智能電網(wǎng)中信息網(wǎng)與物理電網(wǎng)間連鎖故障的

楊少智

摘 要：智能電網(wǎng)是基于物理電網(wǎng)改造升級，采用信息技術(shù)提升電網(wǎng)的自動化水平，使電網(wǎng)運行處于持續(xù)而穩(wěn)定的運行狀態(tài)。智能電網(wǎng)的運行雖然安全系數(shù)很高，但是一旦出現(xiàn)故障，就會造成連鎖反應(yīng)。為了避免類似的事故發(fā)生，就要將智能電網(wǎng)的連鎖故障模型構(gòu)建起來，以在智能電網(wǎng)運行的過程中，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運行的隱性安全問題進行分析。從復(fù)雜系統(tǒng)角度對故障特征進行分析，并運用理論分析的方法針對物理電網(wǎng)間連鎖故障的發(fā)生過程進行研究，提出增強智能電網(wǎng)控制系統(tǒng)在異常情況下維持生存性能的策略。本文針對智能電網(wǎng)中信息網(wǎng)與物理電網(wǎng)間連鎖故障的防御策略展開研究。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；信息技術(shù)；物理電網(wǎng)；連鎖故障；防御策略

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

近年來，連鎖性停電事故時有發(fā)生，規(guī)模最大的是2003年美國發(fā)生了“8·14”停電，這是史上規(guī)模最大的一次大停電事故。緊接著，意大利也發(fā)生了連鎖性事故，2011年，巴西也發(fā)生了連鎖性大停電事故。這些大停電事故規(guī)模之大，不僅給人們的生活帶來了不便，而且還還會造成嚴重的社會經(jīng)濟損失，甚至?xí)蔀樯鐣环€(wěn)定因素。越來越多的研究人員都對連鎖性停電事故的發(fā)生機理進行了研究，并提出應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)理論構(gòu)建理論模型以對電網(wǎng)的連鎖故障起到預(yù)知診斷的作用。具體操作中，是構(gòu)建動態(tài)模式，通過測算的方式探尋造成事故的根本原因，對大停電后的故障傳播機理進行分析，根據(jù)所獲得的信息設(shè)計安全防御控制措施。

一、智能電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障模型

智能電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障，故障的主體包括一次設(shè)備和二次設(shè)備兩個部分。一次設(shè)備以發(fā)電機、變電器和輸電線路為主；二次設(shè)備為對一次設(shè)備起到保護作用的各種裝置。

（一）構(gòu)建一次設(shè)備的故障連鎖模型

一次設(shè)備的故障模型是對電網(wǎng)運行的安全性以及可能存在的風(fēng)險進行評估。按照傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障管理，主要是對各種設(shè)備元件的運行可靠性進行衡量，量化為指標，包括電網(wǎng)非計劃停運，電網(wǎng)強迫性停運等等，然后根據(jù)設(shè)備的電壓等級做做出計算結(jié)果。按照電網(wǎng)故障傳統(tǒng)的管理方式，往往量化指標的取值是固定的，統(tǒng)計指標可以長期使用。但電網(wǎng)運行中，設(shè)備的可靠性是會有所變化的，如果依然采用固定的指標進行計算，所獲得的結(jié)果必定缺乏可靠性。所以，采用傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障管理模式對電網(wǎng)運行在短時間內(nèi)的運行狀態(tài)是無法真實反映出來的。

針對于此，研究專家提出了構(gòu)建故障連鎖模型，以能夠更好地保證電網(wǎng)運行的可靠性。國外的一些研究學(xué)者對電網(wǎng)設(shè)備元件的運行可靠性對電網(wǎng)運行狀況的影響進行了研究，將數(shù)學(xué)方針模式構(gòu)建起來。中國引入該理論后，從中國電網(wǎng)運行情況出發(fā)對電網(wǎng)運行進行可靠性評估，建立了電網(wǎng)輸電線路與變壓器的時變停運模型，研究電網(wǎng)運行對環(huán)境溫度、濕度等的敏感度，提出在惡劣的氣候條件下，電網(wǎng)的線路會受到影響。

一次設(shè)備的故障連鎖模型將輸電線路以及輸電設(shè)備元件停止運行的概率作為常數(shù)，但是并不局限于單一的影響因素對電網(wǎng)運行所帶來的后果，而是將偶然影響因素納入其中，經(jīng)過綜合考慮而研究連鎖故障發(fā)生機理。

（二）構(gòu)建二次設(shè)備的故障連鎖模型

二次設(shè)備的故障處理中，考慮最多的是繼電保護器。繼電保護器對電網(wǎng)運行的可靠性具有重要的影響。如果沒有對相關(guān)問題深入研究，比如，保護系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏，就會出現(xiàn)連鎖故障。構(gòu)建二次設(shè)備的故障連鎖模型，就是要獲得隱性故障指標，這樣，就需要對保護裝置的保護效果進行分析，以及保護裝置對電網(wǎng)運行做造成的影響進行分析。電網(wǎng)運行狀況與二次設(shè)備的隱性故障密切相關(guān)，構(gòu)建故障連鎖模型，就是要將保護裝置的保護效果與電網(wǎng)運行相結(jié)合，分析保護失效可能帶來的后果，以及需要采用的防御措施。

二、由于隱性故障而導(dǎo)致的連鎖故障分析

對智能電網(wǎng)連鎖故障的影響，通過構(gòu)建隱性故障模型，對連鎖故障而導(dǎo)致的停電情況進行分析，不同的承載熵水平，連鎖故障狀態(tài)就會有所不同。通過對負荷損失數(shù)據(jù)進行，揭示故障損失與承載熵之間所存在的關(guān)系。

（一）隱性故障模型運行流程

1 參數(shù)的設(shè)定

將構(gòu)建隱性故障模型的參數(shù)設(shè)定如下：

H：發(fā)生印象故障的概率；

Ci：輸電線路i的最大容量系數(shù)；

G：發(fā)電機旋轉(zhuǎn)備用的比例；

Ts：控制措施的參數(shù)。

2 選擇一條輸電線路，創(chuàng)造故障條件使線路發(fā)生故障。

3 做好網(wǎng)絡(luò)孤島檢測工作，對所獲得的檢測數(shù)據(jù)進行處理，將直流潮流計算出來，并根據(jù)潮流計算結(jié)果做出判斷，如果有電路跳開的現(xiàn)象，就意味著有的線路出現(xiàn)潮流越限。此時，就要對線路中所存在的隱性故障進行分析，并推斷可能受到影響的線路，使具有下一次發(fā)行隱性故障的線路跳開，然后進行直流潮流計算。

4 如果跳開線路的條數(shù)已經(jīng)超過了控制參數(shù)，就要對電網(wǎng)進行調(diào)度，對電網(wǎng)的各項資源進行優(yōu)化配置，跳開線路閉合后，依然需要對線路的運行狀況進行檢查，確保不會有隱性故障發(fā)生。

5 如果不再有線路繼續(xù)跳開，就可以判斷線路連鎖故障結(jié)束，對本地連鎖故障的損失情況進行分析。

（二）連鎖故障的電網(wǎng)脆弱性

電網(wǎng)設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行中，會受到多種因素的影響而導(dǎo)致故障發(fā)生。包括環(huán)境故障、設(shè)備元件故障和人為因素所導(dǎo)致的故障等等。以脆弱性理論為依據(jù)，在電網(wǎng)連鎖故障風(fēng)險分析中，將邊韌性度融入其中，構(gòu)建線路故障篩選模型，以對電網(wǎng)的雖弱線路進行判斷和分析。

采用這種方法可以將電網(wǎng)運行中的固有脆弱性揭示出來，并根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)制定停電防御措施。對電網(wǎng)的脆弱性進行評估，是為了能夠?qū)⒕€路故障以及原發(fā)性故障查找出來，具有針對性地制定出故障防御方案。電網(wǎng)等等脆弱性決定了電網(wǎng)很容易遭到破壞。就需要針對電網(wǎng)崔索性進行分析，并提出防控策略，以避免由于電網(wǎng)停電故障而造成嚴重損失。

三、對連鎖故障所采取的防御策略

連鎖故障模型的防御策略包括兩個方面的內(nèi)容，即電網(wǎng)運行和電網(wǎng)建設(shè)。本論文研究中所構(gòu)建的隱性故障模式，是結(jié)合防御策略提出承載熵控制策略。

將連鎖故障模型的參數(shù)進行設(shè)定，包括線路運行中隨機故障發(fā)生的概率、線路容量增長率、保護裝置拒動發(fā)生率、優(yōu)化控制成功率、慢動態(tài)時間等等。

在快動態(tài)執(zhí)行的過程中，由于隨機影響因素的存在而使得線路斷開發(fā)生率提升，經(jīng)過孤島檢測處理后，將直流潮流計算出來，根據(jù)線路越線發(fā)生率以及優(yōu)化控制成功率對線路進行優(yōu)化調(diào)度。

根據(jù)繼電保護動作發(fā)生率決定線路是否能夠切斷。當(dāng)順利切除線路后，進入到快動作執(zhí)行狀態(tài)。如果線路沒有被切除，快動態(tài)過程結(jié)束，進入到慢動作執(zhí)行。如果動作執(zhí)行天數(shù)低于所設(shè)定的天數(shù)，就要確定對負荷增長因子，計算當(dāng)前天數(shù)加一天的電網(wǎng)負荷水平以及發(fā)電機所能夠達到的最大運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

對主流潮流進行計算，并做出優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)輸電線路的切負荷情況和線路功率的越限制情況對發(fā)電機的出力增量進行分攤。通過潮流計算結(jié)果，對線路的負載率進行升級，對智能電網(wǎng)的規(guī)劃情況進行模擬。慢動態(tài)執(zhí)行過程結(jié)束之后，在此進入到快動態(tài)執(zhí)行過程中。

結(jié)論

綜上所述，電網(wǎng)運行中會由于連鎖故障的產(chǎn)生而導(dǎo)致電網(wǎng)大停電事故，即便是智能電網(wǎng)運行具有較高的穩(wěn)定性，能夠保證長時間持續(xù)供電，卻由于電網(wǎng)的脆弱性而受到諸多因素的影響而不可避免地產(chǎn)生運行故障。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)大停電，波及面之廣，很容易影響社會正常秩序。構(gòu)建一次設(shè)備和二次設(shè)備的故障連鎖模型，對物理電網(wǎng)間的連鎖故障進行分析，并具有針對性地提出防御策略，以增強智能電網(wǎng)的系統(tǒng)生存能力。

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