通信光缆故障对电力网连锁故障的影响

周艳峰

【摘要】 在应对大面积停电方面连锁故障研究具有很重要的意义，而信息网通信光缆对电力网连锁故障的影响在传统连锁故障研究中很少被考虑到。首先从信息网的方面出发，在直流潮流模型下，建立起信息网对电力网连锁故障影响模型，同时以IEEE30节点系统为例，不同信息网拓扑结构与通信光缆遭受随机故障对电力网连锁故障的影响。仿真结果显示，因为信息网的引入，电力系统薄弱点变多，导致了大停电的风险上升，在信息网中随着通信光缆故障规模的增大，电力网连锁故障被信息网影响的效果从强变弱，直至稳定。

【关键词】 电力网 信息网 拓扑结构 连锁故障 边故障

一、信息网对电力网故障的影响分析

在现代电力系统中，大量发电机、架空输电线路、断路器、变压器和负荷等组成了电力网；电力调度自动化网络及其构成的能量管理系统（EMS）、配电网管理系统（DMS）和广域测量系统（WAMS）组成了信息网，其中EMS和DMS依靠由远程终端单元（RTU）构成的数据采集和监控（SCADA）系统，WAMS依靠相量测量单元（PMU）。现如今电力系统相关研究中广泛的应用复杂网络理论，电力网和信息网将在本文中被抽象成一个复杂网络，电力网的发电站、变电站或者负荷将被看成节点，电力线被看成是边；信息网中的SCADA系统、PMU和调度中心将被抽象为节点，通信光缆被看成是边。

二、考虑通信光缆故障的电力网连锁故障建模

发生连锁故障的主要原因有潮流的大规模转移和保护装置的不正确动作，同时计算速度快和没有收敛性问题等优点是直流潮流算法所特有的，因此本文采用直流潮流模型对电力网连锁故障建模。

当在电力系统里出现线路、变压器过载或者发电机出力超过容量极限的情况时，系统需要依据网络结构和参数调整发电机输出，甚至断掉部分负荷，用最经济的方式来确保电力系统的安全运转。

三、通信光缆随机故障对连锁故障的影响

在做故障分析时，在无标度网络中，调度中心设置在度数较低的信息节点上比设置在度数较高的信息节点上会使平均负荷的损失变小。这种情况的发生，是由于无标度网络中节点的度分布极其不均匀，度数较低的信息节点太多，当调度中心所在的信息节点度数比较高时，信息网发生故障后，调度中心变为信息孤岛的机率更低，表明调度中心的调度作用更加显著，度数较低的信息节点更可能成为信息孤岛，发生错误调度的机率更高，因此更易发生大规模的连锁故障。

信息网的平均负荷损失在其正常工作和完全崩溃时几乎相等，但从信息网平均的损失负荷与其累积的概率曲线可以发现，两者的特性不同。对比了信息网正常工作、信息网完全崩溃和边故障规模ω=0.25三种情况下，损失负荷和累积概率的关系。信息网正常工作与其完全崩溃相比较，小规模停电事故发生的概率降低，但大规模停电事故的发生概率增加，而当信息网边遭受意外故障后，停电的规模和频率都有增加。

3.1 信息网拓扑结构对连锁故障的影响

除了全局耦合网络之外，在不同的信息网拓扑结构下，平均损失负荷故障规模的变化幅度基本相同，但是当信息网拓扑结构显示为无标度网络时，电力网的负荷损失与小世界网络和规则网络的相比更为严重。从度分布的方面来讲，无标度网络度分布符合幂分布，就是绝大多数节点的度相对更低，少数节点的度比较大，度分布缺少明显的特征长度，但是小世界网络和规则网络的度分布都集中在平均度的周围，规则网络的节点度相同。

因为无标度网络中度相对低的节点数量很多，在遭遇边故障时，更容易出现孤立的节点，即出现信息孤岛，电力网中的孤岛也会更多。所以，在其遭遇边故障时平均损失负荷更大。

与此同时，随着节点度数的增加，规则网络中的边故障规模对电力网平均损失负荷影响逐渐减小，当为全局耦合网络时，平均损失负荷影响最小。这是由于规则网络中有节点的度增加，使得因信息网边故障导致的信息孤岛的机率减小。与无标度网络的度分布对电力网连锁故障的影响不同，因为规则网络的度分布更狭窄，调度中心设置在读书较高的信息节点上可以减少更多的平均负荷损失。因此，在规则网络中，增加信息节点的度，能更加有效地降低由信息网线路故障引发的电力网连锁故障。

参 考 文 献

[1]梅生伟，薛安成，翁晓峰，等。复杂互联电网大停电风险研究综述及预防控制展望[C]//第二十四届中国控制会议论文集：上册，2005年5月15日—18日，广州，中國：180—183。

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