基于故障概率和时域仿真准稳态的相继故障在线评估方法与流程

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于故障概率和时域仿真准稳态的相继故障在线评估方法。

背景技术：

电力系统负荷不断增长，送电距离逐步增加，其规模不断扩大，结构也日趋复杂。大量柔性交流输电和特高压直流输电工程投运以及新能源大规模接入带来的不确定性导致现代电力系统的动态特性越来越复杂，与此同时，外部气象环境对电网影响逐渐加深，自然灾害频发，设备安全及电网安全稳定运行面临重大挑战。若不能及时地跟踪电网运行工况变化并对潜在的相继故障事故风险进行预判和预警，那么交直流电网承受复杂气象环境下多设备相继故障的能力将难以保证，调度运行人员面临巨大压力。准确模拟外部气象环境下设备相继故障，评估相继故障演化事故链风险等级就显得尤为重要。

通过外部气象灾害对电网设备影响的机理分析和大量历史数据调研，灾害条件下多个设备故障并非同时发生，即存在时序特征。受灾害类型、地理环境等因素影响，设备故障时刻存在不确定性，但研究人员通常假定多个设备故障同时发生，基于群发故障形态进行电网暂态、动态安全稳定评估，忽略了设备故障间隔时间较长的情况，导致评估结果的准确性无法满足要求，已有基于纯潮流计算的相继故障评估方法难以计及第三道防线控制、新能源脱网、直流连续换相失败导致闭锁、交直流设备保护动作的影响，准确性也无法满足要求。此外，受《电力安全事故应急处置和调查处理条例》、《国家电网公司安全事故调查规程》、《中国南方电网有限责任公司电力事故(事件)调查规程》等相关条例和规程要求，相继故障的评估不能仅仅局限于对故障后的安全稳定性进行评估，且应该考虑故障后事故事件等级风险。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种基于故障概率和时域仿真准稳态的相继故障在线评估方法，基于外部气象灾害评估给出的设备故障概率、故障位置和故障类型，按设备故障概率或人工指定生成相继故障序列，对每一相继故障序列进行设备故障后的准稳态运行方式判别和安全稳定、事故事件等级风险评估，为实际电网运行中识别高风险相继故障关键环节、阻断相继故障的演化提供有效的技术支撑。

本发明是采用以下技术方案实现的，

基于故障概率和时域仿真准稳态的相继故障在线评估方法，包括：

生成按发生时序排列的设备故障序列；

将生成的设备故障序列作为在线评估的相继故障序列，对每一个相继故障序列，基于潮流、稳定计算数据，通过时域仿真进行设备故障的暂态、动态安全稳定裕度量化评估和事故事件等级风险评估；

对于暂态、动态安全稳定裕度量化评估结果小于设定的门槛值，或者事故事件等级风险评估结果大于设定的门槛值的设备故障给出告警信息；否则，基于设备故障时域仿真进行准稳态判别；

对于满足准稳态判别要求的设备故障，进行设备过载安全、断面越限安全、电压越限安全和频率越限安全裕度量化评估；否则，给出告警信息；

如果任一安全裕度小于设定的门槛值，则给出告警信息，否则，生成准稳态潮流、稳定计算数据，进行潮流计算；

如果潮流收敛，则更新准稳态潮流、稳定计算数据，进行下一个设备故障评估计算，直至完成相继故障序列中所有设备故障的评估计算或者达到设定的相继所有相继故障序列的设备故障评估完成后，输出各个相继故障序列中各设备故障后的暂态、动态安全稳定裕度量化评估结果，事故事件等级风险评估结果和安全裕度量化评估结果，以及相关告警信息。

进一步的，所述生成按发生时序排列的设备故障序列，包括：

基于外部气象灾害单一设备故障概率评估结果获取各设备的故障类型、故障位置和故障概率，筛选出故障概率大于门槛值的设备，并按照故障概率从大到小的顺序对设备进行排序；

对排序后的设备，按照各设备的故障位置、故障类型生成满足在线评估要求的故障序列

其中，nf1为第1个故障序列最大故障设备数，f1.i表示第1个故障序列按时序第i个设备故障，i＝1，2，…，nf1。

进一步的，所述生成按发生时序排列的设备故障序列，还包括：

基于外部气象灾害单一设备故障概率评估结果获取各设备的故障类型、故障位置和故障概率，筛选出故障概率大于门槛值的设备，并按照故障概率从大到小的顺序对设备进行排序；

对排序后的设备，按照各设备的故障位置、故障类型生成满足在线评估要求的故障序列

在筛选出故障概率大于门槛值的设备中，通过人工设置任一故障设备fj.i及故障时序tj.i，对故障设备按故障时序tj.i进行排序，并按照各设备的故障位置、故障类型生成满足在线评估要求的一个或多个故障序列j>1；

取故障序列的并集，生成按发生时序排列的设备故障序列j＝1，2，…，fj；

其中，fj.i表示第j个故障序列按时序第i个设备故障，nfj为第j个故障序列最大故障设备数，fj为故障序列最大数。

进一步的，所述设备包括交流线路、变压器、母线和直流线路、直流母线和直流换流变压器；所述故障类型包括交流线路、变压器和母线单相永久短路故障、单相瞬时短路故障、单相断线故障、两相相间短路故障、两相接地短路故障、两相断线故障、三相永久短路故障、三相瞬时短路故障、三相断线故障，以及直流系统单、双极闭锁故障；所述故障位置是指距离交直流线路的首、末端杆塔的地理距离，以及交流变压器、直流换流变的高、低压侧位置信息。

进一步的，对不同的相继故障序列采用并行计算方式，进行设备故障的暂态、动态安全稳定裕度量化评估和事故事件等级风险评估。

进一步的，对每一个相继故障序列，进行设备故障的事故事件等级风险评估，包括：

基于故障设备、网络拓扑关系，获取设备故障直接导致的发电、负荷损失和不同电压等级厂站停运数量、不同区域停电用户数、闭锁直流系统的电压等级和数量，以及电网解列的电压等级及数量；

基于时域仿真结果，获取设备故障下的母线稳态电压、频率值，及暂态、动态过程中第二三道防线和交流设备保护动作导致的发电、负荷损失、不同电压等级厂站停运数量、不同区域停电用户数以及电网解列的电压等级和数量，以及新能源脱网保护动作导致的新能源脱网量、直流系统控制保护动作导致的闭锁直流系统电压等级和数量；

评估设备故障导致的事故事件等级，基于设定的经济代价值将事故事件等级转化为经济代价，并将经济代价与故障概率的乘积作为设备故障的单独风险值，综合考虑第j个故障序列第i个设备故障之前所有故障的单独风险值，通过下式计算设备故障fj.i在第j个故障序列的综合风险值rt.j.i：

其中，r′t.j.k为第j个故障序列第i个设备故障之前第k个设备故障的单独风险值。

进一步的，所述事故事件等级包括特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故、五级电网事件、六级电网事件、七级电网事件和八级电网事件；所述经济代价值参考条例、规程基于实际运行经验进行设定。

进一步的，所述基于设备故障时域仿真进行准稳态判别，包括：

同时满足如下三个条件，则满足准稳态判别要求：

|δg.max-δg.min|≤εδg＝1,2,3…,ng

|fb.max-fb.min|≤εfb＝1,2,3…,mb

|ub.max-ub.min|≤εub＝1,2,3…,mb

其中，δg.max、δg.min分别代表机组g在δt内功角的最大值、最小值，ng为机组最大数，εδ为设定的功角波动幅度门槛值；fb.max、fb.min分别代表母线b在δt内频率的最大值、最小值，εf为设定的频率波动幅度门槛值；ub.max、ub.min分别代表母线b在δt内电压的最大值、最小值，εu为设定的电压波动幅度门槛值，mb为母线最大数。

进一步的，所述生成准稳态潮流、稳定计算数据，包括：

根据设备故障及时域仿真结果获取故障设备和第二三道防线控制策略、交直流设备保护、直流系统动态控制、新能源脱网保护动作导致设备停运或投运信息，以及准稳态方式下各交直流设备的有功、无功及控制参数定值，包括机组有功出力、负荷的有功无功功率、直流系统有功及触发角和关断角定值、直流换流母线无功功率、交流母线的并联无功功率、机组的机端电压值；

在初始计算数据d0的基础上修改网络拓扑，将停运的交流线路、变压器、直流系统、常规机组和新能源机组相关网络参数和动态控制保护模型剔除，并基于ems网络模型参数增加投运的设备模型参数，生成准稳态方式的潮流网络模型和稳定计算数据；

在生成准稳态方式的潮流网络模型基础上，基于准稳态方式下各交直流设备的有功、无功及控制参数定值修改潮流数据中的常规发电机组有功出力和机端电压目标值、新能源机组的有功出力值、负荷节点的有功无功功率、直流系统有功及触发角和关断角定值、交流母线及直流换流站母线的无功功率，生成准稳态潮流、稳定计算数据。

进一步的，所述初始计算数据d0的生成方式为：

基于电网的状态估计数据、scada、离线典型方式低压网络模型参数进行多源数据整合，计及常规机组、新能源、负荷、直流、facts设备的动态控制模型和第二三道防线控制策略、新能源脱网保护、交直流设备保护模型，生成初始在线运行方式潮流、稳定计算数据d0。

本发明所达到的有益效果是：

本发明基于外部气象灾害评估给出的设备故障概率、故障位置和故障类型，按设备故障概率或人工指定生成相继故障序列，反应故障的时序特征，多个相继故障序列采用并行计算模式，每一相继故障序列按设备故障的次序，计及直流系统的控制保护模型、第二三道防线控制策略、新能源脱网保护、交直流设备保护模型，基于时域仿真进行设备故障后的准稳态运行方式判别和安全稳定、事故事件等级风险评估，并生成准稳态潮流稳定计算数据用于后续相继设备故障的在线安全稳定和事故事件等级风险评估，给出相继故障序列各阶段安全稳定、事故事件等级风险评估结果，提升相继故障评估的准确性，为实际电网运行中识别高风险相继故障关键环节、阻断相继故障的演化提供有效的技术支撑。

附图说明

图1为本发明基于故障概率和时域仿真准稳态的相继故障在线评估方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。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。

参见图1，本发明提供一种基于故障概率和时域仿真准稳态的相继故障在线评估方法，包括如下步骤：

步骤s1：基于电网的状态估计数据、scada、离线典型方式低压网络模型参数等进行多源数据整合，计及常规机组、新能源、负荷、直流、facts设备的动态控制模型和第二三道防线控制策略、新能源脱网保护、交直流设备保护模型，生成初始在线运行方式潮流、稳定计算数据d0，进入步骤s2。

步骤s2：基于外部气象灾害单一设备故障概率评估结果或人工设置，生成按发生时序排列的设备故障序列fj.i表示第j个故障序列按时序第i个设备故障，nfj为第j个故障序列最大故障设备数，j＝1，2，…，fj，其中，j＝1表示按概率自动生成的故障序列，j>1表示人工指定的故障序列，fj为故障序列最大数，将生成的故障序列作为在线评估的相继故障序列，设定各相继故障序列最大仿真故障数nj.max，令i＝1，进入步骤s3。

进一步的，基于外部气象灾害单一设备故障概率评估结果和人工设置生成按发生时序排列的设备故障序列，具体步骤如下：

s2-1)基于外部气象灾害单一设备故障概率评估结果获取各设备的故障类型、故障位置和故障概率，筛选出故障概率大于门槛值λt(通常设置0.2)的设备，并按照故障概率从大到小的顺序对设备进行排序。

其中，设备包括交流线路、变压器、母线和直流线路、直流母线、直流换流变压器；故障类型包括交流线路、变压器和母线单相永久短路故障、单相瞬时短路故障、单相断线故障、两相相间短路故障、两相接地短路故障、两相断线故障、三相永久短路故障、三相瞬时短路故障、三相断线故障，以及直流系统单、双极闭锁故障；故障位置是指距离交直流线路的首、末端杆塔的地理距离，以及交流变压器、直流换流变的高、低压侧位置信息。

s2-2)基于故障概率从大到小顺序按照各设备的故障位置、故障类型生成满足在线评估要求的故障序列

s2-3)在筛选出故障概率大于门槛值λt的设备中，通过人工设置任一故障设备fj.i及故障时序tj.i，对故障设备按故障时序tj.i进行排序，并按照各设备的故障位置、故障类型生成满足在线评估要求的一个或多个故障序列(j>1)。

s2-4)综合步骤s2-2)和步骤s2-3)，取故障序列的并集，生成按发生时序排列的设备故障序列j＝1，2，…，fj。

其中s2-3)为可选步骤，若不进行人工设置，则步骤s2-4)只取步骤s2-2)生成设备故障序列。

步骤s3：对不同的相继故障序列采用并行计算方式，针对每一个相继故障序列，基于潮流、稳定计算数据di-1，通过时域仿真进行设备故障fj.i的暂态、动态安全稳定裕度量化评估和事故事件等级风险评估,获取暂态、动态安全稳定裕度量化评估结果ηt.j.i和事故事件等级风险评估结果rt.j.i,若ηt.j.i小于设定的门槛值ηt.min(一般取为0)或rt.j.i大于设定的门槛值rmax(一般取为100万元)，给出告警信息，进入步骤s6，否则进入步骤s4；

进一步的，进行设备故障fj.i的事故事件等级风险评估，具体如下：

s3-1)基于故障设备、网络拓扑关系，获取设备故障fj.i直接导致的发电、负荷损失和不同电压等级厂站停运数量、不同区域停电用户数、闭锁直流系统的电压等级和数量，以及电网解列的电压等级及数量；

s3-2)基于时域仿真结果，获取故障fj.i下个母线稳态电压、频率值，及暂态、动态过程中第二三道防线和交流设备保护动作导致的发电、负荷损失、不同电压等级厂站停运数量、不同区域停电用户数以及电网解列的电压等级和数量和新能源脱网保护动作导致的新能源脱网量、直流系统控制保护动作导致的闭锁直流系统电压等级和数量；

s3-3)汇总统计步骤s3-1)和步骤s3-2)的结果，依据《电力安全事故应急处置和调查处理条例》、《国家电网公司安全事故调查规程》、《中国南方电网有限责任公司电力事故(事件)调查规程》等相关条例和规程，评估设备故障fj.i导致的事故事件等级，基于设定的经济代价值将事故事件等级转化为经济代价，并将经济代价与故障概率λj.i的乘积作为设备故障fj.i的单独风险值r′t.j.i，综合考虑第j个故障序列第i个设备故障之前所有故障的单独风险值，通过式(1)计算设备故障fj.i在第j个故障序列的综合风险值rt.j.i：

式中，r′t.j.k为第j个故障序列第i个设备故障之前第k个设备故障的单独风险值。

其中，事故事件等级包括特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故、五级电网事件、六级电网事件、七级电网事件、八级电网事件，其经济代价值设定可参考条例、规程基于实际运行经验进行设定，如，特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故、四级电网事件、五级电网事件、六级电网事件、七级电网事件、八级电网事件的经济代价可分别设置为20000万元、10000万元、5000万元、1000万元、500万元、400万元、200万元、100万元。

步骤s4：基于设备故障fj.i时域仿真进行准稳态判别，若满足准稳态判别要求，基于准稳态各支路电流、功率及各母线电压、频率进行设备过载安全、断面越限安全、电压越限安全、频率越限安全裕度量化评估，若任一安全裕度小于设定的门槛值ηs.min，则给出告警信息，进入步骤s6，否则，生成准稳态潮流、稳定计算数据di，转入步骤s5；若不满足准稳态判别要求，给出告警信息，进入步骤s6；

进一步的，基于设备故障fj.i时域仿真进行准稳态判别，依据在设定时长δt(通常取5s)内系统机组功角、母线频率及电压波动幅值均小于设定的门槛值，需要满足如下三个条件：

|δg.max-δg.min|≤εδg＝1,2,3…,ng(2)

|fb.max-fb.min|≤εfb＝1,2,3…,mb(3)

|ub.max-ub.min|≤εub＝1,2,3…,mb(4)

式中，δg.max、δg.min分别代表机组g在δt内功角的最大值、最小值，ng为机组最大数，εδ为设定的功角波动幅度门槛值；fb.max、fb.min分别代表母线b在δt内频率的最大值、最小值，εf为设定的频率波动幅度门槛值；ub.max、ub.min分别代表母线b在δt内电压的最大值、最小值，εu为设定的电压波动幅度门槛值，mb为母线最大数。

进一步的，生成准稳态潮流、稳定计算数据如下：

s4-1)根据设备故障fj.i及时域仿真结果获取故障设备和第二三道防线控制策略、交直流设备保护、直流系统动态控制、新能源脱网保护动作导致设备停运或投运信息，以及准稳态方式下各交直流设备的有功、无功及控制参数定值，包括机组有功出力、负荷的有功无功功率、直流系统有功及触发角和关断角定值、直流换流母线无功功率、交流母线的并联无功功率、机组的机端电压值。

s4-2)在初始计算数据d0的基础上修改网络拓扑，将停运的交流线路、变压器、直流系统、常规机组和新能源机组相关网络参数和动态控制保护模型剔除，并基于ems网络模型参数增加投运的设备模型参数，生成准稳态方式的潮流网络模型和稳定计算数据；

s4-3)在生成准稳态方式的潮流网络模型基础上，基于准稳态方式下各交直流设备的有功、无功及控制参数定值修改潮流数据中的常规发电机组有功出力和机端电压目标值、新能源机组的有功出力值、负荷节点的有功无功功率、直流系统有功及触发角和关断角定值、交流母线及直流换流站母线的无功功率，生成准稳态潮流计算数据。

步骤s5:令i＝i+1，若i≤nj.max且i≤nfj，基于准稳态计算数据di-1进行潮流计算，若潮流收敛，则更新潮流、稳定计算数据，返回步骤s3，否则，给出告警信息，进入步骤s6，若i>nj.max或i>nfj,进入步骤s6。

步骤s6:输出各个相继故障序列各设备故障后的暂态、动态、稳态安全稳定评估和事故事件等级风险评估结果，以及相关告警信息，结束本方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。