CN107067127A - 一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法。目前基于复杂网络理论的事故链模型忽略了电气特性、运行特性以及潮流特性等电网独有的特征，并不完全适用于电网的安全稳定分析与控制。本发明基于事故链模型，考虑现有二、三道防配置情况，提出了关键元件保护控制动作评估指标，用于量化关键元件保护控制的不确定性因素，计算在临界情况下关键元件保护控制的动作概率，确定连锁故障事故链的后续事件；此外，根据保护控制动作概率及其动作后所需的控制代价，评估事故链的风险，筛选高风险连锁故障事故链，为预防连锁故障大停电提供分析基础。

Description

一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体而言是一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法。

背景技术

近年来，国内外发生了多起电力系统大停电事故，如2003年发生了美加大停电事故、西欧大停电事故和意大利大停电事故；2009年、2011年巴西先后发生了大停电事故；更为严重的是，2012年夏季印度连续发生了两起大停电事故；而就在2015年3月31日土耳其突发了一场大停电事故。我国虽然没有发生过上述特别严重的大停电事故，但也曾发生数起由连锁故障引发的局部地区停电事故，如2006年的7月1日发生的华中电网停电事故。这些大停电事故对人民的日常生活和经济造成了非常严重的影响，甚至威胁着社会稳定。

以往分析表明在大停电事故的发展过程中往往伴随着连锁故障，连锁故障为大停电的发生起着推波助澜的作用。按照墨菲定律，如果某一事件存在发生的可能性，尽管可能性或许很低，但在某一情况下一定会发生。同理，虽然发生连锁故障大停电属于极小概率事件，可一旦发生其直接损失巨大，间接损失更是难以估量。因此，有必建立适当的连锁故障模型，深入研究连锁故障的演化机理，掌握连锁故障的发展规律。

目前，已有的连锁故障分析模型种类繁多，功能各异。根据建模的出发点不同可将电力系统连锁故障分析模型大致分为基于潮流/稳定计算的研究方法和基于网络拓扑的研究方法两大类。其中，基于潮流/稳定计算的研究方法主要包括复杂系统自组织临界性的相关研究和连锁故障模式搜索策略研究两个方面；基于网络拓扑的研究方法主要利用复杂网络理论，结合电网自身特点从电网全局的角度对电网的连锁故障进行研究，寻求连锁故障发生的结构根源。基于复杂系统自组织临界性研究的模型可揭示连锁故障发生的机理，量化连锁故障发 生的风险，但无法详细模拟连锁故障反应机制，难以给运行、规划人员提供决策信息；模式搜索策略，可直观地表达连锁故障事件的发展路径和最终结果；事故链模型不仅可以研究大停电的宏观现象，也能详细的模拟连锁故障反应机制，为连锁故障控制研究提供了一个可工程应用的方法，但其在后续环节的确定和计算速度上还需改进；基于复杂网络理论的模型可从全局对系统总体行为进行分析，但是一般忽略了电气特性、运行特性以及潮流特性等电网独有的特征，并不完全适用于电网的安全稳定分析与控制。

发明内容

为克服传统连锁故障搜索方法难以计及保护控制的不确定性，本发明提供一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法，该方法基于事故链模型，在时域仿真的过程中，通过关键元件保护控制动作评估指标量化保护控制的不确定性，确定连锁故障事故链的后续事件及其概率，以搜索高风险连锁故障事故链。

本发明采用以下技术方案实现：一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法，其包括如下步骤：

1)根据电网实时工况数据，确定初始事件集(如重要主变N-1、N-2故障，关键输电线路N-1、N-2以及三相短路单相拒动故障等)；

2)从初始事件集中的某一初始事件出发，采用时域仿真分析，判断负荷损失量是否超出所设定的门槛值，若超出，进入步骤5)，否则进入步骤3)；

3)判断是否有保护控制动作，若有保护控制动作则将该保护控制动作作为下一事件，进入步骤2)，否则进入步骤4)；

4)计算关键元件保护控制动作评估指标及其相应的动作概率，若关键元件保护控制动作评估指标小于所设定的门槛值，则选取评估指标值最小的保护控制动作为下一事件，进入步骤2)，否则进入步骤5)；

5)计算并判断当前事故链的风险值是否大于所设定的门槛值，若大于则保存该事故链，进入步骤6)，否则直接进入步骤6)；

6)判断事故链搜索是否结束，若结束则输出事故链集，结束本方法，否则 进入步骤1)选择下一初始事件继续进行事故链搜索。

进一步地，所述步骤4)中，关键元件保护控制动作评估指标的计算公式如下：

λ＝[E_e-(E_c-kT_c)]*100％

其中，E_e为动态过程中所监测电气量的最大/最小值，E_c和T_c分别为保护控制动作门槛值和允许持续的时间，k为将电气量偏移持续时间换算成电气量的折算因子。

进一步地，所述步骤4)中，关键元件保护控制动作概率的计算公式为：

其中，λ为保护控制动作评估指标，λ_ref为保护控制动作设定的门槛值；p为保护控制动作发生隐性故障的概率，不考虑隐性故障时取0；P为保护控制动作正确动作的概率，不考虑隐性故障时取1，p值和P值通过统计数据获取。

进一步地，所述步骤5)中，当前事故链风险值的计算公式为：

其中，P(d_i|d₁d₂…d_i-1)为第i级事件发生的条件概率，C_i为第i级事件发生后的控制代价。

上述技术方案的进一步地在于：所述步骤4)中，关键元件保护控制动作评估指标及其相应的动作概率计算方法如下：

1)关键元件保护控制动作评估指标

电力系统中保护或控制装置动作判据一般为(E_c,T_c)，E_c为保护控制装置电气量门槛值，一般可为电压、电流、频率和有功功率等，T_c为允许持续的时间。利用时域仿真就可以准确模拟保护和控制装置的动作情况，搜索事故链。但一 般只能确定性的模拟保护与自动装置动作与否，很难考虑一些不确定性的因素。比如某关键断面装有低压解列装置，上一级事件可能造成该关键断面电压跌落，若电压跌落接近但是没有超过低压解列装置所设置的定值时，解列装置不动作，且其他保护或者安自装置无动作，此时系统到达一个新的平衡点，事故链仿真结束。而事实上当电压跌落接近低压解列装置所设置的定制时，会有一定的概率动作且动作概率与电压跌落情况成正比，因此根据连锁故障分析思想，需要进一步对该低压解列装置动作进行后的情况进行仿真分析。为量化保护控制的动作情况，本发明将保护控制装置动作的二维判据用一维指标表示，即关键元件保护控制动作评估指标，其计算公式如下：

λ＝[E_e-(E_c-kT_c)]*100％ (1)

其中，E_e为动态过程中所监测的电气量最大/最小值(可以是电压、电流、有功功率、频率等电气量)，E_c和T_c分别为保护控制装置动作门槛值和允许持续的时间，k为把电气量偏移持续时间换算成电气量的折算因子。

λ为不同值时，其表示的物理含义如下：

λ＞0，表示保护控制装置不满足动作条件，且远离动作边界；

λ≈0接近于0，表示保护控制装置处于临界动作状态；

λ＜0，表示保护控制装置满足动作条件。

2)关键元件保护控制动作概率

根据上述分析以及保护控制动作评估指标，可得关键元件保护控制动作概率计算公式为：

其中，λ为保护控制动作评估指标值，λ_ref为保护动作设定的门槛值，p为保护发生隐性故障的概率(不考虑隐性故障时取0)，P为保护正确动作的概率 (不考虑隐性故障时取1)，p和P值可以通过统计数据获取。

上述技术方案的进一步在于：所述步骤5)中，当前事故链风险值的计算方法如下：

若当前事故链共发展到第m级，则该事故链的风险值计算公式为：

其中，P(d_i|d₁d₂…d_i-1)为第i级事件发生的条件概率，C_i为第i级事件发生后的控制代价。

本发明具有的有益效果如下：本发明基于事故链模型，考虑现有二、三道防配置情况，提出了关键元件保护控制动作评估指标，用于量化关键元件保护控制的不确定性因素，计算在临界情况下关键元件保护控制的动作概率，确定连锁故障事故链的后续事件；此外，根据保护控制动作概率及其动作后所需的控制代价，评估事故链的风险，筛选高风险连锁故障事故链，为预防连锁故障大停电提供分析基础。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明高风险连锁故障事故链示意图。

图3为灵绍、宾金直流线路有功功率曲线。

图4为部分发电机频率曲线。

具体实施方式

下面参照说明书附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

图1中步骤1描述的是，根据电网实时工况数据，依据专家经验确定初始事件集，如重要主变N-1，N-2故障，关键输电线路N-1、N-2以及三相短路单相拒动故障等。选择华东2017年夏季高峰负荷运行典型方式，配置了相应的低频低压减载装置，为简化计算初始事件集只考虑苍岩—凤仪线路三相短路单相 拒动故障，故障发生概率为0.001，进入步骤2)。

图1中步骤2描述的是，从初始事件集中的某一初始事件出发，采用时域仿真分析，判断负荷损失量是否超出所设定的门槛值？若超出，进入步骤5)，否则进入步骤3)。

设置负荷损失的门槛值为全网负荷的30％，从苍岩—凤仪线路三相短路单相拒动故障开始，故障后无负荷损失，进入步骤3)。

图1中步骤3描述的是，判断是否有保护控制动作，若动作则将保护控制动作行为作为下一事件，返回步骤2)，否则进入步骤4)。

直流连续换相保护设置为连续换相失败3次后直流闭锁，苍岩—凤仪线路三相短路单相拒动故障后，灵绍直流连续换相失败3次闭锁，将该事件作为下一事件，返回步骤2)；此时，负荷损失小于门槛值，进入步骤3)，无保护控制动作，进入步骤4)。

图1中步骤4描述的是，计算关键元件保护控制动作评估指标及其相应的动作概率，若有关键元件保护控制动作评估指标小于预先设定的门槛值，则选取指标值最小的保护控制动作为下一事件，进入步骤2)，否则进入步骤5)；

设置保护控制动作指标门槛值为0.5，假设直流闭锁概率与直流换相失败次数线性相关。根据式(1)计算500kV线路低压保护、直流连续换相失败保护等关键元件保护控制动作指标可得指标数值最小的为宾金直流换相失败保护，其值为1/3，根据式(2)计算该保护动作概率为2/3，保护动作指标小于门槛值，则选择宾金直流连续换相失败保护动作做为下一事件(即宾金直流双极闭锁)，返回步骤2)；此时，负荷损失小于门槛值，进入步骤3)，频率持续下跌至49.25Hz，触发低频减载提前轮动作，共切负荷约6200MW，继续选择低频减载动作切负荷约6200MW作为下一事件，返回步骤2)；此时，负荷损失小于门槛值，进入步骤3)，无保护控制动作，进入步骤4)；计算所有关键元件保护控制动作评估指标均大于0.5，进入步骤5)。

图1中步骤5描述的是，计算并判断当前事故链的风险值是否大于所设定 的门槛值，若大于则保存该事故链，进入步骤6)，否则直接进入步骤6)；

设置风险门槛值为0.1万元，切负荷的控制代价为1万/MW；根据式(3)计算可得该事故链的风险值为4.1万元，大于门槛值，保存该事故链，进入步骤6)。

图1中步骤6所描述的是，判断事故链搜索是否结束，若结束则输出事故链集，结束本方法，否则进入步骤1)选择下一初始事件继续进行事故链搜索。

由于初始事件集中只有一个初始事件，因此到此事故链搜索结束，输出事故链集，如图2所示，本方法结束。

如图2所示，连锁故障事故链从苍岩—凤仪线路三相短路单相拒动故障开始；故障后灵绍直流连续换相失败3次双极闭锁，宾金直流连续换相失败2(如图3所示)，双极闭锁概率为2/3；灵绍、宾金直流双极闭锁后，电网频率持续下跌至49.25Hz(如图4所示)，触发低频减载提前轮动作，减负荷共约6200MW；低频减负荷后电网频率恢复稳定，系统达到新的平衡点，连锁故障结束，该连锁故障事故链的风险为4.1万元。

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 (4)

1.一种电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法，其包括如下步骤：

1)根据电网实时工况数据，确定初始事件集；

2)从初始事件集中的某一初始事件出发，采用时域仿真分析，判断负荷损失量是否超出所设定的门槛值，若超出，进入步骤5)，否则进入步骤3)；

3)判断是否有保护控制动作，若有保护控制动作则将该保护控制动作作为下一事件，进入步骤2)，否则进入步骤4)；

4)计算关键元件保护控制动作评估指标及其相应的动作概率，若关键元件保护控制动作评估指标小于所设定的门槛值，则选取评估指标值最小的保护控制动作为下一事件，进入步骤2)，否则进入步骤5)；

5)计算并判断当前事故链的风险值是否大于所设定的门槛值，若大于则保存该事故链，进入步骤6)，否则直接进入步骤6)；

6)判断事故链搜索是否结束，若结束则输出事故链集，结束本方法，否则进入步骤1)选择下一初始事件继续进行事故链搜索。

2.根据权利要求1所述的电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法，其特征在于，所述步骤4)中，关键元件保护控制动作评估指标的计算公式如下：

λ＝[E_e-(E_c-kT_c)]*100％，

其中，E_e为动态过程中所监测电气量的最大/最小值，E_c和T_c分别为保护控制动作门槛值和允许持续的时间，k为将电气量偏移持续时间换算成电气量的折算因子。

3.根据权利要求2所述的电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法，其特征在于，所述步骤4)中，关键元件保护控制动作概率的计算公式为：

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其中，λ为保护控制动作评估指标，λ_ref为保护控制动作设定的门槛值；p为保护控制动作发生隐性故障的概率，不考虑隐性故障时取0；P为保护控制动作正确动作的概率，不考虑隐性故障时取1，p值和P值通过统计数据获取。

4.根据权利要求1、2或3所述的电力系统高风险连锁故障事故链搜索方法，其特征在于，所述步骤5)中，若当前事故链共发展到第m级，则该事故链的风险值计算公式为：

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其中，P(d_i|d₁d₂…d_i-1)为第i级事件发生的条件概率，C_i为第i级事件发生后的控制代价。