湖南电网连锁故障模式在线智能辨识算法研究

陈卓，杨冬儿，唐立春，周云海

(1.湖南省电力公司调度通信局，湖南长沙410007;2.长沙理工大学，湖南长沙410114;3.三峡大学，湖北宜昌443002)

防止大停电事故的一个重要手段就是搜索系统最可能发生的连锁故障，并分析系统的薄弱区域，以采取相应措施。国内外对此均进行了大量研究。美国EPRI和南方电网公司开发了TRELSS软件〔1〕，用枚举的方法对连锁故障进行搜索，故障重数上限为4台发电机和2回线路。文献〔2〕在连锁故障风险评估方面做了较系统的研究工作。还有不少文献在连锁故障原因〔3〕、连锁故障搜索方法〔4-5〕、连锁故障风险指标定义等方面分别做了研究〔6〕。在连锁故障搜索方面，枚举类方法因计算量太大，难以在实际大系统中应用〔7〕。启发式方法〔8-9〕虽然减小了计算量，但上述文献中的启发式规则中均未考虑非共因多重故障，只能对单一线路开断引发连锁故障的风险进行评估，难以发现多种因素作用，特别是偶然因素叠加引起系统连锁故障的多重故障〔10-11〕。而2003年的美加大停电、意大利大停电等事故都是因为相对独立发生的多重事故引发的，2006年的欧洲“11.4”事故虽然是开断双回线引起的，但事故前，一些线路因电网改造停运，以及部分地区负荷、风电出力超出原计划等多个因素叠加，导致系统已不满足N-1准则。因此需要研究更系统、更全面的连锁故障搜索方法。近年有些研究者采用另一种思路，不是从分析导致系统发生连锁性故障的具体事故着手，而是采用从上至下的方式，将复杂性系统、统计物理、概率论的概念和方法与电力系统模型结合起来，从整体的、一般性的角度研究连锁性故障的机理及相应的控制措施〔12-13〕。I.Dobson等人提出了电力系统连锁性故障的一系列模型:CASCADE、分枝过程模型、OPA模型。Watts等人提出小世界模型，并验证了美国西部电网是一个小世界网络。文献〔14〕研究了连锁故障的自组织临界特性。文献〔15-16〕提出了评估连锁故障新的可靠性指标。

目前在故障模式搜索方面，受计算量的限制，用枚举类方法列出严重故障对于大系统并不现实，基于启发式规则搜索方法难以考虑几个独立发生的事故引起大停电事故的情况，而且这些方法也不能给出系统整体、结构稳定方面的信息。在连锁故障机理研究方面，连锁故障的发生概率计算是一个关键的环节，但目前缺乏有效的计算手段。已有的应用软件可进行N-1，N-2故障的在线扫描，并能对故障的严重程度排队，但不能对系统结构进行全面分析，不能发现可能导致连锁故障的多重故障模式，也不能自动搜索识别危险断面。

针对以上连锁故障搜索过程中出现的问题，文中提出一种连锁故障模式辨识算法，用以减小计算求解空间，且能搜索到因此而引发的多重故障。

1 连锁故障产生发展机理

连锁故障最重要的特点是连锁性，也就是故障之间的相关性。从整体上，连锁故障的产生表现为系统状态的变化，即系统从正常状态逐渐恶化，随着支路故障的增多，系统运行向临界值方向偏移，从而触发连锁故障发生，导致系统崩溃。从局部上表现为元件之间关联作用的逐渐增强。原件之间的关联程度取决于此原件单位功率变化引起其他原件功率的变化与此原件承担功率的程度。在电网正常运行时，线路之间的关联作用相对较弱，某条支路的停运不会对其他支路过载构成威胁，此时故障支路只是对电网的扰动。但随着后续故障的发生，支路之间的关联增强，从而当某条支路停运时导致与其相关联的之路过载。电网的负荷水平与网架结构的负荷承受能力是一对方向相反的作用力，在系统有支路退出运行的情况下，网架的负荷承受能力变弱，加上系统的负荷水平提高，非故障支路承担了总负荷功率的传输。随着故障支路增多，负荷水平超过临界负荷容量，在遇到扰动时，系统将发生连锁故障〔17-18〕。

2 基于危险树结构的连锁故障自动搜索

2.1 连锁故障搜索方法的主要思路

图1 39节点系统一次接线图

表1 系统开断潮流图 pu

利用图论原理，把系统线路分成树支和连支，发电机及负荷可以看作节点注入。连支断开后，该支路中的潮流将转移到其他连支及树支中，断开所有连支后，系统各节点由树支连接，此时断开任一树支，系统将分裂成2个系统。针对系统的一个树状结构，找出其过载树支 (如无控制措施，该线路将断开，从而导致系统解列)，然后分析哪些连支断开导致潮流转移到该树支，可以找出危险的潮流转移模式，从而得到一个关键断面。如图1为NEWENGLAND-39节点系统一次接线图，选择它的一个树作为例子，表1中第1列为过载树支，即目标线路，第1行为图中所有连支，表中数值为连支断开后转移到目标线路中的潮流 (线路潮流限值设为6.6 pu)。从表1中可以看出系统存在多个局部危险结构，以其中一个为例:和14-4强相关的线路有6-5，13-10，17-16，这些线路构成一个“关键断面”，而且是一个较复杂的“环路”，不像常规的联络线易识别。对于复杂网络，将有很多树状结构以及关键断面，而且该问题在数学上属于组合优化问题，有效的搜索方法是项目成功的关键。遗传算法虽然搜索能力强，但计算量大，对于湖南省级电网，有1 000条左右线路，因此基因的编码长度为1 000左右，子种群基因数为1 500～2 000，子种群数取6，迭代次数在100次左右，如不大幅提高常规遗传算法的效率，将无法用于实际省级电网的工程实践中，故采用优化协同多群体遗传算法高效实现。算法原理如图2所示。

图2 协同多群体遗传算法流程框图

2.2 连锁故障搜索方法的关键策略

连锁事故搜索方法的关键是在全局搜索的前提下，尽可能地减小问题求解空间，并且采用高效的搜索算法。

分2步进行“关键断面”搜索:第1步，在系统所有的树状结构中找出危险的树状结构 (损失负荷达到大停电事故标准);第2步，在危险的树状结构中找“关键断面”。此策略大大地减小了问题的求解空间，而且对线路故障原因没有限制，可以找出能引发连锁故障的非共因多重故障。具体搜索步骤如下:

(1)利用公用信息平台取得电网当前运行状态。

(2)搜索危险树状结构。通过多种群小生境遗传算法和修改个体的适应度数值，提高适应度稍差、但和“最优解”模式差别较大的个体生存概率，从而保持种群的多样性，能够找出一批模式不同的最优解。利用最小生成树算法解码，保证系统是树状接线方式，避免不可行解的产生，减少计算量。

(3)确定“关键断面”。在获得危险树状结构后，在树状结构中挑出潮流越限的树支，将其作为目标线路，对每个目标线路寻找连支中与其强相关的线路。在系统完整接线方式下，如某条连支断开后引起某目标线路潮流增加较大，那么我们称该连支与目标线路强相关，把和该目标线路强相关的线路 (连支)找出，这些线路和目标线路构成了一个“关键断面”。程序流程如图3。

图3 程序流程框图

3 基于危险树结构的连锁故障自动搜索在湖南电网应用

为便于工程实用，采用基于CIM模型与现有EMS的数据接口，从公用信息平台导入数据，并利用数据处理程序，分析电网拓扑，剔除不良数据，保证计算正确性。具体数据处理过程如图4。

图4 公用信息平台数据处理框图

对湖南电网进行关键断面及连锁故障搜索，得到了湖南电网60种连锁故障模式，并用DTS验证了结果的正确性。这些连锁故障中有些是跨区域、跨电压等级的连锁故障模式，搜索到的故障模式靠经验很难人工识别出来，限于篇幅，文中选取一个典型的、难以识别的故障模式加以说明。

在搜索到的故障模式中，其中一个典型的跨区域、跨电压等级的连锁故障模式如图5所示，具体过程为:以2011年6月2日10∶00运行数据进行计算，得出多个连锁故障模式:500 kV复兴变、500 kV牌楼变、220 kV铁漳线跳闸后，铁德线将超过稳定限制。这是一个跨地区、跨电压等级的潮流转移方式，凭经验很难识别出来。

图5 湖南省网实际算例介绍

4 总结

连锁故障的搜索是世界性难题，目前国内外也没有很好的解决办法，文中研究的危险树结构搜索及连锁故障模式搜索算法，只在系统的危险树状结构中搜索“关键线路集”的搜索策略，大大地减小了问题求解空间，且能搜索到引发连锁故障的非共因多重故障，并通过实际算例验证了其可行性，为今后在线实际应用奠定了基础。

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