CN115115220B - 一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电力系统技术领域，具体涉及一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法及系统，包括：获取直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式，确定待评估区域内的潜在故障设备；构建直流送端系统新能源的连锁故障电磁暂态模型，得到多时间尺度的连锁故障风险评估指标；根据所得到的多时间尺度的连锁故障风险评估指标和连锁故障典型演化模式，评估所述潜在故障设备的连锁故障风险。本申请满足了电力电子切换控制为主导的连锁故障分析的准确性和对多时间尺度故障特性适应性，同时还提高了风险评估的快速性。
Description
技术领域
本申请属于电力系统技术领域，具体涉及一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本申请相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
大停电是一个连锁故障传播的过程，其通常起始于单一故障，经过一系列后续故障的传播，导致系统失稳、解列甚至停运。虽然连锁故障发生频率较低，但是故障发生后的后果十分严重。因此有必要研究连锁故障的风险评估方法，从而有针对性地阻断事故的发生。
新能源基地将所产生的大量电能经过直流输送到负荷中心，形成了高比例新能源与高比例电力电子的新型电力系统。新能源、交流系统和直流系统具有强耦合关系，连锁故障的传播过程涉及更多种类设备和更复杂的安全稳定问题。新能源送端电网的网架结构比较薄弱，并且常规机组比例降低导致电压和频率支撑能力不足，加之新能源低惯量弱支撑的特性，送端电网抵御事故扰动的能力大幅降低，局部扰动无法抑制则会引起大范围内的连锁故障，安全稳定问题将更加突出。另一方面，直流系统输送功率相对于交流系统容量较大，一旦直流系统故障将会导致交流电压大幅偏离正常值，新能源故障穿越能力不足，极易导致大规模新能源连锁脱网事故。
据发明人了解，电力系统连锁故障的研究主要包括复杂网络理论和电力系统分析等方法，复杂网络理论通过研究网络拓扑结构实现连锁故障分析，电力系统分析根据电网实际运行特性研究故障过程；但是，电力系统的连锁故障分析仍存在以下问题：
(1)与发电机等传统设备相比，直流输电、新能源发电等大量采用电力电子技术的新型设备在结构、特性等发面存在显著差异，使系统稳定运行机理改变，高比例新能源电力系统的连锁故障演化规律发生了深刻变化；稳态过载或隐性故障驱动的连锁故障搜索模型难以刻画电力电子集群对故障传播的影响。
(2)随着系统中各类电力电子设备所占比例的不断提高，以同步机为主导的传统稳定问题将逐渐演变为以电力电子设备控制为主导的新型稳定问题，传统的风险评估方法已无法有效识别连锁故障演化的关键影响因素，难以分析新能源与交直流交互影响的连锁故障演化模式。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法及系统，考虑直流系统在换相失败故障以及双馈风机在电压扰动下的电力电子控制切换和动态响应特性，根据新能源与交直流系统交互作用下的连锁故障典型演化模式，建立多时间尺度下的连锁故障风险评估指标，采用高风险优先的分支限界法对新能源经直流送出系统的连锁故障进行风险评估，大大提高了高比例新能源电力系统下连锁故障风险评估的准确性和快速性。
根据一些实施例，本申请的第一方案提供了一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法，采用如下技术方案：
一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法，包括：
获取直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式，确定待评估区域内的潜在故障设备；
构建直流送端系统新能源的连锁故障电磁暂态模型，得到多时间尺度的连锁故障风险评估指标；
根据所得到的多时间尺度的连锁故障风险评估指标和连锁故障典型演化模式，评估所述潜在故障设备的连锁故障风险。
作为进一步的技术限定，所获取的直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式包括新能源故障穿越和直流换相失败、新能源连锁脱网、电网潮流大幅波动和电网线路开断。
作为进一步的技术限定，所构建的直流送端系统新能源的连锁故障电磁暂态模型包括直流输电系统的电磁暂态模型和新能源电源的电磁暂态模型；所述直流输电系统的电磁暂态模型包括直流输电系统的准稳态模型、运行方式控制逻辑和低压限流保护控制。
进一步的，所述新能源电源采用双馈风机，所述双馈风机的电磁暂态模型包括绕线型异步电机模型、转子侧控制器和故障穿越保护控制逻辑。
作为进一步的技术限定，所述多时间尺度的连锁故障风险评估指标包括以电力电子快速控制引起的电压越限为主的电磁快过程指标、以功角、频率稳定为主的机电常规过程指标和以源荷不确定性引起设备过载为主的潮流慢过程指标。
作为进一步的技术限定，在评估所述潜在故障设备的连锁故障风险的过程中，根据所获取的直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式和多时间尺度的连锁故障风险评估指标，在多时间尺度下评估潜在故障设备在初始故障节点的风险。
进一步的，以获取高风险事故链为目标，采用高风险优先的分支限界法生成事故链，当事故链的数量满足预设值时停止连锁故障的搜索；通过计算不同严重等级连锁故障发生的概率，评估连锁故障的风险。
根据一些实施例，本申请的第二方案提供了一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统，采用如下技术方案：
一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统，包括：
获取模块，其被配置为获取直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式，确定待评估区域内的潜在故障设备；
构建模块，其被配置为构建直流送端系统新能源的连锁故障电磁暂态模型，得到多时间尺度的连锁故障风险评估指标；
评估模块，其被配置为根据所得到的多时间尺度的连锁故障风险评估指标和连锁故障典型演化模式，评估所述潜在故障设备的连锁故障风险。
根据一些实施例，本申请的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面所述的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法中的步骤。
根据一些实施例，本申请的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请第一方面所述的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法中的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请针对高比例新能源交直流送端系统中的连锁故障演化路径复杂且多时间尺度故障交织的问题，从连锁故障的典型演化模式和关键特征出发，构建了直流与风机的电磁暂态仿真模型，提出了多时间尺度风险评估指标，建立了高风险优先的分支限界故障搜索方法，实现对高比例新能源交直流送端系统中连锁故障的风险评估；
在连锁故障搜索和风险评估中考虑了新能源与交直流系统的交互影响，针对典型连锁故障演化模式构建了直流系统与风机的电磁暂态仿真模型，并与电网系统机电模型进行耦合实现混合仿真，满足了电力电子切换控制为主导的连锁故障分析的准确性和快速性；
提出多时间尺度下的设备故障风险指标和计算方法，依次对潜在故障设备进行电磁暂态、机电暂态和稳态尺度的风险计算，提升了该风险评估方法对连锁故障多时间尺度特性的适应性；
提出高风险优先的分支限界故障搜索方法，通过分支、限界、选择和回溯的步骤，以获取高风险事故链为目标逐级生成子故障，提高了风险评估的快速性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本申请实施例一中的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法的流程图；
图2是本申请实施例一中的双馈风机多时间尺度控制逻辑图；
图3是本申请实施例一中的机电-电磁混合暂态仿真示意图；
图4是本申请实施例一中的多时间尺度连锁故障示意图；
图5是本申请实施例一中的某区域的电网结构图；
图6是本申请实施例一中的短路故障导致换相失败时的直流系统功率变化曲线；
图7是本申请实施例一中的短路故障导致换相失败时的风电场并网点电压变化曲线；
图8是本申请实施例二中的直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统的结构框图；
图9是本申请实施例三中的直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本申请作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本申请实施例一介绍了一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法。
如图1所示的一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法，包括以下步骤：
步骤S01：基于直流送端系统新能源连锁故障典型演化模式，确定评估区域内的潜在故障设备，提取其在连锁故障演化过程中的关键特征；
步骤S02：考虑直流系统与新能源电源中电力电子设备的控制切换和保护动作特性，对此类潜在故障设备分别建立适用于连锁故障的电磁暂态仿真模型，形成连锁故障电磁快过程分析模块；
步骤S03：建立多时间尺度下的设备故障风险指标，并利用该指标对潜在故障设备进行电磁暂态、机电暂态和稳态尺度的风险计算；
步骤S04：基于连锁故障典型演化模式，采用高风险优先的分支限界搜索方法，在多时间尺度下评估各个连锁故障的风险。
作为一种或多种实施方式，在步骤S01中，多时间尺度的典型故障演化模式包括：风机近区交流故障导致风机低穿；直流近区交流故障导致直流送出功率随电压大幅变化，导致受端系统引发换相失败故障风险提高；直流逆变侧换相失败，送端电网电压先降低后升高，导致风机进入低高电压穿越；风机低穿特性令电网过电压加重，导致风机过电压连锁脱网；直流故障及恢复和风机故障穿越及脱网引起功率不平衡，导致系统频率或功角失稳，以及切机切负荷动作；故障及风电出力不确定性扰动使电网潮流大幅变化，导致交流线路连锁故障开断；交流线路开断削弱了系统的支撑能力和稳定性，导致上述故障演化模式风险进一步增加。
对于直流系统、新能源设备、交流线路和常规电源等潜在故障设备，依次提取其在不同时间尺度连锁故障演化中的关键特征，形成多时间尺度的特征数据库。
直流系统特征集包括：运行控制参数、低压限流控制(VDCOL)参数、直流恢复控制参数、直流额定功率、无功补偿容量、系统短路比；新能源设备特征集包括：控制器控制策略、故障穿越策略、输出功率、运行状态、功率波动特性；交流线路特征集包括：保护切除时间、输电功率裕度、拓扑重要度、与关键设备电气距离、故障类型；常规电源特征集包括：频率响应参数、转动惯量、电源备用裕度。
作为一种或多种实施方式，在步骤S02中，直流输电系统和新能源电源中电力电子设备的快速控制作用使系统引入速度更快的连锁故障环节。为仿真其快速交互影响和暂态过程中风机脱网风险，建立直流输电系统和新能源电源的电磁暂态模型。
首先，建立直流系统模型，主要包括直流系统准稳态模型、运行方式控制逻辑和低压限流保护控制等。由于研究对象为交直流系统的电压和功率交互，可以忽略电力电子设备开关的暂态过程，采用直流系统准稳态模型，其表达式为：
其中，Udr和Udi分别为整流侧和逆变侧直流电压，Ur和Ui分别为整流侧和逆变侧交流电压，Id为直流电流，α为整流侧触发角，β为逆变侧超前触发角，Pr和Qr分别为整流侧有功和无功功率，μr和分别为整流侧换相角和功率因数，γ为逆变侧熄弧角。
直流系统正常运行模式下，其控制逻辑为整流侧定功率(电流)控制，逆变侧定电压控制，其表达式为：
其中，Pord、Iord和Udi,ord分别为功率、电流和电压的指令值，Kp和Ki分别为比例积分控制器的控制参数。
当直流系统发生换相失败等故障时，为了保证直流系统故障快速清除并逐渐恢复正常运行状态，需要设置低压限流控制，VDCOL控制方式为：
然后，建立双馈风机的电磁暂态模型，如图2所示，主要包括绕线型异步电机模型、转子侧控制器和故障穿越保护控制逻辑等。由于网侧换流器以控制电容电压为目标，且功率相对于定子侧功率较小，因此可以忽略网侧暂态过程的影响。为了便于对风机的有功和无功功率进行解耦控制，采用定子电压定向旋转坐标系下的异步电机模型，其表达式为：
其中，u、i和ψ分别为风机电压、电流和磁链相量，ωs和ωsl分别为定子和滑差角速度，下标s和r分别表示定子和转子，下标d和q分别表示d轴相量和q轴相量，Ps和Qs分别为定子有功和无功功率。
由于研究对象为新能源电源与交流系统的电压和功率交互，不考虑高频谐波的影响，因此可以忽略转子侧换流器控制的暂态过程，将转子侧换流器视为理想受控电压源，则新能源换流器控制逻辑为：
其中，ωpll和θpll分别为锁相环输出的角速度和角度，下标ref表示对应的参考值。
当交流短路等故障导致风电并网点电压大幅偏离额定值时，为避免风机内换流器因过电压和过电流而损坏，需要短时内投入撬棒(crowbar)保护以加速暂态量衰减并保护设备。同时，为满足风电故障穿越时需向系统提供一定无功功率支撑的要求，其低电压穿越(LVRT)控制策略如下：
其中，Pm为风机输入的机械功率，Qs,max为风机定子侧输出的最大无功功率。
故障发生后，风机需要按照低电压穿越准则保持并网运行，其要求如图3所示，若故障超出约束则会导致风机脱网。
考虑到在控制幅值约束下，PI控制器会出现饱和的现象，采用无饱和的PI控制器避免饱和造成的响应滞后。
交流系统采用仿真速度更快的机电暂态模型，直流和风机的电磁模型与交流的机电模型通过电气量进行耦合，形成连锁故障电磁暂态快过程仿真分析模块，如图4所示。其中，交流系统向直流和风机模型提供电压量，直流和风机模型给交流系统反馈有功功率和无功功率。
作为一种或多种实施方式，在步骤S03中，如图5所示，多时间尺度下的连锁故障风险评估指标主要包括：以电力电子快速控制引起的电压越限为主的电磁快过程指标；以功角、频率稳定为主的机电常规过程指标；以源荷不确定性引起设备过载为主的潮流慢过程指标。
1.电磁暂态快过程尺度故障主要涉及电压快速变化时风电和直流的快速动态响应，其控制时间通常是毫秒级，因此评估快过程尺度故障风险需要对故障进行电磁机电混合仿真获得评估所需特征量，然后按照评估指标计算故障风险，过程如下：
1)评估直流换相失败对送受端的综合风险
直流系统换相失败是由受端交流系统短路故障导致换流母线电压降低引起的，其概率pDC可以根据受端交流系统运行风险直接给出。此外换相失败还可由送端短路故障引起，其概率pDC可由受端换流阀熄弧角给出。
直流换相失败导致送端功率难以外送，引起送端和受端系统功率不平衡，其后果可用故障过程中传输缺额功率对时间的积分量表示：
CDC＝∫(PDCN-PDC)dt
其中，PDCN和PDC分别为直流额定功率和实际功率的标幺值。
直流换相失败导致送端系统电压大幅变化，引起近区风电进入故障穿越甚至脱网，其后果可用近区风电的电压偏离对时间的积分量表示，并将风电功率作为权重求和：
其中，ΔUi为风电场i并网点的电压偏离量，Pi,wind为风电场i有功功率的标幺值。
综合考虑直流换相失败的故障概率和有功、电压后果，计算其风险为：
RDC＝pDC(CDC+C′DC)
其中，pDC为直流系统故障概率。
2)评估交流短路对直流和新能源并网点电压跌落影响的风险
交流线路短路故障通常由线路过负载时保护拒动或外部环境因素引起，故障概率与线路负载率具有强相关性，线路i的故障概率表示为：
其中，ηi为线路i的负载率。
交流短路故障引起故障点电压严重跌落，进一步影响近区风机和直流的运行，其后果可用故障后引起的电压偏离积分量表示，其风险可表示为：
3)评估双馈风机在外部扰动下连锁脱网的风险
基于已构建的双馈风机在外部电压扰动下的动态响应模型，采用上述模型分析脱网故障。双馈风机脱网的主要原因是并网点过电压，由于风电场内各风机电压因线路压降而不一致，并且各个风机运行状态也不完全一致，因此风机脱网比率与并网点电压呈现一定分布特性：
其中，ktrip为风机脱网比例，Umax为风机并网点电压的最大值。
双馈风机由于外部故障进入故障穿越状态，其后果包括有功降低引起的功率缺额和脱网引起的发电容量减少，其综合风险为：
Rwind,i＝∫|ΔPi|dt+ktripPi,wind
通过故障扰动后的电磁-机电混合仿真，即可计算直流、风机在扰动下的故障风险。
2.机电暂态常规过程尺度故障主要涉及发电机参与的有功频率调节，其控制时间通常是百毫秒级。由于风电和直流的快速控制过程已经结束，其在机电暂态过程被视为受控功率源。采用机电暂态仿真，评估有功功率大幅变化导致频率稳定和切机切负荷风险；评估有功大幅波动导致系统功角失稳的风险，过程如下：
1)大幅功率扰动下的频率稳定性评估
故障引起了送端系统功率不平衡，其风险主要反映在频率偏移过大引起切机切负荷响应和频率变化率过大导致新能源保护切除，其风险计算为：
其中，Δfi,max为频率最大偏移量，为频率变化率，Nz和ki,zone分别为分区数量和重要度。
2)大幅功率扰动下的功角稳定性评估
功角稳定性主要涉及发电机在扰动下不发生功角失稳的能力，同时还要计及功角振荡导致线路输送功率大幅波动的风险，其计算指标为：
其中，δij为发电机之间的功角差，ΔPi,line为线路的功率变化值。
3.稳态慢过程尺度故障主要涉及新能源出力不确定性，其时间常数通常为分钟级。此时系统已经进入稳态，采用潮流仿真计算，评估新能源功率波动引起潮流转移导致线路过载风险；评估连锁故障导致的系统支撑能力降低程度风险，过程如下：
1)新能源功率波动导致线路过载风险评估
风电出力具有随机性，设其实际功率相对预测功率的偏差量满足如下隶属度函数：
其中，μi(ΔPi,wind)为风电场i有功偏差量的隶属度函数，ΔPi,wind和ΔPwind,max分别为风电功率的偏差量及其上限。
由于风电功率偏差量相对较小，其对线路潮流的影响可以用输出功率转移分布因子进行计算，结合偏差量的隶属度函数，可以计算线路潮流变化量的隶属度函数：
其中，μj(ΔPj,line)为线路j有功偏差量的隶属度函数，Gj-i为风电场i对线路j的输出功率转移分布因子。
风电功率波动导致线路过载的风险用线路潮流变化到达线路最大允许功率时的隶属度表示：
其中，Pj,line和Pj,line,limit分别为线路j的当前有功功率和最大允许功率。
2)系统支撑能力降低程度评估
交流系统对直流和新能源的支撑能力可以用短路比表示，连锁故障导致的系统支撑能力降低程度可以用直流和新能源短路比的变化量表示：
其中，ΔSCRi和ΔSCRDC分别为风电场并网点和直流换流母线处短路比的变化量。
对于上述评估指标中，不同时间尺度下的不同潜在故障设备均可作为连锁故障中独立的结点，利用故障概率和后果评估各结点的风险。
作为一种或多种实施方式，在步骤S04中，基于连锁故障典型演化模式，在多时间尺度下评估初始故障结点的风险，并将这些结点纳入候选集合。
以获取高风险事故链为目标，采用高风险优先的分支限界法生成事故链，具体方法为：
1)分支：基于多时间尺度故障演化模式，依次将候选集合中的未分支结点作为父节点进行分支，生成各个父结点的所有子结点；
2)限界：利用多时间尺度下的连锁故障风险评估指标及计算方法，分别计算各子结点的风险值，采用剪枝规则对低风险子结点进行剪枝处理，将父节点与子节点的综合风险作为限界函数来评估父节点；
3)选择：以高风险优先的原则，选择限界函数最大的父节点作为最优分支结点并移出候选集合，将其限界后的子节点纳入候选集合；
4)回溯：将搜索完成的事故链进行记录并移出故障树，通过回溯将各结点的风险参数进行更新，开始下一轮分支限界搜索。
采用以上高风险优先的分支限界法生成事故链，事故链的数量满足设定值后停止搜索。通过计算不同严重等级连锁故障发生的概率，评估系统连锁故障风险。
下面针对某一地区的电网系统进行仿真，说明直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法流程。
图6为某一地区电网的系统结构图。该运行方式下，该地区全网负荷为9.35GW，直流送出为14.5GW，常规发电机发电11.27GW，新能源发电约6.7GW，外电送入5.95GW。其中，换流站近区新能源发电功率达到该区域发电总功率的50％。直流送端系统新能源连锁故障风险评估的具体步骤如下：
S1：获取电力系统运行方式数据及运行控制关键特征数据。以某整流站近区的新能源外送系统为主要研究对象，确定连锁故障主要参与设备包括：750kV骨干网架线路、330kV区域电能汇集线路、直流输电整流站、换流站近区新能源、换流站邻区新能源和系统内常规发电机；
S2：根据直流系统及新能源电源参数，考虑连锁故障电磁暂态快动态过程中的控制模型，建立适用于连锁故障分析的直流和新能源电磁暂态仿真模型。并根据电气量的交互关系将其与电网机电暂态模型进行接口，实现电磁-机电混合仿真；
在本实施例中，重点研究换流母线26所接4000MW的直流，其近区系统母线614、620、626、629、637、1332分别接入的400MW集中式风电，以及邻区系统中较近的部分风电；
S3：按照所提风险评估指标对连锁故障主要参与设备的初始故障风险进行评估，筛选出高风险初始故障，如表1所示：
表1初始故障风险评估
S4：基于所提的连锁故障风险评估指标，采用高风险优先的分支限界搜索方法搜索高风险连锁故障，部分结果如表2所示：
表2高风险连锁故障评估
以第一条连锁故障为例进行说明：
1)线路26-614(Ⅰ)发生三相短路故障作为初始故障，导致包括风电场并网点和直流换流母线在内的近区母线电压严重跌落，双馈风机进入低电压穿越控制模式，直流系统则低电压降功率运行。短路故障切除后电压迅速恢复，同时风机低穿控制使电压进一步上升，导致直流系统送端的直流电压快速上升且电流增大，进一步导致受端因熄弧角不足而产生换相失败。换相失败过程中直流系统的有功和无功功率大幅变化，如图7所示，导致送端电压先降低后升高，并且风机低穿控制进一步加重过电压程度，如图8所示。由于风电机组连续经历低高电压扰动，并且过电压幅值最高到达1.3p.u.，导致560MW风电机组脱网。
2)线路29-1099因负载率较高发生三相短路故障，再次引发直流换相失败及后续的520MW风机因过电压脱网。
3)线路29-1099的功率转移至线路29-1100，导致线路因过载保护动作而开断。
4)线路626-1332(Ⅰ)和626-1332(Ⅱ)因过负载保护动作而相继开断。
5)由于线路开断，直流近区系统的馈入支路快速减少，导致剩余线路过负载现象严重，如线路55-137。为避免进一步线路连锁故障，直流系统需要降低功率至20％或闭锁直流系统，从而降低关键线路的负载率。
最终该连锁故障导致新能源累计脱网1080MW，直流外送功率降低3200MW，该事故链的故障概率为7.45×10-4。
本实施例考虑直流系统在换相失败故障以及双馈风机在电压扰动下的电力电子控制切换和动态响应特性，根据新能源与交直流系统交互作用下的连锁故障典型演化模式，建立多时间尺度下的连锁故障风险评估指标，采用高风险优先的分支限界法对新能源经直流送出系统的连锁故障进行风险评估，大大提高了高比例新能源电力系统下连锁故障风险评估的准确性和快速性。
实施例二
本申请实施例二介绍了一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统。
如图8所示的一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统，包括：
获取模块，其被配置为获取直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式，确定待评估区域内的潜在故障设备；
构建模块，其被配置为构建直流送端系统新能源的连锁故障电磁暂态模型，得到多时间尺度的连锁故障风险评估指标；
评估模块，其被配置为根据所得到的多时间尺度的连锁故障风险评估指标和连锁故障典型演化模式，评估所述潜在故障设备的连锁故障风险。
详细步骤与实施例一提供的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本申请实施例三以双馈风机为例介绍了一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统。
如图9所示的一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统，包括：
直流输电系统仿真模块，被配置为考虑运行方式控制逻辑和低压限流保护逻辑等的直流系统模型，用于仿真换相失败对送端系统的功率响应特性；
双馈风机暂态仿真模块，被配置为考虑绕线型异步电机模型、转子侧和网侧控制器、转子运动模型和故障穿越保护控制逻辑等的风机模型，用于仿真风机在扰动下的保护控制和功率响应特性；
故障风险评估模块，被配置为根据故障环节的故障概率和故障造成的后果，对故障进行风险评估；
事故链搜索模块，被配置为根据风险评估指标，按照高风险优先的搜索顺序，依次从初始故障向下扩展故障链，实现故障集的生成
详细步骤与实施例一提供的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本申请实施例四提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本申请实施例一所述的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法相同，在此不再赘述。
实施例五
本申请实施例五提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请实施例一所述的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法，其特征在于，包括：
基于直流送端系统新能源连锁故障典型演化模式，确定评估区域内的潜在故障设备，提取其在连锁故障演化过程中的关键特征；
考虑直流系统与新能源电源中电力电子设备的控制切换和保护动作特性，对此类潜在故障设备分别建立适用于连锁故障的电磁暂态仿真模型，形成连锁故障电磁快过程分析模块；
建立多时间尺度下的设备故障风险指标，并利用该指标对潜在故障设备进行电磁暂态、机电暂态和稳态尺度的风险计算；
基于连锁故障典型演化模式，采用高风险优先的分支限界搜索方法，在多时间尺度下评估各个连锁故障的风险；
所述的连锁故障典型演化模式包括新能源故障穿越和直流换相失败、新能源连锁脱网、电网潮流大幅波动和电网线路开断；
对于直流系统、新能源设备、交流线路和常规电源潜在故障设备，依次提取其在不同时间尺度连锁故障演化中的关键特征，形成多时间尺度的特征数据库；直流系统特征集包括：运行控制参数、低压限流控制参数、直流恢复控制参数、直流额定功率、无功补偿容量、系统短路比；新能源设备特征集包括：控制器控制策略、故障穿越策略、输出功率、运行状态、功率波动特性；交流线路特征集包括：保护切除时间、输电功率裕度、拓扑重要度、与关键设备电气距离、故障类型；常规电源特征集包括：频率响应参数、转动惯量、电源备用裕度；
所述的直流系统包括直流系统准稳态模型、运行方式控制逻辑和低压限流保护控制；
直流系统准稳态模型的表达式为：
其中，Udr和Udi分别为整流侧和逆变侧直流电压，Ur和Ui分别为整流侧和逆变侧交流电压，Id为直流电流，α为整流侧触发角，β为逆变侧超前触发角，Pr和Qr分别为整流侧有功和无功功率，μr和分别为整流侧换相角和功率因数，γ为逆变侧熄弧角；
运行方式控制逻辑的表达式为：
其中，Pord、Iord和Udi,ord分别为功率、电流和电压的指令值，Kp和Ki分别为比例积分控制器的控制参数；
低压限流保护控制的表达式为：
新能源电源的电磁暂态模型采用双馈风机的电磁暂态模型，包括绕线型异步电机模型、转子侧控制器和故障穿越保护控制逻辑；
绕线型异步电机模型的表达式为：
其中，u、i和ψ分别为风机电压、电流和磁链相量，ωs和ωsl分别为定子和滑差角速度，下标s和r分别表示定子和转子，下标d和q分别表示d轴相量和q轴相量，Ps和Qs分别为定子有功和无功功率；
转子侧控制器的表达式为：
其中，ωpll和θpll分别为锁相环输出的角速度和角度，下标ref表示对应的参考值；
故障穿越保护控制逻辑的表达式为：
其中，Pm为风机输入的机械功率，Qs,max为风机定子侧输出的最大无功功率；
所述的多时间尺度下的连锁故障风险评估指标包括：以电力电子快速控制引起的电压越限为主的电磁快过程指标、以功角、频率稳定为主的机电常规过程指标、以源荷不确定性引起设备过载为主的潮流慢过程指标；
所述的电磁暂态的风险计算包括：评估直流换相失败对送受端的综合风险、评估交流短路对直流和新能源并网点电压跌落影响的风险和评估双馈风机在外部扰动下连锁脱网的风险；
直流换相失败导致送端功率难以外送，其后果表示为：
CDC＝∫(PDCN-PDC)dt
其中，PDCN和PDC分别为直流额定功率和实际功率的标幺值；
流换相失败导致送端系统电压大幅变化，其后果表示为：
其中，ΔUi为风电场i并网点的电压偏离量，Pi,wind为风电场i有功功率的标幺值；
直流换相失败对送受端的综合风险可表示为：
RDC＝pDC(CDC+C′DC)
其中，pDC为直流系统故障概率；
交流线路i的故障概率表示为：
其中，ηi为线路i的负载率；
交流短路故障引起故障点电压严重跌落影响近区风机和直流的运行，交流短路对直流和新能源并网点电压跌落影响的风险可表示为：
风机脱网比率与并网点电压呈现一定分布特性：
其中，ktrip为风机脱网比例，Umax为风机并网点电压的最大值；
双馈风机在外部扰动下连锁脱网的风险为：
Rwind,i＝∫|ΔPi|dt+ktripPi,wind
所述的机电暂态的风险计算包括大幅功率扰动下的频率稳定性评估、大幅功率扰动下的功角稳定性评估；
有功功率大幅变化导致频率稳定和切机切负荷风险计算为：
其中，Δfi,max为频率最大偏移量，为频率变化率，Nz和ki,zone分别为分区数量和重要度；
有功大幅波动导致系统功角失稳的风险，其表达式为：
其中，δij为发电机之间的功角差，ΔPi,line为线路的功率变化值；
所述的稳态尺度的风险计算包括新能源功率波动引起潮流转移导致线路过载风险和连锁故障导致的系统支撑能力降低程度风险；
风电出力实际功率相对预测功率的偏差量的隶属度函数为：
其中，μi(ΔPi,wind)为风电场i有功偏差量的隶属度函数，ΔPi,wind和ΔPwind,max分别为风电功率的偏差量及其上限；
线路潮流变化量的隶属度函数：
其中，μj(ΔPj,line)为线路j有功偏差量的隶属度函数，Gj-i为风电场i对线路j的输出功率转移分布因子；
风电功率波动导致线路过载的风险，可以表示为：
其中，Pj,line和Pj,line,limit分别为线路j的当前有功功率和最大允许功率；
评估连锁故障导致的系统支撑能力降低程度可表示为：
其中，ΔSCRi和ΔSCRDC分别为风电场并网点和直流换流母线处短路比的变化量；
所述的分支限界法生成事故链的具体方法为：
1)分支：基于多时间尺度故障演化模式，依次将候选集合中的未分支结点作为父节点进行分支，生成各个父结点的所有子结点；
2)限界：利用多时间尺度下的连锁故障风险评估指标及计算方法，分别计算各子结点的风险值，采用剪枝规则对低风险子结点进行剪枝处理，将父节点与子节点的综合风险作为限界函数来评估父节点；
3)选择：以高风险优先的原则，选择限界函数最大的父节点作为最优分支结点并移出候选集合，将其限界后的子节点纳入候选集合；
4)回溯：将搜索完成的事故链进行记录并移出故障树，通过回溯将各结点的风险参数进行更新，开始下一轮分支限界搜索。
2.如权利要求1中所述的一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法，其特征在于，在评估所述潜在故障设备的连锁故障风险的过程中，根据所获取的直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式和多时间尺度的连锁故障风险评估指标，在多时间尺度下评估潜在故障设备在初始故障节点的风险。
3.如权利要求2中所述的一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法，其特征在于，以获取高风险事故链为目标，采用高风险优先的分支限界法生成事故链，当事故链的数量满足预设值时停止连锁故障的搜索；通过计算不同严重等级连锁故障发生的概率，评估连锁故障的风险。
4.一种直流送端系统新能源连锁故障风险评估系统，其特征在于，包括：
获取模块，其被配置为获取直流送端系统新能源的连锁故障典型演化模式，确定待评估区域内的潜在故障设备，提取其在连锁故障演化过程中的关键特征；
所述的连锁故障典型演化模式包括新能源故障穿越和直流换相失败、新能源连锁脱网、电网潮流大幅波动和电网线路开断；
对于直流系统、新能源设备、交流线路和常规电源潜在故障设备，依次提取其在不同时间尺度连锁故障演化中的关键特征，形成多时间尺度的特征数据库；直流系统特征集包括：运行控制参数、低压限流控制参数、直流恢复控制参数、直流额定功率、无功补偿容量、系统短路比；新能源设备特征集包括：控制器控制策略、故障穿越策略、输出功率、运行状态、功率波动特性；交流线路特征集包括：保护切除时间、输电功率裕度、拓扑重要度、与关键设备电气距离、故障类型；常规电源特征集包括：频率响应参数、转动惯量、电源备用裕度；
构建模块，其被配置为构建直流送端系统新能源的连锁故障电磁暂态模型，得到多时间尺度的连锁故障风险评估指标；
考虑直流系统与新能源电源中电力电子设备的控制切换和保护动作特性，对此类潜在故障设备分别建立适用于连锁故障的电磁暂态仿真模型，形成连锁故障电磁快过程分析模块；
建立多时间尺度下的设备故障风险指标，并利用该指标对潜在故障设备进行电磁暂态、机电暂态和稳态尺度的风险计算；
所述的直流系统模型，包括直流系统准稳态模型、运行方式控制逻辑和低压限流保护控制；
直流系统准稳态模型的表达式为：
其中，Udr和Udi分别为整流侧和逆变侧直流电压，Ur和Ui分别为整流侧和逆变侧交流电压，Id为直流电流，α为整流侧触发角，β为逆变侧超前触发角，Pr和Qr分别为整流侧有功和无功功率，μr和分别为整流侧换相角和功率因数，γ为逆变侧熄弧角；
运行方式控制逻辑的表达式为：
其中，Pord、Iord和Udi,ord分别为功率、电流和电压的指令值，Kp和Ki分别为比例积分控制器的控制参数；
低压限流保护控制的表达式为：
所述新能源电源的电磁暂态模型，采用双馈风机的电磁暂态模型，包括绕线型异步电机模型、转子侧控制器和故障穿越保护控制逻辑；
异步电机模型，其表达式为：
其中，u、i和ψ分别为风机电压、电流和磁链相量，ωs和ωsl分别为定子和滑差角速度，下标s和r分别表示定子和转子，下标d和q分别表示d轴相量和q轴相量，Ps和Qs分别为定子有功和无功功率；
转子侧控制器的表达式为：
其中，ωpll和θpll分别为锁相环输出的角速度和角度，下标ref表示对应的参考值；
故障穿越保护控制逻辑的表达式为：
其中，Pm为风机输入的机械功率，Qs,max为风机定子侧输出的最大无功功率；
所述的多时间尺度的连锁故障风险评估指标包括以电力电子快速控制引起的电压越限为主的电磁快过程指标、以功角、频率稳定为主的机电常规过程指标和以源荷不确定性引起设备过载为主的潮流慢过程指标；
所述的电磁暂态的风险计算包括：评估直流换相失败对送受端的综合风险，评估交流短路对直流和新能源并网点电压跌落影响的风险，评估双馈风机在外部扰动下连锁脱网的风险，步骤如下：
直流换相失败导致送端功率难以外送，其后果表示为：
CDC＝∫(PDCN-PDC)dt
其中，PDCN和PDC分别为直流额定功率和实际功率的标幺值；
流换相失败导致送端系统电压大幅变化，其后果表示为：
其中，ΔUi为风电场i并网点的电压偏离量，Pi,wind为风电场i有功功率的标幺值；
直流换相失败对送受端的综合风险可表示为：
RDC＝pDC(CDC+C′DC)
其中，pDC为直流系统故障概率；
交流线路i的故障概率表示为：
其中，ηi为线路i的负载率；
交流短路故障引起故障点电压严重跌落影响近区风机和直流的运行，交流短路对直流和新能源并网点电压跌落影响的风险可表示为：
风机脱网比率与并网点电压呈现一定分布特性：
其中，ktrip为风机脱网比例，Umax为风机并网点电压的最大值；
双馈风机在外部扰动下连锁脱网的风险为：
Rwind,i＝∫|ΔPi|dt+ktripPi,wind
所述的机电暂态的风险计算包括大幅功率扰动下的频率稳定性评估、大幅功率扰动下的功角稳定性评估；
有功功率大幅变化导致频率稳定和切机切负荷风险计算为：
其中，Δfi,max为频率最大偏移量，为频率变化率，Nz和ki,zone分别为分区数量和重要度；
有功大幅波动导致系统功角失稳的风险，其表达式为：
其中，δij为发电机之间的功角差，ΔPi,line为线路的功率变化值；
所述的稳态尺度的风险计算包括新能源功率波动引起潮流转移导致线路过载风险和连锁故障导致的系统支撑能力降低程度风险，过程如下：
风电出力实际功率相对预测功率的偏差量的隶属度函数为：
其中，μi(ΔPi,wind)为风电场i有功偏差量的隶属度函数，ΔPi,wind和ΔPwind,max分别为风电功率的偏差量及其上限；
线路潮流变化量的隶属度函数：
其中，μj(ΔPj,line)为线路j有功偏差量的隶属度函数，Gj-i为风电场i对线路j的输出功率转移分布因子；
风电功率波动导致线路过载的风险，可以表示为：
其中，Pj,line和Pj,line,limit分别为线路j的当前有功功率和最大允许功率；
评估连锁故障导致的系统支撑能力降低程度可表示为：
其中，ΔSCRi和ΔSCRDC分别为风电场并网点和直流换流母线处短路比的变化量；
评估模块，其被配置为根据所得到的多时间尺度的连锁故障风险评估指标和连锁故障典型演化模式，评估所述潜在故障设备的连锁故障风险；
基于连锁故障典型演化模式，以获取高风险事故链为目标，采用高风险优先的分支限界法生成事故链，当事故链的数量满足预设值时停止连锁故障的搜索；通过计算不同严重等级连锁故障发生的概率，在多时间尺度下评估各个连锁故障的风险；
所述的分支限界法生成事故链的具体方法为：
1)分支：基于多时间尺度故障演化模式，依次将候选集合中的未分支结点作为父节点进行分支，生成各个父结点的所有子结点；
2)限界：利用多时间尺度下的连锁故障风险评估指标及计算方法，分别计算各子结点的风险值，采用剪枝规则对低风险子结点进行剪枝处理，将父节点与子节点的综合风险作为限界函数来评估父节点；
3)选择：以高风险优先的原则，选择限界函数最大的父节点作为最优分支结点并移出候选集合，将其限界后的子节点纳入候选集合；
4)回溯：将搜索完成的事故链进行记录并移出故障树，通过回溯将各结点的风险参数进行更新，开始下一轮分支限界搜索。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法中的步骤。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的直流送端系统新能源连锁故障风险评估方法中的步骤。
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2022
- 2022-06-27 CN CN202210737252.7A patent/CN115115220B/zh active Active
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Also Published As
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|---|---|
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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