考慮線路停運概率的電力系統連鎖故障阻斷控制

陳光 邵世暢

摘 要：現如今，電力系統連鎖故障已經變成了大范圍停電事故的主要誘發因素，因此，對電力系統故障進行預測對預防大型停電事故的發生起決定性作用。本文分析了電力系統連鎖故障模型，探討了循環完善搜索模式在電網連鎖故障分析中的應用，對預防電力系統連鎖故障具有參考意義。

關鍵詞：電力系統;連鎖故障;故障模型

引言

近年來，全球出現了很多由電力系統連鎖故障引發的停電事故。所謂連鎖故障，就是說事故之間具有一定的聯系，前一個故障的發生引發了下一個故障的發生。由于特高壓互聯電網發展的規模越來越大，因此，如果由電力系統連鎖故障的發生，會給我國帶來巨大的損失。所以，準確判斷出電力系統連鎖故障的潛在風險，并對這些風險進行有效地預防，在一定程度上能夠幫助國家電網的平穩運行。

1.電力系統連鎖故障模型

1.1 OPA 模型

以研究負荷變化為基礎是OPA 模型的核心，主要對輸電系統系列停電的全局動力學行為特征進行探討。OPA模型包括了兩個時間量程，分別為快速與慢速，并將具有自組織特性的沙堆模型引入到電力系統中實施模擬。幾天到幾年這個時間段的描述為慢速時間量程，慢速反作用力經過負荷增長與針對故障的網絡性能改進后，能夠使電力系統自組織達到動態平衡;描述幾分鐘到幾小時的時間段為快速時間量程，停電過程分為內線路連鎖負荷與連鎖線路故障兩種。直流潮流方程是OPA 模型的基礎，使用規范的方法對發電機功率調度問題進行求解[1]。

OPA 模型存在著許多不完善的地方，比如使用的網絡模型節點數目少，與實際電網不一致;將所有系統元件相同的簡單理想情況進行了假設;電網的控制是經過模型中比較少的幾個參數完成的;模型參數與實際系統參數的相對關系不明確;不能揭示模型中體現出來的自組織特性在電網規劃、運行和控制之間的分配原則。

1.2 CASCADE模型

假設有 n 條相同的傳輸線帶有不規則的初始負荷，初始擾動 d 導致某一個或某些元件產生了故障，這些故障元件所帶的負荷依據相應的負荷分配原則轉移到其它所有無故障元件上，由此形成網絡連鎖故障，這是CASCADE連鎖故障模型的基本思想。

定義了歸一化后故障元件數目的概率分布函數f為CASCADE 模型最關鍵的工作。這個函數使采用了遞歸模型，完整的對在元件數目n 不同（n=1 和 n>1 兩種情形）和初始擾動 d 不同（包括 d≥1 時全部元件故障和 00、n>1、0

1.3分支過程模型

使用 Galton-Watson-Bienayme 的分支過程原理進一步模擬與分析連鎖故障中元件的相互作用和故障元件總數的臨界性等，根據近似過程，可以得知以下結果：

（1）依據系統元件數 n 為有限值且數值很大的真實狀況，將飽和形式的廣義泊松分布引入到故障分布描述中。

（2）CASCADE 過程中各階段的連續故障能夠近似相應的飽和泊松分支過程。

（3）泊松分支過程與CASCADE 模型都能夠模擬出故障元件數目所表現出的“ 冪律尾”特性與臨界特性。經過對泊松分布參數λ=np=1，n→∞的臨界情況下故障元件總數研究，不難看出，在臨界條件下分支過程相似的故障元件總數分布具有-3/2 的“ 冪律尾”的普遍特性指數，這印證了它在這類連鎖故障中尤為重要[2]。

1.4隱性故障模型

系統內發生某件事后，由于配置不合理、硬件損壞等原因造成的保護裝置缺陷，導致保護裝置出現誤動現象，這被稱為隱形故障。在電力系統中，隱性故障可以被看成一種持續性的缺陷，隱形故障造成的直接后果為，在一個開關動作被完成后，繼電器或繼電器系統可能不正確或不適時的將電路元件從移除系統。電力系統中的隱形故障發生需要其他事件的引導，發生的可能性并不高，但一旦發生，造成的結果很有可能給電力系統帶來極大災難。

隱性故障導致的功率損耗隨與隱性故障概率和負荷水平成正比;大規模停電的風險則與旋轉備用容量和改進控制策略成反比;避免擾動進一步傳播的最有效方法就是在每次跳閘后，都使用線性規劃再調度的控制方法。

2.循環完善搜索模式在電網連鎖故障分析中的應用

2.1 現有的電力系統故障模式搜索方法

連鎖故障的發生會給電網安全問題帶來極大的困擾，模擬連鎖故障模式對搜索嚴重故障模式有很大幫助，能夠通過模擬找出相應的應對措施。現如今，我國電力工作者已經意識到了預防電力系統連鎖故障的重要性，并在事故發生的基礎上，提出了一系列的預防辦法與搜索方式，比如解析法。以確定性判據作為基礎，如 N-1（或 N-K）判據，通常在安全檢驗過程中被使用，解析法很容易被理解與實施，但也存在著粗多不足，比如對連續參數處理和不確定因素處理不方面，處理連鎖故障或多重故障也很繁瑣[3]。蒙特卡羅概率抽樣算法為隨機模擬的基礎，能夠將連鎖多重故障模擬出來，在時間允許的情況下，還能夠將所有故障模式搜索出來，它的不足為不能足夠模擬基于時間序列的連鎖故障，尤其是長時間的保護動作特性;通常以概率期望值表示風險指標，不容易被理解，計算要求的時間長，在線應用受到局限。

2.2 循環完善搜索模式

為了達到全面預測搜索電網連鎖故障的效果，并最大限度的綜合考慮各種初始故障的可能性與繼電保護動作的不確定性，包括保障搜索結果的合理性，文章中介紹了一種搜索模式，即循環完善搜索模式。循環完善搜索模式根據初始故障的排序決策矩陣及排序計算方法，經過不斷對電網連鎖故障的循環搜索，在這個過程中，根據已有的搜索結果來優化搜索起點的決策。在循環搜索的過程中，進行交替數值計算程序與潮流、穩定計算，每次斷開初始故障及支路后，都判別相對的系統穩定情況，如果系統失穩，就要立即終止當前的搜索;如果系統穩定，就根據潮流的計算結果喲，對下一個可能的支路開斷進行判斷，指導結束條件出現，方可停止當前的循環搜索，隨之開始下一次的循環搜索。

結語

本文重點研究了電力系統連鎖故障模型，探討了循環完善搜索模式在電網連鎖故障分析中的應用，為預防因連鎖故障而導致的大型停電事故提供了參考途徑，期望相關研究人員能夠提出更有效的控制手段。

參考文獻

[1]丁巖，郭和強，王利利，李秋燕，孫義豪，關朝杰.基于隱馬爾可夫模型的電力系統連鎖故障預測[J].電網與清潔能源，2017，33（09）：93-98.

[2]張華一，張晶晶.基于脆性風險熵的電力系統連鎖故障預測[J].電力系統及其自動化學報，2015，27（04）：39-43.

[3]王惠中，姬廣杰，趙凱，李春霞.基于多agent電力系統連鎖故障預測的研究[J].自動化與儀器儀表，2014（06）：32-35.