李鵬飛，趙翠玲，牛得存，林澤源

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

基于預想故障序列的安全穩(wěn)定軟件研究

李鵬飛，趙翠玲，牛得存，林澤源

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

針對當前進行電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究時事故預演方式效率低下、人因影響大的問題，提出了基于預想故障序列的自動化安穩(wěn)軟件的開發(fā)方案，介紹了該方案的原理和主要功能，并通過實際案例仿真，驗證了該軟件的高效性和準確性，提高了工作效率。

預想故障序列；區(qū)域電網(wǎng)；安全穩(wěn)定計算；快速仿真軟件

0 引言

目前國內外進行電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究時，主要采用人工方式，利用BPA軟件對預想事故逐一預演，進行N-2安全穩(wěn)定分析。由于電網(wǎng)的規(guī)模逐步擴大，導致運行方式復雜多樣，預想故障集數(shù)量龐大，故障種類繁多，加之人工分析方式耗時耗力，獲得分析結果的時間較長，拖延了電網(wǎng)運行方式的制定時間。同時，根據(jù)人工操作經驗來設定故障集，在經驗不足的情況下，會遺漏重要的事故元件組，造成電網(wǎng)長時間帶隱患運行，威脅電網(wǎng)安全。

建立基于預想故障序列算法的知識庫，開發(fā)預想故障序列專家系統(tǒng)；綜合故障序列、潮流序列和電壓越限序列等各種指標，形成推薦預想故障序列；將預想故障序列算法融入“基于BPA的安全穩(wěn)定分析計算軟件”的研發(fā)。將每次軟件運行計算結果納入知識庫，作為下一次計算的預想故障篩選和排序的比較對象，從而使軟件具有自學習功能，同時還能避免因人工經驗限制遺漏重要事故元件組，提高了安全穩(wěn)定分析的正確率。

1 預想故障管理模塊

N-2安全穩(wěn)定評估中非常重要的內容是預想故障的篩選和排序，即對篩選出來的預想故障根據(jù)預想故障的嚴重程度進行快而準的排序，再進行安全穩(wěn)定分析。

快速故障篩選的基本任務是采用某種簡化的快速方法，在較短的時間內把絕大多數(shù)預想故障快速過濾掉，同時正確識別出預想故障集中所有可能導致系統(tǒng)失穩(wěn)或系統(tǒng)狀態(tài)嚴重越限的預想故障，以便對其進行更詳細的穩(wěn)定分析。

該軟件對預想故障的篩選和排序主要手段是融入預想故障序列算法和建立預想故障管理模塊。

1.1 預想故障管理模塊的功能

預想故障管理模塊是N-2安全穩(wěn)定分析的前期數(shù)據(jù)處理模塊，其主要功能是根據(jù)系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)，根據(jù)專家知識庫內的故障模板，自動生成預想故障，并對生成的預想故障按指標進行篩選和排序。

該模塊除了提供自動生成的預想故障外，還提供人工接口，分析人員可以根據(jù)系統(tǒng)運行的實際情況設置特定的故障或多重故障以及改變排序結果。預想故障管理流程如圖1所示。

1.2 預想故障管理模塊的特點

(1) 有限集。電力系統(tǒng)的故障多種多樣，不可能分析每一個故障對系統(tǒng)的影響。預想故障管理模塊不區(qū)分事故的起因，只針對其造成的后果區(qū)分事故，只要導致系統(tǒng)失穩(wěn)的故障，都用來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2) 量化指標。傳統(tǒng)系統(tǒng)失穩(wěn)判據(jù)是當電壓或頻率低于某一個值，并且持續(xù)時間超過一定值時認為該故障引起系統(tǒng)失穩(wěn)。這對于評估時間有限的穩(wěn)定仿真評估來說是比較費時的。本研究在分析過程中，引入電壓或頻率的變化率，線路功率、節(jié)點電壓越限情況作為穩(wěn)定量化指標，應用這些量化指標來反應系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用該指標更新專家知識庫，對其進行預想故障的篩選和排序。

圖1 預想故障管理流程

(3) 自我完善。在安穩(wěn)分析系統(tǒng)的不斷運行過程中，根據(jù)評估指標的反饋，可以不斷調整預想故障集，不斷使之完善。

2 預想故障序列的自動生成

軟件開發(fā)了預想故障管理模塊，其主要目的是生成仿真所需要的預想故障集，并在存儲數(shù)據(jù)集的知識庫中進行篩選和排序，從而得到預想故障序列。

2.1 預想故障自動生成規(guī)則

實時電網(wǎng)可能發(fā)生的事故有多種可能性，但所有事故都是由簡單的元件和切除規(guī)則按照一定的時序組合而成的。該軟件根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術導則》規(guī)定的III類故障進行仿真，并生成相應的故障集。

為了能夠生成實際系統(tǒng)中的各種預想故障，該模塊的功能主要是根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》中規(guī)定的3個穩(wěn)定級別來評估運行狀態(tài)的穩(wěn)定程度：1級標準事故集中，考慮繼保正確動作；2級標準事故集中，考慮繼保正確動作和必要的切機切負荷操作；3級標準事故集中，還要考慮解列操作。

2.2 預想故障自動生成流程

預想故障的自動生成流程是根據(jù)導則的規(guī)定掃描網(wǎng)絡并分配故障類型，形成3級評估標準所對應的3個預想故障集。要具備的功能包括：讀取網(wǎng)絡拓撲、掃描重要的元器件及根據(jù)穩(wěn)定導則分配預想故障。在生成預想故障前，根據(jù)規(guī)定做好各級故障定義，然后通過程序實現(xiàn)預想故障集的自動生成。預想故障集自動生成功能流程如圖2所示。

預想故障集生成后，如果電網(wǎng)結構沒有發(fā)生大的改變，例如發(fā)電機的投停、線路檢修等，那預想故障集也不會有很大的變化。生成的預想故障集還有人工接口，由分析人員自行定義其所要關心的故障或多重故障。

圖2 預想故障集自動生成功能流程

2.3 預想故障的篩選和排序

預想故障的篩選就是從較大的預想故障集中快速而準確地挑選出對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定影響比較大的預想故障，再進行詳細分析。對最有可能引起系統(tǒng)失穩(wěn)或對重要設備運行會產生越限的預想故障，應該首先分析。預想故障的篩選有2部分，包括有效性校驗和穩(wěn)定故障剔除，其中有效性校驗主要完成對自動生成預想故障的初步剔除，排除明顯不合理的預想故障。

安全穩(wěn)定分析需在一定的時間周期內完成，除了增加硬件以提高計算能力外，還需在確保分析對象完備性的基礎上盡可能地壓縮預想故障集的容量。

預想故障分析采取的策略是根據(jù)知識庫把后果比較輕微的預想故障剔除，只對造成嚴重后果的預想故障進行詳盡的分析，也就得到了仿真需要的預想故障序列。

3 實際案例仿真分析

以某地區(qū)500 kV變電站為例，用該軟件進行安穩(wěn)仿真測試。

3.1 故障序列的形成

以2018年為計算水平年，采用2018年當?shù)仉娋W(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，對站點500 kV站及與其直接相連的變電站區(qū)域內發(fā)生N-1和N-2故障。對各種組合形成的故障集進行安全穩(wěn)定仿真。

對故障集按照故障概率、潮流越限程度、電壓越限程度、潮流電壓越限加權、線路阻尼比等進行排序，生成故障序列表，納入知識庫中，為下一次安全穩(wěn)定仿真提供預想故障序列表。通過軟件仿真，得到本次仿真的發(fā)生越限的薄弱線路和本次哪些會導致失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)的案例。

從軟件生成的報告文件中，不僅完整地獲得了所有仿真案例的穩(wěn)定/失穩(wěn)情況以及相應的曲線圖，而且在整個仿真后還獲得了匯總信息，包括各個案例的越限情況、發(fā)生越限的線路等。以上過程基本上可以全自動化處理，無需太多的人工介入，且計算結果可以與原有內容相結合，納入知識庫，為今后安穩(wěn)計算提供可靠的預想故障序列表；也可以在空閑時，通過軟件自動對該區(qū)域電網(wǎng)做全面仿真，尋找電網(wǎng)的薄弱斷面，形成較為全面的故障序列集。

3.2 預想故障序列知識庫的應用

對站點500 kV站進行安全穩(wěn)定仿真時，除了對該站及其周圍區(qū)域電網(wǎng)仿真外，該地區(qū)電網(wǎng)內其他薄弱安全穩(wěn)定斷面也可能會導致本仿真失穩(wěn)。因此，如果人工經驗不足，就無法從整個電網(wǎng)潮流圖中直接判斷出潮流斷面，就無法得到最優(yōu)故障集。

預想故障序列可以解決此問題。本次仿真僅需要從歷史知識庫中，提取部分以前對電網(wǎng)仿真時曾經發(fā)生越限的線路和曾經失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)案例，加入到本次仿真的故障集中。

每次故障序列形成后，都能得到“線路歷史知識庫”，庫中線路若發(fā)生故障，容易導致交流發(fā)生失穩(wěn)，得到的“故障歷史知識庫”就是記錄曾經會導致的失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)的案例。預想故障序列僅需從歷史知識庫中，提取部分之前對地區(qū)電網(wǎng)仿真時，曾發(fā)生越限的線路和曾經失穩(wěn)或鄰近失穩(wěn)案例，即使這樣，也能保證此次仿真計算結果比人工憑經驗的計算結果更為準確。

3.3 實例計算分析

人工建立故障集，手動采用BPA仿真，受人力限制，只能選取較少的故障案例仿真，并因受經驗限制，有可能泄漏事故元件組。

采用預想故障管理模塊，可以實現(xiàn)快速自動仿真。通過建立預想故障序列集，從歷史庫中進行提取，進而實現(xiàn)“提取出來的故障是應該需要仿真的”，能針對性地對某些故障實現(xiàn)快速仿真。隨著仿真次數(shù)的增加，歷史庫中的數(shù)據(jù)更加豐富，提取的故障更能夠反映電網(wǎng)中的嚴重故障以及薄弱環(huán)節(jié)。

從本次計算結果可以看出，研究的內容符合預期，能夠更準確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，使調度測試人員能夠快速了解系統(tǒng)運行狀況；而且調度人員可根據(jù)知識庫內容，重點排查容易發(fā)生越限的線路和節(jié)點，保證電網(wǎng)運行的可靠性。

4 結束語

建立預想故障序列專家系統(tǒng)，自動生成推薦預想故障序列，并對事故序列中的故障進行分析，可有效幫助設計、調度運行人員去分析已有電網(wǎng)和新規(guī)劃電網(wǎng)的安全性，預防惡性事故的發(fā)生。

在實際應用中，融入預想故障序列算法的知識庫，需要針對性對某個區(qū)域電網(wǎng)進行多次仿真后，才能更好的發(fā)揮作用。所研究的預想故障序列能代替人工，自動給出電網(wǎng)中重要的事故元件組，且結合研發(fā)的軟件能快速仿真，提高工作效率，并避免了對人工經驗的依賴。

1 韋仲康．電力市場環(huán)境下的電網(wǎng)安全與穩(wěn)定[J]．電力安全技術，2006，5(8):21-22.

2 國家經濟貿易委員會．DL/T 723—2000電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則[S]．北京：中國標準出版社，2000.

3 卜廣全，湯 涌，侯俊賢，等．PSD-BPA潮流程序用戶手冊[S]．北京：中國電力科學研究院，2007.

4 卜廣全，湯 涌，侯俊賢，等．PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊[S]．北京：中國電力科學研究院，2010.

2016-03-03；

2016-07-09。

李鵬飛(1981-)，男，工程師，主要從事變電二次設計及安全穩(wěn)定分析研究工作，email：lipengfei@sdepci.com。

趙翠玲(1972-),女，高級工程師，主要從事變電二次設計工作。

牛得存(1986-)，男，工程師，主要從事變電二次設計工作。

林澤源(1981-)，男，高級工程師，主要從事變電二次設計工作。