一种计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法

摘要

本发明公开了电力系统安全防护技术领域中的一种计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法。包括计算待分析的电网区域在设定电网运行方式下的稳定潮流，获得待分析的电网区域的主潮流路径；计算主潮流路径的故障概率，取概率值最大的两条线路作为初始故障点；判断是否由事故链环节触发了暂态稳定问题，如果是则将初始故障点加入事故链；判断故障后残余网络是否过载；如果是，则选择下一个故障点；否则，将此时的故障点作为故障链的最后一个环节加入事故链。本发明可以得出整个电网的连锁故障薄弱环节，为电网连锁故障监视与预警提供有效工具。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统安全防护技术领域，尤其涉及一种计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法。

背景技术

电力系统是一个复杂的高阶非线性动态系统，电网的大规模互联不但会令电力系统的动态行为更加复杂，而且局部地区发生故障后其波及的范围也将加大，更易导致由于相继的连锁故障而造成大面积停电的恶性事故。电力系统局部一点或多点的故障，除了运行设备故障，人为操作失误以外，恶劣天气也是不可忽略的重要原因之一。电力系统跨越广阔地域，气候条件往往是影响其安全运行的重要因素。恶劣天气条件下元件发生故障的可能性将大大增加，由于电力系统输配电线路特别是长距离高压输电线路长期处在复杂的天气环境中，其故障的发生受天气变化的影响很大。长期的运行经验表明，恶劣天气出现的概率虽然不高，但在恶劣天气条件下电网各元件发生故障的机会明显增加，并对元件产生巨大的破坏作用，使电网发生多种相关和不相关故障的可能性急剧升高，发生所谓的“故障聚集”现象。因此，在进行复杂电网连锁故障传播机理分析中考虑恶劣天气因素，对连锁故障的预防与控制显得十分重要。

目前国内外学术界主要从两个角度对电力系统连锁故障进行研究。一是以电力系统稳态以及暂态分析为核心，用特定概率描述系统行为来研究电力系统连锁故障整体行为特点。譬如OPA模型、Hidden Failure模型、CASCADE模型等；二是以电网拓扑结构为核心，应用复杂网络理论研究电网的结构脆弱性以及复杂电网中连锁故障的传播机理。譬如小世界网络模型以及无标度网络模型等。

然而上述研究并未将天气因素纳入模型考虑的范畴之内，很难适应恶劣天气下电网故障复杂多变的情况。本方法基于自组织临界思想提出计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障事故链传播模型和仿真算法。

统计电网恶劣天气引起的故障形式，特别是同一气象条件下对同一区域、同一通道范围内的影响及冲击的主要特征，并进行归类梳理；研究电网恶劣天气下严重连锁故障后的运行特点和薄弱环节；在此基础上，利用复杂系统理论及相关数学方法，研究连锁故障发生的机理，分析连锁故障的演变规律；在分析连锁故障成因的基础上，研究提出预防电网恶劣天气下发生连锁故障的策略。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法，研究分析恶劣天气下电网事故发生概率及其故障累积效应。

为实现上述的目的，本发明提供的技术方案是，一种计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法包括：

步骤1：设定待分析的电网区域和电网运行方式；

步骤2：通过电力系统分析综合程序计算待分析的电网区域在设定电网运行方式下的稳定潮流，得到潮流及方向，并由此获得待分析的电网区域的主潮流路径；

步骤3：计算主潮流路径的故障概率，取概率值最大的两条线路作为初始故障点；

步骤4：通过电力系统分析综合程序暂态稳定计算方法，进行待分析的电网区域的电网暂态稳定计算，获得电网电压稳定和发电机功角稳定计算结果；

步骤5：判断是否由事故链环节触发了暂态稳定问题，如果是则执行步骤9；否则，执行步骤6；

步骤6：将初始故障点加入事故链，从待分析的电网区域中把故障线路断开，将断开后剩余的电网作为故障后残余网络；

步骤7：通过电力系统分析综合程序进行故障后残余网络的潮流计算，确定故障后残余网络的主潮流方向，判断故障后残余网络是否过载；如果是，则执行步骤8；否则，执行步骤9；

步骤8：根据故障后残余网络的主潮流方向，按照事故链环节显式触发和/或隐式触发方式选择下一个故障点，并将选择的下一个故障点作为初始故障点，将故障后残余网络作为待分析的电网区域，返回步骤4；

步骤9：将此时的故障点作为故障链的最后一个环节加入事故链，形成最终的事故链，并判断是否有安自装置动作，如果有，则执行安自装置动作。

所述计算主潮流路径的故障概率的计算公式为P_o(E_i)＝1-e^-pt；其中，p为线路或母线在恶劣天气下的平均故障率，η_i为线路或母线在恶劣天气下的故障比率；T_i为恶劣天气的统计持续时间，T为统计周期时间，为线路或母线的平均故障率。

所述判断故障后残余网络是否过载具体是根据故障后残余网络的潮流计算结果，寻找热稳定裕度γ≥1的线路。

所述热稳定裕度的计算公式为其中，γ_m，i为线路i在连锁故障第m阶段时的热稳定裕度，为P_i，m为线路i在连锁故障第m阶段时的有功潮流；P_i，m-1为线路i在连锁故障第m-1阶段时的有功潮流；为连锁故障发生至m-1阶段时，线路L_j故障跳开后其上的有功功率转移至线路i上的有功功率；P_i，max为线路i的热稳极限。

本发明对区域电网的夏大、夏小、冬大、冬小等典型运行方式进行连锁故障分析，则可以得出整个电网的连锁故障薄弱环节，为电网连锁故障监视与预警提供有效工具。

附图说明

图1为计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法流程图；

图2为豫北地区电网地理接线图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法流程图。图1中，计及恶劣天气因素的复杂电网连锁故障分析方法包括：

步骤1：设定待分析的电网区域和电网运行方式。

步骤2：通过电力系统分析综合程序计算待分析的电网区域在设定电网运行方式下的稳定潮流，得到潮流及方向，并由此获得待分析的电网区域的主潮流路径。

步骤3：计算主潮流路径的故障概率，取概率值最大的两条线路作为初始故障点。

在不同天气条件下，线路或母线发生故障的比率为：

${\eta }_i=\frac{T_i}{T}·\frac{p}{\bar{p}}$

式中η_i为线路或母线在恶劣天气下的故障比率；T_i为恶劣天气的统计持续时间；T为统计周期时间；p为线路或母线在恶劣天气下的平均故障率；为线路或母线的平均故障率。得到：

$p={\eta }_i\frac{T}{T_i}·\bar{p}$

式中η_i、T_i、T可由统计数据得到，由公式可得恶劣天气下元件的故障率p。统计表明，电力系统发生事故的概率服从泊松分布，则输电线路或母线i在恶劣天气情况下，给定时间t内不发生故障的概率为：

$\overline{P_o\left(E_i\right)}=\frac{e^{-\mathrm{pt}}·\left(\mathrm{pt}\right)}{0!}=e^{-\mathrm{pt}}$

则发生故障的概率为：

P_o(E_i)＝1-e^-pt

步骤4：通过电力系统分析综合程序暂态稳定计算方法，进行待分析的电网区域的电网暂态稳定计算，获得电网电压稳定和发电机功角稳定计算结果。

步骤5：判断是否由事故链环节触发了暂态稳定问题，如果是则执行步骤9；否则，执行步骤6。

步骤6：将初始故障点加入事故链，从待分析的电网区域中把故障线路断开，将断开后剩余的电网作为故障后残余网络。

步骤7：通过电力系统分析综合程序进行故障后残余网络的潮流计算，确定故障后残余网络的主潮流方向，判断故障后残余网络是否过载；如果是，则执行步骤8；否则，执行步骤9；

所述判断故障后残余网络是否过载具体是根据故障后残余网络的潮流计算结果，寻找热稳定裕度γ≥1的线路。

所述热稳定裕度的计算公式为其中，γ_m，i为线路i在连锁故障第m阶段时的热稳定裕度，为P_i，m为线路i在连锁故障第m阶段时的有功潮流；P_i，m-1为线路i在连锁故障第m-1阶段时的有功潮流；为连锁故障发生至m-1阶段时，线路L_j故障跳开后其上的有功功率转移至线路i上的有功功率；P_i，max为线路i的热稳极限。

步骤8：根据故障后残余网络的主潮流方向，按照事故链环节显式触发和/或隐式触发方式选择下一个故障点，并将选择的下一个故障点作为初始故障点，将故障后残余网络作为待分析的电网区域，返回步骤4。

步骤9：将此时的故障点作为故障链的最后一个环节加入事故链，形成最终的事故链，并判断是否有安自装置动作，如果有，则执行安自装置动作。

实施例2

下面以河南电网豫北地区500kV网架恶劣天气引发严重故障下运行方式进行拟合仿真计算分析作为本发明的一个实施例，对本发明的发明内容做进一步说明。

河南电网划分为豫北、豫西、豫西中、豫南四个子网，根据气象统计，豫北地区冬季为恶劣天气高发区。基于本方法所提出事故链模型和仿真算法对豫北地区电网进行故障仿真，说明恶劣天气引发严重事故后造成故障连锁的传播路径。

如附图2豫北地区电网地理接线图所示，基于河南电网2010年冬季大方式，在豫北电网中，焦新电网主要通过500kV获嘉-洹安双回线，500kV塔铺-仓颉线共三回输电线路向安濮鹤电网供电，即首先确定500kV获嘉-洹安双回线，500kV塔铺-仓颉线为安濮鹤电网的主潮流路径。然后，结合该电网历年事故处理记录统计数据计算出恶劣天气下该区域主潮流路径的故障概率P_o(E_i)，为初始故障设定提供数据支持。这三回输电线路的有功潮流以及恶劣天气下的事故发生概率计算结果如下表所示。

  豫北电网主潮流路径  有功功率(MW)  P₀(E_i)  塔铺500-仓颉500  898.83  0.743  洹安500I-获嘉500I  847.64  0.513  洹安500II-获嘉500II  853.59  0.513

现假定豫北地区出现大风寒潮性恶劣天气，此类天气可能引起输电线路覆冰舞动。结合恶劣天气下线路故障概率计算结果，设定豫北地区500kV塔铺-仓颉线因覆冰风舞导致线路跳闸为此次连锁故障仿真的第一初始故障，500kV获嘉-洹安线任意一回跳闸为第二初始故障。此次连锁故障发生及发展过程以及各阶段中引发故障线路的热稳裕度指数γ_m，i仿真结果如下表所示。

  故障线路  引发故障  γ_m，i  塔铺500-仓颉500  新火220-灵山220重载  0.9438  获嘉500-洹安500I  新火220-灵山220过载  1.1512  新火220-灵山220  新火220-汤阴220过载  1.0151  新火220-灵山220  塔铺220-滑县220过载  1.0974

  新火220-汤阴220过载  安濮鹤地区电压失稳  -  塔铺220-滑县220过载  安濮鹤地区电压失稳  -

仿真结果得到豫北电网的一条事故链为：顶事件(安濮鹤地区电压失稳)＝(塔铺500-仓颉500)×(获嘉500-洹安500)×(新火220-灵山220)×(新火220-汤阴220+塔铺220-滑县220)。

当塔铺500-仓颉500单回线因覆冰风舞造成相间短路跳闸后，新火220-灵山220线重载但未跳闸，此时若500kV获嘉-洹安双回线中任意一回因风舞造成相间短路跳闸，则新火220-灵山220线过载跳闸；而新火220-灵山220线跳闸，则会引起新火220-汤阴220及塔铺220-滑县220两回线路均因过载而跳闸；若这两回线跳闸则会引起安濮鹤地区的节点电压快速下降至0.75p.u.以下，导致安濮鹤地区电网发生电压失稳事故。

经由本方法提出的连锁故障仿真算法得到的事故链即为恶劣天气下故障传播的路径通道，区域中各条事故链之间的交集即为电网的薄弱环节所在，此方法为电网安自装置的配置提供了重要的参考依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。