综述2-电力系统连锁故障的外因分析

2024-06-09

综述2-电力系统连锁故障的外因分析

1.综述2-电力系统连锁故障的外因分析篇一

近年来,停电事故的后果日益严重,大型停电事故主要是由连锁故障引起的。如1996年7月美国西部电网(WSCC)和1998年6月美国中部大陆电网(MAPP)解列事故,2003年8月美、加大停电事故、2003年的英国伦敦大停电等[1,2,3]。而造成这些大规模停电事故的罪魁祸首正是继电保护系统的隐性故障[4,5],有资料表明世界上大约有75%的大的停电事故都和保护系统的不正确运作有关,继电保护的隐性故障已经成为电力灾难性的一种机理。

建立继电保护隐性故障的模型并对其进行深入的分析,已经成为当今研究的热点,在文献[6-7]提出了考虑线路距离保护,过电流保护的隐性故障概率模型。在文献[8-9]国内一些学者通过分析国内外相关资料,提出线路潮流的大规模转移和保护的不恰当动作,是连锁故障发生的重要因素,并提出了线路潮流越限时保护隐性故障概率模型。

由于线路保护种类比较多,各种不同电压等级的线路装设的保护也不尽相同,本文通过分析导致保护发生隐性故障的原因,提出了影响隐性故障概率的几个方面因素,并加以量化。应用风险理论,对系统各条线路发生故障时造成的后果进行分析,并提出通过提高关键线路负载能力,降低继电保护装置发生隐性故障的概率的措施,来降低连锁故障发生概率,减小发生连锁故障的严重度。

1 继电保护隐性故障

继电保护隐性故障是指系统正常运行时对系统没有影响的故障,而当系统某些部分发生变化时,这种故障就会被触发,从而导致大面积故障的发生。隐性故障在系统正常运行时是无法发现的,但是一旦有故障发生,继电器正确切除故障后,电力系统潮流重新分配,在这样的运行状态下就可能会使带有隐性故障的保护系统误动作。从而有可能造成连锁故障,扩大事故范围。

根据国内外的调查报告,导致继电保护隐患的原因可以大致分为两类:1)继电保护定值不合理,包括保护定值整定计算错误和保护定值过时(不适合当前的运行方式);2)继电保护系统硬件缺陷,包括通信系统故障、测量元件(CT/PT)故障、保护装置元件老化、接触不良、绝缘不良、接线错误等[10]。

2 继电保护隐性故障模型

现有的三种继电保护隐性故障模型有,考虑输电线路三段距离保护的隐性故障概率模型,考虑阶段式电流保护的隐性故障概率模型,考虑线路潮流越限的继电保护隐性故障概率模型。本文主要分析并建立第三种潮流越限时继电保护隐性故障概率模型。

2.1 输电线路三段距离保护隐性故障概率模型[6]

文献[6]中提出了输电线路三段距离保护隐性故障概率模型,如图1所示。

线路距离保护隐性故障概率PHF与保护装置的测量阻抗Z有关。当测量阻抗Z小于3倍距离保护第Ⅲ段的整定值Z3时,隐性故障概率为常数PL,而测量阻抗Z大于3倍距离保护第Ⅲ段的整定值Z3时,隐性故障概率按指数规律迅速减小。隐性故障的概率模型如下:

2.2 阶段式电流保护隐性故障概率模型[7]

文献[7]中提出了阶段式电流保护隐性故障概率模型,如图2所示。

过电流保护的隐性故障概率PHF与线路电流的大小有关。线路电流I大于过电流保护第Ⅲ段的整定值I3时隐性故障概率为常数IP,而线路电流I在0.1I3和I3范围内时隐性故障概率按直线规律迅速减小至0,在线路电流I小于0.1I3时隐性故障概率为0。概率模型如式(2):

2.3 考虑线路潮流越限的继电保护隐性故障概率模型(图3)

当F

(1)可修复隐性故障是指由于继电保护定值不合理等可修复的原因造成的。

式中:Pr为可修复隐性故障率;λ为失效率(失效次数/年);μ为修复率(修复次数/年)。该数据可以由继电保护厂家获得。

(2)老化隐性故障,是一种不可修复故障,当元件进入图4所示的寿命盆谷曲线的耗损期时,可能突然发生老化故障,它是与历史(即元件服役年龄)有关的条件故障事件。

按可靠性函数的定义和条件概率的概念,元件已服役T年后,在其后续的时间t内发生老化故障的概率可计算如式(4):

式中:Pf为老化隐性故障概率;f(t)为正态分布或韦布尔分布失效概率密度函数。通过统计正在运行的继电保护装置相关数据,可以计算得到。

(3)恶劣气候条件或暴风雨雪灾害造成的隐性故障

恶劣环境通常是指刮风、下雨、下雪等不适宜的气候条件,而灾变性环境指诸如暴风雪、龙卷风、火灾、洪水、地震等自然灾害。由于灾变性环境的发生概率及其影响范围仅能粗略估计,因此要对其提出精确的模型是困难的。

该类因素导致的隐性故障主要考虑为导致其它隐性故障发生的概率增大。

(4)通过分析国家电网公司继电保护装置运行情况,可以看出,在实际的运行中,误碰及运行维护不良也是造成继电保护发生误动作的因素,我们把这类原因造成的误动也归结为继电保护隐性故障。

设保护装置由于该类因素误动的次数为q,每条线路保护装置动作的次数为ni,则保护装置隐性故障发生的概率为:

PH可以通过上面各种概率来综合得出,当选取好PH后,对于不同负载率的线路可以通过式(6)来得到隐性故障发生概率:

其中:Pi为第i条线路保护发生隐性故障的概率;Fi为系统中各条线路的潮流;P为继电保护正确动作概率。

2.4 继电保护隐性故障线路集

由于隐性故障是在系统正常运行时不表现出来,当出现故障或者电力系统处于压力的情况下才发生。继电保护隐性故障线路集,是由当某条线路发生故障后,与之相连在同一母线上的线路和由于通过潮流转移而潮流越限的线路组成。

如图5所示,当线路L1的保护装置动作后,可能引发相邻线路L2,L3,L4,L5的保护装置发生隐性故障,倘若导致L6潮流越限时,我们考虑该线路保护也可能发生隐性故障。线路L2,L3,L4,L5,L6形成了相应的隐性故障集。

再当线路L5的保护发生隐性故障,则又形成了新的隐性故障集L2,L3,L4,L7,L8。隐性故障集可以为分析电力系统连锁故障发生路径提供依据。

3 电力系统连锁故障[11,12]

3.1 连锁故障模型

3.1.1 OPA模型

OPA模型的基础是直流潮流方程,采用标准线性规划方法求解发电机功率调度问题,目标是使价值函数最小化,模型要求系统运行必须满足以下约束条件:在实现功率平衡和负荷节点不注入功率的基础上保证发电机输出功率和线路潮流分别小于其极限值。这样,系统为了在解决线性规划问题的同时满足各个约束条件就可能产生连锁过负荷,继而以一定的概率发生连锁故障。

3.1.2 CASCADE模型

CASCADE连锁故障模型的基本思想是:假设有n条相同的传输线带有随机初始负荷,初始扰动d使得某一个或某些元件发生故障,这些故障元件所带的负荷根据一定的负荷分配原则转移到其它所有未故障元件上,因此形成网络连锁故障。

3.1.3 考虑隐性故障的连锁故障模型

该模型采用直流潮流法,同时对以往的隐性故障模型进行改进,并且考虑继电保护装置在初次不受保护之后误动的概率设为零,重合闸不启动,来寻找路径及系统中的薄弱环节。

具体的连锁故障过程仿真由一个随机选择的初始线路跳闸开始,如果连接到该初始线路末端线路潮流超过1.4FLimit则出现新的线路跳闸;否则根据隐性故障机理和发生概率来判断线路是否跳闸。每次跳闸后重新计算线路潮流,直至连锁故障停止。

终止约束条件主要考虑以下三条:

(1)节点电压是否严重越限;

(2)系统发生解列或负荷孤立;

(3)发电机跳闸。

3.2 连锁故障风险评估指标

电力系统如果发生连锁故障,可能会造成负荷被切除,电源脱离等严重后果,综合这两方面的风险得到连锁故障对电力系统的综合风险值。

其中:Ri为连锁故障指标,即第i条线路发生隐性故障所导致的连锁故障的严重程度;Pevent为由第i条线路引发连锁故障的概率;Ievent为第i条线路引发连锁故障损失电源和负荷功率占总功率的比例;Pj为发生连锁故障的各条线路跳开的概率。