一种考虑外部灾害电网多重故障集生成方法、系统及介质

技术领域

本发明属于电网故障集生成领域，具体涉及一种考虑外部灾害电网多重故障集生成方法。

背景技术

电网系统作为现代社会的关键基础设施之一，其稳定、可靠的运行对社会经济的正常运作至关重要。随着电网规模的扩大和运行环境的复杂化，电网可能会受到各种内外部因素的影响，从而导致多重故障的发生。其中，外部灾害，如地震、洪水、台风等，往往会对电网设备造成严重损害，进而引发连锁反应，导致电网的大面积故障。因此，考虑外部灾害对电网的影响，预测和应对电网可能出现的多重故障已成为电力系统研究的热点和难点。

传统的电网故障分析方法主要侧重于单一的故障源或者是忽略外部灾害对电网的影响。这些方法在面对复杂的多重故障场景时，往往显得力不从心，不能准确地预测和评估电网在灾害情况下的风险和故障可能性。此外，电网的拓扑结构、运行状态和外部环境都对电网故障有着直接或间接的影响，但在传统方法中往往没有综合考虑这些因素，导致分析结果的准确性和可靠性受到限制。

为了克服这些限制，研究者们尝试了各种方法，如基于概率论的风险分析、基于模型的电网故障预测等，但这些方法在处理外部灾害影响下的电网多重故障时，仍然存在诸多不足。

因此，开发一种能够全面考虑外部灾害、电网拓扑结构、运行状态和其他相关因素的电网多重故障集生成方法，对于提高电网的稳定性和可靠性，以及优化电网的应急响应和故障恢复策略具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法，包括以下步骤：

步骤S1，计算外部灾害下的电网单个设备故障概率与多个设备联合故障概率；

步骤S2，构建电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标；

步骤S3，对电网设备故障问题进行建模，并构建电网故障状态空间树，依据深度的大小，依次浏览并检验所有符合条件的路径，判断已搜索路径是否满足电网设备故障问题中的所有约束条件，初步筛选电网多重故障集；

步骤S4，以电网的拓扑结构为基础，建立电网加权拓扑模型的基础矩阵；

步骤S5，对于所评估的支路，选取关键的支路子集；

步骤S6，构建电网加权拓扑模型；

步骤S7，根据电网加权拓扑模型，对电网多重故障集进行二次筛选。

优选地，步骤S1包括：

步骤S1.1，计算外部灾害下的电网单个设备故障概率：

综合考虑电网运行状态和外部复合灾害，定义电网单个设备故障概率，表示为

p

式中，p

式中，p

式中，ε

步骤S1.2，计算外部灾害下的电网多个设备联合故障概率：

综合考虑电网运行状态和外部复合灾害，计算电网多个设备联合故障概率，表示为

式中，P

式中，L

优选地，步骤S2包括：

步骤S2.1，构建电网形态可靠性指标：

计算输电线路的电气介数，其表达式为

式中，B

式中，W

构建电网形态可靠性指标，其表达式为

式中，C

步骤S2.2，构建电网运行状态安全性指标：

根据电路中电压的稳定性、电网过载安全性、系统频率安全性、暂态稳定性构建电网运行状态安全性指标，其表达式为

C

式中，C

步骤S2.3，构建电网故障风险指标：

考虑故障本身损失，构建电网故障风险指标，其表达式为

R

式中，R

优选地，步骤S3包括：

步骤S3.1，设置电网故障最大重数K：

在受到灾害影响的地区内n个受灾设备的发生故障的概率记为P

构建一个状态空间E＝{(P

设备故障组概率的门槛值记为P

当P

步骤S3.2，将问题故障设备组合求解问题转化为路径遍历问题：

式中，R为n×n维的状态空间树；

规定一种路径搜索规则，在一个n×n维的上三角矩阵中，从矩阵的(1，1)位置出发，根据深度大小的优先性，按照一定路径对矩阵中的元素进行浏览，搜索的路径必须是相邻行之间的节点，并且下一行的节点需要位于上一行节点右侧时才能成功完成搜索，其余情况无法开展搜索，当搜索到矩阵第n行的任意一列元素时，搜索结束，并记录该次搜索的所有路径；

将R中每行中的元素按照发生故障的概率由大到小进行排序，在n个数中选取K个数，按照上述路径搜索规则开展，形成K个数的所有组合；

当搜索的下一个目标位于第w行第K列时，即对应的矩阵为位置(w，K)的元素，对行数x的范围限定在w≤x≤n，此时需要对开展过搜索的路径进行判断，当路径满足D中所有约束条件时，记录并保留该路径，并继续按照上述路径搜索规则搜索；如果不满足，则回溯原来位置，沿一条新的路径继续搜索；

按以上规则对最大组合重数K进行确定，进而通过循环搜索能够高效率得到N-2、N-3、…、N-K组合故障的所有组合；

步骤S3.3，初步筛选出电网多重故障集：

在生成的N-2、N-3、…、N-K组合故障中，记录电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标分别对应的筛选结果，对电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标分别假定一个门槛值，然后将故障集生成的指标结果与对应的门槛值比较，若三方面指标中任一指标大于门槛值，则满足筛选条件时，保留该组合故障，否则不保留。

优选地，步骤S4包括：

步骤S4.1，以电网实际运行数据为基础、支路电路的电抗大小为衡量程度，生成一个边权连接矩阵BQ，具体为

其中，

步骤S4.2，以电网实际运行数据为基础，建立包含支路功率大小、方向和负载率的支路潮流权重矩阵W，具体为

其中，

步骤S4.3，以电网实际运行数据为基础，建立节点-支路关联矢量M，具体为

其中，

步骤S4.4，以电网实际运行数据为基础，建立节点电抗矩阵X，具体为

其中，X

优选地，步骤S5包括：

步骤S5.1，按照关键支路子集选取规则对全部支路进行扫描：

断开任一支路L

步骤S5.2，以边权连接矩阵BQ为对象，按照步骤S5.1，支路L

优选地，步骤S6包括：

步骤S6.1，从某一个确定的节点i开始扫描与另一个确定节点j的路径，通过搜索得到两点之间所有的路径，再计算出二者之间的最短路径Z，其等值阻抗为

minBQ

k为所有可能达到路径中介于i、j之间的节点，BQ

步骤S6.2，在最短路径Z上寻找与由节点i到节点j方向相同而且初始潮流权重矩阵W最大的支路L

其中，x

步骤S6.3，计算支路L

S

其中，S

优选地，步骤S7包括：

步骤S7.1，建立电力系统典型运行方式数据；

步骤S7.2，设定加权潮流熵计算过程中的门槛值，计算在所给运转模式下电网的加权潮流熵；若计算结果的加权潮流熵大于初始设定的门槛值，则转步骤S7.6，若加权潮流熵小于门槛值，则转步骤S7.3；

步骤S7.3，查看线路是否有越限的风险，若发生电路潮流越限，则转步骤S7.6，若未越限，则转步骤S7.4；

步骤S7.4，以电网加权拓扑模型指标为基准，计算该电路中的关键支路，形成关键支路集；

步骤S7.5，断开任一支路后，计算所在的关键支路集中的潮流，若潮流状态为收敛，则转步骤S7.2，若潮流不收敛，则转步骤S7.6；

步骤S7.6，保留连锁故障序列的信息，形成连锁故障集，为全过程动态仿真提供运行方式及连锁故障设置信息；

步骤S7.7，进行全过程动态模拟仿真，按照步骤S7.6形成的连锁故障集逐次开展仿真，若由于连锁故障的出现而使电网发生失稳，则仿真结束，若连锁故障并未出现而导致电网失稳，转步骤S7.3。

另一方面，本发明还提供了一种分析系统，包括：

计算模块，用于计算外部灾害下的电网单个设备故障概率与多个设备联合故障概率；

第一建模模块，用于构建电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标；

第二建模模块，用于对电网设备故障问题进行建模，并构建电网故障状态空间树；

第一筛选模块，用于依据深度的大小，依次浏览并检验所有符合条件的路径，判断已搜索路径是否满足电网设备故障问题中的所有约束条件，初步筛选电网多重故障集；

第三建模模块，用于以电网的拓扑结构为基础，建立电网加权拓扑模型的基础矩阵；

选取模块，用于对于所评估的支路，选取关键的支路子集；

第四建模模块，用于构建电网加权拓扑模型；

第二筛选模块，根据电网加权拓扑模型，对电网多重故障集进行二次筛选。

又一方面，本发明还提供了一种介质，介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法。

本发明至少具有以下有益效果：

1、全面考虑外部灾害的影响：现有技术可能并未充分考虑外部灾害如地震、洪水、台风等对电网的影响。而本发明提出的方法在生成电网多重故障集时，明确纳入了外部灾害的考量，这有助于更真实地模拟电网在特定灾害条件下的运行状态和可能的故障模式。

2、构建多维度的电网指标：本发明提出了电网形态可靠性指标、运行状态安全性指标和故障风险指标，这些综合的指标可以为电网的评估和分析提供更为全面和深入的视角。

3、建立电网故障状态空间树：通过构建电网故障状态空间树，本方法能够系统地浏览和检验所有可能的故障路径，从而更为准确地识别和预测可能的电网多重故障。

4、加权拓扑模型：基于电网的拓扑结构建立的加权拓扑模型可以更为准确地反映电网中不同设备或部分的重要性，从而在分析和预测故障时更有针对性。

5、二次筛选的策略：本发明在初步筛选出的多重故障集基础上进行二次筛选，这可以进一步优化和细化故障预测结果，提高分析的精确度。

6、提高电网稳定性和可靠性：通过本发明的方法，电网运营商可以更为准确地了解电网在不同灾害条件下的故障风险，从而采取更为合适的预防和应对措施，提高电网的整体稳定性和可靠性。

7、优化应急响应策略：有了对电网多重故障的深入了解，电网运营商可以更为快速和有效地进行应急响应，缩短故障恢复时间，减少经济损失。

本发明的技术方案在多重故障的预测、分析和应对方面都具有显著的优势，对于现代复杂电网系统的稳定和安全运行具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法的一流程图；

图2是本发明实施例的考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法的又一流程图；

图3是外部灾害下的电网单个设备故障概率；

图4是外部灾害下的电网多个设备联合故障概率；

图5是通过本发明实施例的考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法得到的故障筛选的结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1-2所示，本发明的实施例提供了一种考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法，包括以下步骤：

步骤S1，计算外部灾害下的电网单个设备故障概率与多个设备联合故障概率；

步骤S2，构建电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标；

步骤S3，对电网设备故障问题进行建模，并构建电网故障状态空间树，依据深度的大小，依次浏览并检验所有符合条件的路径，判断已搜索路径是否满足电网设备故障问题中的所有约束条件，初步筛选电网多重故障集；

步骤S4，以电网的拓扑结构为基础，建立电网加权拓扑模型的基础矩阵；

步骤S5，对于所评估的支路，选取关键的支路子集；

步骤S6，构建电网加权拓扑模型；

步骤S7，根据电网加权拓扑模型，对电网多重故障集进行二次筛选。

具体地，如图3-4所示，步骤S1包括：

步骤S1.1，计算外部灾害下的电网单个设备故障概率：

综合考虑电网运行状态和外部复合灾害，定义电网单个设备故障概率，表示为

p

式中，p

式中，p

式中，ε

步骤S1.2，计算外部灾害下的电网多个设备联合故障概率：

综合考虑电网运行状态和外部复合灾害，计算电网多个设备联合故障概率，表示为

式中，P

式中，L

具体地，步骤S2包括：

步骤S2.1，构建电网形态可靠性指标：

计算输电线路的电气介数，其表达式为

式中，B

式中，W

构建电网形态可靠性指标，其表达式为

式中，C

步骤S2.2，构建电网运行状态安全性指标：

根据电路中电压的稳定性、电网过载安全性、系统频率安全性、暂态稳定性构建电网运行状态安全性指标，其表达式为

C

式中，C

步骤S2.3，构建电网故障风险指标：

考虑故障本身损失，构建电网故障风险指标，其表达式为

R

式中，R

具体地，步骤S3包括：

步骤S3.1，设置电网故障最大重数K：

在受到灾害影响的地区内n个受灾设备的发生故障的概率记为P

构建一个状态空间E＝{(P

设备故障组概率的门槛值记为P

当P

步骤S3.2，将问题故障设备组合求解问题转化为路径遍历问题：

式中，R为n×n维的状态空间树；

规定一种路径搜索规则，在一个n×n维的上三角矩阵中，从矩阵的(1，1)位置出发，根据深度大小的优先性，按照一定路径对矩阵中的元素进行浏览，搜索的路径必须是相邻行之间的节点，并且下一行的节点需要位于上一行节点右侧时才能成功完成搜索，其余情况无法开展搜索，当搜索到矩阵第n行的任意一列元素时，搜索结束，并记录该次搜索的所有路径；

将R中每行中的元素按照发生故障的概率由大到小进行排序，在n个数中选取K个数，按照上述路径搜索规则开展，形成K个数的所有组合；

当搜索的下一个目标位于第w行第K列时，即对应的矩阵为位置(w，K)的元素，对行数x的范围限定在w≤x≤n，此时需要对开展过搜索的路径进行判断，当路径满足D中所有约束条件时，记录并保留该路径，并继续按照上述路径搜索规则搜索；如果不满足，则回溯原来位置，沿一条新的路径继续搜索；

按以上规则对最大组合重数K进行确定，进而通过循环搜索能够高效率得到N-2、N-3、…、N-K组合故障的所有组合；

步骤S3.3，初步筛选出电网多重故障集：

在生成的N-2、N-3、…、N-K组合故障中，记录电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标分别对应的筛选结果，对电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标分别假定一个门槛值，然后将故障集生成的指标结果与对应的门槛值比较，若三方面指标中任一指标大于门槛值，则满足筛选条件时，保留该组合故障，否则不保留。

具体地，步骤S4包括：

步骤S4.1，以电网实际运行数据为基础、支路电路的电抗大小为衡量程度，生成一个边权连接矩阵BQ，具体为

其中，

步骤S4.2，以电网实际运行数据为基础，建立包含支路功率大小、方向和负载率的支路潮流权重矩阵W，具体为

其中，

步骤S4.3，以电网实际运行数据为基础，建立节点-支路关联矢量M，具体为

其中，

步骤S4.4，以电网实际运行数据为基础，建立节点电抗矩阵X，具体为

其中，X

具体地，步骤S5包括：

步骤S5.1，按照关键支路子集选取规则对全部支路进行扫描：

断开任一支路L

步骤S5.2，以边权连接矩阵BQ为对象，按照步骤S5.1，支路L

具体地，步骤S6包括：

步骤S6.1，从某一个确定的节点i开始扫描与另一个确定节点j的路径，通过搜索得到两点之间所有的路径，再计算出二者之间的最短路径Z，其等值阻抗为

minBQ

k为所有可能达到路径中介于i、j之间的节点，BQ

步骤S6.2，在最短路径Z上寻找与由节点i到节点j方向相同而且初始潮流权重矩阵W最大的支路L

其中，x

步骤S6.3，计算支路L

S

其中，S

具体地，步骤S7包括：

步骤S7.1，建立电力系统典型运行方式数据；

步骤S7.2，设定加权潮流熵计算过程中的门槛值，计算在所给运转模式下电网的加权潮流熵；若计算结果的加权潮流熵大于初始设定的门槛值，则转步骤S7.6，若加权潮流熵小于门槛值，则转步骤S7.3；

步骤S7.3，查看线路是否有越限的风险，若发生电路潮流越限，则转步骤S7.6，若未越限，则转步骤S7.4；

步骤S7.4，以电网加权拓扑模型指标为基准，计算该电路中的关键支路，形成关键支路集；

步骤S7.5，断开任一支路后，计算所在的关键支路集中的潮流，若潮流状态为收敛，则转步骤S7.2，若潮流不收敛，则转步骤S7.6；

步骤S7.6，保留连锁故障序列的信息，形成连锁故障集，为全过程动态仿真提供运行方式及连锁故障设置信息；

步骤S7.7，进行全过程动态模拟仿真，按照步骤S7.6形成的连锁故障集逐次开展仿真，若由于连锁故障的出现而使电网发生失稳，则仿真结束，若连锁故障并未出现而导致电网失稳，转步骤S7.3。

本发明实施例提供的生成方法是一种能够全面考虑外部灾害、电网拓扑结构、运行状态和其他相关因素的电网多重故障集生成方法，对于提高电网的稳定性和可靠性，以及优化电网的应急响应和故障恢复策略具有重要意义。如图5所示，图中未通过本发明实施例的考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法得到的故障筛选的结果。

本发明的实施例还提供一种分析系统，包括：

计算模块，用于计算外部灾害下的电网单个设备故障概率与多个设备联合故障概率；

第一建模模块，用于构建电网形态可靠性指标、电网运行状态安全性指标、电网故障风险指标；

第二建模模块，用于对电网设备故障问题进行建模，并构建电网故障状态空间树；

第一筛选模块，用于依据深度的大小，依次浏览并检验所有符合条件的路径，判断已搜索路径是否满足电网设备故障问题中的所有约束条件，初步筛选电网多重故障集；

第三建模模块，用于以电网的拓扑结构为基础，建立电网加权拓扑模型的基础矩阵；

选取模块，用于对于所评估的支路，选取关键的支路子集；

第四建模模块，用于构建电网加权拓扑模型；

第二筛选模块，根据电网加权拓扑模型，对电网多重故障集进行二次筛选。

本发明的实施例还提供一种介质，介质存储有计算机管理类程序，计算机管理类程序被处理器执行时实现上述实施例中提供的考虑外部灾害的电网多重故障集生成方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。