CN112381423B - 一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法 - Google Patents

一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，属于电网运行风险评估技术领域。包括以下步骤：S1、选定目标系统，考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，建立继电保护设备拒动概率模型；S2、根据S1中建立的继电保护设备拒动概率模型，获得目标系统中每一继电保护设备的拒动概率；S3、根据目标系统的原发故障概率和每一继电保护设备的拒动概率，获得目标系统的状态概率；S4、根据改进状态空间分割法对目标系统的连锁故障进行风险评估。

Description

一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法
技术领域
本发明涉及电网运行风险评估技术领域，具体涉及一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法。
背景技术
近年来，随着电力系统规模的扩大，电力系统运行中面临的不确定性风险增加，电力系统发生灾难性连锁故障的次数明显增多。其中连锁故障是指系统中某一元件故障导致一系列其他元件停运，这种连锁反应迅速蔓延，最终造成大规模停电事故。研究表明，大部分的大规模停电事故都与继电保护设备的不正确动作，即继电保护设备拒动有关。
继电保护设备拒动的主要危害是会造成不可预计的N-k事件，造成事故夸大，其发生的概率虽然不大，但危害极大，因此，有必要在电网运行风险评估中考虑继电保护动作的影响。但在现有考虑继电保护拒动影响的风险评估方法中，主要存在两大问题：其一，现有继电保护拒动概率评估主要依赖于历史统计信息或者是理想化的概率模型，而忽略了继电保护设备的实际运行环境和运行状态，最终导致风险评估结果准确率较低；其二，现有电网风险评估均单独采用解析法或蒙特卡洛抽样法，由于继电保护拒动发生概率较低，基于解析法的风险评估方法为了分析不得不简化状态，致使发生概率较低的继电保护拒动状态无法被考虑，最终导致评估结果准确率较低，而基于蒙特卡洛抽样法的风险评估方法，在抽样过程中为了能抽到概率较低的继电保护拒动状态，需要多次重复抽样，最终导致评估过程效率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，以解决现有技术中考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法准确率和效率较低的技术问题。
本发明提供的考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，包括以下步骤：
S1、选定目标系统，考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，建立继电保护设备拒动概率模型；
S2、根据S1中建立的继电保护设备拒动概率模型，获得目标系统中每一继电保护设备的拒动概率；
S3、根据目标系统的原发故障概率和每一继电保护设备的拒动概率，获得目标系统的状态概率P(xi)；
S4、根据改进状态空间分割法对目标系统的连锁故障进行风险评估，具体包括以下步骤：
S40、将目标系统的状态空间划分为枚举子空间SF和抽样子空间SM；先通过快速排序算法获得枚举子空间，再通过非序贯蒙特卡洛抽样法获得抽样子空间；
S41、分别获得枚举子空间的风险指标期望值和抽样子空间的风险指标期望值；
S42、获得目标系统的风险指标期望值。
优选地，所述步骤S1，包括以下具体步骤：
S10、收集目标系统继电保护设备拒动的历史信息；
S11、根据继电保护设备拒动的历史信息，生成继电保护设备失效率λ次/年；
S12、依据公式P0＝1-e-λ(t/T)获得继电保护设备拒动的固有概率P0，式中，λ为继电保护设备失效率，t为评估的时间范围，T为一年的小时数；
S13、考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，建立继电保护设备拒动概率模型
Figure BDA0002783191730000031
式中，Pbreak表示继电保护设备拒动的概率，K1i表示第i种运行环境因素对继电保护设备拒动固有概率的修正系数，K2表示继电保护设备运行状态对继电保护拒动固有概率的修正系数；
所述步骤S40中，枚举子空间SF的获得具体为，使用快速排序算法按目标系统的状态概率降序依次选择目标系统状态，直到所有被选择的目标系统状态的累积概率达到上限概率α，所有被选择的目标系统状态的集合形成枚举子空间SF；抽样子空间SM的获得具体为，使用非序贯蒙特卡洛抽样法对目标系统剩余的状态空间进行重复抽样，直到计算结果的方差达到指定值，此时所有被抽样的目标系统状态集合形成抽样子空间SM；SM中所有目标系统状态的累积概率为1-α；
所述步骤S41中，枚举子空间的风险指标期望值E[F(x)|x∈SF]，根据公式
Figure BDA0002783191730000032
获得，式中，α为上限概率，P(xi)为目标系统的状态xi发生的概率，F(xi)为目标系统在状态xi下的负荷损失总量,F(x)为目标系统在状态x下的负荷损失总量；抽样子空间的风险指标期望值E[F(x)|x∈SM]，根据公式
Figure BDA0002783191730000033
获得,式中,F(xi)为目标系统在状态xi下的负荷损失总量,F(x)为目标系统在状态x下的负荷损失总量，N为抽样子空间SM中的样本总数；
所述步骤S42中，目标系统的风险指标期望值E(F)根据枚举子空间的风险期望值和抽样子空间的风险期望值获得，具体为，由公式E(F)＝αE[F(x)|x∈SF]+(1-α)E[F(x)|x∈SM]获得。
优选地，所述步骤S13中，K1i满足高斯分布，通过公式
Figure BDA0002783191730000041
式中，wi为第i种额定运行环境范围，yi为实际量测的运行环境参数值，mi为第i种额定运行环境中间值，N1为形状参数，取8或10，i的取值范围与继电保护设备具体的运行环境，即设备的运行要求有关；α1由公式
Figure BDA0002783191730000042
得出，式中，K1lim为设定的额定运行环境边界处修正值；K2由公式
Figure BDA0002783191730000043
获得，式中，w2为开关额定短路开断电流，m2为运行状态中间值，N2为形状参数，取8或10，z为实际量测的短路电流值，α2由公式
Figure BDA0002783191730000044
得出，K2lim为设定的额定短路开断电流修正系数定值。
优选地，上限概率α由公式
Figure BDA0002783191730000045
获得，式中，
Figure BDA0002783191730000046
β为目标系统状态概率修正系数，
Figure BDA0002783191730000047
为与目标系统状态xi相关的小概率事件，即继电保护设备拒动的事件。
由上述技术方案可知，本发明提供的考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法中，在评估继电保护设备拒动概率时，综合考虑了继电保护设备的实际运行环境和运行状态，与现有技术中主要依赖于历史统计信息或理想化概率模型的技术相比，本发明提高了继电保护设备拒动概率评估结果的准确性及与实际情况的适应性；同时采用改进状态空间分割法对电网连锁故障风险进行评估，将目标系统的状态空间划分为枚举子空间和抽样子空间，并分别获得枚举子空间和抽样子空间的风险指标期望值，与现有技术中单独基于解析法或基于常规蒙特卡洛抽样法的评估方法相比，本发明提高了电网连锁故障风险评估的结果准确性和评估效率。
附图说明
图1为IEEERTS-96标准系统的系统结构图。
图2为本发明的流程图。
图3为修正系数K1i随运行环境的变化曲线。
图4为修正系数K2随运行状态的变化曲线。
图5为实施例二、实施例三、实施例四及实施例五的EPNS比较结果。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
本发明的实施例均以IEEERTS-96标准系统为目标系统，系统结构图见图1,该系统共包含12台发电机组，33条线路，5台变压器，24条母线总装机容量3405MW，峰荷2850MW。在连锁故障风险评估中，主要考虑发电机故障、母线故障和线路故障，其中连锁故障影响方面，主要考虑由母线故障和线路故障引发的多重故障。
实施例一:
请参看图2，一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，包括以下步骤：
S1、选定IEEERTS-96标准系统为目标系统，考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，建立继电保护设备拒动概率模型，包括以下具体步骤：
S10、收集目标系统中继电保护设备拒动的历史信息；
S11、根据目标系统中继电保护设备拒动的历史信息，得到继电保护设备失效率λ为0.009772次/年；
S12、依据公式P0＝1-e-λ(t/T)获得继电保护设备拒动的固有概率P0为0.0027％，式中，λ为继电保护设备失效率，t取值为1小时，T取值为365*24小时；
S13、考虑运行环境的影响，一般考虑温度、湿度、电磁环境的影响，本实施例中考虑影响最为广泛的温度，设定设备额定运行环境范围为[-1,+1],设定额定运行环境边界处修正值K1lim为0.98，则wi为2，额定运行环境中间值mi为0，N1取8，；
Figure BDA0002783191730000061
根据公式
Figure BDA0002783191730000062
获得为
Figure BDA0002783191730000063
依据上式，参看图3，继电保护设备拒动固有概率的修正系数K1i随运行环境的变化曲线；从图3中可以看出，当设备运行在额定工作区间时，几乎不受修正系数的影响，而当设备运行工作区间超过了额定工作区间时，修正系数随实际环境与额定状态的偏离值，急剧变化，从而使得当设备越过额定运行范围时，设备故障概率发生明显变化。
考虑运行状态的影响，设定设备正常动作参考值[0,1]，设定额定短路开断电流修正系数定值K2lim为0.98，N2取值为8，则，开关额定短路开断电流w2为1，运行状态中间值m2为0.5，
Figure BDA0002783191730000064
根据公式
Figure BDA0002783191730000065
获得
Figure BDA0002783191730000066
依据上式，参看图4，继电保护设备拒动固有概率的修正系数K2随运行状态的变化曲线；
依据以上获得的P0、K1i和K2，建立继电保护设备拒动概率模型
Figure BDA0002783191730000071
S2、根据S1中建立的继电保护设备拒动概率模型，获得目标系统中每一继电保护设备的拒动概率；
S3、根据目标系统的原发故障概率和每一继电保护设备的拒动概率，获得目标系统的状态概率P(xi)，目标系统的状态概率由目标系统的原发故障概率和每一继电保护设备的拒动概率相乘获得；
S4、根据改进状态空间分割法对目标系统的连锁故障进行风险评估，具体包括以下步骤：
S40、将目标系统的状态空间划分为枚举子空间SF和抽样子空间SM；先通过快速排序算法获得枚举子空间，再通过非序贯蒙特卡洛抽样法获得抽样子空间；枚举子空间SF的获得具体为，使用快速排序算法按目标系统的状态概率降序依次选择系统状态，直到所有被选择的系统状态的累积概率达到上限概率α，所有被选择的系统状态的集合形成枚举子空间SF；抽样子空间SM的获得具体为，使用非序贯蒙特卡洛抽样法对目标系统剩余的状态空间进行重复抽样，直到计算结果的方差达到指定值，此时所有被抽样的系统状态集合形成抽样子空间SM；SM中所有系统状态的累积概率为1-α；设定上限概率为0.8，非序贯蒙特卡洛抽样法的终止条件中，取方差不大于0.1％；
S41、分别获得枚举子空间的风险指标期望值和抽样子空间的风险指标期望值；根据公式
Figure BDA0002783191730000072
获得枚举子空间的风险指标期望值，根据公式获得抽样子空间的风险指标期望值；
S42、获得目标系统的风险指标期望值；
根据公式获得目标系统的风险指标期望值，本实施例中用EPNS，即预期失负荷指标来表示风险指标期望值；
用常规蒙特卡洛抽样法分析和本实施例的改进状态空间分割法分别对目标系统进行风险水平分析，分析结果及分析过程中的计算次数见表1所示；从表1中可以看出，常规蒙特卡洛抽样法与本发明的改进状态空间分割法得到的EPNS相接近，但本发明的改进状态空间分割法的计算次数仅为常规蒙特卡洛抽样法的1/5，因此，与常规蒙特卡洛抽样法相比，本发明在计算速度上具有明显的优势，能够提高分析效率。
表1常规蒙特卡洛抽样法与改进状态空间分割法结果比较
方法 EPNS/p.u. 计算次数
常规蒙特卡洛抽样法 0.7953 102970
改进状态空间分割法 0.7974 19870
实施例二:
本实施例提供一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，综合考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，设定运行环境处于额定运行环境1.05倍场景下，继电保护设备运行环境因素对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K1i为0.965；同时，考虑运行状态的影响，设定继电保护设备动作时的参考值处于正常状态，则继电保护设备运行状态对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K2为1，其它设定与实施例一相同，基于上述设定，获得目标系统的EPNS为0.8041p.u.。
实施例三:
本实施例提供一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，综合考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，设定运行环境分别处于额定运行环境1.05倍场景下，继电保护运行环境因素对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K1i为0.965；同时，考虑运行状态的影响，设定继电保护设备动作时的参考值处于边界状态，则继电保护设备运行状态对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K2为0.98，其它设定与实施例一相同，基于上述设定，获得目标系统的EPNS为0.8139p.u.。
实施例四：
本实施例提供一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，综合考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，设定运行环境处于额定运行环境1.1倍场景下，继电保护设备运行环境因素对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K1i为0.95；同时，考虑运行状态的影响，设定继电保护设备动作时的参考值处于正常状态，则继电保护设备运行状态对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K2为1，其它设定与实施例一相同，基于上述设定，获得目标系统的EPNS为0.8177p.u.。
实施例五：
本实施例提供一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，综合考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，设定运行环境处于额定运行环境1.1倍场景下，继电保护设备运行环境因素对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K1i为0.95；同时，考虑运行状态的影响，设定继电保护设备动作时的参考值处于边界状态，则继电保护设备运行状态对继电保护设备拒动固有概率的修正系数K2为0.98，其它设定与实施例一相同，基于上述设定，获得目标系统的EPNS为0.8259p.u.。
参看图5，为实施例二、实施例三、实施例四及实施例五的EPNS比较结果，结合上述四个实施例的K1i和K2，从图中可以看出，继电保护设备在相同的运行环境，不同的运行状态下，修正系数K1i和修正系数K2均有微小变化，且最终目标系统的风险期望值有较大波动；继电保护设备在相同的运行状态，不同的运行环境下，修正系数K1i和修正系数K2均有微小变化，且最终目标系统的风险期望值有较大波动；与现有技术相比，本发明中考虑运行环境和运行状态的继电保护设备拒动概率模型所获得的继电保护设备拒动概率更加准确，本发明的评估方法对最终的连锁故障风险指标期望值的评估更加准确。
由上述技术方案可知，本发明提供的考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法中，在评估继电保护设备拒动概率时，综合考虑了继电保护设备的实际运行环境和运行状态，与现有技术中主要依赖于历史统计信息或理想化概率模型的技术相比，本发明提高了继电保护设备拒动概率评估结果的准确性及与实际情况的适应性；同时采用改进状态空间分割法对电网连锁故障风险进行评估，将目标系统的状态空间划分为枚举子空间和抽样子空间，并分别获得枚举子空间和抽样子空间的风险指标期望值，与现有技术中单独基于解析法或基于常规蒙特卡洛抽样法的评估方法相比，本发明提高了电网连锁故障风险评估的结果准确性和评估效率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选定目标系统，考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，建立继电保护设备拒动概率模型；
S2、根据S1中建立的继电保护设备拒动概率模型，获得目标系统中每一继电保护设备的拒动概率；
S3、根据目标系统的原发故障概率和每一继电保护设备的拒动概率，获得目标系统的状态概率P(xi)；
S4、根据改进状态空间分割法对目标系统的连锁故障进行风险评估，具体包括以下步骤：
S40、将目标系统的状态空间划分为枚举子空间SF和抽样子空间SM；先通过快速排序算法获得枚举子空间，再通过非序贯蒙特卡洛抽样法获得抽样子空间；
S41、分别获得枚举子空间的风险指标期望值和抽样子空间的风险指标期望值；
S42、获得目标系统的风险指标期望值；
所述步骤S1，包括以下具体步骤：
S10、收集目标系统继电保护设备拒动的历史信息；
S11、根据继电保护设备拒动的历史信息，生成继电保护设备失效率λ次/年；
S12、依据公式P0＝1-e-λ(t/T)获得继电保护设备拒动的固有概率P0，式中，λ为继电保护设备失效率，t为评估的时间范围，T为一年的小时数；
S13、考虑继电保护设备运行环境和运行状态的影响，建立继电保护设备拒动概率模型
Figure FDA0003510808920000011
式中，Pbreak表示继电保护设备拒动的概率，K1i表示第i种运行环境因素对继电保护设备拒动固有概率的修正系数，K2表示继电保护设备运行状态对继电保护拒动固有概率的修正系数；
所述步骤S40中，枚举子空间SF的获得具体为，使用快速排序算法按目标系统的状态概率降序依次选择目标系统状态，直到所有被选择的目标系统状态的累积概率达到上限概率α，所有被选择的目标系统状态的集合形成枚举子空间SF；抽样子空间SM的获得具体为，使用非序贯蒙特卡洛抽样法对目标系统剩余的状态空间进行重复抽样，直到计算结果的方差达到指定值，此时所有被抽样的目标系统状态集合形成抽样子空间SM；SM中所有目标系统状态的累积概率为1-α；
所述步骤S41中，枚举子空间的风险指标期望值E[F(x)|x∈SF]，根据公式
Figure FDA0003510808920000021
获得，式中，α为上限概率，P(xi)为目标系统的状态xi发生的概率，F(xi)为目标系统在状态xi下的负荷损失总量，F(x)为目标系统在状态x下的负荷损失总量；抽样子空间的风险指标期望值E[F(x)|x∈SM]，根据公式
Figure FDA0003510808920000022
获得，式中，F(xi)为目标系统在状态xi下的负荷损失总量；F(x)为目标系统在状态x下的负荷损失总量，N为SM中的样本总数；所述步骤S42中，目标系统的风险指标期望值E(F)根据枚举子空间的风险期望值和抽样子空间的风险期望值获得，具体为，由公式E(F)＝αE[F(x)|x∈SF]+(1-α)E[F(x)|x∈SM]获得。
2.如权利要求1所述的考虑继电保护拒动影响的电网连锁故障风险评估方法，其特征在于：所述步骤S13中，K1i满足高斯分布，通过公式
Figure FDA0003510808920000023
式中，wi为第i种额定运行环境范围，yi为实际量测的运行环境参数值，mi为第i种额定运行环境中间值，N1为形状参数，取8或10，i的取值范围与继电保护设备具体的运行环境，及设备的运行要求有关；α1由公式
Figure FDA0003510808920000024
得出，式中，K1lim为设定的额定运行环境边界处修正值；K2由公式
Figure FDA0003510808920000025
获得，式中，w2为开关额定短路开断电流，N2为形状参数，取8或10，z为实际量测的短路电流值，α2由公式
Figure FDA0003510808920000031
得出，K2lim为设定的额定短路开断电流修正系数定值。
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