CN105375453A - 一种基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明根据电力系统在发生连锁故障时的运行状态，评估连锁故障对系统造成的破坏，考虑了故障对其他元件运行状态、网络拓扑结构、负荷损失三个方面的影响，然后根据初始故障后引起的潮流重新分布情况对下级故障进行预测，并在此基础上评估其破坏程度，从而根据破坏程度是数值以及增长趋势辅助判断连锁故障的发展进程，从而判断是否在已发故障后必须及时采取紧急控制措施，然后采取相应的对策，对连锁故障进行阻隔。

Description

一种基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法

技术领域

本发明用于电力系统及其自动化领域，更准确地说本发明涉及一种基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制的方法。

背景技术

电力事业发展迅速，随着大量新能源接入，柔性交流输电设备投运，电力系统的安全稳定运行面临着巨大的挑战。小概率高风险的电力系统连锁故障仍然有可能在一定的条件下发生。当连锁故障发生时，必须及时有效地采取控制措施对其进行阻隔。在连锁故障发展初期，两级故障之间可能相隔时间较长，甚至很难通过上一级故障预测下一级故障的发生，显然这个阶段不适合对其实施控制代价较大的紧急控制措施；在连锁故障发展后期，两级故障之间相隔时间短，这个阶段可以实施紧急控制，但是一般来不及根据实时信息制定精确的紧急控制措施。因此，选择控制时机以及制定控制方案，不仅要求明确连锁故障的发展演化阶段，还要求明确连锁故障在不同阶段过程对电力系统造成的破坏，这对连锁故障的快速阻隔有重要的意义。

伴随着连锁故障的发展演化，电力系统遭受的破坏也在不断加深，若能够在事故发展过程中在线评估系统遭受的破坏，并对此后有可能发生的故障造成的破坏进行预测，则可以根据破坏程度指标的数值及其增长趋势为连锁故障控制阻隔提供量化分析和决策支持。

发明内容

本发明的目的是：针对电力系统连锁故障的发展过程，给出一种连锁故障的破坏程度评估指标，量化连锁故障在发展演化过程中对电力系统造成的破坏程度，确定连锁故障的发展进程，基于该破坏程度指标确定紧急控制方案，完成对连锁故障的阻隔。

具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现，通过通讯接口从能量管理系统和安全稳定控制装置实时获取电网的运行实时数据和安全稳定控制策略信息；当电网发生故障时，执行以下步骤：

1)根据实时获取的电网的运行实时数据和安全稳定控制策略信息，计算当前故障发生后电网的破坏程度指标；

2)根据当前故障后电网的运行状况，预测之后将会发生的后续故障，并计算后续故障发生后的电网的破坏程度指标；如无法预测出后续故障，则结束本方法；

3)比较当前故障发生后电网的破坏程度指标和后续故障发生后的电网的破坏程度指标，当破坏程度指标的增长曲线斜率大于阀值K时转至步骤4)实施紧急控制方案，否则等待后续故障实际发生后返回步骤1)；

4)针对后续会发生的故障确定相应的紧急控制方案，并将该方案下发至安全稳定控制装置，由安全稳定控制装置执行，从而实现对连锁故障的阻隔，结束本方法。

上述技术方案的进一步特征在于，所述电网的运行实时数据包括电网的网络参数及拓扑结构、发电机出力、负荷和系统各节点的注入量，所述安全稳定控制策略信息包括当前可选的控制措施、线路及变压器及发电机的实测数据。

上述技术方案的进一步特征在于，根据以下公式计算电网的破坏程度指标：

$D=\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}(1-e^{-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\Δp}}_i}{p_{iN}}})\·e^{\mathrm{\α}(1-\frac{n}{N})\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_j{u}_j}\·e^{\mathrm{\β}(1-\frac{l}{L})}---\left(1\right)$

式(1)中D为电网的破坏程度指标，i为网络支路数，n为系统剩余支路数，N为系统初始支路数，Δp_i为故障发生后第i条支路有功功率变化量，p_iN为第i条支路的额定功率，u_j为故障发生后第j条支路的电压等级，γ_j为故障发生后第j条支路的电压等级权重；l为系统剩余负荷量，L为系统初始负荷总量，α、β和ε为常数、通过实际的电网仿真确定。

上述技术方案的进一步特征在于，在计算电网的破坏程度指标时，需要判断故障发生后系统有无孤岛，若出现孤岛则需要对孤岛进行如下处理：去除计算数据中孤岛相关节点以及与之相连的支路，并统计孤岛造成的损失，该损失包括拓扑结构破坏和负荷损失，统计相关节点支路的损失量及其电压等级，在计算因产生孤岛而造成的负荷损失时，以孤岛中原有负荷量与发电容量的差值计入负荷损失之中。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中，预测之后将会发生的后续故障的方法为：

首先，根据当前故障后电网的运行状况，计算各元件的潮流，依据负载率α_L进行降序排列，选取负载率最高的支路，并按公式(2)计算该支路的停运概率P(α_L)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_L=\frac{L}{L_0}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{L0}=\frac{L_{\max }}{L_0}\\ P\left({\mathrm{\&alpha;}}_L\right)=\left\{\begin{array}{cc}p& {\mathrm{\&alpha;}}_L<0\\ p+\frac{(P-p)({\mathrm{\&alpha;}}_L-1)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}-1}& 1\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_L\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}\\ P& {\mathrm{\&alpha;}}_L>{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，L为支路负载；L₀为支路额定负载；L_MAX为支路的长期稳定限额；p为额定负载以下时的故障概率；P为保护正确动作率，P和p的数值根据线路停运概率的长期统计平均值确定；

然后，在0至1之间获取一随机数，若该随机数小于等于负载率最高的支路的停运概率则认为该支路将会断开，并将由该支路断开而导致的故障作为之后将会发生的后续故障；若该随机数大于负载率最高的支路的停运概率则选择负载率次高的支路计算其停运概率，并重新在0至1之间获取新的随机数与之比较，若新随机数小于等于该支路的停运概率认为该支路将会断开，并将由该支路断开而导致的故障作为之后将会发生的后续故障，若随机数大于该支路的停运概率，则继续比较下一负载率次高的支路，直至所有的支路都比较完毕；若所有的支路都比较完毕后仍未确定有支路将会断开，则重新从负载率最高的支路开始重复上述比较过程；若重复次数达到预先设置的次数后仍未确定有支路将会断开，则认为无法预测出后续故障。

本发明的有益效果如下：根据电力系统在发生连锁故障时的运行状态，评估连锁故障对系统造成的破坏，考虑了故障对电网设备运行状态、网络拓扑结构以及负荷损失三个方面，然后根据元件故障后引起的潮流重新分布情况对下级故障进行预测，并在此基础上评估其破坏程度，从而根据破坏程度是增长数值以及趋势辅助判断连锁故障的发展进程，决定是否在已发故障后必须及时采取紧急控制措施，对连锁故障进行阻隔。

附图说明：

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例的电网节点图。

图3为本发明实施例破坏程度增长曲线图。

图4为本发明实施例紧急控制后的L17有功功率图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明方法的流程图。根据图1，在采用本发明方法时，通过通讯接口从能量管理系统和安全稳定控制装置实时获取电网的运行实时数据和安全稳定控制策略信息，所述电网的运行实时数据包括电网的网络参数及拓扑结构、发电机出力、负荷和系统各节点的注入量，所述安全稳定控制策略信息包括当前可选的控制措施、线路及变压器及发电机的实测数据。当电网发生故障时，执行图1步骤1)-4)。

图1中步骤1描述的是根据实时获取的电网的运行实时数据和安全稳定控制策略信息，计算当前故障发生后电网的破坏程度指标。根据以下公式计算电网的破坏程度指标：

$D=\frac{1}{\mathrm{\&epsiv;}}(1-e^{-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;p}}_i}{p_{iN}}})\&CenterDot;e^{\mathrm{\&alpha;}(1-\frac{n}{N})\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&gamma;}}_j{u}_j}\&CenterDot;e^{\mathrm{\&beta;}(1-\frac{l}{L})}$

其中D为电网的破坏程度指标，i为网络支路数，n为系统剩余支路数，N为系统初始支路数，Δp_i为故障发生后第i条支路有功功率变化量，p_iN为第i条支路的额定功率，u_j为故障发生后第j条支路的电压等级，γ_j为故障发生后第j条支路的电压等级权重，其值等于第j条支路电压等级除以系统中所有剩余支路的电压等级和，l为系统剩余负荷量，L为系统初始负荷总量，α、β和ε为常数，具体实践中可根据专家经验通过实际的电网仿真确定。

需要注意的是在故障发生后，在计算电网的破坏程度指标时，需要判断故障发生后系统有无孤岛，若出现孤岛则需要对孤岛进行如下处理：去除计算数据中孤岛相关节点以及与之相连的支路，并统计孤岛造成的损失，该损失包括拓扑结构破坏和负荷损失，统计相关节点支路的损失量及其电压等级，在计算因产生孤岛而造成的负荷损失时，以孤岛中原有负荷量与发电容量的差值计入负荷损失之中。

图1中步骤2描述的是当前故障发生后对下级故障(即后续故障)进行预测。当前故障发生后引发系统潮流重新分布，可能引发下级故障。根据当前故障后电网的运行状况，预测之后将会发生的后续故障，并计算后续故障发生后的电网的破坏程度指标(计算方法和步骤1中计算电网的破坏程度指标的方法相同)；如无法预测出后续故障，则结束本方法。预测之后将会发生的后续故障的方法为：

首先，根据当前故障后电网的运行状况，计算各元件的潮流，依据负载率(元件有功功率和额定功率之比)α_L进行降序排列，选取负载率最高的支路，并按以下公式计算该支路的停运概率P(α_L)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_L=\frac{L}{L_0}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{L0}=\frac{L_{\max }}{L_0}\\ P\left({\mathrm{\&alpha;}}_L\right)=\left\{\begin{array}{cc}p& {\mathrm{\&alpha;}}_L<0\\ p+\frac{(P-p)({\mathrm{\&alpha;}}_L-1)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}-1}& 1\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_L\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}\\ P& {\mathrm{\&alpha;}}_L>{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}\end{array}\right.\end{array}\right.$

其中，L为支路负载；L₀为支路额定负载；L_MAX为支路的长期稳定限额，一般取为额定负载的1.1倍～1.4倍；p为额定负载以下时的故障概率，建议取为0.0007；P为保护正确动作率，可取为1，P和p的具体数值可以参考线路停运概率的长期统计平均值。

然后，在0至1之间获取一随机数，若该随机数小于等于负载率最高的支路的停运概率则认为该支路将会断开，并将由该支路断开而导致的故障作为之后将会发生的后续故障；若该随机数大于负载率最高的支路的停运概率则选择负载率次高的支路计算其停运概率，并重新在0至1之间获取新的随机数与之比较，若新随机数小于等于该支路的停运概率认为该支路将会断开，并将由该支路断开而导致的故障作为之后将会发生的后续故障，若随机数大于该支路的停运概率，则继续比较下一负载率次高的支路，直至所有的支路都比较完毕；若所有的支路都比较完毕后仍未确定有支路将会断开，则重新从负载率最高的支路开始重复上述比较过程；若重复次数达到预先设置的次数后仍未确定有支路将会断开，则认为无法预测出后续故障。

图1中步骤3描述的是，依据破坏程度指标判断故障后是否实施相应的紧急控制措施。比较当前故障发生后电网的破坏程度指标和当后续故障发生后的电网的破坏程度指标，当破坏程度指标的增长曲线斜率大于阀值K时，说明该预测故障发生造成了较大的负荷损失或者电网运行状态乃至拓扑结构遭受了较大破坏，此时认为该故障引发的后果严重，为尽可能地减少控制代价，判断该时刻为最佳的紧急控制时机，应转至步骤4实施紧急控制方案，否则等待后续故障实际发生后返回步骤1。对于不同的电网，阀值K有所不同，其值可经过大量的离线仿真获取。

本步骤的原理在于：连锁故障发展一段时间后进入慢演化阶段，若破坏程度增长迅速，则表明预想的下级故障发生后将导致连锁故障进一步发展进入快演化阶段，从而将付出更大的控制代价并造成更为严重的损失，因此必须在该预想故障发生前对连锁故障进行阻隔，即应在该预测故障发生前实施足量的紧急控制。若破坏程度指标增长并不显著，则表明预想的下级故障发生后可依靠电力系统原有的控制措施进行阻隔。当后续故障发生后，再进行破坏程度指标的相关计算，为紧急控制提供参考。

图1中步骤4描述的是，在确定故障发生后必须采用紧急控制措施时，采用合理的紧急控制措施防止连锁故障的进一步扩大，即针对后续会发生的故障确定相应的紧急控制方案，并将该方案下发至安全稳定控制装置，由安全稳定控制装置执行，从而实现对连锁故障的阻隔。对于元件过载而言，选取的紧急控制措施主要为切机、切负荷。

下面通过一个具体的实例进行说明。

如图2所示的简单电力系统为IEEE39节点系统，其中发电通过节点30～39接入，节点3、4、7、8、13、15、16、18、20、21、23～29、31和39含有负荷，其余节点为连接节点，不考虑各线路的电压等级差别，α、β和ε为取值分别为30、10和1，P和p分别取0.9993和0.0007，步骤2)中依概率选择后续故障重复次数设置为10。

系统发生连锁故障，初始故障设定为支路L23(bus6-bus11)开断，之后支路L22(bus3-bus4)意外开断、L8(bus14-bus13)因潮流转移发生过负荷而开断，事故进入连锁过程，并导致破坏程度指标不断上升。此后预测支路L17(bus9-bus39)严重过载，如果不及时实施紧急控制则将导致其开断，使得该区域与主网隔离，事故进一步扩大。计算各故障后的破坏程度指标，得到的破坏程度指标数据如表1所示，其增长曲线如图3所示。

此时，若前三个故障发生后不能及时采取阻隔措施，解决支路L17的过载问题，则支路L17故障开断后将导致破坏程度迅速增长，其增长斜率大于K值(经离线仿真，本系统K值选为4.00)，因此必须在支路L17未断开前及时采取紧急控制措施。依据步骤4所示方法，以切机切负荷措施解决支路过负荷问题，获取紧急控制方案，如表2所示。其中节点类型1表示负荷节点，2表示发电机节点。

表1

表2

实施紧急控制后的相关发电机频率偏差明显减小，功角稳定。图4为紧急控制后支路L17有功功率。由图可知，前三个故障后将导致支路L17严重过载，在其开断之前施加紧急控制后，该支路的负载情况得到了改善。结果表明，本发明所提的破坏程度指标对连锁故障紧急控制时机的确定具有一定的参考作用。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法，其特征在于，通过通讯接口从能量管理系统和安全稳定控制装置实时获取电网的运行实时数据和安全稳定控制策略信息；当电网发生故障时，执行以下步骤：

1)根据实时获取的电网的运行实时数据和安全稳定控制策略信息，计算当前故障发生后电网的破坏程度指标；

2)根据当前故障后电网的运行状况，预测之后将会发生的后续故障，并计算后续故障发生后的电网的破坏程度指标；如无法预测出后续故障，则结束本方法；

3)比较当前故障发生后电网的破坏程度指标和后续故障发生后的电网的破坏程度指标，当破坏程度指标的增长曲线斜率大于阀值K时转至步骤4)实施紧急控制方案，否则等待后续故障实际发生后返回步骤1)；

4)针对后续会发生的故障确定相应的紧急控制方案，并将该方案下发至安全稳定控制装置，由安全稳定控制装置执行，从而实现对连锁故障的阻隔，结束本方法。

2.根据权利要求1所述的基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法，其特征在于，所述电网的运行实时数据包括电网的网络参数及拓扑结构、发电机出力、负荷和系统各节点的注入量，所述安全稳定控制策略信息包括当前可选的控制措施、线路及变压器及发电机的实测数据。

3.根据权利要求1所述的基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法，其特征在于，根据以下公式计算电网的破坏程度指标：

$D=\frac{1}{\mathrm{\&epsiv;}}(1-e^{-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;p}}_i}{p_{iN}}})\&CenterDot;e^{\mathrm{\&alpha;}(1-\frac{n}{N})\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&gamma;}}_j{u}_j}\&CenterDot;e^{\mathrm{\&beta;}(1-\frac{l}{L})}---\left(1\right)$

式(1)中D为电网的破坏程度指标，i为网络支路数，n为系统剩余支路数，N为系统初始支路数，Δp_i为故障发生后第i条支路有功功率变化量，p_iN为第i条支路的额定功率，u_j为故障发生后第j条支路的电压等级，γ_j为故障发生后第j条支路的电压等级权重；l为系统剩余负荷量，L为系统初始负荷总量，α、β和ε为常数、通过实际的电网仿真确定。

4.根据权利要求3所述的基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法，其特征在于，在计算电网的破坏程度指标时，需要判断故障发生后系统有无孤岛，若出现孤岛则需要对孤岛进行如下处理：去除计算数据中孤岛相关节点以及与之相连的支路，并统计孤岛造成的损失，该损失包括拓扑结构破坏和负荷损失，统计相关节点支路的损失量及其电压等级，在计算因产生孤岛而造成的负荷损失时，以孤岛中原有负荷量与发电容量的差值计入负荷损失之中。

5.根据权利要求1所述的基于连锁故障破坏程度指标的紧急控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，预测之后将会发生的后续故障的方法为：

首先，根据当前故障后电网的运行状况，计算各元件的潮流，依据负载率α_L进行降序排列，选取负载率最高的支路，并按公式(2)计算该支路的停运概率P(α_L)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_L=\frac{L}{L_0}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{L0}=\frac{L_{\max }}{L_0}\\ P\left({\mathrm{\&alpha;}}_L\right)=\left\{\begin{array}{cc}p& {\mathrm{\&alpha;}}_L<1\\ p+\frac{(P-p)({\mathrm{\&alpha;}}_L-1)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}-1}& 1\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_L\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}\\ P& {\mathrm{\&alpha;}}_L>{\mathrm{\&alpha;}}_{L0}\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，L为支路负载；L₀为支路额定负载；L_MAX为支路的长期稳定限额；p为额定负载以下时的故障概率；P为保护正确动作率，P和p的数值根据线路停运概率的长期统计平均值确定；

然后，在0至1之间获取一随机数，若该随机数小于等于负载率最高的支路的停运概率则认为该支路将会断开，并将由该支路断开而导致的故障作为之后将会发生的后续故障；若该随机数大于负载率最高的支路的停运概率则选择负载率次高的支路计算其停运概率，并重新在0至1之间获取新的随机数与之比较，若新随机数小于等于该支路的停运概率认为该支路将会断开，并将由该支路断开而导致的故障作为之后将会发生的后续故障，若随机数大于该支路的停运概率，则继续比较下一负载率次高的支路，直至所有的支路都比较完毕；若所有的支路都比较完毕后仍未确定有支路将会断开，则重新从负载率最高的支路开始重复上述比较过程；若重复次数达到预先设置的次数后仍未确定有支路将会断开，则认为无法预测出后续故障。