CN105160148A - 一种交直流电网连锁故障关键线路辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统连锁故障预防与防御技术领域，尤其涉及一种交直流电网连锁故障关键线路辨识方法，包括：计算交直流电网中每条交流线路的权重值；计算某条直流线路或者交流线路发生故障跳闸后的电网暂态稳定过程；计算这条故障线路有功功率引起周围线路传输容量裕度变化量；计算这条故障线路对周围线路的潮流转移关联度；通过这条故障线路对周围线路的潮流转移关联度与电网所有线路对周围线路潮流转移关联度之和的平均值的比值，来计算线路比值；获得所有线路比值，比值最大者即为关键程度最高的线路。既考虑了连锁故障发生过程中的潮流转移，又考虑了直流系统运行特性，能对所有线路关键性进行定量分析，对于预防与控制连锁故障具有重要意义。

Description

一种交直流电网连锁故障关键线路辨识方法

技术领域

本发明属于电力系统连锁故障预防与防御技术领域，尤其涉及一种交直流电网连锁故障关键线路辨识方法。

背景技术

大规模电网的特殊结构决定了网络中联络线路在承担输电任务方面的非均质特性。在交直流电网中，大部分直流线路和少量高电压等级的交流线路具有很高的负荷水平，它们在保证电网正常输电任务的同时却对连锁故障传播起到推动作用。高负荷的交流线路发生故障可能会引起电气距离较近的直流系统换流器换相失败，导致直流线路闭锁；直流线路闭锁又进一步引起潮流分布发生变化并导致有功潮流在其它交流线路上重新分配；这部分先前正常运行的交流线路如果不能承受多余的有功潮流将会相继断开，从而造成有功潮流的又一次转移，并可能导致其他直流线路因为电压过低相继闭锁，引起系统发生连锁故障，最终导致大停电事故的发生。

大停电事故一般由个别元件故障开始，引发连锁反应故障最终导致系统崩溃，其中极少数起关键作用的线路的断开对大停电事故的发展与传播往往起到推波助澜的作用。如何寻找这些关键线路对预防与控制连锁故障具有十分重要的意义。

目前对电网连锁故障传播过程中的关键线路的辨识，大体上可以分为潮流分布方法和复杂网络方法。潮流分布方法是考虑电网某条线路断开后，电网的潮流重新分配，并得出线路过负荷、电压越限等一系列指标，并对这些指标进行综合评价，用一个综合指标来定量判断线路的关键程度；复杂网络方法基于图论，对电网进行一些简化以后，研究电网的拓扑结构，并考虑实际电网的电气特性，从而得出一个指标来定量判断线路的关键程度。但是，以上方法只适用于纯交流系统，如果系统中包含少量直流线路，以上方法则对直流线路进行交流线路等值或者其他替代方法，并没有充分考虑直流线路的实际运行特性。

发明内容

为了解决现有方法存在的上述问题，本发明提出了一种交直流电网连锁故障关键线路辨识方法，包括：

步骤1：计算交直流电网中每条交流线路的权重值；

步骤2：计算某条直流线路或者交流线路发生故障跳闸后的电网暂态稳定过程，统计电网中除故障线路以外剩余所有交流线路的负载率；

步骤3：暂态稳定计算过程结束后，计算这条故障线路有功功率改变所引起周围线路传输容量裕度变化量；

步骤4：计算这条故障线路对周围线路的潮流转移关联度；

步骤5：通过这条故障线路对周围线路的潮流转移关联度与电网所有线路对周围线路潮流转移关联度之和的平均值的比值，来计算线路比值；

步骤6、重复步骤2～5，获得所有线路比值，比值最大者即为关键程度最高的线路。

所述线路的权重值是指该线路电抗标幺值的倒数，其具体计算利用公式其中，α_j为线路j的权重值，U_B为基准电压，X_j为线路j的电抗，S_B为基准容量。

所述暂态稳定计算是指在电网潮流计算的稳态结果的基础上，突然受到大的干扰后，计算电网的持续变化过程；所述大的干扰包括：发生短路故障、负荷瞬间发生较大的突变、切除大容量的发电、输电或变电设备。

所述线路传输容量裕度变化量是指线路实际运行容量裕度与额定电流下的容量裕度的差值；线路传输容量裕度变化量的计算公式为其中，表示线路i故障后，线路j的实际运行风险值；表示线路i故障前，线路j的实际运行风险值，为线路j运行在额定电流时的事故风险。

所述潮流转移关联度用于定量表征直流线路和交流线路i因故障断开后，对周围线路j的冲击力度；线路i对线路j的潮流转移关联度越大，线路i断开后因潮流转移而给j线路带来的影响就越大，其具体计算公式为L_i,j＝α_jF_j|P_j|；其中，α_j是线路j的权重值，F_j为线路j的传输容量裕度变化量，P_j为线路j的传输功率的标幺值。

所述传输容量裕度变化量只考虑交流线路的传输容量裕度变化，不考虑直流线路周围线路故障开断对直流线路产生潮流转移。

所述线路比值具体计算公式为：

$T\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_0}{\Σ}}{L}_{i,j}}{\frac{1}{N_l}\underset{i=1}{\overset{N_l}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_0}{\Σ}}{L}_{i,j}};$

其中，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相连的线路j的总数，N_l为线路总数。

本发明的有益效果在于：通过计算计算交直流电网中每条交流线路的权重值、线路故障后的电网暂态稳定、故障线路引起周围线路传输容量裕度的变化量以及潮流转移关联度，最终计算得到故障线路的线路比值；既考虑了连锁故障发生过程中的潮流转移，又考虑了直流系统运行特性，能快捷方便的对所有线路对于电网安全的关键性进行定量分析，对于电网规划设计运营管理中如何预防与控制连锁故障具有重要指导意义。

附图说明

图1是本发明提供的交直流电网连锁故障关键线路辨识方法流程图；

图2是本发明提供的线路运行风险值与线路的负载率关系图；

图3是本发明提供的修改的CEPRI36节点系统网络接线图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

实施例1

图1是本发明提供的交直流电网连锁故障关键线路辨识方法流程图。图1中，本发明提供的交直流电网连锁故障关键线路辨识方法包括下列步骤：

步骤1：计算交直流电网中每条交流线路的权重值。

线路的权重值是指该线路电抗标幺值的倒数。假设α_j是线路j的权重值，则线路j的权重值

${\mathrm{\α}}_j=\frac{U_B^2}{X_j{S}_B}---\left(1\right)$

在归算电抗标幺值时，基准电压U_B取为该线路额定电压，X_j为该线路的电抗，基准容量S_B取100MVA。

步骤2：某条直流线路或者交流线路故障跳闸后，对电网进行暂态稳定计算。

暂态稳定计算是指在电网潮流计算的稳态结果的基础上，突然受到大的干扰(如发生短路故障、负荷瞬间发生较大的突变、切除大容量的发电、输电或变电设备等)后，电网的一个持续变化过程的计算。

暂态稳定的数学模型可归结为网络方程和微分方程联立求解，即

$\left\{\begin{array}{c}X=F(X,Y)\\ Y=G(X,Y)\end{array}\right.---\left(2\right)$

具体的处理方法是：采用梯形隐式积分的迭代法，求解微分方程X；采用直接三角分解和迭代相结合的方法求解网络方程Y；微分方程和网络方程两者交替迭代，直至收敛，以完成一个时段t的求解。

步骤3：暂态稳定计算过程结束后，计算这条故障线路有功功率改变引起周围线路传输容量裕度的变化量。

线路传输容量裕度是指线路实际运行容量裕度与额定电流下的容量裕度的差值。线路的传输容量裕度越大，其运行状态越安全，在连锁故障传播过程中越不容易因为过载而切除。

假设M_j为线路j实际运行时的传输容量裕度，定义

M_j＝(R_max-R_实)-(R_max-R_额)

(3)

＝R_额-R_实

其中R_max表示线路的最大运行风险值，R_额表示线路额定运行风险值，R_实表示线路实际运行风险值。M_j表示额定运行风险值(此时线路负载率为1)与线路的实际运行风险值(此时线路负载率为r时)的差值。

借用微观经济学中风险效用函数理论，认为线路的运行风险值与线路的负载率是边际效用递增的规律。如图2所示，不妨假设线路的运行风险值R与线路的负载率r满足如下关系

R＝e^r(4)

实际上线路的运行风险值R与线路的负载率r可能并非满足严格的指数函数关系，但指数函数是满足边际效用递增的，因此，这里不妨假设线路的运行风险值R与线路的负载率r满足式(4)对应的关系。

根据式(3)和式(4)，可知

假设F_j为线路i故障后，线路j的传输容量裕度的变化量，定义

F_j＝M_j前-M_j后(6)

线路故障前后，额定的运行风险值只与线路运行在额定电流情况下的负载率有关。一般来说，线路的额定电流是不变的，因此，线路故障前后的额定运行风险值也是固定不变的。综合式(5)和式(6)可知

其中，表示线路i故障后，线路j的实际运行风险值；表示线路i故障前，线路j的实际运行风险值。

将式(7)与线路额定运行风险值进行比较，重新获得：

式(8)可以看到，线路运行在额定电流时的事故风险越大，它的容量裕度就越小，符合电网的实际情况。

步骤4：计算故障线路对周围线路的潮流转移关联度。

潮流转移关联度能定量表征直流线路和交流线路i因故障断开后，对周围线路j的冲击力度。线路i对线路j的潮流转移关联度越大，线路i断开后因潮流转移而给j线路带来的影响就越大，线路j越有可能因此接连断开，继而引发多米诺骨牌效应，电网因连锁故障而发生大停电事故。

由式(1)和式(8)，定义潮流转移关联度

L_i,j＝α_jF_j|P_j|(9)

其中，α_j是线路j的权重值，F_j为线路j的传输容量裕度变化量，P_j为线路j的传输功率的标幺值。

结合式(1)、式(8)和式(9)，可得

需要特别说明的是，一般来说，电网在实际运行中，直流线路是按照恒功率的方式运行的，因此，不考虑直流线路的传输容量裕度变化，即直流线路周围线路故障开断，不会对直流线路产生潮流转移。

步骤5：计算故障线路的线路比值。

线路比值是一个比值，它的分子是线路i对周围线路j的潮流转移关联度之和，分母是电网所有线路对周围线路潮流转移关联度之和。它表示线路i的潮流转移关联度相比全网所有线路潮流转移关联度平均值的相对大小。定义线路i的线路比值

$T\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_0}{\Σ}}{L}_{i,j}}{\frac{1}{N_l}\underset{i=1}{\overset{N_l}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_0}{\Σ}}{L}_{i,j}}---\left(11\right)$

其中，L_i,j为线路i对线路j的潮流转移关联度，由式(9)定义，N₀为与线路i相连的周围线路j的总数，N_l为线路总数。

结合式(10)和式(11)，可得

步骤6、重复步骤2～5，获得所有线路比值，比值最大者即为关键程度最高的线路。

下面以某区域电网为例，采用电网自组织临界态状态识别方法对处于不同运行状态下的区域电网进行状态辨识，对本发明的发明内容做进一步说明。

实施例2

步骤1：采用修改的CEPRI36节点系统，该系统包含8台发电机、9个负荷节点、16条实际的交流线和1条直流线，其网络接线图如图3所示。交流线路及其参数可见表1。根据式(1)，可求得每条线路的权重值，其结果列入表1。

表1：修改的CEPRI36节点系统的线路参数和权重值

单位：伏特(V)

序号	I侧母线名	J侧母线名	Xj	基准电压UB	权重值αj
						1	BUS14	BUS19	0.02	220	24200
2	BUS16	BUS18	0.0333	220	14535
						3	BUS16	BUS19	0.218	220	2220
4	BUS16	BUS20	0.0662	220	7311
						5	BUS16	BUS21	0.178	220	2719
6	BUS19	BUS21	0.037	220	13081

7	BUS19	BUS30	0.0854	220	5667
						8	BUS20	BUS22	0.0859	220	5634
9	BUS21	BUS22	0.0607	220	7974
						10	BUS22	BUS23	0.19	220	2547
11	BUS23	BUS24	0.074	220	6541
						12	BUS25	BUS26	0.0343	500	72886
13	BUS27	BUS28	0.0255	500	98039
						14	BUS9	BUS22	0.218	220	2220
15	BUS9	BUS23	0.0131	220	36947
						16	BUS9	BUS24	0.104	220	4654

从以上结果可以看出，线路的权重值与线路自身的材质(电抗)与线路的额定电压等级有关。大体上来说，电压等级高的线路，其权重值也比较大；同样电压等级的线路，电抗越小，其权重值越大。

步骤2：在系统中线路没有故障断开前，系统的潮流分布如表2所示，其中BUS33和BUS34节点之间的线路为直流线路。

表2：修改的CEPRI36节点系统线路故障前潮流分布

单位：兆瓦(MW)，兆乏(Mvar)

序号	I侧母线名	J侧母线名	I侧有功标幺值	负载率r
					1	BUS14	BUS19	-0.99	0.33
2	BUS16	BUS18	0.00	0.04
					3	BUS16	BUS19	-0.86	0.29
4	BUS16	BUS20	-0.86	0.29
					5	BUS16	BUS21	-0.88	0.29
6	BUS19	BUS21	1.04	0.36
					7	BUS19	BUS30	-2.21	0.74
8	BUS20	BUS22	-1.60	0.52

9	BUS21	BUS22	-0.58	0.29
					10	BUS22	BUS23	-0.73	0.27
11	BUS23	BUS24	-3.45	0.77
					12	BUS25	BUS26	3.81	0.19
13	BUS27	BUS28	4.76	0.22
					14	BUS9	BUS22	0.71	0.29
15	BUS9	BUS23	0.20	0.31
					16	BUS9	BUS24	-2.48	0.55
17	BUS33	BUS34	3.00	/

接下来，对每条线路进行故障开断，逐一进行暂态稳定计算。0秒时刻线路发生三相短路，0.12秒后保护切除线路，计算总时间20秒。20秒时，认为系统暂态稳定过程已经结束，每条线路的功率保持不变，取第20秒时每条线路的负载率为暂态稳定计算结束后每条线路的最终负载率。系统中共有16条交流线路和1条直流线路，因此总共要进行17次暂态稳定计算。每次暂态稳定计算过程结束后，统计电网中除故障线路以外剩余所有交流线路的负载率(直流线路的运行方式为恒功率运行方式，因此负载率保持不变)。

步骤3：计算每条故障线路因故障切除而引起的周围线路传输容量裕度的变化量。每条线路运行在额定电流下的负载率为1，利用公式

其中，每条线路故障前的负载率已在步骤1中求得，如表1所示，每条线路故障后的负载率在步骤2中求得，因此，可求得每条线路故障断开后，其他15条线路的传输容量裕度变化量。

步骤4：计算每条故障线路对其他所有交流线路的潮流转移关联度。利用公式

其中，和已分别在步骤1和步骤4中求得，而P_j为每条线路故障前的有功潮流的标幺值，其结果可见表2。

步骤5：根据式(12)，计算每条线路的线路比值。修改的CEPRI36节点系统线路比值最终结果(按线路比值大小降序排列)如表3所示。

表3：修改的CEPRI36节点系统所有线路的线路比值

序号	I侧母线名	J侧母线名	线路比值T(i)
				1	BUS27	BUS28	4.743
2	BUS33	BUS34	3.695
				3	BUS25	BUS26	3.143
4	BUS23	BUS24	1.544
				5	BUS9	BUS24	0.974
6	BUS14	BUS19	0.815
				7	BUS19	BUS21	0.464
8	BUS19	BUS30	0.426
				9	BUS20	BUS22	0.306
10	BUS9	BUS23	0.246
				11	BUS16	BUS20	0.215
12	BUS21	BUS22	0.158
				13	BUS16	BUS21	0.081
14	BUS16	BUS19	0.065
				15	BUS22	BUS23	0.063
16	BUS9	BUS22	0.054
				17	BUS16	BUS18	0.007

线路比值越大，其在交直流电网连锁故障传播过程中的地位越关键。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种交直流电网连锁故障关键线路辨识方法，其特征在于，包括：

步骤1：计算交直流电网中每条交流线路的权重值；

步骤2：计算某条直流线路或者交流线路发生故障跳闸后的电网暂态稳定过程，统计电网中除故障线路以外剩余所有交流线路的负载率；

步骤3：暂态稳定计算过程结束后，计算这条故障线路有功功率改变所引起周围线路传输容量裕度变化量；

步骤4：计算这条故障线路对周围线路的潮流转移关联度；

步骤5：通过这条故障线路对周围线路的潮流转移关联度与电网所有线路对周围线路潮流转移关联度之和的平均值的比值，来计算线路比值；

步骤6、重复步骤2～5，获得所有线路比值，比值最大者即为关键程度最高的线路。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述线路的权重值是指该线路电抗标幺值的倒数，其具体计算利用公式其中，α_j为线路j的权重值，U_B为基准电压，X_j为线路j的电抗，S_B为基准容量。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述暂态稳定计算是指在电网潮流计算的稳态结果的基础上，突然受到大的干扰后，计算电网的持续变化过程；所述大的干扰包括：发生短路故障、负荷瞬间发生较大的突变、切除大容量的发电、输电或变电设备。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述线路传输容量裕度变化量是指线路实际运行容量裕度与额定电流下的容量裕度的差值；线路传输容量裕度变化量的计算公式为其中，表示线路i故障后，线路j的实际运行风险值；表示线路i故障前，线路j的实际运行风险值，为线路j运行在额定电流时的事故风险。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述潮流转移关联度用于定量表征直流线路和交流线路i因故障断开后，对周围线路j的冲击力度；线路i对线路j的潮流转移关联度越大，线路i断开后因潮流转移而给j线路带来的影响就越大，其具体计算公式为L_i，j＝α_jF_j|P_j|；其中，α_j是线路j的权重值，F_j为线路j的传输容量裕度变化量，P_j为线路j的传输功率的标幺值。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述传输容量裕度变化量只考虑交流线路的传输容量裕度变化，不考虑直流线路周围线路故障开断对直流线路产生潮流转移。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述线路比值具体计算公式为：

$T\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_0}{\Σ}}{L}_{i,j}}{\frac{1}{N_l}\underset{i=1}{\overset{N_l}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_0}{\Σ}}{L}_{i,j}};$

其中，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相连的线路j的总数，N_l为线路总数。