一种考虑风电接入的交直流系统连锁故障预测方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体的说是一种考虑风电接入的交直流系统连锁故障预测方法。

背景技术

随着新能源并网容量的不断增加，电力系统连锁故障的传播机理以及应对措施更加复杂。风电接入的电网特性已发生一定程度改变，传统电网的连锁故障理论尚需改进。

现阶段，针对含风电接入的交直流系统连锁故障预测鲜有研究。当前针对风机与交直流系统之间交互作用的研究相对薄弱，不能准确模拟含风电接入的交直流系统连锁故障在不同物理现象和控制对策相互作用下的发展过程，从而导致事故链的预测结果与实际场景差别较大。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，并针对当前高比例新能源形态下的交直流复杂电网结构，提出一种考虑风电接入的交直流系统连锁故障预测方法，以期能更精准地预测事故链，并对连锁故障进行风险评估，进一步提高风险预测的准确率，从而能为电网连锁故障防控提供理论指导。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种考虑风电接入的交直流系统连锁故障预测方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、根据风力发电机组和直流输电线路的物理现象及时间特性，构建风电出力模型和直流输电模型，从而搭建含风电接入的交直流系统；

步骤2、根据所述交直流系统所发生的连锁故障现象及其相应的处理对策，并按照时间特性，将连锁故障的不同现象及其相应的处理对策进行划分，得到短、长、极长时间尺度过程下的连锁故障现象及其处理对策；

步骤3、计算线路初始风险值，并根据所述初始风险值和所设定的故障概率阈值得到事故链的初始故障集；

步骤4、定义更新时间为T；定义当前阶段为j，并初始化j＝1；

设定所述交直流系统的初始负荷水平及初始风电出力，并作为第j-1阶段的负荷水平及风电出力；

步骤5、将所述初始故障集中的任意一条线路设为第j-1阶段的开断线路，并形成第j-1阶段的事故链；在第j-1阶段开断线路断开后，所述交直流系统在第j-1阶段的负荷水平及风电出力下进入第j-1阶段的短时间尺度过程；

所述交直流系统对第j-1阶段的短时间尺度过程中的连锁故障现象采取对应的处理对策；

步骤6、经历第j-1阶段的短时间尺度过程后，对所述交直流系统进行第j-1阶段的控制：

若交直流系统发生解列，则先在解列区域内进行区域功率的再平衡后，再对所述交直流系统进行潮流计算；

若电网未发生解列，则直接对所述交直流系统进行潮流计算；

步骤7、若交直流系统中存在线路严重过负荷，则将严重过负荷线路直接作为第j阶段开断线路；

若交直流系统中无严重过负荷线路，则采用基于灵敏度的过负荷控制方法消除一般过负荷线路，再计算所有线路停运概率，选取停运概率最高的线路作为第j阶段开断线路；

步骤8、若第j-1阶段的事故链搜索是达到所设定的预测深度或交直流系统解列为三部分，则表示第j-1阶段的事故链搜索结束，并执行步骤11，否则，执行步骤9；

步骤9、跳开第j阶段的开断线路，所述交直流系统进入第j阶段的短时间尺度过程；所述交直流系统对第j阶段短时间尺度中的连锁故障现象采取相应短时间尺度过程中对应的处理对策；

步骤10、根据所述更新时间T，更新所述交直流系统的风电出力和负荷水平后，得到第j阶段的风电出力和负荷水平，并将j+1赋值给j后，返回步骤6顺序执行；

步骤11、记录所述初始故障集中相应线路设为开断线路下的整个阶段的事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施和控制量，得出事故链发生概率和风险值。

本发明所述考虑风电接入的交直流系统连锁故障预测方法的特点也在于，所述步骤2中的划分结果具体为：

所述短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：

交流线路严重过负荷的物理现象及其对应的交流线路保护开断的处理对策；

系统暂态失稳的物理现象及其对应的紧急控制的处理对策；

直流线路换相失败的物理现象及其对应的直流线路保护闭锁、再启动的处理对策；

短时风速变化的物理现象及其对应的暂态稳定控制的处理对策；

风电低压穿越和高压越限的物理现象及其对应的风电机组电压保护的处理对策；

其中，紧急控制的处理对策，包括：紧急切机切负荷的处理对策以及直流线紧急功率提升或回降的处理对策；

直流线路保护闭锁、再启动的处理对策，包含直流线路换相失败保护，其动作判据为换流母线电压低于阈值电压并持续一定时间，交流线路短路故障切除且电压恢复至高于阈值电压并保持设定时间后开始再启动，若换流母线电压一直降低，则该直流输电线路闭锁；

所述长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：

交流线路一般过负荷的物理现象及其对应的一般过负荷协调控制的处理对策；

线路重载的物理现象及其对应的交流线路保护动作的处理对策；

其中，过负荷协调控制的处理对策，包括：直流功率提升或回降的处理对策和基于灵敏度切机切负荷的处理对策；

所述极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策为：

负荷波动的物理现象及其对应的针对负荷波动的运行方式的处理对策；

风电出力波动的物理现象及其对应的针对风电出力波动的运行方式的处理对策。

利用式(1)得到随机噪声风速V

式(1)中，ω

利用式(2)得到风电处于T+1时刻的实际有功功率P(T+1)和无功功率Q(T+1)，用于表征所述极长时间尺度过程中的风电出力波动：

式(2)中，P(T)、Q(T)分别表示风电处于T时刻的实际有功、无功功率；P

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明综合考虑了连锁故障过程中风电接入与直流线路、交流线路的交互作用，通过多时间尺度理论着重体现风电不确定性、风电脱网和直流线路调制等因素对系统连锁故障发展的影响，能准确模拟含风电接入的交直流系统中的故障传播机理和连锁故障的发展过程，很好的体现风电、交直流系统在连锁故障的过程中的各种相互作用，提高了风电接入、风机脱网对交直流系统连锁故障影响分析的准确性。

2、本发明根据含风电接入的交直流系统连锁故障过程中不同物理现象和控制对策的时间特性，将连锁故障划分为三种时间尺度过程，计及物理现象和控制对策的时间关系，能准确模拟连锁故障在不同物理现象和控制对策相互作用下的发展过程。

3、本发明从短时间尺度中的风速扰动和极长时间尺度中的风电出力波动两方面反映风电出力的不确定性，在能够准确体现风电出力不确定性的前提下，在暂态失稳的紧急控制中考虑了直流紧急功率提升或回降，考虑了交直流相互作用的动态特性，控制措施的时间特性，制定协调控制方案。与基于随机潮流算法体现风机出力不确定性等方法相比更加准确、更符合实际应用。

附图说明

图1为本发明交直流连锁故障预测流程图；

图2为本发明改进的IEEE39节点系统图；

图3为本发明交直流系统连锁故障不同现象和对策的时间尺度图；

图4为本发明连锁故障短时间尺度过程仿真图；

图5为本发明风电出力波动图。

具体实施方式

本实施例中，一种考虑风电接入的交直流系统连锁故障预测方法，如图1所示，是按如下步骤进行：

步骤1、根据风力发电机组和直流输电线路的物理现象及时间特性，构建风电出力模型和直流输电模型，从而搭建含风电接入的交直流系统；

本实施例中，以改进的IEEE39节点电力系统模拟含风电接入的交直流系统连锁故障传播过程，改进的IEEE39节点系统如图2所示。

步骤2、根据交直流系统所发生的连锁故障现象及其相应的处理对策，并按照时间特性，将连锁故障的不同现象及其相应的处理对策进行划分，得到短、长、极长时间尺度过程下的连锁故障现象及其处理对策，各时间尺度的配合关系如图3所示，划分结果为：

短时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：

交流线路严重过负荷的物理现象及其对应的交流线路保护开断的处理对策；

系统暂态失稳的物理现象及其对应的紧急控制的处理对策；

直流线路换相失败的物理现象及其对应的直流线路保护闭锁、再启动的处理对策；

短时风速变化的物理现象及其对应的暂态稳定控制的处理对策；

风电低压穿越和高压越限的物理现象及其对应的风电机组电压保护的处理对策；

其中，紧急控制的处理对策，包括：紧急切机切负荷的处理对策以及直流线紧急功率提升或回降的处理对策；

直流线路保护闭锁、再启动的处理对策，包含直流线路换相失败保护，其动作判据为换流母线电压低于阈值电压并持续一定时间，交流线路短路故障切除且电压恢复至高于阈值电压并保持设定时间后开始再启动，若换流母线电压一直降低，则该直流输电线路闭锁；

长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策包括：

交流线路一般过负荷的物理现象及其对应的一般过负荷协调控制的处理对策；

线路重载的物理现象及其对应的交流线路保护动作的处理对策；

其中，过负荷协调控制的处理对策，包括：直流功率提升或回降的处理对策和基于灵敏度切机切负荷的处理对策；

极长时间尺度过程中的物理现象及其相应的处理对策为：

负荷波动的物理现象及其对应的针对负荷波动的运行方式的处理对策；

风电出力波动的物理现象及其对应的针对风电出力波动的运行方式的处理对策。

其中，利用式(1)得到随机噪声风速V

式(1)中，ω

利用式(2)得到风电处于T+1时刻的实际有功功率P(T+1)和无功功率Q(T+1)，用于表征极长时间尺度过程中的风电出力波动：

式(2)中，P(T)、Q(T)分别表示风电处于T时刻的实际有功、无功功率；P

步骤3、计算线路初始风险值，并根据初始风险值和所设定的故障概率阈值得到事故链的初始故障集；

定义线路初始风险值由线路故障概率、初始负载率、线路初始潮流在系统中所占比例、线路开断后其他线路的潮流变化量得到。

其中，线路故障概率P

式(3)中，L

利用式(4)得到初始负载率D

式(4)中，F

利用式(5)得到线路初始潮流F

利用式(6)得到线路开断引起其他线路潮流变化指标E

式(6)中，ΔF

利用式(7)定义线路初始风险值R

R

根据线路初始风险值可得线路初始故障集。

步骤4、定义更新时间为T；定义当前阶段为j，并初始化j＝1；

设定交直流系统的初始负荷水平及初始风电出力，并作为第j-1阶段的负荷水平及风电出力；

步骤5、将初始故障集中的任意一条线路设为第j-1阶段的开断线路，并形成第j-1阶段的事故链；在第j-1阶段开断线路断开后，交直流系统在第j-1阶段的负荷水平及风电出力下进入第j-1阶段的短时间尺度过程；

交直流系统对第j-1阶段的短时间尺度过程中的连锁故障现象采取对应的处理对策；连锁故障短时间尺度过程仿真图如图4所示；

步骤6、经历第j-1阶段的短时间尺度过程后，对交直流系统进行第j-1阶段的控制：

若交直流系统发生解列，则先在解列区域内进行区域功率的再平衡后，再对交直流系统进行潮流计算；

若电网未发生解列，则直接对交直流系统进行潮流计算；

步骤7、若交直流系统中存在线路严重过负荷，则将严重过负荷线路直接作为第j阶段开断线路；

若交直流系统中无严重过负荷线路，则采用基于灵敏度的过负荷控制方法消除一般过负荷线路，再计算所有线路停运概率，选取停运概率最高的线路作为第j阶段开断线路；

步骤8、若第j-1阶段的事故链搜索是达到所设定的预测深度或交直流系统解列为三部分，则表示第j-1阶段的事故链搜索结束，并执行步骤11，否则，执行步骤9；

步骤9、跳开第j阶段的开断线路，交直流系统进入第j阶段的短时间尺度过程；交直流系统对第j阶段短时间尺度中的连锁故障现象采取相应短时间尺度过程中对应的处理对策；

步骤10、根据更新时间T，更新交直流系统的风电出力和负荷水平后，得到第j阶段的风电出力和负荷水平，并将j+1赋值给j后，返回步骤6顺序执行；

步骤11、记录初始故障集中相应线路设为开断线路下的整个阶段的事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施和控制量，并得出事故链发生概率和风险值。

本实施例在改进后的IEEE39节点系统中进行，表1为L23为初始故障，节点32、34、36、39发电机以风电替换，总装机容量2718MW，风电渗透率为43.86％，风电出力波动数据采用图5所示，T＝15h，初始风电出力为0.82pu的事故链。

表1

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由表1可看出，当L23、L28、L7、L18断开后系统出现暂态失稳，DC_1逆变侧交流母线电压产生波动，跌落至低于换相保护阈值0.7pu持续1s后DC_1换相失败、随后电压恢复并再启动。DC_1、DC_2紧急功率提升共220MW，紧急控制措施切机411MW、切负荷586.91MW，系统各发电机功角最终趋于稳定，控制措施调整量明显较高。由于L18故障切除、暂态失稳及直流线路重启动过程共同作用，系统电压波动，节点39、32电压过低且持续时间较长分别导致风机Gen1、Gen3低压穿越失败，风机脱网，相应区域出现较大有功缺额，共切除负荷1522MW后系统稳定。L20因重载开断并平衡功率后，达到预测深度5，结束预测，记录数据。