一种考虑信息系统风险的电力系统连锁故障风险评估方法

摘要

本发明公开了一种考虑信息系统风险的电力系统连锁故障风险评估方法，本发明中负荷的切除失败是由信息系统信号发送故障使执行站断路器无法正确动作导致的；其步骤包括：首先，建立安全稳定控制装置控制概率模型，由一个控制主站和若干控制子站构成，控制主站简化为监控主机连接交换机，控制子站简化为交换机，再通过智能电子设备发送控制信号至断路器，通过切除变电站配网线路出线来切除负荷。然后，计算控制失败的概率。最后，依据连锁故障链确定原则生成连锁故障链，并根据初始故障控制失败的概率和连锁故障造成的负荷损失计算该连锁故障风险。本发明有助于电网运行人员估计电网面临的信息系统引起的连锁故障危险程度，以便实施预防措施。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统风险评估领域，尤其涉及一种考虑信息系统风险的电力系统连锁 故障风险评估方法。

背景技术

信息通信技术(InformationCommunicationTechnology，ICT)做为智能电网的关键支 撑技术，近年来其在电力领域中的应用日趋深化，并推进智能电网的研究和建设不断前进。 智能电网在未来终将演化成为电力空间和信息空间(包括各类信息系统及信息设备)高度 融合的电力信息物理系统(ElectricCyber-PhysicalSystem，ECPS)。自2014年美国遭受的 网络攻击有32％集中在能源领域。在这种情况下，有必要对信息系统给电力系统带来的影 响进行安全性评估。

目前，电力系统安全性评估方法分为确定性方法和不确定性方法两大类。

确定性方法以预想事故分析为依据，在系统最严重情况下，求得针对某一具体预想事 故的系统安全稳定裕度，该方法物理意义明确，要求的数据较少，安全裕度大，可靠性高， 理论研究相对成熟，但只重视最严重的事故,以最坏的情况进行校验,其确定的系统运行点过 于保守，并且忽略了系统运行的复杂性和随机性，对系统的整体上的安全水平缺乏定量的 度量。

不确定性方法包括概率性分析方法和风险分析方法。概率性分析方法可以考虑各个事 故的随机性和不确定性，根据系统中随机因素的统计特性，得到运行参数的变化范围和概 率分布，从而对系统有一个相对全面的评价，但是该方法只考虑了系统故障的随机性和不 确定性，没有考虑到系统故障造成后果的严重程度，无法将系统的安全性和经济性结合起 来考虑系统的安全状况。

风险分析方法将风险理论应用于电力系统的安全评估，可以综合考虑事故发生的可能 性和严重性，将系统运行的安全性和经济性结合起来，使电网在获取较大效益的同时能保 证面对较小的风险，在风险和效益之间找到平衡，风险指标可以指导运行人员加强严重故 障设备的监视和维护，保证电网安全、稳定、经济的运行。

除了静态和暂态风险计算外，由于近年来世界上发生的大停电事故多表现为故障连锁 发展的形式，基于连锁故障的风险计算也被单独提出并受到了广泛关注。大电网一旦发生 事故，尤其是连锁性大停电事故，将会导致系统瓦解，对经济和社会造成严重影响。近年 来国内外发生的大面积停电事故暴露了大电网脆弱性的一面。2006年7月1日，华中电网 发生建国以来最大的电网事故，26台机组退出运行，江西、湖南、湖北和河南四省负荷损 失高达2.60GW。2009年3月7日，上海电网发生三相短路事故，负荷损失约1.44GW，导 致浦东机场飞机定位系统失灵、金茂大厦电梯失电、英特尔芯片工厂产品大量报废，后果 非常严重。巴西电网2009年11月10日发生大停电，损失负荷约占巴西电网全部负荷的40％， 影响人口约5000万，巴西18个州及巴拉圭陷入一片黑暗。2012年7月30日、7月31日， 印度爆发近年来国际上最大规模的停电事故，全国近三分之二的地区供电出现中断，受影 响人数超过6亿。在这种情况下，分析连锁故障风险有助于电网运行人员估计电网面临的 连锁故障危险程度，以便实施必要的预防措施。

发明内容

针对目前由信息风险引起的连锁故障分析的空白，本发明提出了一种考虑信息系统风 险的电力系统连锁故障风险评估方法，有助于电网运行人员估计电网面临的连锁故障危险 程度，以便实施必要的预防措施。

为了解决上述记住问题，本发明提出的一种考虑信息系统风险的电力系统连锁故障风 险评估方法，其中，电力系统中的电力设备包括线路和变电站两侧的断路器；该电力系统 连锁故障分析方法包含以下步骤：

步骤一、建立信息系统中安全稳定控制系统模型，该安全稳定控制系统模型包括一个 控制主站和若干个控制子站，所述控制子站连接有执行站，其中，所述控制主站采用监控 主机，并至少负责收集各厂站信息、识别电力系统运行方式，实现信息交换、切机切负荷 优先级排序和量化控制；所述控制子站包括交换机和智能电子设备IED，所述交换机通过通 信线路与控制主站连接，所述控制子站用于接收控制主站的命令并通过所述智能电子设备 IED发送控制信号至若干个执行站，所述执行站为线路变电站两侧的断路器；通过所述安全 稳定控制系统模型切除变电站的配网线路出线来达到切除负荷的目的；

步骤二、电网发生初始故障采取负荷切除控制措施，而由信息系统引起负荷切除失败 导致连锁故障发生，即负荷的切除失败是由信息系统信号发送故障使执行站无法正确动作 导致的，计算所述安全稳定控制系统模型的初始故障控制失败的概率p'；

$u=\sqrt{1-p}---\left(1\right)$

$u_1=u_a·u_b·u_c·u_b·u_c·u_b·u_d·u_b=u_a·{u_b}^4·u_c^2·u_d---\left(2\right)$

$p^{\prime }=1-u_1·u=1-u_1·\sqrt{(1-p)}---\left(3\right)$

式(1)中，p为由历史统计数据得出的线路的不可用率，u为线路变电站出线一侧断 路器的可用率，假设线路变电站另一侧的断路器与出线一侧完全相同，且线路的不可用完 全是由于断路器的不可用造成的；

式(2)中，u₁为断路器信息控制系统的可用率，u_a为监控主机的可用率，u_b为通信线 路的可用率，u_c为交换机的可用率，u_d为智能电子设备IED的可用率；将监控主机的可用 率u_a，通信线路的可用率u_b，交换机的可用率u_c和智能电子设备IED的可用率u_d统称为信 息系统中相应设备的可用率u_x，则：

$U=\frac{MTTR}{MTTF+MTTR}---\left(4\right)$

u_x＝1-U(5)

式(4)中，MTTR和MTTF均分别为信息系统中相应设备的可靠性参数，其中，MTTR 为平均修复时间，MTTF为平均故障时间；

步骤三、根据初始故障控制失败的概率p'，确定连锁故障链：对于给定状态计算系统 潮流分布，若出现越限线路的情况，则依照过流保护装置的动作原理将越限线路切除；若 没有出现越限线路的情况，则将整个系统输电线路的重载程度进行排序，找出负载超过系 统内线路限值或接受转移潮流超过系统内线路限值的线路并将其切除，将该切除的线路作 为连锁故障链中的一个环节，以此类推，形成连锁故障链；

生成上述连锁故障链后，由潮流计算结果可知该连锁故障造成的负荷损失L_lost，该连锁 故障风险为：

R＝p'·L_lost(6)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用发明提供的技术方案分析连锁故障风险有助于电网运行人员估计电网面临的连锁 故障危险程度，以便实施必要的预防措施。

附图说明

图1本发明中一种典型的安全稳定控制系统模型控制结构示意图；

图2是与图1控制结构对应的信息系统控制结构示意图；

图3是实施例IEEE118节点测试系统接线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施 例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明一种考虑信息系统风险的电力系统连锁故障风险评估方法分析了在发生一阶故 障时由于信息系统控制故障，导致切负荷等控制措施执行失败进而造成电力系统连锁故障 的情况下，该连锁故障的风险。本发明中的电力设备主要考虑变电站两侧的断路器变压器 和线路，且负荷的切除失败是由信息系统信号发送故障使执行站断路器无法正确动作导致 的。该电力系统连锁故障分析方法包含以下步骤：

首先，构建初始故障场景，电网发生初始故障，应采取发电机调整或切负荷措施；切 负荷功能目前由安全稳定控制系统实现，其中，控制主站根据策略向控制子站发切负荷命 令，控制子站收到切负荷命令后执行切负荷功能。

为了研究信息系统的影响，有必要对相对复杂的安全稳定控制系统进行适当的简化整 合形成安全稳定控制系统模型，该安全稳定控制系统模型的控制结构如图1所示。

该安全稳定控制系统模型包括一个负责全系统管理的控制主站和若干个控制子站，信 息控制的逻辑关系更加清晰。

所述控制主站采用监控主机，该监控主机负责收集各厂站信息、识别电力系统运行方 式，实现信息交换、切机切负荷优先级排序和量化控制等系统管理功能。

所述控制子站负责采集信息和故障判别，以及就地、远方控制，所述控制子站包括交 换机和智能电子设备IED(intelligentelectronicdevice)，所述交换机用于接收控制主站的命 令，并通过通信线路与控制主站连接，所述交换机再通过所述智能电子设备IED发送控制 信号至若干个执行站，所述执行站为线路变电站两侧的断路器，执行站不再作为一个单独 的层级出现，相应功能与上一级控制子站进行整合。最终，通过所述安全稳定控制系统模 型切除变电站的配网线路出线来达到切除负荷的目的。如附图2所示。

步骤二、电网发生初始故障采取负荷切除控制措施，但由于信息系统引起负荷切除失 败导致连锁故障发生，即负荷的切除失败是由信息系统信号发送故障使执行站无法正确动 作导致的，此时，计算所述安全稳定控制系统模型的初始故障控制失败的概率p'，由以下 公式得出：

$u=\sqrt{1-p}---\left(1\right)$

$u_1=u_a·u_b·u_c·u_b·u_c·u_b·u_d·u_b=u_a·{u_b}^4·u_c^2·u_d---\left(2\right)$

$p^{\prime }=1-u_1·u=1-u_1·\sqrt{(1-p)}---\left(3\right)$

式(1)中，p为由历史统计数据得出的线路的不可用率，u为线路变电站出线一侧断 路器的可用率，假设线路变电站另一侧的断路器与出线一侧完全相同，且线路的不可用完 全是由于断路器的不可用造成的。式(2)中，u₁为断路器信息控制系统的可用率，u_a为监 控主机的可用率，u_b为通信线路的可用率，u_c为交换机的可用率，u_d为智能电子设备IED 的可用率；本发明中，将监控主机的可用率u_a，通信线路的可用率u_b，交换机的可用率u_c和智能电子设备IED的可用率u_d统称为信息系统中相应设备的可用率u_x，则利用如下公式 得出u_x：

$U=\frac{MTTR}{MTTF+MTTR}---\left(4\right)$

u_x＝1-U(5)

式(4)中，MTTR和MTTF均分别为信息系统中相应设备的可靠性参数，其中，MTTR 为平均修复时间，MTTF为平均故障时间；

步骤三、依据连锁故障链确定原则生成连锁故障链，并根据初始故障控制失败的概率p' 和连锁故障造成的负荷损失L_lost计算该连锁故障风险R。

其中，连锁故障链确定原则如下：对于给定状态计算系统潮流分布，若出现越限线路 的情况，则依照过流保护装置的动作原理将越限线路切除；若没有出现越限线路的情况， 则将整个系统输电线路的重载程度进行排序，找出负载超过系统内线路限值或接受转移潮 流超过系统内线路限值的线路并将其切除。将该切除的线路作为连锁故障链中的一个环节， 以此类推，重复执行上述过程形成连锁故障链。形成上述连锁故障链后，由潮流计算结果 可知该连锁故障造成的负荷损失L_lost，则该连锁故障风险为：

R＝p'·L_lost(6)

结合附图和附表，以图3所示的IEEE-118节点系统为例，对考虑信息系统风险的电力 系统连锁故障方法进行说明：

步骤一：构建初始故障状态，118节点系统中发生一阶故障导致bus-14越限跳闸，故障 发生后除发电节点调整之外，还应在bus-35节点切除21.351MW负荷以使系统恢复稳定。

步骤二：安全稳定控制装置信号发送出现故障，导致切负荷控制措施未能完成。

步骤三：计算安全稳定控制装置信号发送出现故障概率，118节点100kv线路按照历史 统计数据得出的p＝0.031009，下表给出的是信息系统元件可靠性参数：

由此得出得出p'＝0.016517

步骤四：根据上文步骤四中描述的连锁故障链确定原则，形成连锁故障链，为 bus-14～bus-15，bus-18～bus-19，bus-15～bus-19，bus-23～bus-25，bus-71～bus-72，此故障链造 成负荷损失180.038MW，风险为2.9737。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。