基于預(yù)想故障序列的安全穩(wěn)定軟件研究

李鵬飛，趙翠玲，牛得存，林澤源

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

基于預(yù)想故障序列的安全穩(wěn)定軟件研究

李鵬飛，趙翠玲，牛得存，林澤源

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

針對(duì)當(dāng)前進(jìn)行電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究時(shí)事故預(yù)演方式效率低下、人因影響大的問(wèn)題，提出了基于預(yù)想故障序列的自動(dòng)化安穩(wěn)軟件的開(kāi)發(fā)方案，介紹了該方案的原理和主要功能，并通過(guò)實(shí)際案例仿真，驗(yàn)證了該軟件的高效性和準(zhǔn)確性，提高了工作效率。

預(yù)想故障序列；區(qū)域電網(wǎng)；安全穩(wěn)定計(jì)算；快速仿真軟件

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究時(shí)，主要采用人工方式，利用BPA軟件對(duì)預(yù)想事故逐一預(yù)演，進(jìn)行N-2安全穩(wěn)定分析。由于電網(wǎng)的規(guī)模逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致運(yùn)行方式復(fù)雜多樣，預(yù)想故障集數(shù)量龐大，故障種類(lèi)繁多，加之人工分析方式耗時(shí)耗力，獲得分析結(jié)果的時(shí)間較長(zhǎng)，拖延了電網(wǎng)運(yùn)行方式的制定時(shí)間。同時(shí)，根據(jù)人工操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定故障集，在經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，會(huì)遺漏重要的事故元件組，造成電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間帶隱患運(yùn)行，威脅電網(wǎng)安全。

建立基于預(yù)想故障序列算法的知識(shí)庫(kù)，開(kāi)發(fā)預(yù)想故障序列專(zhuān)家系統(tǒng)；綜合故障序列、潮流序列和電壓越限序列等各種指標(biāo)，形成推薦預(yù)想故障序列；將預(yù)想故障序列算法融入“基于BPA的安全穩(wěn)定分析計(jì)算軟件”的研發(fā)。將每次軟件運(yùn)行計(jì)算結(jié)果納入知識(shí)庫(kù)，作為下一次計(jì)算的預(yù)想故障篩選和排序的比較對(duì)象，從而使軟件具有自學(xué)習(xí)功能，同時(shí)還能避免因人工經(jīng)驗(yàn)限制遺漏重要事故元件組，提高了安全穩(wěn)定分析的正確率。

1 預(yù)想故障管理模塊

N-2安全穩(wěn)定評(píng)估中非常重要的內(nèi)容是預(yù)想故障的篩選和排序，即對(duì)篩選出來(lái)的預(yù)想故障根據(jù)預(yù)想故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行快而準(zhǔn)的排序，再進(jìn)行安全穩(wěn)定分析。

快速故障篩選的基本任務(wù)是采用某種簡(jiǎn)化的快速方法，在較短的時(shí)間內(nèi)把絕大多數(shù)預(yù)想故障快速過(guò)濾掉，同時(shí)正確識(shí)別出預(yù)想故障集中所有可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)或系統(tǒng)狀態(tài)嚴(yán)重越限的預(yù)想故障，以便對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的穩(wěn)定分析。

該軟件對(duì)預(yù)想故障的篩選和排序主要手段是融入預(yù)想故障序列算法和建立預(yù)想故障管理模塊。

1.1 預(yù)想故障管理模塊的功能

預(yù)想故障管理模塊是N-2安全穩(wěn)定分析的前期數(shù)據(jù)處理模塊，其主要功能是根據(jù)系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)內(nèi)的故障模板，自動(dòng)生成預(yù)想故障，并對(duì)生成的預(yù)想故障按指標(biāo)進(jìn)行篩選和排序。

該模塊除了提供自動(dòng)生成的預(yù)想故障外，還提供人工接口，分析人員可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況設(shè)置特定的故障或多重故障以及改變排序結(jié)果。預(yù)想故障管理流程如圖1所示。

1.2 預(yù)想故障管理模塊的特點(diǎn)

(1) 有限集。電力系統(tǒng)的故障多種多樣，不可能分析每一個(gè)故障對(duì)系統(tǒng)的影響。預(yù)想故障管理模塊不區(qū)分事故的起因，只針對(duì)其造成的后果區(qū)分事故，只要導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的故障，都用來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2) 量化指標(biāo)。傳統(tǒng)系統(tǒng)失穩(wěn)判據(jù)是當(dāng)電壓或頻率低于某一個(gè)值，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定值時(shí)認(rèn)為該故障引起系統(tǒng)失穩(wěn)。這對(duì)于評(píng)估時(shí)間有限的穩(wěn)定仿真評(píng)估來(lái)說(shuō)是比較費(fèi)時(shí)的。本研究在分析過(guò)程中，引入電壓或頻率的變化率，線路功率、節(jié)點(diǎn)電壓越限情況作為穩(wěn)定量化指標(biāo)，應(yīng)用這些量化指標(biāo)來(lái)反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用該指標(biāo)更新專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)想故障的篩選和排序。

圖1 預(yù)想故障管理流程

(3) 自我完善。在安穩(wěn)分析系統(tǒng)的不斷運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的反饋，可以不斷調(diào)整預(yù)想故障集，不斷使之完善。

2 預(yù)想故障序列的自動(dòng)生成

軟件開(kāi)發(fā)了預(yù)想故障管理模塊，其主要目的是生成仿真所需要的預(yù)想故障集，并在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)集的知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行篩選和排序，從而得到預(yù)想故障序列。

2.1 預(yù)想故障自動(dòng)生成規(guī)則

實(shí)時(shí)電網(wǎng)可能發(fā)生的事故有多種可能性，但所有事故都是由簡(jiǎn)單的元件和切除規(guī)則按照一定的時(shí)序組合而成的。該軟件根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定的III類(lèi)故障進(jìn)行仿真，并生成相應(yīng)的故障集。

為了能夠生成實(shí)際系統(tǒng)中的各種預(yù)想故障，該模塊的功能主要是根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中規(guī)定的3個(gè)穩(wěn)定級(jí)別來(lái)評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定程度：1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)事故集中，考慮繼保正確動(dòng)作；2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)事故集中，考慮繼保正確動(dòng)作和必要的切機(jī)切負(fù)荷操作；3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)事故集中，還要考慮解列操作。

2.2 預(yù)想故障自動(dòng)生成流程

預(yù)想故障的自動(dòng)生成流程是根據(jù)導(dǎo)則的規(guī)定掃描網(wǎng)絡(luò)并分配故障類(lèi)型，形成3級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的3個(gè)預(yù)想故障集。要具備的功能包括：讀取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、掃描重要的元器件及根?jù)穩(wěn)定導(dǎo)則分配預(yù)想故障。在生成預(yù)想故障前，根據(jù)規(guī)定做好各級(jí)故障定義，然后通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)想故障集的自動(dòng)生成。預(yù)想故障集自動(dòng)生成功能流程如圖2所示。

預(yù)想故障集生成后，如果電網(wǎng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生大的改變，例如發(fā)電機(jī)的投停、線路檢修等，那預(yù)想故障集也不會(huì)有很大的變化。生成的預(yù)想故障集還有人工接口，由分析人員自行定義其所要關(guān)心的故障或多重故障。

圖2 預(yù)想故障集自動(dòng)生成功能流程

2.3 預(yù)想故障的篩選和排序

預(yù)想故障的篩選就是從較大的預(yù)想故障集中快速而準(zhǔn)確地挑選出對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定影響比較大的預(yù)想故障，再進(jìn)行詳細(xì)分析。對(duì)最有可能引起系統(tǒng)失穩(wěn)或?qū)χ匾O(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生越限的預(yù)想故障，應(yīng)該首先分析。預(yù)想故障的篩選有2部分，包括有效性校驗(yàn)和穩(wěn)定故障剔除，其中有效性校驗(yàn)主要完成對(duì)自動(dòng)生成預(yù)想故障的初步剔除，排除明顯不合理的預(yù)想故障。

安全穩(wěn)定分析需在一定的時(shí)間周期內(nèi)完成，除了增加硬件以提高計(jì)算能力外，還需在確保分析對(duì)象完備性的基礎(chǔ)上盡可能地壓縮預(yù)想故障集的容量。

預(yù)想故障分析采取的策略是根據(jù)知識(shí)庫(kù)把后果比較輕微的預(yù)想故障剔除，只對(duì)造成嚴(yán)重后果的預(yù)想故障進(jìn)行詳盡的分析，也就得到了仿真需要的預(yù)想故障序列。

3 實(shí)際案例仿真分析

以某地區(qū)500 kV變電站為例，用該軟件進(jìn)行安穩(wěn)仿真測(cè)試。

3.1 故障序列的形成

以2018年為計(jì)算水平年，采用2018年當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，對(duì)站點(diǎn)500 kV站及與其直接相連的變電站區(qū)域內(nèi)發(fā)生N-1和N-2故障。對(duì)各種組合形成的故障集進(jìn)行安全穩(wěn)定仿真。

對(duì)故障集按照故障概率、潮流越限程度、電壓越限程度、潮流電壓越限加權(quán)、線路阻尼比等進(jìn)行排序，生成故障序列表，納入知識(shí)庫(kù)中，為下一次安全穩(wěn)定仿真提供預(yù)想故障序列表。通過(guò)軟件仿真，得到本次仿真的發(fā)生越限的薄弱線路和本次哪些會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)的案例。

從軟件生成的報(bào)告文件中，不僅完整地獲得了所有仿真案例的穩(wěn)定/失穩(wěn)情況以及相應(yīng)的曲線圖，而且在整個(gè)仿真后還獲得了匯總信息，包括各個(gè)案例的越限情況、發(fā)生越限的線路等。以上過(guò)程基本上可以全自動(dòng)化處理，無(wú)需太多的人工介入，且計(jì)算結(jié)果可以與原有內(nèi)容相結(jié)合，納入知識(shí)庫(kù)，為今后安穩(wěn)計(jì)算提供可靠的預(yù)想故障序列表；也可以在空閑時(shí)，通過(guò)軟件自動(dòng)對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)做全面仿真，尋找電網(wǎng)的薄弱斷面，形成較為全面的故障序列集。

3.2 預(yù)想故障序列知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用

對(duì)站點(diǎn)500 kV站進(jìn)行安全穩(wěn)定仿真時(shí)，除了對(duì)該站及其周?chē)鷧^(qū)域電網(wǎng)仿真外，該地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)其他薄弱安全穩(wěn)定斷面也可能會(huì)導(dǎo)致本仿真失穩(wěn)。因此，如果人工經(jīng)驗(yàn)不足，就無(wú)法從整個(gè)電網(wǎng)潮流圖中直接判斷出潮流斷面，就無(wú)法得到最優(yōu)故障集。

預(yù)想故障序列可以解決此問(wèn)題。本次仿真僅需要從歷史知識(shí)庫(kù)中，提取部分以前對(duì)電網(wǎng)仿真時(shí)曾經(jīng)發(fā)生越限的線路和曾經(jīng)失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)案例，加入到本次仿真的故障集中。

每次故障序列形成后，都能得到“線路歷史知識(shí)庫(kù)”，庫(kù)中線路若發(fā)生故障，容易導(dǎo)致交流發(fā)生失穩(wěn)，得到的“故障歷史知識(shí)庫(kù)”就是記錄曾經(jīng)會(huì)導(dǎo)致的失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)的案例。預(yù)想故障序列僅需從歷史知識(shí)庫(kù)中，提取部分之前對(duì)地區(qū)電網(wǎng)仿真時(shí)，曾發(fā)生越限的線路和曾經(jīng)失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)案例，即使這樣，也能保證此次仿真計(jì)算結(jié)果比人工憑經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.3 實(shí)例計(jì)算分析

人工建立故障集，手動(dòng)采用BPA仿真，受人力限制，只能選取較少的故障案例仿真，并因受經(jīng)驗(yàn)限制，有可能泄漏事故元件組。

采用預(yù)想故障管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)仿真。通過(guò)建立預(yù)想故障序列集，從歷史庫(kù)中進(jìn)行提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“提取出來(lái)的故障是應(yīng)該需要仿真的”，能針對(duì)性地對(duì)某些故障實(shí)現(xiàn)快速仿真。隨著仿真次數(shù)的增加，歷史庫(kù)中的數(shù)據(jù)更加豐富，提取的故障更能夠反映電網(wǎng)中的嚴(yán)重故障以及薄弱環(huán)節(jié)。

從本次計(jì)算結(jié)果可以看出，研究的內(nèi)容符合預(yù)期，能夠更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，使調(diào)度測(cè)試人員能夠快速了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況；而且調(diào)度人員可根據(jù)知識(shí)庫(kù)內(nèi)容，重點(diǎn)排查容易發(fā)生越限的線路和節(jié)點(diǎn)，保證電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立預(yù)想故障序列專(zhuān)家系統(tǒng)，自動(dòng)生成推薦預(yù)想故障序列，并對(duì)事故序列中的故障進(jìn)行分析，可有效幫助設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行人員去分析已有電網(wǎng)和新規(guī)劃電網(wǎng)的安全性，預(yù)防惡性事故的發(fā)生。

在實(shí)際應(yīng)用中，融入預(yù)想故障序列算法的知識(shí)庫(kù)，需要針對(duì)性對(duì)某個(gè)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行多次仿真后，才能更好的發(fā)揮作用。所研究的預(yù)想故障序列能代替人工，自動(dòng)給出電網(wǎng)中重要的事故元件組，且結(jié)合研發(fā)的軟件能快速仿真，提高工作效率，并避免了對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)。

1 韋仲康．電力市場(chǎng)環(huán)境下的電網(wǎng)安全與穩(wěn)定[J]．電力安全技術(shù)，2006，5(8):21-22.

2 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)．DL/T 723—2000電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

3 卜廣全，湯 涌，侯俊賢，等．PSD-BPA潮流程序用戶手冊(cè)[S]．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2007.

4 卜廣全，湯 涌，侯俊賢，等．PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(cè)[S]．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2010.

2016-03-03；

2016-07-09。

李鵬飛(1981-)，男，工程師，主要從事變電二次設(shè)計(jì)及安全穩(wěn)定分析研究工作，email：lipengfei@sdepci.com。

趙翠玲(1972-),女，高級(jí)工程師，主要從事變電二次設(shè)計(jì)工作。

牛得存(1986-)，男，工程師，主要從事變電二次設(shè)計(jì)工作。

林澤源(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事變電二次設(shè)計(jì)工作。