一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法

技术领域

本发明涉及电网运行技术领域，具体涉及一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法。

背景技术

近年来，由于全球气候变化，台风等极端灾害频发。高强度台风导致电力系统的设备遭到破坏，对电力系统的安全稳定运行提出了不小的挑战。2019年台风“利奇马”在浙江登陆，登陆时强度为超强台风级，造成多地电力设施受损。浙江、福建、上海等地72座35千伏以上变电站、3753条10千伏及以上线路受损，553.55万户客户停电。

电网是一个多节点多支路的复杂网络。一个完成的电力网络包括含有环网的输电网络和径向结构的配电网，包括大型集中式发电厂、变电站和负荷。在台风灾害的作用下，网络的节点(发电节点、中间节点和负荷节点)和支路都有可能被破坏而导致电网的某些分区停运。

可见，台风虽然是小概率事件，但对电网造成的损失巨大，后期维修阶段投入成本高。由于多数电力设备都位于户外，容易在台风作用下发生断裂、坠落等损坏，且台风引起的强降水和塌方等也会对电网设施造成影响。1、尽管气象部门在台风登陆前可做出准确预警，但电力部门通常缺乏对台风危害性的合理评估，无法深入研究台风灾害对电网的影响程度和范围，导致安全防御措施的制定存在极大困难；2、为了应对此类小概率–高损失的极端事件，有必要模拟灾害下的电网故障发生和发展的过程，从而评估电网弹性水平并制定电力系统的弹性提升措施；因此，需要设计一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，为更好的有效解决台风灾害时空特性的电网连锁故障模拟问题，提供了一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，其具有能够实时预测电网故障状态，最终形成电网状态时域模型，为电网修复阶段的修复计划提供参考的优点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，包括以下步骤，

步骤(A)，根据台风数据集建立台风的环流风场模型和移行风场模型，再建立出台风时空分布模型；

步骤(B)，绘制电网元件易损性曲线，以获得不同风速对应下电网元件的损坏概率；

步骤(C)，将电网元件的工作状态集合抽象成马尔科夫状态，并构建成电力系统的状态转移模型，以生成电力系统在台风作用下不同时刻的故障电网元件集；

步骤(D)，利用状态转移模型并根据台风时空分布模型和电网元件易损性曲线生成电网元件故障集合，再根据线路过载情况推演连锁故障的演变，最终生成电网元件故障状态矩阵，完成仿真作业。

前述的一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，步骤(A)，根据台风数据集建立台风的环流风场模型和移行风场模型，再建立出台风时空分布模型，其中台风时空分布模型包括台风风场空间模型和台风最大风速时域分布模型，具体步骤如下，

步骤(A1)，构建台风环流风场模型，台风环流风场是由于气压梯度产生的一圆形对称风场，台风风速在台风眼的位置最低，以台风眼为中心，随着逐渐远离台风眼，风速先升高后降低，并且在最大风速半径的位置达到最高，采用Batts模型模拟台风环流风场的分布如公式(1)所示，

其中，r为与台风眼的距离，v为距离台风眼r远位置的风速，

步骤(A2)，构建台风移行风场模型，移行风场是由于台风移动产生的风场，为了模拟台风风场的不对称性从而采用环流风场和移行风场矢量合成的方式，其具体步骤如下，

步骤(A21)，采用宫崎正卫模式模拟台风移行风场的分布如公式(2)所示，

其中，r为与台风眼的距离，v

步骤(A22)，台风移动速度的正东分量和正北分量能通过台风的经纬度信息进行计算，如公式(3)和公式(4)所示，

其中，θ

步骤(A3)，构建环流风场和移行风场叠加作用下的台风风场模型，将公式(1)与公式(3)矢量相加，如公式(5)所示，

其中，α为风速计算点与台风眼连线同正东方向的夹角，c

步骤(A4)，获取台风的风速时域分布模型，在中国历史台风数据库中，以当前台风发生月份为基准搜索相关数据，搜索间隔为前后各一个月，得到满足季节相似性的台风样本，再将台风样本按照时域-风速序列进行储存，即可得到最大风速半径R

前述的一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，步骤(B)，绘制电网元件易损性曲线，以获得不同风速对应下电网元件的损坏概率，其中电网元件包括杆塔和线路，计算杆塔和线路的易损性模型，在台风作用下，杆塔和线路会有损坏概率，易损性曲线即在不同强度外界干扰情况下的损坏概率，定义杆塔和线路的易损性曲线如公式(6)所示，

其中，v为线路元件承受的风速，V为元件在设计时的额定风速。

前述的一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，步骤(C)，将电网元件的工作状态集合抽象成马尔科夫状态，并构建成电力系统的状态转移模型，以生成电力系统在台风作用下不同时刻的故障电网元件集，具体步骤如下，

步骤(C1)，获取系统的状态转移模型，在台风灾害过程中，将所有元件的工作状态的集合定义为马尔科夫状态，不同元件的状态认为是独立事件，在灾害过程中不考虑修复问题，因此定义两个相邻时间间隔可能故障元件的集合满足如公式(7)所示，

其中，Ω

步骤(C2)，相邻两马尔科夫状态之间的转移概率能够表示为所有电网元件在t时刻的状态成功转移到t+1时刻的概率乘积，如公式(8)所示，

其中，S

步骤(C3)，Pr(s

其中，p

前述的一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，步骤(D)，利用状态转移模型并根据台风时空分布模型和电网元件易损性曲线生成电网元件故障集合，再根据线路过载情况推演连锁故障的演变，最终生成电网元件故障状态矩阵，完成仿真作业，其具体步骤如下，

步骤(D1)，利用状态转移模型并根据台风时空分布模型和电网元件易损性曲线生成电网元件故障集合，对电力系统进行蒙特卡洛模拟生成故障场景，更新当前时刻台风的风场模型，再根据台风风场分布以及线路和杆塔的易损性模型，计算其损坏概率，生成一个均匀分布的0-1随机数，若生成的随机数小于其损坏概率则认为该电网元件损坏，并生成电网元件故障集合；

步骤(D2)，根据线路过载情况推演连锁故障的演变，最终生成电网元件故障状态矩阵，其中根据线路过载情况推演连锁故障的演变包括计算输电线路工作状态、计算输电线路工作状态、检测电网中的子网、通过直流潮流模型计算电网的潮流分布、连锁过程结束和更新时间，其具体步骤如下，

步骤(D21)，计算输电线路工作状态，输电线路是由杆塔和线路串联起来的，计算整条线路是否能正常工作时能将其计算成串联线路上所有电网元件工作状态的乘积，若该输电通道有杆塔或线路故障导致其不能正常工作则将其切除；

步骤(D22)，检测电网中的子网，若子网中不存在发电厂节点，则该子网失去所有负荷节点；若子网中的发电量大于负荷，则按照公式(11)所示调整发电机出力；若子网中的负荷大于发电量，则按照公式(12)所示统一切除负荷；

其中，i表示风灾过后仍能出力的发电厂节点，j表示风灾过后仍能正常工作的负荷节点，P

步骤(D23)，通过直流潮流模型计算电网的潮流分布，若支路潮流超过线路的额定容量就将其切除并转至步骤(C22)，如果没有线路切除转置步骤(C24)，支路潮流方程如公式(10)所示，

其中，F为支路潮流，定义

步骤(D24)，连锁过程结束，生成当前时刻输电通道的故障集合，以及电网元件故障集合；

步骤(D25)，更新时间，其在两个采样点之间对风速和台风经纬度进行线性插值，为了评估系统的最大损坏程度，取风速和最大风速半径取相邻采样点之中的较大者，返回步骤(D1)，直到台风结束，生成时序的电网元件故障状态矩阵。

本发明的有益效果是：

(1)本发明考虑了台风灾害的时空特征，结合电网元件的易损性分析，给出了电网故障抽样仿真方法，能够实现对电网各个元件及分区故障状态的实时预测，并准确地模拟极端台风对电网的影响，为灾害时电网的正常运行和即时维护提供有效的参考依据。

(2)本发明建立了极端台风灾害作用下电网连锁故障模型，开发了故障状态时域仿真方法，能够有效推演电网在极端台风天气下的失效过程，还能按时间顺序对电网元件的故障状态进行抽样，并能够实时评估电网的受损程度，为电网弹性计算和制定最优修复计划提供基础。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2是本发明的台风环流风场分布曲线图；

图3是本发明的台风移行风场分布曲线图；

图4是本发明的利奇马台风风速分布图；

图5是本发明的电网元件易损性曲线图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示，本发明的一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，包括以下步骤，

步骤(A)，根据台风数据集建立台风的环流风场模型和移行风场模型，再建立出台风时空分布模型，其中台风时空分布模型包括台风风场空间模型和台风最大风速时域分布模型，具体步骤如下，

其中，由于自然灾害的具有随时空变化的性质，网络元件的失效概率随时间和灾害强度而变化，意味着电网连锁故障模型是一个动态的时域模型；

步骤(A1)，构建台风环流风场模型，台风环流风场是由于气压梯度产生的一圆形对称风场，台风风速在台风眼的位置最低，以台风眼为中心，随着逐渐远离台风眼，风速先升高后降低，并且在最大风速半径的位置达到最高，采用Batts模型模拟台风环流风场的分布如公式(1)所示，

其中，r为与台风眼的距离，v为距离台风眼r远位置的风速，

步骤(A2)，构建台风移行风场模型，移行风场是由于台风移动产生的风场，为了模拟台风风场的不对称性从而采用环流风场和移行风场矢量合成的方式，其具体步骤如下，

步骤(A21)，采用宫崎正卫模式模拟台风移行风场的分布如公式(2)所示，

其中，r为与台风眼的距离，v

步骤(A22)，台风移动速度的正东分量和正北分量能通过台风的经纬度信息进行计算，如公式(3)和公式(4)所示，

其中，θ

步骤(A3)，构建环流风场和移行风场叠加作用下的台风风场模型，将公式(1)与公式(3)矢量相加，如公式(5)所示，

其中，α为风速计算点与台风眼连线同正东方向的夹角，c

步骤(A4)，获取台风的风速时域分布模型，，在中国历史台风数据库中，以当前台风发生月份为基准搜索相关数据，搜索间隔为前后各一个月，得到满足季节相似性的台风样本，再将台风样本按照时域-风速序列进行储存，即可得到最大风速半径R

步骤(B)，绘制电网元件易损性曲线，以获得不同风速对应下电网元件的损坏概率，其中电网元件包括杆塔和线路，计算杆塔和线路的易损性模型，在台风作用下，杆塔和线路会有损坏概率，易损性曲线即在不同强度外界干扰情况下的损坏概率，定义杆塔和线路的易损性曲线如公式(6)所示，

其中，v为线路元件承受的风速，V为元件在设计时的额定风速。

步骤(C)，将电网元件的工作状态集合抽象成马尔科夫状态，并构建成电力系统的状态转移模型，以生成电力系统在台风作用下不同时刻的故障电网元件集，具体步骤如下，

步骤(C1)，获取系统的状态转移模型，在台风灾害过程中，将所有元件的工作状态的集合定义为马尔科夫状态，不同元件的状态认为是独立事件，在灾害过程中不考虑修复问题，因此定义两个相邻时间间隔可能故障元件的集合满足如公式(7)所示，

其中，Ω

步骤(C2)，相邻两马尔科夫状态之间的转移概率能够表示为所有电网元件在t时刻的状态成功转移到t+1时刻的概率乘积，如公式(8)所示，

其中，S

步骤(C3)，Pr(s

其中，p

步骤(D)，利用状态转移模型并根据台风时空分布模型和电网元件易损性曲线生成电网元件故障集合，再根据线路过载情况推演连锁故障的演变，最终生成电网元件故障状态矩阵，完成仿真作业，其具体步骤如下，

步骤(D1)，利用状态转移模型并根据台风时空分布模型和电网元件易损性曲线生成电网元件故障集合，对电力系统进行蒙特卡洛模拟生成故障场景，更新当前时刻台风的风场模型，再根据台风风场分布以及线路和杆塔的易损性模型，计算其损坏概率，生成一个均匀分布的0-1随机数，若生成的随机数小于其损坏概率则认为该电网元件损坏，并生成电网元件故障集合；

步骤(D2)，根据线路过载情况推演连锁故障的演变，最终生成电网元件故障状态矩阵，其中根据线路过载情况推演连锁故障的演变包括计算输电线路工作状态、计算输电线路工作状态、检测电网中的子网、通过直流潮流模型计算电网的潮流分布、连锁过程结束和更新时间，其具体步骤如下，

步骤(D21)，计算输电线路工作状态，输电线路是由杆塔和线路串联起来的，计算整条线路是否能正常工作时能将其计算成串联线路上所有电网元件工作状态的乘积，若该输电通道有杆塔或线路故障导致其不能正常工作则将其切除；

步骤(D22)，检测电网中的子网，若子网中不存在发电厂节点，则该子网失去所有负荷节点；若子网中的发电量大于负荷，则按照公式(11)所示调整发电机出力；若子网中的负荷大于发电量，则按照公式(12)所示统一切除负荷；

其中，i表示风灾过后仍能出力的发电厂节点，j表示风灾过后仍能正常工作的负荷节点，P

步骤(D23)，通过直流潮流模型计算电网的潮流分布，若支路潮流超过线路的额定容量就将其切除并转至步骤(C22)，如果没有线路切除转置步骤(C24)，支路潮流方程如公式(10)所示，

其中，F为支路潮流，定义

步骤(D24)，连锁过程结束，生成当前时刻输电通道的故障集合，以及电网元件故障集合；

步骤(D25)，更新时间，其在两个采样点之间对风速和台风经纬度进行线性插值，为了评估系统的最大损坏程度，取风速和最大风速半径取相邻采样点之中的较大者，返回步骤(D1)，直到台风结束，生成时序的电网元件故障状态矩阵。

为进一步阐述本发明的使用效果，下面介绍本发明的一个具体实施例。

为了描述电力系统在台风作用下的最大损坏情况，选取风雨综合强度近60年来最强的利奇马台风的风速时域分布数据如图4所示；设定架空线的额定风速为30m/s，杆塔的额定风速为50m/s，则电网元件易损性曲线如图5所示。

综上所述，本发明的一种用于模拟台风灾害作用下电网连锁故障状态的仿真方法，首先建立台风模型，有助于模拟真实的台风场景，再将现实中的台风数据运用到仿真模型中，为后期电网故障状态建模提供基础，接着提出电网元件易损性曲线，并用于描述杆塔和线路等电网元件的失效概率与风速存在对应关系，再将风速模型与易损性曲线进行整合从而可以得到不同时刻的元件故障率，随后利用马尔科夫蒙特卡洛法进行故障状态抽样，得到台风作用下各个时刻的故障状态集合，有助于帮助电力部门精确评估台风的危害，提高台风灾害的应对能力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。