CN105354675A - 基于关键输电断面识别的交直流电网连锁故障分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于关键输电断面识别的交直流电网连锁故障分析方法，其包括如下步骤：A、采用基于图论的输电断面遍历算法搜索位于直流送端和受端之间所有的输电断面；从直流送端节点v_S出发，构成节点集S₀＝{v_S}，然后搜索S₀与其邻接点之间支路的所有割集，并采用逐步向外扩展节点集S₀的方式完成遍历搜索。B、利用潮流转移系数和断面最大过载率指标进一步识别出可能导致连锁故障风险较大的关键输电断面；C、通过暂态稳定计算给出各关键输电断面中具有较大风险的连锁故障集和应予以重点监控的关键支路。采用本发明的方法，可以有效确定直流单极闭锁后容易发生连锁故障的关键输电断面及关键支路。

Description

基于关键输电断面识别的交直流电网连锁故障分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于关键输电断面识别的交直流电网连锁故障分析方法。

背景技术

近年来国内外发生了多次大停电事故，造成了较大影响和严重损失。研究表明，大停电事故多是由连锁故障引起的，其中由潮流转移引起的输电线路相继过载而引发的连锁故障是重要原因之一。输电线路的连锁过载跳闸故障多发生在输电断面上，如果能先识别出相关输电断面并加以监控，对于阻断线路连锁跳闸，防止大停电事故具有重要意义。

例如，南方电网是我国西电东送规模最大的电网，具有远距离、大容量送电和交直流并联运行等特点，运行特性复杂，面临着直流闭锁和极端天气等引发的连锁故障风险。南方电网西电东送规模大，交直流并联运行的特点，使得直流系统发生闭锁后会有大量潮流转移到交流网络，加重了从送端到受端换流站之间的多个交流输电断面的重载程度，容易导致输电线路的连锁过载跳闸故障。南方电网十分重视对西电东送通道中网省间的重要输电断面的监控。但对于直流闭锁后哪些断面容易发生连锁故障，应该予以重点监控，还缺少研究。

输电断面的搜索和识别研究中，《基于图论的输电断面快速搜索》对电网进行分区并采用图论算法搜索包含过载线路的输电断面。《基于电气分区的输电断面及其自动发现》先对电网进行电气分区，然后再筛选出满足约束条件的输电断面。对电网进行分区的方法会在搜索时漏掉分区内的线路。《基于前K最短路径的输电断面搜索新算法》搜索过载支路两端点间的最短路径集，将其作为受潮流转移影响较大的输电断面。《基于线路功率组成的关键输电断面快速搜索》利用图论和聚类方法分析线路功率组成相似程度，识别与过载支路相关的关键输电断面。《采用图论的电网连锁故障模式搜索方法》对电网进行分区和图论算法搜索连锁故障模式。《基于输电断面识别的电力系统连锁故障风险评估模型》采用有功增加因子来识别与故障线路相关的输电断面。

以上方法主要研究了交流线路相关的输电断面和连锁故障模式，由于交流线路的潮流转移是局部的，大多局限于附近的几回线路，而直流闭锁后涉及到直流送端和受端换流站之间的多个断面，影响范围较大，因此交流线路潮流转移的分析方法不能直接用于与直流闭锁相关的输电断面搜索和连锁故障识别。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明的目的是提供一种基于生成概率模型的连锁故障分析方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于关键输电断面识别的交直流电网连锁故障分析方法，其包括如下步骤：

A、采用基于图论的输电断面遍历算法搜索位于直流送端和受端之间所有的输电断面；从直流送端节点v_S出发，构成节点集S₀＝{v_S}，然后搜索S₀与其邻接点之间支路的所有割集，并采用逐步向外扩展节点集S₀的方式完成遍历搜索。

B、利用潮流转移系数和断面最大过载率指标进一步识别出可能导致连锁故障风险较大的关键输电断面；

C、通过暂态稳定计算给出各关键输电断面中具有较大风险的连锁故障集和应予以重点监控的关键支路。

直流双极闭锁虽然严重，但相关稳控系统会同时动作，进行切机切负荷，因此转移到交流系统的潮流有限，极大地减轻了相关输电断面的负担，而直流单极闭锁后则不会有保护和稳控系统动作，直流单极功率大部分会转移到交流断面，容易造成比双极闭锁大的潮流转移。本发明主要针对直流单极闭锁造成的潮流转移。

本发明根据电网的特点以及求取受直流系统闭锁故障影响的输电断面的特点，提出了一种效率较高的输电断面的遍历搜索算法。

根据本发明另一具体实施方式，步骤A的算法包括主程序和子程序，其伪代码见图2和3。其中子程序采用递归算法的深度遍历搜索方式用于搜索S₀与其邻接点之间支路的所有割集；主程序用于逐步向外扩展节点集S₀，并调用子程序。

根据本发明另一具体实施方式，步骤B具体包括如下步骤：

B1、根据公式(1)计算直流闭锁对输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}内所有支路的潮流转移系数k＝1,2,…n；

$D_{e_k}^{DC}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_k}^{DC}}{I_{E-e_k}}---\left(1\right)$

其中，是直流闭锁后引起e_k电流变化量(以初始潮流方向为正)占最大负载电流的百分比；潮流转移系数表征了e_k受直流闭锁故障影响的严重程度。越大，表明转移到e_k的潮流越大，受影响也严重，反之，受影响越小；

如果e_k的潮流转移系数表明直流和断面中支路e_k间的联系不紧密，该断面不是关键输电断面；

B2、根据公式(2)计算输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}内交流线路的潮流转移系数i＝1,2,…n，k＝1,2,…n，i≠k；

$D_{e_k}^{e_i}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_k}^{e_i}}{I_{E-e_k}}---\left(2\right)$

其中，是交流线路i跳闸后引起线路k电流变化量(以初始潮流方向为正)占最大负载电流的百分比；潮流转移系数表征了e_k受到e_i的影响程度；如果和均较小，表明e_i和e_k间的联系不紧密；

如果和均小于0，表明e_i和e_k联系较差，该断面不是关键输电断面；

B3、根据公式(4)计算输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}的最大过载率O_A-max，

$O_{A-\max }=\max \{O_{e_i},i=\mathrm{1,2},...n\}---\left(4\right)$

如果O_A-max＜1.0，表明该断面出现线路连锁过载跳闸的概率较小，该断面不是关键输电断面。

根据本发明另一具体实施方式，步骤C具体包括如下步骤：

C1、根据公式(3)计算关键输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}内的线路e_i在断面内其它线路故障跳闸后的过载率；

$O_{e_i}=\frac{I_{O-e_i}}{I_{E-e_i}}+\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_i}^{e_j}}{I_{E-e_i}}---\left(3\right)$

其中，是线路e_i的最大负载电流，是线路e_i的初始电流，是线路e_j跳闸后在线路e_i引起的电流变化量；

如果表明线路e_i在断面内其它线路跳闸后可能会引发过载跳闸；

C2、对的线路e_i，根据公式(2)计算关键输电断面A内其它线路e_k对线路e_i的潮流转移系数k＝1,2,…n，i≠k，

$D_{e_k}^{e_i}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_k}^{e_i}}{I_{E-e_k}}---\left(2\right)$

并按从大到小顺序排列；

C3、以直流单极闭锁作为初始故障，通过暂态稳定计算，观察线路e_i在直流闭锁故障后是否会过载，如果是，则记录该事故链为：DC→e_i；如果否，则以潮流转移系数最大的支路作为下一级故障，通过暂态稳定计算，继续观察线路e_i在直流闭锁和线路e_k跳闸后是否会过载；如果是，则记录该事故链为：DC→e_i→e_k；如果否，则选择潮流转移系数第二大的线路作为下一级故障重复进行暂态稳定计算；重复进行以上过程，直到断面内除e_i外的其它支路都跳闸为止；

C4、对关键输电断面A内所有的支路，重复步骤C3，得到对应的连锁故障链；

C5、剔除无效连锁故障链；例如得到两个连锁故障链为DC→e₁→e₂和DC→e₁→e₃→e₄，由于前一个事故链表明e₁跳闸后就会导致e₂过载跳闸继而引发连锁故障，而后一个事故链要e₁和e₃都跳闸后才会导致e₄过载跳闸继而引发连锁故障，因此后一个事故链是无效的，可以剔除；

C6、所有关键输电断面的连锁故障链的集合构成了直流闭锁故障的连锁故障集。统计分析连锁故障集中各故障链中最后导致出现连锁故障的支路，在多个关键输电断面中均导致出现连锁故障的支路称为关键支路。

采用本发明的方法，可以有效确定直流单极闭锁后容易发生连锁故障的关键输电断面及关键支路。

附图说明

图1为搜索算法的主程序；

图2为搜索算法的子程序；

图3为实施例1中，云南电网500kV输电网络简化后的示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例以南方电网±800千伏特高压楚穗直流为算例，验证提出方法的可行性和有效性。

楚穗直流的额定功率5000MW，送端换流站位于云南楚雄，受端换流站位于广州增城。算例中仅以云南500kV电网为例，用提出的方法分析在楚穗直流单极闭锁后云南电网容易发生连锁故障的关键输电断面及关键支路，

一、云南500kV电网的拓扑简化

按照提出的电网简化方法对云南500kV电网进行拓扑简化，简化后的云南500kV拓扑网络，如图3所示。其中的双回线路在进行拓扑搜索时作为单线路处理。支路e₂₁，e₂₂和e₂₄是到广西电网的线路，实际中未接入一个节点，为了分析方便，将其接入一个节点，该节点作为虚拟的楚穗直流受端换流站。

简化后的网络共有17个节点24条支路。其中节点v₁是楚穗直流送端换流站，v₁₇是虚拟的楚穗直流受端换流站。

二、输电断面的搜索

利用提出的搜索方法，可以在图3中搜索到与楚穗直流相关的输电断面共64个。

按照断面中的输电线路有功潮流是否一致，从初始断面中筛选出输电断面22个。

三、关键输电断面的筛选

1、计算楚穗直流闭锁后对22个输电断面内交流线路的潮流转移系数，去掉4个有线路的潮流转移系数小于0的断面。

2、计算剩余18个输电断面内交流线路的潮流转移系数，去掉6个存在和均小于0的断面。

3、计算剩余12个输电断面的最大过载率，去掉其中2个最大过载率小于1.0的断面。

最后得到受楚穗直流闭锁影响较大的10个关键输电断面，见表1。表中按照最大过载率顺序排列，并给出了最大过载率对应的支路。

四、连锁故障集和关键支路的识别

按照本发明步骤C的方法，暂态稳定计算可以识别得到各断面的连锁故障链和关键支路，结果见表1。

暂态稳定计算中发现：

1、对于支路e₇，楚穗直流单极闭锁后，支路e₄、e₆和e₈任一个故障跳闸后均会引发支路e₇过载跳闸，继而引发断面内其它支路的过载跳闸，系统失稳。

2、对于支路e₂₀，楚穗直流单极闭锁后，支路e₁₉故障后会引发支路e₂₀过载跳闸，继而引发断面内其它支路过载跳闸，系统失稳。

3、对于支路e₂₂，楚穗直流单极闭锁后，支路e₂₄故障后会引发支路e₂₂过载跳闸，继而引发断面内其它支路过载跳闸，系统失稳。

4、对于支路e₅，楚穗直流单极闭锁后，只有支路e₃和e₄，或e₃和e₆都故障跳闸后才会引发支路e₅过载跳闸。

因此支路e₇，e₂₀和e₂₂是关键输电断面中的极易引发连锁故障的关键支路，应予以重点监控。

表1受楚穗直流闭锁影响的关键输电断面、连锁故障链和关键支路识别表

序号

关键输电断面

最大过载率

连锁故障链

关键支路

1	e4,e7,e8	1.58	DC→e4→e7	e7
					2	e19,e20,e21	1.44	DC→e19→e20	e20
3	e18，e19，e20	1.44	DC→e19→e20	e20
					4	e6，e7，e8	1.41	DC→e6→e7	e7
5	e4，e7，e9	1.38	DC→e4→e7	e7
					6	e18,e22,e24	1.22	DC→e24→e22	e22
7	e6，e7，e9	1.21	DC→e6→e7	e7
					8	e3,e4,e5	1.15	DC→e3→e4→e5	e5
9	e21,e22,e24	1.14	DC→e24→e22	e22
					10	e3,e5,e6	1.06	DC→e3→e4→e5	e5

根据表中的结果和计算分析，主要得到以下一些结论：

(1)所有关键输电断面都集中在换流站送端和虚拟的换流站受端附近。这主要是由于送受端附近的断面内线路相对较少，潮流转移系数；而距离送受端较远的断面内的线路较多，不容易出现过载；

(2)关键输电断面最大过载率对应的支路大多都是单回线路，这主要是由于双回线承受过载的能力比单回线强，断面内其它线路的跳闸都很容易引发单回线路的过载跳闸，并引发连锁故障；

(3)经校核，22个输电断面中被筛选掉的12个断面，主要分为以下几种情况，①断面在只剩最后一回支路时仍不会过载；②断面虽然包含了关键支路对，但还包含一些相关性低的支路，去掉这些断面并不影响分析结果。

以上是对本发明做的示例性描述，凡在不脱离本发明核心的情况下做出的简单变形或修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于关键输电断面识别的交直流电网连锁故障分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、采用基于图论的输电断面遍历算法搜索位于直流送端和受端之间所有的输电断面；从直流送端节点v_S出发，构成节点集S₀＝{v_S}，然后搜索S₀与其邻接点之间支路的所有割集，并采用逐步向外扩展节点集S₀的方式完成遍历搜索。

B、利用潮流转移系数和断面最大过载率指标进一步识别出可能导致连锁故障风险较大的关键输电断面；

C、通过暂态稳定计算给出各关键输电断面中具有较大风险的连锁故障集和应予以重点监控的关键支路。

2.如权利要求1所述的连锁故障分析方法，其特征在于，步骤A的算法包括主程序和子程序，其中子程序采用递归算法的深度遍历搜索方式用于搜索S₀与其邻接点之间支路的所有割集；主程序用于逐步向外扩展节点集S₀，并调用子程序。

3.如权利要求1所述的连锁故障分析方法，其特征在于，步骤B具体包括如下步骤：

B1、根据公式(1)计算直流闭锁对输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}内所有支路的潮流转移系数k＝1,2,…n；

$D_{e_k}^{DC}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_k}^{DC}}{I_{E-e_k}}---\left(1\right)$

如果e_k的潮流转移系数表明直流和断面中支路e_k间的联系不紧密，该断面不是关键输电断面；

B2、根据公式(2)计算输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}内交流线路的潮流转移系数i＝1,2,…n，k＝1,2,…n，i≠k；

$D_{e_k}^{e_i}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_k}^{e_i}}{I_{E-e_k}}---\left(2\right)$

如果和均小于0，表明e_i和e_k联系较差，该断面不是关键输电断面；

B3、根据公式(4)计算输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}的最大过载率O_A-max，

$O_{A-max}=\max \{O_{e_i},i=1,2,...n\}---\left(4\right)$

如果O_A-max＜1.0，表明该断面出现线路连锁过载跳闸的概率较小，该断面不是关键输电断面。

4.如权利要求1所述的连锁故障分析方法，其特征在于，步骤C具体包括如下步骤：

C1、根据公式(3)计算关键输电断面A＝{e₁,e₂,…,e_n}内的线路e_i在断面内其它线路故障跳闸后的过载率

$O_{e_i}=\frac{I_{0-e_i}}{I_{E-e_i}}+\underset{\underset{j\≠i}{j=1}}{\overset{n}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_i}^{e_j}}{I_{E-e_i}}---\left(3\right)$

如果表明线路e_i在断面内其它线路跳闸后可能会引发过载跳闸；

C2、对的线路e_i，根据公式(2)计算关键输电断面A内其它线路e_k对线路e_i的潮流转移系数k＝1,2,…n，i≠k，

$D_{e_k}^{e_i}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{e_k}^{e_i}}{I_{E-e_k}}---\left(2\right)$

并按从大到小顺序排列；

C3、以直流单极闭锁作为初始故障，通过暂态稳定计算，观察线路e_i在直流闭锁故障后是否会过载，如果是，则记录该事故链为：DC→e_i；如果否，则以潮流转移系数最大的支路作为下一级故障，通过暂态稳定计算，继续观察线路e_i在直流闭锁和线路e_k跳闸后是否会过载；如果是，则记录该事故链为：DC→e_i→e_k；如果否，则选择潮流转移系数第二大的线路作为下一级故障重复进行暂态稳定计算；重复进行以上过程，直到断面内除e_i外的其它支路都跳闸为止；

C4、对关键输电断面A内所有的支路，重复步骤C3，得到对应的连锁故障链；

C5、剔除无效连锁故障链；

C6、所有关键输电断面的连锁故障链的集合构成了直流闭锁故障的连锁故障集。