电力系统连锁故障的影响因素及开断概率分析

林良顺

[摘要]分析电网连锁故障的影响因素,对故障模式搜索中不确定因素的处理进行研究,提出开断概率的分析模型及处理方法,并将一次设备划分成功能组,减少数据处理的工作量。

[关键词]连锁故障概率分析多重故障

中图分类号:TM7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710015-01

影响连锁故障发生的不确定因素很多,对于一个复杂电网试图通过数值计算程序对各种扰动场景下的连锁故障模式进行详细的模拟搜索并保存这些模式,通过预防控制措施加以防治的想法是不切实际的。由于模式的组合数量、预防控制的代价、电力市场环境等诸多因素的影响,有必要对连锁故障的影响因素进行探讨,通过概率模型进行分析然后按概率大小在允许时间内进行模拟搜索,这也是比较直观可行的方法。

一、连锁故障的影响因素

连锁故障发生的影响因素很多,大体分来主要包括自然环境因素、设备因素、运行状态及人为因素等等。

1.自然环境因素。自然环境因素主要包括气温、风速、大雾、雨雪、覆冰、雷电等天气情况以及设备所处周边环境,另外还包括地震、洪水、泥石流等难以预测的不可抗力因素。

2.设备因素。设备固有可靠性主要与设备的使用寿命及自身缺陷有关,设备可靠性随使用时间的延长而下降是其自然磨损造成的,而设备的固有缺陷只有在各种偶然因素都具备的情况下才会表现出来。

3.运行状态因素。系统运行方式影响系统的安全性,由于元件故障或设备计划检修而停运,从而改变系统的运行方式。本来正常运行方式不会产生很大影响的故障,可能会在特殊运行方式下诱发连锁反应,导致大停电发生。另外在设备元件固有可靠性不变的情况,变电站运行方式的变化也可影响线路运行的可靠性。负荷水平影响故障发生概率及系统安全是公认的事实,随着经济发展而不断增长的电力负荷以及电力市场的逐步建立,造成我国电力系统经常处于上限运行状态。因此负荷水平的影响就愈显重要,不仅要考虑当前负荷水平,还要考虑未来负荷的变化情况。

4.人为因素。人为因素主要是指调度人员调度管理不当或操作人员误操作以及人为的非法破坏行为,这与工作人员的素质高低及所处环境的治安状况有关。

二、开断概率分析模型

首先说明一点,这里讨论的概率模型暂不考虑上节提到的难以预测的不可抗力因素及人为因素。电力系统设备可分为一次设备和二次设备。一次设备有其固有的设备故障率,二次设备的故障将影响到一次设备的正常运行,电力系统连锁故障最终体现是一次设备的相继停运,从而造成重大损失。因此我们首先确定一次设备的故障概率,再用二次设备的故障概率对其进行修正,最终得出一次设备的非正常停运概率即开断概率。

(一)功能组。电力系统中的一次设备元件以断路器或打开的隔离开关为分界可划分成功能组。这里所说的功能组可定义为根据其联接结构及保护策略,一起参与运行、出现故障时一起退出的一组元件。每个功能组的故障概率约等于所包括元件的故障率之和,即:(1)

在分析开断概率时作为一个整体来分析,从而减少数据量。由于运行方式的变化,其组合也会发生相应的变化。元件的运行状态发生变化时,可根据更新数据快速调整功能组的划分,而不必完全重新搜索,则可进一步节省扫描时间。

(二)一次设备故障率。先根据历史统计数据得到一次设备元件的故障率P0。该值是各种因素共同作用的结果,首先考虑运行方式对它的影响。通过网络拓扑分析,把当前运行方式下的系统划分成功能组,根据式(1)得到功能组的故障率P1。就自然环境因素而言,P1应与各影响因素的均值相对应,也就是说各种因素应该以其均值为基点修正故障率得到P2。P2可看成以环境恶劣程度z为自变量的一个正的非减函数F(z),环境恶劣程度是包含各种自然因素的综合指标,需要指出的是该指标并不完全随自然条件测量值大小而增减,而是从其影响程度来考虑。比如,在下毛毛雨时容易引起绝缘子串闪络,并不是雨下得越大就表示恶劣程度越高。

最后考虑负荷因素的影响得到故障率P3,P3可看成以负荷f为自变量的一个正的非减函数F(f)。设备的绝缘性能及过负荷能力随使用时间增加而降低,因此设备的使用时间是影响曲线斜率的因素之一。P2对应于历史平均负荷,Frated表示额定容量。高于额定容量时故障率随负荷迅速上升,达到一定限额时故障率可视为1。

(三)二次设备故障率。二次设备对一次设备造成停运影响的故障主要是隐性故障。所谓隐性故障是指系统内某事件发生后,由于配置不当、硬件损坏等原因造成的保护装置缺陷导致保护装置误动。它是保护装置中存在的一种永久性缺陷,这种缺陷只有在系统发生故障等不正常运行状态时才会表现出来,其直接后果是导致被保护元件的错误断开。

对于一个交直流系统,由于交流系统的故障可能引发直流系统的换相失败故障,直流系统发生故障以及系统恢复正常运行期间,其暂态过程非常复杂,并且会对交流侧系统的保护造成影响。自2003年5月至今中国南方电网至少发生该类故障16次。

(四)一次设备的非正常停运概率。综合以上分析,一次设备的非正常停运概率即为:

P=P3+PS (2)

总的概率分析流程如图1所示。在连锁故障模拟中即可按此概率确定开断顺序,搜索连锁故障路径。

图1概率分析流程图

由于连锁故障的影响因素很多,对于一个复杂电网,需要考虑的开断元件也很多,即使按功能组考虑,用常规的概率分析方法计算量仍然很大,因此必须采用更有效的分析工具。证据理论、模糊理论、神经网络及专家系统都是处理不确定性问题的有效方法。可以在综合多个方面的经验与知识后给出决策。

三、结论

电本文从定性角度给出了一个模型框架,基本考虑了各种不确定因素,提出了将开断概率分为一次设备故障率和二次设备故障率,并将一次设备划分成功能组,减少数据处理的工作量。如何利用目前的分析方法加深对连锁故障的认识,进一步探索规律,充分利用已经取得的结论构建具有突破性意义的量化分析模型才是问题的关键所在,这些将有待于电力研究工作者的共同努力。