保护隐性故障对电网自组织临界性的影响

杨亚丽,曹 娜,于 群,冯安强,曹爽爽

(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590)



保护隐性故障对电网自组织临界性的影响

杨亚丽,曹 娜,于 群,冯安强,曹爽爽

(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590)

为研究继电保护隐性故障在电网发生大停电事故时对电网自组织临界性(Self-organized Criticality, SOC)的影响,仿真分析了不同隐性故障概率下,电网处于自组织临界状态的风险状况。利用SOC-Power Failure模型在IEEE39电网上进行仿真,仿真结果表明:在负荷水平和潮流分布相同的情况下,存在的因隐性故障会使电网发生大停电事故的规模扩大,系统提前进入了自组织临界状态。同时也表明降低隐性故障概率可以有效降低电网进入自组织临界状态的风险。

继电保护;隐性故障;电网;自组织临界性;风险

近年来,国内外发生了多起大规模的停电事故[1],其主要原因是电网中潮流的大规模转移和继电保护存在的隐性故障[2]。研究表明,大约75%的大停电事故在一定程度上与继电保护不正确动作有关,隐性故障是导致电网大停电事故的一个重要因素[3]。国内外对隐性故障的研究主要集中在从隐性故障动作机理的角度建立继电保护隐性故障模型,通过该模型进行继电保护可靠性评估、电力系统连锁故障的风险评估或电力系统N-K安全分析。现有的关于隐性故障的研究成果大多数没有涉及到其对电网大停电自组织临界性的影响,当电网处于临界状态时,任何微小的扰动都有可能引发连锁故障。如果在事故发展的初期能够及时采取措施将事故规模控制在临界点以内,就可以有效阻止电网进入自组织临界状态,防止大停电事故的发生。因此,研究隐性故障对电网自组织临界性产生的影响具有重要意义。

本文利用SOC-Power Failure模型在IEEE39电网上进行仿真,分析了隐性故障存在时,其对电网发生大停电时自组织临界性的影响,探索隐性故障与电网是否处于自组织临界状态的关系。分析比较了不同的隐性故障概率对电网连锁故障规模的影响,提出了降低隐性故障概率的措施,以减小电网进入自组织临界状态的风险。

1 继电保护隐性故障及其模型

继电保护隐性故障在系统正常运行时对系统没有影响,但当系统的运行状态改变时,比如切除故障后,电网中的潮流重新分配,带有隐性故障的保护就会被触发,导致保护装置的误动或拒动,改变元件正常的运行状态,甚至引发连锁故障,最终导致大停电的发生。导致继电保护隐性故障的主要原因包括:保护装置的硬件故障,如元件的损坏等;软件故障,如整定值不合理、保护的逻辑错误等;人为因素和外界环境因素。

现有资料表明,线路大规模的潮流转移和保护的不正确动作是导致大停电的主要因素,所以本文采用文献[4]中的考虑线路潮流越限的继电保护隐性故障概率模型,如图1所示。

F—线路的有功潮流;Fmax—线路有功潮流极限值;PH;PH—系统正常时的隐性故障概率,其中保护装置的老化和外界的环境会影响PH值;P—继电保护动作的概率。

图1 线路潮流越限隐性故障概率模型

Fig.1 Hidden failure probability model of line power flow

当线路有功潮流在正常范围时,线路的停运概率PHF取隐性故障概率PH,即

PHF=PH,0

当线路有功潮流超过极限值时,线路的过负荷保护装置动作,线路停运概率PHF取继电保护动作的概率P,即

PHF=P,F>1.4Fmax

当线路有功潮流在Fmax和1.4Fmax之间时,线路停运概率PHF与线路有功潮流呈正比关系,其计算公式为

Fmax

2 电网大停电自组织临界性的仿真模型

国内外用于研究电网自组织临界特性的模型主要有OPA模型、Cascade模型、Hidden Failure模型、SOC-Power Failure模型[5]、基于最优潮流的停电模型[6]等仿真模型。在电网的实际运行过程中,工作人员更加关注电网在某个运行断面上是否处于自组织临界状态,SOC-Power Failure模型能够有效模拟这种过程,所以本文采用文献[5]中的SOC-Power Failure模型,其仿真流程如图2所示。

图2 SOC-Power Failure模型仿真流程图

1) 读入电网的数据,确定线路的初始潮流F0,然后根据初始潮流值确定各线路的潮流极限值Fmax:

式中:β为线路的初始负载率,在区间[0.55,0.95]内随机取一个值。

2) 随机选择一个节点,使其负荷增加一个ΔP,然后对电网进行直流潮流计算。

3) 根据计算得到的潮流值,判断线路上的潮流是否越限,若潮流越限,则进入下一步,否则返回第2)步。

4) 将潮流越限的线路断开,根据隐性故障概率模型判断其他线路是否因隐性故障断开。

5) 判断因线路的断开电网是否形成孤岛或是否有负荷被切除。若形成孤岛,则先平衡孤岛内发电和负荷,然后统计损失负荷切除量;若没有形成孤岛,则判断是否有负荷被切除,若有,则统计负荷切除量,否则返回第2)步;

6) 统计电网的总负荷切除量,判断故障次数是否达到200次,若达到,则结束停电事故演化过程,否则进入下一次循环。

3 算例分析

本文在Matlab仿真平台上对IEEE39电网进行了200次故障仿真,IEEE39电网的网络接线如图3所示。

图3 IEEE39电网网络接线图

通过分析近年来全国继电保护装置动作的情况[7],可以看出继电保护不正确的动作中误动次数占绝大部分。虽然继电保护误动和隐性故障存在一些差异,但是因为继电保护隐性故障动作的数据很难获取,所以采用继电保护不正确动作的数据来确定隐性故障模型中的PH值。从文献[7]统计的国家电网公司继电保护运行情况可以看出,在220 kV交流系统中,2006年和2007年继电保护正确动作率分别为99.87%和99.93%,则不正确动作率分别为0.0013, 0.0007,因此本文采用2006年和2007年的继电保护不正确动作率作为隐性故障模型中的PH值,并做如下假设:继电保护装置处于稳定运行期,忽略老化因素对隐性故障概率PH的影响;外界为正常天气,忽略环境因素对隐性故障概率PH的影响。分别仿真了不考虑隐性故障、隐性故障概率PH1=0.0013、PH2=0.0007三种情况。

1) 不考虑隐性故障时,对IEEE39电网进行200次故障仿真,仿真中每天对电网增加一次扰动。根据数据统计值,线路停运概率的最小值为Pmin=0.0002,最大值为Pmax=0.9998。得到的停电事故的时间序列如图4所示。

根据仿真得到的结果,在这200次故障中,统计各事故规模出现的次数,结果如表1所示,其中事故规模用损失负荷量来表征,对应表1中标度一栏,各事故规模出现的次数对应表1中频度一栏。

图4 不考虑隐性故障的时间序列图

标度/MW频度/次标度/MW频度/次标度/MW频度/次>0200>1000158>150078>200197>1100140>160069>600191>1200120>180050>800187>130098>200029>900176>140086>220015

2) 考虑隐性故障的因素时,取隐性故障概率PH1=0.0013,同样对IEEE39电网进行200次故障仿真,仿真得到的停电事故的时间序列图如图5所示。

图5 隐性故障率为0.0013的时间序列图

在这200次故障中,统计各事故规模出现的次数,如表2所示。对比表1和表2的数据可以看出,停电事故规模大于1200 MW时,考虑隐性故障时电网发生事故的次数大于不考虑隐性故障的情况,说明当有隐性故障存在时,电网发生大停电事故的次数明显增加。

表2 考虑隐性故障的事故规模统计表

分别将表1和表2中的标度即损失负荷量从小到大重新排列,并利用最小二乘法进行线性回归,以标度为横坐标,频度为纵坐标,绘制在同一个双对数坐标图中,如图6所示。大停电事故具有的幂律特性研究的是尾部特性,图6中“+”代表去除的点。

图6 停电事故规模双对数坐标图

在标度频度双对数坐标图中,停电事故的标度与频度的关系为

L:lgN=9.043-2.281lgr

R=-0.7442

L1:lgN=6.19-1.345lgr

R1=-0.7787

式中:N为事故发生的频度;r为事故发生的标度;R、R1为回归方程的相关系数。根计算相关系数R的公式为

根据数理统计理论,样本个数n=14,自由度m=n-2=12,由相关系数显著性检验表可知,显著性水平α=0.01,自由度为12时的相关系数检验临界值R0.01=0.66138。所以|R|>R0.01,|R1|>R0.01,停电事故的标度-频度关系显著,回归方程拟合的效果较好。

从图6可以看出,在同一标度下,考虑隐性故障时,大停电的频度较大。并且从两种情况下拟合的直线来看,考虑隐性故障时,拟合直线的斜率的绝对值较小,说明同一个电网因为隐性故障的存在,在发生故障后更快进入自组织临界状态。曲线L在标度即损失负荷量达到3.2之后,呈现出明显的幂律特性,而曲线L1在标度达到3.0之后就可以呈现出幂律特性。同样说明,隐性故障存在时,电网在发生故障后提前进入自组织临界状态,在这种状态下,外部的一个微小的扰动都有可能引起连锁故障导致大停电的发生。

3) 考虑隐性故障的因素时,取隐性故障概率,同样对IEEE39电网进行200次故障仿真,仿真得到事故的时间序列如图7所示。

图7 隐性故障概率为0.0007的时间序列图

对这200次故障中各事故规模出现的次数进行统计,如表3所示。

表3 隐性故障概率为0.0007事故规模统计表

用同样的方法可以得到PH2=0.0007时,停电事故的标度与频度的关系为

L2:lgN=7.199-1.683lgr

R2=-0.7483

R0.01=0.66138,|R2|>R0.01,停电事故的标度-频度关系显著,回归方程拟合的效果较好。两种不同隐性故障概率下停电事故标度频度双对数坐标如图8所示。

图8 不同隐性故障概率下停电事故规模双对数坐标图

对比表2和表3的数据可以看出,隐性故障概率PH1=0.0013时,电网发生大规模停电事故的次数较多,例如在隐性故障概率PH1=0.0013的情况下,在200次故障中,IEEE39电网发生了53次规模超过2000 MW的大停电事故,隐性故障概率PH2=0.0007的情况下,大停电规模超过2000 MW的事故只发生了39次。两个数据的对比可以说明,隐性故障概率较大时,电网发生大停电事故的次数增多,后果更严重。从图8中也可以看出,隐性故障概率为0.0007时,对应的曲线的斜率的绝对值为1.683,在标度达到3.1之后呈现出幂律特性,与隐性故障概率为0.0013时的情况相比较,可以说明,降低隐性故障概率,可以增大电网的自组织临界点,从而降低电网进入自组织临界状态的风险。

4 结 论

1) 继电保护隐性故障与电网是否处于自组织临界状态是有关系的,它对电网存在一定的潜在威胁,在电网发生故障时,隐性故障就会被触发,将会导致电网提前进入自组织临界状态,增加了电网发生大停电的可能性及严重性。

2) 减小隐性故障概率,能够降低电网进入自组织临界状态的风险,如果在临界点之前能够有效采取措施,就可以阻止电网进入自组织临界状态,从而防止大停电事故的发生。因此在电网的实际运行中,要时刻地监测电网元件的运行状态,一旦发生故障,及时更新相关的数据。同时监测装置的应

用情况,使装置处于良好的工作状态,及时更换老化的装置,避免因装置老化引起的隐性故障。

3) 现有的关于电网自组织临界性和隐性故障的研究已经相当成熟,但是都没有具体分析保护隐性故障对电网自组织临界性的影响,本文的仿真结果为“隐性故障是导致大停电的重要因素”这一理论提供了数据支持,从停电事故的标度频度双对数坐标图和事故规模统计表都能够看出,保护隐性故障确实能够导致电网停电规模的扩大。

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(责任编辑 郭金光)

Influence analysis of protection hidden failures on self-organized criticality of power grid

YANG Yali,CAO Nan,YU Qun,FENG Anqiang,CAO Shuangshuang

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to study the influence of hidden failure on self-organized criticality (SOC) of power grid when blackout occurs, this paper analyzed the risk of power grid in self-organized criticality state under different probability of hidden failures, and simulated SOC-Power Failure model in IEEE39 power grid.The simulation result shows that under the same loading and flow distribution, the scale of power grid blackouts is larger and the system enter self-organized criticality state in advance because of hidden failures.Meanwhile, it shows that the risk of power grid entering self-organized criticality state can be reduced effectively by reducing the probability of hidden failures.

relay protection;hidden failures;power grid;self-organized criticality;risk

2016-05-08;

2016-05-12。

杨亚丽(1990—),女,硕士研究生,研究方向为电力系统自动化。

TM773

A

2095-6843(2016)05-0427-05