电网多灾种耦合连锁故障分析方法及系统与流程

本发明涉及电力系统分析控制领域，尤其涉及电网多灾种耦合连锁故障分析方法及系统。

背景技术：

电网各种事故灾难呈现高频次发生的态势。大量案例表明，事故灾难的各种动力学过程之间、各动力学过程与环境之间不断进行物质和能量的交换，往往会形成灾害链，对灾难演变效应的不断放大起着关键作用。因此，面向重大事故灾难综合风险防范的总体目标，亟需由单一灾害的研究向灾害链复杂演变及其防治技术研究转变。

重大事故灾难往往包含着多灾种耦合与相互次生衍生动力学过程。重大事故灾难次生衍生及并发多灾种间的关系复杂多样，灾种间相互作用和时空组多灾种之间可能存在发生时间先后、影响范围叠加、致灾效果消长、相关或触发等复杂次生衍生及耦合关系。忽视这些关系会导致无法捕捉到多灾种并发作用下的事故灾难致灾机理。当前研究多采用单灾种风险直接相加或者赋权相加的方法来评估多灾种风险，然而对次生衍生及耦合作用的多灾种而言，综合风险并非简单的叠加，厘清灾害之间的相互作用关系和灾害链模式对多灾种风险评估极为重要。如何建立多灾种耦合关系的数学描述并在此基础上发展多灾种风险评估方法，是需要解决的重大科学问题。重大事故灾难次生衍生及并发多灾种间的关系复杂多样，灾种间相互作用和时空组合方式具有极强的非线性和不确定性，使用静态评估模型预测、评估重大事故灾难次生衍生和多灾害耦合的复杂系统，会产生很大误差。

具体到电网而言，电网连锁故障分析方面，现有研究采用直流潮流方法计算电网的潮流分布，无法获得电压崩溃的节点；其次，未建立考虑一次拓扑和二次继电保护的电网连锁故障模型；现有方法均是基于历史电网元件故障或者预想事故集条件下的连锁故障分析，未考虑实际电网运行外部环境(如大范围山火、大范围冰灾、大范围雷击、频繁外力破坏等)的多种灾害耦合对电网元件的影响。最后，电网潮流与稳定分析计算量巨大，难以同时保证计算精度和计算准确率。

因此，迫切需要提出一种考虑继电保护动作特性的多灾种耦合连锁故障分析方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种电网多灾种耦合连锁故障分析方法及系统，用以解决现有电网连锁故障分析未考虑多种灾害耦合对电网元件的影响的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种电网多灾种耦合连锁故障分析方法，包括以下步骤：

获取电网一次参数和电网二次参数，根据电网一次参数和电网二次参数建立动态电网系统模型；

获取外部环境数据，输入动态电网系统模型，判断是否可能存在外部电网故障事件；如果存在外部电网故障事件，得到初始电网运行方式下由于外部环境引发电网元件故障的序列；

建立电网混合微分代数方程；根据电网连锁故障仿真分析的初始条件和建立的电网混合微分代数方程对动态电网系统模型进行仿真；仿真时，计算获得输电线路及变压器元件是否由于电流、温度、节点电压以及频率参数和各元件设定的运行阈值而产生过流、超温、低压及低频的不正常运行状态，假如电网的元件存在不正常运行状态，则继电保护动作切除该元件；每发生一次切除元件的动作事件，根据导纳矩阵ybus判断电网是否解列，如果电网不解列，则继续运算；如果电网解列，切除对应的支路，返回重新获取电网一次参数和电网二次参数；

根据仿真时间或电网混合微分代数方程的解算结果判断是否结束仿真；

根据由于外部环境引发电网元件故障的序列，形成电网相继故障事故链；

输出仿真数据，综合评价电网运行风险。

作为本发明的方法的进一步改进：

优选地，电网一次参数包括拓扑结构数据、线路参数、变压器参数、负荷参数、发电机参数、电容器参数和电抗器参数；电网二次参数包括：输电线路、发电机、母线继电保护装置配置及过流保护、距离保护、温度保护、低压保护以及低频保护的整定定值。

优选地，电网数据包括电网一次参数和电网二次参数；电网一次参数包括拓扑结构数据、线路参数、变压器参数、负荷参数、发电机参数、电容器参数和电抗器参数；电网二次参数包括：输电线路、发电机、母线继电保护装置配置及过流保护、距离保护、温度保护、低压保护以及低频保护的整定定值。

优选地，外部环境数据包括受威胁的输电线路的名称、受威胁的灾害因素及跳闸概率；

通过以下步骤得到初始电网运行方式下由于外部环境引发电网元件故障的序列：判断是否可能存在外部电网故障事件；如果存在外部电网故障事件，计算电网元件故障概率，当电网元件故障概率大于故障概率阈值时，判定元件故障，切除故障元件，并记录。

优选地，电网连锁故障仿真分析的初始条件，包括：电网仿真分析总时长tend；电网潮流计算方式及收敛条件；电网仿真时间步长△t；过流保护动作时间toc及动作方式aoc；距离保护动作时间tz及动作方式az；温度保护动作时间ttemp及动作方式atemp；低压保护动作时间tu及动作方式au；以及低频保护动作时间tf及动作方式af。

优选地，动态电网系统模型包括以下四种的任意组合：

(1)电网发电机模型：

有功功率和无功功率的非线性方程分别如下：

其中，i为发电机节点编号，|e′a,i|为暂态开环电压幅值，|vi|为发电机节点的电压幅值，δm,i为发电机i的相角，x′d,i为直轴暂态电抗，xq,i为交轴电抗，xd,i为发电机直轴同步电抗；|e′a,i|为暂态开环电压幅值，其由以下微分方程决定：

t′do,i直轴暂态电抗时间常数，efd,i是发电机励磁机的输出电压；

(2)电网转子设备模型：

其中，i为所有发电机节点集合中的任意节点，m为发电机的惯性常数；ωi为归一化的转子转速，d为抑制系数；pm,i为发电机机械输入功率；pg,i发电机的功率输出；

(3)电网励磁设备模型：

其中，efd是发电机励磁机的输出电压，vref为参考电压，vt为节点实际电压，ta为自励绕组时间常数，tb为它励绕组时间常数，ke为励磁设备时间常数，sigm(·)为取值为[emin，emax]的s型函数；

(4)电网调速机模型：

调速机控制机械力从而使发电机产生一个转速偏差，本发明调速模型包括等比调速和二级代理调速控制，从而使系统能保持频率偏差接近于0；

pm为发电机输出功率，pref为发电机参考输出功率，ωi为归一化的发电机转速，r为发电机允许在负荷突然增大或系统电压下降情况下发电机的机端电压短暂的下降而不起强励或停机的时间常数，ti为pi控制时间常数，tt为伺服电机控制时间常数，p3为pi控制过程中的瞬时差分变量。

优选地，根据仿真时间和电网混合微分代数方程的解算结果判断是否结束仿真，包括：

判断仿真时间t是否达到设定总时长tend，如果是，则终止仿真；如果不是则继续；

判断电网混合微分代数方程解算结果是否为h<0，如果h<0，则找出导致h<0的元件编号及对应的继电保护装置编号，切除该元件，并更新动态电网系统模型。

优选地，仿真数据包括：时间t、发电机ui的频率fui、发电机频率标幺值、发电机功率、发电机电势、母线电压、母线相角、励磁电压、励磁机终端电压、调压机功率和输电线路温度中的任意几种的组合。

优选地，以导纳矩阵ybus判断电网是否解列为循环条件，包括如果电网不解列，则继续运算；如果电网解列，则返回读取电网数据步骤。

优选地，综合评价电网运行风险包括：根据电网相继故障事故链，结合事故链产生后的潮流分布计算获得电网支路切除率、电网负荷损失率和电网发电损失率三个指标综合判断电网运行风险，潮流分布包括：元件输送的功率和节点的功率。

本发明还提供一种电网多灾种耦合连锁故障分析系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

本发明的一种电网多灾种耦合连锁故障分析方法及系统，综合考虑电网运行方式、继电保护动作特性和外部环境对电网影响，可准确仿真外部大范围山火、冰灾、雷击等灾害引发电网故障后对电网连锁故障链发展的分析。在优选方案中，结合了电网一次电网运行方式和二次继电保护动作特性，实现了电网连锁故障的高精度和高准确率仿真。根据电网连锁故障事故链结论，可及时做好相应的应急处置预案，实现多灾种耦合条件下的提前应对，减少大范围灾害耦合对电网所造成的损失。准确率高，实用性强。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的电网多灾种耦合连锁故障分析方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的一种电网多灾种耦合连锁故障分析方法，包括以下步骤：

获取电网一次参数和电网二次参数，根据电网一次参数和电网二次参数建立动态电网系统模型；

获取外部环境数据，输入动态电网系统模型，判断是否可能存在外部电网故障事件；如果存在外部电网故障事件，得到初始电网运行方式下由于外部环境引发电网元件故障的序列；

建立电网混合微分代数方程；根据电网连锁故障仿真分析的初始条件和建立的电网混合微分代数方程对动态电网系统模型进行仿真；仿真时，计算获得输电线路及变压器元件是否由于电流、温度、节点电压以及频率参数和各元件设定的运行阈值而产生过流、超温、低压及低频的不正常运行状态，假如电网的元件存在不正常运行状态，则继电保护动作切除该元件；每发生一次切除元件的动作事件，根据导纳矩阵ybus判断电网是否解列，如果电网不解列，则继续运算；如果电网解列，切除对应的支路，返回重新获取电网一次参数和电网二次参数；

根据仿真时间或电网混合微分代数方程的解算结果判断是否结束仿真；

根据由于外部环境引发电网元件故障的序列，形成电网相继故障事故链；

输出仿真数据，综合评价电网运行风险。

上述步骤，综合考虑电网运行方式、继电保护动作特性和外部环境对电网影响，可准确仿真外部大范围山火、冰灾、雷击等灾害引发电网故障后对电网连锁故障链发展的分析。

实际实施时，以上的方法还能进行以下的扩充或应用，以下实施例中的技术特征都能相互组合，实施例仅作为示例，不作为对技术特征的正常组合限制。

实施例1：

参见图1，本实施例的一种电网多灾种耦合连锁故障分析方法，包括以下步骤：

s1:设置电网连锁故障仿真分析初始条件；

电网连锁故障仿真分析初始条件包括：电网仿真分析总时长tend；电网潮流计算方式及收敛条件；电网仿真时间步长△t；过流保护动作时间toc及动作方式aoc；距离保护动作时间tz及动作方式az；温度保护动作时间ttemp及动作方式atemp；低压保护动作时间tu及动作方式au；以及低频保护动作时间tf及动作方式af。

s2：读取电网数据。

2.1读取电网一次参数包括：拓扑结构数据、线路参数、变压器参数、负荷参数、发电机参数、电容器参数和电抗器参数。

2.2读取电网二次参数包括：输电线路、发电机、母线继电保护装置配置及过流保护、距离保护、温度保护、低压保护以及低频保护的整定定值。

s3：建立电网混合微分代数方程。

由一系列的微分代数方程表示动态电网系统，本发明考虑到继电保护装置产生的离散事件，增加了离散方程，从而产生混合微分代数方程。

假如电网系统在t时刻的状态可以由x(t)、y(t)、z(t)三个矢量描述：

其中：x(t)为连续状态矢量，按照如下微分方程随着时间变化。

y(t)为连续状态变量，它与其他变量为纯粹的数学关系。

g(t,x(t),y(t),z(t))＝0(2)

z(t)为状态矢量，它仅仅在整数状态。

h(t,x(t),y(t),z(t))＜0(3)

当约束hi(...)＜0不满足时，相关的计数器di激活。其中，hi(...)＜0为判断电网系统是否解算成功的依据，当hi(…)>0时，则计数器di激活，当多次hi(…)>0时，di计数会达到其极限值，则认为该次解算潮流不收敛；改变z(t)的值，di清零，重新开始仿真计算。直至z(t)改变的次数达到初始条件设置的收敛仿真次数，假如最后一次还不收敛，则认为潮流无法收敛，停止计算。对于复杂电网系统而言，需要计算的参量特别多，当功率平衡或初始值选择不正确都可能造成这种情况。

此时则判断解算失败，停止解算，分析无结果。对于复杂电网系统而言，需要计算的参量特别多，当功率平衡或初始值选择不正确都可能造成解算失败的情况。

本实施例实施时，动态电网系统模型包括下面的电网元件模型，从而得到上述的电网混合微分代数方程。以下模型可根据实际的电网仿真的精度和时间要求选取，本实施例为提高仿真精度，选择同时使用下述的四种模型。

所述电网发电机模型：

采用发电机凸子和极子模型，其有功功率和无功功率的非线性方程：

i为发电机节点编号，|e′a,i|为暂态开环电压幅值，|vi|为发电机节点的电压幅值，δm,i为发电机i的相角，x′d,i为直轴暂态电抗，xq,i为交轴电抗，xd,i为发电机直轴同步电抗。|e′a,i|为暂态开环电压幅值，其由以下微分方程决定：

t′do,i直轴暂态电抗时间常数，efd,i是发电机励磁机的输出电压。

所述电网转子设备模型：

转子转速与母线i的关联关系用典型的二阶转子方程表示。用于描述同步发电机的转动特性。标准的转子转速w在正常运行状态下是固定的，当产生有振荡的时候，w会加速或者减速。

i为所有发电机节点集合中的任意节点，m为发电机的惯性常数；ωi为归一化的转子转速，d为抑制系数；pm,i为发电机机械输入功率；pg,i发电机的功率输出；

所述电网励磁设备模型：

发电机励磁系统的利用一般的二阶微分方程模型。

efd是发电机励磁机的输出电压，vref为参考电压，vt为节点实际电压，ta为自励绕组时间常数，tb为它励绕组时间常数，ke为励磁设备时间常数，sigm(·)为取值为[emin，emax]的s型函数。

所述电网调速机模型：

调速机控制机械力从而使发电机产生一个转速偏差，本发明调速模型包括等比调速和二级代理调速控制，从而使系统能保持频率偏差接近于0。

pm为发电机输出功率，pref为发电机参考输出功率，ωi为归一化的发电机转速，r为发电机允许在负荷突然增大或系统电压下降等情况下发电机的机端电压短暂的下降而不起强励或停机的时间常数，ti为pi控制时间常数，tt为伺服电机控制时间常数，p3为pi控制过程中的瞬时差分变量。

s4：读取外部环境数据，判断是否可能存在外部电网故障事件；

4.1如果存在外部电网故障事件，计算电网元件故障概率，如跳闸概率超过0.8，则认为元件故障。

s5：根据电网连锁故障仿真分析的初始条件和建立的电网混合微分代数方程对动态电网系统模型进行仿真；仿真时，计算获得输电线路、变压器等元件是否由于电流、温度、节点电压以及频率参数，再基于各元件设定的运行阈值而产生过流、超温、低压、低频等的不正常运行状态，假如电网的元件存在所述不正常运行状态，则继电保护动作切除该元件；每发生一次切除元件的动作事件。

s6：根据导纳矩阵ybus判断电网是否解列；

6.1如果电网不解列，则继续运算；

6.2如果电网解列，则切除对应的支路，返回重新获取电网一次参数和电网二次参数；进入步骤s2。

s7：根据仿真时间或电网混合微分代数方程的解算结果判断是否结束仿真。

解算电网混合微分代数方程根据梯形模型。当在时间td发生跳闸事件时，解算以下方程式：

g(td,x+,y+,z)＝0(5)

h(td,x+,y+)＝0(6)

d(td,x+,y+)＝0(7)

式中，t为前一步长的时间点，即td＝t+△td，d是计数函数，x、y、z是公式(1)、(2)、(3)中x(t)、y(t)、z(t)的简写。x+、y+为x、y在t时刻下一个瞬间的初值。

7.1判断仿真时间t是否达到设定总时长tend，如果是，则终止仿真；如果不是则继续。需要每计算完成一个步长就会判断时间。另外，计算完一个步长就会对应有一个结果，当仿真结果对应有元件发生连锁故障时，需要先修改电网拓扑，然后再继续仿真，即使没有发生元件连锁故障，还需要判断是否外部环境中是否有故障输入。

7.2判断电网混合微分代数方程解算结果是否为h<0，如果h<0，则找出导致h<0的元件编号及对应的继电保护装置编号，切除该元件，即引发的连锁故障元件，并进入步骤s3；如果h≥0，则进入步骤s4。

s8：根据所述由于外部环境引发电网元件故障的序列，形成电网相继故障事故链。记录在初始电网运行方式下由于外部环境引发电网元件故障的序列和外部故障引发的电网由于过流、超温、低压、低频等原因导致继电保护动作的切断元件的序列，形成电网相继故障事故链。

s9：输出仿真数据到excel，综合评价电网运行风险。

仿真数据包括：时间t、发电机ui的频率fui、发电机频率标幺值、发电机功率、发电机电势、母线电压、母线相角、励磁电压、励磁机终端电压、调压机功率和输电线路温度几种的组合。根据电网支路切除率、电网负荷损失率、电网发电损失率三个指标判断电网运行风险。

步骤s9中，电网支路切除率表征在连锁故障结束时保持有源网络的支路与初始电网支路数的比值。

其中，ls为在连锁故障的最后一层时独立子电网系统中有源网络的支路数；n为连锁故障的最后一层时独立子电网系统个数。li为初始电网支路数。ηsl值总为非负值，值越大表示电网系统过载程度越小。

电网发电损失率：

其中cl,i为在连锁故障的结束时独立子电网系统中发电机的有功输出功率，k为最后一层时连锁故障独立子电网系统的数量；n为初始独立子电网系统个数，cl为初始电网发电机输出功率总数。ηsc值总为非负值，值越大表示电网系统中输电容量保持程度越高。

电网负荷损失率：

对于连锁故障的结束时每一个电网子系统，获得每一个电网子系统中保持负荷量ls。

其中m为最后一层时连锁故障独立子电网系统集合send的数量；pjk,gen为集合send中第j个独立电网子系统gend,j中第k个发电机的输出功率有功，djl,bus为集合send中第j个独立电网子系统gend,j中第l个节点的负荷有功。ηsd值总为非负值，值越大表示电网系统中负荷需求保持程度越高。

实施例2：

本实施例为实施例1的应用例，包括以下步骤：

s1：读取电网数据，包括电网一次参数中1711条线路的参数、1323条母线参数、121台电机(含励磁和控制器)、233个电容和电感、667个负荷。

s2：读取电网二次参数包括：输电线路、发电机、母线继电保护装置配置及过流保护、距离保护、温度保护、低压保护以及低频保护的整定定值；

s3：建立电网混合微分代数方程。

s4：设置电网连锁故障仿真分析初始条件；

电网仿真分析总时长tend为2小时；

电网潮流计算方式为牛顿拉弗逊潮流，收敛条件为误差小于等于10^-9；

电网仿真时间步长△t＝0.5s；

过流保护动作时间toc＝0.5s及动作方式aoc为切除线路；

距离保护动作时间tz＝0.5s及动作方式az为切除线路；

温度保护动作时间ttemp＝0s及动作方式atemp为切除线路；

低压保护动作时间tu＝0.5s及动作方式au为切除所在母线25％的负荷；

低频保护动作时间tf＝0.5s及动作方式af为切除所在母线25％的负荷。

s5：读取外部环境数据，在t＝2800s时电网发现2个输电线路山火fire1和fire2，其中fire1威胁500kv船苏i线，其跳闸概率超过0.92，认为在t＝2800s时500kv船苏i线跳闸；

s6：根据导纳矩阵ybus判断电网未发生解列，步骤7、判断电网混合微分代数方程解算结果为h<0，220kv输电线路耒真i线#1继电保护的过流保护动作，经查，该线路此时的输送电流为546a，超过了其输电容量380a。

s7：输出仿真数据到excel。

仿真数据包括：时间t、发电机ui的频率fui、发电机频率标幺值、发电机功率、发电机电势、母线电压、母线相角、励磁电压、励磁机终端电压、调压机功率、输电线路温度。

s8：记录在初始电网运行方式下由于外部环境引发电网元件故障的序列和外部故障引发的电网由于过流、超温、低压、低频等原因导致继电保护动作的切断元件的序列，形成电网相继故障事故链。

s9：根据电网支路切除率、电网负荷损失率、电网发电损失率三个指标判断电网运行风险。

在上述的实施例中，本发明通过以下两个要点实现，电网的多灾种耦合分析，即多种灾害相继作用于电网的元件，其对电网运行产生的影响通过叠加而不断扩大，比独立的电网灾害(单一灾种)对电网影响大得多。

1)通过电网故障事件的输入，即在一次性输入多个外部故障或者在短时间内输入多个外部故障，即体现了多灾种耦合；

2)在运算过程中，通过计算电网各节点、各元件的运行参数时，通过微分代数方程考虑了电网多种灾害的故障叠加的影响。

实施例3：

本实施例提供一种电网多灾种耦合连锁故障分析系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的步骤。

综上可知，本发明通过综合电网运行方式、继电保护动作特性及外部环境的跳闸概率等多因素的多灾种耦合连锁故障分析方法。针对电网实际跳闸的继电保护类型，建立继电保护模型，实现电网元件的故障模拟；基于电网外部环境的发展过程，实时引入外部多种灾害对电网的故障概率；构建电网元件物理模型的电网拓扑及特性，提高电网仿真的准确率，采用变步长的电网仿真分析方法，提高了仿真效率。该方法思路新颖、流程清晰、准确率高和实用性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。