電力系統連鎖故障的影響因素及開斷概率分析

林良順

[摘要]分析電網連鎖故障的影響因素,對故障模式搜索中不確定因素的處理進行研究,提出開斷概率的分析模型及處理方法,并將一次設備劃分成功能組,減少數據處理的工作量。

[關鍵詞]連鎖故障概率分析多重故障

中圖分類號:TM7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710015-01

影響連鎖故障發生的不確定因素很多,對于一個復雜電網試圖通過數值計算程序對各種擾動場景下的連鎖故障模式進行詳細的模擬搜索并保存這些模式,通過預防控制措施加以防治的想法是不切實際的。由于模式的組合數量、預防控制的代價、電力市場環境等諸多因素的影響,有必要對連鎖故障的影響因素進行探討,通過概率模型進行分析然后按概率大小在允許時間內進行模擬搜索,這也是比較直觀可行的方法。

一、連鎖故障的影響因素

連鎖故障發生的影響因素很多,大體分來主要包括自然環境因素、設備因素、運行狀態及人為因素等等。

1.自然環境因素。自然環境因素主要包括氣溫、風速、大霧、雨雪、覆冰、雷電等天氣情況以及設備所處周邊環境,另外還包括地震、洪水、泥石流等難以預測的不可抗力因素。

2.設備因素。設備固有可靠性主要與設備的使用壽命及自身缺陷有關,設備可靠性隨使用時間的延長而下降是其自然磨損造成的,而設備的固有缺陷只有在各種偶然因素都具備的情況下才會表現出來。

3.運行狀態因素。系統運行方式影響系統的安全性,由于元件故障或設備計劃檢修而停運,從而改變系統的運行方式。本來正常運行方式不會產生很大影響的故障,可能會在特殊運行方式下誘發連鎖反應,導致大停電發生。另外在設備元件固有可靠性不變的情況,變電站運行方式的變化也可影響線路運行的可靠性。負荷水平影響故障發生概率及系統安全是公認的事實,隨著經濟發展而不斷增長的電力負荷以及電力市場的逐步建立,造成我國電力系統經常處于上限運行狀態。因此負荷水平的影響就愈顯重要,不僅要考慮當前負荷水平,還要考慮未來負荷的變化情況。

4.人為因素。人為因素主要是指調度人員調度管理不當或操作人員誤操作以及人為的非法破壞行為,這與工作人員的素質高低及所處環境的治安狀況有關。

二、開斷概率分析模型

首先說明一點,這里討論的概率模型暫不考慮上節提到的難以預測的不可抗力因素及人為因素。電力系統設備可分為一次設備和二次設備。一次設備有其固有的設備故障率,二次設備的故障將影響到一次設備的正常運行,電力系統連鎖故障最終體現是一次設備的相繼停運,從而造成重大損失。因此我們首先確定一次設備的故障概率,再用二次設備的故障概率對其進行修正,最終得出一次設備的非正常停運概率即開斷概率。

(一)功能組。電力系統中的一次設備元件以斷路器或打開的隔離開關為分界可劃分成功能組。這里所說的功能組可定義為根據其聯接結構及保護策略,一起參與運行、出現故障時一起退出的一組元件。每個功能組的故障概率約等于所包括元件的故障率之和,即:(1)

在分析開斷概率時作為一個整體來分析,從而減少數據量。由于運行方式的變化,其組合也會發生相應的變化。元件的運行狀態發生變化時,可根據更新數據快速調整功能組的劃分,而不必完全重新搜索,則可進一步節省掃描時間。

(二)一次設備故障率。先根據歷史統計數據得到一次設備元件的故障率P0。該值是各種因素共同作用的結果,首先考慮運行方式對它的影響。通過網絡拓撲分析,把當前運行方式下的系統劃分成功能組,根據式(1)得到功能組的故障率P1。就自然環境因素而言,P1應與各影響因素的均值相對應,也就是說各種因素應該以其均值為基點修正故障率得到P2。P2可看成以環境惡劣程度z為自變量的一個正的非減函數F(z),環境惡劣程度是包含各種自然因素的綜合指標,需要指出的是該指標并不完全隨自然條件測量值大小而增減,而是從其影響程度來考慮。比如,在下毛毛雨時容易引起絕緣子串閃絡,并不是雨下得越大就表示惡劣程度越高。

最后考慮負荷因素的影響得到故障率P3,P3可看成以負荷f為自變量的一個正的非減函數F(f)。設備的絕緣性能及過負荷能力隨使用時間增加而降低,因此設備的使用時間是影響曲線斜率的因素之一。P2對應于歷史平均負荷,Frated表示額定容量。高于額定容量時故障率隨負荷迅速上升,達到一定限額時故障率可視為1。

(三)二次設備故障率。二次設備對一次設備造成停運影響的故障主要是隱性故障。所謂隱性故障是指系統內某事件發生后,由于配置不當、硬件損壞等原因造成的保護裝置缺陷導致保護裝置誤動。它是保護裝置中存在的一種永久性缺陷,這種缺陷只有在系統發生故障等不正常運行狀態時才會表現出來,其直接后果是導致被保護元件的錯誤斷開。

對于一個交直流系統,由于交流系統的故障可能引發直流系統的換相失敗故障,直流系統發生故障以及系統恢復正常運行期間,其暫態過程非常復雜,并且會對交流側系統的保護造成影響。自2003年5月至今中國南方電網至少發生該類故障16次。

(四)一次設備的非正常停運概率。綜合以上分析,一次設備的非正常停運概率即為:

P=P3+PS (2)

總的概率分析流程如圖1所示。在連鎖故障模擬中即可按此概率確定開斷順序,搜索連鎖故障路徑。

圖1概率分析流程圖

由于連鎖故障的影響因素很多,對于一個復雜電網,需要考慮的開斷元件也很多,即使按功能組考慮,用常規的概率分析方法計算量仍然很大,因此必須采用更有效的分析工具。證據理論、模糊理論、神經網絡及專家系統都是處理不確定性問題的有效方法。可以在綜合多個方面的經驗與知識后給出決策。

三、結論

電本文從定性角度給出了一個模型框架,基本考慮了各種不確定因素,提出了將開斷概率分為一次設備故障率和二次設備故障率,并將一次設備劃分成功能組,減少數據處理的工作量。如何利用目前的分析方法加深對連鎖故障的認識,進一步探索規律,充分利用已經取得的結論構建具有突破性意義的量化分析模型才是問題的關鍵所在,這些將有待于電力研究工作者的共同努力。