基于典型引发故障事件的连锁故障主导风险辨识方法

张龙跃 田峻

四川电力设计咨询有限责任公司 四川省成都市 610000

摘要:多引发故障事件造成不同时间特性的风险。提出冲击风险与渐变风险概念，建立冲击风险矩阵和渐变风险矩阵，基于风险阈值提出系统面对多引发故障事件时其主导风险辨识方法，并得出风险时序图。该方法可分析出系统安全薄弱环节和相应诱因，有利于进行提前防御。另外电网用户负荷水平升高会导致系统经历缓慢相继开断阶段时间变短，在一定负载率下渐变风险甚至会转变为冲击风险，使系统提前进入快速相继开断阶段。 关键词:连锁故障；主导风险；冲击风险；渐变风险；时序图

0 引言

国内外电网发生多次连锁故障，如印度“7.30”、巴西“3.21”、英国“8、9”大停电事故，造成巨大的经济损失和社会影响。连锁故障从快速相继开断阶段开始，事故已经呈恶化趋势，故障发展趋势呈现出一定程度的不可逆转性，主要体现为冲击风险，而缓慢相继开断阶段中故障间有一定的时间间隔，主要体现为渐变风险。

文献[1-3]对连锁故障进行了深入研究。连锁故障中引发故障事件很多，造成的风险时间特性也不同，上级引发故障事件发生后，如系统渐变风险占主导作用，发生缓慢开断，系统仍可控；若冲击风险占主导作用，则发生快速开断，系统可能不可控。因此辨识引发故障事件发生后系统主导风险有助于调度人员及时了解连锁故障的发展程度并采取有效的防控措施。

本文基于主导风险的辨识算法和时间特性的求取来辨识系统所处状态。基于冲击风险和渐变风险的时间特性，建立两类风险矩阵，考虑不同的风险阈值，提出系统同时面对多种引发故障事件时其主导风险辨识方法。以隐性故障、触树故障和老化故障为典型引发故障事件，利用所提方法建立风险计算模型进行主导风险辨识，并得出连锁故障风险序列时序图。基于仿真结果可得，所提方法不仅可辨识出主导风险类型，还可根据具体诱因提前进行针对性的整改防御。另外，电网负荷水平越高，渐变风险主导的缓慢相继开断阶段持续时间变短，且渐变风险在一定负载率下可转变为冲击风险，导致系统进入快速相继开断阶段的时间大幅减少。

1主导风险辨识方法

通过分析可得冲击风险矩阵：

(1)

(2)

式中：R^cj(t)表示冲击风险矩阵，m_cj和n_cj分别表示存在m_cj种引发故障事件会造成冲击风险和每种冲击风险均可能出现在n_cj条线路。R^cj_ij和R^cj_ij(t)分别表示第i种引发故障事件在线路j上造成的风险值大小和冲击风险表达式，其中i=1,2,..,m_cj，j=1,2,..,n_cj，δ(t)为标准冲击函数，u(t)为单位阶跃函数，当t<0，u(t)=0；t>0，u(t)=1。

同理，可得渐变风险矩阵

(3)

式中：R^jb(t)表示渐变风险矩阵，m_jb和n_jb分别表示存在m_jb种引发故障事件会造成渐变风险和每种渐变风险均可能出现在n_jb条线路。R^jb_kl(t)表示第k种引发故障事件在线路l上造成的渐变风险，其中k=1,2,..,m_jb，l=1,2,..,n_jb。

冲击风险出现于开断事件发生后瞬间，然后又瞬间消失，所以应先对冲击风险进行有效评估。

选定冲击风险阈值R^cj_th，可建立冲击风险判据：

(4)

如果R^cj(t)矩阵满足式(4)，系统面临的主导风险是冲击风险，发生快速开断事件。反之则说明系统暂时保持稳定，转入对渐变风险进行评估。

选定渐变风险阈值R^jb_th，可建立渐变风险判据：

(5)

(6)

式中：t_f表示考察渐变风险变化的最大有效时间；t_kl表示上级开断事件后，第k种引发故障事件在线路l上造成的渐变风险达到阈值风险R^jb_th的时间，如果渐变风险变化的最大值小于阈值风险，该t_kl为无穷大。

R^cj_th和R^jb_th分别反映系统对冲击风险和渐变风险的耐受程度，运行人员可根据系统的运行情况设定。

如果R^jb(t)矩阵在t_f时间内满足式(5)，系统面临的主导风险是渐变风险，发生缓慢开断事件，发生的时间t_jb计算见式(7)。

(7)

2结果分析

2.1 算例仿真

利用本文所提方法对IEEE24节点系统进行仿真。本文基于大量仿真，设定R^cj_th=5，R^jb_th=1.5。考虑L34发生初始故障。基于电流突变量建立两类风险矩阵。首先进行冲击风险的辨识，总共有4条线路可能会有隐性故障可能，分别是L6，L11，L12，L16。各条线路的冲击风险均小于R^cj_th，说明主导风险为渐变风险。计算建立渐变风险矩阵，渐变风险最大的为L29和L11两条线路，仿真结果见图1。

图1 L34开断后系统渐变风险

基于类似的分析，分别设定L34和L31(I)作为初始故障的连锁故障序列作为重点研究对象，基于式(7)的结果作出连锁故障风险序列时序图1和时序图2，图中箭头表示一次开断事件，上面标示出具体开端的线路号，横轴表示其开断发生的时刻，以初始开断事件为0时刻开始计时。本文给出

L31(I)初始故障的连锁故障风险时序图2如下图所示。

图2 连锁故障风险时序图2

2.2 系统负荷水平影响分析

用负载率η表示电网用户负荷总体水平。负载率与电网即时有功潮流和线路传输容量极限有关。IEEE 24节点系统的初始负载率η为0.2469。

负载率与连锁故障风险序列的关系见图3。

图3不同负荷水平下连锁故障风险时序图2

通过图3可知，随着电网用户负荷水平的提高，连锁故障风险序列各故障时间间隔大幅减小，连锁故障引发系统崩溃的时间也越来越短。这一方面是由于负荷水平升高导致系统开断引起潮流瞬时转移量越来越大，线路下垂速度增快，渐变风险变化也越来越快。另一方面由于负荷水平升高导致系统发电机需不断增加有功和无功出力维持功率平衡和电压稳定，所以线路退出运行引发的电网全局模糊安全测度增大，导致渐变风险在时间尺度上整体提高。

经仿真可得，连锁故障风险序列2中，当η=0.4416时，L16开断造成渐变风险，但距离L12开断只剩下不足2分钟；当η=0.4769时，L16开断造成的渐变风险转变为冲击风险，L12快速开断；当η=0.6514时，L1开断后造成的渐变风险转变为冲击风险，L16快速开断，系统从L31(II)开断后就进入快速相继开断阶段。以上结果说明，负载率越高，潮流转移量大幅增加，越容易触发继电保护隐性故障，从而从渐变风险转变为冲击风险，这种转变会严重影响系统的鲁棒性，有可能使系统更早从缓慢相继开断进入快速相继开断阶段，导致调度员失去对系统进行调度控制的时间。

3结论

本文基于不同风险的相应时间特性建立冲击风险和渐变风险矩阵并基于冲击风险和渐变风险矩阵，建立主导风险辨识判据，并得出连锁故障风险序列时序图。电网负荷水平的提高将会使渐变风险持续时间更短，且在一定条件下可直接转化为冲击风险，使系统经历缓慢相继开断阶段变短，系统将更早进入快速相继开断阶段，调度人员能够进行有效辨识和控制的时间也越少。快速进行合理调度，另外在系统规划设计时提高输电线路的传输容量极限可延缓系统进入快速相继开断阶段的时间，使系统调度与控制时间更为充裕。

4参考文献

[1]丁剑，白晓民，方竹，等．基于贝叶斯网络的扰动后预想事故分析方法[J]．电力系统自动化，2007，31(20)：1-5,11．

[2] 宋毅，王成山．具有时序特征的相继故障演变模型[J]．中国电机工程学报，2008，28(22)：29-34．

[3] 丁明，钱宇骋，张晶晶．考虑多时间尺度的连锁故障演化和风险评估模型[J]．中国电机工程学报，2017，37(20)：5902-5912．

作者简介：

张龙跃(1988-)，男，工程师，主要从事电力系统分析计算和输电线路设计工作；

田峻(1971-)，男，教授级高级工程师，主要从事电网规划和输电线路设计等工作。