基于交流潮流的电网故障仿真方法

摘要

本发明涉及一种基于交流潮流的电网故障仿真方法，包括：步骤10.确定各线路元件的潮流极限；步骤20.在随机选取的一个负荷节点上增加随机大小的有功功率和无功功率；步骤30.确定各线路的线路潮流；步骤40.判断发电机节点的无功出力是否在预定范围内，如果不是，将所述发电机节点转换成PQ节点，并返回步骤30；否则，执行步骤50；步骤50.根据线路开断概率判断是否有线路依据概率断开，如果系统由于线路断开被分成至少两个孤岛，则统计损失负荷并结束；否则，更新电网并返回步骤20。本发明更加符合电力系统故障的实际，其仿真结果更适用于研究电网的自组织临界特性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力领域，特别是涉及一种基于交流潮流的电网故障仿真方法。

背景技术

当前仿真电网停电自组织特性的常用模型有：OPA模型、Cascade模型和 SOC-Power Failure模型等。

OPA模型是根据电力系统大停电事故机理与沙堆行为有一定的相似性而提 出的，采用该模型可以获得大停电的概率与大停电的影响程度的函数关系，但 OPA模型电力系统的规模是不断扩大的，对仿真当前电网的特性并不适用。

Cascade模型主要从级联失效的角度假设系统由n个独立的相同元件组成， 各个元件上的负荷L₁,L₂…L_n相互独立且在[L_min,L_max]之间均匀分布，在每个元 件的负荷上加一个随机扰动，一旦某一元件的负荷超过故障的阈值则将其切除 并且把元件的负荷转移到其他未故障的元件，从而引发连锁故障，得到故障规 模。

Cascade模型虽然可以定性的分析电网，但是存在三点不足，(1)其假设的 前提是各个元件互相没有差异，各个元件的相互作用也相同。在此假设之下与 电网有差别。(2)负荷分配未考虑网络结构，故障转移的负荷均匀分配也与电 网不一致。(3)电力网络并未考虑随时间的发展和变化。

SOC-Power Failure模型是基于直流潮流算法求解潮流，该算法简单快捷， 但是也有其不足：因为在直流潮流计算中，各母线电压均认为是1p.u并且相角 差别很小，这在模拟电力系统重载时是不合适的。因为重载时母线电压会由于 系统无功不足下降，并且重载时线路两端电压相角差会增大，所以直流潮流对 电力系统的简化假设是不成立的。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种更加符合电力系统故障实际、 仿真结果更适用于研究电网自组织临界特性的、基于交流潮流的电网故障仿真 方法。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种基于交流潮流 的电网故障仿真方法，包括：步骤10，确定各线路元件的潮流极限；步骤20， 在随机选取的一个负荷节点上增加随机大小的有功功率和无功功率；步骤30， 确定各线路的线路潮流；步骤40，判断发电机节点的无功出力是否在预定范围 内，如果不是，将所述发电机节点转换成PQ节点，并返回步骤30；否则，执 行步骤50；步骤50，根据线路开断概率判断是否有线路依据概率断开，如果系 统由于线路断开被分成至少两个孤岛，则统计损失负荷并结束；否则，更新电 网并返回步骤20。

进一步地，在所述步骤10之间还包括：根据发电机出力和初始负荷需求确 定电网初始潮流；所述步骤10具体包括：根据所述电网初始潮流整定得到所述 各线路元件的潮流极限。

进一步地，所述线路开断概率根据下述方式得到：根据所述线路潮流和所 述潮流极限计算各线路的负载率；根据线路过负荷保护运动模型计算每条线路 的线路开断概率。

进一步地，所述步骤50中的统计损失负荷包括以下步骤：步骤51，判断 在一所述孤岛内是否存在发电机节点；步骤52，如果不存在发电机节点，则该 孤岛内的损失负荷为该孤岛内有功负荷之和；否则，统计该孤岛内发电机的有 功出力总量与负荷有功总量，并执行步骤53；步骤53，比较所述有功出力总量 与负荷有功总量，以判断发电机出力是否满足该孤岛的负荷需求，如果满足， 则该孤岛内的损失负荷为零；否则，该孤岛内的损失负荷为负荷有功总量与有 功出力总量之差。

进一步地，根据步骤51至53依次对每个孤岛的损失负荷进行计算，并将 每个孤岛的损失负荷之和作为最终的损失负荷。

进一步地，所述步骤30中，根据牛拉法确定各线路的线路潮流。

从以上可以看出，本发明充分考虑了电网运行的实际情况，利用交流模型 的牛拉法确定各线路的线路潮流，使仿真模型能够反应电网重载时母线电压会 由于系统无功不足下降的程度，并在模型中嵌入了基于潮流的线路停运概率模 型，充分考虑了电力设备保护装置的误差造成保护动作的不确定性以及系统运 行状态对元件的停运概率影响。这使本模型更加符合电力系统故障的实际，其 仿真结果更适用于研究电网的自组织临界特性。

附图说明

图1示意性示出了线路停运概率模型；

图2示意性示出了本发明的流程图；

图3示意性示出了统计负荷损失流程图；

图4示意性示出了IEEE39系统结构图；

图5示意性示出了本发明仿真出的IEEE39电网事故时间序列图；

图6示意性示出了双对数坐标下ASP模型仿真的IEEE39电网的事故规模 概率分布；

图7示意性示出了双对数坐标下本发明事故规模概率分布点和拟合直线。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和 覆盖的多种不同方式实施。

为了克服以上模型的缺点，本专利提出的电网故障仿真方法是利用交流潮 流计算，并在其中加入了线路过负荷保护动作模型来判断线路是否开断，本专 利中称其为AC-SOC-PF模型。

首先，对本发明所提出的AC-SOC-PF模型进行详细说明。

1.交流潮流计算方式

电网在重载时母线电压会由于系统无功不足下降，并且重载时线路两端电 压相角差会增大，所以若采用直流潮流对电力系统计算是不成立的。AC-SOC-PF 模型采用牛顿-拉夫逊交流潮流算法，可以计算电网各节点电压幅值，适合模拟 电网重载时的系统状态。

2.线路过负荷保护动作模型

电力系统中大停电事故的发生往往是重载下某些元件过负荷断开，从而造成 潮流的大范围转移，进而造成连锁故障的发生。在AC-SOC-PF模型中嵌入基于 传输潮流的线路过负荷保护动作停运概率模型，对线路元件状态进行判断。

请参考图1，线路过负荷保护动作模型简化成的折线模型，纵坐标P_lr表示线 路i的断开概率，横坐标L表示线路i的有功负载率。如式(1)：

$L_i=\frac{P_i}{P_{i,\max }}---\left(1\right)$

式中，P_i为线路i的有功潮流，P_i,max为线路i的有功潮流极限值。

(1)当线路负载率L_i在正常值范围内，线路停运概率P_lr取统计值P_IW；

P_lr(L_i)＝P_IW，L_i,min＜L_i＜L_i,nor；

L_i,min为线路负载率最小值，L_i,nor为线路负载率正常值；

(2)当线路负载率L_i超过了极限值时，线路过负荷保护装置动作，线路 停运概率P_lr取最大值P_IZ；

P_lr(L_i)＝P_IZ，L_i＞L_i,max；

L_i,max为线路负载率的最大极限值；

(3)当线路负载率L_i在正常值和极限值之间时，线路过负荷保护动作致 停运的概率P_lr与线路的负载率L_i呈正比例关系。

$P_{\mathrm{lr}}\left(L_i\right)=P_{\mathrm{IW}}+\frac{P_{\mathrm{IZ}}-P_{\mathrm{IW}}}{L_{i,\max }-L_{i,\mathrm{nor}}}(L_i-L_{i,\mathrm{nor}}),L_{i,\mathrm{nor}}<L_i<L_{i,\max }.$

基于上述的模型，请参考图2，本发明提供了一种基于交流潮流的电网故 障仿真方法，包括：

步骤10，确定各线路元件的潮流极限；

步骤20，在随机选取的一个负荷节点上增加随机大小的有功功率和无功功 率；

步骤30，确定各线路的线路潮流；

步骤40，判断发电机节点的无功出力是否在预定范围内，如果不是，将所 述发电机节点转换成PQ节点，并返回步骤30；否则，执行步骤50；

步骤50，根据线路开断概率判断是否有线路依据概率断开，如果系统由于 线路断开被分成至少两个孤岛，则统计损失负荷并结束；否则，更新电网并返 回步骤20。

在现有用于仿真电力系统自组织临界的事故模型中，基本是通过随机的断 开线路来仿真系统扰动的。然而，本发明通过步骤10-50，以随机选取的一个负 荷节点上增加随机大小的有功功率和无功功率来模型系统的的扰动，更加符合 电网运行时的实际情况，同时步骤50还充分考虑了电力设备保护装置的误差造 成保护动作的不确定性以及系统运行状态对元件的停运概率影响。因此通过本 发明的步骤10-50，使我们能够以更加符合电力系统的实际情况的方式获得电网 的停电事故数据，为研究电网的自组织临界特性提供了良好的方法。

优选地，在所述步骤10之间还包括：根据发电机出力和初始负荷需求确定 电网初始潮流；所述步骤10具体包括：根据所述电网初始潮流整定得到所述各 线路元件的潮流极限。

优选地，所述线路开断概率根据下述方式得到：根据所述线路潮流和所述 潮流极限计算各线路的负载率；根据线路过负荷保护运动模型计算每条线路的 线路开断概率。

优选地，请参考图3，所述步骤50中的统计损失负荷包括以下步骤：

步骤51，判断在一所述孤岛内是否存在发电机节点；

步骤52，如果不存在发电机节点，则该孤岛内的损失负荷为该孤岛内有功 负荷之和；否则，统计该孤岛内发电机的有功出力总量与负荷有功总量，并执 行步骤53；

步骤53，比较所述有功出力总量与负荷有功总量，以判断发电机出力是否 满足该孤岛的负荷需求，如果满足，则该孤岛内的损失负荷为零；否则，该孤 岛内的损失负荷为负荷有功总量与有功出力总量之差。

优选地，根据步骤51至53依次对每个孤岛的损失负荷进行计算，并将每 个孤岛的损失负荷之和作为最终的损失负荷。

优选地，所述步骤30中，根据牛拉法确定各线路的线路潮流。

利用AC-SOC-PF模型(以下简称ASP模型)对IEEE39电网(请参考图4， 图中G代表发电机，各数字代表母线号)进行故障仿真。仿真时所用到的主要 模型参数如表1：

表1AC-SOC-PF模型中主要参数

模型参数 参考数值 η(线路初始负载率因子) 0.7 L_nor(线路负载率正常值) 1 L_max(线路负载率极值) 1.4 P_IZ(线路开断最大概率) 0.9998 P_IW(线路开断最小概率) 0.0002

(1)IEEE39单次故障过程分析

IEEE39系统在AC-SOC-PF模型中某次事故的发展过程如表2；

表2故障过程记录

由表2中的数据得到该次事故过程如下：在第56次添加扰动负荷后，线路 15-16由于误动作断开，负荷转移到了临近线路，导致如下线路的故障概率急剧 增加并且断开：14-15，16-17，17-18，17-27；如图4中虚线圆框所示；另有3-4， 1-39两条线路断开，如图4中的虚线所示；这些线路的断开导致系统解列为5 个区域，停电事故发生，共损失负荷450.42MW；

(2)IEEE39多次仿真结果

将IEEE39电网在AC-SOC-PF模型上进行仿真计算500次，得到损失负荷 的序列一，对该事故序列的整理如下：

a)按照事故发生时间顺序排列，如图5(图中，横轴为故障时间，纵轴为 损失负荷)；

b)统计各故障规模下事故发生的次数如表3；

表3AC-SOC-PF模型仿真出的IEEE39电网事故规模次数统计

事故幅度 >0 >50 >75 >100 >125 >150 >175 发生次数 500 423 355 316 274 274 263 事故幅度 >200 >225 >250 >275 >300 >325 >350 发生次数 259 221 206 195 185 183 183 事故幅度 >375 >400 >425 >450 >475     发生次数 183 183 169 167 138    

c)将各电网故障规模由小到大依次排列，在双对数坐标下绘制其故障分布 概率曲线，如图6(图中，横轴为故障幅度，纵轴为故障概率)；

(3)仿真结果验证

为了验证AC-SOC-PF模型仿真结果的幂律特性，将事故规模记为标度s， 在标度s上事故发生概率记为频度N，将双对数坐标上的事故发生概率分布点 进行线性拟合，并由式(2)计算相关系数：

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(x_i-\bar{x})}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(y_i-\bar{y})}}---\left(2\right)$

将IEEE39电网的部分事故概率分布点线性拟合，如图7(图中，横轴为故 障幅度，纵轴为故障概率，*代表事故概率分布点)，拟合直线为：

logN＝-0.5195logs+0.8930，相关系数r＝0.9896；

样本个数为12，自由度f＝n-2＝10，其相关系数临界值为R_0.01＝0.707；

从以上分析中可知，拟合直线和事故概率分布点的相关系数均大于置信水 平0.01下的临界值，即线性关系显著，事故概率分布满足幂律特性，从而验证 了停电事故的自组织临界性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。