电网连锁故障的仿真方法及装置与流程

本发明涉及电力系统领域，具体而言，涉及一种电网连锁故障的仿真方法及装置。

背景技术：

连锁故障会导致大停电事故，这些大停电事故往往是由于系统中某一元件发生故障，引发或伴随其他相关元件停运，导致系统的稳定性遭到破坏，致使局部连锁故障的迅速蔓延，最终发生电网崩溃。该类事故发生的概率虽然不大，但危害很大。

为了解决该问题，现有技术中，通常有两种方法：一是根据经验有选择性的进行个别故障的仿真，该方法缺乏系统性，连锁故障涵盖面不全；二是根据电网拓扑结构采用穷举的方法，绝大多数故障属于不可能发生故障和对系统稳定破坏极小的故障，该方法仿真工作量巨大，冗余工作较多，并且该现有技术所采用的处理方式利用复杂系统理论，从复杂网络拓扑角度建立电网静态或动态的拓扑模型并进行电网脆弱性分析；利用自组织临界性理论模拟、预测及优化控制系统的运行状态和演化趋势；分析电力网络与通讯信息网络的耦合关系对电力系统可靠性的影响等方面，对电网拓扑建模和连锁故障建模及其在电网脆弱性和可靠性分析方面的应用开展研究。但是针对健全电网，如何确定能够全面分析系统薄弱环节并对其进行耦合，按照稳定破坏对系统影响程度生成连锁故障并对其进行仿真分析是生产运行人员一直面临并亟待解决的问题。

针对上述对电网连锁故障仿真的工作量大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种电网连锁故障的仿真方法及装置，以至少解决电网连锁故障仿真的工作量大的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电网连锁故障的仿真方法，包括：对电网进行稳定性分析，确定出电网中的关键故障元件；基于关键故障元件，生成电网的连锁故障序列；基于连锁故障序列，进行全过程动态仿真；通过仿真结果，确定发生连锁故障后电网的状态。

进一步地，对电网进行稳定性分析，确定出电网中的关键故障元件包括：分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果；基于分析结果确定关键故障元件。

进一步地，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果包括：对电网进行静态稳定分析，得到电网的第一元件集合和机组集合，其中，第一元件集合中包括在静态分析过程中过载或负载超出预定负载的输变电元件，机组集合中包括功率因数低于预定功率因数的机组，分析结果包括输变电元件集合和机组集合。

进一步地，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果包括：对电网进行暂态稳定分析，得到电网的第二元件集合，其中，第二元件集合中包括故障极限切除时间小于预定时间的元件，分析结果包括元件集合。

进一步地，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果包括：对电网进行动态稳定分析，得到电网的区域集合，其中，区域集合中包括动态稳定裕度小于预定裕度的区域，分析结果包括区域集合。

进一步地，分析结果包括第一元件集合、机组集合、第二元件集合和区域集合，其中，基于分析结果确定关键故障元件包括：从第一元件集合、机组集合、第二元件集合和区域集合中，获取物理属性相重叠的元件，得到第三元件集合，其中，第三元件集合中包括多组仿真对象，其中，每组仿真对象包括被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素；基于各组仿真对象中的被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素，对电网进行连锁故障仿真，确定出对电网稳定性破坏程度最大的仿真对象，以得到连锁故障序列。

进一步地，发生连锁故障后电网的状态包括：失稳形式和失稳范围。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电网连锁故障的仿真装置，包括：第一确定单元，在对电网进行稳定性分析时，用于确定出所述电网中的关键故障元件；第一生成单元，基于所述关键故障元件，用于生成所述电网的连锁故障序列；第一仿真单元，基于所述连锁故障序列，用于进行全过程动态仿真；第二确定单元，通过仿真结果，确定发生连锁故障后所述电网的状态。

进一步地，第一确定单元包括：第一分析模块，用于分别对所述电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果；第一确定模块，用于基于所述分析结果确定所述关键故障元件。

进一步地，所述第一分析模块包括：第一分析子模块，用于对所述电网进行静态稳定分析，得到所述电网的第一元件集合和机组集合，其中，所述第一元件集合中包括在静态分析过程中过载或负载超出预定负载的输变电元件，所述机组集合中包括功率因数低于预定功率因数的机组，所述分析结果包括所述输变电元件集合和机组集合。

通过上述实施例，在对电网进行稳定性分析，确定出电网中的关键故障元件之后，基于确定出的关键故障元件，生成电网的连锁故障序列，对该连锁故障序列，进行全过程动态仿真，得到仿真结果，通过仿真结果，确定发生连锁故障后电网的状态。在该方案中，通过关键故障元件确定连锁故障序列，并对对其进行仿真得到发生连锁故障后电网的状态，在对全量故障进行仿真的过程中，不会增加工作量，解决了现有技术中对电网连锁故障仿真的工作量大的问题，实现了快速高效全面地进行电网连锁故障仿真的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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是根据现有技术的一种电网连锁故障的仿真方法的流程图；

图2(a)是根据本发明实施例的一种电网连锁故障的仿真曲线图一；

图2(b)是根据本发明实施例的一种电网连锁故障的仿真曲线图二；

图2(c)是根据本发明实施例的一种电网连锁故障的仿真曲线图三；

图2(d)是根据本发明实施例的一种电网连锁故障的仿真曲线图四；

图3是根据本发明实施例的一种可选的电网连锁故障的仿真装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种电网连锁故障的仿真方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的电网连锁故障的仿真方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，对电网进行稳定性分析，确定出电网中的关键故障元件；

步骤S104，基于关键故障元件，生成电网的连锁故障序列；

步骤S106，基于连锁故障序列，进行全过程动态仿真；

步骤S108，通过仿真结果，确定发生连锁故障后电网的状态。

通过上述实施例，在对电网进行稳定性分析，确定出电网中的关键故障元件之后，基于确定出的关键故障元件，生成电网的连锁故障序列，对该连锁故障序列，进行全过程动态仿真，得到仿真结果，通过仿真结果，确定发生连锁故障后电网的状态。在该方案中，通过关键故障元件确定连锁故障序列，并对对其进行仿真得到发生连锁故障后电网的状态，在对全量故障进行仿真的过程中，不会增加工作量，解决了现有技术中对电网连锁故障仿真的工作量大的问题，实现了快速高效全面地进行电网连锁故障仿真的效果。

可选地，对电网进行稳定性分析，确定出电网中的关键故障元件包括：分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果；基于分析结果确定关键故障元件。

通过上述实施例提供的一种计及全过程动态稳定性的特大型城市电网连锁故障场景生成方法，通过识别静态、暂态、中长期全过程关键故障元件，按稳定破坏程度有序生成城市电网系列连锁故障序列，为连锁故障的预防控制提供指导依据。

在一个可选的实施例中，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果可以包括：对电网进行静态稳定分析，得到电网的第一元件集合和机组集合，其中，第一元件集合中包括在静态分析过程中过载或负载超出预定负载的输变电元件，机组集合中包括功率因数低于预定功率因数的机组，分析结果包括输变电元件集合和机组集合。

例如，对电网进行静态N-1分析，罗列静态N-1后过载或负载较重的输变电元件集合(即第一元件集合)A{A1、A2、……、Am}，即为系统静态稳定薄弱环节，以及功率因数较低的机组集合B{B1、B2、……、Bn}，即为系统动态无功支撑薄弱环节。

在另一个可选的实施例中，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果包括：对电网进行暂态稳定分析，得到电网的第二元件集合，其中，第二元件集合中包括故障极限切除时间小于预定时间的元件，分析结果包括元件集合。

例如，对电网进行暂态稳定分析，筛选故障极限切除时间较短的元件集合(即第二元件集合)C{C1、C2、……、Cp}，即为系统暂态稳定薄弱环节。

在又一个可选的实施例中，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果可以包括：对电网进行动态稳定分析，得到电网的区域集合，其中，区域集合中包括动态稳定裕度小于预定裕度的区域，分析结果包括区域集合。

例如，对电网进行全过程动态仿真分析，明确系统动态稳定裕度较小的区域集合D{D1、D2、……、Dq}，即为系统全过程动态稳定薄弱环节。

根据上述实施例，分析结果包括第一元件集合、机组集合、第二元件集合和区域集合，其中，基于分析结果确定关键故障元件可以包括：从第一元件集合、机组集合、第二元件集合和区域集合中，获取物理属性相重叠的元件，得到第三元件集合，其中，第三元件集合中包括多组仿真对象，其中，每组仿真对象包括被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素；基于各组仿真对象中的被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素，对电网进行连锁故障仿真，确定出对电网稳定性破坏程度最大的仿真对象，以得到连锁故障序列。

以上述方案为例，选取上述四个集合中物理属性相重叠的元件形成故障元件集合(即第三元件集合)E1{Ax1、By1、Cz1、Dk1}、E2{Ax2、By2、Cz2、Dk2}，E3{Ax3、By3、Cz3、Dk3}……令Ax1为检修元件，令Cz1为故障元件，令By1为失磁电源，令Dk1为负荷增长分区。

进一步地，在Ax1元件N-1或N-2检修方式下，根据故障后系统稳定水平，预设Cz1元件三永N-1、N-2或者开关拒动故障，令By1机组发生失磁故障，t秒后如果系统仍能够保持稳定运行，继续模拟分区Dk1负荷增长，直至系统失稳；根据上述步骤针对E2、E3等集合重复生成连锁故障，确定出对系统稳定破坏程度最大的连锁故障序列。

在上述实施例中，发生连锁故障后电网的状态包括：失稳形式和失稳范围。

通过上述实施例，针对上述连锁故障序列进行全过程动态仿真，分析连锁故障后系统失稳形式、失稳范围，为连锁故障的预防控制提供指导依据。

在本发明实施例中，对电网进行稳定性分析，确定出所述电网中的关键故障元件，基于所述关键故障元件，生成所述电网的连锁故障序列，基于所述连锁故障序列，进行全过程动态仿真，通过仿真结果，确定发生连锁故障后所述电网的状态。在上述实施例中，首先，分别对电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果，基于得到的分析结果确定关键故障件。然后，基于各组仿真对象中的被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素，对所述电网进行连锁故障仿真，确定出对电网稳定性破坏程度最大的仿真对象，以得到连锁故障序列。最后，得到电网的失稳形式和失稳范围。而不是根据经验有选择性的进行个别故障的仿真和根据电网拓扑结构采用穷举的方法，从而可以解决电网连锁故障仿真的工作量大的问题，实现了对电网连锁故障的仿真进行系统全面和精简化的效果。

下面以500kV\220kV电网为例，对本申请一个可选的实施例进行详细说明：

(1)对500kV\220kV电网进行静态N-1分析，罗列静态N-1后过载或负载较重的输变电元件集合A以及功率因数较低的机组集合B，表1示出了集合A中故障线路与N-1前后潮流水平(MW)和受端母线电压水平(kV)，表2示出了主变名称(即变压器名称)、故障前单台主变下网功率、故障后另一台主变下网功率、单台变压器容量(MVA)以及是否过载的对应关系，表3示出了发电机、机端电压、有功出力、无功出力、无功出力比例、以及机组功率的对应关系。

表1

表2

表3

(2)对500kV\220kV电网进行暂态稳定分析，筛选故障极限切除时间较短的元件集合C，表4示出了集合C中故障线路与极限切除时间(周波)和极限切除时间(秒)之间的对应关系。

表4

(3)对500kV\220kV电网进行全过程动态仿真分析，明确系统动态稳定裕度较小的区域集合D，表5示出了集合D中负荷增长区域与负荷极限/MW、基态负荷/MW和电压稳定裕度Kp之间的对应关系。

表5

(4)选取(1)、(2)、(3)步骤中物理属性相重叠的元件形成故障元件集合E1{Ax1＝昌平1#主变：、By1＝京高新1#机组、Cz1＝海淀-昆玉220kV一回线路、Dk1＝海昌}，令昌平1#主变为检修元件，令海淀-昆玉220kV一回线路为故障元件，令京高新机组为失磁电源，令海昌为负荷增长分区。

(5)在昌平1#主变N-1检修方式下，根据故障后系统稳定水平，预设海淀-昆玉220kV一回线路N-2故障，令京高新机组发生失磁故障，图2(a)至图2(d)示出了电网连锁故障的仿真曲线图，其中，图2(a)示出的是线路输出随时间的变化曲线，该图中的两条曲线分别表示京海淀的线路输出曲线和京昌平的线路输出曲线；图2(b)示出的是发电机无功功率随时间变化的曲线，该途中的曲线为京新高对应的发电机无功功率的曲线；图2(c)示出的是京新高对应的励磁电压随时间变化的曲线；图2(d)示出的六条低电压母线随时间变化的曲线，该六条曲线分别对应：京海淀、京昌平、京城北、京顺义、京新通、以及京朝新。

(6)针对上述连锁故障序列进行全过程动态仿真，仿真结果表明，0秒昌平1#主变检修后，昌平4#主变负载增加至满载运行，系统稳定；0.2秒海淀-昆玉220kV一回线路三永N-2故障后，系统经过小幅度的振荡保持稳定运行，此时海昌供电分区由昌平4#变及双回220kV线路+海淀2#变及双回220kV线路供电，与系统电气联系相对较弱；0.7秒海昌分区内京高新1#机发生短路失磁故障，机组无功出力由198Mvar逐渐降低至0，5秒后转为吸收无功状态，大量消纳海昌分区内的动态无功储备，45秒左右海昌分区电压崩溃，系统失稳。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电网连锁故障的仿真装置，该装置包括图3所示的：第一确定单元31，在对电网进行稳定性分析时，用于确定出电网中的关键故障元件；第一生成单元33，基于关键故障元件，用于生成电网的连锁故障序列；第一仿真单元35，基于连锁故障序列，用于进行全过程动态仿真；第二确定单元37，通过仿真结果，确定发生连锁故障后电网的状态。

通过上述实施例，在第一确定单元对电网进行稳定性分析时，确定出电网中的关键故障元件。然后利用第一生成单元基于关键故障元件，生成电网的连锁故障序列。其次利用第一仿真单元基于连锁故障序列，进行全过程动态仿真。最后，通过仿真结果，利用第二确定单元确定发生连锁故障后电网的状态。

进一步地，第一确定单元包括：第一分析模块，用于分别对所述电网进行静态稳定分析、暂态稳定分析和动态稳定分析，得到分析结果；第一确定模块，用于基于所述分析结果确定所述关键故障元件。

可选地，所述第一分析模块包括：第一分析子模块，用于对所述电网进行静态稳定分析，得到所述电网的第一元件集合和机组集合，其中，所述第一元件集合中包括在静态分析过程中过载或负载超出预定负载的输变电元件，所述机组集合中包括功率因数低于预定功率因数的机组，所述分析结果包括所述输变电元件集合和机组集合。

在一个可选的实施例中，第一分析模块包括：第二分析子模块，用于对电网进行暂态稳定分析，得到电网的第二元件集合，其中，第二元件集合中包括故障极限切除时间小于预定时间的元件，分析结果包括元件集合。

在另一个可选的实施例中，第一分析模块包括：第三分析子模块，用于对电网进行动态稳定分析，得到电网的区域集合，其中，区域集合中包括动态稳定裕度小于预定裕度的区域，分析结果包括区域集合。

在又一个可选的实施例中，分析结果包括第一元件集合、机组集合、第二元件集合和区域集合，其中，第一确定模块包括：第一获取子模块，用于从第一元件集合、机组集合、第二元件集合和区域集合中，获取物理属性相重叠的元件，得到第三元件集合，其中，第三元件集合中包括多组仿真对象，其中，每组仿真对象包括被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素；第一确定子模块，用于基于各组仿真对象中的被设置为检修元件的元素、被设置为失磁电源的元素、被设置为故障元件的元素以及被设置为负荷增长分区的元素，对电网进行连锁故障仿真，确定出对电网稳定性破坏程度最大的仿真对象，以得到连锁故障序列。

需要说明的是，发生连锁故障后电网的状态包括：失稳形式和失稳范围。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。