智能電網(wǎng)中信息網(wǎng)與物理電網(wǎng)間連鎖故障的

楊少智

摘 要：智能電網(wǎng)是基于物理電網(wǎng)改造升級(jí)，采用信息技術(shù)提升電網(wǎng)的自動(dòng)化水平，使電網(wǎng)運(yùn)行處于持續(xù)而穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。智能電網(wǎng)的運(yùn)行雖然安全系數(shù)很高，但是一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)造成連鎖反應(yīng)。為了避免類似的事故發(fā)生，就要將智能電網(wǎng)的連鎖故障模型構(gòu)建起來，以在智能電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運(yùn)行的隱性安全問題進(jìn)行分析。從復(fù)雜系統(tǒng)角度對(duì)故障特征進(jìn)行分析，并運(yùn)用理論分析的方法針對(duì)物理電網(wǎng)間連鎖故障的發(fā)生過程進(jìn)行研究，提出增強(qiáng)智能電網(wǎng)控制系統(tǒng)在異常情況下維持生存性能的策略。本文針對(duì)智能電網(wǎng)中信息網(wǎng)與物理電網(wǎng)間連鎖故障的防御策略展開研究。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；信息技術(shù)；物理電網(wǎng)；連鎖故障；防御策略

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，連鎖性停電事故時(shí)有發(fā)生，規(guī)模最大的是2003年美國(guó)發(fā)生了“8·14”停電，這是史上規(guī)模最大的一次大停電事故。緊接著，意大利也發(fā)生了連鎖性事故，2011年，巴西也發(fā)生了連鎖性大停電事故。這些大停電事故規(guī)模之大，不僅給人們的生活帶來了不便，而且還還會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)蔀樯鐣?huì)不穩(wěn)定因素。越來越多的研究人員都對(duì)連鎖性停電事故的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)理論構(gòu)建理論模型以對(duì)電網(wǎng)的連鎖故障起到預(yù)知診斷的作用。具體操作中，是構(gòu)建動(dòng)態(tài)模式，通過測(cè)算的方式探尋造成事故的根本原因，對(duì)大停電后的故障傳播機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)所獲得的信息設(shè)計(jì)安全防御控制措施。

一、智能電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障模型

智能電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障，故障的主體包括一次設(shè)備和二次設(shè)備兩個(gè)部分。一次設(shè)備以發(fā)電機(jī)、變電器和輸電線路為主；二次設(shè)備為對(duì)一次設(shè)備起到保護(hù)作用的各種裝置。

（一）構(gòu)建一次設(shè)備的故障連鎖模型

一次設(shè)備的故障模型是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性以及可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。按照傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障管理，主要是對(duì)各種設(shè)備元件的運(yùn)行可靠性進(jìn)行衡量，量化為指標(biāo)，包括電網(wǎng)非計(jì)劃停運(yùn)，電網(wǎng)強(qiáng)迫性停運(yùn)等等，然后根據(jù)設(shè)備的電壓等級(jí)做做出計(jì)算結(jié)果。按照電網(wǎng)故障傳統(tǒng)的管理方式，往往量化指標(biāo)的取值是固定的，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可以長(zhǎng)期使用。但電網(wǎng)運(yùn)行中，設(shè)備的可靠性是會(huì)有所變化的，如果依然采用固定的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，所獲得的結(jié)果必定缺乏可靠性。所以，采用傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障管理模式對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)是無法真實(shí)反映出來的。

針對(duì)于此，研究專家提出了構(gòu)建故障連鎖模型，以能夠更好地保證電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。國(guó)外的一些研究學(xué)者對(duì)電網(wǎng)設(shè)備元件的運(yùn)行可靠性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀況的影響進(jìn)行了研究，將數(shù)學(xué)方針模式構(gòu)建起來。中國(guó)引入該理論后，從中國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行情況出發(fā)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行可靠性評(píng)估，建立了電網(wǎng)輸電線路與變壓器的時(shí)變停運(yùn)模型，研究電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)環(huán)境溫度、濕度等的敏感度，提出在惡劣的氣候條件下，電網(wǎng)的線路會(huì)受到影響。

一次設(shè)備的故障連鎖模型將輸電線路以及輸電設(shè)備元件停止運(yùn)行的概率作為常數(shù)，但是并不局限于單一的影響因素對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行所帶來的后果，而是將偶然影響因素納入其中，經(jīng)過綜合考慮而研究連鎖故障發(fā)生機(jī)理。

（二）構(gòu)建二次設(shè)備的故障連鎖模型

二次設(shè)備的故障處理中，考慮最多的是繼電保護(hù)器。繼電保護(hù)器對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性具有重要的影響。如果沒有對(duì)相關(guān)問題深入研究，比如，保護(hù)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏，就會(huì)出現(xiàn)連鎖故障。構(gòu)建二次設(shè)備的故障連鎖模型，就是要獲得隱性故障指標(biāo)，這樣，就需要對(duì)保護(hù)裝置的保護(hù)效果進(jìn)行分析，以及保護(hù)裝置對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行做造成的影響進(jìn)行分析。電網(wǎng)運(yùn)行狀況與二次設(shè)備的隱性故障密切相關(guān)，構(gòu)建故障連鎖模型，就是要將保護(hù)裝置的保護(hù)效果與電網(wǎng)運(yùn)行相結(jié)合，分析保護(hù)失效可能帶來的后果，以及需要采用的防御措施。

二、由于隱性故障而導(dǎo)致的連鎖故障分析

對(duì)智能電網(wǎng)連鎖故障的影響，通過構(gòu)建隱性故障模型，對(duì)連鎖故障而導(dǎo)致的停電情況進(jìn)行分析，不同的承載熵水平，連鎖故障狀態(tài)就會(huì)有所不同。通過對(duì)負(fù)荷損失數(shù)據(jù)進(jìn)行，揭示故障損失與承載熵之間所存在的關(guān)系。

（一）隱性故障模型運(yùn)行流程

1 參數(shù)的設(shè)定

將構(gòu)建隱性故障模型的參數(shù)設(shè)定如下：

H：發(fā)生印象故障的概率；

Ci：輸電線路i的最大容量系數(shù)；

G：發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)備用的比例；

Ts：控制措施的參數(shù)。

2 選擇一條輸電線路，創(chuàng)造故障條件使線路發(fā)生故障。

3 做好網(wǎng)絡(luò)孤島檢測(cè)工作，對(duì)所獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將直流潮流計(jì)算出來，并根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果做出判斷，如果有電路跳開的現(xiàn)象，就意味著有的線路出現(xiàn)潮流越限。此時(shí)，就要對(duì)線路中所存在的隱性故障進(jìn)行分析，并推斷可能受到影響的線路，使具有下一次發(fā)行隱性故障的線路跳開，然后進(jìn)行直流潮流計(jì)算。

4 如果跳開線路的條數(shù)已經(jīng)超過了控制參數(shù)，就要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度，對(duì)電網(wǎng)的各項(xiàng)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，跳開線路閉合后，依然需要對(duì)線路的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查，確保不會(huì)有隱性故障發(fā)生。

5 如果不再有線路繼續(xù)跳開，就可以判斷線路連鎖故障結(jié)束，對(duì)本地連鎖故障的損失情況進(jìn)行分析。

（二）連鎖故障的電網(wǎng)脆弱性

電網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行中，會(huì)受到多種因素的影響而導(dǎo)致故障發(fā)生。包括環(huán)境故障、設(shè)備元件故障和人為因素所導(dǎo)致的故障等等。以脆弱性理論為依據(jù)，在電網(wǎng)連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)分析中，將邊韌性度融入其中，構(gòu)建線路故障篩選模型，以對(duì)電網(wǎng)的雖弱線路進(jìn)行判斷和分析。

采用這種方法可以將電網(wǎng)運(yùn)行中的固有脆弱性揭示出來，并根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)制定停電防御措施。對(duì)電網(wǎng)的脆弱性進(jìn)行評(píng)估，是為了能夠?qū)⒕€路故障以及原發(fā)性故障查找出來，具有針對(duì)性地制定出故障防御方案。電網(wǎng)等等脆弱性決定了電網(wǎng)很容易遭到破壞。就需要針對(duì)電網(wǎng)崔索性進(jìn)行分析，并提出防控策略，以避免由于電網(wǎng)停電故障而造成嚴(yán)重?fù)p失。

三、對(duì)連鎖故障所采取的防御策略

連鎖故障模型的防御策略包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，即電網(wǎng)運(yùn)行和電網(wǎng)建設(shè)。本論文研究中所構(gòu)建的隱性故障模式，是結(jié)合防御策略提出承載熵控制策略。

將連鎖故障模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括線路運(yùn)行中隨機(jī)故障發(fā)生的概率、線路容量增長(zhǎng)率、保護(hù)裝置拒動(dòng)發(fā)生率、優(yōu)化控制成功率、慢動(dòng)態(tài)時(shí)間等等。

在快動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過程中，由于隨機(jī)影響因素的存在而使得線路斷開發(fā)生率提升，經(jīng)過孤島檢測(cè)處理后，將直流潮流計(jì)算出來，根據(jù)線路越線發(fā)生率以及優(yōu)化控制成功率對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

根據(jù)繼電保護(hù)動(dòng)作發(fā)生率決定線路是否能夠切斷。當(dāng)順利切除線路后，進(jìn)入到快動(dòng)作執(zhí)行狀態(tài)。如果線路沒有被切除，快動(dòng)態(tài)過程結(jié)束，進(jìn)入到慢動(dòng)作執(zhí)行。如果動(dòng)作執(zhí)行天數(shù)低于所設(shè)定的天數(shù)，就要確定對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)因子，計(jì)算當(dāng)前天數(shù)加一天的電網(wǎng)負(fù)荷水平以及發(fā)電機(jī)所能夠達(dá)到的最大運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

對(duì)主流潮流進(jìn)行計(jì)算，并做出優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)輸電線路的切負(fù)荷情況和線路功率的越限制情況對(duì)發(fā)電機(jī)的出力增量進(jìn)行分?jǐn)偂Ｍㄟ^潮流計(jì)算結(jié)果，對(duì)線路的負(fù)載率進(jìn)行升級(jí)，對(duì)智能電網(wǎng)的規(guī)劃情況進(jìn)行模擬。慢動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程結(jié)束之后，在此進(jìn)入到快動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程中。

結(jié)論

綜上所述，電網(wǎng)運(yùn)行中會(huì)由于連鎖故障的產(chǎn)生而導(dǎo)致電網(wǎng)大停電事故，即便是智能電網(wǎng)運(yùn)行具有較高的穩(wěn)定性，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供電，卻由于電網(wǎng)的脆弱性而受到諸多因素的影響而不可避免地產(chǎn)生運(yùn)行故障。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)大停電，波及面之廣，很容易影響社會(huì)正常秩序。構(gòu)建一次設(shè)備和二次設(shè)備的故障連鎖模型，對(duì)物理電網(wǎng)間的連鎖故障進(jìn)行分析，并具有針對(duì)性地提出防御策略，以增強(qiáng)智能電網(wǎng)的系統(tǒng)生存能力。

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