（电力系统及其自动化专业论文）电力系统nk故障机理及风险评估方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文通过分析近年来国际上几次典型的大停电事故 并对大停电事故的原因以 及发展机理做了深入的研究 研究表明 在几次大停电事故中 电网连锁故障的发 生是推动电网故障传播进而导致大停电发生的主要因素 因此 对电力系统连锁故 障的研究与分析非常必要 文中首先结合国内外学者对电力系统连锁故障的研究现状 阐述了电力系统连 锁故障的发生机理和行为特点 评述了已有电网连锁故障模型 其次在基于最优潮 流的电力系统连锁故障模型的基础上 综合考虑机组频率保护 保护的隐藏故障 低电压保护以及线路故障概率随潮流变化等因素 通过i e e e 3 0 节点系统的仿真来 验证了该模型的准确性 最后 基于传统风险评估的理论 本文提出了 针对某种 故障模式的指标 和 针对整个系统的指标 两种连锁故障风险指标 并在此基础 上计算了电网在不同负载率下的风险值 并对电网关键线路和隐藏故障的风险值也 进行了分析 关键词 电力系统 大停电 连锁故障 风险指标 a b s t r a c t b yr e v i e w i n gs e v e r a lt y p i c a lb l a c k o u t si nt h ew o r l d w i d er e c e n t l y t h er e s e a r c ho n t h er e a s o n e v o l v e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fb l a c k o u t ss h o w st h a tc a s c a d i n gf a i l u r eo f p o w e rs y s t e mi st h ek e ye l e m e n tl e a d i n gt of a u l tp r o p a g a t i o n e v e nl a r g e s c a l eb l a c k o u t t h e r e f o r e t h es t u d i e so ne a s d a d i n gf a i l u r eh a sb e e nr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o ral o n g t i m e i nt h i sp a p e r g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e l so fc a s c a d i n gf a i l u r e sa r ep r e s e n t e d a n de v a l u a t e d b a s e do nt h ef o r m u l a t i o no fo p t i m a lp o w e rf l o w o p f w i t hr e s p e c tt o f r e q u e n c yp r i m a r yr e g u l a t i o n h i d d e nf a i l u r e so fp r o t e c t i v er e l a y i n g u n d e r v o l t a g e p r o t e c t i o na n dl i n ef a u l tp r o b a b i l i t yc h a n g i n gf r o mp o w e rf l o w i e e e3 0 b u ss y s t e mi s t a k e nf o re x a m p l et oi n d e n t i f yt h es e v e r en kc o n t i n g e n c ya n dv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s s o ft h em e t h o d c o n s i d e r i n gt r a d i t i o n a lr i s ka s s e s s m e n t t w or i s ki n d i c e so fc a s c a d i n g f a i l u r e i nt e r mo ff a u l tm o d ei n d e x a n d i nt e r mo fw h o l es y s t e mi n d e x a r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tl o a dr a t e t h er i s ki sc a l c u l a t e da n dt h ea n a l y s i sf o rv a l u e a t r i s k a b o u tk e yl i n e so f p o w e rs y s t e ma n d h i d d e nf a i l u r e so f p r o t e c t i v er e l a y i n gi sp r e s e n t e d l i ul i h u a e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s p o w e rs y s t e m b l a c k o u t c a s e a d i n gf a i l u r e r i s ki n d e x i 华北电力大学硕士学位论文 录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论 1 1 1 课题背景和意义 1 1 2 电网连锁故障的研究现状 2 1 3 本文的主要工作 3 第二章电力系统复杂性及连锁故障 4 2 1 引言 4 2 1 1 美加大停电 6 2 1 2 西欧大停电 6 2 1 3 华中 河南 电网事故 7 2 2 电网n k 连锁故障过程分析 8 2 3 连锁故障发展阶段中推动故障传播的主要因素 1 0 2 4 本章小结 1 2 第三章电网连锁故障模型分析 1 3 3 1 引言 1 3 3 2 连锁故障模型 13 3 2 1 基于网络拓扑结构的连锁故障模型 1 3 3 2 2 基于元件级联失效的连锁故障模型 1 5 3 2 3 基于电网动态特性的连锁故障及大停电事故模型 1 6 3 3 电力系统n k 连锁故障故障模型 1 9 3 3 1 最优潮流数学模型 1 9 3 3 2 考虑保护的隐藏故障 2 0 3 3 3 考虑线路的故障率随流过它的电流变化而变化 2 2 3 3 4 考虑系统的频率特性 2 4 3 3 5 低电压保护动作模拟 2 4 3 3 6 流程图 2 5 3 4 仿真算例及结果分析 2 5 3 5 本章小结 3 1 第四章连锁故障风险评估的基本原理 3 2 4 1 电力系统风险评估的基本概念 3 2 4 1 1 风险评估理论 3 2 4 1 2 电力系统评估方法现状 3 2 4 2 电力系统连锁风险评估 3 3 l 华北电力大学硕士学位论文 4 2 1 针对某种故障模式的指标 3 4 4 2 2 针对整个系统的指标 3 5 4 3 降低电网发生连锁故障风险的方法 3 6 4 3 1 电网在不同系统负载率下发生连锁故障的风险大小 3 6 4 3 2 关键线路的故障率对连锁故障风险的影响 3 8 4 3 3 保护隐藏故障的发生概率对连锁故障风险的影响 3 9 4 4 本章小结 4 0 第五章电力系统复杂性与自组临界性 4 1 5 1 自组织临界理论 4 1 5 2 仿真结果分析 4 3 5 3 本章小结 4 3 第六章结论 4 4 参考文献 4 5 致谢 4 9 在学期间发表的学术论文和参加的科研工作 5 0 l l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 电力能源逐渐成为全球最重要的能源 工商业的生产 社会的正常运行和人民 的日常生活都离不开电力的支持 随着国民经济的快速发展及人民生活水平的不断 提高 为了满足其对电力能源需求的提高 这促使我国电力工业迅猛发展 电力能 源已成为国家的支柱能源和经济命脉 为满足日益增长的电能需求 电力科技得以不断的发展 在电力系统现代化的 进程中 电力系统发生了很多新的变化 电力系统的规模越来越大 输电距离也越 来越远 大区域电力网络实现互联 供电范围也越来越广 电压等级不断提高 大 容量发电机组的不断增加 传输功率越来越大 发电厂逐渐远离负荷中心 负荷越 来越密集 这些新的发展和变化对于促进能源资源的合理利用 实现输电的规模经 济发展 提高电能质量和电网的安全稳定水平 增强环保具有重大的经济效益和社 会效益 我国电力系统已逐渐发展成为超大规模的复杂系统 步入了大电网 大机 组和高电压时代 电网规模越来越大 全国联网格局基本形成 东北与华北 华北 与华中 华中与华东 华中与西北 华中与南方电网都已互联 见图1 1 图卜1全国联网格局 然而 随着互联系统网络容量的增大和电压等级的提高 由于发电设备储备量 华北电力大学硕士学位论文 不足 电网结构薄弱 二次保护设备隐性故障等原因 给重负荷条件下的电网安全 运行埋下了隐患 发生大面积停电的可能性已愈见突出 若大电网一旦发生事故而 且不能迅速消除时 很可能导致稳定破坏和不可控的连锁反应 造成大范围 长时 间的停电 对社会的政治稳定和经济安全造成严重影响 这是其他行业的事故无法 比拟的 近年来 世界范围内的大停电事故时有发生 比较典型的有 1 9 8 9 年3 月1 3 日加拿大魁北克电网大停电 l j 1 9 9 4 年1 2 月 1 9 9 6 年7 月和8 月美国西部w s c c 电网连续发生三次大面积停电事故 2 0 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 2 0 0 3 年 还相继发生了英国伦敦大停电 丹麦大停电 意大利全国大停电等多起重大事故 4 j 2 0 0 5 年5 月莫斯科的大停电事故涉及2 5 个城市 停电时间持续2 9 个小时 影响严 重 2 0 0 5 年9 月我国海南发生了电网崩溃事故 2 0 0 6 年7 月 我国华中电网发生 一起罕见的电力故障 五百千伏嵩郑两回线路先后跳闸 造成豫西 豫中部分2 2 0 千伏线路过载跳闸 电网运行出现波动 影响了正常供叫5 这些大停电造成的巨 大经济损失和社会影响 引起全世界各国的普遍关注 同时引起了我们对电网安全 问题的深入思考 为了有效的避免电网大面积停电的发生以及大停电发生之后将各方面损失降 低到最低限度 有必要对电网大停电进行全面的研究 以便弄清楚大停电 连锁故障 发生的机理 找到影响其发生概率和规模的因素 建立电网连锁故障的模型及风险 评估体系 1 2 电网连锁故障的研究现状 连锁故障一般都有一个比较明确的起点事件 其发展过程中存在着导致事件进 一步扩大的事件 其表现是多种多样的 主要是由于电网电气量的变化引起的保护 装置或安全自动装置的动作 其动作既包括正确动作也包括不正确动作 无论是正 确动作还是不正确动作 如果其动作导致了连锁故障的进一步发展 说明其动作是 不合适的 电网连锁故障的成因比较复杂 简单地说其发生机理是 当电网中某一个或几 个元件因故过负荷而导致故障发生 从而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 进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i 引 电网连锁故障是一个连续的复杂的动态过程 它涉及到的元件不仅包括发电 机 输电线路 变压器 还包括母线 断路器 隔离开关等 其中母线故障 线路 2 华北电力大学硕士学位论文 故障 断路器故障 继电保护误动和拒动以及冲击性的大负荷转移是引起系统发生 连锁反应事故的主要原因 9 1 一旦电力系统中出现这些触发性事故 继电保护装置 将迅速动作切除相应故障线路或元件 但是很可能由于这些动作造成系统中其他线 路过负荷或母线电压偏离额定值过大 进而触发更多的继电保护动作 连锁故障就 是这样一级故障触发下一级故障 最终导致了电网解列 系统崩溃的连锁反应 分 析模拟连锁故障的难点就在于触发事故多样性和连锁过程的复杂性 电网的n k 连锁故障问题与电力系统安全性密切相关 已开始得到各国学者和 政府的普遍重视 目前 国内外关于电网n k 连锁故障的研究 绝大多数所考虑的 电网连锁故障的发展模式为 初始故障切除后 电网因大负荷转移而造成了继电 保护相继动作而切除故障线路或元件 这种模式 具体的研究涉及到物理过程的模 拟 抽象的宏观动态模拟等等诸多层面 1 3 本文的主要工作 近年来国内外电网频繁发生n k 连锁故障 造成严重的后果 警示我们加强电 网安全 防止系统连锁故障导致的大面积停电 本文主要工作如下 本文的研究性 内容主要为以下四点 近年来国内外电网频繁发生n k 连锁故障 造成严重的后果 警示我们加强电 网安全 防止系统连锁故障导致的大面积停电 本文主要工作如下 1 对于近年来国际上几次大停电事故 阐述电力系统连锁故障的发生机理和 行为特点 分析了连锁故障发生发展过程以及发展阶段中推动故障传播的主要因 素 并对其停电过程和事故原因做了详细的分析 2 1 本文归纳总结电力系统连锁故障模型 在电力系统的动态连锁故障模型的 基础上 建立起以最优潮流模型为基础 同时考虑机组频率保护 保护的隐藏故障 低电压保护等因素 更具实际意义的电力系统连锁故障模型 并以i e e e 3 0 节点测 试系统为例 进行连锁故障的模拟 为下一步风险值的研究提供样本数据 3 本文从风险理论的角度出发 将连锁故障与风险理论结合 提出了 针对 某种故障模式的指标 和 针对整个系统的指标 两种连锁故障风险指标 并在提 出的连锁故障模型基础上计算了电网在不同负载率下的风险值 从风险评估方面给 电网降低连锁故障提出了一些建议 具有实际意义 4 运用电力系统自组临界理论 对其仿真数据进行分析 分析电力系统连锁 故障和自组临界性 对自组临界理论在电力系统中的运用进行了初步探索 3 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电力系统复杂性及连锁故障 电力系统是一个分布地域广 元件众多 结构复杂 动态响应速度快的大系统 某一元件发生扰动可能会迅速波及全系统 近年来 世界各国发生了多起大停电事 故 对国民经济和社会生活造成极大的影响 我国电网建设正处于快速发展的阶段 预计在 十一五 期间 我国将建成一 个远距离 大容量 西电东送 南北互供 全国联网 的巨型电力系统 当前 我国电网仍然存在一些问题 1 3 j 4 1 例如 我国处于全国联网的初期 交 流弱联系统的安全稳定问题突出 在某些运行方式下可能诱发低频振荡 电网无功 补偿容量不足 没有实现分层分区平衡 从而影响了电压质量 造成部分电网电压 波动幅度较大 负荷中心的电源支撑不足 影响了电网的安全运行 部分装备质量 不高 一定程度上影响了电网的安全 可靠 高效与灵活运行 在新的形势下 当某一区域电网发生重大扰动事故 必将通过相关断面的联络 线影响相邻的区域电网 致使全网功率失衡 为了更好的研究可能引发的问题 我 们首先分析了国内外众多大停电 然后对最近三次比较典型的大停电事故进行了详 细研究 表2 1 国内外一些典型大停电事故的事件序列发展过程总结 时间事故名称事故发展过程的关键事件序列停电损失 线路过负荷一后备保护误动一其他4 条线路 最长停电时 美国东北部大 也因过负荷相继跳闸一潮流转向一过负荷造 间1 3 h 影响 1 9 6 5 1 1 9 成暂态稳定破坏一联络线先后纷纷跳闸一美 停电事故居民3 0 0 0 万 加联合电网解列成4 个部分一解列后各子系 统内部功率不平衡一大面积停电 人 雷击线路跳闸一联络线过负荷一人为降低系 统电压一馈线9 2 故障一北部与系统解列一变停电时间达 美国纽约停电 压器s 1 自动跳闸一联络线过负荷一移相器故 2 5 小时 引起 1 9 7 7 7 1 3 事故 障一系统频率下降一自动电压调节器降低励 贫民纵火与 磁电流一失磁继电器跳闸一系统失稳一系统 抢劫 全停 线路故障一另一平行线路保护误动一切除该 美国西部电网 线路一负荷重新分配一系统频率降低 电压下 19 9 6 7 2 降一2 s 后又一条输电线距离继电器误动导致 损失负荷 大停电事故1 1 8 5 0 m w 被切除一电压持续下降一线路的不断切除一 系统失稳 4 华北电力大学硕士学位论文 电网运行在不安全正常状态一线路触树短路 一警报系统失灵一保护动作跳闸一多回输电损失负荷 北美大停电事 线路跳闸一潮流大范围转移一系统发生摇摆6 1 8 g w 停 2 0 0 3 8 1 4 和振荡一局部系统电压进一步降低一发电机电8 州1 省 故 组跳闸一系统功率缺额增大一进一步发生电影响5 0 0 0 万 压崩溃一更多的发电机和输电线路跳开一大人 面积停电 电力控制中心收到变压器危险警报一切除该 英国伦敦停电变压器一进行倒闸操作 重新安排运行方式一损失负荷 2 0 0 3 8 2 8 事故线路自动保护继电器误动一断开了输电与供7 2 4 m w 电的连接一停电 火灾停运一台变压器一过热发生爆炸造成另 俄罗斯莫斯科外4 台变压器停运一过负荷导致最后一台变损失负荷 2 0 0 5 5 2 5 大停电事故压器爆炸一负荷重新分配后导致其他变电站8 0 0 m w 自动跳闸一大面积停电 浙江电网停电 线路故障一保护动作跳闸一潮流转移一输送 甩 负荷 19 7 2 7 2 0 功率超过静稳定极限一电网频率急剧下降一 2 5 0 m w 损失 事故 杭郊线相继跳闸一浙江电网全面瓦解2 0 0 万元 湖北电网停电继电保护误动一调度人员没有按要求处理一少发电量 19 7 2 7 2 7 事故系统频率下降 电压崩溃一大面积停电 4 0 7 k w h 安徽电网停电 电压互感器爆炸起火一保护拒动一送电线路 19 8 0 7 2 7 先后跳闸一潮流转移一过负荷造成稳定破坏 损失负荷 事故3 2 0 m w 一系统剧烈振荡一系统瓦解一大面积停电 线路故障一保护动作跳闸一系统稳定破坏发 华中电网停电 生振荡一青山1 1 号机因失磁停机一通信不畅 19 8 2 8 7 丹江自行减出力 切机一系统频率振荡一一些 损失负荷 事故 5 8 4 5 m w 调相机 主变压器纷纷跳闸一电网失去大量无 功电源一系统电压急剧下降一大面积停电 线路故障一一系列保护拒动 误动一三个 广东电网停电 2 2 0 k v 变电所全停 1 3 条2 2 0 k v 线路跳闸和 少供负荷 19 9 0 9 2 0 黄埔电厂4 台机与系统解列一进一步造成线 8 0 0 m w 少送 事故 电量1 1 7 1 万 路过负荷一线路故障跳闸一调度误令一北网 k w h 频率崩溃而全停 台风引起大量线路故障跳闸一2 2 0 k v 玉官线 海南电网停电短路故障一2 2 0 k v 玉洲变电站玉官线线路保 总计损失负 2 0 0 5 9 2 6 事故 护的直流电源异常一玉洲侧线路保护节点一 荷6 2 5 其他主要线路保护 机组先后跳闸一主网崩溃 某5 0 0 k v 线路跳闸一断面潮流转移一其他线 路严重过载一然后保护动作跳闸一切机切负 河南减供负 华中 河南 电荷 电网趋于平稳一电网电压水平急剧下降 荷2 7 6 5 m w 2 0 0 6 7 1 华中电网共 网停电事故系统处理振荡现象一一些机组相继保护动作 跳闸一调度员采取切负荷及低频减载动作等 损失负荷 3 7 9 4 m w 措施一振荡平息 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 美加大停电 2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东北部电网和加拿大联合电网发生了有史以来影响最大 的电网停电事故 事故波及9 3 0 0 平方公里的地区 美国的6 个州和加拿大的两个 省都受到了严重的影响 涉及5 0 0 0 万人 损失负荷6 1 8 0 0 m w 共有2 6 3 个电厂5 3 1 台机组跳闸 1 停电过程 1 3 3 1 3 4 俄亥俄北部e a s t l a k e 电厂某机组跳闸 使周围地区失去重要的无功电 源 从1 5 0 5 到1 5 4 1 c h a m b e r l a i n h a r d i n g h a n n a j u n i p e r 和s t a r s o u t hc a n t o n 三 条3 4 5 k v 线路 先后因对地放电重合失败断开 1 6 0 5 5 7 s a m m i s s t a r3 4 5 k v 线路因严重过负荷跳闸断开 该线路断开后 北 o h i o 的负荷甩向南部及东部 由此在东北部发生不停止的连锁反应 大量线路因过 负荷而跳闸 此后 东部电网继续解列 1 6 1 0 4 6 1 6 1 0 5 4 纽约一新英格兰输电线路断开 1 6 1 0 4 9 纽约输电网分解为东部和西部 1 6 1 0 5 0 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 1 6 1 1 2 2 康涅狄克西南部与纽约城解列 1 6 1 1 5 7 安大略与密歇根东部的其他输电线断开 1 6 1 3 连锁跳闸结束 2 事故原因 在线静态安全分析和状态估计工具不力 调度员无法应对线路过载和接地故障 的连锁跳闸 故障伊始 多条线路对树放电跳闸 输电走廊维护不够 保护设计不完善 许多线路因重负荷和低电压 由距离3 段跳闸 长线甚至出 现距离1 段跳闸 加剧了事故后果 这一事故再次暴露了多边协议调度在事故处理下的问题 而n e r c 在东北电力 系统的机构一东北区电力协调委员会 n p c c 和大西洋中区委员会 m a a c 只负责协 调跨区供电范围内的问题 当问题由局部问题变为区域问题的时候 n e r c 的干预 可能己经为时已晚 2 1 2 西欧大停电 欧洲当地时间2 0 0 6 年1 1 月4 日 欧洲电网发生一起大面积停电事故 4 6 2 1 事 故中欧洲u c t e 电网解列为3 个区域 各个区域发供电严重不平衡 相继出现频率 低周或高周情况 事故影响范围广泛 波及法国和德国人口最密集的地区以及比利 时 意大利 西班牙 奥地利的多个重要城市 大多数地区在半小时内恢复供电 最严重的地区停电达1 5 h 整个事故损失负荷高达1 6 7 2 g w 约1 5 0 0 万用户受到 6 华北电力大学硕士学位论文 影响 一 1 停电过程 2 1 2 9 e o n 公司将双回线路d i e l e c o n n e f o r d e 停运 随后 e o n 电网和r w e 电网之间3 8 0k v 联络线l a n d e s b e r g e n w e h r e n d o r f 的潮流由6 0 0m w 升至1 2 0 0m w 2 1 4 1 e o n 公司在和r w e 公司的联系中得知 线路l a n d e s b e r g e n w e h r e n d o r f 在r w e 侧的保护定值与e o n 侧不同 r w e 侧的保护定值为1 9 9 5 a e o n 侧为 2 5 5 0 a 当时的线路电流接近1 7 8 0 a 2 2 0 5 2 2 0 7 l a n d e s b e r g e n w e h r e n d o r f 潮流增加1 0 0m w 超过r w e 侧1 7 9 5 a 的保护报警值 2 2 1 0 e o n 公司将l a n d e s b e r g e n 变电站2 条母线合母运行 线路 l a n d e s b e r g e n w e h r e n d o r f 立即跳闸 2 s 后 2 2 0 k v 线路b i e l e f e l d o s t g u t e r s l o h 跳闸 2 2 1 0 1 9 3 8 0 k v 线路b e c h t e r d i s s e n e l s e n 跳闸 此后 连锁反应向南部蔓延 u c t e 电网最终解列为3 个子网 2 事故原因 本次事故是一次典型的跨区域连锁故障 起因是超过预测的潮流以及网络的多 重开断共同引起的过负荷 在故障发展过程中起重要影响的因素有以下五点 第一 电网间联络线的负荷预测值不一致 第二 电网间继电保护整定值不一致 第三 各电网的备用发电容量不足 尤其是恶劣气候等紧急情况下热备用容量不足 第四 紧急状态下削减负荷的措施不一致 第五 调度员对预警信息不够重视 2 1 3 华中 河南 电网事故 2 0 0 6 年7 月1 日晚 华中电网发生事故 事故前华中电网为夏季大负荷方式 华中电网负荷6 0 1 4 0 m w 其中河南1 7 0 4 0 m w 湖北1 2 3 4 0 m w 四川1 0 8 4 0 m w 湖南9 2 1 0 m w 江西5 4 1 0 m w 重庆5 3 0 0 m w 三峡左岸电站1 4 台机运行 出力 7 6 8 0 m w 事故使2 6 台机组推出运行 总装机容量6 3 4 0 m w 电网损失负荷共计 2 5 8 0 m w 1 停电过程 2 0 4 8 0 0 河南电网一5 0 0 千伏变电站 因与其相连的某双回线之第二回线路运 行中发生差动保护装置误动作 而导致2 台开关跳闸 2 0 4 8 1 0 此双回线之第一回线路差动保护装置 过负荷保护 动作 又导致该 变电站另外2 台开关跳闸 而对侧变电站安全稳定装置拒动 事故发生后 河南省电力调度中心紧急停运部分机组 迅速拉限部分地区负荷 稳定系统电压 此后不久 河南电网多条2 2 0 千伏线路故障跳闸 l 座5 0 0 千伏变 电站及部分2 2 0 千伏变电站出现满载或过负荷 一些发电厂电压迅速下降 河南电 7 华北电力大学硕士学位论文 网有2 个区域电网的潮流和电压出现周期性波动 电压急剧下降 系统出现振荡 由于受振荡影响 部分发电机组相继跳闸停运 河南省电力调度中心紧急切除 某地区部分负荷 拉停部分2 2 0 千伏变电站主变压器 国家电力调度中心下令华中电网与华北电网解列 调度下令 华中电网送南方 电网的江城直流功率功率由3 0 0 0 m w 降为1 5 0 0 m w 送华东电网的龙政直流功率由 3 0 0 0 m w 降为2 2 4 8 m w 2 1 0 5 在调度员采取了一系列切机切负荷及低频减载动作后 系统振荡逐渐平 息 2 事故原因 这次事故的原因主要有以下四点 第一 运行方式安排欠妥 检修方式安排 5 0 0 k v 郑州变1 号母线长时间停电 电网长期处于异常运行状态 而且 针对5 0 0 k v 郑州变l 号母线停电重大检修方式下对篙郑i n 线重要断面的重视不够 安全与效益 的关系处理不当 导致篙郑i n 线长时间过负荷运行 事故前达到2 1 0 万k w 第二 继电保护及安全自动装置等二次设备管理不到位 篙郑i 1 1 线进日保护r e l 一5 6 1 保护装置的过负荷保护应该设置为 报警 而现场误设置为跳闸 长时间没有发 现 电流互感器断线闭锁信号应接入报警回路 也没有接入 第三 电网结构不强 过于依赖远切 联切等安全稳定控制装置 此次事故 篙山变电站安全稳定装置动 作判据存在原理缺陷 在系统发生故障时拒动 使事故进一步扩大 第四 高低压电 磁环网未能打开 导致5 0 0 k v 篙郑i h 线相继跳闸后 潮流迅速转移到2 2 0 k v 线路通道上 造成豫中与豫北 豫西多条2 2 0 k v 联络线过负荷 引起故障跳闸 2 2 电网n k 连锁故障过程分析 通过对以上大停电事故和最近三起典型大停电事件的简要分析 可以看出电网 大停电事故是由一系列具有因果关系的扰动故障逐级演变而成 事故发展过程具有 阶段性 偶然性和隐蔽性 1 阶段性 一般而言 大停电都可以分为起始 扩大和崩溃三个阶段如图2 1 起始阶段 由于不同的原因 设备故障 保护误动 系统运行状况异常 个别 元件发生故障 该阶段扰动的出现有不可控性且具有一定的随机性 扰动程度和影 响范围有限 扰动的后果是可控的 扩大阶段 初始扰动发生后 未能引起相当的重视 调度处置不当或者由于初 始扰动引发其他的设备 一次设备和保护装置 的运行状况异常并跳闸 这些因素扩 大了事故的影响范围并使系统运行状况恶化 导致部分元件 线路 机组 过载 而 且部分过载元件的保护设置不当并切除元件 进一步恶化系统运行状况 系统处于 稳定边界 这个阶段的扰动属于部分可控 如果能执行正确的处置方案以及合理的 8 华北电力大学硕士学位论文 保护定值 则可以将事故控制在有限的范围内 崩溃阶段 由于之前的一系列故障导致局部甚至全网功率不平衡 潮流大范围 转移 引发大量线路跳闸 系统发生振荡甚至解列 机组因功角 频率或电压等保 护动作而跳闸 系统电压 频率崩溃 全网大面积停电 这个阶段的扰动属于不可 控 影响范围波及全网 系统最终失稳 图2 1 连锁故障发展流程简图 阶段1 阶段2 阶段3 可见 事故的扩大阶段最为关键 如果措施得当 保护配置无误 一定程度上 大停电是可以避免 但遗憾的是 历次停电事故中尤其是事故发展阶段都存在着一 些人为因素和失误 对事故的扩大起了推波助澜的作用 值得指出的是 在绝大多 数停电事故中 都存在着潮流大范围转移引起的线路过载跳闸 直接导致了最终的 大面积停电 但这不是原因而是功率不平衡造成的后果 如果能合理安排运行方式 优化电源配置并且配置合理的应急措施f 如通过稳定控制来切机 切载限制输电断面 潮流 那么可以将事故影响范围限制在有限的区域内 即可以最大程度的避免全网 崩溃 将事故的损失降至最低 我国当前由于厂网分家 电网规划与电源规划存在脱节现象 电源过于集中 电网存在输电瓶颈 一旦输电通道受阻 势必造成全网各区域功率不平衡 即便稳 控装置可以通过切机 切负荷用以平衡区域功率 但这个代价却是巨大的 2 偶然性 分析中发现 在事故发展过程中存在众多的不确定性因素f 如保护拒动 线路过 载下垂对地短路 如美加停电中多处线路发生的对地短路事故源于线路走廊疏于管 理 这些事故在一定程度上是可以避免的 3 隐蔽性 继电保护本应是阻止故障扩大的 防火墙 但在历次大停电事故过程中却成 9 华北电力大学硕士学位论文 了扩大事故的一个主要因素 部分保护整定不合理 5 一l 虽然按整定值正确动作但从 系统整体而言却是错误的 在系统正常状态下不会出现任何问题 但在系统异常状 态时 其动作行为却与预想相反 这就给事故扩大埋下了隐患 存在着相当的隐蔽 性 此类故障需要通过在不同运行方式下的事故预想以及时域仿真来验证 合理考 虑元件的实际过载能力以优化保护配置 所以在一定程度上是可以避免连锁故障因 事故起因迥异 进程长短不一 但发展过程都表现为一系列元件的相继断开事件的 发生 2 3 连锁故障发展阶段中推动故障传播的主要因素 通过分析我们知道大电网中的故障连锁反应是一个动态的 持续时间较长的过 程 整个过程中系统本身以及系统中各个元件的运行状态都在阶段性地发生着变 化 对连锁故障的研究 首先要明确促使故障传播的主要因素 因为只有这样才能 了解将来的研究中需要着重注意哪些方面 明确研究的重点 通过对国内外数次大规模电网连锁故障的分析可知 在连锁故障的发展过程中 推动故障传播的主要因素包括三个方面 潮流的大规模转移 继电保护的不恰当动 作以及受端电网的无功支撑不足 下面将分别讨论如下 一 潮流的大规模转移 当电网正常运行时 每条线路都带有一定的初始负荷 在某条线路断开后 系 统原来的潮流将发生变化 原本流过这条线路的潮流会转移到其它线路上去 从而 引起其它线路的潮流增加 一旦其它线路无法承担新增加的负荷而退出运行时 就 会引起新一轮的负荷分配 这将引发连锁性的过负荷 并最终导致网络的大面积瘫 痪和大规模停电事故的发生严重时导致线路断开 而由潮流转移引起的线路开断又 可以分为下面两种情况 1 线路下垂触物体跳开 随着潮流的增加 线路发热量也随之增大 由于热胀冷缩效应从而导致线路的 垂度增加 如果线路潮流变得非常重 线路就有可能下垂到与它下方的某个物体 常 常是树木 接触而发生接地故障跳开 在美加电网8 1 4 大停电事故中 由于这个原 因造成的线路跳闸事件非常多 线路发生这种因下垂触物的接地故障的概率与很多因素有关 但当杆塔的高 度 导线的材质以及架空线路下树木的最高限定高度确定后 我们可以认为它与流 过导线的电流 风速 环境温度和时间有关 p f 1 w t f 上式中 p 为发生线路触树 或其它物体 的概率 l 为流过线路的电流的有效值 w 为故障发生时的风速 t 为当时的环境温度 t 为线路与物体接触的时间 因为p 1 0 华北电力大学硕士学位论文 与环境温度有关 所以这类事故通常在夏天发生 夏季时环境温度高 当线路由于 潮流严重而发热时 过高的环境温度会加剧线路的过度发热 而冬天发生的概率会 低很多 此外 由于导线温度增加需要一定的时间 所以这类事故一般仅在连锁故 障的发展阶段出现 连锁故障的高潮和崩溃阶段由于持续时间非常短 通常不需要 考虑这类事故 2 距离i i i 段保护或过流保护i i i 段的动作 距离i l i 段保护和过流保护i l i 段保护的整定原则分别是 起动值躲开正常运行 时最大负荷情况下的负荷阻抗和负荷电流的 当潮流的增加使得某条线路过负荷特 别严重时 距离i i i 段保护由于无法区分潮流转移引起的过载和远方短路故障引起 的过载 从而可能引起线路的距离i i i 段保护跳闸 当某条线路切除后 电网拓扑 结构发生改变导致的线路过载同样易造成线路过流保护i i i 段误动 总而言之 潮流的大规模转移是连锁故障发展阶段中推动故障传播的主要因素 之一 具体的潮流转移情况与初始故障情况 电网结构以及电网当时的运行状态等 有关 好的电网结构有可能会减少连锁故障的威胁 这也是目前研究连锁故障的 热点之一 二 保护的不恰当动作 保护动作也是推动连锁故障发生的重要原因 在一次大规模连锁故障过程中 保护动作的次数可能高达上百次 要想准确地研究连锁故障的发生发展过程 必须 既要考虑保护的正确动作 还要考虑保护的不正确动作的情况 1 保护的正确动作 从总体上来说 继电保护是一种可靠性非常高的装置 因此在一次连锁故障过 程中 绝大部分保护动作都属于正确动作 如上文中所说的线路触树跳闸和距离i i i 段保护跳闸 以及历次大停电事故中经常出现的低压保护动作切发电机 保护本身 都是根据其预先的设置正确动作的 但出现的问题是 由于目前电网中的保护以及 其它安全自动装置都是根据本地电气信息动作的 相互之间缺乏协调配合 这就导 致有的保护动作不仅不能增加系统的稳定性 反而还会推动连锁故障的传播 美加 8 1 4 大停电最终报告中就指出 如果某些线路的距离3 段保护不动作 让线路坚持 重载运行若一干分钟 调度人员就有可能意识到电网所处的危险状态并采取相应的 措施阻止故障的继续连锁 2 保护的隐性故障 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 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 隐性故障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 继电保护设备的隐性故障会引发电网连锁故障或加剧电网连锁故障 1 1 华北电力大学硕士学位论文 的发展 由隐藏而导致的方停电事故并不少见 如1 9 9 6 年7 月2 日美国w s c c 电 网的大停电事故和2 0 0 3 年8 月2 8 日发生在英国伦敦的停电事故都是典型的由隐藏 故障造成停电的例子 三 受端电网的无功支撑不足 传统意义上的电压崩溃发生在负荷非常重的 有故障发生的或者无功短缺的电 力系统中 其发生的机理是 当系统失去了某些发电 输电设备或系统负荷增加严重 而导致系统电压将下降 电压的降低使得电容器和线路充电电容发出的无功减少 系统无功的不足引发电压进一步下降 如果这种下降过程一直持续下去 将会引起 其它设备跳开 又再促使电压降低并失去部分负荷 这是一个渐进式的 不可控的 过程 引发这一过程的原因是由于系统不能满足负荷的无功需求 而不是由于设备 的过负荷 事实上 受端系统无功电源不足常常是驱使线路相继开断的一个很重要的原 因 因为在系统的某个传输功率断面上 一条线路的开断导致潮流的大规模转移 从而加重其余线路的有功潮流 同时加大线路的无功消耗并降低线路末端的电压 这时 如果线路末端无功电源不足 那么为了维持线路末端电压不至于太低 线路 就需要传输更多的无功 但是传输越多 消耗也就越大 这一过程将大大增加流过 线路的电流的无功分量 使得流过线路的电流的有效值逐渐接近并超过允许的极限 值 最终导致线路因接地故障断开或直接由保护距离i i i 段动作断开 2 4 本章小结 对各主要大停电事故的分析可见 大停电事故是由具有因果关系的一系列扰动 故障逐级演变而成 事故发展过程具有阶段性 偶然性和隐蔽性 但此类事故并非 完全不可避免 在研究电力系统连锁故障特性及其改进措施时 根据系统的具体运 行方式及配套安全措施来分析电网 并根据发现的问题予以改进 1 规划 此时就可以考虑在较长的时间跨度内通过新建线路 新增并优化电 网布局 开发正确和可靠的安全控制措施 加强继电保护等管理工作 消除事故隐 患 2 运行 这属于较短的时间范围 应制定合理的运行方式 做好实时监控 准备适当的事故处理预案 将发生大停电的概率降至最低 这两个方面各有侧重和 不同 从根本上而言 更应注重规划方面的研究 尤其我国当前的能源布局的限制 更应注重和加强对电网可靠性的研究 1 2 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章电网连锁故障模型分析 为了探索电力系统连锁故障的机理 学者们在分析了电力系统的宏观网络拓扑 结构和微观物理特性的基础上 提出了一系列的连锁故障模型 这些模型基本上可 以分为三类 一是纯粹基于网络宏观结构的静态模型 此类模型主要立足于复杂网 络基础理论 从网络结构的角度研究网络对于各种攻击或故障的承受能力及发生连 锁故障的可能性等问题 主要包括隔离中心性模型 m o t t e r l a i 模型和有效性能模 型 二是元件级联失效型模型 该类模型不考虑电网的具体传输结构 仅考虑过负 荷导致元件失效而形成级联或连锁故障 主要有基于负荷转移的c a s c a d e 模型和 分支过程模型 三是基于电网动态特性描述的模型 如基于直流最优潮流的o p a 模 型 基于近似直流潮流和隐故障机理的隐故障模型 基于交流潮流和负荷切除的 m a n c h e s t e r 模型等 下面将分别简要介绍 3 2 连锁故障模型 3 2 1 基于网络拓扑结构的连锁故障模型 井 1 相隔中心模型 相隔中心性模型又称为h o l m e k i m 模型 该模型主要关注网络拓扑变化所导致 的过负荷 其基本假设是任意两节点之间信息或能量的交换都通过最短路径进行 该模型选择相隔中心性 b e t w e e n n e s sc e n t r a l i t y 来评估网络中的节点和边的负荷和 容量 即节点y 的相隔中心性c 8 p 和边e 的相隔中心性g 0 定义分别为 g 荔警 q 2 善磊 警 2 式中 对于 且 v 的所有节点对 6 为缈与 之间最短路径数目 6 o 为 与 之间经过y 的最短路径数目 6 为y 与缈之间所有最短路径数目 6 e 为节点 与 之间包含边e 的最短路径数目 当c 口 p c 甲为相隔中心性的最大值 时 则边e 过负荷 则将其从图 中移除并重新计算c 日 如此反复则会在一个时间段内形成 故障雪崩 同样的 如果节点v 过负荷 则仅在图中删除连接到该节点的所有边 但节点v 并没有删除 华北电力大学硕士学位论文 在后续过程中仍可能被重新连接 该模型使用下述三个特征量来衡量系统功能 边 的数目 最短路径长度的倒数和最大连通子图s 的规模 由此可见 为防止过负荷 节点和边的容量必须随网络规模增大而增加 该模型在电力系统中的应用存在局限性在于 该模型以无标度网络模型为基 础 而电力网未必是无标度网络 模型的网络是任意生长变化的 这与电网建设的 有序性不符 模型假设网络各节点容量的最大均值相同 这亦与实际电网不符 2 m o t t e r l a i 模型 该模型与相隔中心性模型基本类似 也采用某节点的最短路径的总数来定义节 点负荷 该模型假设节点f 的容量c 0 口 厶正比于其初始负荷 其中 厶表示初 始负荷 口为网络的耐受性参数 其物理意义是网络节点处理负荷增长的能力亦即 抵御干扰能力 该模型假设各节点容量不同 节点故障时也要将该节点从网络中移 除 连锁故障的发生时间远小于网络生长时间 因此不考虑网络生长 3 有效性能模型 该模型引入有效性能概念将电网描述为赋权图 该图用n n 矩阵 p 表示 其 中 为节点i 与j 的之间的有效性能值 1 0 l 若两点之间没有边相连则勺一0 否则e i i 0 由于p 表示连接节点i 与i 的边的传输负荷性能水平 故e 越大表示这 条边传输负荷的能力越强 系统中任意两个节点之间的任意一条路径的有效性能等 于它通过所有边的有效性能之和 若某条路径的有效性能值达到最大 则称之为最 有效路径 进一步 模型中节点i 的负荷厶o 定义为t 时刻通过节点i 的最有效路径 的总数 而节点i 容量满足c 以 0 即节点容量正比于其初始负荷该厶 0 此 外 该模型还假设两点之间的负荷是通过最有效的路径传输 具体计算时 故障导致的节点移除会改变节点之间的最有效路径 进而改变负 荷分配 并导致若干节点过负荷 使得与这些负荷节点相连的所有边的有效性能值 下降 最终导致通过这些节点的所有最有效路径的有效性能值下降 如果这些原来 的最有效路径的有效性能值低于其他路径 则负荷将选择有效性能值更高的路径传 播 从而引发负荷的重新分配 形成连锁故障 最有效性能模型t 时刻的迭代规则 为t f 上盟 l i t c e j t 1 厶o g 一 l 勺o 厶o s c rq 有效性能模型的特点有三 一是当网络为非连通网络时 利用有效能的概念同 样可以评价该网络的性能 此时任意两个非连通子图网络之间的节点间的有效性能 值为0 二是当节点过负荷时 该节点不会从网络中删除 并且当过负荷节点的负 荷降到额定值以下时 这些节点可能通过重新接入网络而再次正常工作 三是克服 1 4 华北电力大学硕士学位论文 了以往研究中通过移除系统中一定比例的元件 进而评估故障能在多大程度上影响 网络运行的方法的局限性 而是采用了动态仿真法 认为一个元件故障不但能对网 络行为产生直接影响 还会导致其他元