复杂互联电网连锁故障研究综述

复杂互联电网连锁故障研究综述

发表时间：2018-12-29T14:30:44.693Z 来源：《河南电力》2018年14期作者：钟雨芯1

[导读] 本文将阐述复杂互联电网的连锁故障的基本机理，对其研究难度进行分析，并简要介绍近年来国内外的研究现状及不足。

（1.深圳供电局有限公司深圳市 518000）

摘要：本文将阐述复杂互联电网的连锁故障的基本机理，对其研究难度进行分析，并简要介绍近年来国内外的研究现状及不足。

关键词：复杂电网；连锁故障；停电模型

引言

电力网络已经成为人类历史上覆盖区域最广、最为复杂的人造系统之一，其紧密联结也为系统内的故障传播提供了条件。在此环境下，微小扰动也能够通过互联电网的一系列响应影响到距离较远的电网区域。

近年来，世界范围内发生了多起大型停电事故。2003年8月14日，美国与加拿大互联电网发生大面积停电事故，事故起因为俄亥俄南北通道一条345kV线路因其下发生草木起火而跳闸，之后俄亥俄南北通道上的多条联络线路相继跳闸，引发低电压、断面潮流反向等一系列问题，在经过后续连锁跳闸及低频减载等动作后，电网损失大量负荷，发生停电。该次停电共损失负荷61800兆瓦，造成惨重经济损失。2003年9月28日，意大利出现大停电。这次停电波及意大利全境，损失负荷27702兆瓦左右，停电超过18小时，造成的经济损失巨大。大电网在产生规模经济效益、提升运行管理效率的同时，波动、事故容易带来更加广泛的影响和更加严重的后果。

以上提到的停电过程实际上就是连锁故障过程。本文将阐述连锁故障的基本机理、对其研究难度进行分析、并简要介绍近年来国内外的研究现状及不足。

1.连锁故障基本机理

连锁故障是指系统中某一部分发生故障退出运行之后，诱发系统其它组成部分相继退出，最终导致系统部分或者全部功能丧失的动态过程。在这些事故中，初始时运行线路因各种原因导致故障断开是连锁故障的诱因。这条传输线路断开后，系统的潮流分布发生变化，一条或多条传输线路在新的潮流分布下承载超过自身容量限制的传输功率，导致这些线路因限流保护动作或自身过热下垂断开。这个现象不断连锁发生，并在过程中引发频率失稳、电压跌落、功角失稳等问题，最终导致电网某部分发生崩溃，造成大停电。其中，潮流重新分布及大规模转移导致传输线路连锁过载断开是这个过程中的一个关键机制。

2.连锁故障复杂性分析

到目前为止，对连锁故障的发生机理与防治手段的研究尚不透彻，归因于电力系统是一个极其复杂的有机系统。电力系统的复杂性表现在以下三个方面：

首先，互联大电网规模庞大，元件众多，且元件特性差异巨大。其次，电力系统由耦合性强的子系统构成。电力系统内的发电机组、继电保护装置、紧急控制装置等都可看作一个子系统，它们根据“环境”和接收信息与自身运作规则来调整自身的状态和行为，且均与系统状态存在强烈耦合。最后，电力系统受到大量随机因素的干扰。大电网覆盖地域较广，所处环境复杂，地面环境与天气因素均可能影响电力系统的正常工作。设备运行异常、人员的不当操作也是诱发后续故障的因素之一。

在这样的复杂系统中，事件具有长程相关性，使得电力系统在初始干扰下的后续响应与最终结果难以用解析模型精准预测。因此，连锁故障需要借助随机模型进行分析。

尽管分析难度高，但停电规模与频率的关系存在幂律特性[1]，说明了小扰动经过连锁故障造成大规模停电的可能性，这种可能性虽然低但始终存在，不能忽略。因此，不能轻忽对于连锁故障停电风险的研究。

3.连锁故障停电模型研究现状

对于不含新能源接入的电力系统，连锁故障停电模型的研究已经取得了一些较为成熟的研究成果。

4.OPA模型

OPA模型由美国橡树岭国家实验室（ORNL）、Wisconsin大学电力系统工程研究中心（PSERC）和Alaska大学的多位研究人员共同提出。它内含发电机、交流线、负荷等元件模型，采用直流潮流计算，在负荷变化的基础上，分析探讨电网大停电这一过程的所具有的全局动力学行为特征[1]。该模型最突出的特点是包含两种时间尺度上的模拟。内层循环称为“快动态”，模拟系统中连锁故障，其基本过程为：在初始的随机故障状态下，系统潮流分布发生改变，导致某些线路的传输功率超过其容量限制，因保护动作而断开，而这些线路的开断又再次引发潮流的迁移，可能造成其他线路的开断，最终形成级联故障。外层循环成为“慢动态”，模拟系统中设备升级等电网演化过程，它使得系统的发电能力、传输能力与负荷水平不断提高。

5.改进OPA模型

修改了OPA模型中与实际电网不符的几个方面，研究人员得到了改进OPA模型[2]。在线路开断方面，不再以线路潮流占线路传输容量的比例超过一定值作为依据判断线路是否过载断开，而只在线路潮流超过其传输容量时考虑保护的正确动作。在线路更新方面，改进OPA 模型不再在出现线路的过载后才进行线路容量的升级，而是根据负荷预测来进行电网规划，增加系统的传输能力。

6.Manchester模型

上述OPA模型与改进OPA模型均是基于直流潮流的停电模型，由于使用直流潮流无法对系统的无功—电压水平进行分析，而实际系统中的多次大停电事故都出现了电压崩溃现象。为了避免这种局限性，研究学者提出了采用交流潮流计算的Manchester模型[3]。该模型仅包含上述模型中的快动态部分，考虑了同步机失稳的可能性，并在平衡发电与负荷时模拟了低频减载。在潮流计算不收敛时，模型认为此时系统处于若无运行人员控制则会发生电压崩溃的状态，并用连续切负荷来模拟运行人员的操作，直至系统潮流收敛。

7.基于OPF的交流潮流停电模型

考虑到实际电网调度、管理中通过最优潮流（OPF）计算来实现电网的经济效率运行，基于OPF的交流潮流模型在Manchester模型的基础上进行修改，用OPF替代了原模型中的交流潮流计算[4]。当交流最优潮流求解不收敛时，采取切负荷的手段直至OPF收敛。

8.结束语

本文对连锁故障的机理与研究难度做了初步分析，并简要介绍了几种基本的连锁故障停电模型。未来必定需要对连锁故障进行更深入