（电力系统及其自动化专业论文）电网继电保护在线预警及实时仿真技术的研究与实现.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 ii 页 并行校核。 电网继电保护在线预警系统的关键技术之一是建立较为准确的保 护模型，实现保护系统的实时、动态仿真。虽然已经为电力系统一次设 备建立了较为准确的模型，但对于保护系统的建模仍缺乏研究。电力系 统实时数字仿真器 rtds 在我国已广泛推广，但其模型中缺乏完整的保 护模型，本课题基于 rtds 开发完整的四方公司 csc- 100b 数字式超高 压线路保护装置仿真系统， 一方面可用于测试保护智能预警系统的正确 性，另一方面是对rtds 模型的补充，可用于微机保护的实时仿真，协 助运行人员进行事故后分析，有重大的推广意义。 关键词：电力系统，继电保护，隐性故障，在线预警，实时仿真 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 iii 页 research and development of an online early warning system and a real time simulation of protective relaying abstract recently, the blackout happened frequently around the world, which has the relation with the relay protection. especially, when the power network supplied to a heavy load, the relay protection has the hidden fault problem, which can lead a mis- operation and trigger the consequent protection operation, at last, the blackout happened. while the measurements of relay protection equipment cannot be visual and the curve of fault measurements is hard to observe, it is really difficult to find the fault causes. the paper does researches on two theses: the relay online protection system and real time simulating protection technology. firstly, the paper proposes a relay protection importance analysis method, considering the hidden fault, to find the weakest point in power relay protection. then an intelligent alarm protection system is built to get rid off the relay protection problem when heavy loading. the paper uses the pss/e platform to solve the model. on the dispatch center, the fault 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 iv 页 information system of center calculates power system s flow through contingency screening and the correction of voltage and current to fault systems of sub in substations. the systems of sub send for the values of protection s settings and analogs of real- time to complete on- line verification. there are two advantages of this module. one is that the communication of information between dispatch center and substations is little and the other is that the module adopts parallel computation . the power system real time digital simulator (rtds) is very popular in china. the problem of rtds is lack of protection model. the paper uses the csc- 100b digital super high voltage line protection simulating system, which is developed by sifang company, not only to testify the correction of intelligent alarm protection system, but also to be a part function to rtds. the promising model can apply to the real time simulation of microprocessor- based protection, cooperate the operators with the after- accident analysis. key words: power systems, protective relaying, hidden failure, online early warning, real time simulation 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 电网保护在线预警技术概述 随着电力技术的进步以及出于满足客观需要的目的，通过区域电网的互联形成 更大规模的联合电网，已经成为当前电力工业发展不可逆转的趋势，但是电网规模 的扩大也对其安全运行提出了新的挑战。例如，一个区域发生的重大扰动或事故可 能会影响到相邻的区域，乃至引起连锁反应和相继操作，从而恶化系统的工况。近 年来，世界范围内发生了许多大停电事故，如 2003 年 8 月 14 日发生的美加大停 电事故是有史以来规模最大的停电事故，影响尤为严重1。停电波及了美国的 8 个 州和加拿大的两个省，至少 21 座电厂停运，受影响居民达 5000 万。事故后分析 显示，继电保护 iii 段在重潮流下误动作是引发此次大停电事故的重要原因2- 7。在 我国，也发生了类似的情况。2006 年 7 月 1 日，我国河南省发生一起多年罕见 的电力故障，五百千伏嵩郑两回线路先后跳闸，造成豫西、豫中部分 220 千伏线 路过载，距离保护 iii 段误动作，电网运行出现波动，不仅影响了用户正常用电， 还导致交通出现混乱8。为此，人们开始研究继电保护存在的问题和发现保护系统 隐患的方法。应该看到我国还是一个发展中国家，电网的总体设计水平与发达国家 相比还有很大的差距，电网结构薄弱，电气主设备和线路故障率较高，部分电网电 源供应紧张，应对电网突发事件的运行备用不足，因而存在着电网停电的隐患。由 于我国电网东西、南北地域跨距大，负荷特性差异大，系统运行方式变化大，电网 结构复杂，又存在不少薄弱环节，如何保证系统安全稳定运行将是全国联合电网所 面临的重大课题和艰巨的任务，在大型互联电网中，当电网发生故障且故障被切除 后，系统潮流将被重新分配，如果不加处理，新的过负荷线路或变压器将被切除， 有可能引起连锁反应，甚至系统崩溃。综上所述，随着社会用电需求的不断增加， 电网的规模日益扩大，大电网在带来可以合理开发与利用能源、节省投资与运行费 用等优势的同时也带来了潜在的威胁，局部发生的故障可能诱发连锁反应波及到临 上海交通大学硕士学位论文 第 2 页 近的广大区域，一旦出现重大事故，其规模和造成的损失有可能大幅度增加9。北 美“ 8 14” 大停电事故就是一个有力的佐证。因此保证大规模互联电网的安全、稳定 和经济运行是一个重大而迫切的问题，对电网重载状态下保护的误动可能引发相关 线路保护连锁动作的研究具有重大的意义。 1.2 保护实时仿真技术概述 电力系统中目前常用的仿真工具大都是非实时离线的，像 emtp、emtdc 等， 它们在电力系统的规划、设计、测试和校验中都得到了广泛应用。但是在传统的非 实时离线数字仿真计算中，对一个几秒钟的暂态过程往往需要花费几分钟甚至几十 分钟，无法满足保护装置、hvdc 和 facts 控制设备实时交互测试的要求。 电力系统实时数字仿真技术一直是电力科研工作者关注和研究的焦点之一。加 拿大manitoba直流研究中心在20世纪90年代初开发出世界上第一套商业化的实时 数字仿真系统(rtds)，大大推动了电力系统实时数字仿真技术的发展。 电力系统实时仿真是指实时模拟电力系统各种运行过程，并且能接入实际的物 理装置进行实验的电力系统仿真方式。在电力系统中，为验证新的控制、保护设备 的性能，它们在投入实际系统运行前都要进行测试，实时仿真技术为此提供了很好 的解决思路。 实时数字仿真系统的出现是计算机技术、并行计算技术、数字信号处理技术和 现代控制技术发展的产物。在目前各种实时数字仿真系统中，大都采用并行处理的 硬件结构和告诉 dsp 芯片， 利用数学上可分割子系统的概念在各个运算芯片或芯片 组间分担计算任务。它承担数字仿真软件和模拟仿真器的优点，体积小、建设周期 短、功能强大，对于测试的系统可实时闭环运行，这是以前的仿真系统所无法比拟 的10- 11。 rtds 是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的实时数字仿真系统。它实质上 是为实现实时数字仿真系统暂态过程而专门开发的并行计算机系统。它的实时仿真 步长能达到 50 s 级别。rtds 与适当的电压、电流放大器结合可进行闭环继电保 上海交通大学硕士学位论文 第 3 页 护测试。测试内容可包括电压电流波形分析、互感器饱和特性分析和复杂的故障操 作模拟等，rtds 精确而丰富的元件模型使得继电保护的闭环测试与实际的电力系 统运行状态非常接近。华东电网和南方电网都建立了自己的 rtds 实验室，国内各 大高校也纷纷引进 rtds，用于继电保护装置的测试，事故后分析等用途。 继电保护装置是一个“ 黑盒子” 。当保护装置不正确动作后，保护自身所能提供 的信息相当有限，这给保护装置的调试以及出现拒动、误动后查找其原因带来了很 大的困难， 现有的手段显然已不能满足要求。 所以本文考虑利用 rtds 的建模工具， 建立完整的基于 rtds 的保护模型，实现保护动作过程的透明化、可视化，使保护 装置由“ 黑盒子” 变成“ 白盒子” 。把保护调试和保护不正确动作后的原因查找工作微 机化、图形化、时序化。并可以和电网保护在线预警结合起来，组成故障信息系统 仿真平台。 1.3 国内外研究现状及存在的问题 跨大区电网互联和电力市场的发展在带来明显经济效益的同时，也对电力系统 安全性提出严峻的挑战。电网安全预警系统的研究成为当前国内外的热点，文献 12- 15提出了电网实时安全预警系统的可行方案，通过“ 分诊” ，从各个侧面跟踪确 定电网的安全级别，通过“ 会诊” ，对安全隐患进行综合性的预警。本文研究的在线 继电保护预警系统是其中的一个“ 分诊” 子系统，通过在线校核和预警性校核，及时 发现继电保护整定值之间配合存在的隐患，实现保护定值的在线预警功能，提高继 电保护设备对电网运行方式的适应性，从而进一步提高了电网的安全、经济、稳定 运行的第一道防线的可靠性。而基于 rtds 的保护仿真模块，可用于测试保护智能 预警系统的正确性，两者是一个有机的结合，本节将分别对这两个模块作简要的介 绍，并对目前研究所面临的问题进行阐述。 上海交通大学硕士学位论文 第 4 页 1.3.1 保护在线安全预警系统的结构及作用 本系统与故障信息系统具有密切的关系，它充分利用故障信息系统所采集和管 理的电网拓扑信息、保护配置信息、保护定值信息以及故障录波信息等信息量，使 之成为新一代故障信息系统中重要的子系统。功能结构关系见图 1- 1。 保护预警系统 scada/ems 电网故障信息系统 保护 配置 保护 定值 故障 录波 实时 模型 图 1- 1 保护预警系统与故障信息系统的关系 figure 1- 1 relationship between online early warning system and fault information system 保护在线安全预警系统由启动、预处理、校核、输出几个模块构成，具体结构 如图 1- 2 所示。 保护整定计算以及离线校核所依据的电网模型是典型的离线模型，往往与实际 系统的情况会有一定程度的差异，所选取的参数多半参照经验数据，与实际电网的 数据会有不少误差。 当电网故障时，电网本身就相当于一个巨型交流计算台，来自现场的故障录波 数据无疑最能反映电网实际的运行方式和系统参数。因此，利用故障录波数据对相 关保护进行校核，可以判断理论整定值是否合理，调整个别不合适的整定值，验证 定值的正确性并且达到性能的最大优化。由于故障录波数据反映了电网当前的运行 方式和系统参数，故这类校核称为在线校核，以区别于基于电网离线模型和离线故 障计算的离线校核。 上海交通大学硕士学位论文 第 5 页 近年来的大停电事故中存在保护连锁不正确动作的现象。为提高系统的安全预 警能力，应在系统当前运行方式的基础上进行“ n- 1” 开断，校核相间距离、过流、 过负荷等后备保护的躲负荷能力，及时发现电网中存在连锁跳闸危险的薄弱环节， 并以可视化方式实时显示保护灵敏度裕度，需要时实施自动报警。 本类校核功能对电网保护提供实时智能预警，提高了电网的安全性，可以发现 由于离线计算考虑运行方式不足而导致的不合理定值问题。 预警性校核也可以离线运行。当以离线方式运行时，提供了对保护整定校核进 行研究和分析的平台。通过简单修改断路器状态，可用于事故预想并评价各种特殊 运行方式对保护的影响。调度员在进行倒闸操作前，可以预先看到目前定值能否适 应倒闸后的运行方式。 传统的离线校核需要考虑多重开断，计算量巨大，因而无法在线应用。而预警 性校核则采用实时跟踪、智能启动模式，因此只需考虑“ n- 1” 开断即可。针对大停 电前的长过程， 实时跟踪事故后运行方式， 大大降低了预想事故集的规模和复杂性， 只需进行“ n- 1” 扫描。这样不但避免了组合数量“ 爆炸” 问题，而且避免了离线分析中 预想事故考虑不够的问题，从而保证了本系统的可行性与实用性。以“ 8.14” 美加大 停电为例，两重开断之间的时间间隔不小于 5 分钟，如使用本系统，在该时间间隔 内足以完成一次保护预警。 1.3.2 保护在线安全预警系统的研究现状及存在的问题 目前国内针对本课题也进行了一系列的研究，文献16,17研究了保护误动对电 网安全的危害，提出在保护系统中增加数字设备、建立一套监控系统的构想；文献 18提出了保护定值在线校核的概念，重点阐述了线路保护选择性的校核方法；文 献19采用面向对象方法建立电网模型，开发了面向地区电网的保护定值智能校验 系统。文献20介绍了清华大学开发的在线继电保护智能预警系统，对保护在线预 警系统的框架，进行了深入的探讨。 但是，笔者认为，目前 220kv以上电网继电保护强调强化主保护，简化后备保 上海交通大学硕士学位论文 第 6 页 输出校核 优化后 的任务 保护配置 保护定值 开关状态 启动原因 预处理启动 校核 启动 计算任务生成 校核任务生成 优化校核 可视化 辅助决策 系统重建 保护信息 启动判据 校核优化的 启发式规则 （范围优化） （原则优化） （计算优化） 校核原则 短路计算 潮流计算 任务分配 并行计算 校核 结果 辅助决策的 启发式规则 优化前 的任务 待校核保护 待校核原则 故障计算任务 潮流计算任务 轮断设备 删除、合 并、排序 后的任务 子系统 功能模块数据流规则、方法数据存储 基于仿真（基于模 型）的保护校核方法 上海交通大学硕士学位论文 第 7 页 图 1- 2 保护在线安全预警系统结构图 figure 1- 2 a typical architecture of the online early warning system of protection 护21， 由上文所引用的资料也可看出，数次大停电过程中，继电保护发生误动的 原因是由于重潮流情况下长线路保护距离 iii 段发生误动引起的，所以，为避免大 电网发生连锁故障，应将研究重点放在高压长线路距离保护 iii 段上，这样，可以 减少计算量，提升计算速度，更能满足在线预警的需要。如对全网所有线路的所有 保护进行在线校核，影响了计算速度，且没有太大的意义。 1.3.3 保护实时仿真系统的结构及作用 非递归滤波器 fir 递归滤波器 iir 差分积分滤波器 dif 数字滤波器 digital filter 相量计算 phasor 阻抗计算 deim 基本测量 bm 对称分量 sc 突变量 fc 测量单元 measurement unit 启动元件 tr 选相元件 ps 通用比较元件 uc 多折线特性 bc 方向元件 de 阻抗比较元件 zc 动作单元 decision unit 数据采样板 dab 模拟系统 analog system 单端测距 fl pt断线 ptdt 振荡闭锁 swdt 1 h 1 & y 1 & y 1 9 0 t 或门 or 与门 and 非门 not 延时 delay merge 信号合并 mux split 信号分解 demux 辅助元件 auxiliaries 图 1- 3 保护实时仿真系统组件库 figure 1- 3 components of real time simulation of protection 保护实时仿真系统的保护组件如上图所示，将保护的各个功能模块化，划分为 不 同 功 能 的 元 件 ， 基 于rtds的 平 台 ， 实 现 保 护 实 时 仿 真 系 统 。 图 1- 4 微机保护核心数据处理过程 figure 1- 4 data processing procedure for protection 图 1- 4 描述了微机保护核心数据处理过程22，从图 1- 3 中选择合适的组件，并 完成各种逻辑处理及时序配合的计算和处理，就可最终实现动作判定。 本文考虑利用 rtds 的建模工具，建立完整的基于 rtds 的保护模型，实现 保护动作过程的透明化、可视化，使保护装置由“ 黑盒子” 变成“ 白盒子” 。把保护调 前置低通采样 保护特征保护动作 保护跳闸 上海交通大学硕士学位论文 第 8 页 试和保护不正确动作后的原因查找工作微机化、图形化、时序化。并可以和电网保 护在线预警结合起来，组成故障信息系统仿真平台。 1.3.4 保护实时仿真系统的研究现状及存在的问题 文献23介绍了一种基于开发平台的继电保护仿真系统，该系统是一种为实现 继电保护的仿真校验所开发的仿真系统，由潮流计算、故障仿真等多个模块组成， 可任意搭建仿真系统模型，通过暂态计算，能进行事故预想、事故反演、定值校验 等测试和校验。 文献24介绍了一种集继电保护和安全自动装置的研究、测试与多媒体教学于 一体的通用仿真分析系统，由建立在以太网基础上的序列控制子系统、事件记录子 系统、实时仿真子系统等组成，可应用于动态模拟试验室进行科学研究。 文献25所介绍的硬件模式微机保护仿真在实现的过程中采用了模块化的编程 思想，把微机保护中共有的选相模块、功率方向模块、距离测量模块和重合闸模块 都分离出来做成基本保护模块，其它的保护模块可以直接调用这些基本保护模块， 从而提高了微机保护仿真的效率。 文献26所介绍的仿真系统对线路的微机保护进行了全过程的硬件模式的仿 真，系统全面地仿真了微机保护中的定值调节、交流量采样、开关量状态、跳闸报 告、压板变位记录及各种故障打印功能等。 文献27所介绍的保护仿真系统应用面向对象的编程技术，采用电网拓扑图形 与后台数据库相结合为基础，所有功能的实现都通过图形界面来触发。系统由图形 界面、参数和定值管理、短路电流计算、开关状态仿真等几部分组成。 但是，这些保护仿真系统存在与目前电力系统研究领域流行的一次系统仿真软 件的接口问题，且难以实现实时仿真计算。而本文所提出的保护实时仿真系统，基 于当前流行的电力系统实时仿真装置 rtds，利用 rtds 详细而丰富的一次系统模 型，快速的计算速度，以及功能强大的二次开发工具，实现保护实时仿真系统，可 以解决上述问题。 上海交通大学硕士学位论文 第 9 页 1.4 全文结构 本文主要围绕保护在线智能预警系统和保护仿真系统展开，主要研究内容及章 节安排如下： 第一章：简要介绍两个系统的研究意义，基本结构，并对其研究现状和存在的 问题进行分析，从而引出本文研究的重点； 第二章：首先介绍了继电保护隐性故障的性质和危害，并提出了考虑继电保护 隐性故障的元件重要度分析方法，然后详细介绍了本文建立的保护在线智能预警系 统，对该系统的实现过程进行了逐一分述； 第三章：基于 rtds 平台，介绍了本文建立的保护实时仿真系统，对系统的各 个子模块进行了详细的说明； 第四章：通过算例来说明保护在线预警系统和保护仿真平台的功能和作用，并 对两个系统进行评测； 第五章：全文总结，对本文的主要研究成果和存在的不足进行了小结。 上海交通大学硕士学位论文 第 10 页 第二章 保护隐性故障及其在线预警 大规模电力系统停电是一个小概率事件，然而当它发生时，对系统的冲击是灾 难性的。因此，对连锁故障（cascading outages）的起源和传播，它们的冲击以及阻 止行为的研究变得越来越重要28。 “美加大停电”使电力系统连锁故障的研究受到重视。连锁故障是系统中某一 元件故障导致一系列其它元件停运，主要原因是保护装置的隐性故障（hidden failures） 。电网连锁故障发生机理是：电网正常运行时每个元件带来一定初始负荷， 当某一个或几个元件因过负荷而导致故障发生时会改变潮流的平衡并引起负荷在 其它节点上的重新分配，将多余负荷转移加载到其它元件上，如果这些原来正常工 作的元件不能处理多余的负荷就会引起新一次的负荷重新分配，从而引发连锁故 障，并最终导致整个电力网络解列，引发大面积停电，给社会带来极大经济损失。 加强保护系统可增强系统可依赖性，但它们不正确动作的概率也可能由于更复杂而 提高。 隐性故障指系统内某事件发生后， 由于配置不当原因造成的保护装置缺陷导致 保护装置误动。它的存在可能导致的直接后果是：在完成一个开关动作后，继电器 或继电器系统可能将电路元件错误或不适当地从系统中移除，文29,30的分析指 出， 继电保护设备的隐性故障引发电网连锁故障或加剧电网连锁故障的发展。 由此， 文31提出了考虑保护隐性故障的电网脆弱性分析方法，但其研究重点是全网连锁 故障脆弱度指标，而不能具体到每条线路的指标。文32建立起基于保护隐性故障 的电网连锁故障风险指标，但无法给出定量识别关键保护的重要度指标。 本节结合以上研究成果，从元件重要度的物理意义出发，提出了基于电力系统 连锁故障风险评估的继电保护隐性故障重要度分析的新方法，以 monte carlo 仿真 为基础初步建立探讨解决上述问题的完整理论。然后详细介绍了防止隐性故障发生 的保护在线安全预警系统，可以通过在线校核和预警性校核，提早发现继电保护装 置的隐性故障。 上海交通大学硕士学位论文 第 11 页 2.1 考虑保护隐性故障的元件重要度分析方法 2.1.1 隐性故障模型 隐性故障是指系统中某个事件发生后，由于保护定值配置不当导致保护装置误 动33。隐性故障在系统正常运行时无法发现，但一旦有触发事件发生(如线路短路)， 将可能引起带有隐性故障的保护设备误动作。 由文28,29分析报告，事故潮流易造成线路相间距离保护三段误动，其隐性故 障概率模型如图 2- 1 所示。纵坐标 pz为相间距离保护三段隐性故障概率；横坐标 z 表示相间距离三段继电器测量阻抗；ziii表示继电器整定值。在故障切除后，电网 拓扑结构发生改变，易造成线路过流保护三段误动，其隐性故障概率模型如图 2- 1 所示。纵坐标 pi表示过流保护三段隐性故障概率；横坐标 i 表示继电器测量电流； iiii为过流三段继电器整定值。 pz pz0 ziii3ziiiz 图 2- 1 距离保护 iii 段的隐性故障特性曲线 figure 2- 1 distance protection failure probability of zone iii pi pi0 0.1iiii iiii i 图 2- 2 过流保护 iii 段的隐性故障特性曲线 figure 2- 2 over- current protection failure probability of zone iii 建立图 2- 1 和图 2- 2 所示的隐性故障模型需首先确定 pz0和 pi0的值。 上海交通大学硕士学位论文 第 12 页 文30提到的输电线保护设备 markov模型共有七种状态，其中状态2 线路正 常，保护误动的情况，即为 pz0和 pi0对应的情况。状态 2 的概率 p2由式(2- 1)求得： 1 2 2 112 () ()() pii pipipiiiii p + = + (2- 1) 其中 i表示保护系统自检率；i 表示保护系统维修率；表示线路维修率；? 表示线路故障率；?p1表示保护误动故障率；?p2表示保护拒动故障率。 本文取 pz0=pi0= p2，则在已知 iii 段整定值的情况下,建立起图 2- 1 和图 2- 2 所示 的保护隐性故障概率模型。 2.1.2 电网连锁故障风险评估 连锁故障是系统中某一元件故障导致一系列其它元件停运的连锁反应，是一种 概率较低但后果严重的事故34。 风险理论31是考虑系统不确定因素，将导致灾害的可能性和这种灾害的严重度 相结合的理论。风险指标计算公式如式(2- 2): r=pevent ievent (2- 2) 式(2- 2)中 r 为风险值；pevent为事故的概率；ievent为事故的后果。本文将线路短路 故障作为系统不确定因素，通过综合线路故障引起电网连锁故障的可能性和连锁故 障的严重度后果，建立电网连锁故障的风险指标。 本文从母线、负荷、电网三个方面定义电力系统连锁故障风险。 假设以第 j 条线路发生短路作为电网连锁故障触发事件，n(j)表示线路 j 作为触 发事件发生短路故障的总次数。 (1) 母线孤立风险 当第 j 条线路发生短路触发电力系统连锁故障，保护设备由于隐性故障连锁跳 闸而最终可能导致母线与电网失去联系，引发母线孤立。第 j 条线路短路引发母线 孤立概率 bipj由式(2- 3)得到： 上海交通大学硕士学位论文 第 13 页 ( ) ( ) j i x i bip n j = (2- 3) 其中 x(i)为第 i 次触发导致母线孤立的可能，若母线孤立则取值为 1，否则为0。 bipj 对应式(2- 2)中的 pevent，而母线孤立的严重度后果 ievent为发生母线孤立后系统的功 率损失。则由于线路 j 短路导致母线孤立的电力系统连锁故障风险指标 rbip(j)由式 (2- 4)得到： ( )1 ( ) ( ) s bip i p i rj sln j = (2- 4) 其中 ps(i)为第 j 条线路第 i 次触发短路导致母线孤立造成的系统负荷功率损失，取 标么值，以系统总容量 sl为基准容量。 (2) 负荷失电风险 当第 j 条线路发生短路触发电力系统连锁故障，保护设备由于隐性故障连锁跳 闸而最终可能导致负荷被切除，引发负荷失电，第 j 条线路短路引发负荷失电概率 lolpj由式(2- 5)得到： ( ) ( ) j i x i lolp n j = (2- 5) 其中 x(i)为第 i 次触发导致负荷失电的可能， 若发生负荷失电则取值为 1， 否则为 0。 lolpj对应式(2- 2)中的 pevent，而负荷失电的严重度后果 ievent为发生负荷失电后系 统的功率损失。则由于线路 j 短路导致负荷失电的电力系统连锁故障风险指标 rlolp(j)由式(2- 6)： ( )1 ( ) ( ) s lolp i p i rj sln j = (2- 6) 其中 ps(i)为第 j 条线路第 i 次触发短路导致负荷失电造成的系统负荷功率损失，取 标么值，以系统总容量 sl为基准容量。 (3) 电力损失期望风险 电力损失期望epl以“ mw” 为单位， 它可以定量地显示连锁故障对系统的冲击， 即计算在无人工处理阻止连锁故障的情况下，故障一直扩展到无新线路被切除时， 上海交通大学硕士学位论文 第 14 页 电力系统总的功率损失。为与母线和负荷的风险值统一，也采用标么值，线路 j 短 路引起电力系统连锁故障造成的总功率损失 neplj由式(2- 7)求得： 1( ) ( ) j i c i nepl sln j = (2- 7) 其中 c(i)表示线路 j 的第 i 次短路触发连锁故障造成系统总的功率损失。由于线路 j 短路导致电力系统连锁故障总功率损失的风险指标 repl(j)即为 neplj的值。 通过母线孤立风险、负荷失电风险和电力损失期望风险的权重系数 wb、wl、 we，综合三个风险指标，得到由于线路 j 发生短路引起的电力系统连锁故障总风险 指标如式(2- 8): rtotal(j)= wb rbip(j)+ wl rlolp(j)+ we repl(j) (2- 8) 2.1.3 元件重要度分析方法 元件重要度分析是系统可靠性分析中的重要手段，其目的是辨识出对系统可靠 运行具有重要影响的关键元件，从而有针对性地、以较低代价提高系统总体可靠性 32- 33。元件重要度表示元件可靠性的改变对系统可靠性影响程度。本文运用元件重 要度思想， 分析单个保护设备的隐性故障对系统连锁故障风险的贡献程度， 由 monte carlo 方法求得。monte carlo 的基本思想为：用落入失效域的样本点数与总投点数 之比值作为失效概率的估计值35。 假设分析对象为线路i的保护设备pro(i)， 则pro(i) 的隐性故障对电网连锁故障风险的重要度指标如下方法求得： (1) 线路 j 作为触发事件发生短路故障 n(j)次， 记录在 n(j)次中导致电网连锁故障而 引起母线孤立的次数 nbip(j)，负荷失电次数 nlolp(j)，电网连锁故障电力损失次数 nepl(j)。并记录下保护设备发生隐性故障的路径。 (2) 找出 pro(i)出现在母线孤立、负荷失电和电力损失路径中的次数 nbip(j)、nlolp(j) 和nepl(j),则pro(i)在线路j短路导致系统连锁故障风险中的贡献wi(j)由式(2- 9)得到： ( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( ) lolpbipepl ibbipllolpeepl biplolpepl njnjnj w jw rjw rjw rj njnjnj =+ (2- 9) 上海交通大学硕士学位论文 第 15 页 (3) 分别以所分析电力系统中各条线路短路做为触发事件，第 j 条线路发生短路故 障的概率 p(j)可由该电网近年来线路发生短路故障的统计资料获得。最终得到本文 定义的保护设备 pro(i)对于电网连锁故障风险重要度指标 wi- total如式(10)： 1 ( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( ) m lolpbipepl i totalbbipllolpeepl j biplolpepl njnjnj ww rjw rjw rjp j njnjnj = =+ (2- 10) 其中 m为所分析电力系统的线路总数。 2.1.4 monte carlo 仿真 仿真流程图如图 2- 3，对仿真做如下几点说明： (1) 假设所有短路故障均为三相短路，这样使计算结果略为保守，但更能触发相邻 线路的隐性故障，快速找到系统最薄弱环节。 (2) 因线路发生短路故障是为了触发隐性故障，所以不考虑本线路保护发生拒动， 启动后备保护的情况，认为每次本线路发生故障保护都可以正确动作切除本线路。 (3) 采用重要性抽样方法加速仿真的计算速度36。 2.1.5 算例分析 本文以 ieee 14 节点系统为例。 由公式 (2- 2)得到各条线路保护的 p2。如表 2- 1 所示。在仿真中假设线路发生 短路的概率与各条线路的长度成正比，即采用轮盘赌的概率求取方法得到 p(j)。 权重因数 wb、wl、we分别取为 0.5，0.2，0.330，利用 monte carlo 仿真和公式 (8) 计算各条线路分别发生短路时电网风险指标，如表 1。由公式(2- 2),在其它参数不变 的前提下，?p1在0.005/年，0.05/年区间变化时，?p1与 p2成线性正比例关系，因此 可考虑降低 ?p1来降低 p2，并最终降低系统风险值的方法，验证重要度评估方法的 正确性。 由表 1 保护重要度计算结果，系统最脆弱的 5 个保护设备为 13、12、19、20、 4 号线路的保护设备。分别降低这 5 个保护设备的误动故障率 ?p1到初始值的 70%， 上海交通大学硕士学位论文 第 16 页 开始 选择一条短路线路 建立故障线路的相邻线路集 故障是否切除? 通过故障计算得到相邻 线路继电器测量阻抗 否 通过潮流计算得到相邻 线路过流继电器测量值 是 由隐性故障模型得到相邻线路故障概率 确定哪条线路的保护由于隐性故障误动 建立新的故障线路相邻线路集 是否有新的线路发生隐性故障误动 记录此次连锁故障及相关的保护动作 是否有三种风险事件发生 记录故 障路径 是 否 是 抽样收敛或达到最大仿真次数 ? 计算风险指标和保护重要度 否 是否遍历所有线路 否 结束 图 2- 3 monte carlo 仿真流程图 figure 2- 3 flowchart for monte carlo simulation 得到系统连锁故障风险指标降低值如图 2- 4 所示。其结果证明了本文的重要度评估 方法的正确性。 分析以上结果可见： a.由公式(2- 2),保护隐性故障概率初始值 p2由保护的特性决定， 由于不同保护设 备的误动率和拒动率等特性不同， p2也不同,如表 1 所示。由隐性故障概率曲线可 以看出，保护发生隐性故障的概率与继电器 iii 段的整定值有关，也与继电器测量 阻抗值有关，测量阻抗与电网拓扑结构与线路的电压等级，线路的长度有关。所以 本文提出的重要度方法初步形成了一套完整的理论，考虑到电网的各个方面； b.从表 1 风险指标计算结果，可以对线路短路引起的风险指标进行排序，找到 上海交通大学硕士学位论文 第 17 页 电网中最大连锁故障风险指标的线路，即 19 号线路； c.如表 1 重要度计算结果，最大重要度值为 12 和 13 号线路保护(最脆弱)，如表 1 所示，12 和 13 号的保护设备隐性故障初始值最大，且 13 号线路与具有最大连锁 故障风险的 19、20 号线路相连。由表 1，7 号线路保护与 11 号线路保护的 p2相等， 7 号线的相邻线路为 5、6、7、8、9、10 号线路，11 号线路的相邻线路为 10、13、 18 号线路，7 号线在电网拓扑中的重要性大于 11 号线，由表 1，7 号线路保护的重 要度值大于 11 号线路。综上，保护设备的重要度由电网的拓扑结构和保护的自身 特性两方面因素决定。 d.通过本文的方法，可找出电网中对于连锁故障最脆弱的保护，由图 2- 4 可知， 改善保护自身特性可降低系统连锁故障的风险，在系统连锁故障风险值超过某个界 限时，应考虑将重要度最高的保护设备更换为高性能保护。 以上分析结论是在本文所做假设的前提下获得的，以用来验证方法的可行性。 表 2- 1 风险指标和保护重要度计算结果 table 2- 1 simulation results of risk assessment and protection importance 线路 起点 终点 p2 rtotal wi- total 1 1 2 0.0182 0.2580 3.5015 2 1 5 0.0282 1.8358 3.4013 3 2 3 0.0382 1.5386 4.7843 4 2 4 0.0482 2.2171 5.3960 5 2 5 0.0582 1.7977 4.9183 6 3 4 0.0682 1.5882 5.2427 7 4 5 0.0782 0.4530 5.2008 8 4 7 0.00182 0.0499 2.9054 9 4 9 0.00282 0.0490 4.3519 10 5 6 0.00382 0.0749 4.1933 11 6 11 0.0782 1.3406 4.7940 12 6 12 0.0882 2.0067 6.4113 13 6 13 0.0982 1.8093 7.7857 14 7