（电力系统及其自动化专业论文）电力系统连锁故障预测研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t s i n c ep o w e rs y s t e mh a sg r a d u a l l yd e v e l o p e di n t oas u p e r - l a r g e - s c a l ec o m p l e xs y s t e m ， p a r t i a lf a i l u r em a ys p r e a dr a p i d l yt ol a r g er e g i o n a lo re v e nt h ee n t i r en e t w o r k ，t h ep o s s i b i l i t y o fal a r g e a r e ab l a c k o u ti si n c r e a s i n g t h ec a s c a d i n gf a i l u r ei sa l li m p o r t a n tf a c t o ro ft h e b l a c k o u t ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t r e n g t h e nt h ef o r c a s ta n da n a l y s i so ft h ec a s c a d i n gf a i l u r e ，t h e n s e a r c ht h ep o t e n t i a ld a n g e r sa n dp r o p o s ea d e q u a t em e a s u r e s i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r p r e v e n t i n gt h eo c c u r r e n c eo fap o w e ro u t a g e ，a n de n s u r i n gt h a tt h ep o w e rs y s t e mo p e r a t e s s e c u r e l ya n de c o n o m i c a l l y t h ec a s c a d i n gf a i l u r ef o r e c a s to fp o w e rs y s t e mi se x p l o r e da n dr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t os t a r tw i m t h em e c h a n i s mo ft h eb l a c k o u ta c c i d e n t sa th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r si s a n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a s c a d i n gf a i l u r ea c c i d e n ta r es u m m a r i z e d o nt h eb a s i s o ft h i s ，n e wr e l i a b i l i t yi n d e xf o rt h ec a s c a d i n gf a i l u r ef o r e c a s ti sp u tf o r w a r d ，t h i si n d e x c o n s i d e r sb o t ht h ep o s s i b i l i t ya n dt h ed i s a s t r o u sd e g r e eo ft h ec a s c a d i n gf a i l u r e ，a n dc a nb e u s e dt of o r e c a s tt h ef o l l o w - u pf a i l u r ew h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e df i r s t l y t h e n ，谢廿lt h e c o m b i n a t i o no ft h ea n a l y t i c a lm e t h o da n dt h eh e u r i s t i c - s e a r c hm e t h o d ，t h ef o r e c a s ta l g o r i t h m a n dd e t a i lp r o c e s si sp r e s e n t e dw h i c hc o n s i d e r st h ef a c t o r ss u c ha st h ep r o t e c t i o n ，s e c u r i t y a u t o m a t i cd e v i c ea c t sa n dt h em a r ko fe n da n ds oo n f u r t h e r m o r e ，t h ef a i l u r ep r e d i c t i o n p r o c e s so ft h ee p r i 一3 6b u ss y s t e mi ss i m u l a t e du s i n gt h ep o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r e p a c k a g e ( p s a s p ) ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e d i no r d e rt oi m p r o v et h es p e e d a n de f f i c i e n c yo ff o r e c a s t ，ap r o j e c ti sb u i l tw i t hv c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g et or e a l i z et h e f u n c t i o no ff r i e n d l yi n t e r a c t i o n , c a l l i n gp s a s pf l o wc a l c u l a t i o nm o d u l ea n dt r a n s i e n ts t a b i l i t y c a l c u l a t i o nm o d u l e ，a sw e l la si n d e xc a l c u l a t i o na n da u t o m a t i cs e a r c h f i n a l l y ，t h ep r o g r a mi s a p p l i e dt os i m u l a t ean u m b e ro fp r e d i c t i o ne x a m p l e su n d e rd i f f e r e n tr u n n i n gs t a t u s ，s o m eo f t h ef e a t u r e so ft h ec a s c a d i n gf a i l u r ea r ec o n c l u d e d ，t h ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n ti n - d e p t h s t u d yi sl a i d k e y w o r d ：p o w e rs y s t e m ，c a s c a d i n gf a i l u r e sf o r e c a s t ，r e l i a b i l i t yi n d e x ，h e u r i s t i cs e a r c h m e t h o d i i 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特，l i j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者答名 一一趁堕茸 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名叠童盘芊二 硕士论文 电力系统连锁故障预测研究 1 绪论 1 1 选题背景和意义 随着我国经济的不断发展，电力系统正逐渐发展成为超大规模的复杂系统，具有容 量上规模巨大、空间上分布广阔、扰动传播范围大等特点。目前我国国家能源工业建设 的基本战略就是大力开发西部水、火电能源，西电东送。原国家电力总公司根据国家能 源发展计划，制定了我国电网今后发展的总方针：“西电东送、南北互供、全国联网”。 2 0 0 5 年以来，由云、贵、川和桂等省向东部地区输送电力已达至t 1 0 0 0 万千瓦以上，输电 线路超过2 0 回，距离上千公里，如此远距离大功率的输电断面在国际上尚无先例【l 圳。 电力系统的飞速发展给其稳定运行和控制带来了严峻挑战，电网这种能将电能输送 到数百、上千公里以外的能力同样导致了局部故障可以迅速传播到大区域甚至整个网 络，发生大面积停电的可能性也愈见突出，因此超大规模复杂电力系统的安全稳定运行 已成为全世界关注和研究的问题。 总体而言，导致系统大停电的因素包括：功角稳定破坏，系统失步；过负荷连锁反 应；电压崩溃和频率崩溃。近年来，国内外电力系统曾发生多次大规模连锁性故障导致 的停电事故。1 9 9 6 年7 8 月，美国西部接连发生了两次大停电事故 4 1 ，切断了西部1 1 个 州超过4 0 0 万人口的电力供应。2 0 0 3 年8 月，美加电网的大面积停电事故波及5 0 0 0 多万人 口的供电范围，引发了美国历史上规模最大的停电事故诊。7 】。此外，2 0 0 3 年夏秋还相继 发生了英国伦敦大停电、瑞典丹麦大停电、意大利全国大停电等多起重大事故【6 j 。国 内有1 9 9 0 年广东电网大停电事故，以及1 9 9 9 年台湾省大停电事故等。这些停电事故往往 就是从系统中某一元件的故障开始，继而引发系列元件故障，这种连锁性故障的迅速传 播最终导致了电网的大面积崩溃。可见，连锁反应故障是导致大停电的重要因素。因此， 国内外学者对电网连锁故障的关注程度越来越高，也进行了有益的理论探索，所以对其 进行更深入广泛的研究和探讨已成为当务之急。 随着电网的大规模互联成为电力系统发展的必然趋势，若发生电力系统连锁事故， 其规模和造成的损失可能大幅度增加。因此，需要加强连锁故障的预测分析，快速寻找 潜在危险并提出应对措施，这对防止大停电事故的发生、保证电力系统安全经济地运行 具有重要意义。 1 2 电力系统连锁故障原理及模式概述 1 2 1 连锁故障发生原理 连锁故障是由于系统中某一元件故障导致一系列其他元件停运的连锁反应，是一种 l 1 绪论 硕士论文 发生概率较低但后果严重的事故。 连锁故障的成因比较复杂，简单描述其发生原理：电网正常运行时每个元件都带有 一定的初始负荷；当某一个或几个元件因某种原因发生故障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，将多余的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，从而引发连锁的过 负荷故障，并最终导致网络的大面积瘫痪和大规模停电事故的发生【3 】。 1 2 2 大停电事故发展模式小结 文献【2 】指出连锁性故障是导致电力系统灾变发生的主要原因，其发生发展的一般规 律为： 1 ) 事故发生前，电网往往运行在不正常运行状态( 如：部分元件检修停运，冬夏季 节负荷高峰等) ； 2 ) 事故发生的直接原因可能是系统中一个或几个元件发生故障( 如：导线对树放电、 导线间放电、互感器爆炸、铁塔倾倒等) ； 3 ) 事故的扩大过程：由保护将故障切除，在故障切除后运行状态转移过程中，部 分输电元件过载或保护误动( 多是由不正确整定造成的) ，后备保护或过载保护切除了过 载的输电元件，而减载自动装置动作过慢，全网的自动装置动作无协调，造成连锁过载， 连锁过载被切除后造成输电通道转移以及引起系统不稳定，而输电网络被大面积无序解 列后，低周波、低电压、高周波等自动装置分散动作，使系统崩溃。 1 3 连锁故障预测方法综述 电力系统连锁故障可能导致大规模停电事故并造成严重后果。由于电网的故障模式 较多，故障参数( 包括各种连续参数和离散变量) 形式各异，且搜索连锁故障需要模拟保 护动作性能和紧急控制措施，因此连锁故障模式的搜索即连锁故障的预测和后果分析十 分困斛7 】。为解决该难题，研究人员通过模式搜索、抽象、简化、降阶、统计等各种方 法建立了多种模型来分析电力系统连锁故障的机理和行为特点，并取得了许多成果。目 前，研究电力系统连锁故障预测的方法主要有模式搜索法和模型分析法等【6 1 。 1 3 1 模式搜索法 模式搜索法通过解析法、随机模拟、状态空间等方法对电网进行故障仿真计算，搜 索出导致电网连锁故障的故障模式。解析法基于确定性判据，如n l ( 或n k ) 判据，它便 于理解和实现，但不便于处理连续参数和不确定因素。为避免盲目的开断选择，一个解 决方法就是采用启发式搜索方法，如文献【8 】提出t t i c c u t t i n g 和q r e d u c t i o n 指标，并根据 该指标分别进行线路和发电机开断的选择，通过仿真计算快速寻找导致电压失稳的连锁 故障模式。文献 6 】也提出寻找启发式判据可以大大减少搜索空间，提高搜索速度，所以 2 硕士论文电力系统连锁故障预测研究 如何建立有效的启发式判据是一个值得研究的课题。 随机模拟法基于蒙特卡罗概率抽样算法【9 1 2 】，如果模拟时间足够长，可以搜索所有 故障模式。如r i o s ，k i r s c h e n 等人用该法对电力系统进行仿真，仿真过程中计及了输电 线路连锁过载效应、保护的误动作、暂态不稳定发生的概率等【1 2 】。随机模拟方法存在的 问题是：对基于时间序列的连锁故障，特别是长时间的保护动作特性模拟不够；风险指 标多以概率期望值表示，不易理解；计算时间太长，不适合在线应用r 7 1 。 综合解析法和随机模拟法的优点，文献【7 】提出了两者结合的方法( 即混合筛选法) 来 确定故障模式，根据扰动过程交替进行稳定计算和潮流计算，快速自动筛选出后果严重 且较易发生的连锁故障模式。 由于导致重大事故的连锁性故障是小概率事件，文献 1 3 】指出，通过蒙特卡罗随机 模拟算法进行随机模拟并不能有效地进行分析，该文提出了状态空间分析和网络分析相 结合的方法进行连锁故障的分析。 1 3 2 模型分析法 模型分析法将网络看作包含大量个体及个体之间相互作用的系统，在实际和理想电 网模型上讨论网络稳定性和脆弱性、扰动传播与控制等多方面问题，进而提出连锁故障 数学模型及其相关的分析计算【1 4 1 6 】。目前常见的连锁故障模型主要分为两大类： 1 ) 基于人工电力系统的连锁故障模型，主要包括：o p a 模型、c a s c a d e 模型0 分 支过程模型和隐性故障模型等。 2 ) 基于复杂网络理论的连锁故障模型，主要包括：小世界模型、w a t t s 构造模型、 h o l m e 和k i m 的相隔中心模型、m o t t e r 与l a i 模型、c r u c i t t i 和l a t o r a 的有效性能模型等。 1 4 国内外研究现状和发展趋势 1 4 1 连锁故障领域研究项目 电网的连锁故障问题与电力系统安全性密切相关，已开始得到各国政府和学者的普 遍重视。在美国，由美国国防部和美国电力研究协会( e p r i ) 联合资助完成了复杂交互网 络系统创新( c o m p l e xi n t e r a c t i v en e t w o r k s s y s t e mi n i t i a t i v e ) 项目，提出了以全局广域相 量测量和分析为基础的实时智能控制系统，即电力系统战略防御系统( s t r a t e g i cp o w e r i n f r a s t r u c t u r ed e f e n s e ，s p i d ) ，以防范连锁故障导致的全局灾难性大停电事故。美国能源 部和国家科学基金资助c e r t s ( c o n s o r t i u mf o re l e c t r i cr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g ys o l u t i o n s ) 项目，应用复杂系统相关理论并结合电力系统特点对输电系统的大范围停电和连锁故障 进行研究p j 。 在我国，电力系统灾变防治与经济运行重大科学问题的研究项目位列国家重大基础 研究计划首批l o 个重大项目之中。2 0 0 4 年批准的国家重大基础研究项目提高大型互联 3 1 绪论 硕士论文 电网运行可靠性的基础研究和国家自然科学基金重大项目电力系统广域安全防御基 础理论及关键技术研究也将对电网的连锁故障机理进行系统而深入的研究。 1 4 2 连锁故障领域研究学者 针对电力系统连锁故障已有学者开展了一些研究工作，美国学者d o b s o n 、c a r r e r a s 、 t h o r p 等专家应用复杂系统理论的成果研究大停电事故的发生机理，提出了描述大停电 发生的o p a 模型、h i d d e nf a i l u r e 模型、c a s c a d e 模型和h o t ( h i g h l yo p t i m i z e dt o l e r a n c e ) 模型。这些模型的提出为深入分析电力系统连锁反应事故和大停电机理奠定了基础。运 用这些模型可以获得大停电概率与大停电影响程度的函数关系。最近对美国电网大停电 事故进行的研究初步表明，大停电的规模与频率之间满足幂律( p o w e rl a w ) 关系，这种关 系被认为是自组织临界特性的数学表征【1 7 。1 引。 国内学者也对连锁故障的预防控制进行了相关探讨。浙江大学的韩祯祥以及曹一家 教授针对电力系统的安全性及防治措施【1 9 2 l 】进行了深入的研究，对加强电力系统的安全 性，防治大停电事故提出了一些措施，以及今后在该领域研究中应采用的方法和研究方 向提出了真知灼见。华北电力大学电力系统保护与动态安全监控重点实验室的艾欣教授 以及博士研究生邓慧琼等学者也在电力系统安全防御、连锁故障方面作了很多研究，并 取到了许多研究成果。例如提出了电网连锁故障的分析方法【2 2 】、电网连锁故障的模式搜 索方法【2 3 】以及连锁故障防治策略【2 4 】等。另外西安交通大学的张保会教授针对电力系统的 安全性进行了研究，并发表了多篇论文，提出拓展原安全稳定实时控制的三道防线为四 道防线，并指出了今后发展各道防线应致力研究的基本理论和核心技术问题1 2 弛6 1 。 1 4 3 研究方向及发展趋势 要实现对电力系统连锁故障的有效防治，准确地把握连锁故障发生和发展的原理是 基础，在此基础上还需要对电力系统连锁故障的发展过程有一个比较准确的预测。但是 由于现代电网结构及其动态过程的复杂性，要做到这些是非常困难的。从目前国内外的 研究成果来看，模拟物理过程的模式搜索法和评估方法对电力系统连锁故障发展过程以 及可能发生的连锁故障进行了有益的探索：复杂系统理论方法对连锁故障的宏观机理从 时空关联的角度进行了初步的解释；复杂网络方法对电力系统可能发生连锁故障的结构 脆弱性进行了探讨。但是这些方法离实用化还有一定的距离。就我国而言，对连锁故障 的研究目前还属于刚刚开始的阶段。 文献【2 7 】指出可从以下几个方面考虑连锁故障将来的研究方向。 1 ) 从还原论的角度，进一步研究复杂场景下的电网连锁故障的表现及分析方法。 目前模拟连锁故障物理过程的研究成果大多只考虑了电网在经受初始扰动后的潮流转 移过程中继电保护的动作行为。实际上，在这个过程中，系统的安全自动装置也有可能 动作，这是更为一般的连锁故障场景。无疑，若考虑到不确定性因素的存在，对这种场 4 硕士论文电力系统连锁故障预测研究 景的分析将是极为困难的，但是这种场景才更具有普遍性，才更符合实际的情况。文献 【1 8 1 9 】提出的“相继开断 的概念是一个很有指导价值的概念，即从相继开断的角度， 在分析一个预想事件的同时考虑并预测这一预想事件可能引起的下一次支路开断。或者 只研究本次支路开断后可能的下一次支路开断并提出控制措施。 2 ) 从宏观的角度，进一步运用复杂系统理论来解释因连锁故障引发的大停电的发 生机理并指导电力系统连锁故障的分析及控制策略。复杂系统理论方法是在忽略系统动 态的细节场景上求得对系统总体行为的把握，这和还原论方法存在很大的差异，但是二 者之间是不应该对立起来的，否则，复杂系统理论方法难以获得系统整体动态行为的真 实描述，也难以指导连锁故障的实际防治策略。尽可能地利用样本数据( 如文献【2 0 】所提 出的方法及其对北美8 1 4 大停电崩溃点的预测) 可能是一个富有启发的研究思路。 3 ) 复杂网络理论分析方法和模拟物理过程方法相结合。复杂网络理论重在研究系 统结构的脆弱性，这个研究视角对电网的规划设计有很重要的现实意义。但是目前的复 杂网络理论方法对于实际系统在受到扰动情况下物理过程的考虑比较简单，这和复杂系 统理论方法有些相似，但是和复杂系统理论方法又不同，由于系统的规划设计完全是在 离线的场景下进行的，对于计算资源的要求并不苛刻，将模拟物理过程的方法和复杂网 络理论进行更加紧密的结合以求得更加准确的系统结构脆弱性分析是可能的，并且其指 导作用才更具有现实意义。 1 5 ：论文主要工作 。 从还原论的角度，考虑电网在经受故障扰动后的潮流转移过程中继电保护以及安全 自动装置的动作行为，研究复杂场景下的电力系统连锁故障的表现和预测方法。并从相 继开断的角度，引入启发式搜索方法，实现快速预测本次支路开断后可能的下一次支路 开断，从而搜索得到连锁故障发展模式。论文的主要工作如下： 1 ) 以电力系统稳定理论深入分析大停电事故发展模式，研究连锁故障发生原理； 2 ) 进行连锁故障预测方法研究，提出结合可能性和灾难性预测的故障线路预测指 标。结合解析法和启发式搜索方法，给出连锁故障预测算法及其详细流程； 3 ) 应用电力系统分析综合程序( p s a s p ) 软件，选用算例实现连锁故障预测算法； 4 ) 按照电力系统连锁故障预测算法，采用v c + + 语言编写程序实现人机界面、指标 计算和自动预测等功能，并验证程序的可用性。 5 2 电力系统连锁故障事故分析 硕士论文 2 电力系统连锁故障事故分析 发展大规模互联电网有着许多优越之处，例如可以更合理地利用能源提高经济效 益；可以采用大机组以降低造价和燃料消耗，加快建设速度：在正常及事故情况下可以 互相调剂，互相支援，减少事故和检修备用容量，提高安全水平。大电力系统还可以利 用地区时差，取得错峰效益；在水火电之间进行调节，以及在某些情况下进行跨流域调 节。 但是大规模互联电网对可靠性的要求更高，对运行技术和管理水平要求也更高更严 格。小电力系统发生事故造成的停电是局部的、有限的，而大电力系统发生事故，特别 是发生稳定破坏和不可控的恶性连锁故障时，停电波及的范围大，停电时间长，后果严 重。当电网结构薄弱、管理不善而又缺乏必要的技术措施时，某些单一设备故障就可能 发展成为全面的大面积停电事故。 研究电力系统连锁故障的预测首先要针对近期国内外发生的一系列连锁故障引起 的大面积停电事故进行分析，并总结事故发生的特点以及事故发展的模式。 2 1 电力系统连锁故障事故案例分析 2 1 1 意大利电力系统2 0 0 3 年9 月2 8 日大停电事故【2 8 - 2 9 2 0 0 3 年9 月2 8 日当地时间凌晨3 ：3 0 左右，意大利发生全国大停电，停电容量达 2 7 7 0 2 m w ，停电时间更是长达2 0 小时。 1 ) 事故前概况 意大利为长形半岛，其电网是一个大的受端系统，在北部通过9 条3 8 0 k v 线路和6 条 2 2 0 k v 线路从欧洲电网u c t e ( 包括瑞士、法国、斯洛文尼亚、奥地利等国) 受电。近年来 由于电力市场的运行，瑞士电网的潮流模式比设计电网时的潮流模式有较大变化，因此 瑞士电网和调度中心经过小规模改造，电网安全裕度有所增加，但仍然接近安全极限。 事故前，意大利欧洲输电断面负荷水平接近u c t e 标准( n 1 准则) 的安全极限。当时计划 意大利进口电力约6 4 0 0 m w ，调度的偏差又增加了2 0 0 - 3 0 0 m w 。 2 ) 事故过程 ( 1 ) 线路连锁跳闸以及功角稳定破坏。 当i 三1 0 3 ：0 1 ：4 2 ，瑞d ：3 8 0 k v 线路m e t t l e n - l a v o r g o 重载下垂，发生接地故障，线路跳闸 约2 0 m i n 后 约s m i n 后 并且重合失败 专 意大利减负荷3 0 0 m w 一瑞士3 8 0 k v 线路s i l s s o a z z a 潮流超过长 4 s 后 期热极限值，下垂发生接地故障，线路跳闸专瑞士2 2 0 k v 线路a i r o l o m e t t l e n 过负荷跳闸 6 硕士论文电力系统连锁故障预测研究 一奥地利断开2 2 0 k v 联络线线路l i e i l z ( 奥地利) s o v e r z e n e ( 意大利) 专意大利与欧洲 u t c e 失步，其他联络线均断开，意大利电网与欧洲电网解列。 ( 2 ) 解列后电网情况。 意大利与u c t e 电网解列后，虽然对u c t e 主网影响不大，但也使主网进入危机状态。 由于突然多余原输送至意大利的容量，频率上升至5 0 2 5 h z ，稳定于5 0 2 0 h z 。个别发电 机组在未协调状态由高频率或低电压而切机。 意大利电网的后果则非常严重。在解列前的最后几秒钟，意大利电网与u c t e 主网 的动态相互作用导致电网快速电压崩溃( 经全欧u c t e 的动态模拟试验验证) 。电压下降严 重影响发电机组的运行。在达到4 7 5 h z 的频率阈值前，5 0 台中有2 1 台大型热力机组跳闸。 这样，意大利系统失去进口的电力，又大批机组跳闸，使功率缺额大增。虽然自动减负 荷断开约1 0 0 0 0 m w 负荷，在孤岛运行2 m i n 3 0 s 后，意大利全国停电。 2 1 2 美国力口拿大电力系统2 0 0 3 年8 月1 4 日大停电事故 2 8 , 3 0 - 3 1 】 美国力口拿大2 0 0 3 年8 月1 4 日大停电是历史上最严重的停电事故。2 6 3 个电厂的5 3 1 台 机组停运，损失负荷6 1 8 0 0 m w ，停电时间长达2 9 d , 时。 1 ) 事故前系统概况 2 0 0 3 年8 月1 4 日当日天气较热，输送至美国东北地区和加拿大安大略省功率较大， 但未超出输送极限，不算异常。电压较紧张，但还处于极限范围内。频率属于夏日的典 型频率。在第一能源( f i r s te n e r g y ) ( 美国北部俄亥俄州调度中心，简称f e ) 控制区域，尽 管某些主力机组和线路停运，系统稳定运行并能基本满足n 1 准则要求。 2 ) 事故过程 ( 1 ) 当日1 3 ：3 1 ：3 4 e d t ，俄亥俄北部e a s t l a k e 电厂5 号机( 5 9 7 m 跳闸。1 4 ：0 2 e d t ， 3 4 5 k v 线路s t u a r t a t l a n t a 因接地故障而跳闸。 ( 2 ) 1 5 ：0 5 e d t 至1 5 ：4 1 e d t ，3 条输电给俄亥俄北部的3 4 5 k v 重要线路过载并跳闸。 ( 3 ) 1 5 ：3 9 e d t 至1 6 ：0 8 e d t ，克利夫兰地区的3 4 5 k v 主干线路跳闸，致使供电给克利 夫兰和亚冈的1 3 8 k v 系统过载并且电压降低。1 6 条1 3 8 k v 线路先后跳闸，亚冈地区大批 电压敏感设备跳开，损失6 0 0 m w 负荷。 1 5 ：4 5 ：3 3 e d t ，距离三段感受低阻抗，c a n t o nc e n t r a l t i d d3 4 5 k v 线路跳闸； 1 6 ：0 5 ：5 7 e d t ，s a m m i s s t a r3 4 5 k v 线路跳闸。此时，从俄亥俄东南至俄亥俄北部的 3 4 5 l ( v 完全断开，只留下三条路径输电至俄亥俄西部。 ( 4 ) 1 6 ：0 8 e d t 至1 6 ：1 0 e d t ，在1 6 ：0 8 ：5 9 ，g a l i o n o h i oc e n t r a l m u s k i n g u m3 4 5 k v 线路 接地故障跳闸。1 6 ：0 9 ：0 6 e d t ，e a s tl i m a - f o s t o r i a3 4 5 k v 线路跳闸，引起从宾夕法尼亚和 纽约通过安大略至密歇根的系统振荡。1 6 ：0 9 ：0 8 e d t 至1 6 ：1 0 ：2 7 e d t ，一些机组跳闸，总 共损失容量9 3 7 m w 。 7 2 电力系统连锁故障事故分析 硕士论文 ( 5 ) 1 6 ：1 0 ：3 6 e d t ，横跨密歇根与俄亥俄北部的3 4 5 k v 线路跳闸，导致从密歇根中南 部至底特律地区的西至东输电路径中断。 1 6 ：1 0 ：3 8 e d t ，h a m p t o n - p o m i a c 和t h e t f o r d j e w e l l 两条3 4 5 k v 线路先后跳闸，密歇根 东部与西部高压电网完全解列。 1 6 ：1 0 ：3 8 6 e d t ，联系伊利湖东南与俄亥俄北部的最后一条3 4 5 k v 线路e r i e w e s t a s h t a b u l a - p e r r y 因继电器3 段跳闸。 至此，密歇根东部和俄亥俄北部负荷中心仅能通过安大略至密歇根的系统断面受 电，通过断面负荷由3 0 0 m w 左右形成冲击峰值达3 7 0 0 m w 。此时克利夫兰地区的频率降 低很快，该地区低频切负荷启动切除1 7 5 0 m w ，仍不能使发电与负荷平衡。电力通过宾 夕法尼亚经纽约和安大略的巨大回路进入密歇根供给底特律和克利夫兰的负荷。潮流的 巨大突变导致宾夕法尼亚纽约输电断面的线路电压剧降和电流猛增。底特律很快失去 同步并全停。 1 6 ：1 0 ：3 9 e d t 至1 6 ：1 0 ：4 6 e d t ，俄亥俄北部和密歇根东部状态进一步恶化，大批输电 线路断开及大批发电机组停运。 ( 6 ) 1 6 ：1 0 ：3 9 e d t ，由于密歇根对安大略和对纽约及p j m 的功率振荡，c i t y w a t e r c u r e 和c i t y s t o l l e 两条长线因继电器l 段动作断开。 1 6 ：1 0 ：4 4 e d t ，s o u t hr i p l e y 至e r i ee a s t 及d u n k i r k 的两条2 3 0 k v 线路和e a s t t o w a n d a - h i l l s i d e2 3 0 k v 线路断开，将宾夕法尼亚与纽约解列。 16 ：10 ：4 5 e d t ，b r a n c h b u r g r a m a p o5 0 0 k v 线路由于高速振荡进入保护l 段或直接远 方跳闸，断开新泽西与纽约的最后一条主要输电路径。 ( 7 ) 己解列的东部互联网北部，在其内部又进行了分解： 1 6 ：1 0 ：4 6 e d t 至1 6 ：1 0 ：5 4 e d t ，纽约新英格兰输电线路断开； 1 6 ：1 0 ：4 9 e d t ，纽约输电网分解为东部及西部； 1 6 ：1 0 ：5 0 e d t ，安大略系统的尼亚加拉瀑布西部和圣劳伦斯西部与纽约西部孤岛解 列； 16 ：11 ：2 2 e d t ，康涅狄克西南部与纽约城解列； 1 6 ：11 ：5 7 e d t ，安大略与密歇根东部的其他输电线断开； 1 6 ：1 3 e d t ，连锁跳闸基本结束。 2 1 3 美国西部电力系统1 9 9 6 年8 月l o 日大停电事故【2 8 ，3 妁3 1 美国w s c c 系统1 9 9 6 年8 月1 0 日因线路触树跳闸引起连锁过负荷跳闸，最终导致7 5 0 万用户受停电影响长达5 小时，停电容量达2 8 0 0 0 m w 。 1 ) 事故前系统概况 ( 1 ) 事故前输电线路负荷较大。事故发生当天下午，从加拿大南部开始通过华盛顿 和俄勒冈地区到达加利福尼亚地区的5 0 0 k v 州际输电线负荷很大，原因是w s c c 部分地 r 硕士论文电力系统连锁故障预测研究 区因高温造成相对较高的负荷。 ( 2 ) 事故前设备停运。事故前，在太平洋标准时间1 4 ：0 1 至1 4 ：5 6 ，波特兰地区的三回 5 0 0 k v 轻载线路先后强迫停运，失去了这些5 0 0 k v 线路对输电系统的无功支持。 因改造停运了k e e l e r 变电站的一个5 0 0 k v 断路器和5 0 0 2 3 0 k v 变压器。变压器2 3 0 k v 侧装设的s v c 对该地区5 0 0 k v 系统电压的无功供应减少。 2 ) 事故过程 ( 1 ) 1 5 ：4 2 ：3 7 ，k e e l e r - a l l s t o n5 0 0 k v 线路重载对树闪络；由于k e e l e r 变电站的 5 0 0 2 3 0 k v 变压器停运，迫使p e a l k e e l e r5 0 0 k v 线路停运。至此，5 条5 0 0 k v 线路停运， 使系统损失数百兆乏的无功支持。 ( 2 ) p o r t l a n d 地区的2 3 0 k v 和115 k v 的并行线路过载；h a r t f o r d 变电站5 0 0 k v 侧电压从 5 2 7 k v 降至5 0 6 k v 。 ( 3 ) r o s s - l e x i n g t o n2 3 0 k v 线路以及a l l s t o n 至t r o j a n 的2 3 0 k v 线路均过负荷警报。 m c n a r y 电厂的无功输出增至最大允许水平以支撑电压，并维持接近5 m i n 。 ( 4 ) 1 5 ：4 7 ：3 6 ，r o s s l e x i n g t o n 线路过载对树闪络，失去s w i f t 电厂的2 0 7 m w 功率，系 统电压进一步下降，功率转移至和k e e l e r - a l l s t o n5 0 0 k v 并行的其他线路上。 ( 5 ) 1 5 ：4 7 ：3 7 ，m c n a r y 电厂机组开始跳闸，功率和电压增幅振荡，电压崩溃； 1 5 ：4 8 ：5 2 ，三回加利福尼亚到俄勒冈的5 0 0 k v 联络线因过电压保护动作跳开。 j ( 6 ) 太平洋直流联络线p d c i 因对交流电压响应开始摇摆，由运行人员降低功率停 运。蔫 ( 7 ) 原在加利福尼亚至俄勒冈的联络线上送入北加利福尼亚的部分电力涌向东去再 往南，这一走廊里的大量线路接连跳闸。 ( 8 ) 其后北加利福尼亚因失步状态和低电压与南部解列，a l b e r t a 也形成分离的孤岛， 在低频情况下圣弗朗西斯科也自动与北加利福尼亚孤岛解列。 2 1 4 中国台湾电力系统1 9 9 9 年7 月2 9 日大停电事故 2 8 , 3 4 台湾此次大停电事故，是因兴达火电厂母线保护在故障时暂态电流越限误动，而导 致事故扩大，发展成频率崩溃事故。这次事故损失巨大，事故恢复时间长，仅从损失的 电量看，己超过美国2 次大停电事故。 1 ) 事故前系统概况 台湾的电力系统分为北、中、南三片，以2 路3 4 5 k v 同杆双回线相连。北部负荷占总 负荷的4 5 ，供电能力只占2 6 ，大功率南电北送。系统频率为6 0 h z 。 2 ) 事故过程 ( 1 ) 7 户j 2 9 1 了2 3 ：3 0 ，山体滑坡使铁塔倾倒，龙崎至嘉民3 4 5 k v 同杆双回线跳闸，保护 正确跳开双回线。 ( 2 ) 兴达火电厂母线保护因故障时暂态电流越限误动，断开母线分段断路器，使兴 9 2 电力系统连锁故障事故分析硕士论文 达电厂分为两部分。其中一部分，约2 0 0 0 m w 功率经南部环网迂回2 6 0 k m ，向中北部送 电。 ( 3 ) 因潮流大幅度转移和远距离迂回，系统稳定破坏。南部至中部的其余2 回3 4 5 k v 同杆双回线功率大幅度振荡，该线路距离保护动作跳闸，南部与中部解列。 ( 4 ) 中北部因大量功率缺额，频率迅速下降，低频减负荷切除1 2 0 0 m w 负荷，仍未 能阻止频率下降。 ( 5 ) 系统频率在3 s 内急降至5 7 吨，以致各发电机短时间内相继跳闸，中北部全停。 ( 6 ) 南部系统频率突升至6 2 0 2 h z ，该地区火电及核电机组因高频跳闸，电力供需趋 于平衡后，南部系统供电恢复正常。 2 1 5 广东电网1 9 9 0 年9 月2 0 日大停电事故 2 8 , 3 5 】 1 9 9 0 年9 月2 0 日，广东电网发生一次大面积严重停电事故。事故使广州、佛山、清 远、肇庆、韶关5 个市部分或全部停电，少供负荷8 0 0 m w ，少送电量1 7 7 1 万m w h ，给工 农业生产、社会生活造成严重损失。 1 ) 事故前系统概况 事故前，系统2 2 0 k v 线路无检修，除茂名电厂4 号机、韶关电厂1 、2 、8 号机、南水l 号机、潭岭电厂1 号机共3 6 0 m w 机组检修外，新丰江水电厂1 、2 号机、长湖水电厂l 号 机共1 8 万m w 备用，其余水火电机组全部运行，香港中华电力公司向省网送电2 6 0 m w ， 统配负荷31 0 0 m w 。 2 ) 事故过程 ( 1 ) 2 2 0 k v 芳顺线遭雷击，a c 两相短路接地； ( 2 ) 芳顺线芳村变电站侧线路保护拒动，黄埔a 厂2 2 0 k v 黄芳甲、乙线保护拒动， 2 2 0 k v 瑞芳线瑞宝变电站侧保护拒动，红山i i 线红星变电站侧方向高频保护误动等一系 列的线路继电保护拒动或误动，造成3 个2 2 0 k v 变电站和1 3 条2 2 0 k v 线路停电，黄埔发电 厂4 台机与系统解列。 ( 3 ) 15 m i n 后另一条2 2 0 k v 棠郭线因过负荷对跨越的1 0 k v 线路放电而跳闸，造成北部 电网与主网解列。 ( 4 ) 北网解列后发电功率缺额大，按频率降低自动减负荷部分未动作，更加上调度 处理失误，导致北网崩溃。 2 2 电力系统连锁故障事故特点 2 2 1 导致系统大停电事故的因素 文献【2 8 】通过对大量事例的分析得出，导致大停电事故不会是某个简单事件，因为 电力系统一般都配备有适当的保护和控制措施，可以保证在适度可信事件下的安全性， 1 0 硕士论文电力系统连锁故障预测研究 不致演化为大面积停电。大停电往往是一系列事件和诸多偶然因素的综合发展结果。进 一步总结了导致系统大停电的四个主要因素：功角稳定破坏、系统失步；过负荷连 锁反应；电压崩溃；频率崩溃。 这几个因素一般不是孤立作用的，实际上导致系统大停电往往是各种因素相互作用 的相继的、综合的效果。本文研究的就是由过负荷连锁反应起主导作用，引发其他因素 出现，从而导致大停电事故的发展过程及其预测。 2 2 2 电力系统连锁故障事故的发展过程 电力系统连锁故障事故一般不是由一个简单故障所形成，而往往是一连串偶然事件 相继发生的结果。这个演化过程与事故类型、运行方式、电网结构等多种因素相关，过 程千变万化。但也可寻找出一些基本规律： 1 ) 发生事故的系统本身存在电网结构不合理、线路走廊维护不利、稳定标准过高 等问题。 2 ) 事故发生前电网往往运行在不正常运行状态，如负荷高峰期间接近运行极限、 部分元件检修停运、天气情况恶劣等。 3 ) 事故发生的直接原因多是系统中一个或多个元件发生故障，如导线对树放电、 导线间放电引起短路故障等。 4 ) 事故的演化过程： ( 1 ) 继电保护动作切除故障后潮流转移，引起其他线路过载，保护切除过载元件后， 又导致连锁过负荷和切线路； ( 2 ) 在此过程中，由于整定值不合理或者相互间动作不协调，导致保护装置、安全 自动装置误动或拒动； ( 3 ) 人为操作失误或者调度失误； 致使系统一步步走向电压或频率的崩溃、系统解列，最终导致大面积停电。从阶段 上分，由偶然故障引发相继开断，并演化为大停电的过程，可以分为缓慢的相继事件、 快速的相继故障开断、振荡、崩溃和漫长的恢复阶段。 2 3 本章小结 本章主要列举了近期国内外电力系统连锁故障事故的案例，详细分析了它们的发展 过程。进一步总结了导致这类事故发生的主要因素以及其发生、演化过程的一般规律和 特点，为电力系统连锁故障的预测提供了事实依据。 3 用于电力系统连锁故障预测的可靠性指标 硕士论文 3 用于电力系统连锁故障预测的可靠性指标 电力系统互联将提高各子系统的可靠性水平，并带来额外的经济效益，因此大规模 系统互联是我国电力系统发展的必然趋势。但随着系统互联规模的不断扩大，系统运行 和调度情况变的越来越复杂，一旦发生某一元件故障，导致一系列其它元件停运，则可 能发生连锁故障，最终导致系统崩溃。电力系统连锁故障虽然发生的概率不大，但其危 害极大，所以必须深入研究电力系统的可靠性，防止连锁故障事故的发生。 3 。l 复杂电力系统可靠性评估研究现状 复杂电力系统可靠性准则包括两个方面：充裕度和安全度。二者虽然都涉及系统供 电持续性的中断；但是充裕度是指一个或少量负荷