CN110188421B - 基于着色随机Petri网的电网连锁故障建模仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于着色随机Petri网的电网连锁故障建模仿真方法，包括以下步骤：步骤1，根据电网系统接线图，确定各元件发生故障时相关的继电保护装置的相应动作；步骤2，根据着色Petri网的性质，对元件的各级继电保护装置进行分类，建立切除故障的局部CPN模型；步骤3，将各元件切除故障的局部CPN模型整合成整个系统的故障切除路线的CPN模型；步骤4，考虑继电保护装置有可能存在故障的情况，利用随机Petri网，建立整个系统的SCPN模型。

Description

基于着色随机Petri网的电网连锁故障建模仿真方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统故障检测与防护仿真技术，特别是一种基于着色随机Petri网的电网连锁故障建模仿真方法。
背景技术
继电保护装置作为保证电力系统安全稳定运行的重要设备，如果存在正常运行情况下不能发现的隐性故障，那么当系统发生故障，继电保护装置的误动作有可能进一步扩大事故的影响，引发连锁故障。资料表明，目前大约有75％的大停电事故与继电保护装置的不正确动作有关，因此继电保护装置的故障是引发电力系统连锁故障，造成系统灾变的一个重要因素。
目前有关连锁故障预测的研究大致可以分为2大体系：(1)以潮流计算和稳定分析为核心，研究电力系统连锁故障的整体行为并预测连锁故障发展路径；(2)以电网拓扑结构为核心，研究电网拓扑特征与连锁故障发展的关系，搜索连锁故障发展的路径。但是，基于传统方法分析连锁故障仍有下述问题需要解决：(1)实际的电力系统大电网的规模十分庞大，通过传统的连锁故障建模分析的方法，其模型节点数量十分繁多，有可能导致模型状态空间的爆炸；(2)传统的连锁故障分析方法难以揭示连锁故障过程中系统的整体行为，以及其故障发展的动态行为。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于着色随机Petri网的电网连锁故障建模仿真方法，包括以下步骤：
步骤1，根据电网系统接线图，确定各元件发生故障时相关的继电保护装置的相应动作；
步骤2，根据着色Petri网的性质，对元件的各级继电保护装置进行分类，建立切除故障的局部CPN模型；
步骤3，将各元件切除故障的局部CPN模型整合成整个系统的故障切除路线的CPN模型；
步骤4，考虑继电保护装置有可能存在故障的情况，利用随机Petri网，建立整个系统的SCPN模型。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明考虑了电网中的继电保护装置的故障概率，即继电保护装置误动和拒动对连锁故障发展的影响，利用着色随机Petri网进行建模仿真，可以直观地看到连锁故障发展的动态过程；(2)通过利用保护装置未准确动作时引起的其他各元件保护装置的动作信息来模拟各保护之间的相互配合关系，使整个系统结构清晰明了；(3)本发明利用了着色Petri网将各保护以及断路器进行分类着色，大大减少了模型的节点数量；(4)该模型具有一定的可扩展性，对于新加入的元件，只需要给出元件与故障元件的相应关系及其继电保护装置的动作，以及继电保护装置的故障概率，就可以很方便的整合进系统的整体模型中。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为系统故障发展的SCPN模型示意图。
图2为三机九节点系统接线图。
图3为切除故障线路L5的PN模型示意图。
图4为切除故障变压器T2的PN模型示意图。
图5为切除故障母线A5的PN模型示意图。
图6为切除故障元件的CPN模型示意图。
具体实施方式
本实施例以图2三机九节点系统为例，步骤如下：
步骤1：根据电网系统接线图，确定各元件发生故障时相关的继电保护装置和断路器的相应动作，所述动作包括跳闸、误动和拒动。
首先确定系统中所含元件，保护以及断路器信息。在图2中Gi表示发电机，Li表示线路，Ti表示变压器，Ai表示母线，Loadi表示负荷，CBi表示元件所配备的断路器。该系统包括21个元件、21个断路器和57个保护。其中，21个元件依次为：发电机G1,…G3；母线A1,…,A9；变压器T1,…,T3；线路L1,…,L6。21个断路器依次为：CB1,CB2…,CB21。57个保护中27个主保护和30个后备保护，对于线路保护规定：左(上)端为S端，右(下)端为R端。m表示元件的主保护，p表示元件的近后备保护，s表示元件的远后备保护。所以21个主保护分别为：发电机主保护G1m,…,G3m；母线主保护A1m,…,A9m；变压器主保护T1m,…,T3m；线路主保护L1Sm,…,L6Sm、L1Rm,…,L6Rm。30个后备保护为：变压器近后备保护T1p,…,T3p；变压器远后备保护T1s,…,T3s；线路近后备保护L1Sp,…,L6Sp、L1Rp,…,L6Rp；线路远后备保护L1Ss,…,L6Ss、L1Rs,…,L6Rs。
通过分析三机九节点系统可知，此系统是一个高度对称的环网结构，很多元件的地位相同，具有典型代表的有线路、变压器和母线。因此，只需对典型元件建模。
步骤2：根据着色Petri网的性质，对元件的各级保护以及断路器装置进行分类，建立各元件切除故障的局部CPN模型。各级包括本线路、相邻线路和下一级。类别分为两类：一类是用本线路的继电保护装置动作切除故障，另一类是用相邻线路的继电保护装置动作切除故障。首先分别对典型元件建模得到切除故障元件的基本Petri网模型。其中，在Petri网模型中，以圆形表示库所，在本建模方法中，库所代表元件继电保护装置的动作状态；以实心小点表示托肯，而在CPN模型中，可将托肯着色，以不同颜色托肯表示不同资源，在本建模方法中，用3种颜色托肯代表继电保护装置的动作信息，即正确动作，误动和拒动；以矩形或直线表示变迁，在本建模方法中，变迁代表继电保护装置的动作；以带箭头的线代表资源在网中的流动，即托肯在网中的流动。
图3为当线路L5故障，切除线路L5的PN模型。其库所和变迁描述如表1所示。
表1线路L5的PN模型有关库所及变迁含义解释
Figure BDA0002061096140000031
Figure BDA0002061096140000041
后备保护分为近后备保护和远后备保护。近后备保护仅切除自己所在本线路故障，远后备保护切除相邻线路的故障。主保护和近后备保护均是切除本线路故障，主保护优先动作。
图4为当变压器T2故障，切除变压器T2的PN模型。其库所和变迁描述如表2所示。
表2变压器T2的PN模型有关库所及变迁含义解释
Figure BDA0002061096140000042
图5为当母线A5故障，切除母线A5的PN模型。其库所和变迁描述如表3所示。
表3母线A5的PN模型有关库所及变迁含义解释
Figure BDA0002061096140000043
Figure BDA0002061096140000051
对典型元件的PN模型进行分析，将各保护和断路器进行分类并着色，可建立同一个切除故障元件的CPN模型如图6。其库所和变迁描述如表4所示。
表4切除故障元件的CPN模型有关库所及变迁含义解释
Figure BDA0002061096140000052
步骤3：根据各元件之间的电气关系和网络拓扑结构，将局部模型整合成整个系统的故障切除路线的CPN模型。首先需确定故障元件与相邻元件之间的关系。
假定系统初始故障元件为线路L6，分析其与相邻元件保护动作的关系：
若线路L6的主保护或近后备切除故障，此时存在两种可能：(1)不影响其他任何元件；(2)由于继电保护装置存在隐性故障，即误动的可能，则相邻元件，即线路L4，L5和变压器T3的保护装置误动。若线路L6主保护或近后备未能断开故障，则引起线路L5，变压器T3和线路L4远后备保护动作；若相邻元件，即线路L4，L5和变压器T3仍未能切除故障，则引起下一级元件，即线路L2，L3和变压器T2远后备保护动作，直至切除故障或系统崩溃。
确定连锁故障发展终止的判据：当系统中出现电网解列、母线上所有连接支路均跳闸断开、大型发电机跳闸退出或系统中没有新元件开断等现象时，则可判定连锁故障传递结束。
为了进一步解释将局部模型整合成整个系统的故障切除路线的CPN模型的过程，假定系统初始故障元件为线路L6，结合图1进行说明，其库所和变迁描述如表5所示：
表5系统的SCPN模型有关库所及变迁含义解释
Figure BDA0002061096140000061
库所P0中含有3个不同颜色的托肯，代表继电保护装置的动作信息，即准确动作，误动和拒动，在图1中用A表示准确动作，B表示误动，C表示拒动，数字表示托肯数量，且用带箭头的线上标注A1，B1，C1，用来表示不同托肯在网中的流动。
当线路L6发生故障时，若L6的继电保护装置拒动时，即变迁T1，这引起了L6的相邻元件L5，L4，T3的保护的相应动作来切除故障，即变迁T4，而此时，由于L5保护的动作，导致负荷LoadC脱离系统，T3保护的动作，导致发电机G3脱离系统，造成系统崩溃，此时的故障发展线路为L6-L5，L4，T3-LoadC，G3。
当线路L6发生故障时，若L6的继电保护准确动作切除故障，即变迁T0，此时考虑相邻元件是否存在隐性故障，若相邻元件，即L5，L4无隐性故障，则L5和L4的保护不动作，即变迁T5和T8，此时系统中仅L6的保护发生动作，未成为连锁故障；若相邻元件，即L5，L4存在隐性故障，则当L6的保护正确动作之后，此时L5或L4发生误动，即变迁T6和T7，此时，由于L5保护的动作，导致负荷LoadC脱离系统；L4保护的动作，导致发电机G3成为孤立的电源，造成系统崩溃，此时故障发展线路为L6-L5-LoadC或L6-L4-T3，G3。
步骤四：考虑继电保护装置有可能存在故障的情况，利用随机Petri网，建立整个系统的SCPN模型。首先通过统计数据计算继电保护装置的正确动作，误动和拒动的概率，2004年的继电保护运行的状态数据如下表所述。
表6 2004年各元件的继电保护运行状况
Figure BDA0002061096140000071
在步骤三得到得系统的整体CPN模型中，在各变迁中引入概率参数，本发明中此概率参数就是继电保护装置的各动作概率，即得到系统的SCPN模型，如图1所示。
上述实例不以任何方式限制本发明专利，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于着色随机Petri网的电网连锁故障建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据电网系统接线图，确定各元件发生故障时相关的继电保护装置的相应动作；
步骤2，根据着色Petri网的性质，对元件的各级继电保护装置进行分类，建立切除故障的局部CPN模型；
步骤3，将各元件切除故障的局部CPN模型整合成整个系统的故障切除路线的CPN模型；
步骤4，考虑继电保护装置有可能存在故障的情况，利用随机Petri网，建立整个系统的SCPN模型；
步骤1具体过程包括：
步骤1.1，根据故障元件在系统中的位置，确定各元件的保护装置的动作；
步骤1.2，根据系统的电气关系和拓扑结构，确定故障元件与相邻元件的相关关系；
各元件的继电保护装置动作包括继电保护装置的准确动作和未准确动作，未准确动作进一步包括误动和拒动；
故障元件与相邻元件的相关关系包括：
(1)若故障元件的主保护和近后备保护准确动作，切除故障，故障元件不影响其相邻元件；
(2)若故障元件的主保护和近后备保护准确动作，切除故障，由于相邻元件存在隐性故障，使相邻元件保护误动；
(3)若故障元件的主保护和近后备保护均拒动，则相邻元件的远后备保护必须动作，切除故障元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中包括以下步骤：
步骤2.1，根据继电保护装置与断路器的动作信息，分别对各元件进行Petri网建模得到切除故障元件的基本Petri网模型；
步骤2.2，在切除故障元件的基本Petri网模型中，对各级继电保护装置和相邻元件进行分类并着色，建立切除故障元件的CPN模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对各级继电保护装置和相邻元件进行分类的标准包括：
(1)若某一元件发生故障，根据发生动作的保护装置分为本元件的主保护和近后备保护，以及相邻元件的远后备保护；
(2)若某一元件发生故障，根据故障元件的继电保护的动作将相邻元件分为3类：继电保护动作跳闸时，不受影响的相邻元件；继电保护动作跳闸时，可能发生误动的相邻元件；继电保护拒动时，必须动作的相邻元件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中包括以下步骤：
步骤3.1，确定连锁故障传递结束的判定准则；
步骤3.2，根据未能切除故障元件时元件保护的相继动作信息，以及连锁故障终止信息将局部模型整合成整个系统的故障切除线路CPN模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，连锁故障传递结束的判定准则包括：系统失稳、电网节点电压越限超过整定值、电网解列或者出现孤立负荷、大型发电机跳闸退出、某一母线上所有的线路均被断开、电网中不再有新的元件开断并进入新的稳定工作点；或者是在模拟连锁故障发展线路时，其故障发展深度超过某一设定值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中包括以下步骤：
步骤4.1，根据统计的继电保护运行的状态数据，计算一年中保护正确动作的次数占保护动作总次数的比值，来表示每个继电保护装置保护正确动作的概率，其表达式为：
Figure FDA0003778009250000021
其中，P表示保护正确动作的概率，n表示保护正确动作的次数，N表示保护动作的总次数；
步骤4.2，根据随机Petri网的性质，在系统故障切除线路的CPN模型中引入保护的故障概率，建立整个系统故障切除线路的SCPN模型。
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