基于三道防線的故障集自動批量生成方法

張曉東，張振安，徐得超，史東宇，余曉鵬，裘微江，秦長鋒，任玲玉，胡建勇

（1.河南電力試驗研究院，河南 鄭州 450052；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引 言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是電網(wǎng)正常運行的基本前提，國外多次大停電事故的教訓(xùn)充分說明，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對國家的社會安定和國民經(jīng)濟快速發(fā)展具有重要意義［1］。在實際電網(wǎng)上進行試驗研究將給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行以及人身安全帶來危害。試驗方案設(shè)計不合理不完善可能導(dǎo)致電網(wǎng)安全穩(wěn)定事故的發(fā)生；人為操作不當則可能造成人身傷亡等。另外，在實際現(xiàn)場進行試驗研究往往對場地要求高、接線復(fù)雜，導(dǎo)致試驗成本高。種種因素表明，建立全數(shù)字實時仿真實驗室，將物理裝置等二次設(shè)備搬進實驗室，采用數(shù)字電網(wǎng)替代一次系統(tǒng)，聯(lián)合進行物理試驗，具有試驗成本低、效率高、周期短、可重復(fù)性好等諸多優(yōu)點。我國電網(wǎng)現(xiàn)有的電網(wǎng)仿真計算分析手段主要采用離線電力系統(tǒng)分析軟件，如國內(nèi)常用的電力系統(tǒng)綜合程序（power system analysis software package，簡稱PSASP），電力系統(tǒng)分析程序（BPA）等。

本方法是在電力系統(tǒng)綜合程序（PSASP）的基礎(chǔ)上提出和開發(fā)的。PSASP的故障集生成模塊，對于靜態(tài)安全分析計算，只有N-1計算設(shè)置和特定切除方案設(shè)置，沒有批量N-M切除方案自動生成的功能；對于暫態(tài)穩(wěn)定分析，只有部分故障集和故障模板設(shè)置，故障模板類型不全且沒有生成批量故障的規(guī)則。這種單作業(yè)式的故障設(shè)置和生成方式必然導(dǎo)致大量重復(fù)性工作。

依據(jù)電網(wǎng)第一、二、三級安全穩(wěn)定標準［2］，對于大部分的安全分析而言，故障設(shè)置是可以統(tǒng)一建模的，這就提出了故障集設(shè)置模板化的需求。本文基于在我國電網(wǎng)建設(shè)中普遍采用的電力系統(tǒng)三道防線的概念，提出分類的故障模板，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了故障集的自動批量生成，可對同一區(qū)域或同一電壓等級的若干節(jié)點進行同類故障的批量生成，與現(xiàn)有的針對元件的單一故障生成相比，為用戶省去了許多重復(fù)性操作，大大節(jié)省了故障生成的時間，提高了工作效率。同時，將各類故障模板按照三道防線的要求進行分類，能夠更全面、更快速、更準確的發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行中的薄弱點和安全危險點，為大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供依據(jù)。

1 基于三道防線的故障模板

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定我國電力系統(tǒng)承受大擾動能力的安全穩(wěn)定標準分為三級：第一級標準：保持穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電［單一故障（出現(xiàn)概率較高的故障）］；第二級標準：保持穩(wěn)定運行，但允許損失部分負荷［單一嚴重故障（出現(xiàn)概率較低的故障）］；第三級標準：當系統(tǒng)不能保持穩(wěn)定運行時，必須防止系統(tǒng)崩潰并盡量減少負荷損失［多重嚴重故障（出現(xiàn)概率很低的故障）］。

我們設(shè)置三道防線來確保電力系統(tǒng)在遇到各種事故時的安全穩(wěn)定運行［3］：第一道防線：快速可靠的繼電保護、有效的預(yù)防性控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生常見的單一故障時保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電；第二道防線：采用穩(wěn)定控制裝置及切機、切負荷等緊急控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴重故障時能繼續(xù)保持穩(wěn)定運行；第三道防線：設(shè)置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，當電網(wǎng)遇到概率很低的多重嚴重事故而穩(wěn)定破壞時，依靠這些裝置防止事故擴大，防止大面積停電。

根據(jù)所應(yīng)用電網(wǎng)的歷史運行參數(shù)，得到該電網(wǎng)的常見故障類型和控制策略；按照上述三道防線的描述，將常見的故障類型分類，得到反映故障嚴重程度的分類模板。

針對常見的典型故障，基于三道防線的故障模板分類設(shè)置如下：

1）第一道防線故障模板

（1）靜態(tài)安全分析

對確定的基本方式下以N個元件任意失去一個的方式進行掃描。

上述元件包括：發(fā)電機、1 000kV、500kV或220kV輸電線路、500kV主變、1 000kV主變。

（2）暫態(tài)穩(wěn)定分析

① 1 000kV、500kV故障

變壓器

變壓器高壓側(cè)0s單相或三相故障，0.09s跳主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。

變壓器中壓側(cè)0s單相或三相故障，0.09s后跳主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。

單一輸電線路

輸電線路0s單相瞬時接地故障，0.09s雙側(cè)線路開關(guān)斷開，1.09s重合成功。

輸電線路0s單相永久接地故障，0.09s雙側(cè)線路開關(guān)斷開，1.09s重合，1.18s重合不成功跳開。

輸電線路0s三相故障，0.09s斷開雙側(cè)線路開關(guān)，不重合。

輸電線路0s三相無故障斷開不重合。

②220kV故障

單一輸電線路

220kV線路0s單相瞬時接地故障，0.12s雙側(cè)線路開關(guān)斷開，1.12s重合成功；

220kV線路0s單相永久故障，0.12秒雙側(cè)線路開關(guān)斷開，1.12s重合不成功，1.24s雙側(cè)線路斷開；

220kV線路0s三相故障斷開，0.12s雙側(cè)線路開關(guān)斷開，不重合；

220kV線路0s三相無故障斷開，不重合；

2）第二道防線故障模板

（1）靜態(tài)安全分析

① 廠站失去一段220kV及以上母線，母線相連支路均斷開；

② 針對1 000kV、500kV、220kV變電站、電廠升壓站、500 kV及以上變壓器、220kV及以上線路N-2；

③ 同塔雙回或多回輸電線路同時失去；

（2）暫態(tài)穩(wěn)定分析

① 1 000kV、500kV故障

同桿并架輸電線路

同桿并架雙回線，異名兩相0s發(fā)生相間瞬時短路故障，0.09s斷開雙回線路雙側(cè)故障相開關(guān)，1.09s重合雙回線路雙側(cè)故障相開關(guān)；

同桿并架雙回線，異名兩相0s發(fā)生相間永久短路接地故障，0.09s斷開雙回線路雙側(cè)故障相開關(guān)，1.09s重合雙回線路雙側(cè)故障相開關(guān)，重合不成功，1.18s雙回線雙側(cè)開關(guān)三相同時跳開；

同桿并架雙回線0s同時發(fā)生三相故障，0.09s雙回線近側(cè)開關(guān)跳開，0.1s雙回線遠側(cè)開關(guān)跳開；

混合同桿并架輸電線路

500、220kV同桿并架雙回線同時發(fā)生三相故障，0.09s跳500kV線路雙側(cè)開關(guān)，0.12s跳220kV線路雙側(cè)開關(guān)；

500、220kV混合同桿并架雙回線異名兩相短路故障，0.09s跳500kV線路雙側(cè)開關(guān)，0.12s跳220kV線路雙側(cè)開關(guān)；

②220kV故障

220kV母線故障

220kV任一段母線0s單相接地或三相短路故障，0.12s切除母線上所有出線。

同桿并架輸電線路

220kV同桿并架雙回線異名兩相同時發(fā)生單相接地故障，0.12s雙側(cè)線路開關(guān)斷開，1.12s重合不成功，1.24s雙回線三相同時跳開。

220kV同桿并架雙回線同時發(fā)生三相故障，0.12s雙側(cè)線路開關(guān)斷開。

3）第三道防線故障模板

（1）靜態(tài)安全分析

同走廊或同區(qū)域多回路失去。

（2）暫態(tài)穩(wěn)定分析

① 線路故障、線路開關(guān)拒動

500kV輸電線路

線路0s單相接地／三相短路永久故障，故障近端任一個開關(guān)拒動，0.09s故障線路兩側(cè)其它開關(guān)三相斷開，0.34s拒動開關(guān)的下一級開關(guān)三相斷開。

220kV輸電線路

220kV線路0s單相接地或三相故障，線路近端開關(guān)拒動，0.12s跳開遠端線路開關(guān)，0.37s跳線路近端廠站母聯(lián)，0.62s跳拒動開關(guān)所在母線其它線路。

②220kV母線故障、母聯(lián)開關(guān)拒動

220kV任一段母線0s單相接地或三相短路故障，0.12s切除本段母線，母聯(lián)開關(guān)拒動，0.37s切除另一段母線上所有開關(guān)。

③ 自動調(diào)節(jié)裝置失靈

勵磁或調(diào)速系統(tǒng)失靈造成發(fā)電機功率大幅度擺動。

④ 失去大容量發(fā)電廠

并網(wǎng)線全部跳閘。

⑤ 多重故障。

2 故障集的自動批量生成

對上述分類的故障模板進行定義，包括設(shè)定模板類型、名稱和描述，對靜態(tài)安全分析設(shè)置元件類型和故障方式，對暫態(tài)穩(wěn)定分析設(shè)置元件類型和模板對應(yīng)的動作，所述模板對應(yīng)的動作包括故障方式、故障時間和故障位置；故障模板向用戶提供基于三道防線要求的典型設(shè)置，根據(jù)具體電網(wǎng)的不同，用戶可對模板進行增加、修改、和刪除操作；用戶選擇參加計算的元件組或故障范圍，選擇相應(yīng)的故障模板，由系統(tǒng)自動實現(xiàn)故障集批量生成工作。故障集自動批量生成系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

具體包括以下步驟：

① 讀取故障模板文件，獲取基于故障模板及模板的應(yīng)用規(guī)則，包括故障范圍或元件組。

② 根據(jù)模板定義的元件類型進行故障范圍內(nèi)元件查找形成元件歸屬表，獲取元件的查找范圍，在元件歸屬表中搜索指定范圍的元件并給出搜索結(jié)果的元件列表。

③ 根據(jù)模板類型進行拓撲搜索元件：指定拓撲搜索的目標和范圍，獲取所有元件，在元件列表中按連接關(guān)系遍歷元件并給出搜索結(jié)果。

④ 根據(jù)模板定義的故障方式或動作情況設(shè)定故障方式。

⑤ 批量生成故障組。

⑥ 按三道防線的分類輸出計算結(jié)果。

圖1 故障集生成及應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 方法實現(xiàn)及應(yīng)用

在現(xiàn)有電力系統(tǒng)綜合程序（PSASP）的基礎(chǔ)上，采用基于三道防線的故障集自動批量生成方法開發(fā)的軟件介紹如下：

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）功能結(jié)構(gòu)

靜態(tài)安全分析預(yù)想切除方案示意圖如圖2所示。對于靜態(tài)安全分析計算，在現(xiàn)有N-1計算設(shè)置和特定切除方案設(shè)置的基礎(chǔ)上，提供批量N-M切除方案自動生成的功能。

暫態(tài)穩(wěn)定分析預(yù)想故障集示意圖如圖3所示。對于暫態(tài)穩(wěn)定分析，在現(xiàn)有故障集和故障模板設(shè)置的基礎(chǔ)上，增加故障模板類型，在故障集中增加生成批量故障的規(guī)則。

（2） 技 術(shù)結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)采用分層思想，分為交互層、邏輯層、數(shù)據(jù)處理（IO）層、數(shù)據(jù)層。

交互層 處理用戶輸入數(shù)據(jù)和展示給用戶的輸出數(shù)據(jù)。

邏輯層 處理與業(yè)務(wù)（故障范圍元件查找、拓撲搜索、故障模板應(yīng)用等）相關(guān)的操作。

數(shù) 據(jù) 處 理［4］（IO）層處理文件（xml配置文件、故障模板文件、故障集文件）的讀寫操作；處理數(shù)據(jù)庫（PSASP7.0的工程數(shù)據(jù)庫）的讀寫操作；處理數(shù)據(jù)對象的初始化以及讀寫操作。

數(shù)據(jù)層 系統(tǒng)配置文件對象、PSASP7.0的數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)對象（邏輯層操作的數(shù)據(jù)）等數(shù)據(jù)。

（3）與其他外部系統(tǒng)的關(guān)系

自動故障集設(shè)置模塊為動態(tài)安全分析（DSA）系統(tǒng)［5］提供靜態(tài)安全分析掃描計算的計算設(shè)置及切除方案列表，為DSA系統(tǒng)提供暫態(tài)穩(wěn)定分析的預(yù)想故障集列表。自動故障集設(shè)置模塊通過文件交互為DSA系統(tǒng)的分布式計算提供故障集文件。

2）軟件開發(fā)流程

根據(jù)第二節(jié)對故障模板的描述進行故障模板的分類設(shè)置，設(shè)置完成后按圖4流程應(yīng)用分類模板。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文提出的方法而開發(fā)的軟件在實際電網(wǎng)中已有一定應(yīng)用，實踐證明按照三道防線的要求劃分模板，概念清晰，方便用戶及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行的薄弱點；故障模板自動批量生成，為工程技術(shù)人員省去大量重復(fù)操作，節(jié)省了故障生成的時間，提高了工作效率。

［1］孫光輝，畢兆東，等.電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定評估及決策技術(shù)的研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（17）：81-84.

［2］中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL 755—2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2001.

［3］孫光輝，沈國榮.加強三道防線建設(shè) 確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［J］.江蘇電機工程，2004，5（2）：4-7.

［4］國家電網(wǎng)公司.Q／GDW 216-2008電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)交換規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］嚴劍峰，于之虹，等.電力系統(tǒng)在線動態(tài)安全評估和預(yù)警系統(tǒng)［J］.中國電機工程學(xué)報，2008，28（34）：87-93.