CN111082402A - 一种关于输电网连锁故障序列的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，第一步、任意选取输电网络中的一条非发电机出线和变压器之路的线路作为连锁故障序列中初始的故障线路，故障级数设为1；第二步、统计过载线路条数；第三步、判定下一级的故障线路，故障级数加1；第四步、断开已确定的所有故障线路，判定发电机运行状态，若输电网络发生解列并且发电机处于不安全运行状态，则停止预测，输出连锁故障序列，或者连锁故障序列的故障级数已达到可预测的最大序列个数5，则停止预测，输出连锁故障序列，否则，排出已确定的所有故障线路从第二步开始重复步骤直至停止预测，输出连锁故障序列。本发明一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，能够事先预测输电网所有可能的连锁故障序列。

Description

一种关于输电网连锁故障序列的预测方法

技术领域

本发明属于电力系统安全保护技术领域，具体涉及一种关于输电网连锁故障序列的预测方法。

背景技术

近年来，为促进能源资源的合理、高效利用，我国逐渐建立了长距离、大容量的特高压线路，各地区电网之间形成互联，使得我国电网发展为一个长距离输送、大容量、大规模互联的复杂系统。若复杂系统中某地区发生小范围故障且未及时控制，则该故障会蔓延至该地区的其他位置，甚至波及到与该地区相连的其他地区，引发连锁故障，严重时会导致电网发生大面积停电事故，造成较严重地经济损失和不良的社会影响。因此，对电力系统的安全性与稳定性进行研究，可以为电网的安全可靠运行提供指导意义。而输电网络在电力系统中担任功率输送的任务，如果输电网络发生故障会导致系统功率无法正常输送，电网供电可靠性得不到保障。在此背景下，研究输电网络连锁故障序列，同样对电网的安全稳定运行、可靠供电具有重要意义。

在输电网络连锁故障序列研究中，连锁故障序列预测的提出，将输电网络的安全性分析目标简化到输电网络的线路和节点故障，减少了计算量，为快速分析系统安全性提供了可行性条件。而在进行连锁故障序列预测之前，先确定初始故障，即有选择性的进行故障序列的预测，并且针对一些特定线路或者节点进行连锁故障序列的预测，尤指相对输电网络中的其他线路或节点而言是较为重要的线路或者节点，这对防止这些特定线路或节点故障引发连锁故障具有重要意义。

目前为止，国内外学者对连锁故障序列预测的研究主要分为两种：一种是模型预测类方法，利用复杂系统理论和复杂网络理论，建立各种模型进行下一级故障元件的预测，形成连锁故障序列，常见的方法包括经典OPA模型、级联失效故障模型、有效性模型、小世界网络模型等；另一种是指标预测类方法，通过可以表征线路危险程度或重要性的基本指标融合而形成的方法，常见的方法包括隐性故障概率模型、支路可靠性模型等。

总结起来，以上两种现有的连锁故障分析方法主要是围绕电网拓扑结构和电网运行方式进行考虑，关于连锁故障序列的研究方法考虑过于单一，只考虑到电网运行初始状态，未进行故障后线路的变化情况分析，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，能够事先预测输电网所有可能的连锁故障序列。

本发明所采用的技术方案是：一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，具体按照以下步骤实施：

第一步、任意选取输电网络中的一条非发电机出线和变压器之路的线路作为连锁故障序列中初始的故障线路，故障级数设为1；

第二步、计算输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的潮流值，判别输电网络中的过载线路，并统计过载线路条数；

第三步、若过载线路条数等于1，则确定此过载线路为下一级的故障线路，故障级数加1，若过载线路条数大于1，则在过载线路中确定过载程度最大的线路作为下一级的故障线路，故障级数加1，否则计算输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的基本指标，利用D-S证据理论融合输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的基本指标得到对应的综合预测指标值F，确定综合预测指标值F最大的线路为下一级的故障线路，故障级数加1；

第四步、断开已确定的所有故障线路，判定发电机运行状态，若输电网络发生解列并且发电机处于不安全运行状态，则停止预测，输出连锁故障序列，或者连锁故障序列的故障级数已达到可预测的最大序列个数5，则停止预测，输出连锁故障序列，否则，排出已确定的所有故障线路从第二步开始重复步骤直至停止预测，输出连锁故障序列。

本发明的特点还在于，

第二步中的判别具体操作步骤为：若线路的潮流值不小于该线路的热稳态极限值，则判定此线路为过载线路。

第三步中的过载程度最大的线路具体为线路潮流值与热稳态极限值差值最大的线路。

第三步中线路的基本指标包括负载率指标α、网络效能相对变化指标β。

负载率指标α具体到连锁故障序列中k+1级线路i的线路负载率α_i,k+1的计算表达式为：

式中，S_i,k为k级故障序列断开后线路i的视在功率，S_i,max为线路i的热稳定极限值，k为正整数，最小值取1；

网络效能相对变化指标β具体到连锁故障序列中k+1级线路i的网络效能相对变化指标β_i,k+1的计算表达式为：

式中，E_k为输电网络发生N-k故障后的网络效能，E_k,i为发生N-k故障的输电网络中线路i断开后的网路效能，N为输电网络中所有线路的条数。

第三步中的利用D-S证据理论融合输电网络中的各个线路的基本指标具体按照以下操作步骤进行：

第一步、构建识别框架U：U＝{b，u}，其中元素b表示线路i的危险程度为危险，元素u表示线路i的危险程度为不危险；

第二步、以负载率指标α或网络效能相对变化指标β的指标值Deg_i中的最大值Deg_max和最小值Deg_min作为参考值，分别计算负载率指标α对应的线路i危险b、不危险u的基本概率函数值，以及网络效能相对变化指标β对应的线路i危险b、不危险u的基本概率函数值，同时计算得到线路i危险未知θ对应的基本概率函数值，具体如下式计算：

式中，P_roi(b)为负载率指标α或网络效能相对变化指标β对应的线路i危险b的基本概率函数值，P_roi(u)为负载率指标α或网络效能相对变化指标β对应的线路i不危险u的基本概率函数值，P_roi(θ)为线路i危险未知θ的基本概率函数值，ε为常数，大小为0.5；

第三步、采用Dempster组合规则表达式对P_roi(b)、P_roi(u)、P_roi(θ)进行融合，得到各线路i的危险度b、不危险度u的极值基本概率函数值，同时利用

计算出各线路i的危险未知θ的极值基本概率函数值，Dempster组合规则表达式如下式所示：

式中，

A、M和N表示集合Ω中的元素，集合Ω的表达式为Ω＝{b,u,{b,u}＝θ}，m₁和m₂分别为b、u、θ中任意两个组合后对应对应的基本概率函数值：P_roi(b)、P_roi(u)、P_roi(θ)；

第四步、采用平均分配法将危险未知θ的极值基本概率函数值m_i(θ)分配给危险度b、不危险度u的极值基本概率函数值m_i(b)、m_i(u)，得到线路i的综合基本概率函数值m(i)，即表征线路i危险度的综合预测指标值F_i，具体如下式计算：

第四步中的判定发电机运行状态具体为：计算发电机实际输出功率，若发电机的实际输出功率大于发电机的额定功率或者发电机的实际输出功率小于0，则判定发电机处于不安全运行状态，否则处于安全运行状态。

本发明一种关于输电网连锁故障序列的预测方法的有益效果是：

本发明一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，利用D-S证据理论，融合从线路自身角度和线路故障对输电网影响程度两方面建立的指标：线路负载率指标、网络效能相对变化得到预测下一级故障线路的综合预测指标值F，以准确预测连锁故障中的下一级故障线路，形成连锁故障序列，本发明通过融合表征线路危险度的线路负载率指标和网络效能相对变化，对故障后线路的变化情况分析，从而准确地输电网中可能存在的故障序列进行预测，以达到调度人员重点监控连锁故障序列与执行控制措施，减小输电网遭受连锁故障时的影响范围。

附图说明

图1是本发明一种关于输电网连锁故障序列的预测方法的流程框图；

图2是IEEE 39节点系统的输电网络中线路3断开后的各线路综合预测指标值F的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

第一步、任意选取输电网络中的一条非发电机出线和变压器之路的线路作为连锁故障序列中初始的故障线路，故障级数设为1；

第二步、计算输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的潮流值，判别输电网络中的过载线路，并统计过载线路条数；

第三步、若过载线路条数等于1，则确定此过载线路为下一级的故障线路，故障级数加1，若过载线路条数大于1，则在过载线路中确定过载程度最大的线路作为下一级的故障线路，故障级数加1，否则计算输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的基本指标，利用D-S证据理论融合输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的基本指标得到对应的综合预测指标值F，确定综合预测指标值F最大的线路为下一级的故障线路，故障级数加1；

第四步、断开已确定的所有故障线路，判定发电机运行状态，若输电网络发生解列并且发电机处于不安全运行状态，则停止预测，输出连锁故障序列，或者连锁故障序列的故障级数已达到可预测的最大序列个数5，则停止预测，输出连锁故障序列，否则，排出已确定的所有故障线路从第二步开始重复步骤直至停止预测，输出连锁故障序列。

进一步地，第二步中的判别具体操作步骤为：若线路的潮流值不小于该线路的热稳态极限值，热稳态极限值为1.4倍的线路潮流最大值，则判定此线路为过载线路。

进一步地，第三步中的过载程度最大的线路具体为线路潮流值与热稳态极限值差值最大的线路。

进一步地，第三步中线路的基本指标包括负载率指标α、网络效能相对变化指标β。

进一步地，负载率指标α具体到连锁故障序列中k+1级线路i的线路负载率α_i,k+1的计算表达式为：

式中，S_i,k为k级故障序列断开后线路i的视在功率，S_i,max为线路i的热稳定极限值，k为正整数，最小值取1；

网络效能相对变化指标β具体到连锁故障序列中k+1级线路i的网络效能相对变化指标β_i,k+1的计算表达式为：

式中，E_k为输电网络发生N-k故障后的网络效能，E_k,i为发生N-k故障的输电网络中线路i断开后的网路效能，N为输电网络中所有线路的条数。

进一步地，第三步中的利用D-S证据理论融合输电网络中的各个线路的基本指标具体按照以下操作步骤进行：

第一步、构建识别框架U：U＝{b，u}，其中元素b表示线路i的危险程度为危险，元素u表示线路i的危险程度为不危险；

第二步、以负载率指标α或网络效能相对变化指标β的指标值Degi中的最大值Deg_max和最小值Deg_min作为参考值，分别计算负载率指标α对应的线路i危险b、不危险u的基本概率函数值，以及网络效能相对变化指标β对应的线路i危险b、不危险u的基本概率函数值，同时计算得到线路i危险未知θ对应的基本概率函数值，具体如下式计算：

式中，P_roi(b)为负载率指标α或网络效能相对变化指标β对应的线路i危险b的基本概率函数值，P_roi(u)为负载率指标α或网络效能相对变化指标β对应的线路i不危险u的基本概率函数值，P_roi(θ)为线路i危险未知θ的基本概率函数值，ε为常数，大小为0.5；

第三步、采用Dempster组合规则表达式对P_roi(b)、P_roi(u)、P_roi(θ)进行融合，得到各线路i的危险度b、不危险度u的极值基本概率函数值，同时利用

计算出各线路i的危险未知θ的极值基本概率函数值，Dempster组合规则表达式如下式所示：

式中，

A、M和N表示集合Ω中的元素，集合Ω的表达式为Ω＝{b,u,{b,u}＝θ}，m₁和m₂分别为b、u、θ中任意两个组合后对应对应的基本概率函数值：P_roi(b)、P_roi(u)、P_roi(θ)；

第四步、采用平均分配法将危险未知θ的极值基本概率函数值m_i(θ)分配给危险度b、不危险度u的极值基本概率函数值m_i(b)、m_i(u)，得到线路i的综合基本概率函数值m(i)，即表征线路i危险度的综合预测指标值F_i，具体如下式计算：

进一步地，第四步中的判定发电机运行状态具体为：计算输电网络的潮流，也就计算得到发电机实际输出功率，若发电机的实际输出功率大于发电机的额定功率或者发电机的实际输出功率小于0，则判定发电机处于不安全运行状态，否则处于安全运行状态。

下面在PowerWorld Simulator和Matpower仿真软件中对本发明一种关于输电网连锁故障序列的预测方法进行仿真验证：以IEEE 39节点系统(该系统有10台发电机，其中，发电机节点31为该系统的平衡节点，46条线路，12条变压器支路)为例进行连锁故障序列进行预测：

第一步、选取附图2中的线路3作为初始故障，则以线路3为初始故障的连锁故障序列的故障级数为1；

第二步、断开线路3，计算输电网络的其余输电线路的潮流值，此时，线路潮流值不存在超出热稳态极限值的现象，满足N-1安全准则；

第三步、计算当前输电网的线路负载率指标值和网络效能相对变化指标值，采用D-S证据理论融合1级故障后的两个基本指标值，得到线路的综合预测指标值F，各线路综合预测指标值F的示意图如图2所示，其中，综合预测指标值表示线路危险的程度，负值表示线路不危险的程度，其中综合预测指标值F最大时对应的的输电线路为25，即可确定二级故障线路为线路25。

第四步、断开已确定的故障序列3-25中的线路3、25，计算发电机的实际输出功率，判定输电网没有解列且发电机处于正常运行状态，所以继续第二步的操作，直到连锁故障序列3-25-5-12-8中的线路依次断开，此时，达到已达到可预测的最大序列个数5，终止以线路3为初始故障的连锁故障序列的预测，即连锁故障序列为3-25-5-12-8。

本发明利用D-S证据理论，融合从线路自身角度和线路故障对输电网络影响程度两方面建立的基本指标：线路负载率指标和网络效能相对变化得到各级故障线路的综合预测指标值，能够准确得到输电网络的连锁故障序列。

Claims (7)

1.一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

第一步、任意选取输电网络中的一条非发电机出线和变压器之路的线路作为连锁故障序列中初始的故障线路，故障级数设为1；

第二步、计算输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的潮流值，判别输电网络中的过载线路，并统计过载线路条数；

第三步、若过载线路条数等于1，则确定此过载线路为下一级的故障线路，故障级数加1，若过载线路条数大于1，则在过载线路中确定过载程度最大的线路作为下一级的故障线路，故障级数加1，否则计算输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的基本指标，利用D-S证据理论融合输电网络中除故障线路以外的其它各个线路的基本指标得到对应的综合预测指标值F，确定综合预测指标值F最大的线路为下一级的故障线路，故障级数加1；

第四步、断开已确定的所有故障线路，判定发电机运行状态，若输电网络发生解列并且发电机处于不安全运行状态，则停止预测，输出连锁故障序列，或者连锁故障序列的故障级数已达到可预测的最大序列个数5，则停止预测，输出连锁故障序列，否则，排出已确定的所有故障线路从第二步开始重复步骤直至停止预测，输出连锁故障序列。

2.根据权利要求1所述的一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，所述第二步中的判别具体操作步骤为：若线路的潮流值不小于该线路的热稳态极限值，则判定此线路为过载线路。

3.根据权利要求1所述的一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，所述第三步中的过载程度最大的线路具体为线路潮流值与热稳态极限值差值最大的线路。

4.根据权利要求1所述的一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，所述第三步中线路的基本指标包括负载率指标α、网络效能相对变化指标β。

5.根据权利要求4所述的一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，所述负载率指标α具体到连锁故障序列中k+1级线路i的线路负载率α_i,k+1的计算表达式为：

式中，S_i,k为k级故障序列断开后线路i的视在功率，S_i,max为线路i的热稳定极限值，k为正整数，最小值取1；

所述网络效能相对变化指标β具体到连锁故障序列中k+1级线路i的网络效能相对变化指标β_i,k+1的计算表达式为：

式中，E_k为输电网络发生N-k故障后的网络效能，E_k,i为发生N-k故障的输电网络中线路i断开后的网路效能，N为输电网络中所有线路的条数。

6.根据权利要求4所述的一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，所述第三步中的利用D-S证据理论融合输电网络中的各个线路的基本指标具体按照以下操作步骤进行：

第一步、构建识别框架U：U＝{b，u}，其中元素b表示线路i的危险程度为危险，元素u表示线路i的危险程度为不危险；

第二步、以负载率指标α或网络效能相对变化指标β的指标值Deg_i中的最大值Deg_max和最小值Deg_min作为参考值，分别计算负载率指标α对应的线路i危险b、不危险u的基本概率函数值，以及网络效能相对变化指标β对应的线路i危险b、不危险u的基本概率函数值，同时计算得到线路i危险未知θ对应的基本概率函数值，具体如下式计算：

式中，P_roi(b)为负载率指标α或网络效能相对变化指标β对应的线路i危险b的基本概率函数值，P_roi(u)为负载率指标α或网络效能相对变化指标β对应的线路i不危险u的基本概率函数值，P_roi(θ)为线路i危险未知θ的基本概率函数值，ε为常数，大小为0.5；

第三步、采用Dempster组合规则表达式对P_roi(b)、P_roi(u)、P_roi(θ)进行融合，得到各线路i的危险度b、不危险度u的极值基本概率函数值，同时利用

计算出各线路i的危险未知θ的极值基本概率函数值，所述Dempster组合规则表达式如下式所示：

式中，

A、M和N表示集合Ω中的元素，集合Ω的表达式为Ω＝{b,u,{b,u}＝θ}，m₁和m₂分别为b、u、θ中任意两个组合后对应对应的基本概率函数值：P_roi(b)、P_roi(u)、P_roi(θ)；

第四步、采用平均分配法将危险未知θ的极值基本概率函数值m_i(θ)分配给危险度b、不危险度u的极值基本概率函数值m_i(b)、m_i(u)，得到线路i的综合基本概率函数值m(i)，即表征线路i危险度的综合预测指标值F_i，具体如下式计算：

7.根据权利要求4所述的一种关于输电网连锁故障序列的预测方法，其特征在于，所述第四步中的判定发电机运行状态具体为：计算发电机实际输出功率，若发电机的实际输出功率大于发电机的额定功率或者发电机的实际输出功率小于0，则判定发电机处于不安全运行状态，否则处于安全运行状态。

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