基于三道防线的故障集自动批量生成方法

2012-09-20张晓东张振安徐得超史东宇余晓鹏裘微江秦长锋任玲玉胡建勇

电气自动化 2012年5期

张晓东，张振安，徐得超，史东宇，余晓鹏，裘微江，秦长锋，任玲玉，胡建勇

（1.河南电力试验研究院，河南郑州 450052；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

电力系统的稳定性是电网正常运行的基本前提，国外多次大停电事故的教训充分说明，确保电力系统的安全稳定运行对国家的社会安定和国民经济快速发展具有重要意义［1］。在实际电网上进行试验研究将给电网安全稳定运行以及人身安全带来危害。试验方案设计不合理不完善可能导致电网安全稳定事故的发生；人为操作不当则可能造成人身伤亡等。另外，在实际现场进行试验研究往往对场地要求高、接线复杂，导致试验成本高。种种因素表明，建立全数字实时仿真实验室，将物理装置等二次设备搬进实验室，采用数字电网替代一次系统，联合进行物理试验，具有试验成本低、效率高、周期短、可重复性好等诸多优点。我国电网现有的电网仿真计算分析手段主要采用离线电力系统分析软件，如国内常用的电力系统综合程序（power system analysis software package，简称PSASP），电力系统分析程序（BPA）等。

本方法是在电力系统综合程序（PSASP）的基础上提出和开发的。PSASP的故障集生成模块，对于静态安全分析计算，只有N-1计算设置和特定切除方案设置，没有批量N-M切除方案自动生成的功能；对于暂态稳定分析，只有部分故障集和故障模板设置，故障模板类型不全且没有生成批量故障的规则。这种单作业式的故障设置和生成方式必然导致大量重复性工作。

依据电网第一、二、三级安全稳定标准［2］，对于大部分的安全分析而言，故障设置是可以统一建模的，这就提出了故障集设置模板化的需求。本文基于在我国电网建设中普遍采用的电力系统三道防线的概念，提出分类的故障模板，并在此基础上实现了故障集的自动批量生成，可对同一区域或同一电压等级的若干节点进行同类故障的批量生成，与现有的针对元件的单一故障生成相比，为用户省去了许多重复性操作，大大节省了故障生成的时间，提高了工作效率。同时，将各类故障模板按照三道防线的要求进行分类，能够更全面、更快速、更准确的发现电网运行中的薄弱点和安全危险点，为大电网的安全稳定运行提供依据。

1 基于三道防线的故障模板

《电力系统安全稳定导则》规定我国电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级：第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电［单一故障（出现概率较高的故障）］；第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷［单一严重故障（出现概率较低的故障）］；第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失［多重严重故障（出现概率很低的故障）］。

我们设置三道防线来确保电力系统在遇到各种事故时的安全稳定运行［3］：第一道防线：快速可靠的继电保护、有效的预防性控制措施，确保电网在发生常见的单一故障时保持电网稳定运行和电网的正常供电；第二道防线：采用稳定控制装置及切机、切负荷等紧急控制措施，确保电网在发生概率较低的严重故障时能继续保持稳定运行；第三道防线：设置失步解列、频率及电压紧急控制装置，当电网遇到概率很低的多重严重事故而稳定破坏时，依靠这些装置防止事故扩大，防止大面积停电。

根据所应用电网的历史运行参数，得到该电网的常见故障类型和控制策略；按照上述三道防线的描述，将常见的故障类型分类，得到反映故障严重程度的分类模板。

针对常见的典型故障，基于三道防线的故障模板分类设置如下：

1）第一道防线故障模板

（1）静态安全分析

对确定的基本方式下以N个元件任意失去一个的方式进行扫描。

上述元件包括：发电机、1 000kV、500kV或220kV输电线路、500kV主变、1 000kV主变。

（2）暂态稳定分析

① 1 000kV、500kV故障

变压器

变压器高压侧0s单相或三相故障，0.09s跳主变三侧开关。

变压器中压侧0s单相或三相故障，0.09s后跳主变三侧开关。

单一输电线路

输电线路0s单相瞬时接地故障，0.09s双侧线路开关断开，1.09s重合成功。

输电线路0s单相永久接地故障，0.09s双侧线路开关断开，1.09s重合，1.18s重合不成功跳开。

输电线路0s三相故障，0.09s断开双侧线路开关，不重合。

输电线路0s三相无故障断开不重合。

②220kV故障

单一输电线路

220kV线路0s单相瞬时接地故障，0.12s双侧线路开关断开，1.12s重合成功；

220kV线路0s单相永久故障，0.12秒双侧线路开关断开，1.12s重合不成功，1.24s双侧线路断开；

220kV线路0s三相故障断开，0.12s双侧线路开关断开，不重合；

220kV线路0s三相无故障断开，不重合；

2）第二道防线故障模板

（1）静态安全分析

① 厂站失去一段220kV及以上母线，母线相连支路均断开；

② 针对1 000kV、500kV、220kV变电站、电厂升压站、500 kV及以上变压器、220kV及以上线路N-2；

③ 同塔双回或多回输电线路同时失去；

（2）暂态稳定分析

① 1 000kV、500kV故障

同杆并架输电线路

同杆并架双回线，异名两相0s发生相间瞬时短路故障，0.09s断开双回线路双侧故障相开关，1.09s重合双回线路双侧故障相开关；

同杆并架双回线，异名两相0s发生相间永久短路接地故障，0.09s断开双回线路双侧故障相开关，1.09s重合双回线路双侧故障相开关，重合不成功，1.18s双回线双侧开关三相同时跳开；

同杆并架双回线0s同时发生三相故障，0.09s双回线近侧开关跳开，0.1s双回线远侧开关跳开；

混合同杆并架输电线路

500、220kV同杆并架双回线同时发生三相故障，0.09s跳500kV线路双侧开关，0.12s跳220kV线路双侧开关；

500、220kV混合同杆并架双回线异名两相短路故障，0.09s跳500kV线路双侧开关，0.12s跳220kV线路双侧开关；

②220kV故障

220kV母线故障

220kV任一段母线0s单相接地或三相短路故障，0.12s切除母线上所有出线。

同杆并架输电线路

220kV同杆并架双回线异名两相同时发生单相接地故障，0.12s双侧线路开关断开，1.12s重合不成功，1.24s双回线三相同时跳开。

220kV同杆并架双回线同时发生三相故障，0.12s双侧线路开关断开。

3）第三道防线故障模板

（1）静态安全分析

同走廊或同区域多回路失去。

（2）暂态稳定分析

① 线路故障、线路开关拒动

500kV输电线路

线路0s单相接地／三相短路永久故障，故障近端任一个开关拒动，0.09s故障线路两侧其它开关三相断开，0.34s拒动开关的下一级开关三相断开。

220kV输电线路

220kV线路0s单相接地或三相故障，线路近端开关拒动，0.12s跳开远端线路开关，0.37s跳线路近端厂站母联，0.62s跳拒动开关所在母线其它线路。

②220kV母线故障、母联开关拒动

220kV任一段母线0s单相接地或三相短路故障，0.12s切除本段母线，母联开关拒动，0.37s切除另一段母线上所有开关。

③ 自动调节装置失灵

励磁或调速系统失灵造成发电机功率大幅度摆动。

④ 失去大容量发电厂

并网线全部跳闸。

⑤ 多重故障。

2 故障集的自动批量生成

对上述分类的故障模板进行定义，包括设定模板类型、名称和描述，对静态安全分析设置元件类型和故障方式，对暂态稳定分析设置元件类型和模板对应的动作，所述模板对应的动作包括故障方式、故障时间和故障位置；故障模板向用户提供基于三道防线要求的典型设置，根据具体电网的不同，用户可对模板进行增加、修改、和删除操作；用户选择参加计算的元件组或故障范围，选择相应的故障模板，由系统自动实现故障集批量生成工作。故障集自动批量生成系统的系统结构如图1所示。

具体包括以下步骤：

① 读取故障模板文件，获取基于故障模板及模板的应用规则，包括故障范围或元件组。

② 根据模板定义的元件类型进行故障范围内元件查找形成元件归属表，获取元件的查找范围，在元件归属表中搜索指定范围的元件并给出搜索结果的元件列表。

③ 根据模板类型进行拓扑搜索元件：指定拓扑搜索的目标和范围，获取所有元件，在元件列表中按连接关系遍历元件并给出搜索结果。

④ 根据模板定义的故障方式或动作情况设定故障方式。

⑤ 批量生成故障组。

⑥ 按三道防线的分类输出计算结果。