CN112736876A - 一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，具体为：初始故障选取，构建指标，从交直流影响关系、潮流运行情况、交直流连接关系和局部网络拓扑结构，构建多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标；定指标权重的模型构建；结合非合作博弈理论和指标的特征确定指标对应的效用函数、目标函数和约束条件；结束交直流混联电网连锁故障序列预测条件：若是满足电网发生解列或连锁故障序列达到最大时，结束预测；若不满足，则重复步骤2‑4，直到符合条件。有助于连锁事故链的预测，对工程实践具有有效的指导作用。

Description

一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法

技术领域

本发明属于电力系统安全运行技术领域，涉及一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法。

背景技术

我国的能源资源地理分布与区域经济发展呈现非均衡特性，为促进能源资源的合理、高效利用，我国电网逐渐发展成为长距离、大容量、大规模的交直流混联电网。若混联电网中存在小扰动，故障蔓延，引发连锁故障，则会发展为大规模停电事故。

目前，关于连锁故障模拟模型的研究大多针对纯交流系统，考虑直流输电系统影响的停电模型较少。例如：一种基于Manchester模型的连锁故障序列预测方法，通过加入直流输电线路故障判断、交直流潮流计算和系统慢动态过程等环节，使之适用于交直流混联电网。基于BPA动态潮流的交直流连锁故障模式搜索法，通过多馈入有效短路比选择多重故障的第一重故障，构建加权综合脆弱度指标辨识重要的交流线路作为第二重故障，最后通过时域仿真计算完成大停电事故集的构建。在传统连锁故障潮流熵分析方法的基础上，评估连锁故障发展影响因素的综合熵向量，并提出了连锁故障影响因素的判别方法与相应的流程。但是，现有的交直流混联系统连锁故障停电模型很多是基于仿真软件的动态仿真过程，搜索过程耗时长，对连锁故障链的特点不能掌握全面。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，具有从交直流影响情况、潮流运行情况和交直流连接关系和局部拓扑结构方面分别建立多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标来预测交直流混联电网连锁故障的下一级故障的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、初始故障选取，根据专家经验选取关键交流或直流输电线路为连锁故障序列的初始故障；

步骤2、构建指标，从交直流影响关系、潮流运行情况、交直流连接关系和局部网络拓扑结构，构建多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标；

步骤3、确定指标权重的模型构建；首先确定综合指标H，再利用非合作博弈理论根据指标关系特点构建非合作关系的博弈模型；

步骤4、结合非合作博弈理论和指标的特征确定指标对应的效用函数、目标函数和约束条件；

步骤5、结束交直流混联电网连锁故障序列预测条件：若是满足电网发生解列或连锁故障序列达到最大时，结束预测；若不满足，则重复步骤2-4，直到符合条件。

步骤2中，采取基于传输能力测度的边权来对线路进行归一化处理，需考虑不同电压等级和直流输电差异，按照下式确定：

公式中，如果是直流输电线路，相同电压等级下其传输容量是交流的2倍，则γ_ij取2，否则为1。

步骤2中，根据交直流影响情况，多馈入交互作用因子主要被该直流系统对应交流系统强度以及与故障交流系统耦合的电气距离影响，利用节点阻抗矩阵确定多馈入交互作用因子M，按照下式确定：

公式中：Z_ii为节点阻抗矩阵中换流母线i所对应的自阻抗；Z_ij为节点阻抗矩阵中换流母线i与母线j之间的互阻抗。

步骤2中，根据潮流运行情况，考虑断开故障支路后其他线路的潮流转移冲击比率，用支路负载率与支路个数取对数的倒数的乘积对潮流熵函数进行加权，再乘以表征交直流线路不同的系数，即可全面表征交直流混联电网的潮流运行情况，加权潮流熵F，按照下式确定：

公式中，P_ki为支路i断开后支路k的有功潮流；P_k0为支路k的初始有功潮流；P_kmax为支路k的最大有功传输容量；σ是系数，当线路i为直流线路时σ＝1，当线路i为交流线路时σ＝0.5。

步骤2中，根据交直流连接关系，多馈入短路比K是母线处的短路容量和额定容量的比值，按照下式确定：

公式中：S_aci表示直流i换流母线的短路容量；P_di、P_dj分别表示直流i和j的传输功率；

表示换流母线i处的无功扰动引起换流母线j与换流母线i的电压变化之比，其反映了直流之间的耦合影响。

步骤2中，根据局部网络拓扑结构，链路预测指标S_A来衡量局部网络拓扑结构对线路重要度的影响，按照如下式确定：

公式中，σ为可调参数，A为邻接矩阵，i为节点号，k为列号。

步骤3中，综合指标H是将交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标以及链路预测指标综合在一起，其表达式为：

H＝C₁M+C₂F+C₃K+C₄S (6)

构建非合作博弈模型来描述各指标权重系数，标准形式为：

G＝{P,(S_r)_r∈N,(U_r)_r∈N} (7)

其中，P表示指标集合，即P＝{P₁,P₂,...,P_n},同一时间段内共有n个待确定权重系数的指标；S_r表示指标P_r可调节权重系数的策略集合S＝{S_r1,S_r2,...,S_rm(r)}，其中m(r)为博弈方P_r的策略数；U_r表示指标P_r在采用策略S_rg时的收益函数，1＜g＜m(r)；N＝{1,2,...,n}。

步骤4中，效用函数的构建具体为：

多馈入交互作用因子效用函数为

加权潮流熵指标效用函数为

多馈入短路比指标效用函数为

链路预测指标效用函数为

步骤4中，目标函数的构建具体为：

根据在综合连锁故障链指标中，每一个指标P_r从策略集S_r中选取某一种策略，组成n个指标博弈的策略组合X，根据纳什均衡定义，目标函数为

由N人有限非合作博弈纳什均衡的性质可知，只有博弈方混合策略是纳什均衡解时，适应度函数最小，此时值为0，即当且仅当X＝X^*时，目标函数取最小值0；否则对每一个博弈方P_r，单独将资深策略变为S_rg时均不能获得更多收益，任意X≠X^*，H≥0。

步骤4中，约束条件的构建具体为：

根据各指标权重之间的关系得到约束条件为：

C₁+C₂+C₃+C₄＝1 (13)

0≤C_i≤1,i＝1,2,3,4 (14)。

本发明的有益效果是：

本发明综合考虑了交直流混联电网中的交直流影响关系、潮流运行情况、交直流连接关系和局部拓扑结构，构建了基本指标。通过非合作博弈理论建立综合多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标的综合指标H，预测交直流混联电网中的下一级故障线路，形成连锁故障序列。有助于连锁事故链的预测，对工程实践具有有效的指导作用。

附图说明

图1是本发明交直流混联电网连锁故障序列辨识方法的流程图。

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。

如图1所示，一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、初始故障选取，根据专家经验选取关键交流或直流输电线路为连锁故障序列的初始故障；

步骤2、构建指标，从交直流影响关系、潮流运行情况、交直流连接关系和局部网络拓扑结构，构建多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标；

步骤3、确定指标权重的模型构建；首先确定综合指标H，再利用非合作博弈理论根据指标关系特点构建非合作关系的博弈模型；

步骤4、结合非合作博弈理论和指标的特征确定指标对应的效用函数、目标函数和约束条件；

步骤5、结束交直流混联电网连锁故障序列预测条件：若是满足电网发生解列或连锁故障序列达到最大时，结束预测；若不满足，则重复步骤2-4，直到符合条件。

建立指标之前首先要对交直流输电线路进行归一化处理。根据直流线路和交流线路传输功率能力的不同，采取基于传输能力测度的边权来对线路进行归一化处理，对于输电网络，直流输电的应用，相同电压等级和相同的传输路径都会有不同的传输能力，即边权是不同的。

步骤2中，采取基于传输能力测度的边权来对线路进行归一化处理，需考虑不同电压等级和直流输电差异，按照下式确定：

公式中，如果是直流输电线路，相同电压等级下其传输容量是交流的2倍，则γ_ij取2，否则为1。多馈入交互作用因子主要是被该直流系统对应交流系统强度以及与故障交流系统耦合的电气距离影响，而基本不被故障交流系统强度影响。

步骤2中，根据交直流影响情况，多馈入交互作用因子主要被该直流系统对应交流系统强度以及与故障交流系统耦合的电气距离影响，利用节点阻抗矩阵确定多馈入交互作用因子M，按照下式确定：

公式中：Z_ii为节点阻抗矩阵中换流母线i所对应的自阻抗；Z_ij为节点阻抗矩阵中换流母线i与母线j之间的互阻抗。通过对电网的静态等值，可以得出其节点阻抗矩阵，从而求得各直流系统间的M值。多馈入交互作用因子越大，发生连锁换相失败的可能性越大。

步骤2中，根据潮流运行情况，考虑断开故障支路后其他线路的潮流转移冲击比率，用支路负载率与支路个数取对数的倒数的乘积对潮流熵函数进行加权，加权后的熵函数模型计及了线路平均负载率和支路个数对系统运行状态的影响，再乘以表征交直流线路不同的系数，即可全面表征交直流混联电网的潮流运行情况，加权潮流熵F，按照下式确定：

公式中，P_ki为支路i断开后支路k的有功潮流；P_k0为支路k的初始有功潮流；P_kmax为支路k的最大有功传输容量；σ是系数，当线路i为直流线路时σ＝1，当线路i为交流线路时σ＝0.5。由上式可以看出，当支路i断开后，承担转移潮流的支路k负载率越大，说明支路i的断开越容易引起支路k的过载，甚至引发连锁故障，故因对支路i赋予更小的权重，使其计算出的潮流熵更小。当加权潮流熵越小，表明线路i断开对系统的潮流冲击越大，由支路i转移到其余线路的潮流分布越不均匀，且这些线路的负载率较大，易出现过载，不利于系统的安全运行。在所有支路最大传输容量相通的情况下，若裕度大的支路承担更多的潮流转移，则系统负载率分布越均匀，且计算出的加权潮流熵越大。

步骤2中，根据交直流连接关系，多馈入短路比K是母线处的短路容量和额定容量的比值，按照下式确定：

公式中：S_aci表示直流i换流母线的短路容量；P_di、P_dj分别表示直流i和j的传输功率；

表示换流母线i处的无功扰动引起换流母线j与换流母线i的电压变化之比，其反映了直流之间的耦合影响。短路比越大，说明交流系统对直流线路的接纳度越高。

步骤2中，根据局部网络拓扑结构，链路预测指标S_A来衡量局部网络拓扑结构对线路重要度的影响，按照如下式确定：

公式中，σ为可调参数，A为邻接矩阵，i为节点号，k为列号。

步骤3中，综合指标H是将交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标以及链路预测指标综合在一起，其表达式为：

H＝C₁M+C₂F+C₃K+C₄S (6)

构建非合作博弈模型来描述各指标权重系数，标准形式为：

G＝{P,(S_r)_r∈N,(U_r)_r∈N} (7)

其中，P表示指标集合，即P＝{P₁,P₂,...,P_n},同一时间段内共有n个待确定权重系数的指标；S_r表示指标P_r可调节权重系数的策略集合S＝{S_r1,S_r2,...,S_rm(r)}，其中m(r)为博弈方P_r的策略数；U_r表示指标P_r在采用策略S_rg时的收益函数，1＜g＜m(r)；N＝{1,2,...,n}。

步骤4中，效用函数的构建具体为：

多馈入交互作用因子效用函数为

加权潮流熵指标效用函数为

多馈入短路比指标效用函数为

链路预测指标效用函数为

步骤4中，目标函数的构建具体为：

根据综合连锁故障链指标中，每一个指标P_r从策略集S_r中选取某一种策略，组成n个指标博弈的策略组合X，根据纳什均衡定义，目标函数为

由N人有限非合作博弈纳什均衡的性质可知，只有博弈方混合策略是纳什均衡解时，适应度函数最小，此时值为0，即当且仅当X＝X^*时，目标函数取最小值0；否则对每一个博弈方P_r，单独将资深策略变为S_rg时均不能获得更多收益，任意X≠X^*，H≥0。

步骤4中，约束条件的构建具体为：

根据各指标权重之间的关系得到约束条件为：

C₁+C₂+C₃+C₄＝1 (13)

0≤C_i≤1,i＝1,2,3,4 (14)。

判断交直流混联电网的连锁故障序列辨识结束考虑以下条件：

条件1：输电网络发生解列；

条件2：连锁故障序列深度达到最大。

这两个条件不需要同时满足，只需要满足其中一个就可以结束交直流混联电网连锁故障序列的辨识。

本发明综合考虑了交直流混联电网中的交直流影响关系、潮流运行情况、交直流连接关系和局部拓扑结构，构建了基本指标，提出了一种用于交直流混联电网连锁故障序列辨识方法。通过非合作博弈理论建立综合多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标的综合指标H，预测交直流混联电网中的下一级故障线路，形成连锁故障序列。本发明有助于连锁事故链的预测，对工程实践具有有效的指导作用。

Claims (10)

1.一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、初始故障选取，根据专家经验选取关键交流或直流输电线路为连锁故障序列的初始故障；

步骤2、构建指标，从交直流影响关系、潮流运行情况、交直流连接关系和局部网络拓扑结构，构建多馈入交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标和链路预测指标；

步骤3、确定指标权重的模型构建；首先确定综合指标H，再利用非合作博弈理论根据指标关系特点构建非合作关系的博弈模型；

步骤4、结合非合作博弈理论和指标的特征确定指标对应的效用函数、目标函数和约束条件；

步骤5、结束交直流混联电网连锁故障序列预测条件：若是满足电网发生解列或连锁故障序列达到最大时，结束预测；若不满足，则重复步骤2-4，直到符合条件。

2.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，采取基于传输能力测度的边权来对线路进行归一化处理，需考虑不同电压等级和直流输电差异，按照下式确定：

公式中，如果是直流输电线路，相同电压等级下其传输容量是交流的2倍，则γ_ij取2，否则为1。

3.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，根据交直流影响情况，多馈入交互作用因子主要被该直流系统对应交流系统强度以及与故障交流系统耦合的电气距离影响，利用节点阻抗矩阵确定多馈入交互作用因子M，按照下式确定：

公式中：Z_ii为节点阻抗矩阵中换流母线i所对应的自阻抗；Z_ij为节点阻抗矩阵中换流母线i与母线j之间的互阻抗。

4.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，根据潮流运行情况，考虑断开故障支路后其他线路的潮流转移冲击比率，用支路负载率与支路个数取对数的倒数的乘积对潮流熵函数进行加权，再乘以表征交直流线路不同的系数，即可全面表征交直流混联电网的潮流运行情况，加权潮流熵F，按照下式确定：

公式中，P_ki为支路i断开后支路k的有功潮流；P_k0为支路k的初始有功潮流；P_kmax为支路k的最大有功传输容量；σ是系数，当线路i为直流线路时σ＝1，当线路i为交流线路时σ＝0.5。

5.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，根据交直流连接关系，多馈入短路比K是母线处的短路容量和额定容量的比值，按照下式确定：

公式中：S_aci表示直流i换流母线的短路容量；P_di、P_dj分别表示直流i和j的传输功率；

表示换流母线i处的无功扰动引起换流母线j与换流母线i的电压变化之比，其反映了直流之间的耦合影响。

6.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，根据局部网络拓扑结构，链路预测指标S_A来衡量局部网络拓扑结构对线路重要度的影响，按照如下式确定：

公式中，σ为可调参数，A为邻接矩阵，i为节点号，k为列号。

7.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤3中，综合指标H是将交互作用因子指标、加权潮流熵指标、多馈入短路比指标以及链路预测指标综合在一起，其表达式为：

H＝C₁M+C₂F+C₃K+C₄S (6)

构建非合作博弈模型来描述各指标权重系数，标准形式为：

G＝{P,(S_r)_r∈N,(U_r)_r∈N} (7)

其中，P表示指标集合，即P＝{P₁,P₂,...,P_n},同一时间段内共有n个待确定权重系数的指标；S_r表示指标P_r可调节权重系数的策略集合S＝{S_r1,S_r2,...,S_rm(r)}，其中m(r)为博弈方P_r的策略数；U_r表示指标P_r在采用策略S_rg时的收益函数，1＜g＜m(r)；N＝{1,2,...,n}。

8.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤4中，效用函数的构建具体为：

多馈入交互作用因子效用函数为

加权潮流熵指标效用函数为

多馈入短路比指标效用函数为

链路预测指标效用函数为

9.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤4中，目标函数的构建具体为：

根据在综合连锁故障链指标中，每一个指标P_r从策略集S_r中选取某一种策略，组成n个指标博弈的策略组合X，根据纳什均衡定义，目标函数为

由N人有限非合作博弈纳什均衡的性质可知，只有博弈方混合策略是纳什均衡解时，适应度函数最小，此时值为0，即当且仅当X＝X^*时，目标函数取最小值0；否则对每一个博弈方P_r，单独将资深策略变为S_rg时均不能获得更多收益，任意X≠X^*，H≥0。

10.根据权利要求1所述的一种交直流混联电网连锁故障序列辨识方法，其特征在于，所述步骤4中，约束条件的构建具体为：

根据各指标权重之间的关系得到约束条件为：

C₁+C₂+C₃+C₄＝1 (13)

0≤C_i≤1,i＝1,2,3,4 (14)。

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