CN104993466B - 一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法，用于求解系统的连锁故障路径，该快动态仿真方法包括如下步骤：A、初始化电网，确定发电机出力、负荷需求及网架结构；B、模拟随机首故障，首故障包括交流线路故障和/或直流线路故障和/或发电机故障；C、判断首故障发生后，系统是否崩溃；若系统崩溃，则仿真结束；若系统未崩溃，则进入步骤D；D、第K次计数，进行交直流系统交替解耦稳定计算，模拟下级故障；E、判断下级故障发生后，系统是否崩溃；若系统崩溃，则仿真结束，确认系统发生连锁故障；若系统未崩溃，则K加1，进入步骤D迭代计算；F、当K等于Kmax时，仿真结束，认为系统不会发生连锁故障。本发明的仿真方法可以解决传统的纯交流电网中的连锁故障模型不适用于交直流混合电网的问题。

Description

一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法

技术领域

本发明涉及一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法。

背景技术

电力工业的发展是整个国家经济发展水平的重要标志。随着工业化进程的加快和高新技术产业的发展，电能需求量不断增大。然而，由于经济社会发展的区域差异和自然资源分布不均，负荷中心和电源往往相隔较远。特高压直流输电等技术的发展，一方面有效缓解了上述难题，另一方面，也使得电网结构和运行方式越来越复杂，局部电网的某些故障更容易波及相邻区域电网，诱发连锁故障，从而导致大面积停电事故甚至是电网崩溃事件的发生。

在混合运行系统，直流系统所占比例越来越高，传输功率逐渐增大，这种背景下，基于传统交流电网的连锁故障建模方法，其适用性受到制约。如何在连锁故障的演化传播过程中体现直流系统的作用，直流系统的作用又与交流系统的作用有哪些不同，二者之间的相互影响对连锁故障的传播起到怎样的作用，研究一种适用于交直流混合运行电网的连锁故障建模方法将有效的解决这些问题，在模拟连锁故障，找寻连锁故障事故集，最后提出防范连锁故障措施等方面将具有实用意义。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法，用以解决传统的纯交流电网中的连锁故障模型不适用于交直流混合电网的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法，用于求解系统的连锁故障路径，该快动态仿真方法包括如下步骤：

A、初始化电网，确定发电机出力、负荷需求及网架结构；

B、模拟随机首故障，首故障包括交流线路故障和/或直流线路故障和/或发电机故障；

C、判断首故障发生后，系统是否崩溃；若系统崩溃，则仿真结束；若系统未崩溃，则进入步骤D；

D、第K次计数，进行交直流系统交替解耦稳定计算，模拟下级故障；

E、判断下级故障发生后，系统是否崩溃；若系统崩溃，则仿真结束，确认系统发生连锁故障；若系统未崩溃，则K加1，进入步骤D迭代计算；

F、当K等于Kmax时，仿真结束，认为系统不会发生连锁故障。

根据本发明另一具体实施方式，首故障是在限定的范围内随机取得，该范围是利用“基于节点流量的交直流电网关键节点辨识方法”和“基于线路比值的交直流电网关键线路辨识方法”对全网节点和线路进行计算，由排名靠前的部分组成。

根据本发明另一具体实施方式，下级故障的判别同时考虑交流过载线路及直流闭锁线路，并按二者出现时间的先后来最终决定。

根据本发明另一具体实施方式，判别直流是否闭锁按换流站交流侧电压是否低于阈值且超过预设时间来考虑。

根据本发明另一具体实施方式，当电压低于0.6p.u.且持续时间超过4秒后直流闭锁。

根据本发明另一具体实施方式，第K次计算后发生了连锁故障的判别标准为：

若第K次计算前后，对比发现电网某节点电压急剧下降，持续低于0.75p.u.,即电压失稳；

或者，两台发电机之间功角摆开，即系统功角失稳；或者电网频率持续低于一定的阈值，即频率失稳；

或者，因稳控系统大量切机切负荷导致切除负荷总量超过一定的阈值。

根据本发明另一具体实施方式，步骤C中，判断首故障发生后，系统是否崩溃的方法如下：

若首故障为交流线路故障或者发电机故障，则切除线路或者发电机后，判断系统是否发生功角失稳或电压失稳，若失稳，则确定系统崩溃；

若首故障为直流线路故障，则直流闭锁，同时启动安稳装置，进行相应切机切负荷，判断系统是否发生功角失稳或电压失稳，若失稳，则确定系统崩溃。

根据本发明另一具体实施方式，步骤D具体包括如下步骤：

D1、第K次计数，进行交直流系统交替解耦稳定计算；

D2、根据D1中计算结果，输出交流线路负载率、以及直流系统交流侧电压；

D3、根据时间先后，切除过载线路中最早出现过载情况的交流线路或者闭锁最早满足闭锁条件的直流线路，即为下级故障；

D4、判断是否满足安稳装置启动条件，如若满足，则按照安稳设定的切机切负荷方式进行切机切负荷，进入步骤E；否则直接进入步骤E。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

本发明的仿真方法可以解决传统的纯交流电网中的连锁故障模型不适用于交直流混合电网的问题。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1中，交直流电网连锁故障快动态仿真方法的流程图；

图2是实施例2中，某区域电网局部电气接线图；

图3是实施例2中，首故障切除后的节点5与节点6之间的单回线有功功率曲线；

图4是实施例2中，首故障切除后大网中部分逆变侧换流站节点的交流侧电压曲线；

图5是实施例2中，二级故障切除后节点5与节点10之间的单回线有功功率曲线；

图6是实施例2中，三级故障切除后节点5变电站附近的变电站电压曲线；

图7是实施例2中，三级故障切除后大网中部分直流线路逆变侧换流站交流侧电压曲线。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提供的交直流电网连锁故障快动态仿真方法包括下列步骤：

步骤1：初始化电网，确定发电机出力、负荷需求及网架结构。

对给定电网进行潮流计算后得到网络的各节点电压和潮流分布。本发明中使用的潮流计算及稳定计算程序是中国电科院的BPA暂态稳定程序4.27.5版。

步骤2：模拟随机首故障，首故障分为交流线路故障，直流线路故障，发电机故障，或者几者同时或相继发生。

为尽快得到连锁故障的事故链，所选取的初始故障在限定的范围内随机取得，而不是全网的节点和线路。该范围我们称之为关键节点集和关键线路集。其获得方法是由“基于节点流量的交直流电网关键节点辨识方法”和“基于线路比值的交直流电网关键线路辨识方法”，通过计算，取节点流量较大的节点和线路比值较大的线路构成。具体计算公式为：

节点i的节点流量F_i:

上式中：P_Y为网络能力，P_Y-i为节点i断开后的网络能力；N_g为发电机节点的总数，N_l为负荷节点总数，S_g为发电机节点的集合，S_l为负荷节点集合，Z_gl，equ为节点g和l之间的电气距离，T_gl为电网在节点g和l之间的传输容量。

线路i的线路比值T(i)：

L_ij＝α_jF_jP_i (4)

上式中：L_i，j为线路i对线路j的潮流转移关联度，N₀为与线路i相连的j线路的总数，N_l为线路总数；α_j是j元件的权重值,F_j表示i线路有功功率改变引起j线路的负载率变化绝对值，P_i为电网正常运行时i线路的有功功率标幺值。

步骤3：若首故障为交流线路故障或者发电机故障，则切除线路或者发电机后，判断系统是否发生功角失稳或电压失稳，若失稳，则仿真结束，认为系统发生了严重事故，无须进行下一步连锁故障探究，否则进行交直流系统交替解耦稳定计算，进入步骤4。若首故障为直流线路故障，则直流闭锁，同时启动安稳系统，进行相应切机切负荷，同理也判断系统是否失稳，再进行交直流系统交替解耦稳定计算，进入步骤4。此处计数为第K次计算。

首故障一般是500kV电压等级的设备故障，无论交流设备还是直流设备，其主保护均已双重化配置，故障后按主保护正常动作考虑；直流线路一般都用于远距离输送大功率，故而设置成直流设备故障后同时切机切负荷，否则两侧系统均不能稳定。

如果首故障后电网就失稳，则没有必要探索电网的连锁故障，因为失稳后电网各项指标均不正常，很可能直接导致大停电事故发生。

步骤4：根据步骤3中计算结果，输出交流线路负载率，和直流系统交流侧电压，根据时间先后，切除过载线路中最早出现过载的交流线路或者闭锁最早满足闭锁条件的直流线路，即为下级故障。

通常认为交流线路负载率超过90％，认为该线路重载；直流线路的交流侧电压持续4秒低于0.6p.u.，认为直流系统就会闭锁。BPA程序的稳定计算结果可以输出负载率超过设定值的时刻及持续时间，节点电压低于设定值及开始时刻，结束时刻。

步骤5：判断是否满足安稳装置启动条件，如若满足，则按照安稳设定的切机切负荷方式进行切机切负荷，进入步骤6；否则直接进入步骤6。

步骤6：判断电网是否发生连锁故障，比如电压是否崩溃，大量线路切除，大量切机切负荷等。如果判断为第K次计算后没有发生连锁故障，则返回进行交直流系统交替解耦稳定计算，同时K加1；如果判断为发生了连锁故障故障，则仿真结束。

步骤7：当K等于Kmax时，仿真结束，认为不会发生连锁故障。

Kmax常取4，认为经过4次发展还没有发生连锁故障，沿这个事故发展方向继续研究意义不大。

实施例2

本实施例采用某实际区域电网为例，采用交直流电网连锁故障快动态仿真方法对其进行连锁故障仿真。

步骤1：初始化电网，确定发电机出力、负荷需求及网架结构。

系统的局部接线图如图2所示。图2中，线路功率为双回线功率，方向如箭头所示，节点电压均在正常范围内，故而没有标出。节点3、7、17、22、25为500kV直流换流站，节点9为220kV直流换流站，其余节点为500kV交流变电站。

步骤2：模拟随机首故障，首故障分为交流线路故障，直流线路故障，发电机故障，或者几者同时或相继发生。

首故障选取交叉跨越线路相继故障。0.2秒，流入节点7的直流线路单极闭锁；1.2秒，节点3到节点4之间的单回线靠近节点4侧三相短路。

步骤3：若首故障为交流线路故障或者发电机故障，则切除线路或者发电机后，判断系统是否发生功角失稳或电压失稳，若失稳，则仿真结束，认为系统发生了严重事故，无须进行下一步连锁故障探究，否则进行交直流系统交替解耦稳定计算，进入步骤4。若首故障为直流线路故障，则直流闭锁，同时启动安稳系统，进行相应切机切负荷，同理也判断系统是否失稳，再进行交直流系统交替解耦稳定计算，进入步骤4。此处计数为第K次计算。

0.3秒按预设切除与直流传输功率相匹配的两侧换流站无功补偿容量，而稳控装置拒动；1.3秒切除节点3与节点4之间的双回线。进行第一次稳定计算，电网未失稳。

步骤4：根据步骤3中计算结果，输出交流线路负载率，和直流系统交流侧电压，根据时间先后，切除过载线路中最早出现过载情况的交流线路或者闭锁最早满足闭锁条件的直流线路。

根据输出结果，1.21秒节点5与节点6之间单回线过载，平均电流(3103A)达到额定电流(2830A)的1.10倍，该单回线的有功功率曲线如图3所示。此时，电网电压比较稳定，没有直流线路因为逆变侧换流站电压过低而持续换相失败。大网中各直流输电线路的逆变侧换流站电压如图4所示。3.21秒时距离保护三段误动作，该线路双回线相继跳开，即为二级故障。

步骤5：判断是否满足安稳装置启动条件，如若满足，则按照安稳设定的切机切负荷方式进行切机切负荷，进入步骤6；否则直接进入步骤6。

考虑较为严重的情况，认为安稳装置拒动。

步骤6：判断电网是否发生连锁故障，比如电压是否崩溃，大量线路切除，大量切机切负荷等。如果判断为第K次计算后没有发生连锁故障，则返回进行交直流系统交替解耦稳定计算，同时K加1；如果判断为发生了连锁故障故障，则仿真结束。

电网未发生连锁故障，返回进行第二次稳定计算。

重复执行步骤3～7：

三级故障：3.22秒时，节点5与节点10之间的单回线路过载，平均电流(5699A)达到额定电流(1420A)的4.01倍，其有功功率曲线如图5所示。5.22秒时，距离保护三段误动作，该单回线路跳开。

四级故障：节点5与节点10之间的单回线路跳开后，节点5变电站附近的变电站电压开始急剧下降，如图6所示。8秒开始大网中的4回直流线路因为逆变侧换流站电压过低而持续换相失败，14秒左右相继闭锁。各直流输电线路的逆变侧换流站电压如图7所示。若电网的稳控切机措施仍拒动，电网将发生崩溃。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种适用于交直流电网的连锁故障快动态仿真方法，用于求解系统的连锁故障路径，其特征在于，所述快动态仿真方法包括如下步骤：

A、初始化电网，确定发电机出力、负荷需求及网架结构；

B、模拟随机首故障，首故障包括交流线路故障和/或直流线路故障和/或发电机故障；

C、判断首故障发生后，系统是否崩溃；若系统崩溃，则仿真结束；若系统未崩溃，则进入步骤D；

D、第K次计数，进行交直流系统交替解耦稳定计算，模拟下级故障；步骤D具体包括如下步骤：

D1、第K次计数，进行交直流系统交替解耦稳定计算；

D2、根据D1中计算结果，输出交流线路负载率、以及直流系统交流侧电压；

D3、根据时间先后，切除过载线路中最早出现过载情况的交流线路或者闭锁最早满足闭锁条件的直流线路，即为下级故障；

D4、判断是否满足安稳装置启动条件，如若满足，则按照安稳设定的切机切负荷方式进行切机切负荷，进入步骤E；否则直接进入步骤E；

E、判断下级故障发生后，系统是否崩溃；若系统崩溃，则仿真结束，确认系统发生连锁故障；若系统未崩溃，则K加1，进入步骤D迭代计算；

F、当K等于K_max时，仿真结束，认为系统不会发生连锁故障。

2.根据权利要求1所述的快动态仿真方法，其特征在于，所述首故障是在限定的范围内随机取得，该范围是利用“基于节点流量的交直流电网关键节点辨识方法”和“基于线路比值的交直流电网关键线路辨识方法”对全网节点和线路进行计算，由排名靠前的部分组成。

3.根据权利要求1所述的快动态仿真方法，其特征在于，所述下级故障的判别同时考虑交流过载线路及直流闭锁线路，并按二者出现时间的先后来最终决定。

4.根据权利要求3所述的快动态仿真方法，其特征在于，判别直流是否闭锁按换流站交流侧电压是否低于阈值且超过预设时间来考虑。

5.根据权利要求4所述的快动态仿真方法，其特征在于，当电压低于0.6p.u.且持续时间超过4秒后直流闭锁。

6.根据权利要求1所述的快动态仿真方法，其特征在于，第K次计算后发生了连锁故障的判别标准为：

若第K次计算前后，对比发现电网某节点电压急剧下降，持续低于0.75p.u.,即电压失稳；

或者，两台发电机之间功角摆开，即系统功角失稳；或者电网频率持续低于一定的阈值，即频率失稳；

或者，因稳控系统大量切机切负荷导致切除负荷总量超过一定的阈值。

7.根据权利要求1所述的快动态仿真方法，其特征在于，步骤C中，判断首故障发生后，系统是否崩溃的方法如下：

若首故障为交流线路故障或者发电机故障，则切除线路或者发电机后，判断系统是否发生功角失稳或电压失稳，若失稳，则确定系统崩溃；

若首故障为直流线路故障，则直流闭锁，同时启动安稳装置，进行相应切机切负荷，判断系统是否发生功角失稳或电压失稳，若失稳，则确定系统崩溃。