电力系统和通信网络交互影响下的连锁故障分析

传统的对于电力系统连锁故障的研究仅限制在电力网络,很少考虑电力网络和通信网络间的交互作用。以IEEE 118节点系统和新英格兰39节点系统为例,基于直流潮流模型建立了较为符合电力系统运行实际的电力网络和通信网络交互作用模型,通过调节相关参数研究了电力通信网络不同的路由策略对于电力系统连锁故障大停电的影响,并结合复杂网络的理论讨论了复杂网络之间的内在相似性。仿真结果表明通过调整通信网络参数设置恰当的路由策略,可以降低大规模连锁故障的概率。而且在不同电力系统下仿真发现,网络间最优相似策略是相同的,采用该相似策略可以有效地降低大规模连锁故障的概率。     

电力网络连锁故障研究综述

电力网络连锁故障是由某一个故障引发的一系列故障过程，其后果是造成大规模的停电事故和许多关键元件的开断。由于电网故障模式较多，故障参数（包括各种连续参数和离散变量）形式各异．因此连锁故障模式的搜索和后果分析十分困难。近年来．研究人员建立了多种方法和模型．如模式搜索法、模型分析法等．综述了电力网络连锁故障领域的一些研究成果，并指出应从提高故障模式搜索速度、计及稳定性问题、采用复杂网络理论进行模型分析和连锁故障的预防控制、校正控制和紧急控制等方面进行深入研究。     

电网连锁反应故障研究新进展

由电网连锁反应故障造成的大面积停电事故一直是电力系统研究者的研究重点和难点定，虽然相应地提出了一些改进措施来提高电网的可靠性，但是事故仍然不断地发生。首先对当前国内外广泛使用的研究方法进行了综述．随后重点介绍了网络模型的最新进展．其中包括平均路长、集群系数、度分布这3个基水量，小世界、高度集团化．无标度的3个基本性质以及ER模型、WS模型、BA模型3个模型．同时还介绍了2种模拟连锁反应故障的方法，并且给出了相应的结果．最后讨论了这些网络横型和模拟方法．指出了它们的局限性以及应用前景．     

无功电压特性对连锁故障的影响分析

大量连锁故障和大停电事故表明,无功电压特性在连锁故障发展过程中具有重要作用。为了具体研究无功电压特性和相关动态在连锁故障中的作用,本文分别建立了基于交流潮流的连锁故障模型(AC-CFM)和基于直流潮流的连锁故障模型(DC-CFM),通过比较连锁故障风险评估结果和相关影响因素,分析无功电压特性对连锁故障风险的具体影响。IEEE-30系统和河南实际系统算例仿真表明无功电压特性在连锁故障后期对连锁故障风险具有重要的影响,同时电压崩溃的风险不可忽略。     

Performance and reliability of electrical power grids under cascading failures

The stability and reliability of electrical power grids are indispensable to the continuous operation of modern cities and critical for preparedness, response, recovery and mitigation in emergence management. Because present power grids in China are often running near their critical operation points, they are especially vulnerable and sensitive to external disturbances such as hurricanes, earthquakes and terrorist attacks, which may trigger cascading failures or blackouts. This paper describes a quantitative investigation of the stability and reliability of power grids with a focus on cascading failures under external disturbances. The 118-bus (substation) power network in Hainan, China is employed as a case study to investigate the risk of cascading failure of the regional power grids. System performance and reliability of the power grids are evaluated under two hypothetical scenarios (seismic impact and intentional disturbance) that could trigger cascading failures. By identifying the most vulnerable (critical) edges and nodes, the robustness of the power network is evaluated under the triggered cascading failures. It is found that the system reliabilities could decline as much as 95% during the triggered cascading failure. This paper also explores the use of concepts from modern complex network theories such as state transition graph and characteristic length to understand the complex mechanism of cascading failures. The findings could be useful for power industries and emergency managers to evaluate the vulnerability of power systems, understand the risk of blackout induced by cascading failures, and improve the resilience of power systems to external disturbances.     

基于潮流熵测度的连锁故障脆弱线路评估及其在四川主干电网中的应用

运用熵的基本原理,结合电网扰动下线路潮流转移和分布特性,提出线路潮流转移熵和线路潮流分布熵的概念。针对不同运行状态下电网脆弱环节的转移特点和过负荷与故障断线扰动下线路潮流熵的变化特点,考虑电网实时运行风险,提出基于潮流熵的脆弱评估模型。IEEE　30 节点系统仿真结果验证了所提方法的可靠性和全面性。丰大和枯大方式下四川主干网应用表明,潮流分布熵越大、潮流转移熵越小的线路过负荷冲击脆弱度越大;潮流负载较重、运行故障率高、潮流转移熵较小的线路故障断线风险脆弱度高;丰大、枯大期电网的脆弱环节发生转移;基于潮流熵的电网综合脆弱线路与电网实际薄弱环节相吻合。     

计及传播路径的电力系统连锁故障多阶段阻断控制

开展连锁故障的多阶段阻断控制研究对于电力系统安全稳定运行及电网的升级改造均具有重要的应用价值.简要阐述了过载主导型连锁故障的传播过程,并分析了该类型的连锁故障传播路径与阻断控制策略间的交互影响.在此基础上,针对考虑传播路径的连锁故障开展了多阶段阻断控制研究,提取了故障/非故障路径线路的停运概率约束以及潮流控制力度约束,建立了以期望控制成本和失负荷风险之和最小为目标的考虑传播路径连锁故障多阶段控制模型.算例分析结果表明,基于该连锁故障阻断控制模型求得的控制策略能够在驱动连锁故障仍按预测传播路径发展的同时有效降低故障路径内线路故障概率,为连锁故障的防御决策提供了重要参考.     

基于继电保护隐性故障的电力系统连锁故障分析

分析了现有的三种继电保护隐性故障模型,建立了新的线路潮流越限时隐性故障模型.该模型考虑了由保护定值导致的可修复隐性故障、由硬件老化导致的不可修复隐性故障以及由恶劣环境等因素引发的隐性故障.采用直流潮流法对电力系统进行连锁故障风险评估,找出风险指标大的关键线路,并据此提出了减小系统连锁故障风险的措施.对TS-9节点系统仿真结果表明,通过提高线路保护装置的可靠性,改善线路的负载能力都能降低风险值,减小系统发生停电的概率.     

基于继电保护隐藏故障的系统连锁故障风险评估

针对电力系统隐藏故障造成的保护误动问题,提出基于熵权双基点法的电力系统连锁故障风险评估的新方法,在分析隐藏故障成因的基础上建立线路过负荷保护的隐藏故障模型来描述隐藏故障发生的概率。应用风险理论与效用风险函数对过负荷风险指标、失负荷风险指标、电压失稳风险指标和频率偏移风险指标等4个风险指标进行量化,得到风险指标值。结合熵权双基点法法计算出系统线路的风险贴近度。最后根据风险贴近度的计算结果对线路进行风险排序,找出系统中的脆弱线路,并据此提出了减小隐藏故障发生概率的改进措施。对IEEE 10机39节点系统仿真验证了该方法的可行性与正确性,为电力系统的检修维护和运行管理提供了参考和依据。     

湖南电网连锁故障模式在线智能辨识算法研究

本文简要介绍连锁故障发展过程,对主流的连锁故障分析方法进行探讨,并提出一种基于系统危险树状结构的连锁故障模式辨识算法.此算法减小了计算求解空间,且能搜索到引发连锁故障的非共因多重故障.     

基于输电断面识别的电力系统连锁故障风险评估模型

提出了一种改进的电力系统连锁故障风险评估模型。该模型综合考虑了线路故障概率的泊松分布特性以及实时潮流大小的影响,给出了线路停运概率的直线分段拟合计算方法。通过分析连锁故障对供电方和用电方的双重影响,采用母线低电压、潮流相对转移量、系统相对失负荷量作为连锁故障的后果评估函数。所提算法在连锁故障的某一环节选定后,利用有功增加因子先识别剩余网络中相对于该故障环节的输电断面,再在输电断面所含支路中选择下一故障环节,避免了全网遍历搜索。最后对IEEE 39节点系统进行了仿真分析,证明了该方法的有效性。     

计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估

气电耦合系统中电转气负荷与气转电负荷为故障在电网与气网间的传播提供了通道,将电转气负荷与气转电负荷统称为能源转换负荷,其在电、气负荷中的占比与在阻断控制过程中的切除优先度可能对耦合系统连锁故障的传播特性带来无法忽视的影响。为此,提出了一种计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估方法。首先,提出能源转换负荷占比与切除优先度模型,分析不同占比与切除优先度下故障在电、气网间连锁传播的机理与特性。然后,分别建立基于能源转换负荷占比与切除优先度的电力系统优化调度模型与天然气系统优化调度模型,两者交替迭代模拟连锁故障演化过程。基于此,提出表征拓扑完整性与物理运行特性的指标以定量评估连锁故障风险,从而构建气电耦合系统连锁故障评估模型。最后,利用IEEE RTS 24节点系统与29节点天然气系统构造气电耦合测试系统,通过对比不同场景,验证了所提方法可有效揭示能源转换负荷对连锁故障的影响。     

Knowledge-based power flow models

This paper presents a method for constructing knowledge-based power flow models from a priori knowledge of physically admissible bus injection profiles. Knowledge-based power flow models facilitate fast computation of many power flow problems simultaneously by using matrix multiplication and addition without matrix factorizations and backward/forward solution.     

Probability of failure of overloaded lines in cascading failures

Power grids are vulnerable to cascading failures, as shown by previous blackouts or major system disturbances. Line outages due to overload are often the main contributors to the cascading failures leading to these undesired situations. Indeed, the more a line is overloaded, the larger is its sagging, and hence the probability that it will be tripped. It is necessary to quantify in a realistic way the probability of trip as a function of the load in order to compute a good estimation of the frequency of dangerous cascading outages. Several models were proposed for this purpose, but none of them is backed up by empirical evidence or detailed analysis. This paper studies factors that could affect the probability of trip as a function of load, and it computes this probability for two different test systems using a temperature simulation based methodology, called dynamic PRA level-I analysis. This paper then compares existing modelings of this probability to these results. This comparison shows that all modelings used in the literature are not always convenient. We finally propose a simple model that can be adopted in probabilistic risk assessment of cascading failures.     

基于实时运行条件的电力系统连锁故障风险性评估

电力系统中的连锁故障是一种发生概率低但后果严重的事故,严重的连锁故障可能导致大面积停电甚至整个系统崩溃.基于风险理论提出了一种复杂电力系统连锁故障的风险评估方法,该算法根据线路潮流实时运行条件来确定引发大停电初始故障的概率,然后根据系统运行状况基于层次分析法和灰色关联度的分析方法模拟连锁故障的一般发展过程,将事故发生的...     

考虑连锁故障的输电网扩展规划方法

为提高电网抵御多重故障的能力,常在输电网规划中嵌入N-k安全网络约束.但该方式未考虑故障间关联性,致使故障场景数量庞大且部分场景与实际不符,可能导致规划方案投资冗余.在计及故障关联性的基础上,提出一种考虑连锁故障的输电网双层扩展规划模型.上层模型以线路投资、运行及切负荷成本之和最小为目标,考虑了故障链约束;下层模型以切负荷最小为目标,对上层模型得到的规划方案进行连锁故障校验.上下层模型以故障链约束为纽带,通过迭代添加新的约束,达到降低求解规模、加快算法收敛的目的 .以IEEE RTS-24系统为分析算例,仿真结果表明所提模型能够在抵御连锁故障的同时提升规划方案经济性.     

Unified power flow controller models for three-phase power flow analysis

In this paper, three models of the unified power flow controller (UPFC) suitable for three-phase power flow analysis in polar coordinates are presented. The symmetrical components control model can be used to control the positive-sequence voltage of the shunt bus and the total three-phase active and reactive power flows of the transmission line while the injected shunt voltages and the series voltages are balanced, respectively; the general three-phase control model can be used to control the three shunt phase voltages and the six independent active and reactive power flows of the transmission line; the hybrid control model can be used to control the positive-sequence voltage of the shunt bus and the six independent active and reactive power flows of the transmission line. The proposed UPFC models were successfully implemented in a three-phase Newton power flow algorithm in polar coordinates. In the implementation of these UPFC models, transformers of some common connection types, which connect the UPFC with the network, are explicitly represented. Numerical results based on a five-bus system and the modified IEEE 118-bus system are given to illustrate the UPFC control models and demonstrate the computational performance of the three-phase Newton power flow algorithm.     

考虑新能源随机波动和T接线的城市电网连锁故障风险评估

新能源的大量接入给城市电网的安全运行和重要用户可靠供电带来很大挑战,其功率的随机波动易引发电网出现连锁故障风险。提出了一种考虑新能源出力随机波动和城市电网110 kV网架T接线开关投切的连锁故障风险评估方法。该方法在连锁故障发生概率和后果严重度的计算中都计及了系统状态的概率分布特性的影响,并采用基于半不变量法的概率潮流计算反映系统状态与新能源功率二者的概率分布特性之间的关系。另外,建立包含110 kV网架T接线开关投切的最小切负荷的混合整数非线性规划模型,并以最小切负荷量来表征系统在连锁故障的严重度。此优化模型通过决策故障下的各组T接线开关的投切状态,减少连锁故障下的切负荷量,进而有效降低连锁故障的风险。同时,通过机会约束描述重要用户负荷节点电压的安全运行范围,以确保重要用户负荷不停电的概率满足给定的置信水平,从而保证重要用户的安全可靠供电。最后,通过某个实际城市片区电网算例验证了所提出的连锁故障风险评估方法的正确有效性。     

并联储能型FACTS元件对连锁故障的影响

随着电网建设的发展,电网的元件数量与日俱增,结构也日益复杂,这对电力系统的安全运行与控制是一种挑战。大电网之间的相互联系使得供电可靠性在得到一定保障的同时也会出现将局部故障迅速传播到区域电网甚至是全国电网从而引发连锁故障的情况。研究了并联储能型FACTS元件在连锁故障发生时所能起到的作用,在电力系统分析综合程序中采用节点注入电流法建立其暂态的用户自定义模型。仿真结果表明并联储能型FACTS元件能够起到在一定程度上减少切机切负荷等控制量,抑制连锁故障持续发生的作用。     

基于历史故障记录数据的电网连锁故障规模概率分布研究

连锁故障规模的概率分布描述了电网连锁故障的传播特点,是衡量电网发生大规模停电故障概率的有效方法之一。针对历史故障统计数据进行计算,是传统电力系统可靠性评估方法之一。将其与分支过程模型结合,用于区域电网的连锁故障分析。采用某区域电网14年历史故障数据为样本数据,针对多种概率模型进行比较分析,提出采用波雷-坦尔分支过程模型计算该区域电网连锁故障规模的概率分布,并采用误差分析研究了波雷-坦尔模型应用于实际电网风险管理的有效性和可能性。结果表明,波雷-坦尔模型能够很好地估计线路故障规模的概率分布。在相同置信度要求下,基于波雷-坦尔模型估计故障概率分布所需样本数据比直接根据实际故障数据计算所得概率分布所需样本数据降低一个数量级。