潮流轉移引起支路傳輸越限的電網(wǎng)脆弱性研究

/10.12677/aAnalysisofPowerNetworkVulnerabilityConsideringBranchTransmissionViolationCausedbyPowerFlowTransferSchoolofInformationScienceandEngineering,FujianUniversityofTechnology,FuzhouFujianReceived:Jan.25th,2015;accepted:Feb.9th,2015;published:Feb.10th,2015Copyright?2015byauthorandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY)./licenses/by/4.0/AbstractThephenomenonofblackoutsinpowergridcausedbythepowerflowtransferhappensoccasio-nally,andhasbeenpaidattentionbythepoweroperators.Thepowerflowtransferisusuallyre-sultedfromasimplebranchoutage.Aimingatpowerflowtransfer,thispaperdiscussesthevul-nerabilityphenomenonfromtheangleofthevariablequantity,theviolationlevelofthebranchcurrent,andthevariationofthepowernetworktransmissionperformance.Furthermore,byusingtherelatedindices,thispaperanalyzestheperformanceandregularityofvulnerabilityfromtheangleofvulnerabilityconsequencesbroughtbytheinitiallyfailedbranchonthepowernetwork,andtheinfluencedegreebroughtbytheinitiallyfailedbranchontheotherbranches.Theanalysisanddiscusswillprovideacertainfoundationforfurtherstudy.PowerSystem,CascadingFailure,CascadingOverload,PowerFlowTransfer,Vulnerability潮流轉移引起支路傳輸越限的電網(wǎng)脆弱性研究福建工程學院信息科學與工程學院，福建福州 收稿日期：2015年1月25日；錄用日期：2015年2月9日；發(fā)布日期：2015年2月10日電網(wǎng)因一個簡單的支路停運故障而引起潮流轉移進而引起停電事故的現(xiàn)象在電力系統(tǒng)時有發(fā)生，是電力工作者比較關注的問題。針對潮流轉移，本文從各支路的電流變化量、電流的越限水平以及電網(wǎng)傳輸性能的變化等參數(shù)出發(fā)對電網(wǎng)可能存在的脆弱性現(xiàn)象進行了探討，并利用相關指標結合算例從初始故障引起的電網(wǎng)全局脆弱性后果，以及被初始故障波及支路的受擾程度等幾個方面對脆弱性及其表現(xiàn)規(guī)律進行了分析和探討，以期為進一步的研究奠定一定的基礎。電力系統(tǒng)，連鎖故障，連鎖過載，潮流轉移，脆弱性電網(wǎng)的潮流轉移引起的支路傳輸越限問題在傳統(tǒng)的安全分析中一般視作靜態(tài)安全問題，但是潮流轉移有時可能會引起復雜的動態(tài)過程甚至停電事故，這種情況表明電網(wǎng)在某些情況下可能是脆弱的，一些微小的擾動有時也會帶來嚴重的后果。這一問題在近來年受到了比較廣泛的關注，已經(jīng)有很多學者對此展開了積極的研究，取得了很多有益的研究成果[1]-[4]。本文根據(jù)潮流轉移發(fā)生時電網(wǎng)的傳輸性能的變化、各支路的電流變化及越限水平等參數(shù)，對電網(wǎng)可能存在的脆弱性進行了探討，并通過IEEE39節(jié)點系統(tǒng)上的算例結合相關的分析指標對電網(wǎng)中存在的脆弱性及其表現(xiàn)情況進行了分析，同時，結合線路電氣介數(shù)及潮流轉移的計算公式，對潮流轉移引發(fā)脆弱性的原因進行了初步探討。電網(wǎng)潮流轉移有多種表現(xiàn)形式，實際上是一個電網(wǎng)潮流重新分配的過程。以下本文主要針對電網(wǎng)中某一支路因故障被切除后的潮流轉移現(xiàn)象進行分析。設電網(wǎng)中支路Lj發(fā)生了初始故障，則該支路開斷后，通過潮流轉移，電網(wǎng)剩余部分中的某一支路Li的電流Ii可以用下式來表示：Ii=Ii(0)+ΔIi(j)=Ii(0)+λj(i)Ij(0)(1)式中Ii(0)和Ij(0)為分別為支路Li和Lj原來的電流，ΔIi(j)為支路Li的電流增量，λj(i)為電流增量系數(shù)，和電網(wǎng)的結構及參數(shù)有關。潮流轉移后，支路Li的電流是否越限及其越限的嚴重程度可用嚴重度指標來表示，本文采用以下的(2)式中，Ii(max)為支路Li的功率極限。假設當支路Li的電流超過其允許限值時，支路Li將被保護切除。從前面的分析及式(1)和(2)來看，從初始故障開始，故障的傳播離不開整個電網(wǎng)各元件之間的連鎖作用。實際上，任何系統(tǒng)只要其各組成部分之間存在相互作用，則連鎖效應就不可避免。但是連鎖效應的最初表現(xiàn)，即究竟哪些支路和初始故障支路之間的連鎖作用大，這和電網(wǎng)的結構以及二者初始傳輸?shù)碾娏鞫加嘘P系。電網(wǎng)因連鎖效應導致故障傳播所表現(xiàn)出來的脆弱性，可以從兩個層面來考察，在支路層面上，如果某些支路被初始故障波及嚴重，那么就說明這些支路對初始故障是脆弱的，這種脆弱性可以采用λ和m這兩個參量給出一定程度的度量。在電網(wǎng)層面，初始故障引起了故障的傳播，最初的表現(xiàn)是電網(wǎng)傳輸性能的下降，直至系統(tǒng)不能維持安全穩(wěn)定運行，故而，這種脆弱性在潮流轉移的最初階段可以電網(wǎng)的傳輸性能指標給出一定程度的反映。為進一步考察前述的脆弱性現(xiàn)象，本文結合IEEE的39節(jié)點系統(tǒng)進行分析，系統(tǒng)的接線如圖1所示。在分析時，本文采用直流潮流法計算λ和m參數(shù)。在計算中，所以參數(shù)采用標幺值，系統(tǒng)的基準容量取為100MVA。在計算時，由于缺乏Imax的數(shù)據(jù)，算例中采用虛擬數(shù)據(jù)進行模擬：如果支路在原始典型工況下的電流標幺值小于1，則其Imax值取為1；如果大于1，則其Imax值取為其原來電流值的1.2倍。分析中，本文只考慮初始故障及潮流轉移后可能導致新的支路開斷這前后兩級的連鎖作用過程，更多級的復雜連鎖過程本文不予考慮。對于電網(wǎng)層面的脆弱性指標，本文采用系統(tǒng)全局效能指標的倒數(shù)來給出，即：sglobal=1Eglobal而系統(tǒng)的全局效能指標Eglobal反映了電網(wǎng)的傳輸性能，本文采用文獻[5]給出的定義：式中，NL和NG分別為負荷節(jié)點和發(fā)電節(jié)點的個數(shù)或集合；εkn為路徑的效能指標，其數(shù)學表達式為：式中，S為節(jié)點k和節(jié)點n之間某一連通路上線路的標號集合；eht為該連通路徑上某一線路(其兩端的節(jié)點編號為h和t)的效能。eht的值一般取為0和1，分別對應于節(jié)點h和節(jié)點t之間的有線路連接和無連接根據(jù)前述的分析，分析電網(wǎng)脆弱性的基本思路可分為兩個層次：一是從電網(wǎng)的層面來看，初始故障GGG373037262528292262528292738313G21G4394GG24365523623692272272083110832343335323433GGGGGGGGGcccFigure1.Thewiringdiagramoftheexamplesystem發(fā)生后，電網(wǎng)的傳輸性能的變化情況，并著重考察哪些支路發(fā)生初始故障后對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響比較大；二是當某支路Lj發(fā)生初始故障后，電網(wǎng)的剩余系統(tǒng)中有哪些支路受Lj的影響比較大，并根據(jù)λ和m這兩個參量對哪些易于受初始故障影響的支路進行考察。根據(jù)以上分析電網(wǎng)脆弱性的總體思路，可根據(jù)Sglobal指標來考察電網(wǎng)發(fā)生初始故障后傳輸性能的變化情況，并利用這一指標結合聚類分析方法將引起后果程度不同的初始故障支路分離出來，并進行進一步的考察；然后再進一步利用λ和m這兩個參量同樣結合聚類分析辦法將易受初始故障影響的支路分離出來。上述的分析思路可用圖2所示的流程框圖來說明。根據(jù)圖2的流程，本文針對IEEE39節(jié)點系統(tǒng)，除斷開后引起發(fā)電機脫網(wǎng)的支路外，以其余每一條支路分別作為初始故障支路進行了分析，并主要針對以下幾種情況進行了討論。1)影響較大的初始故障支路根據(jù)前面的分析流程，這里依據(jù)Sglobal指標并采用FCM聚類算法對前述的初始故障支路進行了分離，一共分為三類，分別如圖2中的c1、c2和c3所示。其中表1列出了c3支路的詳細數(shù)據(jù)。初始故障支路L2,Eglobal(2):step1初始故障支路初始故障支路L2,Eglobal(2):step1初始故障支路L1,:T1類，z1條初始故障支路劃任一初始故障LaL1L1,1b,m1L1,:La-1,:La+1,:Ll-1,劃分F1類敏感支路劃分::Fg類敏感支路:F1類敏感支路劃Tk類，zkF1類敏感支路劃Tk類，zk條初始故障支路任一初始故障Lb初始故障支路L3,Eglobal(3)Lb-1,,mb-1Lb+1,,mb+1Fg類敏感支路Ll-1,,ml-1:::Figure2.Figure2.SchematicdiagramofvulnerabilityanalyP(0)L7-8L8-9L9-39L13-14L16-21L16-24L17-18L22-23L26-27L26-28L11-12L13-12表1列出的是一組對電網(wǎng)影響比較大的初始故障數(shù)據(jù)，如果實際運行中出現(xiàn)這樣的支路應該引起適當?shù)闹匾?。為了便于比較，表1中還列出了初始故障支路在開斷前所傳輸?shù)墓β省Ｓ杀?可見，實際上對后續(xù)電網(wǎng)影響相近的初始故障支路，其原先傳輸?shù)墓β什槐M相同，甚至相差較大，而且有的支路原先傳輸?shù)墓β蔬€相對比較小，這實際上說明了電網(wǎng)性能的變化并不唯一決定于初始故障支路原先傳輸?shù)墓?)受初始故障支路波及的支路針對表1所列的各條初始故障支路，按照前述算法流程，利用λ和m指標對除初始故障支路以外的其余支路分離分析，其中m指標帶有正負符號，正值越大越嚴重，負值的絕對值越大表明越不嚴重。通過可以發(fā)現(xiàn)，λ和m指標并不同步，這是因為潮流轉移時有的支路疊加的電流可能與其原來的電流反向，如果不出現(xiàn)反向或疊加量比較大，也會出現(xiàn)一些二者同步的情況，表2列出了部分這類數(shù)據(jù)。更為值得關注的是，有些支路對多個不同的初始故障支路都比較敏感，在一個電網(wǎng)中，這樣的支路可能是處于不同潮流轉移都能波及的通道上，這樣的支路也應該受到關注，表3列出了這樣的一組數(shù)據(jù)。當然，類似于表3這樣的支路在某些電網(wǎng)中也可能不存在，實際當中只有通過分析才能確定。由上述算例可見，無論是針對初始故障支路還是針對被初始故障波及的支路，通過適當?shù)拇嗳跣苑治?，可以得到一些清晰的信息，進而在電網(wǎng)的實際運行中對電網(wǎng)發(fā)生故障傳播的可能性有一定程度的把前面的脆弱性分析，既考慮了初始故障通過潮流轉移引起的后果，也考慮了初始故障發(fā)生后被波及支路所表現(xiàn)出的脆弱性，這樣考慮會更全面一些。如果只是針對初始故障進行脆弱性分析，那么主要是從連鎖事件的起點上去尋找電網(wǎng)的脆弱環(huán)節(jié)，這一點自然很重要。對初始故障所波及支路的脆弱性分析可以說明初始故障向后傳播連鎖事件時要靠哪些環(huán)節(jié)來支撐，這也是有價值的。值得注意的是，初始故障支路中所包含的某些信息似乎和其引起的后果之間有某種較強的關聯(lián)性，比如線路介數(shù)和網(wǎng)絡傳輸性能之間，其中，線路介數(shù)按文獻[5]的定義為：線路被網(wǎng)絡中所有發(fā)電機節(jié)點與負荷節(jié)點之間最短路徑經(jīng)過的次數(shù)。僅從概念上來判斷，似乎具有較大線路介數(shù)的支路發(fā)生初始故障Table2.PartialsetsofbranchesaffectedbytheinitialfailedbranchesλmL7-8L1-2L17-27L25-26L8-9L2-25dbranchesλmL9-39L1-2L13-14L1-2L26-27L1-200SBFigureFigure3.AsetofdataofBLandSglobal被切除后會對網(wǎng)絡的傳輸性能造成較大的影響。但在通過一些算例表明這種設想并不成立。仍以前述算例系統(tǒng)的計算條件為例，圖3給出了初始故障支路的線路介數(shù)BL和Sglobal指標數(shù)據(jù)，橫坐標為初始故障支路的編號。從圖3可見，BL和Sglobal指標之間的對應關系并不明確同步。從電氣介數(shù)的定義可以看出，電氣介數(shù)和電網(wǎng)的拓撲結構、元件參數(shù)及服從基爾霍夫定律的電氣約束都有關系，但事實上電氣介數(shù)和Sglob