CN112085275A - 基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法，包括：1、构建电力信息物理系统；2、确定事故链的初始故障集；3、划分时间尺度过程；4、初始化j＝1，选取初始故障；5、电力信息物理系统进入第j‑1阶段的短时间尺度过程；6、线路过负荷协调控制；7、判断事故链搜索是否满足结束条件，若是，则执行步骤11，否则，执行步骤8；8、选择第j阶段开断线路；9、电力信息物理系统进入第j阶段的短时间尺度过程；10、更新时间和负荷水平，将j+1赋值给j并返回步骤6顺序执行；11、记录事故链相关数据。本发明考虑系统的动态过程和时间特性问题，从而为交直流电力信息物理系统连锁故障的防控提供理论指导。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体的说是一种基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法。
背景技术
随着智能电网战略的推进以及信息技术的发展，电力系统中数据的采集、传递和控制愈来愈频繁，信息空间和电力物理系统的联系更加紧密，电网正朝着电力信息物理系统的方向演化。当前由信息物理融合带来的电力系统安全稳定性问题已经凸显。因此，考虑电力信息物理系统的安全稳定性对系统连锁故障的影响十分必要。
现阶段，针对纯交流CPPS连锁故障研究较多。而交直流CPPS系统连锁故障却鲜有研究。当前研究在建立交直流连锁故障模型来分析交直流连锁故障，建立信息物理网络连锁故障模型来分析信息网络对电网连锁故障的影响时，模型未考虑系统的动态过程和时间特性问题，不能准确模拟连锁故障在不同物理现象和控制对策相互作用下的发展过程，从而导致事故链的预测结果与实际场景差别较大。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法，以期能在交直流连锁故障电力信息物理系统连锁故障建模过程中考虑系统的不同物理现象和对策的动态过程和时间特性问题，从而能为交直流电力信息物理系统连锁故障的预测与防控提供指导。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、通过社团分区方法对电网进行预分区，得到预分区后的电网；再利用Prim算法调整所述预分区后的电网中相应节点的归属，从而得到修正后的电网；
步骤2、根据修正后的电网的拓扑结构，构建电力信息物理系统；
步骤3、根据所述电力信息物理系统所发生的连锁故障现象及其相应的处理对策，按照时间特性，将连锁故障不同现象及其相应的处理对策划分为短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策、长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策、极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策；
计算线路初始风险值以及信息节点的失效概率，从而根据所设定的初始风险值和故障概率阈值得到事故链的初始故障集；
步骤4、定义时间变量为T；
定义变量为j，并初始化j＝1；
设定所述电力信息物理系统的初始负荷水平，并作为第j-1阶段的负荷水平；
将所述初始故障集中所有线路依次设为第j-1阶段开断线路；
步骤5、假设将所述初始故障集中的任意一线路设为第j-1阶段开断线路；在第j-1阶段开断线路断开后，所述电力信息物理系统在第j-1阶段的负荷水平下进入第j-1阶段的短时间尺度过程，电网将第j-1阶段开断线路上传至调度中心；
所述电力信息物理系统对第j-1阶段的短时间尺度过程中的物理现象采取对应的处理对策；
步骤6、在经历第j-1阶段的短时间尺度过程后，对所述电网进行区域功率的再平衡控制：
若电网发生解列，则先在解列区域内进行发电机有功出力调整后，再对所述电网进行潮流计算；
所述发电机有功出力调整包括：当发电机出力达到下限时，切除部分发电机；当发电机出力达到上限时，切除部分有功负荷；
若电网未发生解列，则直接对所述电网进行潮流计算；
步骤7、在经历第j-1阶段的区域功率的再平衡控制过程后，对在第j-1阶段的负荷水平下的电力信息物理系统进行线路过负荷协调控制：
若电力信息物理系统中存在过负荷线路，则先将线路过负荷信息上传至调度中心，所述调度中心生成第j-1阶段的过负荷控制方案并下达给线路对应的节点后，执行步骤8；否则，直接执行步骤8；
步骤8、判断第j-1阶段的事故链搜索是否满足结束条件，若是，则执行步骤12，否则，执行步骤9；
所述事故链搜索的结束条件为：j大于设定的演化深度参数或电网的解列个数达到所设定的孤岛阈值；
步骤9、计算除开断线路外的其他线路的关联性指标，并将所述关联性指标进行模糊聚类，得到聚类结果中关联性最高的一类依次设为第j阶段开断线路；
步骤10、所述第j阶段开断线路断开后，所述电力信息物理系统在第j-1阶段的负荷水平下进入第j阶段的短时间尺度过程，所述电网将第j阶段开断线路信息上传至调度中心；
所述电力信息物理系统对第j阶段短时间尺度中的连锁故障现象采取相应短时间尺度过程中对应的处理对策；
步骤11、根据所述更新时间T，更新所述电力信息物理系统的第j-1阶段的负荷水平后，得到第j阶段的负荷水平，将j+1赋值给j并返回步骤6顺序执行；
步骤12、记录所述初始故障集中相应线路设为开断线路下的整个阶段的事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施和控制量、事故链发生概率和风险值。
本发明所述的连锁故障预测方法的特点也在于，所述步骤3中划分结果为：
所述短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：
线路严重过载的物理现象及其对应的交流线路保护开断的处理对策；
系统失稳的物理现象及其对应的紧急控制的处理对策；
直流线路换相失败的物理现象及其对应的直流线路保护闭锁的处理对策；
其中，紧急控制的处理对策包括紧急切机切负荷的处理对策以及直流线紧急功率提升或回降的处理对策；
所述长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：
线路一般过载的物理现象及其对应的过负荷协调控制的处理对策；
线路重载的物理现象及其对应的交流线路保护动作的处理对策；
其中，过负荷协调控制的处理对策，包括：直流功率提升或回降的处理对策、灵敏度切机切负荷的处理对策以及发电机调度的处理对策；
所述极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策为：
负荷波动的物理现象及其对应的针对负荷波动的运行方式的处理对策。
所述步骤5中电力信息物理系统是按如下过程对短时间尺度过程中的连锁故障现象采取相应的处理对策：
步骤5.1、利用式(1)计算所述电力信息物理系统中开断线路对应的第i个信息节点的上传失效概率
式(1)中，flag为信息节点是否失效的标志位，若flag＝1表示失效，若flag＝0表示未失效； Ti为第i个信息节点的信息传输时间；Tmax为最大的信息传输时间；Ta为所述电力信息物理系统的信息传输的平均时间；
步骤5.2、对所述电力信息物理系统进行暂态仿真，得到所述电力信息物理系统中各发电机的功角曲线以及直流线逆变侧母线电压曲线；
步骤5.3、根据各发电机的功角曲线判断所述电力信息物理系统是否失稳，若失稳，则所述调度中心对所述电力信息物理系统进行紧急控制，然后转至步骤5.2，否则，执行步骤5.4；
步骤5.4、根据所述直流线逆变侧母线电压曲线，判断所述电力信息物理系统中直流线是否存在因换相失败而导致的闭锁；若存在，则所述电力信息物理系统将直流线开断信息上传至所述调度中心，然后转至步骤5.2，否则转至步骤5.5；
步骤5.5、判断所述电力信息物理系统是否存在交流线路严重过载；若存在，则交流保护断开相应线路，然后转至步骤5.1；否则，退出短时间尺度过程。
所述步骤7中过负荷控制方案是按如下步骤进行：
步骤7.1、定义并初始化变量k＝1；
步骤7.2、利用式(2)计算所述电力信息物理系统的第k次综合过载率Dk：
式(2)中，
分别为第m条线路的第k次潮流值和第k次极限值，
为第m条线路的潮流额定值，Ω为过载线路集合；
步骤7.3、所述调度中心所述电力信息物理系统中直流线进行直流调制；
步骤7.4、将k+1赋值给k后，利用式(2)计算第k次综合过载率Dk；
步骤7.5、判断所述电力信息物理系统是否消除过载，若消除过载，则执行步骤7.11；否则，执行步骤7.6；
步骤7.6、判断Dk-1＜Dk是否成立或者直流线是否达到最大可提升能力，若是，则执行步骤7.7；否则执行步骤7.3；
步骤7.7、计算所述电力信息物理系统中过负荷线路的控制时间和发电机出力调整时间；
步骤7.8、若过负荷线路的控制时间大于发电机出力调整时间，则选择发电机出力调整，并执行步骤7.9-步骤7.10；若过负荷线路的控制时间小于发电机出力调整时间，则利用发电机有功出力调整修正有功切负荷量，并执行步骤7.11-步骤7.13；
步骤7.9、将直流线整流侧等效为发电机，将直流线逆变侧等效为负荷，从而利用式(5) 建立目标函数，并利用式(6)-式(8)建立所述目标函数的约束条件：
式(5)中，S为所述电力信息物理系统中发电机集合，
为第i台发电机Gi的有功调整量，
为第i台发电机Gi的有功调整量的绝对值，i＝1,2,…,n，n为电力系统发电机集合中的发电机总个数；
式(6)为电力信息物理系统的有功平衡方程；
式(7)中，
为第i台发电机Gi的有功出力下限值，
为第i台发电机Gi的有功出力上限值，
为第i台发电机Gi有功出力调整前的有功出力；
式(8)中，
为第t条线路Lt的潮流值，
为第t条线路Lt的潮流热稳定极限值；
步骤7.10、求解后的发电机调整量对实际电网进行实施；
步骤7.11、利用式(9)得到节点r对线路q的灵敏度ηqr，从而得到灵敏度矩阵：
式(9)中，i和j分别为线路m的首节点和末节点,
为线路q的首节点i和末节点j之间的电抗，
和
为线路q的首节点i、末节点j分别与节点r之间在节点电纳矩阵的逆矩阵中的元素；
步骤7.12、计算各功率注入节点灵敏度，并选取最佳控制节点对；
步骤7.13、从所述灵敏度矩阵中选取所述最佳控制节点对所对应的灵敏度，从而计算切机切负荷的控制量，用于对实际电网进行实施。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明根据连锁故障过程中不同物理现象和控制对策的时间特性，将连锁故障划分为三种时间尺度过程，计及物理现象和控制对策的时间关系，能准确模拟连锁故障在不同物理现象和控制对策相互作用下的发展过程，从而为交直流电力信息物理系统连锁故障的预测与防控提供了指导。
2、本发明在对短时间尺度过程中的连锁故障现象采取相应的对策时，考虑了信息节点的上传失效，在暂态失稳的紧急控制中考虑了直流紧急功率提升或回降，使模型更符合实际。
3、本发明对过负荷控制方案进行了改进，考虑了交直流相互作用的动态特性，控制措施的时间特性，制定发电机调度，切机切负荷，直流调制的协调控制方案，与传统只考虑发电机调度和切机切负荷的协调控制方案相比更加高效经济、更符合实际应用。
附图说明
图1为本发明交直流连锁故障预测流程图；
图2为本发明电力信息物理系统结构图；
图3为本发明交直流系统连锁故障不同现象和对策的时间尺度图；
图4为本发明连锁故障短时间尺度过程仿真图；
图5为本发明信息传输图；
图6为本发明交流线过负荷协调控制图；
图7为本发明改进后的IEEE39节点系统图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法是指将连锁故障中的物理现象和控制措施，按时间特性分别划入短时间尺度、长时间尺度和极长时间尺度过程，各时间尺度的配合关系如图3所示。本发明的连锁故障预测具体流程如图1所示，选取初始故障集，交流线路故障开断后，进入短时间尺度过程；若出现线路过负荷时，电力信息物理系统将过负荷信息上传至调度中心，上传过程中考虑信息节点上传失效，调度中心根据已感知的电网制定控制策略并下达到相应节点；若无线路过载，则对关联性指标进行模糊聚类选取后续故障线路。本实施例中以改进的IEEE39节点电力系统动态模拟电力信息物理系统连锁故障过程，该方法是按如下步骤进行：
步骤1、通过社团分区方法对电网进行预分区，得到预分区后的电网；再利用Prim算法调整预分区后的电网中相应节点的归属，从而得到修正后的电网；
步骤2、根据修正后的电网的拓扑结构，构建电力信息物理系统；
该电力信息物理系统包括电网与信息网，且信息网分为核心层、骨干层和接入层；
核心层由主调度中心和备用调度中心组成，负责整个电网的安全运行及经济调度；
骨干层为区域调度中心，负责区域内调度及汇聚、转发接入层的信息，其节点数由电网的分区数量决定，且骨干层节点以环状互联后与核心层相连；
接入层负责信息采集与调度命令下达，且发电厂和变电站对应的接入层的节点归属于骨干层；
电网的节点和信息网中接入层的节点一一对应，且电网中的节点为信息网中接入层的节点提供能量支持，而信息网中接入层的节点监测和控制对应的电网中的节点。电力信息物理系统结构示意如图2所示。
步骤3、根据电力信息物理系统所发生的连锁故障现象及其相应的处理对策，按照时间特性，将连锁故障不同现象及其相应的处理对策划分为短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策、长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策、极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策；划分结果为：
短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：
线路严重过载的物理现象及其对应的交流线路保护开断的处理对策；
系统失稳的物理现象及其对应的紧急控制的处理对策；
直流线路换相失败的物理现象及其对应的直流线路保护闭锁的处理对策；
其中，紧急控制的处理对策包括紧急切机切负荷的处理对策以及直流线紧急功率提升或回降的处理对策；
长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：
线路一般过载的物理现象及其对应的过负荷协调控制的处理对策；
线路重载的物理现象及其对应的交流线路保护动作的处理对策；
其中，过负荷协调控制的处理对策，包括：直流功率提升或回降的处理对策、灵敏度切机切负荷的处理对策以及发电机调度的处理对策；
极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策为：
负荷波动的物理现象及其对应的针对负荷波动的运行方式的处理对策。
计算线路初始风险值以及信息节点的失效概率，从而根据所设定的初始风险值和故障概率阈值得到事故链的初始故障集；
定义支路的初始风险值由支路故障概率、初始负载率、支路初始潮流在系统中所占比例、支路开断后其他支路的潮流变化量构成。其中，支路故障概率PLi,0受支路运行年限、自然环境等因素影响，为简单起见，本专利认为电力信息物理系统处于同一地理、气象环境，运行年限相同，则故障概率PLi,0与支路的长度成正比，将全网所有支路长度的归一化的值作为支路的故障概率：
式(1)中，LLi为支路Li的长度，Ω为电力信息物理系统所有支路集合。
初始负载率：
式(2)中，FLi,0和FLi,max分别为支路Li的初始潮流值和热稳极限值。
支路初始潮流在系统初始潮流中所占比例：
支路开断引起其他支路潮流变化指标：
式(4)中，ΔFLj为支路Lj的潮流变化量，FLj,0为支路Lj的初始潮流。
支路初始风险值定义为：
RLi,0＝PLi,0×DLi,0×WLi,0×ELi,0 (5)
信息系统中节点度数越高的节点承担的发送任务更多，信息网络中初始信息数据包的分布对传输也存在影响，信息节点的失效概率主要受网络拓扑和信息占用率的影响。
式(6)中，kVcj为信息节点Vcj的度数，Nc为信息网络节点的数量，且Nc＞1。nVcj为信息节点Vcj的数据包数量。
根据线路初始风险值以及信息节点的失效概率计算公式可得初始故障集如表1所示。
表1
步骤4、定义时间变量为T；
定义变量为j，并初始化j＝1；
设定电力信息物理系统的初始负荷水平，并作为第j-1阶段的负荷水平；
将初始故障集中所有线路依次设为第j-1阶段开断线路；
步骤5：假设将初始故障集中的任意一线路设为第j-1阶段开断线路；在第j-1阶段开断线路断开后，电力信息物理系统在第j-1阶段的负荷水平下进入第j-1阶段的短时间尺度过程，电网将第j-1阶段开断线路上传至调度中心；
电力信息物理系统对第j-1阶段的短时间尺度过程中的物理现象采取对应的处理对策；连锁故障短时间尺度过程仿真图如图4所示，信息传输图如图5所示；连锁故障短时间尺度过程仿真具体步骤如下：
步骤5.1、利用式(1)计算所述电力信息物理系统中开断线路对应的第i个信息节点的上传失效概率
式(1)中，flag为信息节点是否失效的标志位，若flag＝1表示失效，若flag＝0表示未失效； Ti为第i个信息节点的信息传输时间；Tmax为最大的信息传输时间；Ta为所述电力信息物理系统的信息传输的平均时间；
步骤5.2、对所述电力信息物理系统进行暂态仿真，得到所述电力信息物理系统中各发电机的功角曲线以及直流线逆变侧母线电压曲线；
步骤5.3、根据各发电机的功角曲线判断所述电力信息物理系统是否失稳，若失稳，则所述调度中心对所述电力信息物理系统进行紧急控制，然后转至步骤5.2，否则，执行步骤5.4；
步骤5.4、根据所述直流线逆变侧母线电压曲线，判断所述电力信息物理系统中直流线是否存在因换相失败而导致的闭锁；若存在，则所述电力信息物理系统将直流线开断信息上传至所述调度中心，然后转至步骤5.2，否则转至步骤5.5；
步骤5.5、判断所述电力信息物理系统是否存在交流线路严重过载；若存在，则交流保护断开相应线路，然后转至步骤5.1；否则，退出短时间尺度过程。
步骤6、在经历第j-1阶段的短时间尺度过程后，对电网进行区域功率的再平衡控制：
若电网发生解列，则先在解列区域内进行发电机有功出力调整后，再对电网进行潮流计算；
发电机有功出力调整包括：当发电机出力达到下限时，切除部分发电机；当发电机出力达到上限时，切除部分有功负荷；
若电网未发生解列，则直接对电网进行潮流计算；
步骤7、在经历第j-1阶段的区域功率的再平衡控制过程后，对在第j-1阶段的负荷水平下的电力信息物理系统进行线路过负荷协调控制：
若电力信息物理系统中存在过负荷线路，则先将线路过负荷信息上传至调度中心，调度中心生成第j-1阶段的过负荷控制方案并下达给线路对应的节点后，执行步骤8，否则，直接执行步骤8，交流线过负荷协调控制图如图6所示，具体步骤如下：
步骤7.1、定义并初始化变量k＝1；
步骤7.2、利用式(7)计算电力信息物理系统的第k次综合过载率Dk：
式(7)中，
分别为线路m的第k次潮流值和第k次极限值，
为第m条线路的潮流额定值，Ω为过载线路集合；
步骤7.3、调度中心电力信息物理系统中直流线进行直流调制；
步骤7.4、将k+1赋值给k后，利用式(2)计算第k次综合过载率Dk；
步骤7.5、判断电力信息物理系统是否消除过载，若消除过载，则执行步骤7.11；否则，执行步骤7.6；
步骤7.6、判断Dk-1＜Dk是否成立或者直流线是否达到最大可提升能力，若是，则执行步骤7.7；否则执行步骤7.3；
步骤7.7、计算电力信息物理系统中过负荷线路的控制时间和发电机出力调整时间；
步骤7.8、若过负荷线路的控制时间大于发电机出力调整时间，则选择发电机出力调整，并执行步骤7.9-步骤7.10；若过负荷线路的控制时间小于发电机出力调整时间，则利用发电机有功出力调整修正有功切负荷量，并执行步骤7.11-步骤7.13；
步骤7.9、将直流线整流侧等效为发电机，将直流线逆变侧等效为负荷，从而利用式(8) 建立目标函数，并利用式(9)-式(12)建立目标函数的约束条件：
式(8)中，S为电力信息物理系统中发电机集合，
为第i台发电机Gi的有功调整量，
为第i台发电机Gi的有功调整量的绝对值，i＝1,2,…,n，n为电力系统发电机集合中的发电机总个数；
式(9)为电力信息物理系统的有功平衡方程；
式(10)中，
为第i台发电机Gi的有功出力下限值，
为第i台发电机Gi的有功出力上限值，
为第i台发电机Gi有功出力调整前的有功出力；
式(11)中，
为第t条线路Lt的潮流值，
为第t条线路Lt的潮流热稳定极限值；
步骤7.10、求解后的发电机调整量对实际电网进行实施；
步骤7.11、利用式(12)得到节点r对线路q的灵敏度ηqr，从而得到灵敏度矩阵：
式(12)中，i和j分别为线路m的首节点和末节点,
为线路q的首节点i和末节点j之间的电抗，
和
为线路q的首节点i、末节点j分别与节点r之间在节点电纳矩阵的逆矩阵中的元素；
步骤7.12、计算各功率注入节点灵敏度，并选取最佳控制节点对；
步骤7.13、从灵敏度矩阵中选取最佳控制节点对所对应的灵敏度，从而计算切机切负荷的控制量，用于对实际电网进行实施。
步骤8、判断第j-1阶段的事故链搜索是否满足结束条件，若是，则执行步骤12，否则，执行步骤9；
事故链搜索的结束条件为：j大于设定的演化深度参数或电网的解列个数达到所设定的孤岛阈值；
步骤9、计算除开断线路外的其他线路的关联性指标，并将关联性指标进行模糊聚类，得到聚类结果中关联性最高的一类依次设为第j阶段开断线路；
步骤10、第j阶段开断线路断开后，电力信息物理系统在第j-1阶段的负荷水平下进入第 j阶段的短时间尺度过程，电网将第j阶段开断线路上传至调度中心；
电力信息物理系统对第j阶段短时间尺度中的连锁故障现象采取相应短时间尺度过程中对应的处理对策；
步骤11、根据更新时间T，更新电力信息物理系统的第j-1阶段的负荷水平后，得到第j 阶段的负荷水平，将j+1赋值给j并返回步骤6顺序执行；
步骤12、记录初始故障集中相应线路设为开断线路下的整个阶段的事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施和控制量、事故链发生概率和风险值。
本实施例在改进后的IEEE39节点系统中进行，改进后的IEEE39节点系统图如图7所示，表2为线路L27初始停运，信息传输延时引起的失效信息对事故链无影响的连锁故障演化过程。
表2
路径1中具体连锁故障演化过程及其时间尺度分类，如表3所示。
表3
表4为线路L27初始停运，信息节点失效引起的失效信息对事故链无影响的连锁故障演化过程。表5为线路L27初始停运，由信息传输延时引起的重载开断信息上传失效的连锁故障演化过程。表6为线路L27初始停运，由信息传输延时引起的一般过载信息上传失效的连锁故障演化过程。表7为线路L27初始停运，信息节点失效的连锁故障演化过程。表8为线路L20初始停运，信息传输延时引起的失效信息对事故链无影响的连锁故障演化过程。表9 为线路L27初始停运，由信息传输延时引起的直流线闭锁信息上传失效的连锁故障演化过程。
表4
表5
表6
表7
表8
表9
分析表2、表4-表9，故障路径中信息网节点Vc19、Vc14、Vc27、Vc3分别发送电力网线路L22、L18、DC_1、DC_2的信息。
在故障路径1(失效信息对事故链无影响(信息传输延时))中，L22断开后，系统解列为3个部分，会进行功率再平衡。故障路径(以下简称路径)3为重载开断信息上传失效，是开断信息上传失效的一种；在路径3中，阶段2中重载开断L22对应的信息网节点Vc19 因信息传输延时而暂时上传失效，导致调度中心不能接受到该开断信息，此时调度中心未感知解列，实际电网解列成三部分，安稳措施动作进行切机切负荷。安稳措施动作的后果要比功率再平衡高，从而导致路径3(重载开断信息上传失效)的总后果更高。
在路径7中，在阶段1中，L17断开后，直流线DC_2因换相失败而最终闭锁。而此时，DC_2对应的信息节点Vc3因信息传输延时而暂时上传失效，调度中心不能收到此开断信息。该失效没有对该阶段的后果产生影响，且由于信息传输延时引起的失效只是暂时性的，也不对后续阶段的后果产生影响；但相比路径6(失效信息对事故链无影响(信息传输延时))，信息网节点Vc3失效的概率相对较低，因此最终导致路径7的风险比路径6的低。
在路径1的初始阶段过程中L18过载后，直流线DC_1提升24MW，过载消除。在阶段 1中采用模糊聚类选取下级重载开断线路L18，开断概率为0.9725。在路径4(一般过载信息上传失效)中，初始阶段过程中L18对应的信息网节点Vc14因信息传输延时而暂时上传失效，导致调度中心未感知L18一般过载，调度中心不会采取措施。在阶段1中L18由于在初始阶段中过载未消除，作为下级线路开断，开断概率为1。由于路径4未采取控制措施消除 L18过载，因此路径4的后果要比路径1的小，但路径4的发生的概率比路径1高。最终导致路径4(一般过载信息上传失效)的风险比路径1(信息网正常)的大。
在路径5(信息节点失效)中，Vc27因故障而失效。在初始阶段中，L18一般过载，信息网正常时调度中心会将DC_1回降24MW，最终消除L18过载。但此时，Vc27节点失效，调度中心的控制命令不能被收到，此时安稳装置动作切机切负荷20MW。在阶段2中，L22 断开会切除负荷27，但负荷27对应Vc27节点失效，最终安稳装置动作切除直流线DC_1。路径5的后果因安稳装置动作而大大增加，但由于信息节点失效概率极低，最终该事故链的风险远远低于其它几条事故链的风险。
电力信息物理系统连锁故障平均故障风险和后果如表10所示。表10中开断信息上传失效包括交流线开断信息上传失效和直流线闭锁信息上传失效。
表10
由表10可知，由交流线开断信息上传失效和直流线闭锁信息上传失效组成的开断信息上传失效相对来说对系统的影响较小。信息节点失效的事故链平均故障后果大于信息传输延时的事故链平均故障后果，而平均故障风险却远小于信息传输延时的事故链平均故障风险，这与之前的分析相契合。在本专利中，信息传输延时只考虑上传失效而不考虑下达失效；信息节点失效是长时间的，可能会导致开断信息上传失效、一般过载信息上传失效中多个同时发生而且可能导致调度中心控制命令下达失效；而信息传输延时只是暂时性的，因此造成信息节点失效的事故链平均故障后果较高。信息传输延时发生的概率远大于信息节点失效的概率，因此信息节点失效的事故链平均故障风险较低。
从表10可以得出，由信息传输延时引起的一般过载信息上传失效的事故链平均风险最高，电网在平常应主要预防这类失效。信息节点失效会造成事故链的控制后果过大，因此要确保信息节点正常，避免造成过大的经济损失。
Claims (4)
1.一种基于多时间尺度的电力信息物理系统的连锁故障预测方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、通过社团分区方法对电网进行预分区，得到预分区后的电网；再利用Prim算法调整所述预分区后的电网中相应节点的归属，从而得到修正后的电网；
步骤2、根据修正后的电网的拓扑结构，构建电力信息物理系统；
步骤3、根据所述电力信息物理系统所发生的连锁故障现象及其相应的处理对策，按照时间特性，将连锁故障不同现象及其相应的处理对策划分为短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策、长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策、极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策；
计算线路初始风险值以及信息节点的失效概率，从而根据所设定的初始风险值和故障概率阈值得到事故链的初始故障集；
步骤4、定义时间变量为T；
定义变量为j，并初始化j＝1；
设定所述电力信息物理系统的初始负荷水平，并作为第j-1阶段的负荷水平；
将所述初始故障集中所有线路依次设为第j-1阶段开断线路；
步骤5、假设将所述初始故障集中的任意一线路设为第j-1阶段开断线路；在第j-1阶段开断线路断开后，所述电力信息物理系统在第j-1阶段的负荷水平下进入第j-1阶段的短时间尺度过程，电网将第j-1阶段开断线路上传至调度中心；
所述电力信息物理系统对第j-1阶段的短时间尺度过程中的物理现象采取对应的处理对策；
步骤6、在经历第j-1阶段的短时间尺度过程后，对所述电网进行区域功率的再平衡控制：
若电网发生解列，则先在解列区域内进行发电机有功出力调整后，再对所述电网进行潮流计算；
所述发电机有功出力调整包括：当发电机出力达到下限时，切除部分发电机；当发电机出力达到上限时，切除部分有功负荷；
若电网未发生解列，则直接对所述电网进行潮流计算；
步骤7、在经历第j-1阶段的区域功率的再平衡控制过程后，对在第j-1阶段的负荷水平下的电力信息物理系统进行线路过负荷协调控制：
若电力信息物理系统中存在过负荷线路，则先将线路过负荷信息上传至调度中心，所述调度中心生成第j-1阶段的过负荷控制方案并下达给线路对应的节点后，执行步骤8；否则，直接执行步骤8；
步骤8、判断第j-1阶段的事故链搜索是否满足结束条件，若是，则执行步骤12，否则，执行步骤9；
所述事故链搜索的结束条件为：j大于设定的演化深度参数或电网的解列个数达到所设定的孤岛阈值；
步骤9、计算除开断线路外的其他线路的关联性指标，并将所述关联性指标进行模糊聚类，得到聚类结果中关联性最高的一类依次设为第j阶段开断线路；
步骤10、所述第j阶段开断线路断开后，所述电力信息物理系统在第j-1阶段的负荷水平下进入第j阶段的短时间尺度过程，所述电网将第j阶段开断线路信息上传至调度中心；
所述电力信息物理系统对第j阶段短时间尺度中的连锁故障现象采取相应短时间尺度过程中对应的处理对策；
步骤11、根据所述更新时间T，更新所述电力信息物理系统的第j-1阶段的负荷水平后，得到第j阶段的负荷水平，将j+1赋值给j并返回步骤6顺序执行；
步骤12、记录所述初始故障集中相应线路设为开断线路下的整个阶段的事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施和控制量、事故链发生概率和风险值。
2.根据权利要求1所述的连锁故障预测方法，其特征是，所述步骤3中划分结果为：
所述短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：
线路严重过载的物理现象及其对应的交流线路保护开断的处理对策；
系统失稳的物理现象及其对应的紧急控制的处理对策；
直流线路换相失败的物理现象及其对应的直流线路保护闭锁的处理对策；
其中，紧急控制的处理对策包括紧急切机切负荷的处理对策以及直流线紧急功率提升或回降的处理对策；
所述长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：
线路一般过载的物理现象及其对应的过负荷协调控制的处理对策；
线路重载的物理现象及其对应的交流线路保护动作的处理对策；
其中，过负荷协调控制的处理对策，包括：直流功率提升或回降的处理对策、灵敏度切机切负荷的处理对策以及发电机调度的处理对策；
所述极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策为：
负荷波动的物理现象及其对应的针对负荷波动的运行方式的处理对策。
3.根据权利要求2所述的连锁故障预测方法，其特征是，所述步骤5中电力信息物理系统是按如下过程对短时间尺度过程中的连锁故障现象采取相应的处理对策：
步骤5.1、利用式(1)计算所述电力信息物理系统中开断线路对应的第i个信息节点的上传失效概率
式(1)中，flag为信息节点是否失效的标志位，若flag＝1表示失效，若flag＝0表示未失效；Ti为第i个信息节点的信息传输时间；Tmax为最大的信息传输时间；Ta为所述电力信息物理系统的信息传输的平均时间；
步骤5.2、对所述电力信息物理系统进行暂态仿真，得到所述电力信息物理系统中各发电机的功角曲线以及直流线逆变侧母线电压曲线；
步骤5.3、根据各发电机的功角曲线判断所述电力信息物理系统是否失稳，若失稳，则所述调度中心对所述电力信息物理系统进行紧急控制，然后转至步骤5.2，否则，执行步骤5.4；
步骤5.4、根据所述直流线逆变侧母线电压曲线，判断所述电力信息物理系统中直流线是否存在因换相失败而导致的闭锁；若存在，则所述电力信息物理系统将直流线开断信息上传至所述调度中心，然后转至步骤5.2，否则转至步骤5.5；
步骤5.5、判断所述电力信息物理系统是否存在交流线路严重过载；若存在，则交流保护断开相应线路，然后转至步骤5.1；否则，退出短时间尺度过程。
4.根据权利要求1所述的连锁故障预测方法，其特征是，所述步骤7中过负荷控制方案是按如下步骤进行：
步骤7.1、定义并初始化变量k＝1；
步骤7.2、利用式(2)计算所述电力信息物理系统的第k次综合过载率Dk：
式(2)中，
分别为第m条线路的第k次潮流值和第k次极限值，
为第m条线路的潮流额定值，Ω为过载线路集合；
步骤7.3、所述调度中心所述电力信息物理系统中直流线进行直流调制；
步骤7.4、将k+1赋值给k后，利用式(2)计算第k次综合过载率Dk；
步骤7.5、判断所述电力信息物理系统是否消除过载，若消除过载，则执行步骤7.11；否则，执行步骤7.6；
步骤7.6、判断Dk-1＜Dk是否成立或者直流线是否达到最大可提升能力，若是，则执行步骤7.7；否则执行步骤7.3；
步骤7.7、计算所述电力信息物理系统中过负荷线路的控制时间和发电机出力调整时间；
步骤7.8、若过负荷线路的控制时间大于发电机出力调整时间，则选择发电机出力调整，并执行步骤7.9-步骤7.10；若过负荷线路的控制时间小于发电机出力调整时间，则利用发电机有功出力调整修正有功切负荷量，并执行步骤7.11-步骤7.13；
步骤7.9、将直流线整流侧等效为发电机，将直流线逆变侧等效为负荷，从而利用式(5)建立目标函数，并利用式(6)-式(8)建立所述目标函数的约束条件：
式(5)中，S为所述电力信息物理系统中发电机集合，
为第i台发电机Gi的有功调整量，
为第i台发电机Gi的有功调整量的绝对值，i＝1,2,…,n，n为电力系统发电机集合中的发电机总个数；
式(6)为电力信息物理系统的有功平衡方程；
式(7)中，
为第i台发电机Gi的有功出力下限值，
为第i台发电机Gi的有功出力上限值，
为第i台发电机Gi有功出力调整前的有功出力；
式(8)中，
为第t条线路Lt的潮流值，
为第t条线路Lt的潮流热稳定极限值；
步骤7.10、求解后的发电机调整量对实际电网进行实施；
步骤7.11、利用式(9)得到节点r对线路q的灵敏度ηqr，从而得到灵敏度矩阵：
式(9)中，i和j分别为线路m的首节点和末节点,
为线路q的首节点i和末节点j之间的电抗，
和
为线路q的首节点i、末节点j分别与节点r之间在节点电纳矩阵的逆矩阵中的元素；
步骤7.12、计算各功率注入节点灵敏度，并选取最佳控制节点对；
步骤7.13、从所述灵敏度矩阵中选取所述最佳控制节点对所对应的灵敏度，从而计算切机切负荷的控制量，用于对实际电网进行实施。
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