CN104156543A - 适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，包括以下步骤：基于三维时间相关运行要素分析，确定电网严重故障仿真计算方式边界条件；基于故障后果场景类型遍历，选择故障场景类型；结合重大运行要素变化相关性分析，选择组合排序故障元件；进行严重故障强度的反馈调整。本发明既能全面有效评估和反映电网特定重大运行要素变化相关的可能引发大停电的系统潜在问题，同时又可以有效缩减分析的故障样本空间，为电网实际运行调度提供了严重故障离线分析的有效实现途径。

Description

适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法

技术领域

本发明涉及一种设置方法，具体涉及一种适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法。

背景技术

《电力系统安全稳定控制技术导则》对电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分成了三级：第一级标准是保持稳定运行和电网的正常供电；第二级标准是保持稳定运行，但允许损失部分负荷；第三级标准是当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。与三级安全稳定标准对应的是包括单一故障、单一严重故障和多重严重故障在内的不同严重程度的三类故障。其中单一严重故障包括：单回线单相永久性故障重合不成功或无故障三相断开不重合、任意母线故障、同杆并架双回线异名两相同时发生单相接地故障重合不成功后双回线三相同时跳开、直流输电线路双极故障。多重严重故障包括：故障时开关拒动、故障时继电保护、自动装置误动或拒动、自动调节装置失灵、多重故障、失去大容量发电厂、其他偶然因素。导则对严重故障的具体故障形式做出了明确的说明，但严重故障的其他一些要素：如时间要素(同时发生或相继开断)、因果关系要素(相继开断是否存在因果联系)等却未作说明。在实际应用中，由于缺乏对严重故障具体形式的描述和限定，故障样本空间往往会存在维数灾问题。

在与工程领域相关的实际仿真计算中，为避免分析过于庞大的故障集，往往会根据实际运行经验和问题需求，选择特定的严重故障形式进行仿真分析，这提高了分析问题的针对性，但却无法保证对电网问题的全面覆盖。

近年来，世界各国电力系统电网互联加强以及电力系统的运营模式由传统的垄断经营逐步向电力市场转变等变化趋势，给电网发展带来新的机遇的同时也给电网安全稳定运行带来了新的压力。这些因素的交织使得世界范围内大停电事故频频发生。与此同时，电力系统大停电的故障表现形式也发生了改变。在现代电力系统中，单一故障对系统的影响越来越小。近年所发生的大停电通常与一系列相继开断故障联系在一起。表现为初始扰动后，系统结构或状态发生改变，引起潮流、电压和频率等电气量等的长期变化过程，形成相继开断并最终形成大停电事故。因此，迫切需要能够在较长时间尺度范围内研究和分析这种非线性超大规模电力系统动态特性机理、严重事故特征的动态稳定仿真技术。近年全过程仿真程序的开发及应用为长时间尺度内的电网严重故障分析提供了新的有力工具。它可以实现电力系统多重连锁反应故障后的全动态过程模拟，研究事故本质原因以及防止连锁故障引起大面积停电等反事故措施。威胁电网安全的故障特征的变化，不仅需要新的研究工具，也需要与之相适应的严重故障扰动设置方法。因此，如何针对当前可能威胁电网安全，造成大停电事故的电网严重故障新变化，结合电网运行的实际问题和现实需要，构造适用于全过程仿真的严重故障扰动设置方法，对于开展电网全时间尺度上的相继开断严重故障分析，防控全网范围内的大停电事故意义重大。

由于电网中导致大停电事故发生的往往是相继开断型严重故障，而非简单的多重故障。因此国内外学术界对大电网的严重故障形式，尤其是其中存在因果联系的相继开断故障的故障发生、发展形式进行了重点研究，从元件、系统动态特性及电网拓扑、复杂理论等角度引入了元件级联失效模型、最优潮流连锁停电模型、小世界网络模型以及传统电网连锁故障事故链模型等，相关研究成果从某种程度上或某些方面揭示了故障发展并扩大的可能路径和过程场景，有助于电网应对措施的采取。但这些研究所构筑的故障场景仍存在样本空间过大的问题，而且由于为研究连锁故障而引入的相关模型和理论虽与电力系统有一定的相似性，但有些与电网实际也存在明显的差异性，同时与庞大而复杂的电力系统相比，相关模型和理论仍过于简单。这导致部分研究成果对实际电网运行的指导意义仍有待提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，既能全面有效评估和反映电网特定重大运行要素变化相关的可能引发大停电的系统潜在问题，同时又可以有效缩减分析的故障样本空间，为电网实际运行调度提供了严重故障离线分析的有效实现途径。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：基于三维时间相关运行要素分析，确定电网严重故障仿真计算方式边界条件；

步骤2：基于故障后果场景类型遍历，选择故障场景类型；

步骤3：结合重大运行要素变化相关性分析，选择组合排序故障元件；

步骤4：进行严重故障强度的反馈调整。

所述步骤1中，定义用于严重故障分析的典型运行方式为向量M，以向量O_TB表示三维时间相关运行要素中的电网以往运行经验要素，以向量O_TN表示三维时间相关运行要素中的电网当前运行特点要素，以向量O_TF表示三维时间相关运行要素中的电网未来重大运行变化要素，则存在如下函数关系：

m＝f(o_tb,o_tn,o_tf)

其中，m，o_tb，o_tn，o_tf分别表示向量M，O_TB，O_TN和O_TF的具体元素，即存在m∈M，o_tb∈O_TB，o_tn∈O_TN，o_tf∈O_TF；

基于三维时间相关运行要素向量O_TB，O_TN和O_TF的不同取值，得到用于严重故障分析的典型运行方式m。

所述步骤2中，以向量A表示电网结构严重破坏故障后果场景，以向量B表示电网电气联系严重削弱故障后果场景，以向量C表示电网有功严重不平衡故障后果场景，以向量D表示电网无功严重不平衡故障后果场景，则四种后果场景的组合情况的组合情况共有16种，设故障类型集合为X，则有：

X＝[A,B,C,D,...,E_i,...]

其中，E_i为A、B、C、D四种故障后果场景向量的可能组合，共12种，即1≤i≤12。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：对故障类型集合X中的具体元素继续遍历，只有当具体元素满足任一遍历条件，该具体元素才保留成为有效元素；所有有效的具体元素构成的故障类型集定义为重大运行要素相关性故障类型集X_[RELATED]；

遍历条件包括某重大运行变化要素是否参与故障扰动和该重大运行变化要素是否处于故障后果场景中；

步骤3-2：在根据《电力系统安全稳定控制技术导则》选取某具体故障形式基础上，设定所需要研究的故障最大重数N，按照能形成X_[RELATED]中具体元素的所需故障重数从少到多进行严重故障的组合，即可以确定各具体严重故障涉及的特定元件，得到确定的严重故障集X_{[RELATED，ELEMENT]}。

所述步骤4中，对X_{[RELATED，ELEMENT]]}中所有元素通过电力系统全过程动态仿真程序PSD-FDS进行仿真计算，如出现直接导致功角失稳的情况，表明所设扰动强度过大，则可调整具体严重故障的强度，将相关故障形式设为无故障开断，得到反馈调整后的最终严重故障集X_{[RELATED，ELEMENT，FEEDBACK]}。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所提的应对电网重大运行要素变化的严重故障相继开断扰动设置，为全面有效的分析电网重大运行要素变化带来的系统潜在问题，提供了一种具有良好可操作性，同时又可很好适应不同实际电网的实际情况和实际需求的电网严重故障相继开断扰动设置方法。应用该该方法即可有针对性的全面评估电网潜在问题，又可在很大程度上避免传统严重故障扰动设置存在的维数灾及与电网实际结合不紧密的缺点。

附图说明

图1是适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的目标是在电网大停电事故仿真分析中，在计及电网重大运行要素变化等电网实际情况基础上，全面而高效的评估电网可能引发大停电事故的潜在问题，为实际电网运行的大停电防控仿真分析提供一种规范化的且与电网实际情况和需求紧密结合的具有可操作性的分析方法。为此需要解决现有严重故障设置遍历方法中存在的维数灾问题、以及所设严重故障不能较好反映电网实际情况等问题。本发明针对上述问题，从防控电网大停电角度，确立了适用于全过程仿真的电网严重故障扰动设置目标。并从该设置目标出发，基于三维时间相关运行要素分析对电网严重故障仿真计算方式边界条件进行选取；针对现有基于电网元件进行故障遍历的严重故障设置方法存在的维数灾问题，基于故障后果场景类型遍历对故障场景类型进行选择；在此基础上，结合电网重大运行要素变化，往往容易引发系统潜在问题，导致大停电事故风险的实际情况，结合重大运行要素变化相关性分析对组合排序故障元件进行选取；为提高反映系统潜在问题的效率，进行具体严重故障强度的反馈调整；基于上述所提四项步骤，构建了完整的应对电网重大运行要素变化的严重故障相继开断扰动设置流程，形成了适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法。

电力系统中导致大停电事故的潜在问题总是存在的，故障扰动是使其出现的条件。在仿真计算中设置故障扰动的根本目的是要找到系统中可能的潜在问题。仿真计算中的N-1故障遍历，需要解决的议题是在任何单一元件的扰动下,系统都没有问题；而在严重故障分析中，特别是以防控大停电事故的仿真分析中，则力求回答在任意扰动冲击下,尽可能的找到系统存在的潜在问题,并根据需要，寻找应对措施，避免大停电。因此，电网严重故障扰动设置的总体目标应是反映系统的潜在问题。

如图1，本发明提供一种适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：基于三维时间相关运行要素分析，确定电网严重故障仿真计算方式边界条件；

为提高严重故障分析工作对实际电网的指导意义，不仅故障扰动形式的设置需要有针对性，所选择的计算方式同样要能有针对性的反映实际电网的潜在问题。从时间角度来看，该针对性取决于以下三维时间相关运行要素的分析结果和经验总结：1.对电网以往运行经验的吸收；2.对电网当前特点的全面反映；3.对电网未来重大运行变化要素反映的针对性。

定义用于严重故障分析的典型运行方式为向量M，以向量O_TB表示三维时间相关运行要素中的电网以往运行经验要素，以向量O_TN表示三维时间相关运行要素中的电网当前运行特点要素，以向量O_TF表示三维时间相关运行要素中的电网未来重大运行变化要素，则存在如下函数关系：

m＝f(o_tb,o_tn,o_tf)

其中，m，o_tb，o_tn，o_tf分别表示向量M，O_TB，O_TN和O_TF的具体元素，即存在m∈M，o_tb∈O_TB，o_tn∈O_TN，o_tf∈O_TF；

基于三维时间相关运行要素向量O_TB，O_TN和O_TF的不同取值，得到用于严重故障分析的典型运行方式m。

步骤2：基于故障后果场景类型遍历，选择故障场景类型；

基于大量的仿真计算，可以发现一个事实：无论是单一故障或严重故障，在其故障结束或中间过程的任意时刻t，如在其前一时刻t-1有元件发生故障，则无论该故障有多少种可能的形式，其对系统造成的后果往往类似。从故障后果场景的类型上看，无外乎以下几种：系统结构是否能保证(孤网运行问题)；电网电气联系是否被削弱(可能带来功角稳定问题)；电网运行量(如有功、无功等)是否平衡(频率稳定问题、电压稳定问题)。如果故障后果是相继开断中间过程中某一元件故障导致的，则该后果场景也是后续相继开断继续发生的系统条件。因此从故障后果场景与系统潜在问题的关系来看，存在如下关系：全部的故障后果场景既是系统潜在问题发生的条件，也是相关潜在问题发生后的系统后果。

因此对于严重故障的离线分析，可以从N-1分析中的基于故障元件的遍历思路转变基于故障后果场景类型遍历的思路来设置故障。具体而言，可根据如下的故障后果场景要求设置故障：1.电网结构严重破坏；2.电网电气联系严重削弱；3.电网运行量(有功或无功)严重不平衡；4,在不造成过大暂态冲击的前提下，上述情况的组合。

以向量A表示电网结构严重破坏故障后果场景，以向量B表示电网电气联系严重削弱故障后果场景，以向量C表示电网有功严重不平衡故障后果场景，以向量D表示电网无功严重不平衡故障后果场景，则四种后果场景的组合情况的组合情况共有16种，设故障类型集合为X，则有：

X＝[A,B,C,D,...,E_i,...]

其中，E_i为A、B、C、D四种故障后果场景向量的可能组合，共12种，即1≤i≤12。

其中，根据电网的实际情况可知：电网有功严重不平衡时，对应的高频、低频场景的对电网影响的差异主要取决于功率不平衡量，多数情况下无需穷举，只需高频、低频各选一个典型场景即可，即通常C集合中只有两个元素，电网无功严重不平衡主要出现在受端电网，因此D集合中的元素仅限于受端电网。

步骤3：前述故障后果类型集合X的具体元素数目仍较大，仍需要有针对性的进一步筛选，并由故障场景类型最终确定相应的故障元件。为此结合重大运行要素变化相关性分析，选择组合排序故障元件；

步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：根据电网运行经验，当电网的重大运行要素发生大的变化时，往往容易引起电网运行特性的大幅变化，这些新变化也可能带来更多的设备和装置的匹配问题，这一电网特点变化的过渡期往往大停电事故的风险会明显升高。因此实际电网中更迫切需要的是针对某重大运行要素变化的严重故障扰动选择方法，以反映运行要素变化给电网带来的潜在问题。

因此可以对故障类型集合X中的具体元素继续遍历，只有当具体元素满足任一遍历条件，该具体元素才保留成为有效元素；所有有效的具体元素构成的故障类型集定义为重大运行要素相关性故障类型集X_[RELATED]；

遍历条件包括某重大运行变化要素是否参与故障扰动和该重大运行变化要素是否处于故障后果场景中；

步骤3-2：在根据《电力系统安全稳定控制技术导则》选取某具体故障形式基础上，设定所需要研究的故障最大重数N，按照能形成X_[RELATED]中具体元素的所需故障重数从少到多进行严重故障的组合，即可以确定各具体严重故障涉及的特定元件，得到确定的严重故障集X_{[RELATED，ELEMENT]}。

步骤4：进行严重故障强度的反馈调整；

电网可能导致大停电事故的潜在问题既可能是涉及功角稳定问题的，也可能是非功角稳定问题的，如相关元件和装置的配合问题等。在相继开断的全过程仿真中，如果设定的严重故障扰动冲击过大，直接导致功角失稳，则可能会掩盖其它类型问题的曝露。为适应严重故障全过程仿真的这一特点，因此需要对X_{[RELATED，ELEMENT]]}中所有元素通过电力系统全过程动态仿真程序PSD-FDS进行仿真计算，如出现直接导致功角失稳的情况，表明所设扰动强度过大，则可调整具体严重故障的强度，将相关故障形式设为无故障开断，得到反馈调整后的最终严重故障集X_{[RELATED，ELEMENT，FEEDBACK]}。

仿真分析结果表明，本发明所提出的适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法既能全面有效评估和反映电网特定重大运行要素变化相关的可能引发大停电的系统潜在问题，同时又可以有效缩减分析的故障样本空间，为电网实际运行调度提供了严重故障离线分析的有效实现途径。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：基于三维时间相关运行要素分析，确定电网严重故障仿真计算方式边界条件；

步骤2：基于故障后果场景类型遍历，选择故障场景类型；

步骤3：结合重大运行要素变化相关性分析，选择组合排序故障元件；

步骤4：进行严重故障强度的反馈调整。

2.根据权利要求1所述的适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，其特征在于：所述步骤1中，定义用于严重故障分析的典型运行方式为向量M，以向量O_TB表示三维时间相关运行要素中的电网以往运行经验要素，以向量O_TN表示三维时间相关运行要素中的电网当前运行特点要素，以向量O_TF表示三维时间相关运行要素中的电网未来重大运行变化要素，则存在如下函数关系：

m＝f(o_tb,o_tn,o_tf)

其中，m，o_tb，o_tn，o_tf分别表示向量M，O_TB，O_TN和O_TF的具体元素，即存在m∈M，o_tb∈O_TB，o_tn∈O_TN，o_tf∈O_TF；

基于三维时间相关运行要素向量O_TB，O_TN和O_TF的不同取值，得到用于严重故障分析的典型运行方式m。

3.根据权利要求1所述的适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，其特征在于：所述步骤2中，以向量A表示电网结构严重破坏故障后果场景，以向量B表示电网电气联系严重削弱故障后果场景，以向量C表示电网有功严重不平衡故障后果场景，以向量D表示电网无功严重不平衡故障后果场景，则四种后果场景的组合情况的组合情况共有16种，设故障类型集合为X，则有：

X＝[A,B,C,D,...,E_i,...]

其中，E_i为A、B、C、D四种故障后果场景向量的可能组合，共12种，即1≤i≤12。

4.根据权利要求1所述的适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：对故障类型集合X中的具体元素继续遍历，只有当具体元素满足任一遍历条件，该具体元素才保留成为有效元素；所有有效的具体元素构成的故障类型集定义为重大运行要素相关性故障类型集X_[RELATED]；

遍历条件包括某重大运行变化要素是否参与故障扰动和该重大运行变化要素是否处于故障后果场景中；

步骤3-2：在根据《电力系统安全稳定控制技术导则》选取某具体故障形式基础上，设定所需要研究的故障最大重数N，按照能形成X_[RELATED]中具体元素的所需故障重数从少到多进行严重故障的组合，即可以确定各具体严重故障涉及的特定元件，得到确定的严重故障集X_{[RELATED，ELEMENT]}。

5.根据权利要求4所述的适用于全过程仿真的电网严重故障相继开断扰动设置方法，其特征在于：所述步骤4中，对X_{[RELATED，ELEMENT]]}中所有元素通过电力系统全过程动态仿真程序PSD-FDS进行仿真计算，如出现直接导致功角失稳的情况，表明所设扰动强度过大，则可调整具体严重故障的强度，将相关故障形式设为无故障开断，得到反馈调整后的最终严重故障集X_{[RELATED，ELEMENT，FEEDBACK]}。