件组合

在分析供电路径R上任一元件停运对其它元件的影响和多个元件停运是否会造成区域A_i的停电事故，就可以得到区域A_i停电事故的所有连锁故障事故链L。因此，本发明采用元件停运的显式和隐式连锁方法在每一条供电路径上搜寻引起区域A_i停电事故的停运元件组合，得到以元件停运表示的事故链形式。

一个元件的故障停运可能造成系统稳定问题，从而引起其它元件的停运；一个元件停运引起潮流转移可能造成其它元件的过载，也可能引起其它元件的停运；这些情况属于显式连锁。这类显式连锁问题可以通过稳定计算和潮流计算得到。本发明在分析中为了得到事故链，采用了交替的稳定计算和潮流计算。

供电路径上的元件停运可能由于多种原因引起，包括手动操作停运、保护动作切除、自动装置切除以及供电路径上的上级元件停运。考虑这些因素后，区域A_i停电事故的停运元件组合可以用元件停运原因的组合来表征，从而得到以停运原因表示的事故链形式。

3、通过基于事故链的连锁故障分析发现电力系统电网的薄弱环节。

事故链的本质特征之一是“事故链的环节条件满足得越多，事故越容易发生”。为了能够比较在实际条件下两个事故链L_i、L_k哪一个更容易促使事故发生，可以定义事故链条件函数为：

$T\left(L_i\right)=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{Hij}}^{\′}{t}_{\mathrm{ij}}^{\′}$

式中，如果条件T_ij满足，则t′_ij＝1；如果条件T_ij不满足，则t′_ij＝0；r′_Hij为条件T_ij的权系数，表示T_ij在事故链中的重要程度，且满足 $\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{Hij}}^{\′}=1.$

对每一个事故链，当所有环节条件都不满足时，T(L_i)＝0；当所有环节条件都得到满足时，T(L_i)＝1。各个不同的事故链具有可比性，可以比较两个事故链中哪一个更容易促使事故发生。

根据事故链条件函数，在分析电力系统事故链时，需要考虑引发电力系统事故的各个环节条件满足的可能性及其相互之间的连锁关系。

在引发电力系统事故的多条事故链中，选取m条条件函数值比较大的事故链，按照各环节条件出现的次数及其r′_Hij值可以确定电力系统的薄弱环节。

4、考虑事故链环节触发的潮流转移造成残余网络供电路径的变化

当电网中某一支路切除后，该支路上的原有潮流将按照一定比例转移到电网中的其它支路上。一旦网络的拓扑结构确定，当电网中的潮流发生变化时，网络参数一般不会发生变化。当切除的线路潮流很大的时候，转移到相邻线路上的潮流也相应很大，容易造成相邻输电元件出现连锁过载情况，特别是，当较高电压等级的线路(潮流较大)切除后，容易造成较低电压等级线路(热极限较小)连锁过载。过载线路可能是被切除线路的上游线路、下游线路或同一断面的线路。当线路过载发生后，如果装设了减载装置，装置将自动降低负载，维持线路正常运行。若减载量不够或没有装设减载装置，将引起过载线路跳闸停运，跳闸线路原有的负荷将转移至其它线路，这种潮流转移将使残余网络供电路径发生变化，导致其它线路发生过载，从而引起新一轮的连锁跳闸，进而引发大面积停电。因此，在后续的连锁故障分析中，将按照新的供电路径来分析并重点考虑过载线路的连锁跳闸问题。

5、考虑连锁故障引起的功角稳定问题和电压稳定问题

电力系统稳定与转移阻抗密切相关。当断面上某线路切除时，供电路径上游的电源点对断面上(和下游线路)发生故障的点之间的转移阻抗增大，供电路径上游的电源点对负荷点的转移阻抗也增大，引起电力系统功角稳定性和电压稳定性下降。断面线路切除越多，稳定性下降得越严重。

当供电路径上第i重故障发生后，连锁的第i+1重故障可能引起功角稳定问题和电压稳定问题，系统稳定性变差。因此，本项目在连锁故障分析中，将考虑连锁故障引起的功角稳定问题和电压稳定问题。

6、在连锁故障分析中，考虑连锁故障事故链环节的显式触发和隐式触发问题。

事故链环节显式触发可以通过潮流和稳定分析得到；而事故链环节隐式触发涉及分析过程中的搜索深度问题，即初始故障发生后，需要搜索多少重隐式事件？该问题与计算量密切相关，与保护和自动装置的配置、性能和整定密切相关，对隐式触发事件的搜索深度设定为相邻区域，即本线路所在断面的上(或下)一级断面。

连锁故障分析主要方法是故障选择(涉及保护动作性能)、潮流分析(涉及过载)和稳定分析(涉及自动装置的动作情况)等问题。采用潮流、稳定分析工具(如PSASP、BPA等)，研究区域电网的连锁故障模式，确定区域电网连锁故障的特征，在此基础上，进而确定区域电网的薄弱环节，具体方法为：

1、首先进行潮流计算，确定该运行方式的主潮流方向。

2、然后对待分析区域A_i，初始故障在向区域A_i供电的主潮流方向上选择；

3、之后的下一重故障按照事故链环节显式触发和隐式触发方式选择。

为了简化计算，考虑从潮流末端的线路开始进行潮流计算，这样下一重故障可以考虑平行路径上的线路或上一级线路。由于连锁故障一般发生的时间间隔较长，下一重故障可以在上一重故障过渡过程结束后再设定。对每一重故障，先进行稳定计算，确定是否由事故链环节触发了稳定问题；然后进行故障后残余网络的潮流计算，确定是否出现过载，并确定是否因潮流方向发生变化而需要调整下一重故障的选择。

本发明与现有技术相比的有益效果是，本发明真实反映了电力系统电网的真实情况，综合考虑了连锁故障过程中的过载、稳定、保护动作性能和自动装置的动作等问题，本发明提出的基于事故链的连锁故障分析方法，已在某电网分析研究及某省电网规划建设中得到了实际应用，使大电网连锁故障研究首次从理论研究成功地跨入工程实际应用，对大电网预防大面积停电事故具有重要理论意义和实际意义。

本发明可用于电力系统大电网连锁故障分析。

附图说明

附图为本发明的搜索流程图

具体实施方式

根据某省电网确定的2010年运行方式，我们应用连锁故障分析方法，得出了某省电网典型连锁故障模式和薄弱环节，现以该省某地区电网为例说明，下表为该省某地区的典型大停电连锁故障。

表2-1某省某地区由连锁故障导致大停电的典型模式

运行方式

初始扰动

后续扰动1

后续扰动2

后续扰动3

后续扰动4

电网最终状况

夏季大负荷

220kVI线切除

220kVII线切除

220kVI线切除

220kVII线切除

**地区大面积停电

夏季大负荷

220kVI线切除

220kVII线切除

220kVI线切除

220kVII线切除

**地区大面积停电

夏季大负荷

500kVI线切除

500kV II线切除

220kV切除(过载)

220kV线切除(过载)

**地区电压失稳，**地区大面积停电

冬季大负荷

500kVI线切除

500kVII线切除

220kVI线切除

220kV II线切除(过载)

220kV线切除(过载)；220kV双回线切除(过载)

**电厂机组失稳；**地区大面积停电

冬季大负荷

500kVI线切除

500kVII线切除

220kV线切除(过载)

220kV线切除(过载)

220kV线切除(过载)

**地区电压崩溃，大面积停电

冬季大负荷

500kVI线切除

500kVII线切除

220kV线切除(过载)

220kV线切除(过载)

220kV线切除(过载)

**地区电压崩溃，大面积停电

冬季大负荷

500kVI线切除

500kVII线切除

220kV线切除(过载)

220kV线切除(过载)

220线切除(过载)

**电厂机组失稳，**地区电压崩溃，大面积停电

由表2-1可知该省某地区电网连锁故障模式为：

(1)在500千伏线路和220千伏线路构成电磁环网中，承担主要输送潮流任务的500千伏线路断开后，潮流全部转移到与之平行的220千伏输电线路上，由于220千伏线路输送容量有限，造成这些线路过载。如不能及时采取稳定控制措施，将导致这些220千伏线路因过载发生故障被切除，并最终造成整个输电断面断开，形成大面积停电事故。

(2)由于发电厂送出线为多回多方向，且各线路输送电力的能力不同。当输送容量较大的一回或多回送出线因故障断开后，将导致其他的送出线出现过载，如果不能及时采取稳定控制措施降低这些过载线路的潮流，将导致这些送出线路因发生过载，保护装置动作后导致线路接连被切除，最终造成发电厂全停，整个地区失去电力供应。

电网分析表明：在连锁故障事故链的任何一个可控环节采取控制措施都可以防止连锁故障演变成大停电事故，并且越是在连锁故障发生的初期采取措施，对电网造成的负面影响越小，这就是预防电网大面积停电事故的早期干预的基本依据。

Claims (1)

1.一种基于事故链的大电网连锁故障分析方法，其特征是，所述方法是将事故链理论应用于连锁故障分析，用事故链理论指导故障选择，将故障选择限制在供电路径上，采用交替的潮流计算和稳定计算进行分析，并综合考虑连锁故障过程中的过载、稳定、保护动作性能和自动装置的动作情况，研究区域电网的连锁故障模式，确定区域电网连锁故障的特征，在此基础上，进而确定区域电网的薄弱环节，具体步骤为：

(1)在供电路径上选择故障进行连锁故障分析；

(2)采用元件停运的显式和隐式连锁方法在每一条供电路径上搜寻引起区域A_i停电事故的停运元件组合；

(3)通过基于事故链的连锁故障分析发现电力系统电网的薄弱环节；

(4)考虑事故链环节触发的潮流转移造成残余网络供电路径的变化；

(5)考虑连锁故障引起的功角稳定问题和电压稳定问题；

(6)在连锁故障分析中，事故链环节显式触发可以通过潮流和稳定分析得到；隐式触发方式对隐式触发事件的搜索深度设定为相邻区域，即线路所在断面上或下一级断面；

所述电网的薄弱环节的确定，具体方法为：

①首先进行潮流计算，确定该运行方式的主潮流方向；

②然后对待分析区域A_i，初始故障在向区域A_i供电的主潮流方向上选择；

③之后的下一重故障按照事故链环节显式触发和隐式触发方式选择。

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