連鎖故障特征的表征

連鎖故障特征的表征

0建立基于復雜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)理論的連鎖故障分析方法在實際電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障是導致大規(guī)模電網(wǎng)故障的主要原因之一。在研究網(wǎng)絡(luò)故障的機械性方面，研究網(wǎng)絡(luò)故障的監(jiān)測和預(yù)控方法是研究人員面臨的中心主題。要實現(xiàn)連鎖故障的監(jiān)視和預(yù)控,需要考慮如下因素:①具有一種方便實施監(jiān)視和預(yù)控的連鎖故障模型;②連鎖故障模型可以反映誘發(fā)連鎖故障的多方面因素,如過載、穩(wěn)定問題以及連鎖故障過程中保護動作性能和自動裝置的動作情況等;③建立連鎖故障模型的計算量滿足實際電網(wǎng)分析的工程要求。目前對電網(wǎng)連鎖故障的研究,提出了連鎖故障的模式搜索法,建立了基于復雜系統(tǒng)理論的連鎖故障模型和基于復雜網(wǎng)絡(luò)理論的連鎖故障模型,并著手對連鎖故障風險進行評估。這些研究對認知連鎖故障機理起到了重要作用。但是,目前基于復雜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)理論的模型對實際電網(wǎng)進行了大量簡化,主要作為一種定性的連鎖故障機理分析方法。模式搜索方法和模型分析法一般都不考慮或很少考慮穩(wěn)定性問題,其計算工作量由于故障篩選的原因往往很大。因此,目前的連鎖故障研究不能滿足對實際電網(wǎng)連鎖故障進行監(jiān)視和預(yù)控的要求。為此,本文提出了連鎖故障的事故鏈模型,應(yīng)用該模型,根據(jù)安全科學的事故鏈理論可以對連鎖故障實現(xiàn)監(jiān)視和預(yù)控。同時,提出了一種建立連鎖故障事故鏈模型的分析方法。為了降低建立連鎖故障模型的工作量,提出將故障選擇限制在供電路徑上,從而使其工作量滿足工程實際要求。1基于網(wǎng)絡(luò)推廣模型的故障監(jiān)控和預(yù)控制1.1區(qū)域ak事故的事故鏈“事故鏈”是安全科學提出的概念。事故鏈理論認為大事故極少由一個原因引起,而是在多個條件同時滿足的情況下由相關(guān)誘發(fā)因素誘發(fā)而產(chǎn)生的。這些同時滿足的條件就像鏈條一樣把各個環(huán)節(jié)連接在一起,任何一個條件不滿足,事故就不會發(fā)生。事故的第i條事故鏈Li的一般表達式為:Li=Τi1Τi2?Τimi(1)Li=Ti1Ti2?Timi(1)式中:Tij(j=1,2,…,mi)為第i條事故鏈的第j個條件,表示造成事故的因素,如果所有Tij都等于1,則事故發(fā)生,多個Tij之間具有獨立或相關(guān)關(guān)系。電網(wǎng)連鎖故障是指電網(wǎng)1個或多個元件出現(xiàn)故障波及了電網(wǎng)的其他部分從而使其他元件不能正常工作,或誘發(fā)了新的故障,即電網(wǎng)最初發(fā)生的事件以連鎖的方式導致新事件出現(xiàn),然后以連鎖的方式進一步導致了更新的事件出現(xiàn)。這種連鎖效應(yīng)持續(xù)發(fā)展,最終將造成電網(wǎng)的惡性事故。事件之間的連鎖性、相關(guān)性是這類事件的典型特點。顯然,連鎖故障符合上述事故鏈的基本思想,因此,事故鏈應(yīng)該是表征連鎖故障的有效工具。假設(shè)一個連鎖故障由事件S1開始,S1連鎖誘發(fā)了事件S2,S2連鎖誘發(fā)了事件S3,依次類推,Sn-1連鎖誘發(fā)了事件Sn,并因此導致區(qū)域Ak的停電事故,則區(qū)域Ak的停電事故可以表示為:Lk=S1S2?Sn(2)Lk=S1S2?Sn(2)任何一個連鎖事件Si不出現(xiàn)(Si=0),都不會導致區(qū)域Ak的停電事故發(fā)生(Lk=0)。可以將連鎖事件Si看做事故鏈中的Tij,則Lk就是導致區(qū)域Ak停電的一條事故鏈。1.2基于事故鏈的區(qū)域ak停機事件模型設(shè)向區(qū)域Ak供電的路徑有m條(最小路集),表示為C11C12…C1l,C21C22…C2n,…,Cm1Cm2…Cmk,其中Cij為第i條供電路徑的第j個元件。即供電路徑R為:R=C11C12?C1l+C21C22?C2n+?+Cm1Cm2?Cmk(3)R=C11C12?C1l+C21C22?C2n+?+Cm1Cm2?Cmk(3)只有當所有供電路徑都被切斷時才引發(fā)區(qū)域Ak停電事故,可以用R=0或ˉR=1Rˉˉˉ=1表示區(qū)域Ak的停電事故?！=ˉC11C12?C1l+C21C22?C2n+?+Cm1Cm2?Cmk=ˉC11C12?C1lˉC21C22?C2n?ˉCm1Cm2?Cmk=(ˉC11+ˉC12+?+ˉC1l)(ˉC21+ˉC22+?+ˉC2n)?(ˉCm1+ˉCm2+?+ˉCmk)(4)Rˉˉˉ=C11C12?C1l+C21C22?C2n+?+Cm1Cm2?Cmkˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ=C11C12?C1lˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉC21C22?C2nˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ?Cm1Cm2?Cmkˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ=(C11ˉˉˉˉˉ+C12ˉˉˉˉˉ+?+C1lˉˉˉˉˉ)(C21ˉˉˉˉˉ+C22ˉˉˉˉˉ+?+C2nˉˉˉˉˉˉ)?(Cm1ˉˉˉˉˉˉ+Cm2ˉˉˉˉˉˉ+?+Cmkˉˉˉˉˉˉ)(4)對式(4)進行邏輯變形,并進行不交化運算,理論上可以將其變換為如下形式:ˉR=E1+E2+?+Eq(5)Rˉˉˉ=E1+E2+?+Eq(5)式中:Ei具有如下形式:Ei=C1?CaˉCb?ˉCp(6)Ei=C1?CaCbˉˉˉˉ?Cpˉˉˉˉ(6)ˉCjCjˉˉˉˉ表示元件Cj停運,Cj停運可能是正常停運和故障停運(包括出現(xiàn)穩(wěn)定問題停運)。令Ei中:Li=ˉCb?ˉCp(7)Li=Cbˉˉˉˉ?Cpˉˉˉˉ(7)則當Li=1時,ˉR=1。按照可靠性理論,Li為電網(wǎng)的一個最小割集;根據(jù)事故鏈的概念,Li是造成區(qū)域Ak停電的事故鏈之一。這樣,只要求出供電路徑的最小割集集合,理論上可以得到區(qū)域Ak停電的所有事故鏈,表示為:L={L1,L2,?,Lq}(8)式(8)包含了造成區(qū)域Ak停電的所有連鎖故障事故鏈和非連鎖故障事故鏈,需要從中挑選出連鎖故障事故鏈構(gòu)成連鎖故障事故鏈集:L′={L1′,L2′,?,Ln′}(9)式(7)和式(9)統(tǒng)稱為電網(wǎng)連鎖故障的事故鏈模型。該模型是以元件狀態(tài)表征的電網(wǎng)連鎖故障模型。如果采用故障樹方法分析造成元件停運的影響因素,還可以得到連鎖故障模型的其他表示形式。一般,連鎖故障的監(jiān)控是監(jiān)控連鎖故障的發(fā)展過程,此時元件連鎖停運狀態(tài)是關(guān)心的焦點問題,而什么原因引起的連鎖停運則是次要問題。值得說明的是,連鎖故障可能并不按照最小割集發(fā)展,而是按照某一割集發(fā)展。但是,從監(jiān)控角度而言,只要監(jiān)控表征連鎖故障的最小割集,則能夠監(jiān)控按非最小割集發(fā)展的連鎖故障?？梢?連鎖故障的事故鏈與最小割集之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。如果采用元件停運狀態(tài)表征某一事故鏈,該事故鏈是系統(tǒng)的一個割集,從監(jiān)控的角度可以采用最小割集來表征;如果采用引起元件停運的因素來表征事故鏈,該事故鏈可以通過最小割集與元件停運故障樹的分析結(jié)果綜合得到。1.3從預(yù)控到網(wǎng)絡(luò)故障的預(yù)控,從事故鏈監(jiān)視式(7)和式(9)表示的電網(wǎng)連鎖故障事故鏈模型將連鎖故障的監(jiān)視問題轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)元件的監(jiān)視問題。只要通過自動化系統(tǒng)得到電網(wǎng)元件的狀態(tài),就可以得到事故鏈狀態(tài),從而實現(xiàn)事故鏈監(jiān)視。按照安全科學對事故鏈預(yù)控的基本思路,只需切斷事故鏈的一個環(huán)節(jié),就可以阻止事故的發(fā)生,即連鎖故障的預(yù)控就是保證式(1)中所有Tij不同時為1。因此,對連鎖故障的控制問題也轉(zhuǎn)化為對電網(wǎng)元件狀態(tài)及其潮流的控制問題?？梢?按照事故鏈的基本思想,只要得到連鎖故障的事故鏈模型,事故鏈監(jiān)控的總思路即非常明確。這正是本文提出連鎖故障事故鏈模型的目的所在。2網(wǎng)絡(luò)故障鏈模型的構(gòu)建2.1基于分區(qū)邏輯的故障分析從1.2節(jié)的分析可以看出,連鎖故障事故鏈模型建立的關(guān)鍵是對割集是否引起連鎖故障的分析,并從中篩選出表征連鎖故障的相關(guān)割集作為連鎖故障的事故鏈?？紤]到路集與割集的關(guān)系(式(4)～式(7)),連鎖故障事故鏈模型的建立過程就是對供電路徑上故障連鎖性的分析過程。建立嚴格的連鎖故障事故鏈模型需要對所有系統(tǒng)割集各元件之間故障的連鎖性進行分析,但是,這種分析方法不能滿足大電網(wǎng)分析時工程上對計算量的要求,必須進行簡化。為此,考慮將某運行方式下向區(qū)域Ak輸送大部分功率的主潮流路徑(1條或多條)稱為主供電路徑(以下簡稱供電路徑),輸送功率很小的路徑、接入供電路徑的對Ak提供的潮流很小的電源線路、從供電路徑向其他負荷供電的線路等稱為分支路徑和分支線路(以下統(tǒng)稱分支線路)。在初始故障選擇和進行后續(xù)連鎖故障分析中實現(xiàn)如下工程簡化:1)如果初始故障發(fā)生在分支線路且不引起穩(wěn)定問題,該故障引起的過載連鎖故障對大電網(wǎng)的影響可以忽略;該故障引起的保護隱式故障可以考慮為供電路徑上的初始故障。2)如果初始故障發(fā)生在分支線路且引起了穩(wěn)定問題,那么,若故障發(fā)生在分支線路與供電路徑的連接點處,將會更加嚴重。3)如果供電路徑上的故障誘發(fā)了分支線路故障,僅需考慮分支線路同時誘發(fā)另一供電路徑上的故障的情況。此時供電路徑上的這2次故障往往屬于相鄰弧段或同一弧段。若屬于相鄰弧段,該相鄰弧段一般會至少作為隱式連鎖考慮。4)考慮連鎖故障過程中引起主潮流路徑的變化。但主潮流路徑變化后,后續(xù)分析的供電路徑相應(yīng)變化。因此,若僅考慮在供電路徑上選擇故障,本質(zhì)上不會影響對連鎖故障的監(jiān)控。將故障選擇在供電路徑上,并在供電路徑上進行連鎖故障分析,屏蔽了大量的分支線路故障,將大大降低計算工作量。同時考慮:1)同一弧段上多個元件中只要有1個元件故障,則整個弧段將失效。此時,該弧段上任一元件故障引起其他弧段上元件過載的效果一致;該弧段上任一元件故障引起其他弧段上元件保護隱式故障最多只需分析該弧段首末2個元件的故障即可。2)同一弧段上的元件故障引起的功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題最多只需分析該弧段首末2個元件的故障即可。3)若某變電站僅連接供電路徑的2個弧段,且任一弧段故障時不會引起主潮流方向變化,則這2個弧段可以合并成為一個弧段?？紤]以上因素可以避免網(wǎng)絡(luò)元件的枚舉計算,進一步降低計算工作量。另外,在實際分析中,沒有必要計算系統(tǒng)的最小徑集和最小割集,只需按照主潮流繪制供電路徑有向圖就可以開始計算。為了防止無序分析引起丟失故障組合的問題,可以將初始故障的選擇采用從有向圖的末端向首端按照上述考慮順序選取的計算方法。若某初始故障通過分析計算最終發(fā)展為Ak停電,則將故障發(fā)展的過程表示為式(7),得到一條連鎖故障的事故鏈。2.2選擇不當約束的其他線路的潮流轉(zhuǎn)移分值網(wǎng)絡(luò)分別以˙Ιk,Μ′和˙Ιk,Μ表示發(fā)生支路切除事件前后網(wǎng)絡(luò)中任一支路k的支路電流。下面引入潮流轉(zhuǎn)移等值網(wǎng)絡(luò)的概念。設(shè)支路切除事件發(fā)生在支路i上,并設(shè)等值網(wǎng)絡(luò)是線性網(wǎng)絡(luò),根據(jù)疊加原理,支路i切除后的網(wǎng)絡(luò)為切除前網(wǎng)絡(luò)與圖1所示網(wǎng)絡(luò)的疊加。在圖1所示網(wǎng)絡(luò)中,將原系統(tǒng)中電源置為0,再將支路i以一個電流源代替,且該電流源大小等于發(fā)生支路切除事件前支路i上的電流,但方向相反,變換后得到的子網(wǎng)絡(luò)(見圖1)被稱為原網(wǎng)絡(luò)發(fā)生支路i切除事件的潮流轉(zhuǎn)移等值網(wǎng)絡(luò)。這一變換同樣適用于多條支路切除的情況。若只發(fā)生單個支路i切除事件,在等值網(wǎng)絡(luò)(見圖1)中只存在一個激勵源˙Ιk,Μ′。根據(jù)電路基本原理,對等值網(wǎng)絡(luò)中的任一支路k來說,從支路i到支路k的電流傳遞比例為:τ(i)k=˙Ιk,Τ˙Ιi,Μ′(10)式中:˙Ιk,Τ表示發(fā)生支路i切除事件的潮流轉(zhuǎn)移等值網(wǎng)絡(luò)中支路k上的電流,稱為潮流轉(zhuǎn)移分量。對于線性網(wǎng)絡(luò),τ(i)k為一個常數(shù),潮流轉(zhuǎn)移分量˙Ιk,Τ與激勵源˙Ιk,Μ′成線性關(guān)系?？梢?電網(wǎng)中某一支路切除后,該支路上的原有潮流將按照一定比例轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中的其他支路上。當切除的線路潮流很大時,轉(zhuǎn)移到相鄰線路上的潮流也相應(yīng)很大,容易造成相鄰輸電元件出現(xiàn)連鎖過載情況,特別是,當較高電壓等級的線路(潮流較大)切除后,容易造成較低電壓等級線路(熱極限較小)連鎖過載。過載線路可能是被切除線路的上游線路、下游線路或同一斷面的線路,其中以同一斷面的線路潮流變化最為明顯。如果該斷面上各線路的熱極限不同,則大潮流線路切除后很可能造成斷面上其他線路過載;反之,切除小潮流線路造成線路過載的可能性也較小。線路過載發(fā)生后,若裝設(shè)了過載減載,減載裝置將動作。若減載量不夠或未裝設(shè)減載裝置,將引起過載切除。此外,潮流轉(zhuǎn)移還可能引起某些區(qū)域聯(lián)絡(luò)線潮流反轉(zhuǎn),特別是多重故障發(fā)生后很可能會發(fā)生潮流反轉(zhuǎn),此時殘余網(wǎng)絡(luò)供電路徑將發(fā)生變化。2.3斷面線路模式電網(wǎng)穩(wěn)定與轉(zhuǎn)移阻抗密切相關(guān)。當斷面上某線路切除時,供電路徑上游的電源點對斷面上(和下游線路)發(fā)生故障的點之間的轉(zhuǎn)移阻抗增大,供電路徑上游的電源點對負荷點的轉(zhuǎn)移阻抗也增大,引起電網(wǎng)功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性下降。斷面線路切除越多,穩(wěn)定性下降得越嚴重。當供電路徑上第i重故障發(fā)生后,系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,連鎖的第i+1重故障可能引起功角穩(wěn)定問題和電壓穩(wěn)定問題。2.4環(huán)節(jié)顯式觸發(fā)按照連鎖故障的特征,當?shù)趇重故障發(fā)生時,會發(fā)生第i+1重故障。第i+1重故障的發(fā)生可能具有顯式的原因,即必然發(fā)生的原因,如第i重故障發(fā)生后引起過載、穩(wěn)定等問題,稱為事故鏈環(huán)節(jié)顯式觸發(fā)。第i+1重故障的發(fā)生也可能具有隱式的原因,即以一定概率發(fā)生的原因,如第i重故障發(fā)生后引起主保護拒動或誤動、自動裝置的拒動等問題,稱為事故鏈環(huán)節(jié)隱式觸發(fā)。事故鏈環(huán)節(jié)顯式觸發(fā)是顯然的,可通過潮流和穩(wěn)定分析得到。事故鏈環(huán)節(jié)隱式觸發(fā)則與保護和自動裝置的配置、性能和整定密切相關(guān),情況較復雜。例如,近期研究表明,在連鎖故障中,阻抗Ⅲ段存在明顯的誤動作區(qū),并且是美加“8·14”大停電的重要原因之一。保護誤動易發(fā)生在同一斷面線路和上一級線路上;保護拒動往往引起上一級后備保護跳閘。本文不考慮全部由隱式連鎖構(gòu)成的連鎖故障。2.5基于特定運行方式的事故鏈模型首先進行潮流計算,確定該運行方式的潮流及其方向。然后對待分析區(qū)域Ak,初始故障在向區(qū)域Ak供電的主潮流方向上選擇;之后的下一重故障按照事故鏈環(huán)節(jié)顯式觸發(fā)和隱式觸發(fā)方式選擇。考慮從潮流末端的線路開始計算,這樣下一重故障可以考慮平行路徑上的線路或上一級線路。由于連鎖故障一般發(fā)生的時間間隔較長,下一重故障可以在上一重故障過渡過程結(jié)束后再設(shè)定。對每一重故障,先進行穩(wěn)定計算,確定是否由事故鏈環(huán)節(jié)觸發(fā)了穩(wěn)定問題;然后進行故障后殘余網(wǎng)絡(luò)的潮流計算,確定是否出現(xiàn)過載,并確定是否因主潮流方向發(fā)生變化而需要調(diào)整下一重故障的選擇。若出現(xiàn)穩(wěn)措動作情況,則執(zhí)行相關(guān)的穩(wěn)措動作。以區(qū)域Ak停電作為一次分析的結(jié)束,并將從初始故障到區(qū)域Ak停電的全部故障表示成式(7)的事故鏈形式。按照上述基本思路,在電網(wǎng)N-1穩(wěn)定分析完成之后,如果對某一特定運行方式進行連鎖故障分析,可以得到該特定運行方式下的連鎖故障的事故鏈模型,該模型可以用于監(jiān)視和預(yù)控。如果對電網(wǎng)的豐大、豐小、枯大、枯小等極端運行方式進行連鎖故障分析,可以得出整個電網(wǎng)的連鎖故障危險模式,該模式既可以用于規(guī)劃設(shè)計,也可以用于連鎖故障監(jiān)視。3江西電網(wǎng)連鎖故障事故鏈為了驗證上述算法對實際電網(wǎng)的可行性和有效性,詳細研究了江西電網(wǎng)的連鎖故障情況。研究中江西電網(wǎng)被劃分成贛南、贛西和中部等多個子網(wǎng),對每個子網(wǎng)進行故障枚舉計算,并與本文方法的結(jié)果進行對比。例如,對2010年規(guī)劃的夏大2900MW方式進行搜索,不計相同條件下的計算,大約共進行2300多次故障計算,搜索出48個連鎖故障模式,合并到主供電路徑后有29個連鎖故障模式;采用本文方法,共需進行152次計算,可以搜索出相同的29個連鎖故障模式。仿真得到了江西贛南、贛西和中部電網(wǎng)的連鎖故障事故鏈模型。江西電網(wǎng)連鎖故障模式主要是:1)對500kV線路和220kV線路構(gòu)成的電磁環(huán)網(wǎng),若承擔主要輸送潮流任務(wù)的500kV線路斷開(檢修、故障或隱式連鎖跳閘),潮流轉(zhuǎn)移會造成220kV線路過載,連鎖故障