交直流系統連鎖故障模型及停電風險分析

徐永廣

摘 要：近年來，隨著直流輸電線路越來越多地被正式投入使用，在運行過程中出現的交直流系統連鎖故障也比較多，之于此本文提出了一種基于OPA模型的系統連鎖故障模型，該模型結合100赫茲的直流系統保護裝置，模擬了該系統的調度環節，深入分析了交直流系統之間的故障傳播以及對停電風險進行闡述，此外，該模型采用直流系統的等效導納參數來計算短路電壓，提高了實際計算效率，希望能給相關工作人員提供幫助。

關鍵詞：交直流系統；連鎖故障；模型；停電；風險；

如今人們的日常生活和社會生產各領域都離不開電力，同時高符合的電網也引起了很多停電事故，給人們的生活帶來了一定的影響。因此，探討連鎖故障模型以及對停電風險分析的研究成為當前研究熱點。直流輸電線路投運數量逐漸增加，如今在地鐵運營過程中交直流電混合系統也得到廣泛應用，我國很多地區電網已實現了直流互聯，其中昆明地鐵運營所設電網具有多個直流落點，也具備特高壓交流落點，由于行程交直流互聯電網，使得系統更具備復雜多樣性的快點，該電網的停電風險和故障機理有待研究。比如在2009年由于電力故障而導致交直流系統產生低電壓，最終引發巴西電網發出的高壓電流輸電線路產生閉鎖，導致巴西整個國家50%范圍內產生負荷失電現象，由此可見交直流系統之間的相互影響是比較重要的。而且在進行交直流系統連鎖故障分析過程中，需要考慮直流輸電這一因素，目前，幾乎所有大規模的停電模型都是屬于純交流系統，而交直流系統停電模型的相關性研究卻比較少，為此本文通過提出一種新型的交直流混合系統的停電模型，并采用仿真軟件實現電網連鎖故障動態分析，對比了處于不同控制模式下的交流系統在傳輸容量分配下的停電概率，綜合考慮了直流系統閉鎖等多種典型的響應，能夠用于指導直流系統控制方式，以及合理安排交直流系統運行方式。本文以交直流系統調度環節展開分析，通過闡述直流輸電系統可控性對于整個系統的停電風險的影響，采用短路電壓計算來代替動態仿真過程，不斷提高計算連鎖故障的效率，基于該模型分析不同的互聯模式下調度環節對于停電風險的影響。

一、直流系統的響應模塊

直流系統在參與整個連鎖故障過程中主要以三種方式呈現，直流系統本身產生故障時進行運行自動退出，這種情況在故障模擬中可以用直流系統故障概率進行表示；交流系統故障能夠直接引起直流系統的閉鎖現象。本文綜合考慮100赫茲下的諧波保護，換流變壓器中性點零序過電流保護和換相失敗保護這三種方式。直流系統保護出發的直流閉鎖是為了能夠提高計算效率，采用短路電壓計算的方式來進行估計交流系統故障對于直流系統的影響，主要通過主保護和后備保護動作時間來表示故障持續的時間，而直流系統保護是通過故障過程中直流系統交流測低電壓的閾值范圍以及故障持續的時間值來決定系統是否動作；直流系統的緊急調節功率。

（一）直流系統的保護模型

一般來說當交流系統在不對稱的條件下發生接地故障過程中會出現100赫茲，尤其是在檢測過程中，如果該電流數字達到一定的標準范圍之后，會自動啟動過電流保護，直接導致閉鎖直流系統。從計算角度來看，當交流系統的參數和運行達到要求時，會在是的100赫茲的交流與負序電流產生正比例關系，這種情況下，能夠將這種假設發生不對稱短路電流故障以及負序電壓和直流側電力的系數設定為k1和k2，可以用以下公式進行表示。

IR100=K1VR50 II100=K2VI50

從換相失敗保護來看，這種保護模型是在交直流系統故障中比較典型的一種，主要是由于逆變器換相失敗而導致這種現象產生的，從之前的文獻報道可以知道，在交流系統發生三相短路時就會導致這種換相失敗的產生，并且交流母線也會有此產生較低的電壓值，尤其是當三相短路出現故障之后，很多情況下直流系統逆變側交流母線電壓會持續運行一段時間，而且數值會發生明顯的下降，與標準參數有明顯差異，這種情況下就是換相失敗，需要將保護閉鎖直流系統進行啟動。

（二）安全穩定性控制

當直流線路出現閉鎖時，一些基本的功率輸出功能也會有一定的限制，在在此基礎上為了能夠穩定交流電網，需要根據實際的電網運行情況，按照相關內容和標準將送端機組進行切除。在并聯情況下交流線路發生故障也是常見的，為了能夠保證兩側功率的正常傳輸，也為了進一步穩定整個電力系統，需要及時將電流系統功率進行啟動。

（三）直流系統的響應步驟

在發生電力故障時需要根據實際的運行情況和故障位置進行確認，利用拓撲分析的方式進一步來分析短路故障與直流線路的具體情況，此外要對故障發生的持續性時間進行具體分析，可以通過計算的方式在故障發生之后，對交流測電壓進行計算與分析，根據不同的故障類型來判定短路電壓是否比給定的標準閾值低，根據故障信息的實際情況，對直流線路安全控制策略的穩定性進行綜合分析是否需要正常啟動，而如果需要重新啟動時需要進行安全控制策略調整，對直流系統的運行情況要進行判斷，工作人員要觀察是否發生變化，在發生變化時，需要將控制方式進行一定程度的調整，最后要退出響應的模塊。

二、交直流系統連鎖故障模型設計

本文所構建的交直流系統連鎖故障模型是基于OPA模型基礎上，為了能夠提高系統的響應模塊，實現交流系統的拓展性，在故障發生時，增加單、雙、三相故障，從整個流程圖分析可知，這種模型不是依賴全面的暫態仿真模式，該模型的計算速度和整體的運行效率是比較高的。

三、仿真分析與研究

為了能夠提高研究效果與電力運行效率，可以采取以下三種系統：單直流互聯方式，這種方式使在IEEE系統背景下進行改造的，主要通過兩個電氣島之間來設定四條直流聯絡線；交直流并聯互聯方式，該方式需要設定直流聯絡線，數量為兩條，是比較少的一種互聯方式；第三種是單交流互聯方式，這種方式比較特殊，需要將直流聯絡線摒棄，并利用交流聯絡線進行代替，從整體角度來看，由于交直流系統連鎖故障會引發停電的現象產生，為了能夠提高仿真效率，可以采用便采樣方式來不斷提高故障率，此外在本文仿真研究過程中，利用上述三種互聯方式并結合高效的計算方式，就可以獲得響應的條件分布。不同的系統互連方式在發生大面積停電事故時基本上是純直流互聯方式，且由分析可知，這種方式中直流線路會發生閉鎖現象，最終會引起電力系統的不平衡功率，最終同樣導致停電現象。而對于純交流聯方式來說不會由于線路發生故障而影響傳輸能力，因此該方式所響應的停電風險是比較小的。

小結

本文基于OPA模型提出了一種的交直流系統連鎖故障模型，通過闡述直流輸電系統可控性對于整個系統的停電風險的影響，采用短路電壓計算來代替動態仿真過程，不斷提高計算連鎖故障的效率，并分析了不同的互聯模式下調度環節對于停電風險的影響。從仿真效果來看，純直流互聯方式系統不會受到交流系統短路故障的影響，采取合理的調度操作能夠顯著降低純直流互聯方式系統的停電風險，對昆明地鐵運營電網來說，需要提高直流附近交流電網主保護正確動作率，同時需要防止直流系統的過保護，需要利用直流線路的快速調節來控制故障的進一步傳播。

參考文獻：

[1]屠競哲，甘德強，辛煥海，汪震 .考慮連鎖故障風險的交直流混聯系統容量最優分配[J].電網技術，2013年第9期： 2492-2499.

[2]屠競哲，甘德強，于洋，辛煥海，汪震，史濟全 .直流輸電對交直流互聯系統自組織臨界性的影響分析 [J].電力系統自動化，2012年第11期： 7-13.

[3]余曉鵬，張雪敏，鐘雨芯，陳緒江，李曉萌，梁易樂.交直流系統連鎖故障模型及停電風險分析 [J].電力系統自動化，2014年第19期： 33-39.

[4]陽穗，交直流系統連鎖故障模型及停電風險分析[J].電力訊息，2016年第1期.