三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 甘 燕

引言

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，我國(guó)正向著更高電壓等級(jí)、更遠(yuǎn)距離輸電、更大機(jī)組容量、更大范圍區(qū)域互聯(lián)的大電網(wǎng)方向發(fā)展，以保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足用戶的電能質(zhì)量要求。與中小型系統(tǒng)相比，大電網(wǎng)更為復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中面臨更多的挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)。其中，連鎖故障影響不可忽略。連鎖故障是導(dǎo)致大停電事故的主要誘因之一。其出現(xiàn)概率極小但不可避免，且危害極大[1]。研究發(fā)現(xiàn)，近二十年來(lái)，國(guó)外歷次大停電事故差不多均由連鎖故障所致。因此，研究連鎖故障特征、機(jī)理對(duì)預(yù)防大電網(wǎng)連鎖故障具有實(shí)際意義和價(jià)值。

1.連鎖故障的特征分析

1.1 連鎖故障發(fā)生機(jī)理

大電網(wǎng)連鎖故障的起因比較復(fù)雜，其發(fā)生機(jī)理可簡(jiǎn)單歸納為：正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)每個(gè)元件均承擔(dān)一定的初始負(fù)荷，當(dāng)某個(gè)或某幾個(gè)元件因過(guò)負(fù)荷引發(fā)故障時(shí)，會(huì)改變潮流分布并引起負(fù)荷在其余節(jié)點(diǎn)上的再分配，多余負(fù)荷將會(huì)轉(zhuǎn)移加載到其余元件上。若這些原先正常工作的元件未能及時(shí)處理多余負(fù)荷則會(huì)引起新一輪的負(fù)荷再分配，進(jìn)而引發(fā)連鎖過(guò)負(fù)荷故障，并最終致使電網(wǎng)大范圍停電事故的發(fā)生。

1.2 連鎖故障一般演化過(guò)程

分析連鎖故障引發(fā)的大停電事故可知，其一般演變過(guò)程可分為3個(gè)階段[2]：第1階段為故障源發(fā)階段，電網(wǎng)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的源發(fā)性故障，致使系統(tǒng)偏離計(jì)劃運(yùn)行，此階段故障間因果關(guān)系不明顯，系統(tǒng)遭受到初步破壞?？稍谙到y(tǒng)進(jìn)一步惡化前，采用恰當(dāng)?shù)目刂拼胧﹣?lái)保證安全裕度，從而避免發(fā)生連鎖故障；第2階段是連鎖故障的主要發(fā)展階段，故障間因果關(guān)系明顯，故障增多，系統(tǒng)遭受較大破壞，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，前期仍具有一定的可控性，故此階段是合理干預(yù)、緩和危機(jī)的最佳時(shí)期；第3階段為連鎖故障末期，在第2階段的基礎(chǔ)上故障進(jìn)一步發(fā)展、擴(kuò)大，此階段故障頻發(fā)，當(dāng)關(guān)鍵故障發(fā)生時(shí)將導(dǎo)致大停電事故。

2.連鎖故障的理論模型分析

在大電網(wǎng)中，由小擾動(dòng)引發(fā)的連鎖故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)大范圍崩潰的嚴(yán)重后果，而對(duì)連鎖故障的理論建模是研究大電網(wǎng)連鎖故障的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。從九十年代起，已經(jīng)陸續(xù)有學(xué)者對(duì)連鎖故障大停電事故機(jī)理展開研究。目前，其理論模型研究主要分為2大體系：以潮流計(jì)算/穩(wěn)定分析為支撐的理論體系和以電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為支撐的理論體系。研究情況如下：

2.1 基于潮流計(jì)算/穩(wěn)定分析的模型

基于潮流計(jì)算/穩(wěn)定分析的模型，用特定概率來(lái)研究電網(wǎng)連鎖故障的整體行為特點(diǎn)、系統(tǒng)全局狀態(tài)與連鎖故障間的關(guān)系，并進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估與停電防御措施評(píng)估。主要包含自組織臨界性模型和模式搜索策略模型。

2.1.1 自組織臨界性模型

Bak等人于1987年提出自組織臨界理論SOC，該理論認(rèn)為由互相作用成分構(gòu)成的系統(tǒng)會(huì)向自組織臨界態(tài)發(fā)展，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到自組織臨界態(tài)時(shí)，微小的干擾事件也可能導(dǎo)致一系列災(zāi)變[3]。文獻(xiàn)[4]引用沙堆模型來(lái)說(shuō)明自組織臨界態(tài)的形成及特點(diǎn)。在一塊有限平面上慢慢添加沙粒，逐漸形成沙堆，當(dāng)沙堆坡度達(dá)到臨界值，即添加沙粒與沙粒散落平面的平均速度相等時(shí)，系統(tǒng)處在自組織臨界態(tài)。

通過(guò)對(duì)北美電網(wǎng)1984-1999年大停電事故數(shù)據(jù)的分析，Carreras等人研究發(fā)現(xiàn)其停電故障規(guī)模概率分布函數(shù)PDF呈現(xiàn)冪律分布，電網(wǎng)存在自組織臨界性質(zhì)。基于此，Dobson等人于2001年提出OPA模型，該模型對(duì)電網(wǎng)由初始狀態(tài)向自組織臨界態(tài)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行建模。文章指出，電網(wǎng)負(fù)荷增加是引發(fā)大規(guī)模連鎖故障的決定性因素之一。從時(shí)間尺度出發(fā)，該模型劃分為慢動(dòng)態(tài)過(guò)程和和快動(dòng)態(tài)過(guò)程。前者描述電網(wǎng)負(fù)荷的緩慢增長(zhǎng)與各種防護(hù)性控制策略作用下電網(wǎng)逐漸向自組織臨界態(tài)轉(zhuǎn)化，后者描述連鎖故障的發(fā)生及傳播，從宏觀上揭示了電力系統(tǒng)的類SOC性質(zhì)。

2.1.2 模式搜索策略模型

電網(wǎng)中存在一些關(guān)鍵元件，其對(duì)連鎖故障具有助推作用，而模式搜索策略從連鎖故障發(fā)生、發(fā)展過(guò)程入手，旨在識(shí)別出關(guān)鍵元件及隱性故障集，搜索出故障鏈，以利于大停電連鎖故障的機(jī)理研究與預(yù)防控制。模式搜索策略一般基于解析法和概率法。其代表模型有隨機(jī)模擬模型、故障鏈搜索模型。

蒙特卡洛法依據(jù)隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù)來(lái)搜索連鎖故障發(fā)展模式，用以處理因初始故障及保護(hù)動(dòng)作引起的不確定性。文獻(xiàn)[5]在蒙特卡洛法的基礎(chǔ)上，模擬系統(tǒng)連鎖故障過(guò)程及其發(fā)展路徑。該方法可搜索到所有可能存在的故障模式，但計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以應(yīng)用到實(shí)際大電網(wǎng)系統(tǒng)中。

故障鏈可形象的呈現(xiàn)連鎖故障的特點(diǎn)。建立基于故障鏈的連鎖故障模型，是預(yù)測(cè)、御控連鎖故障的基礎(chǔ)，對(duì)有效避免大停電具有重大研究意義?！笆鹿舒湣币辉~概念出自安全科學(xué)。事故鏈理論認(rèn)為：大事故很少由單一原因引起，而是在同時(shí)滿足多個(gè)條件的情況下由相關(guān)誘因產(chǎn)生。這些條件就如同鏈條一樣將各環(huán)節(jié)連接起來(lái)，任一條件不符合，大事故不發(fā)生。此種研究方法將連鎖故障預(yù)警問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)故障鏈系統(tǒng)元件的監(jiān)視問(wèn)題，該理論認(rèn)為切斷故障鏈可防御連鎖故障，給預(yù)防連鎖故障措施提供了參考方向。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模型

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，輸電網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等大型互聯(lián)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)可從根本上揭示系統(tǒng)行為的原因，其拓?fù)鋮?shù)性質(zhì)類似。電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)可反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬性與連鎖故障演變的關(guān)系，從而追溯出連鎖故障根源。

基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，首先需抽象出電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ蚚6]：發(fā)電機(jī)/變電站視為節(jié)點(diǎn)，輸電線路與變壓器支路作邊，忽略輸電線電壓等級(jí)、參數(shù)差別等因素，不計(jì)并聯(lián)電容，將電網(wǎng)簡(jiǎn)化為無(wú)權(quán)無(wú)向的稀疏連通圖進(jìn)行建模研究。其代表模型主要有小世界模型、無(wú)標(biāo)度模型。

2.2.1 小世界模型

哥倫比亞大學(xué)Watts等人發(fā)現(xiàn)，實(shí)際電網(wǎng)處于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間[7]，屬于小世界網(wǎng)絡(luò)。對(duì)此，他們將規(guī)則網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)連線，使之既呈現(xiàn)出規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的高聚類系數(shù)特性，亦呈現(xiàn)出隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的小平均距離特性，建立起小世界模型來(lái)研究連鎖故障演化過(guò)程。小世界模型信號(hào)傳播速度較快，其計(jì)算能力、同步能力較強(qiáng)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于小世界網(wǎng)絡(luò)特性的連鎖故障搜索程序，利用廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS測(cè)量信息，辨別可能引發(fā)連鎖故障的關(guān)鍵事故，迅速搜索出源發(fā)故障地點(diǎn)，從而及時(shí)采取校正措施。

2.2.2 無(wú)標(biāo)度模型

A.L.Barabasi與 R.Albert等人發(fā)現(xiàn)許多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)頂點(diǎn)的連通性都滿足無(wú)標(biāo)度冪律分布[9]。他們將此種網(wǎng)絡(luò)稱為無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上建立了電網(wǎng)無(wú)標(biāo)度模型來(lái)研究北美電網(wǎng)，以期從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來(lái)分析連鎖故障的內(nèi)在起因及緩和校正措施。浙江大學(xué)曹一家等人發(fā)現(xiàn)，依據(jù)無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)建立連鎖故障模型，可在故障初期迅速識(shí)別連鎖故障[10]。

3.結(jié)語(yǔ)

連鎖故障作為電網(wǎng)大停電事故的主要誘因，研究其傳播過(guò)程可解釋其內(nèi)在機(jī)理，對(duì)于制定早期預(yù)防控制策略、抑制大停電事故亦有其突出優(yōu)點(diǎn)。本文分別從連鎖故障特征、機(jī)理及理論模型層面總結(jié)了復(fù)雜電網(wǎng)連鎖故障演變過(guò)程預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀，旨在為預(yù)防與控制連鎖故提供理論依據(jù)。而實(shí)際大電網(wǎng)由于其本身復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性，加之連鎖故障成因的不確定性，其理論研究仍然存在局限性?？傊绾螌⒗碚撆c實(shí)際電網(wǎng)連接起來(lái)，如何預(yù)測(cè)和預(yù)防連鎖故障大停電事故仍然是一個(gè)需要深入研究的課題。

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