CN111898883A - 考虑经济效益的连锁故障风险评估与预防控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑经济效益的连锁故障风险评估与预防控制方法，连锁故障风险评估通过建立基于实时运行条件的线路停运概率模型，并通过连锁故障概率计算、连锁故障后果计算，最终得到连锁故障的停电风险；为了保证预防控制的经济性和计算的快速性，利用预防控制模型得到经济性的控制策略流程。本发明通过对连锁故障的评估，提出故障阻断对策，预防连锁故障；在考虑经济效益的基础上提出更加适用的稳定控制原理。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑经济效益的连锁故障风险评估与预防控制方法。属于电力技术领域。
背景技术
随着电力需求的不断增加，电网迅速发展。至20世纪末，世界电网的发展已经进入大规模互联电网阶段，形成了具有跨区或跨国电力传输能力的大型同步电网。大规模互联电网虽然解决了电力资源的优化配置问题，但同时也加大了发生电力***连锁故障的风险。在世界范围内，也曾因为连锁故障导致了多起大面积停电事故。如：2003年8月14日发生的美加大停电，由于在高温天气下线路跳闸，引发线路过负荷连锁跳闸，最终***崩溃引发大停电；2011年9月8日美国西南太平洋电网崩溃，由于高温重负荷条件下一条500 kV线路故障，负荷转移造成变压器过负荷跳闸相继退出运行，引起连锁反应最终引发大停电；2012年7月30日与7月31日，印度电网发生两起大停电事故，均是由于北部和西部电网400kV联络线线路跳闸，***负荷转移触发连锁反应，最终导致电网崩溃；2005年9月我国海南发生大面积停电，2008年1至2月中国南方由于冰灾发生大面积、长时间停电事故，2006年7月1日华北华中联网***河南电网内多条500和220kV线路跳闸导致华中电网发生大范围功率振荡等。
连锁故障虽然发生频率较低，然而一旦发生，造成的社会、经济影响将是重大的，对于连锁故障及其预防控制的研究极为必要。通过对历史停电事故的分析得知，对于连锁故障的评估，关键在于如何实时发现电力***潜在的故障元件，并分析各元件故障间的相关性，找到可能的故障发展路径，在此基础上及时提出故障阻断对策，预防连锁故障。
“三道防线”是我国老一辈电力工作者对电力技术的重大贡献，是电力***防御控制的基础，包括继电保护与预防控制、紧急控制和校正控制。伴随电网的发展，稳定控制的研究从未间断过，到目前为止已经有相当多的研究成果。基于预想事故集的暂态稳定预警与预防控制***已经建立，通过调节***控制变量，合理安排运行方式来提高***的暂态稳定水平。此外，针对复杂的故障，有文献提出了基于轨迹灵敏度的暂态稳定预防控制方法，将预防控制问题转化为以发电机有功输出为控制量的非线性规划问题。同时，紧急控制的研究也从传统的基于策略表离线计算的远切、联切，逐步发展为充分利用计算机并行处理和扩展等面积准则的OPS-1在线预决策，这一“在线预决策，实时匹配”的思想使得紧急控制的水平向前迈进了一大步。目前，许多研究者逐步开始在广域策略信息基础上探索暂态稳定和功角轨迹预测的实时预测、实时控制方法。根据预防控制和紧急控制的互补性，也有文献提出了预防控制与紧急控制协调的执行方案。也有文献提出了紧急控制和校正控制的协调问题，并强调基于风险概念来协调这两种在物理和经济特性上都互补的控制方式。有文献对各道防线的协调进行了总结，并分析了协调防御中需要考虑的问题。
尽管随着现代电网复杂性的提高，国内外学者虽然越来越重视连锁故障的研究，但是针对连锁故障的控制研究却并不多。有文献从大停电的三道防线角度分别阐述了中国电网和俄罗斯电网在预防大停电事故中的电网结构特点，并给出一些工程上的预防建议措施。在广域保护和控制基础上，有文献综述了当前电网关于线路过负荷的主要措施，并在最后指出具有自愈能力的智能电网将对连锁事件起到缓解的作用，优化分析工具、自适应孤岛解列措施以及继电保护隐性故障辨识都将对智能电网这一功能的发挥起到重要作用。这些研究基于传统的控制原理和方法进行了大停电预防的探索，并没有考虑经济效益的基础上提出更加适用的稳定控制原理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种考虑经济效益的连锁故障风险评估与预防控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种考虑经济效益的连锁故障风险评估，其特点是：连锁故障风险评估模型包括如下步骤：
S1：基于实时运行条件的线路停运概率模型；
S1.1：基于线路自身故障因素的线路停运概率如下：
 |
式中：l om 为线路m的单位长度老化故障率，Len m 为线路m的长度，Line为***中线路的集合；
S1.2：基于潮流转移的线路停运概率：
线路n开断后，潮流转移引起的线路m的停运概率表示为：
 |
其中，
为线路n的负载率；
 |
式中：F n 为线路n开断前的潮流值，F max,n 为线路n的潮流极限值；
其中，A mn 表示线路n切除后线路m的潮流变化量与线路m原有潮流的比值；
 |
式中：F m 为线路n开断前线路m的潮流值，
为线路n开断后线路m的潮流值；
其中，线路负载率指标H mn 表示线路n切除后线路m负载率；
 |
其中，线路耦合指标B mn 表示线路n切除后线路m的潮流变化量与线路n原有潮流的比值；
 |
S1.3：基于隐性故障的线路停运概率；
隐性故障引起的线路m的停运概率可表示为：
 |
式中：p mis_b 为保护误动概率，p mis_d 为断路器误动概率；
保护误动的概率可表示为：
 |
式中： p Z 为保护最大误动概率；Z set 为整定阻抗，Z k 为测量阻抗；
；
S1.4：基于天气因素的线路停运概率；
将天气变化处理为正常和恶劣这2种天气情况的随机过程，由于长距离输电线路可能跨越多个气候区域，同一条线路在同一时刻可能处于不同的天气状况，则在两状态天气模型下，线路在第i个气候区域内单位长度的偶然失效故障率l ti 可表示为：
 |
式中：e为线路在恶劣天气下的故障比例，N1为正常天气持续时间比例，N2为恶劣天气持续时间比例，
为线路单位长度故障率的统计平均值，zi表示线路所处的气候区域i的天气状况，其中zi=0表示正常天气，zi=1表示恶劣天气；
线路总的偶然失效故障率lt为：
 |
式中：I为线路经过的气候区域数，li为线路在第i个气候区域的长度；
对于两状态天气模型，线路单独停运概率为：
 |
S2：连锁故障概率计算
假设电网具有u个连锁故障路径，则连锁故障路径集合和连锁故障路径可表示为：
 |
|
 |
式中：Tij为第i条连锁故障路径的第j个故障环节，j=1,2,...,v；
以连锁故障路径L1为例，该故障路径的发生概率为：
 |
式中：p1为初始故障概率，pj(j>1)为前一个故障发生后当前故障的概率；
S2.1初始故障概率
初始故障概率主要考虑线路自身故障因素的影响，因此初始故障概率为线路自身故障因素引起的线路停运概率，则线路m的初始故障概率为：
 |
S2.2后续故障概率
当线路m严重过载时，即线路m的潮流超过其极限值，第j-1次故障后线路m的停运概率为过负荷保护不拒动且断路器不拒动的概率，即有：
 |
式中：p inact_b 为保护拒动概率，p inact_d 为断路器拒动概率；
当无线路严重过载时，第j-1次故障后线路m的停运概率主要考虑潮流转移、隐性故障和天气因素的影响，即有：
 |
S3：连锁故障后果计算
从负荷产生的经济损失的角度计算连锁故障L1引起的后果S L1；连锁故障L1的后果为：
 |
式中：M为停电负荷的单位成本，Loss L1为连锁故障L1发生后***的失负荷量；
S4：连锁故障的停电风险
将连锁故障概率与连锁故障后果的乘积作为连锁故障风险，可得到连锁故障L1的停电风险：
 |
。 |
一种考虑经济效益的连锁故障预防控制方法，其特点是：连锁故障预防控制方法如下：
预防控制的经济性指标C为预防控制代价，停电风险指标R为各连锁故障路径的风险之和，***运行风险指标E，E为经济性指标和停电风险指标之和；
 |
|
 |
|
 |
式中：K G 、K L 和K分别为发电机集合、负荷集合和连锁故障路径集合；P Gi 、
、a i 分别为预防控制前发电机i的有功功率、预防控制后发电机i的有功功率和发电机i的调整代价系数；
、M分别为预防控制后负荷节点i的切负荷量和负荷损失代价系数；R Lk 为连锁故障路径i的风险；
为了兼顾安全性和经济性，使得控制措施带来的控制效果达到最佳，提出预防控制模型如下：
目标函数：
 |
约束条件：
 |
|
 |
|
 |
|
 |
式中：P Li 为预防控制前负荷节点i的有功负荷；
和F ij,max 分别为预防控制后线路ij的潮流和线路ij潮流的极限值；P Gi,min 为发电机i有功出力的下限，P Gi,max 为发电机i有功出力的上限。
进一步的，一种考虑经济效益的连锁故障预防控制方法，控制策略的实施按两个优先级进行，优先级1表示只进行发电机出力调节，优先级2表示发电机出力及切负荷调节；当优先级1计算出最优解时，则整个控制策略形成，算法结束，不进行优先级2的计算；当优先级1没有得出最优解时，表明仅仅依靠发电机的配对调节不足以满足条件，因此进入优先级2的调节计算；如果优先级2仍没有得到最优解，计算结束，且认定当前运行状态下***没有合适的预防控制措施，需要与紧急控制相配合。
进一步的，一种考虑经济效益的连锁故障风险评估，根据S4中，连锁故障L1的停电风险的计算公式，可求得其他连锁故障路径的停电风险。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种考虑经济效益的连锁故障风险评估与预防控制方法，通过对连锁故障的评估，提出故障阻断对策，预防连锁故障；在考虑经济效益的基础上提出更加适用的稳定控制原理。
附图说明
图1为预防控制策略流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明涉及一种考虑经济效益的连锁故障风险评估与预防控制方法，包括连锁故障风险评估模型和连锁故障预防控制方法；
连锁故障风险评估模型包括如下步骤：
S1：基于实时运行条件的线路停运概率模型；
S1.1：基于线路自身故障因素的线路停运概率；
线路自身故障因素主要考虑线路老化失效，线路老化失效引起的线路停运故障率l可根据当前运行工况下线路的运行年限，在通过历史统计数据得到的线路老化失效故障率曲线中可找到对应的数值。
假设电网处于同一地理、气象环境，则在相同的时间内，线路的停运概率与线路的长度和单位长度老化故障率成正比，将所有线路长度与单位长度故障率乘积的归一化数值作为线路停运概率，则有：
 |
(1) |
式中：l om 为线路m的单位长度老化故障率，Len m 为线路m的长度，Line为***中线路的集合。
S1.2：基于潮流转移的线路停运概率；
潮流转移引起的线路停运概率取决于线路的负载率以及该线路潮流变化对其他线路功率的影响。
定义
为线路n的负载率，则有：
 |
(2) |
式中：F n 为线路n开断前的潮流值，F max,n 为线路n的潮流极限值。
线路潮流变化对其他线路功率的影响可以用线路潮流波动指标、线路负载率指标和线路耦合指标来决定。
线路潮流波动指标A mn 表示线路n切除后线路m的潮流变化量与线路m原有潮流的比值，该指标越大，则线路潮流波动越大，有：
 |
(3) |
式中：F m 为线路n开断前线路m的潮流值，
为线路n开断后线路m的潮流值。
线路负载率指标H mn 表示线路n切除后线路m负载率，有：
 |
(4) |
线路耦合指标B mn 表示线路n切除后线路m的潮流变化量与线路n原有潮流的比值，该指标越大，说明线路n退出对线路m的潮流变化影响越大，有：
 |
(5) |
线路n开断后，潮流转移引起的线路m的停运概率可表示为：
 |
(6) |
S1.3：基于隐性故障的线路停运概率；
隐性故障作为保护装置中存在的一种固有缺陷，只有当***发生故障时这种缺陷才会表现出来，从而导致被保护元件的不恰当断开。当线路开断后全网潮流重新分配的过程中，可能会发生因保护或断路器误动引起的线路停运。由于单重隐性故障的概率已经很小，多重隐性故障的概率就更小了，因此本文不考虑多重隐性故障，则隐性故障引起的线路m的停运概率可表示为：
 |
(7) |
式中：p mis_b 为保护误动概率，p mis_d 为断路器误动概率。
针对保护误动的情况，本文以距离保护为例，并假设距离保护为全阻抗保护，设Z set 为整定阻抗，Z k 为测量阻抗。
根据全阻抗保护的动作特性，圆轨迹将阻抗复平面分为圆内和圆外两部分，分别对应着动作区和不动作区，而圆轨迹上处于动作的临界状态。假设保护误动概率在圆内误动概率为0，在圆周处误动概率最大，在圆外误动概率随着测量阻抗的增大而线性减小，且当测量阻抗增加到3Z set 时误动概率减小，因此保护误动的概率可表示为：
 |
(8) |
式中：
，p Z 为保护最大误动概率；断路器误动概率与断路器物理特性有关，可视为常数。
S1.4：基于天气因素的线路停运概率；
在实际电网中运行的输电线路是暴露在室外的，其故障率与所处的天气情况有关。在雷雨、台风、冰雪等一些极度恶劣的天气条件下，线路的故障率大大增加。为简化起见，将天气变化处理为正常和恶劣这2种天气情况的随机过程，由于长距离输电线路可能跨越多个气候区域，同一条线路在同一时刻可能处于不同的天气状况，则在两状态天气模型下，线路在第i个气候区域内单位长度的偶然失效故障率l ti 可表示为：
 |
(9) |
式中：e为线路在恶劣天气下的故障比例，N1为正常天气持续时间比例，N2为恶劣天气持续时间比例，
为线路单位长度故障率的统计平均值，zi表示线路所处的气候区域i的天气状况，其中zi=0表示正常天气，zi=1表示恶劣天气。
线路总的偶然失效故障率lt为：
 |
(10) |
式中：I为线路经过的气候区域数，li为线路在第i个气候区域的长度。
对于两状态天气模型，线路单独停运概率为：
 |
(11) |
S2：连锁故障概率计算
假设电网具有u个连锁故障路径，则连锁故障路径集合和连锁故障路径可表示为：
 |
(12) |
 |
(13) |
式中：Tij为第i条连锁故障路径的第j个故障环节，j=1,2,...,v。
以连锁故障路径L1为例，该故障路径的发生概率为：
 |
(14) |
式中：p1为初始故障概率，pj(j>1)为前一个故障发生后当前故障的概率。
S2.1初始故障概率
初始故障概率主要考虑线路自身故障因素的影响，因此初始故障概率为线路自身故障因素引起的线路停运概率，则线路m的初始故障概率为：
 |
(15) |
S2.2后续故障概率
①当线路m严重过载时，即线路m的潮流超过其极限值，第j-1次故障后线路m的停运概率为过负荷保护不拒动且断路器不拒动的概率，即有：
 |
(16) |
式中：p inact_b 为保护拒动概率，p inact_d 为断路器拒动概率。
②当无线路严重过载时，第j-1次故障后线路m的停运概率主要考虑潮流转移、隐性故障和天气因素的影响，即有：
 |
(17) |
S3：连锁故障后果计算
本文从负荷产生的经济损失的角度计算连锁故障L1引起的后果S L1。其中S L1主要考虑2个方面：连锁故障L1引起***解列造成的负荷经济损失和连锁故障L1引起的线路过载造成的负荷经济损失。
连锁故障L1的后果为：
 |
(18) |
式中：M为停电负荷的单位成本，Loss L1为连锁故障L1发生后***的失负荷量。
S4：连锁故障的停电风险
将连锁故障概率与连锁故障后果的乘积作为连锁故障风险，可得到连锁故障L1的停电风险：
 |
(19) |
以此类推，可求得其他连锁故障路径的停电风险。
连锁故障预防控制方法如下：
预防控制的经济性指标C为预防控制代价，停电风险指标R为各连锁故障路径的风险之和，由于控制措施对电力***的影响会以停电风险变化量的形式表现出来，而控制措施本身存在着控制成本，为了能够综合衡量停电风险和控制成本的变化情况，定义***运行风险指标E，并使E为经济性指标和停电风险指标之和。
在
 |
(20) |
 |
(21) |
 |
(22) |
式中：K G 、K L 和K分别为发电机集合、负荷集合和连锁故障路径集合；P Gi 、
、a i 分别为预防控制前发电机i的有功功率、预防控制后发电机i的有功功率和发电机i的调整代价系数；
、M分别为预防控制后负荷节点i的切负荷量和负荷损失代价系数；R Lk 为连锁故障路径i的风险。
为了兼顾安全性和经济性，使得控制措施带来的控制效果达到最佳，提出预防控制模型如下：
目标函数：
 |
(23) |
约束条件：
 |
(24) |
 |
(25) |
 |
(26) |
 |
(27) |
式中：P Li 为预防控制前负荷节点i的有功负荷；
和F ij,max 分别为预防控制后线路ij的潮流和线路ij潮流的极限值；P Gi,min 为发电机i有功出力的下限，P Gi,max 为发电机i有功出力的上限。
为了保证预防控制的经济性和计算的快速性，切负荷代价M要取一个足够大的正常数，以保证只有在调节发电机无法求出最优解时才加入切负荷措施，并且可设定调节发电机出力的优先级高于切负荷措施。具体做法如图1所示，整个控制策略的实施按2个优先级进行，优先级1表示只进行发电机出力调节，优先级2表示发电机出力及切负荷调节；当优先级1计算出最优解时，则整个控制策略形成，算法结束，不进行优先级2的计算；当优先级1没有得出最优解时，表明仅仅依靠发电机的配对调节不足以满足条件，因此进入优先级2的调节计算；如果优先级2仍没有得到最优解，计算结束，且认定当前运行状态下***没有合适的预防控制措施，需要与紧急控制相配合。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (4)
1.一种考虑经济效益的连锁故障风险评估，其特征在于：连锁故障风险评估模型包括如下步骤：
S1：基于实时运行条件的线路停运概率模型；
S1.1：基于线路自身故障因素的线路停运概率如下：
式中：λom为线路m的单位长度老化故障率，Lenm为线路m的长度，Line为***中线路的集合；
S1.2：基于潮流转移的线路停运概率：
线路n开断后，潮流转移引起的线路m的停运概率表示为：
其中，ηn为线路n的负载率；
式中：Fn为线路n开断前的潮流值，Fmax,n为线路n的潮流极限值；
其中，Amn表示线路n切除后线路m的潮流变化量与线路m原有潮流的比值；
式中：Fm为线路n开断前线路m的潮流值，F′m为线路n开断后线路m的潮流值；
其中，线路负载率指标Hmn表示线路n切除后线路m负载率；
其中，线路耦合指标Bmn表示线路n切除后线路m的潮流变化量与线路n原有潮流的比值；
S1.3：基于隐性故障的线路停运概率；
隐性故障引起的线路m的停运概率可表示为：
pbm＝pmis_b+pmis_d
式中：pmis_b为保护误动概率，pmis_d为断路器误动概率；
保护误动的概率可表示为：
式中：pZ为保护最大误动概率；Zset为整定阻抗，Zk为测量阻抗；Zset≤Zk≤3Zset；
S1.4：基于天气因素的线路停运概率；
将天气变化处理为正常和恶劣这2种天气情况的随机过程，由于长距离输电线路可能跨越多个气候区域，同一条线路在同一时刻可能处于不同的天气状况，则在两状态天气模型下，线路在第i个气候区域内单位长度的偶然失效故障率λti可表示为：
式中：ε为线路在恶劣天气下的故障比例，N1为正常天气持续时间比例，N2为恶劣天气持续时间比例，
为线路单位长度故障率的统计平均值，zi表示线路所处的气候区域i的天气状况，其中zi＝0表示正常天气，zi＝1表示恶劣天气；
线路总的偶然失效故障率λt为：
式中：I为线路经过的气候区域数，li为线路在第i个气候区域的长度；
对于两状态天气模型，线路单独停运概率为：
pcm＝1-e-λtt
S2：连锁故障概率计算
假设电网具有u个连锁故障路径，则连锁故障路径集合和连锁故障路径可表示为：
L＝{L1,L2,…,Lu}
Li＝{Ti1,Ti2,…,Tiv}
式中：Tij为第i条连锁故障路径的第j个故障环节，j＝1,2,...,v；
以连锁故障路径L1为例，该故障路径的发生概率为：
pL1＝p1p2p3...pv
式中：p1为初始故障概率，pj(j>1)为前一个故障发生后当前故障的概率；
S2.1初始故障概率
初始故障概率主要考虑线路自身故障因素的影响，因此初始故障概率为线路自身故障因素引起的线路停运概率，则线路m的初始故障概率为：
p1m＝pwm
S2.2后续故障概率
当线路m严重过载时，即线路m的潮流超过其极限值，第j-1次故障后线路m的停运概率为过负荷保护不拒动且断路器不拒动的概率，即有：
pjm＝(1-pinact_b)(1-pinact_d)
式中：pinact_b为保护拒动概率，pinact_d为断路器拒动概率；
当无线路严重过载时，第j-1次故障后线路m的停运概率主要考虑潮流转移、隐性故障和天气因素的影响，即有：
pjm＝pam+pbm+pcm
S3：连锁故障后果计算
从负荷产生的经济损失的角度计算连锁故障L1引起的后果SL1；连锁故障L1的后果为：
SL1＝MLossL1
式中：M为停电负荷的单位成本，LossL1为连锁故障L1发生后***的失负荷量；
S4：连锁故障的停电风险
将连锁故障概率与连锁故障后果的乘积作为连锁故障风险，可得到连锁故障L1的停电风险：
RL1＝pL1SL1。
2.一种考虑经济效益的连锁故障预防控制方法，其特征在于：连锁故障预防控制方法如下：
预防控制的经济性指标C为预防控制代价，停电风险指标R为各连锁故障路径的风险之和，***运行风险指标E，E为经济性指标和停电风险指标之和；
E＝C+R
式中：KG、KL和K分别为发电机集合、负荷集合和连锁故障路径集合；PGi、
ai分别为预防控制前发电机i的有功功率、预防控制后发电机i的有功功率和发电机i的调整代价系数；
M分别为预防控制后负荷节点i的切负荷量和负荷损失代价系数；RLk为连锁故障路径i的风险；
为了兼顾安全性和经济性，使得控制措施带来的控制效果达到最佳，提出预防控制模型如下：
目标函数：
min E＝C+R
约束条件：
式中：PLi为预防控制前负荷节点i的有功负荷；
和Fij,max分别为预防控制后线路ij的潮流和线路ij潮流的极限值；PGi,min为发电机i有功出力的下限，PGi,max为发电机i有功出力的上限。
3.根据权利要求1所述的一种考虑经济效益的连锁故障风险评估，其特征在于：根据S4中，连锁故障L1的停电风险的计算公式，可求得其他连锁故障路径的停电风险。
4.根据权利要求2所述的一种考虑经济效益的连锁故障预防控制方法，其特征在于：控制策略的实施按两个优先级进行，优先级1表示只进行发电机出力调节，优先级2表示发电机出力及切负荷调节；当优先级1计算出最优解时，则整个控制策略形成，算法结束，不进行优先级2的计算；当优先级1没有得出最优解时，表明仅仅依靠发电机的配对调节不足以满足条件，因此进入优先级2的调节计算；如果优先级2仍没有得到最优解，计算结束，且认定当前运行状态下***没有合适的预防控制措施，需要与紧急控制相配合。
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2020
- 2020-07-16 CN CN202010685838.4A patent/CN111898883A/zh active Pending
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