CN104901306B - 一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法，包括步骤一)给出分析安全裕度的数学模型和步骤二)给出求解安全裕度分析模型的算法。本发明在考虑连锁故障的条件下，给出了一套计算电网运行安全裕度的方法和软件，可帮助电网确定其当前的运行状态与触发连锁故障的运行边界之间的最短距离，进而可以随时把握电网当前发生连锁故障事件的危险程度。如果电网要采取措施以远离连锁故障事件的威胁，也可以通过安全裕度分析取得依据，安全裕度越大，距离连锁故障事件自然越远，也就越安全。

Description

一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法

技术领域

本发明涉及一种计算方法，尤其涉及一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法。

背景技术

在当今时代，随着经济的发展和技术的进步，电网的大规模互联已经成为世界各国电力系统发展的必然趋势，而电网的大规模互联在取得经济效益和资源利用效率的同时，也使得维护电力系统的安全运行问题变得日益复杂，一旦发生大范围的停电事故，其造成的损失往往是比较严重的。近年来世界范围内发生的一些大停电事故表明，大停电事故通常都是由连锁故障引起的，而连锁故障的发生又通常始发于一些简单的故障，简单故障发生后，随着连锁效应的不断放大，最终大范围地波及电网，造成事故。所以，连锁故障是世界各国电力工作者都比较关注的问题。

一次大停电事故中的连锁故障通常既涉及到电力系统中各元件运行参数的复杂变化过程，也涉及到继电保护、安全自动装置等二次设备的动作以及电网拓扑结构的不断变化，所以其过程通常是非常复杂的。

现有的统计分析和研究表明，连锁故障的早期发展阶段通常表现为电网潮流转移引起的支路连锁过载，连锁过载后的支路可能被后备保护切除，进而退出运行，再引发新一轮的潮流转移，依次类推。一般当电网被削弱到一定的程度后，连锁故障表现为复杂的动态过程。

所以，开发针对电网连锁故障的分析方法和技术，可以针对整个连锁故障的长过程来展开，也可以针对连锁故障的某一段场景展开。

(1)针对连锁故障长过程的分析方法和技术

由于电网长过程连锁故障的复杂性，对整个大停电事故中的连锁故障过程进行完整地建模和模拟通常是比较困难的，一般需要给出一定的假设条件或针对一些特定的连锁故障模式加以分析。近年来针对长过程连锁故障的主要方法和技术成果主要有：1)连锁故障的仿真模拟方法和技术；2)基于复杂系统理论的分析方法和技术；3)基于复杂网络理论的分析方法和技术。

(2)针对连锁故障某一阶段的分析方法和技术

针对连锁故障某一段场景的技术，一般主要针对连锁故障的早期阶段展开，其主要思想是考虑到连锁故障早期的发展动因是故障线路停运造成的负荷转移，其发展速度较为缓慢，有较为充裕的时间采取措施，而且对连锁故障的预防越早阻断其发展路径也越为有利。近年来涌现出来的主要技术方法有：1)基于广域信息的潮流转移识别，以及基于潮流转移识别的广域后备保护；2)基于本地信息的潮流转移识别和系统保护；3)对初始故障产生的潮流转移所关联的输电断面进行识别以及输电断面保护；4)根据初始故障发生后电网是否因潮流转移诱发下一轮连锁过载跳闸，辨识电网的脆弱支路。而传统的技术主要是电力系统的静态安全分析和控制技术。

静态安全技术的主要思路是：首先设定初始预想故障，然后通过快速的潮流转移分析方法计算预想故障产生的后果，进而根据其后果筛选出比较严重的预想故障，最后再通过详细的潮流计算来校验前面已经筛选出来的预想故障所产生的后果。静态安全分析技术比较成熟，目前在电力系统中得到了比较广泛的应用。

辨识电网的脆弱支路的方法主要有基于潮流熵测度的连锁故障脆弱线路评估技术，该技术采用的与电网运行水平相关的主要概念是“熵”。该技术首先使用潮流熵的概念来反映电网的节点过负荷水平，也就是电网的运行水平是否过高，并论证了节点过负荷水平和电网发生初始线路过载故障之间的关系，指出潮流熵水平越高，电网越容易发生初始线路过载故障，系统越脆弱。其次，该技术采用潮流转移熵的概念来反映初始断开线路所产生的潮流转移对系统剩余线路发生连锁故障的影响，通过论证指出：线路潮流转移熵越小，表明初始断开线路的潮流转移冲击分布越聚集在少数线路上，能量冲击聚集的线路更容易过载诱发连锁跳闸，因此，线路的潮流转移熵越小，该线路越是脆弱，越容易引起连锁故障。然后该技术进一步制定了衡量连锁跳闸的严重度指标，并依据此严重度指标来测度电网的脆弱线路。

术语解释：

连锁故障：当电网中某个元件因故障退出运行后，引起电力系统各元件电气量的重新调整，进而引起其他元件相继退出运行的现象。

初始故障：电网连锁故障的第一个故障，或在分析连锁故障现象时所考虑的第一个故障。

考虑连锁故障的电网临界运行状态：当电网中发生初始故障后，该初始故障是否可以引发连锁故障，这与电网的运行状态是密切相关的，同样的一个初始故障，在有的运行状态下可以引发连锁故障，而在有的运行状态下则不能引发连锁故障，刚好使得该初始故障能够触发连锁故障的运行状态即是电网临界运行状态。

考虑连锁故障的电网运行边界：当电网中发生初始故障后，刚好使得该初始故障能够触发连锁故障的运行状态集合。

考虑连锁故障的电网运行安全裕度：当电网中发生初始故障后，电网的当前运行状态与考虑连锁故障的电网运行边界之间的最短距离。

上述技术均缺乏针对连锁故障的安全裕度的分析，不能掌握电网当前的运行状态与刚好可以触发连锁故障的运行边界之间的最小距离。实际的电网其运行状态复杂多变，不能从电网运行水平的角度掌握电网对于连锁故障的安全裕度，就将缺乏了解和把握电网当前的运行状态对于发生连锁故障的危险程度，这显然是不合适的。

发明内容

为解决上述问题本发明提供了一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法。本发明给出了根据电网的运行状态，确定其对于考虑连锁故障的电网运行安全裕度的计算方法。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法，包括如下步骤：

步骤一)给出分析安全裕度的数学模型：包括如下步骤：

1.1给出评价电网在潮流转移后处于连锁跳闸临界状态的模型，具体方法如下：设起初正常运行的电网，当其某一支路L_j因故障切除后，电网将发生潮流转移，潮流转移后，根据电网剩余系统中任一支路L_i的电气量及其后备保护的动作方程，定义如式(1)的表示电气距离的变量ω_i·dist：

ω_i·dist＝(ω_i)²-(ω_i·lim)² (1)

ω_i·dist所表示的含义是：当ω_i·dist≥0时，支路L_i由后备保护予以切除，而当ω_i·dist<0时，支路L_i不会被后备保护切除；式(1)中，ω_i和ω_i·lim是由支路L_i的电气量及保护的定值形成的参量，具体形式可根据支路L_i的后备保护是电流保护还是距离保护或其他形式的保护及其动作方程给出；若电网共有l条支路，则由式(1)可得出是如式(2)的矩阵J：

J＝diag(ω_1·dist,…,ω_i·dist,…,ω_l·dist) (2)

当矩阵J奇异时，电网处于发生连锁过载跳闸的临界点，由式(1)和式

(2)得出评价电网在潮流转移后处于连锁跳闸临界状态的模型为式(3)：

1.2给出考虑连锁故障的电网运行安全裕度分析模型：

设电网的安全裕度为F，采用电网当前的节点注入功率和边界运行状态的节点注入功率之间的最短距离衡量安全裕度，则有式(4)：

其中，P′_m为电网当前节点m注入的有功功率，Q′_m分别为电网当前节点m注入的无功功率，P_m为待定的满足式(4)的节点m的有功注入功率，Q_m为待定的满足式(4)的节点m的无功注入功率；x为系统的状态变量，u是由P_m和Q_m(m＝1,2，…，N)组成的处于电网运行边界上的节点注入功率向量，N为电网的总节点数；

设在正常运行情况下，u应满足的电网的约束方程表示为式(5)：

其中，x⁰为电网正常运行情况下的状态变量，h⁰为电网正常运行情况下代表潮流方程的等式约束映射关系，g⁰为电网正常运行情况下由节点电压和发电机所发的有功和无功功率以及支路功率等参量的上下限所确定的不等式约束关系；

支路L_j切除后，u应满足的电网的等式约束方程为式(6)：

h^j(x^j,u)＝0 (6)

其中，x^j为支路L_j切除后电网的状态变量，h^j为支路L_j切除后代表电网潮流方程的等式约束映射关系；

综合式(3)-式(6)得到考虑连锁故障的电网运行安全裕度的分析模型式(7)：

步骤二)给出求解安全裕度分析模型的算法：根据式(7)的安全裕度分析模型定义惩罚函数，计算出电网的安全裕度值F。

进一步的改进，所述步骤二)中，采用综合内点法和外点法的混合算法计算出电网的安全裕度值F。

进一步的改进，将步骤二)中的安全裕度分析模型和混合算法编辑为计算机程序。

本发明的优点：

本发明在考虑连锁故障的条件下，给出了一套计算电网运行安全裕度的方法和软件，可帮助电网确定其当前的运行状态与触发连锁故障的运行边界之间的最短距离，进而可以随时把握电网当前发生连锁故障事件的危险程度。如果电网要采取措施以远离连锁故障事件的威胁，也可以通过安全裕度分析取得依据，安全裕度越大，距离连锁故障事件自然越远，也就越安全。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法，包括如下步骤：

步骤一)给出分析安全裕度的数学模型：包括如下步骤：

1.1给出评价电网在潮流转移后处于连锁跳闸临界状态的模型，具体方法如下：设起初正常运行的电网，当其某一支路L_j因故障切除后，电网将发生潮流转移，潮流转移后，根据电网剩余系统中任一支路L_i的电气量及其后备保护的动作方程，定义如式(1)的表示电气距离的变量ω_i·dist：

ω_i·dist＝(ω_i)²-(ω_i·lim)² (1)

ω_i·dist所表示的含义是：当ω_i·dist≥0时，支路L_i由后备保护予以切除，而当ω_i·dist<0时，支路L_i不会被后备保护切除；式(1)中，ω_i和ω_i·lim是由支路L_i的电气量及保护的定值形成的参量，具体形式可根据支路L_i的后备保护是电流保护还是距离保护或其他形式的保护及其动作方程给出；若电网共有l条支路，则由式(1)可得出是如式(2)的矩阵J：

J＝diag(ω_1·dist,…,ω_i·dist,…,ω_l·dist) (2)

当矩阵J奇异时，电网处于发生连锁过载跳闸的临界点，由式(1)和式(2)得出评价电网在潮流转移后处于连锁跳闸临界状态的模型为式(3)：

1.2给出考虑连锁故障的电网运行安全裕度分析模型：

设电网的安全裕度为F，采用电网当前的节点注入功率和边界运行状态的节点注入功率之间的最短距离衡量安全裕度，则有式(4)：

其中，P′_m为电网当前节点m注入的有功功率，Q′_m分别为电网当前节点m注入的无功功率，P_m为待定的满足式(4)的节点m的有功注入功率，Q_m为待定的满足式(4)的节点m的无功注入功率；x为系统的状态变量，u是由P_m和Q_m(m＝1,2，…，N)组成的处于电网运行边界上的节点注入功率向量，N为电网的总节点数；

设在正常运行情况下，u应满足的电网的约束方程表示为式(5)：

其中，x⁰为电网正常运行情况下的状态变量，h⁰为电网正常运行情况下代表潮流方程的等式约束映射关系，g⁰为电网正常运行情况下由节点电压和发电机所发的有功和无功功率以及支路功率等参量的上下限所确定的不等式约束关系；

支路L_j切除后，u应满足的电网的等式约束方程为式(6)：

h^j(x^j,u)＝0 (6)

其中，x^j为支路L_j切除后电网的状态变量，h^j为支路L_j切除后代表电网潮流方程的等式约束映射关系；

综合式(3)-式(6)得到考虑连锁故障的电网运行安全裕度的分析模型式(7)：

步骤二)给出求解安全裕度分析模型的算法：根据式(7)的安全裕度分析模型定义惩罚函数，采用综合内点法和外点法的混合算法计算出电网的安全裕度值F。将安全裕度分析模型和混合算法编辑为计算机程序。

本发明将采用C语言或其他高级语言，步骤二)中给出的惩罚函数形式和求解算法编制软件，软件是通用的，运行时，只要输入电网的参数即可，包括电网的结构和元件参数，节点类型等基本参数即可。软件的编制只需要普通的PC机或笔记本电脑，只要配置了相关高级语言的编译或解释系统即可，不需要专门的系统装置。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)给出分析安全裕度的数学模型：包括如下步骤：

1.1给出评价电网在潮流转移后处于连锁跳闸临界状态的模型，具体方法如下：设起初正常运行的电网，当其某一支路L_j因故障切除后，电网将发生潮流转移，潮流转移后，根据电网剩余系统中任一支路L_i的电气量及其后备保护的动作方程，定义如式(1)的表示电气距离的变量ω_i·dist：

ω_i·dist＝(ω_i)²-(ω_i·lim)² (1)

ω_i·dist所表示的含义是：当ω_i·dist≥0时，支路L_i由后备保护予以切除，而当ω_i·dist<0时，支路L_i不会被后备保护切除；式(1)中，ω_i和ω_i·lim是由支路L_i的电气量及保护的定值形成的参量，具体形式可根据支路L_i的后备保护是电流保护还是距离保护或其他形式的保护及其动作方程给出；若电网共有l条支路，则由式(1)可得出是如式(2)的矩阵J：

J＝diag(ω_1·dist,…,ω_i·dist,…,ω_l·dist) (2)

当矩阵J奇异时，电网处于发生连锁过载跳闸的临界点，由式(1)和式(2)得出评价电网在潮流转移后处于连锁跳闸临界状态的模型为式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}\left|J\right|=0\\ {\mathrm{\&omega;}}_{i\&CenterDot;dist}\&le;0,i\&NotEqual;j,i=1,2,\mathrm{...},l\end{array}\right.---\left(3\right)$

1.2给出考虑连锁故障的电网运行安全裕度分析模型：

设电网的安全裕度为F，采用电网当前的节点注入功率和边界运行状态的节点注入功率之间的最短距离衡量安全裕度，则有式(4)：

$\min F(x,u)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\&lsqb;{(p_m-P_m^{\&prime;})}^2+{(Q_m-Q_m^{\&prime;})}^2\&rsqb;---\left(4\right)$

其中，P′_m为电网当前节点m注入的有功功率，Q′_m分别为电网当前节点m注入的无功功率，P_m为待定的满足式(4)的节点m的有功注入功率，Q_m为待定的满足式(4)的节点m的无功注入功率；x为系统的状态变量，u是由P_m和Q_m(m＝1,2，…，N)组成的处于电网运行边界上的节点注入功率向量，N为电网的总节点数；

设在正常运行情况下，u应满足的电网的约束方程表示为式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{h}^0(x^0,u)=0\\ g^0(x^0,u)\&le;0\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，x⁰为电网正常运行情况下的状态变量，h⁰为电网正常运行情况下代表潮流方程的等式约束映射关系，g⁰为电网正常运行情况下由节点电压和发电机所发的有功和无功功率以及支路功率等参量的上下限所确定的不等式约束关系；

支路L_j切除后，u应满足的电网的等式约束方程为式(6)：

h^j(x^j,u)＝0 (6)

其中，x^j为支路L_j切除后电网的状态变量，h^j为支路L_j切除后代表电网潮流方程的等式约束映射关系；

综合式(3)-式(6)得到考虑连锁故障的电网运行安全裕度的分析模型式(7)：

$\left\{\begin{array}{c}\min F(x,u)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\&lsqb;{(p_m-P_m^{\&prime;})}^2+{(Q_m-Q_m^{\&prime;})}^2\&rsqb;\\ \begin{array}{cc}s.t.& h^0(x^0,u)=0\\ & h^j(x^j,u)=0\\ & \left|J\right|=0\\ & g^0(x^0,u)\&le;0\\ & {\mathrm{\&omega;}}_{i\&CenterDot;dist}\&le;0,i\&NotEqual;j,i=1,2,\mathrm{...},l\end{array}\end{array}\right.---\left(7\right)$

步骤二)给出求解安全裕度分析模型的算法：根据式(7)的安全裕度分析模型定义惩罚函数，计算出电网的安全裕度值F。

2.如权利要求1所述的考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法，其特征在于，所述步骤二)中，采用综合内点法和外点法的混合算法计算出电网的安全裕度值F。

3.如权利要求2所述的考虑连锁故障的电网运行安全裕度计算方法，其特征在于，将步骤二)中的安全裕度分析模型和混合算法编制为计算机程序。