（电力系统及其自动化专业论文）电网连锁故障的分析预测.pdf

a b s t r a c t t h em e c h a i l i s ma n dp r e d i c t i o nm e t h o do fp o w e rs y s t e mc a s c a d i n go u t a g e sa r e o fa i li m p o r t a n tm e a n i n gf o rn e t w o r kp l a n n i n g ，o p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，c o n t r o l t c c h n i q u ea n dm a r k e t d e c i s i o n t h ea n a l y s i sa n dp r e d i c t i o no fp o w e rs y s t e m c a s c a d i n go u t a g e sc a r lp r o v i d ed e c i s i o n b a s i so fd e a l i n gw i t he m e r g e n c yf o ro p e r a t o r , a v o i d i n gl a r g eb l a c k o u t s t h e r ea r em a n yf a c t o r s o fc a s c a d i n go u t a g e s ，s u c ha sn a t u r a lc o n d i t i o n , e q u i p m e n tf a c t o r s ，m o d eo fo p e r a t i o n ，l o a d ，m a l l m a d ef a c t o r s a n ds oo n s o m e a ( 1 v i c ei sg i v e nt h a tt h ep r o b a b i l i t yo fo u t a g e si sd i v i d e di n t ot h ef a i l u r er a t eo f p r i m a r yd e v i c ea n ds e c o n d a r yd e v i c e ，a n dt h ep r i m a r yd e v i c e sa r ed i v i d e di n t o f u n c t i o n a lg r o u p st or e d u c ec o m p u t a t i o n i ti sav e r yc o m p l e xp r o b l e mt om a k ea i n t a c tm o d e lo ff a i l u r ep r o b a b i l i t y t h e r ei sm u c hd e f i c i e n c yi nt h em o d ea tp r e s e n t a n dt h em o r ee f f e c t i v ea n a l y s i ss o l u t i o ni sn e c e s s a r y m a n yk i n d so fu n c e r t a i n t y f a c t o r sa r ec o n s i d e r e di nt h em o d e lo ff a i l u r e p r o b a b i l i t y w es h o u l dp a ya t t e n t i o n ，s i n c et r a n s i e n ts t a t eh i d d e nf a i l u r e so f a c - d c s v s t e mc a ne a s i l yi n d u c ec a s c a d i n go u t a g e s a tl a s t ，t h ed e f i c i e n c yo fp r o b a b i l i t y a n a l y s i si sd i s c u s s e da n ds o m ea n a l y s i s s o l u t i o n sa r eg i v e nw h i c ha r ew o r t h s t u d y i n g e v e n tt r e ei su s e dt oa n a l y z ec a s c a d i n gf a i l u r e sa n dr a r ee v e n ta p p r o x i m a t i o n i s u s e dt op r o b a b i l i t yo r d e ro fm u l t i p l ef a i l u r e s ，w h i c hc a l ls i m p l i f yt h ep r o c e s so f s c r e e n i n gm u l t i p l ef a i l u r e s t h em e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y s i so fc a s c a d i n go v e r l o a d t h es i m u l a t i o no fc a s et u r n e do u tt h a tt h em e t h o dc a nr e f l e c tt h ec h a n g eo ff a i l u r e p r o b a b i l i t yf o l l o w i n gt h em o d e o fo p e r a t i o n ，a n dc a nb eb e t t e rt oe v a l u a t et h er i s ko f p e r f o r m i n gm a i n t e n a n c e t h em e t h o dc a nm a k ef u r t h e ri m p r o v e m e n tf o rp a t ho f c a s c a d i n gf a i l u r e so fs m a l lp r o b a b i l i t ya n dh i 曲r i s k , w h i c hc a i l 西v es o m eh e l pt o d e e p l yr e s e a r c hc a s c a d i n g f a i l u r e s 一1 1 t h ei d e n t i f y i n gm e t h o do fc a s c a d i n go v e r l o a di ss t u d i e di n t h ep a p e r t h e c o m p e n s a t i o nm e t h o do fa d d o nc u r r e n ts u p p l yi si m p r o v e dt o s a v er e s o u r c e so f c o m p u t a t i o nt h r o u g h r a t i o n a la p p r o x i m a t i o n ，w h i c hc a l lb ec a l l e dp o w e rf l o w d i s t r i b u t i o nm e t h o d t h ep o w e rf l o wc o m p u t a t i o nr e s u l to f t w om e t h o d sr e s p e c t i v e l y c o m p a r e sw i t ht h er e s u l to fn e w t o n l a p h s o nm e t h o d t h e i re r r o ri s i nt h es a m e l e v e l i ti st ok n o wt h a tt h ee r r o ri sm a i n l yf r o mr e a c t i v ep o w e rt h r o u g hd a t aa n a l y s i s b e c a u s et h ee q u a t i o n st od e p i c tp o w e rs y s t e mu s u a l l ya r ec o m p l e x ，t h ea n a l y t i c e r r o ri sg o tv e r yd i f f i c u l t l y t h ed i f f e r e n tr e s u l tt ow h i c ho r d e ri np r o c e s sc a l lb eg o t i nd i f f e r e n tc a s eu s i n gc o m p e n s a t i o nm e t h o d ，s ot h es i m u l a t i o nm e t h o di s a r e a s o n a b l ep a t h k e y w o r d s ：c a s c a d i n go u t a g e s ；p r o b a b i l i t ya n a l y s i s ；m u l t i p l ef a i l u r e s ；c a s c a d i n g o v e r l o a d ； i i i - 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本入的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：，乏左 昌期：年月日 导师签名： 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文 全文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：日硕士口博士 作者签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导教师签名： 日期：型年二月丝日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 近年来，世界范围内曾发生多起大停电事故。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东北 部、中西部和加拿大东部联合电网发生大停电【1 】。随后，英国、澳大利亚、马来 西亚、芬兰、丹麦、瑞典和意大利等国也相继发生了较大面积停电事故。之后， 2 0 0 5 年5 月2 5 日，莫斯科也发生了停电事故【2 】。这些事故引起了人们对电网安 全的高度关注。这些大停电事故的原因往往是由于系统中某一元件故障，导致 一系列其他元件停运，这种连锁反应迅速蔓延，最终发生电网崩溃。2 0 0 6 年1 1 月4 日欧洲发生的停电事故也是连锁故障导致。文献【3 】指出：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。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。实际上，国内外的研究工作者对这一问题 的看法早已取得了比较广泛的共识。这类事故发生的概率虽然不大，但危害极 大。以美加大停电为例，停电波及了美国的8 个州和加拿大的2 个省，受影响 居民达50 0 0 万，损失负荷量6 1 8g w ，经济损失约3 0 0 亿美元【4 】。因此，开展 对这类连锁反应事故和大停电机理的研究非常重要。 中国电力发展已步入大电网、大机组、超高压和自动化、信息化的新阶段。 国民经济的持续、快速、稳定增长促进了电力需求的快速增长和电力生产的快 速发展。到2 0 0 6 年底，装机容量突破6 0 0 g w ，发电量超过2 8 万亿千瓦时，位 居世界第二位。为了满足电力增长的需求，以大容量远距离“西电东送、南北 互供为主要特征的全国大联网是我国电网发展的必然趋势，但就当前我国电 网而言，还存在以下几个主要问题：( 1 ) 在我国电网建设长期滞后，近年来国家 虽然加大了电网建设投入，实施了城乡电网改造等工程，但由于用电增长快， 电网建设仍满足不了需要。( 2 ) 我国处于全国联网的初期，联网要经过一个由弱 东北电力大学硕士学位论文 联系到强联系的过程，交流弱联系系统的安全稳定问题十分突出，在某些运行 方式下存在诱发低频振荡的可能性。( 3 ) 电磁环网问题影响输电能力的充分发 挥。由于部分电网5 0 0 k v 网架薄弱，为保证电网可靠性，被迫采用5 0 0 k v 与2 0 0 k v 电磁环网运行，使输电断面的稳定水平降低，不能充分发挥5 0 0 k v 电网应有的 效益。( 4 ) 电网无功补偿容量不足，且没有实现分层分区平衡，影响了电压质量， 导致部分电网电压波动幅度较大。( 5 ) 负荷中心的电源支撑不足，受端电网的有 功和无功均显不足，影响了电网的安全运行。( 6 ) 二次系统存在安全隐患。由于 我国电网一次系统较为薄弱，相应要强化二次系统才能保证电网安全。因此， 电网安全对二次系统可靠性的要求较高，且依赖性较强，二次系统一旦出现问 题，容易造成电网事故。( 7 ) 电网安全运行受到外力破坏的威胁。据统计，城市 中7 0 的输电设备故障是由外力破坏造成的。( 8 ) 部分装备质量不高，在一定程 度上影响了电网的安全、可靠、高效和灵活运行。 有学者指出【5 】：“我国西电东送的实施，带来的是前所未有的大规模远距离 输电。西南电力东送采用多条交直流并联线路，西北电力东输初期7 5 0 k v 与 3 3 0 k v 高、低压电磁环网运行，全国联网初期交流弱联网等因素可能会引起电网 稳定水平的降低，给互联大电网的安全运行提出了新的严峻挑战”。在这种新形 势下，尽管类似于北美“8 1 4 ”大停电那样的事故至今没有发生过，但是2 0 0 5 年9 月2 6 日的海南停电事故【6 l 、2 0 0 6 年7 月1 日的河南停电事故以及2 0 0 7 年 3 月4 日的大连停电事故已经为我们敲响了警钟【7 1 。目前，我国电力负荷增长迅 速，电网经常处于上限运行。电力市场改革也为电力系统运行引入了许多不确 定性，使得电网安全稳定问题成为热点。 国内外已有不少学者提出了电力战略防御系统( s p i d ) 的概念，s p i d 的主 要目的就是要防止各种导致系统大面积停电的灾难性事故，它主要是以系统的 全局广域相量测量和分析为支柱，实时地提供系统所需的各种关键信息、快速 评估系统的脆弱性、提供实时快速的自适应愈合、自适应网络重构、自适应保 护等为其特点的一个全局广域智能控制系统。其中对连锁反应事故的评估体系 是电力战略防御系统的重要组成部分。明确连锁故障的发生机理，探索连锁故 障的预测、预防方法对于电网规划、运行管理、控制技术及市场决策方面都具 有重要意义。电力系统连锁故障的分析预测可以为调度员进行事故处理提供快 第1 章绪论 速而准确的依据，最大限度地避免大停电的发生。 1 2 研究现状与分析方法 1 2 1 当前国际上和连锁故障相关的主要研究项目 由于近年来世界上有不少国家先后发生了大停电事故，这些停电事故的连 锁故障表现引起了人们比较广泛的关注，在各国学者和政府先后研究开发的重 大项目中，连锁故障问题也被作为一项比较重要的内容来加以研究。在美国， 由美国国防部和美国电科院联合资助完成了复杂交互网络创新( c o m p l e x i 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 ) 项卧引，提出了以全局广域向量测量和分 析为基础的实时智能控制系统，即电力战略防御系统( 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性灾难事故的发生。 美国能源部和国家科学基金资助的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 y t 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的实际特点 对电力传输系统的大范围停电和连锁故障进行研究。我国2 0 0 4 年立项的9 7 3 项 目靠提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”中的一个子课题“大电网安全 性评估的系统复杂性理论研究 就有“大型互联电网连锁故障的机理分析 这 一项内容。由于电力系统安全运行的因素极为庞杂，一些偶然性因素的相互叠 加总是超出了人们的预测和实际的可控范围，常规的n 1 或n 2 规则校验很难 适应这种要求，对于电力系统连锁故障的研究需要理论和方法上有所突破。近 年来电力系统的连锁故障逐渐成为研究热点，在模式研究和模型建立方面都出 现了一些新的方法和内容，后文将一一介绍。 1 2 2 电网连锁故障分析方法综述 目前，国内外关于电网连锁故障的研究涉及到确定性物理过程的模拟、考 虑不确定性因素的物理过程模拟、抽象的宏观动态模拟及模型等诸多层面。文 献【8 】把目前的主要研究方法分类为模式搜索法和模型法，文献 9 】在此基础上并 结合当前的最新研究成果将其进一步的细化，分为如下4 类予以评述：模拟 物理过程的模式搜索法：模拟物理过程的宏观评估法：简化物理过程的宏 东北电力大学硕l 学位论文 观复杂系统理论法；简化物理过程的宏观复杂网络法。 1 2 2 1 模拟物理过程的模式搜索法 模拟物理过程的模式搜索法主要是通过模拟系统在经历初始扰动之后的长 动态过程中因二次设备的相继动作而引起的支路相继开断行为来寻找系统连锁 发展路径的方法。这一类研究方法又可细化为：确定性物理过程模拟；不 确定性物理过程模拟两种方法。其中确定性方法主要是指通过解析法及详细的 模拟计算来评价电网在经历初始扰动之后故障的传播，二次设备的动作( 如继电 保护的动作) 情况则是按照二次设备的动作定值和实际电气量的比较结果确定， 不考虑其不确定的动作情况。而不确定性物理过程模拟是考虑了二次设备动作 的不确定性引起的电网发生连锁故障过程的模拟。 文献 1 0 、1 1 是国内较早研究电网连锁故障的文献，其对连锁故障发展过程 的模拟属于上述第一种情况，初始扰动的选择按照变电站事先定义的各类设备 的可靠性模型依其各自的概率通过故障校核的办法来实现，本质上和目前的静 态安全分析及动态安全分析中的预想故障的选择办法类似。不确定性物理过程 的分析方法，主要是考虑在电网连锁故障传播的过程中二次设备有不确定的动 作行为。目前这方面的研究成果相对较多，但绝大多数只考虑了继电保护的不 确定动作行为。这包括发生初始故障线路的主保护的不正确动作行为以及初始 故障切除后剩余系统的元件因继电保护的隐性故障误动的行为，从目前国内外 的研究文献来看，由隐性故障引起的继电保护误动实际上可以看作是保护误动 的一种特例。文献【1 2 】指出隐性故障是指系统内某事件发生后，由于配置不当， 硬件损坏等原因造成的保护装置缺陷导致保护装置误动。它是电力系统中的一 种永久性缺陷，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。也就是说， 具有隐性故障的继电保护在正常的情况下是不会动作的，只有在其它元件故障 的情况下才有可能动作，文献 1 3 、1 4 1 针对连锁故障模式的算法均为考虑继电保 护隐性故障模型的搜索方法。文献0 5 采用m o n t ec a r l o 法进行模拟，并通过潮 流计算模拟潮流转移引起的过负荷保护动作，不考虑继电保护的隐性故障。鉴 于m o n t ec a r l o 法存在计算时间长的问题，该文献做了一定的改进，原发故障由 第1 章绪论 人工指定而搜索过程采用m o n t ec a r l o 法模拟，这在一定程度上缩短了计算时间。 文献【1 6 】采用交替进行稳定和潮流计算的方式并采用模糊推理的方法判别在初 始故障阶段及初始故障切除后系统潮流转移阶段继电保护装置的动作行为，进 而确定连锁故障的发展模式。其不确定因素经模糊处理后，该方法可直接判断 继电保护装置的动作行为，进而直接搜索连锁故障的发展进程，避免了重复抽 样。文献【1 7 综合考虑了原发故障和保护动作不确定性的影响以保证搜索结果的 合理性。对于原发性线路故障，将各种可能诱发线路故障的因素进行合理的划 分，根据各种因素作用下的线路故障的历史统计概率及当前的实际运行条件得 到当前条件下的先验概率，进一步采用基于离差最大化的多属性决策方法将原 发性线路故障进行排序。搜索过程从排序最高的原发性故障开始，交替进行稳 定计算和潮流计算，并根据继电保护动作的历史统计数据和当前实际条件决定 各继电保护的动作行为及排序，搜索下一次线路开断，直至系统失稳，从而得 到连锁故障模式的排序。避免了重复抽样，保证了搜索过程的快速性，而且将 历史统计概率与当前条件相结合保证了搜索的合理性。 总的来说，目前的模式搜索法主要考虑了电网因继电保护相继跳闸引起的 连锁故障问题，差别主要在于是否考虑继电保护因隐性故障跳闸的问题，研究 的重点在于通过对物理过程的模拟考察电网是否会在某种故障发生的情况下发 生连锁故障或通过指标来评价系统的可靠性。 1 2 2 2 模拟物理过程的宏观评估方法 这一类方法建立在确定性物理过程模拟的样本数据的基础上，通过对样本 数据的研究来分析电网连锁故障的总体行为，如电网在何种条件下( 故障类型、 故障地点、系统的初始潮流等原始条件) 可能会发生连锁故障。文献 1 8 】首先提 出了基于模式识别的连锁故障研究方法，利用不同故障类型、故障地点以及系 统的初始潮流等条件下得到的样本数据，通过模式识别的方法得到分类面，以 此判断输入未知样本时，系统是否发生连锁故障。采用模式识别法不可能做到 完全准确地评估，如何提高评估的泛化能力是需要进一步研究的问题。 1 2 2 3 简化物理过程的宏观复杂系统理论方法 东北电力大学硕士学位论文 m li i 一 一 一 i 曼曼笪曼曼曼曼舅舅 电力研究工作者运用复杂系统理论分析电力系统的连锁故障及由连锁故障 引发的大停电问题源于对大停电事件的幂率行为的解释。幂率行为指的是系统 的停电规模服从幂率分布，这一规律由c a r r e r a s 、c h e n 等人进行了初步验证【1 9 - 2 1 1 。 我国的研究工作者通过对我国电网的事故统计分析也发现了类似的规律 2 2 1 。 c a r r e r a s ，d o b s o n 等学者率先提出了采用自组织临界理论对这种幂率行为进行 解释，自组织临界理论是用来解释系统某些具有幂率分布特征的动力学行为的 理论，其分析视角是从复杂网络的宏观层次入手，试图阐释系统动力学行为的 某些共性。自组织临界理论目前已成为解释由连锁故障引发的电力系统大停电 现象的比较热门的理论。国内学者也运用该理论进行了一些探讨，文献 2 3 】揭示 了电力系统大停电的两个最基本特征：时间效应上的1 f 噪声和大停电规模分布 演化的标度不变的自相似性( 分形) ，它们被认为是系统具有自组织临界特性的 数学表征。揭示电力系统大停电的自组织临界性对分析电力系统大停电的机理 具有重要意义，它说明大停电的发生时间和规模具有可预测性。 基于自组织临界理论的电网连锁故障分析模型目前主要有美国c a r r e r a s 、 d o b s o n 等学者提出的3 种模型，分别为：o p a ( o a kr i d g e p s e r c a l a s k a ) 模型、 c a s c a d e 模型以及分支过程( b r a n c hp r o c e s s ) 模型。其中o p a 模型是从宏观 ( 空间) 和长期( 时间) 的角度对因连锁故障而导致的大停电行为进行了解释； c a s c a d e 模型主要解释电网在不同初始状态及扰动作用下的连锁故障表现行 为以及停电规模和发生概率之间的数学关系；分支过程模型是对c a s c a d e 模 型的一种近似处理，以得出能够反应连锁故障发生、传播的主要表征参量。 1 o p a 模型【2 4 之8 】 o p a 模型将电力系统的动力学行为分为慢时间尺度和快时间尺度两类以此 来解释电力系统大停电的幂率行为。慢时间尺度的动力学行为是一种自组织的 作用过程并导致系统到达临界点，而快时间尺度的动力学行为则表现为连锁故 障并导致了系统停电事故的发生。这两类时间尺度的动力学行为是相互耦合的。 慢时间尺度的动力学行为是由系统的负荷需求不断增加及系统供电容量不断增 长的相互作用过程来体现的。当系统负荷不断缓慢地增长，由此带来了运行压 力和停电事故( 快时间尺度动力学行为) 发生概率的增大，为了满足供电的需 要，系统工程师会采取一系列的措施来避免同类故障的发生进而最终实现系统 第1 章绪论 供电能力的增加。 1 ) 慢时间尺度的动力学行为 慢时间尺度的动力学行为主要由负荷的增长及输电线路容量的改善来表 征： 设p 缦为第k 天第i 节点的功率注入，其中发电机节点的功率注入为正，负 荷节点的功率注入为负。每天所有节点的注入功率即可组成一个向量： 丑= ( 毋。，县。，只。，匕) 7 ( 1 - 1 ) 且系统的全部功率注入满足总量的平衡。 设系统有m 条输电线路，f i k 为第k 天第j 条线路上的有功功率。则第k 天 电网线路上的有功功率向量为： v k = ( e i ，f 2 t ，& ，如) 1 ( 1 - 2 ) 每一线路所需满足的约束为： 一f 以，尹 歹= 1 ，2 ，3 ，m ( 1 - 3 ) 其中，v j 7 “模拟第k 天第j 条线路上的热稳定极限以及其它种类的极限。 模拟过程采用直流潮流模型时线路功率和注入功率之间是一种线性的关 系，在第k 天有： f k = 么丑 ( 1 - 4 ) 矩阵a 表征了网络的限制。负荷的慢速增长表达为： ( 1 5 ) 其中，名是一组独立i 司分布的随机变量，其均值略大于1 。由此可以得到负荷 增长后线路上的输送功率： 最= 锻= a p o 兀五 ( 1 - 6 ) 编= 兹溅腊帔生 m 7 ， 其中，| lk 是一组独立同分布的随机变量，其均值控制着线路潮流极限的平均增 乃 。兀m 昂 = 最 东北电力大学硕士学位论文 长。 2 ) 快时间尺度的动力学行为 o p a 模型的快过程主要反映初始事件发生后系统的连锁故障表现，即快过 程主要针对连锁反应过程。 o p a 模型的基本算法按照如下的迭代步骤进行： a 根据系统当天的功率注入进行初始化潮流计算； b 依据己知的概率确定初始线路故障事件； c 如果线路或发电机的功率越限，或一条线路已经开断，则系统必须重新 进行功率调整，调整的方法按照标准的线性规划方法进行，如果优化结果不可 行，则停止迭代，并记录在优化过程中出现的过载线路； d 对于在步骤c 中出现的过载线路，根据已知的概率确定这些线路是否会 跳闸停运； e 如果有线路停运则转c ，否则停止迭代。 由上可以看出，o p a 模型对因连锁故障引发的大停电事故进行了一定程度 的定量描述，从长期的角度来说，这种解释在一定的程度上符合人们的直观经 验，如负荷需求的增长和由此带来的系统运行压力的增大，这有可能使系统在 某种情况下因初始扰动而发生引起大停电的连锁故障。但是o p a 模型对于快过 程的解释相对比较理想化、简单化，因此国内学者以o p a 模型为基础，进行了 一些改进f 2 9 。1 1 ，如文献 3l 】在慢过程和快过程的基础上加入了考虑暂态稳定的极 快速过程。 2 c a s c a d e 模型 2 8 , 3 2 - 3 4 】 c a s c a d e 模型假设系统所有元件的初始负荷随机均匀分布，当每一元件上 叠加一个初始扰动d 时，某些元件将因过载而跳闸；当某元件因过载而跳闸后， 其它每一元件上将增加功率p ，由此可以得到系统在初始扰动的作用下，停运元 件的发生概率为： 第1 章绪论 f ( r ，d ，p ，疗) = o ；0 ， d 1 1 ；r = 见d 1 ( 1 - d ) ”；r = 0 ，0 d 1 破，= 1 ，n = 1 ，0 1 ，0 d 1 0 的情形) 【3 3 1 。 p s = r 】 o ( r k + o ) r 一e - r ) _ 、- - 0 ；o 厂( 以一o ) x ， 忍 厂： 0 ；( n - o ) x ， l 和入 l 则分别表示超临界和次临界状态。最近d o b s o n 教授对分支过程模型 做了进一步探讨，把入作为评估因子，运用概率统计方法为大停电风险的量化 评估指出了一条途径【3 1 1 。这种高度抽象对于连锁故障机理的认识以及连锁故 障传播的防治是非常引入注目的，如果只用一个简单的参量就可以标识系统是 否会出现自组织临界理论所描述的那种临界状态，那么这对电力系统的灾变防 治将具有重要的意义。但是由于分支过程模型是c a s c a d e 模型的一种近似，必 然存在模型前提和现实条件之间具有差异的缺陷，因而目前把它看作是一种定 性的连锁故障机理分析方法可能更容易被人接受。 第1 章绪论 除以上三种基于复杂系统理论的模型以外，基于协同学原理的大停电预测 方法也被提出来了。文献 4 2 】指出：在大停电过程中总是伴随着电网各子系统 的竞争和合作，其过程具有自组织临界特性，存在着可预测性。进而应用自组 织临界理论中的协同学原理，提出了一种电力系统大停电的预测模型协同 学预测模型。计算实例结果表明了大停电存在的自组织临界特性，其预测模型 具有较高的预测精度，但是这种方法的提出只是定性地认为电网崩溃的演化具 有协同学原理的自组织过程，没有从理论上予以证明；在电网崩溃时间的预测 上也只是借用了山体滑坡理论直接将变形速率最大点看作崩溃点，没能从理论 上做出解释，因而需要进一步的研究。 1 2 2 4 简化物理过程的宏观复杂网络模型法 这类方法主要建立在复杂网络理论的基础之上，从网络结构的角度来研究 网络对于各种攻击的承受能力及是否具有发生连锁故障的可能等问题【4 3 4 6 1 。这 类方法一般以各种复杂网络作为研究对象，电力网络只是其中的一例。目前， 研究复杂网络的模型有很多种，比较典型的有e r 模型、小世界网络模型等等。 其中小世界网络模型在电力系统受到的关注日益增多。具有小世界网络特性的 电网对故障的传播具有推波助澜的作用【4 7 4 引。文献【4 9 】还对中美的电网特点进行 了比较分析，得出中国北方电网也具有小世界网络特点的论断。从网络的角度 来研究电网本身的拓扑结构对故障传播的影响，其本质是试图研究宏观复杂系 统的结构脆弱性问题以及结构的脆弱性对于故障传播起到的作用。总之，基于 复杂网络方法的电网连锁故障问题研究方法的主要特点是： ( 1 ) 在抽象的网络模型基础上研究网络对于各种攻击的承受能力及故障的 传播行为； ( 2 ) 对于实际系统的物理过程的考虑相对简化，因而和实际的物理过程存 在着差距，其主要贡献在于提供了通过网络的宏观结构参数来研究网络的结构 脆弱性的视角，这对电网的规划建设或者是对实际电网的当前结构进行评估都 有一定的指导意义。 虽然复杂网络分析方法目前已经有了很多的模型。但是一般说来，这些方 法对系统的物理过程的考虑是简化的，与实际电网的情况存在着一定的差距， 东北电力大学硕j ：学位论文 因而这类方法能在多大的程度上比较真实地反映实际电网的结构脆弱性还处于 一个研究的初期阶段。 总之，有效地防止连锁故障发生的前提是对连锁故障进行有效地分析和预 测，目前的研究方法虽然绝大部分还没有完全进入实用化阶段，而且分析方法 主要以如何合理建模和面向规划的可靠性分析为重点。但是也可以看到，关于 连锁故障的研究正越来越受到广大研究工作者的重视，并逐渐形成了一股研究 热潮，研究的视角既包括了实际物理层次的模拟也包括了宏观层次的各种复杂 建模方法，既包括了连锁故障序列关键事件之间稳态分析，也逐渐引入了暂态 分析或动态分析，而且这一趋势也正在逐渐加强。这些已经取得的研究成果为 进一步的深入研究奠定了良好的基础。 1 3本文的主要工作 要实现对电网连锁故障的有效防治，准确地把握连锁故障的发生和发展的 机理是基础，在此基础上还需要对电网连锁故障的发展过程有一个比较准确的 预测。但是由于现代电网的结构及其动态过程的复杂性，要做到这些是非常困 难的。自组织临界理论揭示了连锁故障的发生机理，初步说明了大停电发生的 时间和规模是可预测的，但是靠这种普适性理论是不可能解决具体问题的。要 有效防治连锁故障必须在这一宏观理论的指导下，以模式搜索为研究手段，走 宏观与微观相结合之路，深入探讨相关问题。本文就是按这一研究思路对几个 与防治连锁故障相关的问题进行了具体研究。 1 总结了电网连锁故障的影响因素，对故障模式搜索中不确定因素的处理 进行了探讨，结合前人的研究成果归纳了开断概率的分析模型，指出了需要解 决的问题。 2 采用事件树及小概率事件的概率近似理论，对于受检修操作影响的一类 隐性故障进行了探讨，通过对与此相关的多重故障进行概率分析，找到了一种 考虑高风险多重故障的连锁过载故障模式搜索方法，经算例验证是可行的，进 一步完善了低概率、高风险的连锁故障路径搜索，这对于进一步研究连锁故障 是有一定帮助的。 第l 章绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼兰曼曼舅皇曼曼曼曼曼曼曼舅曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼皇皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼皇i i i 1 3 对于目前国内学者提出的最具可行性的连锁过载识别方法追加电 流源补偿法做了进一步改进，可称为功率分配法。并采用算例仿真的方法详细 分析了连锁过载识别中的误差情况，验证了功率分配法比追加电流源补偿法的 优越性，指出了此类方法应用的局限性。 东北电力大学硕十学位论文 量曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼鼍量皇曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼h i 一m , l l l i l , i 曼曼曼皇曼曼曼曼舅 第2 章连锁故障的影响因素及开断概率分析 2 1引言 模拟电网物理过程的模式搜索方法是目前研究连锁故障发生机理及防治措 施的重要途径之一。目前国内外的大部分研究主要是从继电保护相继动作的角 度来考虑连锁故障的，分别考虑了对支路过负荷响应的后备保护动作( 即主要考 虑连锁过载) 或继电保护隐性故障或继电保护的不确定动作( 从概率的角度考虑) 等几种模式。由于影响连锁故障发生的不确定因素很多，对于一个复杂电网试 图通过数值计算程序对各种扰动场景下的连锁故障模式进行详细的模拟搜索并 保存这些模式，通过预防控制措施加以防治的想法是不切实际的。首先是其模 式的组合数量可能过于庞大，实际的计算资源难以承受，其次是预防控制的代 价可能很大，甚至在电力市场环境下引起输电阻塞问题。如果在线应用，从时 间上说也是不允许的。鉴于连锁故障表现为相继开断，把连锁故障的长程时空 关联问题分解为若干连续的相继开断，从每一个相继开断来研究其防治策略， 则问题会简化许多。因此有必要对连锁故障的影响因素进行探讨，通过概率模 型进行分析然后按概率大小在允许时间内进行模拟搜索，这也是比较直观可行 的方法【5 0 1 。由于引发电网连锁故障的因素非常复杂，虽然研究连锁故障模式搜 索的相关文献也在这方面做了一些探讨，但都是对某方面因素提出了自己的概 率分析方法，缺少较为系统、完整的概率模型。本章主要介绍连锁故障的影响 因素，并在总结前人研究成果的基础上系统归纳了开断概率的分析模型及处理 方法。 2 2 连锁故障的影响因素 连锁故障发生的影响因素很多，大体分来主要包括自然环境因素、设备因 素、运行状态及人为因素等等。 第2 章连锁故障的影响因素及开断概率分析 2 2 1自然环境因素 自然环境因素主要包括气温、风速、大雾、雨雪、覆冰、雷电等天气情况 以及设备所处周边环境，另外还包括地震、洪水、泥石流等难以预测的不可抗 力因素。 ( 1 ) 大雾，当大雾天气出现时，空气相对湿度较大，绝缘子沿面闪烙电压 降低，因而发生闪烙造成线路故障的可能性增大； ( 2 ) 雨，当毛毛雨出现时，线路的脏污绝缘子闪烙的可能性将增大，而当 大雨天气出现时，可能会造成线路倒杆、断线等现象； ( 3 ) 雷电，雷电可能绕击线路或因过电压造成绝缘子闪烙： ( 4 ) 大风，在大风天气下，线路抖动及周围树木的摇摆也会加大瞬时故障 跳闸的概率；当风力过大时，有可能造成绝缘子倾斜、导线弧垂增大，空气绝 缘间隙变小，容易发生相间短路，也可能造成杆塔倾斜而造成短路故障，但在 有风的情况下又有利于线路散热，从而相应增加线路的运行容量限额： ( 5 ) 大雪，大雪天气可能会造成导线应力负荷加重，容易发生倒杆等现象， 冰雪消融时，也可能会造成绝缘子闪烙等现象； ( 6 ) 覆冰，当导线发生严重覆冰时，可能会造成断线等现象，而覆冰脱落 时，有可能造成导线跳跃甚至发生闪烙； ( 7 ) 气温，由于导线具有热胀冷缩的特性，当气温较高时，导线将会伸张、 弧垂增大，易造成接地短路故障。 周边环境因素的表现形式也很多，如夏季树木的生长情况，鸟类的活动、 海风带来的盐雾或化工厂排烟造成线路绝缘子污秽等等。 2 2 2 设备因素 设备固有可靠性主要与设备的使用寿命及自身缺陷有关，设备可靠性随使 用时间的延长而下降是其自然磨损造成的，而设备的固有缺陷只有在各种偶然 因素都具备的情况下才会表现出来。就继电保护及安全自动装置来说，这不仅 与保护装置的设计原理以及保护装置的当前测量值和其定值的比较有关，还与 保护装置的寿命状态，是否受到电磁干扰以及其它配合条件( 如，对于高频保 东北电力大学硕十学位论文 护，收发信机是否正常工作) 有关，等等。 2 2 3 运行状态因素 系统运行方式影响系统的安全性，由于元件故障或设备计划检修而停运， 从而改变系统的运行方式。本来正常运行方式不会产生很大影响的故障，可能 会在特殊运行方式下诱发连锁反应，导致大停电发生。1 9 9 9 年夏季美国东部电 网事故、2 0 0 3 年8 月2 8 日伦敦停电以及2 0 0 6 年1 1 月4 日的欧洲停电事故等 大停电都发生在设备检修期间，因此检修操作风险应引起足够的重视。另外在 设备元件固有可靠性不变的情况，变电站运行方式的变化也可影响线路运行的 可靠性。 负荷水平影响故障发生概率及系统安全是公认的事实，随着经济发展而不 断增长的电力负荷以及电力市场的逐步建立，造成我国电力系统经常处于上限 运行状态。因此负荷水平的影响就愈显重要，不仅要考虑当前负荷水平，还要 考虑未来负荷的变化情况。 2 2 4 人为因素 人为因素主要是指调度人员调度管理不当或操作人员误操作以及人为的非 法破坏行为，这与工作人员的素质高低及所处环境的治安状况有关。 2 3 开断概率分析模型 首先说明一点，这里讨论的概率模型暂不考虑上节提到的难以预测的不可 抗力因素及人为因素。 ， 电力系统设备可分为一次设备和二次设备。一次设备有其固有的设备故障 率，二次设备的故障将影响到一次设备的正常运行，电力系统连锁故障最终体 现是一次设备的相继停运，从而造成重大损失。因此我们首先确定一次设备的 故障概率，再用二次设备的故障概率对其进行修正，最终得出一次设备的非正 常停运概率即开断概率。 第2 章连锁故障的影响冈素及开断概率分析 2 3 1 功能组 电力系统中的一次设备元件以断路器或打开的隔离开关为分界可划分成功 能组。这里所说的功能组可定义为根据其联接结构及保护策略，一起参与运行、 出现故障时一起退出的一组元件。图2 1 为功能组划分示意图，本文根据文献 5 2 】 介绍的功能组划分算法编写了m a t l a b 程序( 参见附录a ) ，可根据系统拓朴数据 进行搜索，完成功能组的划分。( 在后面章节的仿真中将使用这一程序，这里不 再进行算例说明。) 每个功能组的故障概率约等于所包括元件的故障率之和，即 p 屯p k ( 2 - 1 ) k e f g _ i 在分析开断概率时作为一个整体来分析，从而减少数据量。由于运行方式 的变化，其组合也会发生相应的变化。因此本文编写了功能组的更新程序( 参 见附录b ) ，元件的运行状态发生变化时，可根据更新数据快速调整功能组的划 分，而不必完全重新搜索，进一步节省了扫描时间。 图2 - 1 功能组划分示意图 2 3 2 一次设备故障率 先根据历史统计数据得到一次设备元件的故障率p o 。该值是各种因素共同 作用的结果，首先考虑运行方式对它的影响。通过网络拓朴分析，把当前运行 方式下的系统划分成功能组，根据式( 2 1 ) 得到功能组的故障率p l 。 就自然环境因素而言，p l 应与各影响因素的均值相对应，也就是说各种因 素应该以其均值为基点