CN106655292A - 一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开属于电力系统可靠性技术领域的一种基于风险评估的交直流混合特高压稳定性分析方法，该发明在合理设置系统故障和进行模拟仿真的基础上，引进风险评估指标，包括低电压风险、功角差风险、频率失稳风险等重要组成部分。在确定元件停运模型后，选择系统失效状态并计算它们的概率，进一步仿真评估所选择状态的后果，最后计算风险指标，分析电网的稳定性。与传统电网稳定性分析方法相比，本方法将事故发生的概率及其各类指标损失产生的后果相结合,将风险与效益联系起来,定量地反映了系统的安全指标，因此更适用于复杂混合电网发生连锁故障或大面积停电时的稳定性分析。

Description

一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法

技术领域

本发明属于电力系统可靠性技术领域，特别涉及一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法。

背景技术

我国能源中心和负荷中心分布不均衡，建设具有远距离、大容量、低损耗输电能力的特高压输电系统，是实现能源优化配置、改善电网结构、经济社会协调发展的必然要求。但随着电网的不断发展，电压等级逐步提高，电力系统的形态更加复杂，显示出强烈的动态、非线性特征。这也导致电网的故障形式、故障传播和故障后果愈加复杂，给系统的安全稳定分析加大了难度。

目前，电力系统稳定性评估主要依赖于可靠性理论。可靠性理论具有很好的数学基础，是实际工程领域中应用最早、最成熟的理论之一。可靠性评估已经渗透到电力系统的规划、设计、运行的过程中，以使电力系统的综合效益达到最佳，在电力系统安全可靠运行方面发挥了积极的作用。可靠性分析主要包括解析法和模拟法两类：

1.解析法是尽可能地列举出系统的各种故障状态，并按照合适的准则逐个地进行选择，然后评估所选择状态的后果，最后计算系统的风险指标。因此该方法的物理概念十分清晰，理论上可以较好地模拟系统的各种故障状态。但电力系统非常复杂，故障状态数非常庞大，因此该方法在实际应用中会遇到计算量过大的问题，并且难以模拟多重故障的情况。因此，目前解析法只适用于模拟一些简单的规模小的系统。

2.模拟法是一种随机模拟数学方法，它首先建立一个概率模拟或随机过程，通过概率抽样来模拟系统的运行状态，根据样本的统计特征计算系统风险指标。只要有足够的样本，就可以比较真实地模拟系统的各种状态，包括多重故障情况，同时避免了计算量过大的问题，因此它在一定程度上克服了解析法的缺点，比较适合于规模大的系统。但该方法本身也有一些缺陷，如收敛速度比较慢、增加样本不一定能减小误差等，从而导致计算精度与计算时间之间的矛盾，以及物理概念不清晰等。然而，随着电力系统的规模越来越大，各种电压等级以及交直流系统混合运行，各种不确定因素对电力系统的影响，这些都使得电力系统成为了世界上最大的非线性复杂系统之一，以至于传统的可靠性评估方法已不能完全满足对电力系统安全性分析的需要。传统的可靠性评估主要是针对事故发生的概率，通常都没有考虑事故引起的后果。这使得在评估一些发生的概率小，但其后果非常严重的事故时，其缺点暴露得尤为明显。风险理论兼顾了事故发生的概率及其引起的后果两个方面，使得实际分析的结果更加合理和具有指导性意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，该方法是基于特高压交直流混合电网的稳定性进行风险评估，尤其是基于特高压电网故障后导致的连锁故障和大规模停电进行分析，准确评估故障后果，提高系统安全稳定分析的充裕性和科学性；具体包括如下步骤：(如图5所示)

1)建立确定性的交直流混合特高压电网元件故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故；

2)对系统进行潮流计算和稳定性计算，达到收敛状态；

3)根据仿真计算结果，计算系统风险指标；

4)根据系统指标阈值，对系统故障进行处理。

所述步骤1)建立确定性的交直流混合特高压电网元件故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故包括：

11)获取电源和负荷出力情况、发电机、变压器的型号、电网及线路连接拓扑图；

12)建立元件两状态或多状态故障模型，形成元件故障集；

13)根据电网N-1、N-2稳定计算结果和历史自然条件，选择电网重要功能的联络线、电压薄弱、灾害事故多发的线路作为触发事故。

所述步骤2)对系统进行潮流计算和稳定性计算，达到收敛状态包括：

21)采用PSD-BPA程序对交直流特高压系统进行潮流计算，得到收敛的潮流计算结果和地理接线图；

22)根据选择的出发事故，填写故障卡，采用PSD-BPA程序对交直流特高压系统进行稳定计算，形成目标电压及目标频率的事故前后暂态变化曲线。

23)根据自然条件，选择历史发生过灾害的区域，设置触发事故；其中发生过的灾害为地震、洪水和冰灾。

所述步骤3)对根据仿真计算结果，计算系统风险指标包括：

31)计算低电压风险指标；

32)计算功角差风险指标；

33)计算频率失稳风险指标；

34)针对各单一风险指标，根据重要性程度设置权重，计算系统总风险指标。

所述步骤4)对根据系统指标阈值，对系统故障进行处理包括：

41)根据低电压风险阈值设定，判断系统故障后是否存在线路低电压越限，若存在，则进行切负荷操作；

42)根据功角差风险阈值设定，判断系统故障后是否存在线路功角差越限，若存在，则进行切机操作；

43)根据频率失稳风险阈值设定，判断系统故障后是否存在频率越限，若存在，则进行低频减载操作。

所述步骤12)建立元件两状态或多状态故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故，对可能性与严重性进行综合度量；其计算公式为：

式中：X_t,f为系统t时刻的预测状态，一般由上一个时刻系统状态的估计结果及在两时刻间系统的状态变化情况综合求得；E_i为第i个事故，P_r(E_i)为第i个事故发生的概率；X_t,j为t时刻系统可能存在的第j种状态；P_r(X_t,j|X_t,f)为X_t,j出现的概率；S_ev(E_i,X_t,j)代表严重程度，包括过载、低电压及失负荷，i＝1,2，-n；j＝1,2-m；n、m为预测状态个数。

所述步骤3)对根据仿真计算结果，计算系统风险指标包括：

(1)计算低电压风险指标；低电压风险反映了系统发生事故造成系统中母线电压下降的可能性和危害程度。计算公式为

P_r(E_i)可由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况是固定的，此时P_r(U_ip|E_i,L)应该为1；为低电压严重度函数；

(2)计算功角差风险指标；机组功角差反映的是系统发生事故造成机组失稳的可能性和危害程度P_r(δ_iq|E_i,L)，计算公式为

P_r(E_i)由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况应该是固定的，此时P_r(δ_iq|E_i,L)应该为1；

(3)计算频率失稳风险指标，频率是衡量系统稳定与否的重要指标，其风险计算公式为：

P_r(E_i)由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况应该是固定的，此时P_r(f|E_i,L)应该为1；f为系统频率；S(f)为系统频率失稳严重度函数；

(4)系统总风险

连锁故障风险指标是由连锁反应各阶段的低电压风险值和机组失稳风险值累加得到的，计算公式为

式中：x为连锁反应的第x个阶段，也可称为连锁故障第x级，x为0时表示初始事故阶段；K为连锁故障的级数。

本发明的有益效果是通过合理的系统建模、设置故障集和建立一系列风险评估指标，采用PSD-BPA进行潮流计算和稳定性计算，由仿真结果对系统风险进行量化评估，并根据风险指标阈值对故障后果进行分析和处理，实现切机切负荷等操作，使系统恢复正常。该技术方案能有效对交直流混合特高压电网故障后导致的连锁故障和大规模停电进行分析，准确评估故障后果，提高系统安全稳定分析的充裕性和科学性。

附图说明

图1是低电压严重度函数；其中，(a)离散型严重度函数；(b)连续型严重度函数。

图2是机组功角差严重度函数；其中，(a)离散型严重度函数；(b)连续型严重度函数。

图3是频率异常严重度函数；其中，(a)离散型严重度函数；(b)连续型严重度函数。

图4是西南水电外送特高压直流同时失去系统暂态变化过程，包括：(a)有功功率变化曲线，(b)无功功率变化曲线，(c)直流功率变化曲线，(d)电压变化曲线。

图5是特高压等级交直流混合电网稳定性分析流程图。

具体实施方式

本发明提出是提出一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，尤其是基于特高压电网故障后导致的连锁故障和大规模停电进行分析，准确评估故障后果的稳定性进行风险评估，提高系统安全稳定分析的充裕性和科学性；具体包括如下步骤：

1)建立确定性的交直流混合特高压电网元件故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故；

2)对系统进行潮流计算和稳定性计算，达到收敛状态；

3)根据仿真计算结果，计算系统风险指标；

4)根据系统指标阈值，对系统故障进行处理。

下面结合附图和计算仿真实例对本发明做进一步说明。

电力系统风险评估是指根据电力系统所面临的不确定性因素，建立电网元件故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故，对可能性与严重性进行综合度量；其计算公式为：

式中：X_t,f为系统t时刻的预测状态，一般由上一个时刻系统状态的估计结果及在两时刻间系统的状态变化情况综合求得；E_i为第i个事故，P_r(E_i)为第i个事故发生的概率；X_t,j为t时刻系统可能存在的第j种状态；P_r(X_t,j|X_t,f)为X_t,j出现的概率；S_ev(E_i,X_t,j)代表严重程度，如过载、低电压、失负荷等等。

为了对事故后的严重程度S_ev(E_i,X_t,j)进行评价，需要定义严重度函数；事故发生后电网会出现某些特殊状态，包括母线电压下降、线路过载、甩负荷、电压崩溃等。下面介绍三种本文采用的严重度函数：

(1)线路低电压严重度函数

图1中的(a)离散型严重度函数，b)连续型严重度函数等2种低电压严重度函数均表示当母线电压幅值下降后给统带来的影响。离散型函数定义为：当母线电压值低于定义的电压闽值0.95时函数值为1，否则函数值为0。连续型函数定义为：当母线电压值为0.95时函数值为l；当电压水平进一步下降时其函数值随之线性增加，它克服了离散型函数的缺点，函数值的大小能反映电压水平的高低。

采用离散型函数时，其公式为：

式中：U_ip为发生第i个事故阶段下母线电压存在的第p种状态；S(U_ip)为电压故障严重度函数。

采用连续型函数时，其公式为：

S(U_ip)＝-20U_ip+20 (3)

在BPA稳定计算中，仿真结果会给出系统电压最低的十条母线电压值。因此采用连续型电压严重函数，并将低电压严重度函数定义为：

式中：ω_u1，ω_u2为严重度权重系数，可根据情况适当选取，本报告中采用等权重系数，即ω_u1＝ω_u2＝0.5；为电压平均严重度，S_max(U_ip)为电压最大严重度。

(2)机组功角差严重度函数，根据功角差风险阈值设定，判断系统故障后是否存在线路功角差越限；

与低电压严重度函数相似，机组功角差函数值由机组运行情况决定，也可分为离散型和连续型2种，如图2所示的(a)离散型严重度函数，b)连续型严重度函数：)。

采用离散型函数时，其公式为：

式中：δ_iq为发生第i个事故阶段下机组电压存在的第q种状态；S(δ_iq)为功角差故障严重度函数。

采用连续型函数时，其公式为：

S(δ_iq)＝0.20δ_iq-17 (6)

在BPA稳定计算中，仿真结果会给出系统功角差最大的十台机组功角差的值。因此采用连续型电压严重函数，并将低电压严重度函数定义为：

式中：ω_δ1，ω_δ2为严重度权重系数，可根据情况适当选取；本报告中采用等权重系数，即ω_δ1＝ω_δ2＝0.5；为功角平均严重度，S_max(δ_iq)为功角最大严重度。

(3)系统频率异常严重度函数

电网发生严重故障时，可能导致频率失稳。如果在风险指标中考虑这部分指标，则系统频率异常严重度可表示为下图形式(如图3所示的(a)离散型严重度函数，b)连续型严重度函数：)；

采用离散型函数时，其公式为：

式中：f为系统频率；S(f)为系统频率失稳严重度函数。

采用连续型函数时，其公式为：

在BPA稳定计算中，仿真结果会给出系统频率偏移的值。本文采用连续型频率失稳严重函数。

特高压交直流线路故障可能会引起系统连锁故障，引发大面积停电。因此首先应明确连锁反应的各个阶段，其次要计算各阶段的风险值和最终的连锁故障风险值。本文从设定的触发事故开始，通过BPA程序对电力系统状态进行模拟，使继电保护和控制装置动作切除相应的故障，一步一步模拟连锁故障的发展过程。基于上一节提出的严重度函数模型，给出连锁故障风险的计算公式。

(1)低电压风险

低电压风险反映了系统发生事故造成系统中母线电压下降的可能性和危害程度。计算公式为

P_r(E_i)可由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况是固定的，此时P_r(U_ip|E_i,L)应该为1。

(2)机组失稳风险

机组功角差反映的是系统发生事故造成机组失稳的可能性和危害程度P_r(δ_ij|E_i,L)，计算公式为

P_r(E_i)可由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况应该是固定的，此时P_r(δ_iq|E_i,L)应该为1.

(3)频率失稳风险

频率是衡量系统稳定与否的重要指标，其风险计算公式为：

P_r(E_i)可由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况应该是固定的，此时P_r(f|E_i,L)应该为1.

(4)系统总风险

连锁故障风险指标是由连锁反应各阶段的低电压风险值和机组失稳风险值累加得到的，计算公式为

式中：x为连锁反应的第x个阶段，也可称为连锁故障第x级，x为0时表示初始事故阶段；K为连锁故障的级数。

下面以三华特高压交直流同步电网为例进行说明。

金沙江、雅窘江、大渡河流域同处川西地区，一旦该区域发生地震等灾害，严重情况下将造成多个水电站遭受破坏，从而导致停运，输送相应电源的直流输电线路也将随之退出运行。当溪洛渡、向家坝、锦屏2113万千瓦机组停运，导致溪洛渡-浙西、向家坝-上海、锦屏-苏南三回直流同时发生双极闭锁，大量的有功无功通过安徽-浙江、上海-浙江、福建-浙江的交流联络通道涌入长三角区域，对系统造成稳定性影响。下面将分别进行仿真分析。

该种方案下，系统暂态变化过程如图4所示，包括：(a)有功功率变化曲线，(b)无功功率变化曲线，(c)直流功率变化曲线，(d)电压变化曲线。由图4可以看出，在三回直流同时双极闭锁下，华东电网有功功率、无功功率、直流功率在经过短暂的突变后进入稳定震荡状态，电压能够维持在合理范围以内，系统仍能够稳定运行一段时间。但是系统各状态量震荡过程中的振幅均较大，如果长时间运行在此状态下，将导致系统频率震荡不断加大，最终导致电压崩溃，系统失去稳定，因此应该迅速采取措施，如采用低压减载、切机切负荷等措施，使系统恢复稳定。此时，系统最低的母线电压记录如表1所示，系统功角差最大的机组记录如表2所示，且由表可知系统最低节点频率为49.52Hz，严重度为0.96。

表1同步方案下西南水电外送特高压直流同时失去系统最低母线电压

表2同步方案下西南水电外送特高压直流同时失去系统最大功角差

可以看出，在西南水电遭受自然灾害导致外送特高压直流同时发生双极闭锁故障下，同步方案能够维持稳定运行一段时间，通过直流使区域间同步联网，当系统发生故障后潮流迅速转移，重新进行有功分配，有功不平衡量相对较小，因而稳定性也较高。

因此，采用风险评估理论对交直流混合特高压电网进行分析，能有效对交直流混合特高压电网故障后导致的连锁故障和大规模停电进行分析，准确评估故障后果，提高系统安全稳定分析的充裕性和科学性。

Claims (7)

1.一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，该方法是基于特高压交直流混合电网的稳定性进行风险评估，尤其是基于特高压电网故障后导致的连锁故障和大规模停电进行分析，准确评估故障后果，提高系统安全稳定分析的充裕性和科学性；具体包括如下步骤：

1)建立确定性的交直流混合特高压电网元件故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故；

2)对系统进行潮流计算和稳定性计算，达到收敛状态；

3)根据仿真计算结果，计算系统风险指标；

4)根据系统指标阈值，对系统故障进行处理。

2.根据权利要求1所述一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤1)建立确定性的交直流混合特高压电网元件故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故包括：

11)获取电源和负荷出力情况、发电机、变压器的型号、电网及线路连接拓扑图；

12)建立元件两状态或多状态故障模型，形成元件故障集；

13)根据电网N-1、N-2稳定计算结果和历史自然条件，选择电网重要功能的联络线、电压薄弱、灾害事故多发的线路作为触发事故。

3.根据权利要求1所述一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤2)对系统进行潮流计算和稳定性计算，达到收敛状态包括：

21)采用PSD-BPA程序对交直流特高压系统进行潮流计算，得到收敛的潮流计算结果和地理接线图；

22)根据选择的出发事故，填写故障卡，采用PSD-BPA程序对交直流特高压系统进行稳定计算，形成目标电压及目标频率的事故前后暂态变化曲线。

4.根据权利要求1所述一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤3)对根据仿真计算结果，计算系统风险指标包括：

31)计算低电压风险指标；

32)计算功角差风险指标；

33)计算频率失稳风险指标；

34)针对各单一风险指标，根据重要性程度设置权重，计算系统总风险指标。

5.根据权利要求1所述一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤4)对根据系统指标阈值，对系统故障进行处理包括：

41)根据低电压风险阈值设定，判断系统故障后是否存在线路低电压越限，若存在，则进行切负荷操作；

42)根据功角差风险阈值设定，判断系统故障后是否存在线路功角差越限，若存在，则进行切机操作；

43)根据频率失稳风险阈值设定，判断系统故障后是否存在频率越限，若存在，则进行低频减载操作。

6.根据权利要求2所述一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤12)建立元件两状态或多状态故障模型，形成元件故障集，选择合适的触发事故，对可能性与严重性进行综合度量；其计算公式为：

$R\left(X_{t,f}\right)=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_r\left(E_i\right)\left(\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_r\left(X_{t,j}|X_{t,f}\right)S_{ev}\left(E_i,X_{t,j}\right)\right)---\left(1\right)$

式中：X_t,f为系统t时刻的预测状态，由上一个时刻系统状态的估计结果及在两时刻间系统的状态变化情况综合求得；E_i为第i个事故，P_r(E_i)为第i个事故发生的概率；X_t,j为t时刻系统可能存在的第j种状态；P_r(X_t,j|X_t,f)为X_t,j出现的概率；S_ev(E_i,X_t,j)代表严重程度，包括过载、低电压及失负荷，i＝1,2，-n；j＝1,2-m；n、m为预测状态个数。

7.根据权利要求4所述一种特高压等级交直流混合电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤3)对根据仿真计算结果，计算系统风险指标包括：

(1)计算低电压风险指标；低电压风险反映了系统发生事故造成系统中母线电压下降的可能性和危害程度，计算公式为

$R\left(U\right|E,L)=\underset{i}{\Σ}{P}_r\left(E_i\right)\underset{p}{\Σ}\[P_r\left(U_{ip}\right|E_i,L)\·S\left(U_{ip}\right)\]---\left(10\right)$

P_r(E_i)可由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况是固定的，此时P_r(U_ip|E_i,L)应该为1；为低电压严重度函数；ω_u1，ω_u2为严重度权重系数；

(2)计算功角差风险指标；机组功角差反映的是系统发生事故造成机组失稳的可能性和危害程度P_r(δ_iq|E_i,L)，计算公式为

$R\left(\mathrm{\δ}|E,L\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_r\left(E_i\right)\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\[P_r\left({\mathrm{\δ}}_{iq}|E_i,L\right)\·S\left({\mathrm{\δ}}_{iq}\right)\]---\left(11\right)$

P_r(E_i)由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；δ_iq为发生第i个事故阶段下机组电压存在的第q种状态；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况应该是固定的，此时P_r(δ_iq|E_i,L)应该为1；

(3)计算频率失稳风险指标，频率是衡量系统稳定与否的重要指标，其风险计算公式为：

$R\left(f\right|E,L)=\underset{i}{\Σ}{P}_r\left(E_i\right)\underset{j}{\Σ}\[P_r\left(f\right|E_i,L)\·S\left(f\right)\]---\left(12\right)$

P_r(E_i)由自然灾害下的机组停运情况按照停运率进行计算；在已知哪些机组故障的情况下，假定系统低压减载、继电保护正确动作，则系统的潮流情况应该是固定的，此时P_r(f|E_i,L)应该为1；f为系统频率；S(f)为系统频率失稳严重度函数；

(4)计算系统总风险指标，连锁故障风险指标是由连锁反应各阶段的低电压风险值和机组失稳风险值累加得到的，计算公式为

$R\left(F_c\right|E,L)=\underset{x}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\[R\left(U_x\right|E_x,L)+R\left({\mathrm{\δ}}_i\right|E_x,L)+R\left(f_x\right|E_x,L)\]---\left(13\right)$

式中：x为连锁反应的第x个阶段，也可称为连锁故障第x级，x为0时表示初始事故阶段；K为连锁故障的级数。