一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，其包括用公式表示线路过载的热效应对线路的影响,分别分析线路的参数；在对电网故障建模时，考虑连锁故障，而不是单一故障对系统的影响；提出电网故障过负荷严重度指标；考虑负荷曲线随时间的变化对系统的影响；重新计算网络的潮流，并利用计算结果形成过负荷指标来判别线路是否因时间的推移而导致第m次故障，以此来实现对电网故障期间负荷过载监视；本发明为电网规划设计人员优化电网结构，提升电网抗灾害能力提供帮助，可以更全面，更准确，更细致的描述电网故障前期演变过程，为电网规划设计和研究人员提供参考。

权利要求

1.一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，其特征在于其包括如下步骤：

1）取第m次故障发生，第m＋1次故障尚未发生的时段T作为研究对象，用公式表示线路过载的热效应对线路的影响,分别分析线路的参数：Ⅰ、线路的电阻：

  （1）

其中L为线路的长度， 为线路在20摄氏度下的单位长度电阻， 为当下的线路温度， 为电阻的温度系数；

 线路过载在时间T内所产生的热量：

    （2）

其中I为流过线路的电流，R为线路的电阻，T为从第m次故障发生到第m＋1次连锁故障发生之前的时间；

线路积累的热量应为：

  （3）

其中 为线路所散失的热量；

= Cm△t  （4）

其中C为线路导体的比热容，m为线路的质量，△t为温度的增量；由式（2）（3）（4）得：  （5）

随着时间T的增长， 在升高，可知线路的电阻会变大；

Ⅱ、线路的电抗：

  （6）

其中 为线路间的几何间距， 为线路的半径，c为与线路排列方式有关的常数；可知线路的电抗值不随时间T的增长而变化；

Ⅲ、线路的电导和电纳：

线路的电导和电纳不随时间T的变化而变化；

Ⅳ：系统负荷：

潮流计算时的负荷PQ节点以如下形式表示：  （7）

其中，  为日有功负荷曲线数据构成的函数， 为日无功负荷曲线数据构成的随时间变化的函数；

2）、电网故障过负荷严重度指标的提出：定义 为连锁事件的第m次连锁故障中第i条线路上的过负荷的严重度:  （8）

式中： 为在第m次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在第m-1次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在发生第 m-1次连锁故障阶段的继发事件的基础上，线路k发生故障，其上的复功率分配到第i条线路上的复功率； 为第i条线路所能承载的复功率极限；当系统一条或多条线路发生故障跳闸，则对该条线路的相关线路集中所有的线路计算相应的过负荷的严重度值 ，并进行排序，以判断下一阶段的过负荷跳闸线路； ≥1表示线路上的潮流超过其所能承载极限；而1> >0表示线路运行在功率约束条件范围内；

3）、算法流程及仿真：

定义了过负荷严重度指标后，当第m-1次故障发生时，以m-1次故障后的潮流分布为基础，以考虑时间过程的数学模型修改后的线路阻抗值包含电阻电抗电导电纳四个参数和传输功率P，重新计算网络的潮流，并利用计算结果形成过负荷指标来判别线路是否因时间的推移而导致第m次故障，以此来实现对电网故障期间负荷过载监视；需要对处于临近输电走廊内的所有线路进行安全性评估，分析这批线路故障后对电网的影响；

算法流程及仿真过程具体步骤如下：

读入系统潮流计算所需网络数据；

选取故障线路L进行系统潮流计算；

根据IEEE标准节点模型提供的负荷数据以及调度EMS系统中的历史负荷曲线根据数读取线路L故障时当日负荷预测数据，并确定当日故障的时间t；

求t+tΔ时取线路阻抗的变化，并取负荷曲线上t+tΔ时刻的负荷值赋予PQ节点并重新计算系统潮流；

根据Sa值是否＜=0判断有无线路过载，Sa=1- ；

如果有线路过载，更新过载线路数目K-K+1，然后判断相继发生线路过载的时间tk+1-tk是否小于ε，ε=5min或者其他运行单位认为适宜的时间，若小于ε则认为发生了连锁故障，计算终止，判断系统发生连续故障；

如果无线路过载，将i+1，t+tΔ，返回步骤4进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，其特征在于所述的电阻的温度系数 铝取0.0036，铜取0.00382。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，其特征在于所述的c取0.0157。

说明书

一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法

[0001] 技术领域：

[0002] 本发明涉及一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，属于电力系统运行安全分析技术领域。

[0003] 背景技术：

[0004] 随着经济社会的发展，各行各业对电力的需求量不断增加，为解决电力供应问题，以超高压、远距离输电、大容量机组为特征的现代电力系统的建设成为必然趋势；同时，我国受特殊的地理环境影响，各种灾害性天气频发，一些自然灾害的力度和频度已超出当年电力系统设计所能承受能力，使得电力系统的运行越来越接近于极限水平，其安全问题受到严峻的考验。

[0005] 研究并模拟电网在可能发生的连锁故障面前的表现，通过数学手段简化在线潮流计算量，以便为电网运行人员能够及时掌握故障期间的系统运行状态，采取及时有效的措施，防止故障恶化，为大规模停电事故提供帮助；同时也为电网规划设计人员校核设备参数提供参考，为运行人员提供及时准确的预警，具有一定的现实意义。

[0006] 电力系统是一个实时的，动态的系统，在电网的实际运行中的夏大，夏小等运行方式的选择，也隐含着基于时间过程的思想，但是只选取的某一时间段上的典型运行方式，不能很好的反应负荷随时间连续变化的规律。因此，如何尽可能的模拟电力系统在时间轴上的状态变化，需要我们进一步的研究。现有的传统电力系统静态安全分析采用的是某一特定时间断面上的系统运行状态，这类方法对电力系统各要素在时间轴上的连续变化无法有效的监视和控制，无法满足现代社会政治经济条件下对电力系统运行可靠性的要求。

[0007] 发明内容：

[0008] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，本方法综合考虑了故障初期线路的热效应和负荷曲线，可以在故障情况下为电网调度运行人员提供宝贵的预警时间；同时，在综合考虑了故障初期线路的热效应和负荷曲线前提下，对初期电网连锁故障模拟仿真，为电网规划设计人员优化电网结构，提升电网抗灾害能力提供帮助。电网故障静态安全分析的初期电网故障模拟仿真方法可以更全面，更准确，更细致的描述电网故障前期演变过程，为电网规划设计和研究人员提供参考。

[0009] 本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，其特征在于其包括如下步骤：

[0010] 1）取第m次故障发生，第m＋1次故障尚未发生的时段T作为研究对象，用公式表示线路过载的热效应对线路的影响,分别分析线路的参数：

[0011] Ⅰ、线路的电阻：

[0012]  （1）

[0013] 其中L为线路的长度（km）， 为线路在20摄氏度下的单位长度电阻（ ），为当下的线路温度（℃）， 为电阻的温度系数；

[0014] 线路过载在时间T内所产生的热量（J）：

[0015]   （2）

[0016] 其中I为流过线路的电流（A），R为线路的电阻（ ），T为从第m次故障发生到第m＋1次连锁故障发生之前的时间（S）；

[0017] 线路积累的热量应为：

[0018]   （3）

[0019] 其中 为线路所散失的热量（J）；

[0020] = Cm△t  （4）

[0021] 其中C为线路导体的比热容J/(kg·℃)，m为线路的质量(kg)，△t为温度的增量（℃）；由式（2）（3）（4）得：

[0022]   （5）

[0023] 随着时间T的增长， 在升高，可知线路的电阻会变大；

[0024] Ⅱ、线路的电抗：

[0025]   （6）

[0026] 其中 为线路间的几何间距（mm）， 为线路的半径（mm），c为与线路排列方式有关的常数；可知线路的电抗值不随时间T的增长而变化；

[0027] Ⅲ、线路的电导和电纳：

[0028] 线路的电导和电纳不随时间T的变化而变化；

[0029] Ⅳ：系统负荷：

[0030] 潮流计算时的负荷（PQ节点）以如下形式表示：

[0031]   （7）

[0032] 其中， 为日有功负荷曲线数据构成的函数， 为日无功负荷曲线数据构成的随时间变化的函数；

[0033] 2）、电网故障过负荷严重度指标的提出：

[0034] 定义 为连锁事件的第m次连锁故障中第i条线路上的过负荷的严重度:

[0035]   （8）

[0036] 式中： 为在第m次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在第m-1次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在发生第 m-1次连锁故障阶段的继发事件的基础上，线路k发生故障，其上的复功率分配到第i条线路上的复功率； 为第i条线路所能承载的复功率极限；当系统一条或多条线路发生故障跳闸，则对该条线路的相关线路集中所有的线路计算相应的过负荷的严重度值（ ），并进行排序，以判断下一阶段的过负荷跳闸线路； ≥1表示线路上的潮流超过其所能承载极限；而1> >0表示线路运行在功率约束条件范围内；

[0037] 3）、算法流程及仿真：

[0038] 定义了过负荷严重度指标后，当第m-1次故障发生时，以m-1次故障后的潮流分布为基础，以考虑时间过程的数学模型修改后的线路阻抗值包含电阻电抗电导电纳四个参数和传输功率P，重新计算网络的潮流，并利用计算结果形成过负荷指标来判别线路是否因时间的推移而导致第m次故障，以此来实现对电网故障期间负荷过载监视；需要对处于临近输电走廊内的所有线路进行安全性评估，分析这批线路故障后对电网的影响；

[0039] 算法流程及仿真过程具体步骤如下：

[0040] （1）读入系统潮流计算所需网络数据；

[0041] （2）选取故障线路L进行系统潮流计算；

[0042] （3）根据IEEE标准节点模型提供的负荷数据以及调度EMS系统中的历史负荷曲线根据数读取线路L故障时当日负荷预测数据，并确定当日故障的时间t；

[0043] （4）求t+tΔ时取线路阻抗的变化，并取负荷曲线上t+tΔ时刻的负荷值赋予PQ节点并重新计算系统潮流；

[0044] （5）根据Sa（Sa=1- ）值是否＜=0判断有无线路过载？

[0045] （6）如果有线路过载，更新过载线路数目K-K+1，然后判断相继发生线路过载的时间tk+1-tk是否小于ε，ε=5min或者其他运行单位认为适宜的时间，若小于ε则认为发生了连锁故障，计算终止，判断系统发生连续故障；

[0046] （7）如果无线路过载，将i+1，t+tΔ，返回步骤4进行计算。

[0047] 为了进一步实现本发明的目的，所述的电阻的温度系数 铝取0.0036，铜取0.00382。

[0048] 为了进一步实现本发明的目的，所述的c取0.0157。

[0049] 本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：母线故障、线路故障、断路器故障、继电保护误动和拒动以及突然的大负荷转移都是引起系统事故的主要原因。根据国内外的大停电事故后的分析报告可以看出，事故并非一瞬间形成的，在大停电事故的前期，系统一般不会表现出暂态失稳的特征，取而代之的是一系列的线路开断形成的潮流再分布现象。分析电网故障过程中的事件发生顺序和过程中潮流的变化，可知系统中有大潮流在断面间来回窜动，是造成大量线路相继跳闸以及局部系统和大网解列的罪魁祸首，而随后因频率和电压崩溃导致局部系统全停现象，是造成大停电事故的主要原因。通过以上分析可知，在电网故障的前期系统所面临的问题主要是功率的不平衡问题。本发明以面向时间的角度，考虑了电力系统在初始扰动发生后的时间过程，并分析了随着时间的推移，对负荷等因素在静态安全分析过程中所产生的影响。

[0050] 本发明广泛应用于电力系统故障过程的推演、仿真、分析和计算，在综合考虑了故障初期线路的热效应和负荷曲线前提下，对初期电网连锁故障模拟仿真，以便为电力系统运行人员能够及时掌握故障期间的系统运行状态，采取及时有效的措施，防止故障恶化为大规模停电事故提供帮助；同时也为电力系统规划设计人员校核设备参数提供参考。

[0051] 本发明及时有效的从时间的推移的角度，解决研究灾害条件下电网故障演变考虑因素不全面的问题，并在此基础上提出了一种初期电网连锁故障模拟仿真方法。该方法可以根据系统负荷和线路参数随时间变化的规律，在初始故障发生后，根据在时间轴上由量变引起质变的过程，模拟电网故障发生的过程。同时在计算线路潮流时考虑了时间因素，可以更科学的分析电网故障发展过程。

[0052] 其具有：

[0053] 1. 用公式表示线路过载的热效应对线路的影响,分别分析线路的参数，因为线路参数的变化会使潮流发生变化。

[0054] 2. 在对电网故障建模时，考虑连锁故障，而不是单一故障对系统的影响。认为在故障发生之前的系统状态是稳定的，系统故障前的潮流分布是已知的。取第m次故障发生，第m＋1次故障尚未发生的时段T作为研究对象。

[0055] 3. 提出电网故障过负荷严重度指标，电网过负荷任一支路的开断或发电机的停运，必将引起全系统潮流的重新分布，事实上，任一事件造成的影响只是局部的，并以事故点为中心向外逐渐减弱。定义 为连锁事件的第m次连锁故障中第i条线路上的过负荷的严重度：

[0056]

[0057] 式中： 为在第m次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在第m-1次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在发生第m-1次连锁故障阶段的继发事件的基础上，线路k发生故障，其上的复功率分配到第i条线路上的复功率； 为第i条线路所能承载的复功率极限；

[0058] 4. 考虑负荷曲线随时间的变化对系统的影响，在传统方法中，负荷水平一般都只考虑一年或一季的日峰荷。由于各变电站负荷的非同时性，某一条线路上的最大负载水平并不一定都出现在系统峰荷时段，因此必须在计算潮流转移时，必须考虑系统发生故障后所处的日负荷曲线。潮流计算时的负荷（PQ节点）以如下形式表示：

[0059]

[0060] 其中， 为日有功负荷曲线数据构成的函数， 为日无功负荷曲线数据构成的随时间变化的函数。

[0061] 本发明从时间的推移的角度研究电力系统故障演变的过程，并在此基础上提出了一种模拟故障发生过程的方法。该方法考虑到电网故障过程实际上是一个在时间轴上由量变引起质变的过程，在计算线路潮流时加入了时间的因素，可以更全面，更准确，更细致的描述电网故障前期演变过程，为电网规划设计和研究人员提供参考。

[0062] 附图说明：

[0063] 图1为本发明的算法流程及仿真步骤的流程示意图。

[0064] 具体实施方式：

[0065] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

[0066] 实施例：一种基于时间的初期电网连锁故障模拟仿真方法，其包括如下步骤：

[0067] 1、在对电网故障建模时，考虑连锁故障，而不是单一故障对系统的影响。认为在故障发生之前的系统状态是稳定的，系统故障前的潮流分布是已知的。取第m次故障发生，第m＋1次故障尚未发生的时段T作为研究对象。

[0068] 第m次故障发生时，考虑到故障线路转移的负荷有可能会引发与故障联络线并联或与故障母线分段的线路过载，过载的潮流会使线路发热，热效应会导致弧垂造成线路阻抗变大，随着时间增长，使m+1次连锁故障的可能性会相应增大。同样，若在T时段内负荷持续增长也会使系统发生连锁故障的可能性增大。假设发电机的出力和负荷是保持恒定的。

[0069] 用公式表示线路过载的热效应对线路的影响,分别分析线路的参数，因为线路参数的变化会使潮流发生变化。

[0070] Ⅰ、线路的电阻：

[0071]  （1）

[0072] 其中L为线路的长度（km）， 为线路在20摄氏度下的单位长度电阻（ ），为当下的线路温度（℃）， 为电阻的温度系数,一般地，铝取0.0036，铜取0.00382。而线路作为一种金属导体，服从焦耳定律，线路过载在时间T内所产生的热量（J）：

[0073]   （2）

[0074] 其中I为流过线路的电流（A），R为线路的电阻（ ），T为从第m次故障发生，到第m＋1次连锁故障发生之前的时间（S）。线路过载在时间T内所产生的热量W会使线路的温度升高，考虑到线路的散热则线路积累的热量应为：

[0075]   （3）

[0076] 其中 为线路所散失的热量（J），可以在考虑散热条件和导线型号的基础上取一个固定的代数值（该代数值在线路设计手册中可以查到）。又有，

[0077] = Cm△t  （4）

[0078] 其中C为线路导体的比热容J/(kg·℃)，m为线路的质量(kg)，△t为温度的增量（℃）；由式（2）（3）（4）得：

[0079]   （5）

[0080] 可见随着时间T的增长，温度的增量△t在升高，线路的温度 也在升高，根据经验公式：

[0081]  （1）

[0082] 可知，线路的电阻会变大。

[0083] Ⅱ、线路的电抗：

[0084] 线路的电抗值可有下面的公式计算：

[0085]   （6）

[0086] 其中 为线路间的几何间距（mm）， 为线路的半径（mm），c为与线路排列方式有关的常数，一般取0.0157。由公式可知，线路的电抗与几何间距、导线半径之间为对数关系，在近似计算中可以认为线路的电抗值不随时间T的增长而变化。

[0087] Ⅲ、线路的电导和电纳：

[0088] 因为线路的电导和电纳分别取决于线路的电晕和周围的电场分布，基本不随时间T的变化而变化，也不为时间的函数，实际上工程计算中的导纳值可以被忽略。

[0089] Ⅳ：系统负荷：

[0090] 事实上，负荷在时段T内的变化也会对系统的安全造成影响。在第m次事故发生后，若系统负荷持续增长，会导致相关线路潮流过载,如果其中无功负荷增长过快，达到无功功率不能继续维持就地平衡的地步，会使受电地区的电压下降,由 知，因负荷增长带来的传输功率P变大，电压U下降，会使电流I倍增，加重线路过载。系统负荷随时间而变化，在传统方法中，负荷水平一般都只考虑一年或一季的日峰荷。由于各变电站负荷的非同时性，某一条线路上的最大负载水平并不一定都出现在系统峰荷时段，因此必须在计算潮流转移时，必须考虑系统在m次故障后所处的日负荷曲线。

[0091] 潮流计算时的负荷（PQ节点）以如下形式表示：

[0092]   （7）

[0093] 其中， 为日有功负荷曲线数据构成的函数， 为日无功负荷曲线数据构成的随时间变化的函数。

[0094] 2、电网故障过负荷严重度指标的提出：

[0095] 任一支路的开断或发电机的停运，必将引起全系统潮流的重新分布，事实上，任一事件造成的影响只是局部的，并以事故点为中心向外逐渐减弱。定义 为连锁事件的第m次连锁故障中第i条线路上的过负荷的严重度:

[0096]   （8）

[0097] 式中： 为在第m次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在第m-1次连锁故障阶段第i条线路上的复功率； 为在发生第 m-1次连锁故障阶段的继发事件的基础上，线路k发生故障，其上的复功率分配到第i条线路上的复功率； 为第i条线路所能承载的复功率极限；当系统一条或多条线路发生故障跳闸，则对该条线路的相关线路集中所有的线路计算相应的过负荷的严重度值（ ），并进行排序，以判断下一阶段的过负荷跳闸线路。 ≥1表示线路上的潮流超过其所能承载极限；而1> >0表示线路运行在功率约束条件范围内。该指标能够有效计反映已出现故障对后续故障的两种影响：一种是由线路潮流转移直接造成的对其他线路的冲击；另一种是已出现故障的累积影响。

[0098] 3 、算法流程及仿真：

[0099] 定义了过负荷严重度指标后，当第m-1次故障发生时，以m-1次故障后的潮流分布为基础，以考虑时间过程的数学模型修改后的线路阻抗值包含电阻电抗电导电纳四个参数和传输功率P，重新计算网络的潮流，并利用计算结果形成过负荷指标来判别线路是否因时间的推移而导致第m次故障，以此来实现对电网故障期间负荷过载监视。

[0100] 关键输电线路破坏后系统继续保持安全运行的能力。自然灾害发生往往呈现区域特征，导致一个区域内的同类电力基础设施在遭受灾害时将受到同等威胁，特别是输电线路。为此，需要对处于临近输电走廊内的所有线路进行安全性评估，分析这批线路故障后对电网的影响。

[0101] 算法流程及仿真过程具体步骤如下：

[0102] （1）读入系统潮流计算所需网络数据；

[0103] （2）选取故障线路L进行系统潮流计算；

[0104] （3）根据IEEE标准节点模型提供的负荷数据以及调度EMS系统中的历史负荷曲线根据数读取线路L故障时当日负荷预测数据，并确定当日故障的时间t；

[0105] （4）求t+tΔ时取线路阻抗的变化，并取负荷曲线上t+tΔ时刻的负荷值赋予PQ节点并重新计算系统潮流；

[0106] （5）根据Sa（Sa=1- ）值是否＜=0判断有无线路过载？

[0107] （6）如果有线路过载，更新过载线路数目K-K+1，然后判断相继发生线路过载的时间tk+1-tk是否小于ε，ε=5min或者其他运行单位认为适宜的时间，若小于ε则认为发生了连锁故障，计算终止，判断系统发生连续故障；

[0108] （7）如果无线路过载，将i+1，t+tΔ，返回步骤4进行计算。

[0109] 本发明从时间的推移的角度研究灾害条件下电网故障演变的过程，并在此基础上提出了一种模拟初期电网故障发生过程的方法。该方法可以根据系统负荷和线路参数随时间变化的规律，在初始故障发生后，根据在时间轴上由量变引起质变的过程，模拟电网故障发生的过程。同时在计算线路潮流时考虑了时间因素，通过程序搭建系统后，可以更科学、更及时、更准确的分析电网故障发展过程，为电网规划设计和调度运行提供参考。

[0110] 上述仅为本发明的部分技术方案实例，并非用来限定本发明的范围，即凡依据本发明的权利要求所作的等同变化与修饰，均为本发明技术方案内的范围。