考慮線路停運(yùn)概率的電力系統(tǒng)連鎖故障阻斷控制

陳光 邵世暢

摘 要：現(xiàn)如今，電力系統(tǒng)連鎖故障已經(jīng)變成了大范圍停電事故的主要誘發(fā)因素，因此，對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)預(yù)防大型停電事故的發(fā)生起決定性作用。本文分析了電力系統(tǒng)連鎖故障模型，探討了循環(huán)完善搜索模式在電網(wǎng)連鎖故障分析中的應(yīng)用，對(duì)預(yù)防電力系統(tǒng)連鎖故障具有參考意義。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);連鎖故障;故障模型

引言

近年來(lái)，全球出現(xiàn)了很多由電力系統(tǒng)連鎖故障引發(fā)的停電事故。所謂連鎖故障，就是說(shuō)事故之間具有一定的聯(lián)系，前一個(gè)故障的發(fā)生引發(fā)了下一個(gè)故障的發(fā)生。由于特高壓互聯(lián)電網(wǎng)發(fā)展的規(guī)模越來(lái)越大，因此，如果由電力系統(tǒng)連鎖故障的發(fā)生，會(huì)給我國(guó)帶來(lái)巨大的損失。所以，準(zhǔn)確判斷出電力系統(tǒng)連鎖故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效地預(yù)防，在一定程度上能夠幫助國(guó)家電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.電力系統(tǒng)連鎖故障模型

1.1 OPA 模型

以研究負(fù)荷變化為基礎(chǔ)是OPA 模型的核心，主要對(duì)輸電系統(tǒng)系列停電的全局動(dòng)力學(xué)行為特征進(jìn)行探討。OPA模型包括了兩個(gè)時(shí)間量程，分別為快速與慢速，并將具有自組織特性的沙堆模型引入到電力系統(tǒng)中實(shí)施模擬。幾天到幾年這個(gè)時(shí)間段的描述為慢速時(shí)間量程，慢速反作用力經(jīng)過(guò)負(fù)荷增長(zhǎng)與針對(duì)故障的網(wǎng)絡(luò)性能改進(jìn)后，能夠使電力系統(tǒng)自組織達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;描述幾分鐘到幾小時(shí)的時(shí)間段為快速時(shí)間量程，停電過(guò)程分為內(nèi)線路連鎖負(fù)荷與連鎖線路故障兩種。直流潮流方程是OPA 模型的基礎(chǔ)，使用規(guī)范的方法對(duì)發(fā)電機(jī)功率調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行求解[1]。

OPA 模型存在著許多不完善的地方，比如使用的網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，與實(shí)際電網(wǎng)不一致;將所有系統(tǒng)元件相同的簡(jiǎn)單理想情況進(jìn)行了假設(shè);電網(wǎng)的控制是經(jīng)過(guò)模型中比較少的幾個(gè)參數(shù)完成的;模型參數(shù)與實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)的相對(duì)關(guān)系不明確;不能揭示模型中體現(xiàn)出來(lái)的自組織特性在電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制之間的分配原則。

1.2 CASCADE模型

假設(shè)有 n 條相同的傳輸線帶有不規(guī)則的初始負(fù)荷，初始擾動(dòng) d 導(dǎo)致某一個(gè)或某些元件產(chǎn)生了故障，這些故障元件所帶的負(fù)荷依據(jù)相應(yīng)的負(fù)荷分配原則轉(zhuǎn)移到其它所有無(wú)故障元件上，由此形成網(wǎng)絡(luò)連鎖故障，這是CASCADE連鎖故障模型的基本思想。

定義了歸一化后故障元件數(shù)目的概率分布函數(shù)f為CASCADE 模型最關(guān)鍵的工作。這個(gè)函數(shù)使采用了遞歸模型，完整的對(duì)在元件數(shù)目n 不同（n=1 和 n>1 兩種情形）和初始擾動(dòng) d 不同（包括 d≥1 時(shí)全部元件故障和 00、n>1、0

1.3分支過(guò)程模型

使用 Galton-Watson-Bienayme 的分支過(guò)程原理進(jìn)一步模擬與分析連鎖故障中元件的相互作用和故障元件總數(shù)的臨界性等，根據(jù)近似過(guò)程，可以得知以下結(jié)果：

（1）依據(jù)系統(tǒng)元件數(shù) n 為有限值且數(shù)值很大的真實(shí)狀況，將飽和形式的廣義泊松分布引入到故障分布描述中。

（2）CASCADE 過(guò)程中各階段的連續(xù)故障能夠近似相應(yīng)的飽和泊松分支過(guò)程。

（3）泊松分支過(guò)程與CASCADE 模型都能夠模擬出故障元件數(shù)目所表現(xiàn)出的“ 冪律尾”特性與臨界特性。經(jīng)過(guò)對(duì)泊松分布參數(shù)λ=np=1，n→∞的臨界情況下故障元件總數(shù)研究，不難看出，在臨界條件下分支過(guò)程相似的故障元件總數(shù)分布具有-3/2 的“ 冪律尾”的普遍特性指數(shù)，這印證了它在這類連鎖故障中尤為重要[2]。

1.4隱性故障模型

系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生某件事后，由于配置不合理、硬件損壞等原因造成的保護(hù)裝置缺陷，導(dǎo)致保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象，這被稱為隱形故障。在電力系統(tǒng)中，隱性故障可以被看成一種持續(xù)性的缺陷，隱形故障造成的直接后果為，在一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作被完成后，繼電器或繼電器系統(tǒng)可能不正確或不適時(shí)的將電路元件從移除系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中的隱形故障發(fā)生需要其他事件的引導(dǎo)，發(fā)生的可能性并不高，但一旦發(fā)生，造成的結(jié)果很有可能給電力系統(tǒng)帶來(lái)極大災(zāi)難。

隱性故障導(dǎo)致的功率損耗隨與隱性故障概率和負(fù)荷水平成正比;大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)則與旋轉(zhuǎn)備用容量和改進(jìn)控制策略成反比;避免擾動(dòng)進(jìn)一步傳播的最有效方法就是在每次跳閘后，都使用線性規(guī)劃再調(diào)度的控制方法。

2.循環(huán)完善搜索模式在電網(wǎng)連鎖故障分析中的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)有的電力系統(tǒng)故障模式搜索方法

連鎖故障的發(fā)生會(huì)給電網(wǎng)安全問(wèn)題帶來(lái)極大的困擾，模擬連鎖故障模式對(duì)搜索嚴(yán)重故障模式有很大幫助，能夠通過(guò)模擬找出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。現(xiàn)如今，我國(guó)電力工作者已經(jīng)意識(shí)到了預(yù)防電力系統(tǒng)連鎖故障的重要性，并在事故發(fā)生的基礎(chǔ)上，提出了一系列的預(yù)防辦法與搜索方式，比如解析法。以確定性判據(jù)作為基礎(chǔ)，如 N-1（或 N-K）判據(jù)，通常在安全檢驗(yàn)過(guò)程中被使用，解析法很容易被理解與實(shí)施，但也存在著粗多不足，比如對(duì)連續(xù)參數(shù)處理和不確定因素處理不方面，處理連鎖故障或多重故障也很繁瑣[3]。蒙特卡羅概率抽樣算法為隨機(jī)模擬的基礎(chǔ)，能夠?qū)⑦B鎖多重故障模擬出來(lái)，在時(shí)間允許的情況下，還能夠?qū)⑺泄收夏Ｊ剿阉鞒鰜?lái)，它的不足為不能足夠模擬基于時(shí)間序列的連鎖故障，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)動(dòng)作特性;通常以概率期望值表示風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，不容易被理解，計(jì)算要求的時(shí)間長(zhǎng)，在線應(yīng)用受到局限。

2.2 循環(huán)完善搜索模式

為了達(dá)到全面預(yù)測(cè)搜索電網(wǎng)連鎖故障的效果，并最大限度的綜合考慮各種初始故障的可能性與繼電保護(hù)動(dòng)作的不確定性，包括保障搜索結(jié)果的合理性，文章中介紹了一種搜索模式，即循環(huán)完善搜索模式。循環(huán)完善搜索模式根據(jù)初始故障的排序決策矩陣及排序計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)不斷對(duì)電網(wǎng)連鎖故障的循環(huán)搜索，在這個(gè)過(guò)程中，根據(jù)已有的搜索結(jié)果來(lái)優(yōu)化搜索起點(diǎn)的決策。在循環(huán)搜索的過(guò)程中，進(jìn)行交替數(shù)值計(jì)算程序與潮流、穩(wěn)定計(jì)算，每次斷開(kāi)初始故障及支路后，都判別相對(duì)的系統(tǒng)穩(wěn)定情況，如果系統(tǒng)失穩(wěn)，就要立即終止當(dāng)前的搜索;如果系統(tǒng)穩(wěn)定，就根據(jù)潮流的計(jì)算結(jié)果喲，對(duì)下一個(gè)可能的支路開(kāi)斷進(jìn)行判斷，指導(dǎo)結(jié)束條件出現(xiàn)，方可停止當(dāng)前的循環(huán)搜索，隨之開(kāi)始下一次的循環(huán)搜索。

結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了電力系統(tǒng)連鎖故障模型，探討了循環(huán)完善搜索模式在電網(wǎng)連鎖故障分析中的應(yīng)用，為預(yù)防因連鎖故障而導(dǎo)致的大型停電事故提供了參考途徑，期望相關(guān)研究人員能夠提出更有效的控制手段。

參考文獻(xiàn)

[1]丁巖，郭和強(qiáng)，王利利，李秋燕，孫義豪，關(guān)朝杰.基于隱馬爾可夫模型的電力系統(tǒng)連鎖故障預(yù)測(cè)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017，33（09）：93-98.

[2]張華一，張晶晶.基于脆性風(fēng)險(xiǎn)熵的電力系統(tǒng)連鎖故障預(yù)測(cè)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，27（04）：39-43.

[3]王惠中，姬廣杰，趙凱，李春霞.基于多agent電力系統(tǒng)連鎖故障預(yù)測(cè)的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（06）：32-35.