CN114640122B - 一种交直流电网连锁故障演化路径的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种交直流电网连锁故障演化路径的仿真方法，针对自行设置的故障形成连锁故障初始故障集，判断下一预测阶段直流线路发生闭锁及剩余交流线路发生严重过载的概率，生成下一预测阶段的故障集，利用保留线路数n的开断规则选取下一阶段故障线路，直至达到结束条件，生成连锁故障演化路径集合。同时，对保留线路数进行合适的选取，在保证故障演变路径的搜索精度下，考虑多条直流同时故障的可能，输出最终的连锁故障演变路径。本发明的目的是为了弥补交直流连锁故障下一预测阶段单一性故障形成局部风险的不足，针对交直流间的相互耦合作用，考虑下一预测阶段多线路同时故障的可能，确保连锁故障演变路径的多样性。

Description

一种交直流电网连锁故障演化路径的仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及交直流电网的仿真模型及连锁故障演化路径的生成方法。

背景技术

针对电网形成的交直流混联新格局，当电力系统发生单一性故障时，会逐步向连锁故障转变，使得在交直流交互作用下的连锁故障演变路径更加复杂。若不能对潜在的连锁故障演变路径进行判断及控制，将使系统发生大规模的停电事故或解列，影响电力系统的安全。

在现有技术中，授权公告号为108899904B的专利文献公开了一种交直流大电网连锁故障的快速搜索方法，通过交流故障线路的风险及其对直流线路的影响进行连锁故障的快速判断。但在连锁故障演变路径的下一阶段故障的预测中仅仅考虑的是单一链式触发故障，忽略了在交直流相互耦合的作用下多条支路同时断开的可能及中间环节的线路故障个数会对连锁故障演变路径影响。单一链式触发故障机理在交直流电网中连锁故障演变路径的研究中，显得过于保守，降低了连锁故障演化路径的风险性，不利于后续对抑制连锁故障进行决策控制提供判据。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有连锁故障演变路径仿真以局部最大概率进行连锁故障演变路径的搜索而忽略了多条支路同时开断的可能，不利于后续对抑制连锁故障进行决策控制提供判据的技术问题，而提供的一种交直流电网连锁故障演化路径的仿真方法。

一种交直流电网连锁故障演化路径的仿真方法，它包括以下步骤：

步骤1：获取交直流电网初始运行状态，自行设置连锁故障的初始故障集 表示第i个初始故障，N为初始故障个数；

步骤2：建立可能存在多条线路同时开断的开断规则，设置下一阶段线路保留数n并进行下一阶段线路的预测；

步骤3：确定初始故障从i＝1开始，触发连锁故障，将故障线路加入故障链，设定连锁故障演化路径长度d；

步骤4：进行系统稳定性及直流线路闭锁的判断；若系统不稳定，则进入步骤6；否则，计算直流闭锁及剩余交流线路严重过载概率，选取因上一阶段故障引起下一预测阶段的严重故障集；利用可能存在多条线路同时开断的开断规则去选取下一阶段故障，并统计线路的负荷损失，获得故障级数；

步骤5：判断是否满足连锁故障演变路径的停止条件，若满足其一，则停止搜索,输出连锁故障演化路径，进入步骤6；否则，返回步骤4；

步骤6：输出当前初始故障的连锁故障演变路径集及故障演变路径的概率；

步骤7：判断初始故障集是否全部仿真完，若i<N，则返回步骤3，同时i的数值增加1；否则，输出不同初始故障的连锁故障演变路径集合以及其所对应的演化路径概率和风险值，进入步骤8；

步骤8：判断线路保留数n与n+1的连锁故障演变路径集合中前若干条高风险演变路径的相似度α是否满足目标值，若满足，则以每轮线路保留数n的演变路径集合作为最终的连锁故障演变路径集合；否则，返回步骤3，同时，n的数值增加1；

至此，交直流电网连锁故障的演变路径仿真完成。

在步骤1中，交直流电网初始运行状态主要包括系统的稳态数据及暂态数据，其中稳态数据包括：发电机出力数据、线路潮流数据、节点负荷数据、逆变侧最小熄弧角数据、交流线路传输容量极限数据及换流母线电压数据；暂态数据包括：暂态电压数据及暂态功角数据；自行设置的连锁故障初始故障集包括：交路线路的断路故障、不对称故障、三相短路故障及直流换流母线的三相短路故障。

在步骤2中，优先选取直流闭锁线路，建立下一阶段线路的开断规则(n≥1且m≥0)，m为下一预测阶断故障集中会严重过载或直流闭锁线路：

若m≥n≥1，则分别认定前n条严重过载或直流闭锁线路可以随机组合下级开断线路；其中，m＝1时随机组合下一级开断线路仅为本身；

若n≥m≥1时，则认定前m条严重过载或直流闭锁线路可以随机组合为下级开断线路；前n-m条非严重过载线路依据发生概率依次认定为下级开断线路；

若m＝0(即n≥1>m)时，即不存在严重过载或直流闭锁线路，则取前n条非严重过载或直流闭锁线路次认定为下级开断线路。

在步骤4中，对线路进行直流闭锁判断过程中，若多馈入短路比小于多馈入短路比阈值且直流换流母线电压小于换相失败阈值U_th，则利用系统稳态仿真结果来判断是否发生直流闭锁；否则，来模拟系统引起直流故障的过程，利用暂态功角及暂态电压来判断系统的稳定性，逆变侧熄弧角的变化判断是否引起直流闭锁。

在步骤4中，对系统进行潮流计算，下一预测阶段的故障集主要包括进行直流闭锁故障和交流线路过载开断故障，引入多馈入短路比作为辅助判据，同直流换流母线稳态电压换相失败阈值U_th来进行直流闭锁判断；

将交直流混联电网的送、受端交流电网进行简化等效为两直流馈入系统；对于多馈入直流系统来说，采用多馈入短路比(MISCR)来评估交流系统强度：

式中，Z_ii、Z_ij分别换流母线i的自阻抗、换流母线i和j的互阻抗；P_di、P_dj分别为直流系统i和直流系统j的传输功率；n为系统中直流线路条数。

对于直流闭锁故障的判断分为两步进行：

第一步，当故障后MISCR的值小于MISCR_th且满足直流换流母线稳态电压小于换相失败阈值U_th时，表明交流系统对直流的支撑能力弱且达到换相失败的条件，则可以直接利用稳态仿真的结果来判断是否引起直流闭锁；否则进入下一步；

第二步，当故障后MISCR的值大于MISCR_th时，表明交流系统对直流的支撑能力强，对于直流闭锁的判断要考虑系统的暂态，故此时需要进行暂态仿真，利用暂态功角及暂态电压来判断系统的稳定性，逆变侧熄弧角的变化判断是否引起连续换相失败或直流闭锁。

在步骤4中，直流线路故障概率为：

式中，p_iDC为直流线路故障概率；

交流线路因过载而开断的故障概率为：

式中，为直流线路发生隐性故障的概率；/>为交流线路发生隐性故障的概率；p_iAC为交流线路因过载而开断的故障概率；/>为上一线路j断开后线路i的潮流；p_imax为线路i的传输容量阈值。

在步骤4中，取直流闭锁故障概率及交流过载故障概率为1的故障组成严重过载故障集，其总线路数为m；利用步骤2中的线路开断规则进行下一级故障的选择，统计演变路径会造成的负荷损失及发生概率，故障级数加一。

在步骤5中，连锁故障演化路径发生的概率为：

式中，p_i为每一条线路发生故障的概率；l为连锁故障演变路径长度；n为线路保留数；c为随机选择同时故障的线路数；p_d,c为同时故障线路发生的概率；n_c为在故障演化路径中同时故障线路出现的次数。

在步骤7中，连锁故障演化路径风险值为连锁故障演化路径概率与其负荷损失的乘积：

R_Fi＝P_Fi*S_Fi

式中，R_Fi、P_Fi、S_Fi分别为连锁故障演化路径风险值、发生概率与其负荷损失。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

发明提出了一种考虑多线路故障可能的交直流连锁故障演变路径仿真方法，弥补了下一预测阶段单一性故障形成局部风险的不足，此方法可对交直流电网连锁故障生成演变路径，针对交直流间的相互耦合作用，考虑下一预测阶段多线路同时故障的可能，确保连锁故障演变路径的多样性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的连锁故障演变路径流程示意图；

图2为本发明的修改后的交直流混联电网；

图3为本发明的交直流混联电网的送、受端交流电网简化等效图。

具体实施方式

如图1至图3所示，一种交直流电网连锁故障演变路径的仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：获取交直流电网初始运行状态，自行设置连锁故障的初始故障集 表示第i个初始故障，N为初始故障个数；

交直流电网初始运行状态主要包括系统的稳态数据及暂态数据，其中稳态数据包括：发电机出力数据、线路潮流数据、节点负荷数据、逆变侧最小熄弧角数据、交流线路传输容量极限数据及换流母线电压数据；暂态数据包括：暂态电压数据及暂态功角数据；自行设置的连锁故障初始故障集包括：交路线路的断路故障、不对称短路故障、三相短路故障及直流换流母线的三相短路故障。

步骤2：建立可能存在多条线路同时开断的开断规则，设下一阶段线路保留数n＝1进行下一阶段线路的预测；

为了确保连锁故障演化路径的准确性，设置线路保留数n，从n＝1开始，通过对比前后两个相邻线路保留数n的演化路径集合中前10条高风险演化路径的相似度来的得到最终演化路径集合。

m为下一预测阶断故障集中会严重过载或直流闭锁线路，下一阶段线路的开断规则(n≥1且m≥0)：

1)当m≥n≥1时，则分别认定前n条严重过载或直流闭锁线路可以随机组合为下级开断线路；其中，m＝1时随机组合下一级开断线路仅为本身；

2)当n≥m≥1时，则认定前m条严重过载或直流闭锁线路可以随机组合为下级开断线路；前n-m条非严重过载线路依据发生概率依次认定为下级开断线路；

3)当m＝0(即n≥1>m)时，即不存在严重过载或直流闭锁线路，则取前n条非严重过载或直流闭锁线路次认定为下级开断线路；

在开断规则1)中，在下一阶段开断线路的选取中，优先选取直流闭锁线路。

步骤3：确定初始故障从i＝1开始，触发连锁故障，将故障线路加入故障链，设连锁故障演化路径长度d＝1；

步骤4：进行系统稳定性及直流线路闭锁的判断；若系统不稳定，则进入步骤6；否则，计算直流闭锁及剩余交流线路严重过载概率，选取因上一阶段故障引起下一预测阶段的严重故障集；利用可能存在多条线路同时开断的开断规则去选取下一阶段故障，并统计线路的负荷损失，故障级数d＝d+1；

具体地，在步骤4中，下一预测阶段的故障集主要包括进行直流闭锁故障和交流线路过载开断故障。交流系统电压支撑能力是直流闭锁的潜在原因，因此引入多馈入短路比作为辅助判据，同直流换流母线稳态电压换相失败阈值U_th来进行直流闭锁判断。

将交直流混联电网的送、受端交流电网进行简化等效为两直流馈入系统；对于多馈入直流系统来说，采用多馈入短路比(MISCR)来评估交流系统强度:

式中，Z_ii、Z_ij分别换流母线i的自阻抗、换流母线i和j的互阻抗；P_di、P_dj分别为直流系统i和直流系统j的传输功率；n为系统中直流线路条数。

取MISCR_th＝2.5、U_th＝0.9pu，对于直流闭锁故障的判断分为两步进行：

第一步，当故障后MISCR的值小于MISCR_th且满足直流换流母线稳态电压小于换相失败阈值U_th时，表明交流系统对直流的支撑能力弱且达到换相失败的条件，则可以直接利用稳态仿真的结果来判断是否引起直流闭锁；否则进入下一步。

第二步，当故障后MISCR的值大于MISCR_th时，表明交流系统对直流的支撑能力强，对于直流闭锁的判断要考虑系统的暂态。故此时需要进行暂态仿真，利用暂态功角及暂态电压来判断系统的稳定性，逆变侧熄弧角的变化判断是否引起连续换相失败或直流闭锁；

进一步的，在步骤4中，直流线路故障概率为：

式中，p_iDC为直流线路故障概率。

交流线路因过载而开断的故障概率为：

式中，p_iAC为交流线路因过载而开断的故障概率；为上一线路j断开后线路i的潮流；p_imax为线路i的传输容量阈值。

进一步的，在步骤4中，取直流闭锁故障概率及交流过载故障概率为1的故障组成严重过载故障集，其总线路数为m；利用步骤2中的线路开断规则进行下一级故障的选择，统计演变路径会造成的负荷损失及发生概率，故障级数加一。

步骤5：判断是否满足连锁故障演变路径的停止条件，若满足其一，则停止搜索,输出连锁故障演化路径，进入步骤6；否则，返回步骤4；

进一步的，在步骤5中，连锁故障演化路径发生的概率为：

式中，p_i为每一条线路发生故障的概率；l为连锁故障演变路径长度；n为线路保留数；c为随机选择同时故障的线路数；p_d,c为同时故障线路发生的概率；n_c为在故障演化路径中同时故障线路出现的次数。取p_d,2＝0.001,p_d,3＝0.0001……，具体根据线路保留数n决定。

停止搜索故障演化路径的条件为：1)系统的负荷损失率达到系统总负荷的30％；2)连锁故障演化路径d>8；3)连锁故障演化路径发生的概率P_Fi<10^-8。

步骤6：输出当前初始故障的连锁故障演变路径集及故障演变路径的概率；

步骤7：判断初始故障集是否全部仿真完，若i<N，则返回步骤3，同时i的数值增加1；否则，输出不同初始故障的连锁故障演变路径集合以及其所对应的演化路径概率和风险值，进入步骤8；

进一步的，在步骤7中，连锁故障演化路径风险值为连锁故障演化路径概率与其负荷损失的乘积：

R_Fi＝P_Fi*S_Fi

式中，R_Fi、P_Fi、S_Fi分别为连锁故障演化路径风险值、发生概率与其负荷损失。

步骤8：判断线路保留数n与n+1的连锁故障演变路径集合中前10条高风险演变路径的相似度α是否满足90％，若满足，则以每轮线路保留数n的演变路径集合作为最终的连锁故障演变路径集合，交直流电网连锁故障的演变路径仿真完成；否则，返回步骤3，同时n的数值增加1。

Claims (9)

1.一种交直流电网连锁故障演化路径的仿真方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤1：获取交直流电网初始运行状态，自行设置连锁故障的初始故障集F_i ⁰表示第i个初始故障，N为初始故障个数；

步骤2：建立可能存在多条线路同时开断的开断规则，设置下一阶段线路保留数n并进行下一阶段线路的预测；

步骤3：确定初始故障F_i ⁰，从i＝1开始，触发连锁故障，将故障线路加入故障链，设定连锁故障演化路径长度d；

步骤4：进行系统稳定性及直流线路闭锁的判断；若系统不稳定，则进入步骤6；否则，计算直流闭锁及剩余交流线路严重过载概率，选取因上一阶段故障引起下一预测阶段的严重故障集；利用可能存在多条线路同时开断的开断规则去选取下一阶段故障，并统计线路的负荷损失，获得故障级数；

步骤5：判断是否满足连锁故障演变路径的停止条件，若满足其一，则停止搜索,输出连锁故障演化路径，进入步骤6；否则，返回步骤4；

步骤6：输出当前初始故障的连锁故障演变路径集及故障演变路径的概率；

步骤7：判断初始故障集是否全部仿真完，若i<N，则返回步骤3，同时i的数值增加1；否则，输出不同初始故障的连锁故障演变路径集合以及其所对应的演化路径概率和风险值，进入步骤8；

步骤8：判断线路保留数n与n+1的连锁故障演变路径集合中前若干条高风险演变路径的相似度α是否满足目标值，若满足，则以每轮线路保留数n的演变路径集合作为最终的连锁故障演变路径集合；否则，返回步骤3，同时，n的数值增加1；

至此，交直流电网连锁故障的演变路径仿真完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，交直流电网初始运行状态主要包括系统的稳态数据及暂态数据，其中稳态数据包括：发电机出力数据、线路潮流数据、节点负荷数据、逆变侧最小熄弧角数据、交流线路传输容量极限数据及换流母线电压数据；暂态数据包括：暂态电压数据及暂态功角数据；自行设置的连锁故障初始故障集包括：交路线路的断路故障、不对称故障、三相短路故障及直流换流母线的三相短路故障。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，优先选取直流闭锁线路，建立下一阶段线路的开断规则(n≥1且m≥0)，m为下一预测阶断故障集中会严重过载或直流闭锁线路：

若m≥n≥1，则分别认定前n条严重过载或直流闭锁线路可以随机组合下级开断线路；其中，m＝1时随机组合下一级开断线路仅为本身；

若n≥m≥1时，则认定前m条严重过载或直流闭锁线路可以随机组合为下级开断线路；前n-m条非严重过载线路依据发生概率依次认定为下级开断线路；

若m＝0(即n≥1>m)时，即不存在严重过载或直流闭锁线路，则取前n条非严重过载或直流闭锁线路次认定为下级开断线路。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，对线路进行直流闭锁判断过程中，若多馈入短路比小于多馈入短路比阈值且直流换流母线电压小于换相失败阈值U_th，则利用系统稳态仿真结果来判断是否发生直流闭锁；否则，来模拟系统引起直流故障的过程，利用暂态功角及暂态电压来判断系统的稳定性，逆变侧熄弧角的变化判断是否引起直流闭锁。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，在步骤4中，下一预测阶段的故障集主要包括进行直流闭锁故障和交流线路过载开断故障；引入多馈入短路比作为辅助判据，同直流换流母线稳态电压换相失败阈值U_th来进行直流闭锁判断；

将交直流混联电网的送、受端交流电网进行简化等效为两直流馈入系统；对于多馈入直流系统来说，采用多馈入短路比(MISCR)来评估交流系统强度：

式中，Z_ii、Z_ij分别换流母线i的自阻抗、换流母线i和j的互阻抗；P_di、P_dj分别为直流系统i和直流系统j的传输功率；n为系统中直流线路条数；

对于直流闭锁故障的判断分为两步进行：

第一步，当故障后多馈入短路比MISCR的值小于其阈值MISCR_th且满足直流换流母线稳态电压小于换相失败阈值U_th时，表明交流系统对直流的支撑能力弱且达到换相失败的条件，则可以直接利用稳态仿真的结果来判断是否引起直流闭锁；否则进入下一步；

第二步，当故障后MISCR的值大于MISCR_th时，表明交流系统对直流的支撑能力强，对于直流闭锁的判断要考虑系统的暂态，故此时需要进行暂态仿真，利用暂态功角及暂态电压来判断系统的稳定性，逆变侧熄弧角的变化判断是否引起连续换相失败或直流闭锁。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤4中，直流线路故障概率p_iDC为：

交流线路因过载而开断的故障概率为：

式中，为直流线路发生隐性故障的概率；/>为交流线路发生隐性故障的概率；p_iAC为交流线路因过载而开断的故障概率；/>为上一线路j断开后线路i的潮流；p_imax为线路i的传输容量阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤4中，取直流闭锁故障概率及交流过载故障概率为1的故障组成严重过载故障集，其总线路数为m；利用步骤2中的线路开断规则进行下一级故障的选择，统计演变路径会造成的负荷损失及发生概率，故障级数加一。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，连锁故障演化路径发生的概率P_Fi为：

式中，p_i为每一条线路发生故障的概率；l为连锁故障演变路径长度；n为线路保留数；c为随机选择同时故障的线路数；p_d,c为同时故障线路发生的概率；n_c为在故障演化路径中同时故障线路出现的次数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤7中，连锁故障演化路径风险值为连锁故障演化路径概率与其负荷损失的乘积：

R_Fi＝P_Fi*S_Fi

式中，R_Fi、P_Fi、S_Fi分别为连锁故障演化路径风险值、发生概率与其负荷损失。