基于臨界態(tài)指標的電力系統(tǒng)連鎖故障風險評估

武倩男

摘 要：該文列舉了系統(tǒng)臨界態(tài)參數(shù)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過這些參數(shù)描述了電網(wǎng)的當下的運行方式及結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了一套電力系統(tǒng)連鎖故障的風險評估體系，從而計算得出了電網(wǎng)在該狀態(tài)下的風險值。最后，采用MATPOWER通過MATLAB語言編程，以IEEE-RTS系統(tǒng)為例進行仿真，計算出各臨界態(tài)指標與系統(tǒng)風險值。

關(guān)鍵詞：自組織臨界態(tài) 連鎖故障 風險評估

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0210-01

近年來，電網(wǎng)之間的大規(guī)?；ヂ?lián)，加強了各電網(wǎng)之間的聯(lián)系，提高了系統(tǒng)的運行效率，但同時也增加了系統(tǒng)運行的不確定性，使得系統(tǒng)擾動波及范圍更廣，局部故障可能迅速傳播到大區(qū)域甚至整個網(wǎng)絡(luò)。大停電事故通常是由連鎖故障引起的，故在工程規(guī)劃、設(shè)計、運行和維修中引進連鎖故障風險評估，以使系統(tǒng)的風險水平保持在可接受的范圍內(nèi)[1]。

1 臨界態(tài)指標

1.1 系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)

（1）系統(tǒng)負載率。負荷是實際電力系統(tǒng)中最重要的變量之一，而且負荷與重大停電事故，尤其是連鎖性故障的發(fā)生強相關(guān)，所以負載率是一個描述系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。

（2）潮流熵。電力系統(tǒng)作為一個能量平衡系統(tǒng)，其內(nèi)部的穩(wěn)定平衡可以通過系統(tǒng)內(nèi)部能量分布的熵變過程來描述。[3]

1.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

（1）特征路徑長度從全局的角度衡量了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的聯(lián)系緊密程度，對于了解網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)特性有重要意義。

（2）一般認為網(wǎng)絡(luò)的同步能力與其平均度有密切的關(guān)系，平均度的增加可以提高網(wǎng)絡(luò)的同步能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)是用來衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點聚集程度的一個重要特征參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，若節(jié)點i的度為Ki，則這Ki個節(jié)點之間最多可能有的連線數(shù)目為，假設(shè)Ki個節(jié)點間實際存在ti條邊，則節(jié)點i的聚類系數(shù)為：

（1）

整個網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)C就是所有節(jié)點的平均，即：

（2）

2 連鎖故障風險評估

電力系統(tǒng)如果發(fā)生連鎖故障，將可能產(chǎn)生負荷被切除、電源脫離、電網(wǎng)解列等后果，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。綜合負荷、電源、電網(wǎng)這3個方面的風險就得到了連鎖故障給整個系統(tǒng)造成的綜合風險。

（1）負荷孤立風險。連鎖故障中負荷被切除的概率為：

（1）

式中：i為連鎖故障序號，N為連鎖故障總數(shù)。如果第i次連鎖故障造成負荷孤立，L（i）為1，否則為0。

負荷孤立的后果為：

（2）

式中：＼*為第i次連鎖故障造成負荷孤立所引起的負荷容量損失，Ps為系統(tǒng)容量。根據(jù)風險的定義，負荷孤立的風險為：

（3）

（2）電源孤立風險。

（4）

如果電源，B（i）為1，否則為0。電源孤立的后果為：

（5）

式中：＼*為第i次連鎖故障造成電源孤立所引起的負荷容量損失。根據(jù)風險的定義，電源孤立的風險為：

（6）

（3）電網(wǎng)解列風險。如果電網(wǎng)解列，S（i）為1，否則為0。電網(wǎng)解列的概率為：

（7）

電網(wǎng)解列的后果為，電網(wǎng)解列風險為：

（8）

（9）

（4）綜合風險。綜合風險反映了連鎖故障對整個電力系統(tǒng)的影響。該文定義綜合風險為電源孤立風險、負荷孤立風險以及電網(wǎng)解列風險的加權(quán)和：

（10）

式中：，，為權(quán)重因子，其中。

3 實例分析

采用IEEE-RTS系統(tǒng)作為算例，IEEE-RTS系統(tǒng)共有10臺發(fā)電機，24個節(jié)點，38條輸電線路。用Matlab編程實現(xiàn)臨界態(tài)指標的計算，連鎖故障仿真，并計算系統(tǒng)風險。在系統(tǒng)總負荷Ps=2850 MW的條件下，表1給出IEEE-RTS臨界態(tài)參數(shù)表。

系統(tǒng)進行了124次連鎖故障仿真，其中發(fā)生電網(wǎng)解列8次，電源孤立10次負荷孤立2次。由連鎖故障風險評估中提出的風險評估方法對系統(tǒng)在該運行方式下的連鎖故障風險進行評估。（如表2）

按照風險的計算公式，得到在該狀態(tài)下系統(tǒng)的連鎖故障風險為：

R=1/30.06450.0475+1/30.08060.0050+1/30.01610.0007=0.001159

4 結(jié)語

通過風險評估得到系統(tǒng)在特定運行狀態(tài)下綜合考慮綜合負荷、電源、電網(wǎng)這3個方面的風險，得到了連鎖故障給整個系統(tǒng)造成的綜合風險值。結(jié)合五個臨界態(tài)指標使設(shè)計人員和安全工程師能夠以一種系統(tǒng)的方式檢查由于設(shè)備的使用而產(chǎn)生的災(zāi)害，從而選擇合適的安全措施。使用風險指標能夠定量地描述決定風險等級的因素，即事故的可能性和嚴重性，從而比較全面地反映事故對整個系統(tǒng)的影響。

參考文獻

[1] 馬曉民.電力系統(tǒng)連鎖故障風險分析[J].煤炭技術(shù)，2012（9）：56-58.

[2] 李勇，劉俊勇，劉曉宇，等.基于潮流熵的電網(wǎng)連鎖故障傳播元件的脆弱性評估[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（19）：11-16.

[3] 陳為化，江全元，曹一家.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)連鎖故障風險評估[J].浙江大學學報（工學版），2007（6）：973-979.endprint

摘 要：該文列舉了系統(tǒng)臨界態(tài)參數(shù)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過這些參數(shù)描述了電網(wǎng)的當下的運行方式及結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了一套電力系統(tǒng)連鎖故障的風險評估體系，從而計算得出了電網(wǎng)在該狀態(tài)下的風險值。最后，采用MATPOWER通過MATLAB語言編程，以IEEE-RTS系統(tǒng)為例進行仿真，計算出各臨界態(tài)指標與系統(tǒng)風險值。

關(guān)鍵詞：自組織臨界態(tài) 連鎖故障 風險評估

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0210-01

近年來，電網(wǎng)之間的大規(guī)?；ヂ?lián)，加強了各電網(wǎng)之間的聯(lián)系，提高了系統(tǒng)的運行效率，但同時也增加了系統(tǒng)運行的不確定性，使得系統(tǒng)擾動波及范圍更廣，局部故障可能迅速傳播到大區(qū)域甚至整個網(wǎng)絡(luò)。大停電事故通常是由連鎖故障引起的，故在工程規(guī)劃、設(shè)計、運行和維修中引進連鎖故障風險評估，以使系統(tǒng)的風險水平保持在可接受的范圍內(nèi)[1]。

1 臨界態(tài)指標

1.1 系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)

（1）系統(tǒng)負載率。負荷是實際電力系統(tǒng)中最重要的變量之一，而且負荷與重大停電事故，尤其是連鎖性故障的發(fā)生強相關(guān)，所以負載率是一個描述系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。

（2）潮流熵。電力系統(tǒng)作為一個能量平衡系統(tǒng)，其內(nèi)部的穩(wěn)定平衡可以通過系統(tǒng)內(nèi)部能量分布的熵變過程來描述。[3]

1.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

（1）特征路徑長度從全局的角度衡量了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的聯(lián)系緊密程度，對于了解網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)特性有重要意義。

（2）一般認為網(wǎng)絡(luò)的同步能力與其平均度有密切的關(guān)系，平均度的增加可以提高網(wǎng)絡(luò)的同步能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)是用來衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點聚集程度的一個重要特征參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，若節(jié)點i的度為Ki，則這Ki個節(jié)點之間最多可能有的連線數(shù)目為，假設(shè)Ki個節(jié)點間實際存在ti條邊，則節(jié)點i的聚類系數(shù)為：

（1）

整個網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)C就是所有節(jié)點的平均，即：

（2）

2 連鎖故障風險評估

電力系統(tǒng)如果發(fā)生連鎖故障，將可能產(chǎn)生負荷被切除、電源脫離、電網(wǎng)解列等后果，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。綜合負荷、電源、電網(wǎng)這3個方面的風險就得到了連鎖故障給整個系統(tǒng)造成的綜合風險。

（1）負荷孤立風險。連鎖故障中負荷被切除的概率為：

（1）

式中：i為連鎖故障序號，N為連鎖故障總數(shù)。如果第i次連鎖故障造成負荷孤立，L（i）為1，否則為0。

負荷孤立的后果為：

（2）

式中：＼*為第i次連鎖故障造成負荷孤立所引起的負荷容量損失，Ps為系統(tǒng)容量。根據(jù)風險的定義，負荷孤立的風險為：

（3）

（2）電源孤立風險。

（4）

如果電源，B（i）為1，否則為0。電源孤立的后果為：

（5）

式中：＼*為第i次連鎖故障造成電源孤立所引起的負荷容量損失。根據(jù)風險的定義，電源孤立的風險為：

（6）

（3）電網(wǎng)解列風險。如果電網(wǎng)解列，S（i）為1，否則為0。電網(wǎng)解列的概率為：

（7）

電網(wǎng)解列的后果為，電網(wǎng)解列風險為：

（8）

（9）

（4）綜合風險。綜合風險反映了連鎖故障對整個電力系統(tǒng)的影響。該文定義綜合風險為電源孤立風險、負荷孤立風險以及電網(wǎng)解列風險的加權(quán)和：

（10）

式中：，，為權(quán)重因子，其中。

3 實例分析

采用IEEE-RTS系統(tǒng)作為算例，IEEE-RTS系統(tǒng)共有10臺發(fā)電機，24個節(jié)點，38條輸電線路。用Matlab編程實現(xiàn)臨界態(tài)指標的計算，連鎖故障仿真，并計算系統(tǒng)風險。在系統(tǒng)總負荷Ps=2850 MW的條件下，表1給出IEEE-RTS臨界態(tài)參數(shù)表。

系統(tǒng)進行了124次連鎖故障仿真，其中發(fā)生電網(wǎng)解列8次，電源孤立10次負荷孤立2次。由連鎖故障風險評估中提出的風險評估方法對系統(tǒng)在該運行方式下的連鎖故障風險進行評估。（如表2）

按照風險的計算公式，得到在該狀態(tài)下系統(tǒng)的連鎖故障風險為：

R=1/30.06450.0475+1/30.08060.0050+1/30.01610.0007=0.001159

4 結(jié)語

通過風險評估得到系統(tǒng)在特定運行狀態(tài)下綜合考慮綜合負荷、電源、電網(wǎng)這3個方面的風險，得到了連鎖故障給整個系統(tǒng)造成的綜合風險值。結(jié)合五個臨界態(tài)指標使設(shè)計人員和安全工程師能夠以一種系統(tǒng)的方式檢查由于設(shè)備的使用而產(chǎn)生的災(zāi)害，從而選擇合適的安全措施。使用風險指標能夠定量地描述決定風險等級的因素，即事故的可能性和嚴重性，從而比較全面地反映事故對整個系統(tǒng)的影響。

參考文獻

[1] 馬曉民.電力系統(tǒng)連鎖故障風險分析[J].煤炭技術(shù)，2012（9）：56-58.

[2] 李勇，劉俊勇，劉曉宇，等.基于潮流熵的電網(wǎng)連鎖故障傳播元件的脆弱性評估[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（19）：11-16.

[3] 陳為化，江全元，曹一家.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)連鎖故障風險評估[J].浙江大學學報（工學版），2007（6）：973-979.endprint

摘 要：該文列舉了系統(tǒng)臨界態(tài)參數(shù)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過這些參數(shù)描述了電網(wǎng)的當下的運行方式及結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了一套電力系統(tǒng)連鎖故障的風險評估體系，從而計算得出了電網(wǎng)在該狀態(tài)下的風險值。最后，采用MATPOWER通過MATLAB語言編程，以IEEE-RTS系統(tǒng)為例進行仿真，計算出各臨界態(tài)指標與系統(tǒng)風險值。

關(guān)鍵詞：自組織臨界態(tài) 連鎖故障 風險評估

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0210-01

近年來，電網(wǎng)之間的大規(guī)?；ヂ?lián)，加強了各電網(wǎng)之間的聯(lián)系，提高了系統(tǒng)的運行效率，但同時也增加了系統(tǒng)運行的不確定性，使得系統(tǒng)擾動波及范圍更廣，局部故障可能迅速傳播到大區(qū)域甚至整個網(wǎng)絡(luò)。大停電事故通常是由連鎖故障引起的，故在工程規(guī)劃、設(shè)計、運行和維修中引進連鎖故障風險評估，以使系統(tǒng)的風險水平保持在可接受的范圍內(nèi)[1]。

1 臨界態(tài)指標

1.1 系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)

（1）系統(tǒng)負載率。負荷是實際電力系統(tǒng)中最重要的變量之一，而且負荷與重大停電事故，尤其是連鎖性故障的發(fā)生強相關(guān)，所以負載率是一個描述系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。

（2）潮流熵。電力系統(tǒng)作為一個能量平衡系統(tǒng)，其內(nèi)部的穩(wěn)定平衡可以通過系統(tǒng)內(nèi)部能量分布的熵變過程來描述。[3]

1.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

（1）特征路徑長度從全局的角度衡量了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的聯(lián)系緊密程度，對于了解網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)特性有重要意義。

（2）一般認為網(wǎng)絡(luò)的同步能力與其平均度有密切的關(guān)系，平均度的增加可以提高網(wǎng)絡(luò)的同步能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)是用來衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點聚集程度的一個重要特征參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，若節(jié)點i的度為Ki，則這Ki個節(jié)點之間最多可能有的連線數(shù)目為，假設(shè)Ki個節(jié)點間實際存在ti條邊，則節(jié)點i的聚類系數(shù)為：

（1）

整個網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)C就是所有節(jié)點的平均，即：

（2）

2 連鎖故障風險評估

電力系統(tǒng)如果發(fā)生連鎖故障，將可能產(chǎn)生負荷被切除、電源脫離、電網(wǎng)解列等后果，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。綜合負荷、電源、電網(wǎng)這3個方面的風險就得到了連鎖故障給整個系統(tǒng)造成的綜合風險。

（1）負荷孤立風險。連鎖故障中負荷被切除的概率為：

（1）

式中：i為連鎖故障序號，N為連鎖故障總數(shù)。如果第i次連鎖故障造成負荷孤立，L（i）為1，否則為0。

負荷孤立的后果為：

（2）

式中：＼*為第i次連鎖故障造成負荷孤立所引起的負荷容量損失，Ps為系統(tǒng)容量。根據(jù)風險的定義，負荷孤立的風險為：

（3）

（2）電源孤立風險。

（4）

如果電源，B（i）為1，否則為0。電源孤立的后果為：

（5）

式中：＼*為第i次連鎖故障造成電源孤立所引起的負荷容量損失。根據(jù)風險的定義，電源孤立的風險為：

（6）

（3）電網(wǎng)解列風險。如果電網(wǎng)解列，S（i）為1，否則為0。電網(wǎng)解列的概率為：

（7）

電網(wǎng)解列的后果為，電網(wǎng)解列風險為：

（8）

（9）

（4）綜合風險。綜合風險反映了連鎖故障對整個電力系統(tǒng)的影響。該文定義綜合風險為電源孤立風險、負荷孤立風險以及電網(wǎng)解列風險的加權(quán)和：

（10）

式中：，，為權(quán)重因子，其中。

3 實例分析

采用IEEE-RTS系統(tǒng)作為算例，IEEE-RTS系統(tǒng)共有10臺發(fā)電機，24個節(jié)點，38條輸電線路。用Matlab編程實現(xiàn)臨界態(tài)指標的計算，連鎖故障仿真，并計算系統(tǒng)風險。在系統(tǒng)總負荷Ps=2850 MW的條件下，表1給出IEEE-RTS臨界態(tài)參數(shù)表。

系統(tǒng)進行了124次連鎖故障仿真，其中發(fā)生電網(wǎng)解列8次，電源孤立10次負荷孤立2次。由連鎖故障風險評估中提出的風險評估方法對系統(tǒng)在該運行方式下的連鎖故障風險進行評估。（如表2）

按照風險的計算公式，得到在該狀態(tài)下系統(tǒng)的連鎖故障風險為：

R=1/30.06450.0475+1/30.08060.0050+1/30.01610.0007=0.001159

4 結(jié)語

通過風險評估得到系統(tǒng)在特定運行狀態(tài)下綜合考慮綜合負荷、電源、電網(wǎng)這3個方面的風險，得到了連鎖故障給整個系統(tǒng)造成的綜合風險值。結(jié)合五個臨界態(tài)指標使設(shè)計人員和安全工程師能夠以一種系統(tǒng)的方式檢查由于設(shè)備的使用而產(chǎn)生的災(zāi)害，從而選擇合適的安全措施。使用風險指標能夠定量地描述決定風險等級的因素，即事故的可能性和嚴重性，從而比較全面地反映事故對整個系統(tǒng)的影響。

參考文獻

[1] 馬曉民.電力系統(tǒng)連鎖故障風險分析[J].煤炭技術(shù)，2012（9）：56-58.

[2] 李勇，劉俊勇，劉曉宇，等.基于潮流熵的電網(wǎng)連鎖故障傳播元件的脆弱性評估[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（19）：11-16.

[3] 陳為化，江全元，曹一家.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)連鎖故障風險評估[J].浙江大學學報（工學版），2007（6）：973-979.endprint