一种电力系统复杂相继故障仿真方法

摘要

本发明涉及一种电力系统复杂相继故障仿真方法，包括随机故障场景生成和复杂相继故障仿真，使复杂相继故障的分析不仅能考虑线路过载导致的连锁开断，而且也可以考虑长时间尺度复杂相继开断中大扰动引起的暂态稳定问题，使复杂相继故障的分析更加准确。通过故障仿真，能够模拟大风气候条件对电力系统运行的影响，得知哪些故障场景会导致系统失稳、损失大量电能，因此可以根据模拟情况指导实际电力系统的运行，通过切断相应线路避免不稳定故障场景的出现，从而提高了电力系统在出现复杂相继故障后的稳定运行能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统的故障仿真方法，具体是一种电力系统中的复 杂相继故障仿真方法，属于仿真技术领域。

背景技术

电力系统在运行过程中，不可避免的会发生故障，如何准确得知故障对 电力系统的影响，人们进行了大量研究。针对电网物理属性对电网崩溃的影 响，研究认为电网具有典型的自组织临界特性（Self-Organized Criticality， SOC），相继提出了三大类连锁故障模型，主要包括：基于网络拓扑结构的连 锁故障模型，基于元件级联失效的连锁故障模型和基于电网动态特性的连锁 故障及大停电事故模型。上述模型提供了一些电网SOC研究的一些方法，但 主要采取潮流计算分析的方法。

然后实际停电统计数据却揭示，相当一部分大停电演化中会由于大扰动 （如线路三相短路永久故障等，故障后切除相应线路等）失去稳定，进而导 致发电机切除、负荷切除以及潮流转移，最终引发连锁故障。因此，在电网 大停电事故模型中，电力系统故障后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行 状态或恢复到原来的状态至关重要，因此需要考虑故障后的电力系统暂态稳 定过程。如中国专利文献CN102403717A中，公开了一种电力系统故障严重程 度评价方法，步骤为：对目标电网系统自动生成故障集；选择纳入评价的节 点；对故障集中的任一故障组进行机电暂态仿真计算，根据仿真过程信息判 断系统是否发生了功角、电压、频率失稳；分别按照功角、电压、频率三个 指标计算出该故障的严重系统；将前述得到的三个严重系数进行加权组合得 出综合严重系统；重复前述步骤，完成对故障集中所有故障组的严重系统计 算；对故障集中的各故障组按综合严重系数由大到小进行排序，输出一览表。 该技术方案公开的方法重点关注电力系统故障对暂态稳定性的影响，可快速 地对目标电网众多的故障类型按严重程度进行排序，找出影响系统安全稳定 运行的约束性故障。该技术方案中，虽然考虑到严重故障对暂态稳定性的影 响，但是仅提供了对严重故障进行评价的方法，未对严重故障的在暂态稳定 问题上进行分析，人们仍然无法了解发生故障后电力系统的运行情况，无法 提前采取措施应对电力系统在故障发生后造成的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的复杂故障分析仅考虑线路过 载导致的连锁开断、并未考虑复杂相继开断中打扰动引起的暂态问题，从而 提供一种不仅考虑线路过载导致的连锁开断，而且考虑复杂相继开断中打扰 动引起的暂态问题，分析更加准确的电力系统复杂相继故障仿真方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电力系统复杂相继故障仿真方法，包括如下步骤：

（1）随机故障场景生成，包括如下过程：

1.1、设置故障场景的数目，随机选择生成故障的线路，计算线路总长度；

1.2、导入基础潮流数据，设置故障时间；

1.3、选择故障线路，判断线路状态并进行故障生成；

1.4、随机获取无故障时间；

1.5、判断是否满足终止条件，不满足转到步骤1.3，否则终止故障生成；

（2）对每一个场景依次进行复杂相继故障仿真，包括如下过程：

2.1、读取步骤（1）中生成的故障场景的故障信息，统计故障总数；

2.2、按发生时间对故障进行排序；

2.3、导入潮流及动态数据，获取第一个故障发生时间、随后无故障持续 时间；

2.4、设置故障操作，并根据故障操作后果判断是否形成新的孤岛，如果 形成孤岛则统计新孤岛母线数并保存相关信息，孤岛中母线数大于预设最大 孤岛母线数，则终止仿真；

2.5、进行两个故障间的无故障仿真；

2.6、判断系统是否失稳，如果失稳则统计失稳机组数目；

2.7、判断是否处理完所有故障，如没有处理完，则转至步骤2.4；如处 理完毕，终止仿真。

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，在所述步骤（1）中，采用PSSE 系统进行仿真。

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，在所述步骤1.1中，计算线路 总长度的方法为：首先计算或查找得到第i条线路的长度L_i，此处i为1至N， N为线路的总数目,再将所有的线路首尾依次相连，形成一个整体线路，线路 总长度为D，

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，在所述步骤1.3中选择线路故 障采用轮盘赌的方法，具体为：在半开半闭区间（0,D]内等概率随机选择一 个数r，如果r位于线路i的始端和终端内，则线路i被选中为故障线路。

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，预设最大孤岛母线数为40-60。

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，预设最大孤岛母线数为50。

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，在所述步骤1.3中，故障生成 时，所述故障包括单向短路故障、相间短路故障和断线故障。

所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，在所述步骤1.5中，终止条件 为：

①孤岛母线数目超过预设最大孤岛母线数；

②当故障清除后存在母线电压低于0.5p.u.的时间超过两秒；

③系统最大功角差超过200°；

④在一个步长的计算中网络解算迭代次数超过200次为一次网络解算不 收敛，连续1.0s网络解算不收敛。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，包括随机故障场景 生成和复杂相继故障仿真，使复杂相继故障的分析不仅能考虑线路过载导致 的连锁开断，而且也可以考虑长时间尺度复杂相继开断中大扰动引起的暂态 稳定问题，使复杂相继故障的分析更加准确。通过故障仿真，能够模拟大风 气候条件对电力系统运行的影响，得知哪些故障场景会导致系统失稳、损失 大量电能，因此可以根据模拟情况指导实际电力系统的运行，通过切断相应 线路避免不稳定故障场景的出现，从而提高了电力系统在出现复杂相继故障 后的稳定运行能力。同时，通过设置故障时间和无故障时间，在故障发生后 的时间内，保留真实时间尺度和物理过程，在故障后系统振荡平稳后，则进 行无故障仿真，直到下一次故障来临，既可以满足故障后进行详细仿真的需 要，又可以处理超长时间尺度的复杂相继故障，可以实现对十个小时量级的 超长时间尺度复杂相继故障进行仿真计算。

（2）本发明所述的电力系统复杂相继故障仿真方法，预设最大孤岛母线 数为40-60，孤岛是指电力系统发生单相或者时间故障后，继电保护装置会跳 开线路故障线路清楚故障，此时存在某一区域与主网仅存唯一联络线，此时 再发生故障就会导致此片区域与主网分离成为孤岛，孤岛与主网本应连接的 线路数目成为孤岛母线数目，形成孤岛后会造成停电，小范围的停电可以接 收，但产生较大孤岛时，会导致大范围停电，严重影响电力的供应，电力系 统应避免发生此种情况，此时继续仿真的价值已经不明显，因此本发明中孤 岛母线数目超过预设最大孤岛母线数时，则终止仿真，考虑到孤岛母线数目 对供电的影响，本发明中预设最大孤岛母线数为40-60，优选50。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作 进一步详细的说明，其中，

图1是本发明所述线路合并原理图；

图2是本发明所述随机故障场景生成的流程图；

图3是本发明所述的进行复杂相继故障仿真的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明所述的电力系统复杂相继故障仿真方法的一个具体实施 方式，包括如下步骤：

第一步、随机故障场景生成，包括如下过程：

1.1、设置故障场景的数目，随机选择生成故障的线路，计算线路总长度。 此处为了在随机线路、线路的随机位置生成故障，采用图1所示的线路合并 原理，首先计算或查找得到每条线路的长度，得到第i条线路的长度L_i，此处 i为1至N，N为线路的总数目,再将所有的线路首尾依次相连，形成一个整体 线路，线路总长度为D，

本实施例中，采用PSSE进行仿真，PSSE（电力系统仿真器，Power System Simulator/Engineering,也写作PSS/E），是目前广泛应用的电力系统分析程 序，是美国电力技术公司于1976年推出的电力系统仿真计算的综合行软件， 包含了电力系统机电暂态分析计算的常见模块。采用PSSE进行仿真时，输入 故障场景参数，即仿真场景的数目。

1.2、导入基础潮流数据，设置故障时间。潮流是指电力系统中电压（各 节点）、功率（有功、无功）（各支路）的稳态分布情况，可由电网监控中心 获得这些数据。在本实施例仿真时采用的青岛电网提供的基础潮流，且根据 故障率可随机生成故障时间。例如，将影响区域内的线路统一处理后，如果 平均故障率为5次/小时，即表示所研究系统内平均每小时发生5次故障。则 一小时内可随机生成5次故障时间。

1.3、选择故障线路，判断线路状态并进行故障生成，由故障主要包括单 相短路故障、相间短路故障以及断线故障。单相短路故障概率为28%，相间短 路故障概率为70%，单相断线故障概率为2%。该值作为仿真模拟系统的输入 参数，可根据需要进行更改。此处选择故障线路时，为了保证故障线路选择 的随机性，对所有线路按照总长采用轮盘赌的方法进行随机筛选。具体过程 为：在半开半闭区间（0,D]内等概率随机选择一个数r，如果r位于线路i的 始端和终端内，即r∈(d_i-1，d_i]，则线路i被选中为故障线路。且故障点位r 在i上的对应位置。

1.4、随机获取无故障时间；由于仿真时间是一定的，随机获取故障时间 后，则可获得无故障时间。

1.5、判断是否满足终止条件，其中终止条件为：1、孤岛母线数目超过 预设最大孤岛母线数时则终止，2、当故障清除后存在母线电压低于0.5p.u. 的时间超过两秒时，停止仿真，系统最大功角差超过200°时终止仿真；3、 在一个步长的计算中网络解算迭代次数超过200次为一次网络解算不收敛， 连续1.0s网络解算不收敛时提前终止退出仿真。不满足转到步骤1.3，否则 终止故障生成。

第二步、对每一个场景依次进行复杂相继故障仿真，包括如下过程：

2.1、读取步骤（1）中生成的故障场景的故障信息，统计故障总数。

2.2、按发生时间对故障进行排序。

2.3、导入潮流及动态数据，其中数据来自青岛电网的潮流及动态数据文 件，获取第一个故障发生时间、随后无故障持续时间。

2.4、设置故障操作，并根据故障操作后果判断是否形成新的孤岛，如果 形成孤岛则统计新孤岛母线数并保存相关信息，孤岛中母线数大于预设最大 50，则终止仿真。

孤岛是指电力系统发生单相或者时间故障后，继电保护装置会跳开线路 故障线路清楚故障，此时存在某一区域与主网仅存唯一联络线，此时再发生 故障就会导致此片区域与主网分离成为孤岛，孤岛与主网本应连接的线路数 目成为孤岛母线数目，形成孤岛后会造成停电，小范围的停电可以接收，但 产生较大孤岛时，会导致大范围停电，严重影响电力系统运行，电力系统应 避免发生此种情况，此时继续仿真的价值已经不明显，因此本发明中孤岛母 线数目超过预设最大孤岛母线数时，则终止仿真，考虑到孤岛母线数目对供 电的影响，本发明中预设最大孤岛母线数为50，孤岛母线数超过50作为仿真 提前终止的条件，对于母线数目小于50个的孤岛则停运该孤岛内的所有设备， 继续仿真；如果发生超过50个母线的孤岛产生，则终止该故障模拟。作为其 他可以变换的实施方式，此处的预设最大孤岛母线数可以选择为40或60.

2.5、进行两个故障间的无故障仿真。在无故障的时间内，继续进行无故 障仿真，直到下一次故障来临，既可以满足故障后进行详细仿真的需要，又 可以处理超长时间尺度的复杂相继故障，可以实现对十个小时量级的超长时 间尺度复杂相继故障进行仿真计算。

2.6、判断系统是否失稳，如果失稳则统计失稳机组数目。大部分仿真场 景都不会导致系统失稳，仅会导致部分变电站成为孤岛，此类场景的数量约 占全部场景的91.4%，但是部分场景中可能出现大范围的孤岛，并导致损失大 量负荷，部分场景中可能损失大量发电。这样通过仿真就可以详细了解故障 发生后电力系统的运行情况，对电力系统运行进行分析，寻找故障发生后的 最佳处理方式，降低故障对电力系统运行的影响。

2.7、判断是否处理完所有故障，如没有处理完，则转至步骤2.4；如处 理完毕，终止仿真。

通过上述电力系统复杂相继故障仿真方法，包括随机故障场景生成和复 杂相继故障仿真，使复杂相继故障的分析不仅能考虑线路过载导致的连锁开 断，而且也可以考虑长时间尺度复杂相继开断中大扰动引起的暂态稳定问题， 使复杂相继故障的分析更加准确。通过故障仿真，能够模拟大风气候条件对 电力系统运行的影响，得知哪些故障场景会导致系统失稳、损失大量电能， 因此可以根据模拟情况指导实际电力系统的运行，通过切断相应线路避免不 稳定故障场景的出现，从而提高了电力系统在出现复杂相继故障后的稳定运 行能力。同时，通过设置故障时间和无故障时间，在故障发生后的时间内， 保留真实时间尺度和物理过程，在故障后系统振荡平稳后，则进行无故障仿 真，直到下一次故障来临，既可以满足故障后进行详细仿真的需要，又可以 处理超长时间尺度的复杂相继故障，可以实现对十个小时量级的超长时间尺 度复杂相继故障进行仿真计算。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的 限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出 其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之 中。