一种电力系统连锁故障的建模与风险评估方法及系统与流程

本发明涉及电力系统风险评估，特别是一种电力系统连锁故障的建模与风险评估方法及系统。

背景技术：

1、随着全球对可再生能源的需求和关注度不断增加，风能作为一种清洁、可再生的能源形式正迅速发展。大规模风电接入已成为许多国家实现能源转型和减少碳排放的重要战略。然而，风能的不可控性和波动性，对电力系统的可靠性提出了新的考验。

2、电力系统中的连锁故障是指一个故障事件在电网中迅速传播和扩大，导致多个设备或线路失效的情况。近年来国际上发生的一系列大停电中，信息系统遭破坏导致电网大面积停电已成为重要因素和新的发展趋势。电网中高度自动化、信息化的控制、保护等关键设备广泛使用，易损性高，容易受到灾害与网络攻击的破坏，可能导致设备不可用、被控制等后果，进而影响物理电网，极端情况下系统运行风险急剧增大。

3、网络攻击下电力系统发生的故障形态与传统设备故障、人为误操作有了本质的区别，连锁故障演化过程更为复杂，需开展电力系统非常规安全事件的安全评估理论和方法研究，构建电网连锁故障的仿真模型，提出电网连锁故障的仿真方法，为保障电网安全运行提供有力支撑。

4、当前的研究关注于电网常规故障导致的暂态、频率、电压失稳问题，对网络攻击等极端事件对电网造成的影响开展的研究较少；多采用机电或电磁暂态仿真，评估效率低。本发明提出了一种电力系统连锁故障的建模与风险评估方法，以控制系统失负荷率为主要控制目标，建立了导致系统失负荷的关键要素模型，提出了电网连锁故障风险评估方法，为电网应对极端风险提供了重要分析方法。

技术实现思路

1、鉴于现有的电力系统连锁故障的建模与风险评估方法中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于对网络攻击等极端事件对电网造成的影响开展的研究较少，多采用机电或电磁暂态仿真，评估效率低。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种电力系统连锁故障的建模与风险评估方法，其包括，构建连锁故障仿真模型，确定初始故障条件，判断是否存在线路潮流过载，计算系统潮流和电压；基于节点电压和线路潮流，计算节点失负荷率，评估系统失负荷率；分析不同攻击组合对系统失负荷率的影响，评估连锁故障的风险。

5、作为本发明所述电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的一种优选方案，其中：所述初始故障条件是通过对收集目标电力系统的完整拓扑结构数据构建的连锁故障仿真模型进行攻击，通过渗透ied系统，植入恶意代码，人为触发线路保护动作导致跳闸，或注入错误的线路电流/电压数据，欺骗保护算法使其误判线路故障，或通过拒绝服务攻击使ied失去响应，从而无法正常检测和保护，形成初始故障。

6、作为本发明所述电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的一种优选方案，其中：所述线路潮流过载的判断包括：

7、根据电网的拓扑结构和参数计算得到构建节点导纳矩阵[b']和[b”]，构建方法为：对于任意两个节点i和j，若它们直接通过一根线路相连，则：

8、yij＝yji＝-yij

9、yii＝yjj＝σyik(k！＝i,j)

10、其中yij为支路导纳，将所有yij元素构成一个矩阵[y]

11、[b']＝实部([y])

12、[b”]＝虚部([y])

13、进一步的，根据交流潮流计算方程计算各线路潮流：

14、[pij]＝[bij']*[θi-θj]

15、[qij]＝[-bij”]*[vi2-vi*vj*cos(θi-θj)]

16、其中：[pij]为节点i到j的有功功率，[qij]为节点i到j的无功功率，θ为节点相角，v为节点电压幅值；判断各线路潮流pcur是否超过其热稳定极限pmax，pmax为线路的热稳定极限传输功率，由线路参数决定，pcur为线路的实际传输功率，若pcur>pmax，则认为该线路为过载线路。

17、作为本发明所述电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的一种优选方案，其中：基于所述过载线路计算跳闸概率，表示为：

18、

19、其中，ptrip为单位时间内线路跳闸的概率，δt为仿真时间步长，tr为线路热常数，表示线路从过载到跳闸所需时间；当pcur>pmax时，线路温升速率与(pcur-pmax)成正比，温升到一定程度后，线路将被保护动作跳开，ptrip反映了在δt时间内，线路由过载到达跳闸温度的概率，根据攻击情况，设定隐性故障发生的概率分布函数f(x)，针对每个设备，按f(x)随机生成一个概率值p，判断p是否超过设定的阈值，若是，则认为该设备发生隐性故障，需要切除；根据计算结果，更新系统的拓扑结构，重新构建节点导纳矩阵[b']和[b”]，利用交流潮流计算方程计算新的线路潮流和节点电压；检查系统中是否存在线路潮流过载、节点电压越限的失稳情况，若不存在，则认为连锁故障结束，评估节点失负荷率；若存在，则返回重新计算线路潮流。

20、作为本发明所述电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的一种优选方案，其中：所述节点失荷率的计算包括：获取连锁故障结束后系统的工作状态，进一步判断是否存在曼口失电区域，设定节点电压允许范围，对每个节点电压vi进行判断：若vi在允许范围内，则该节点i属于有电区域；若vi越限或为0，则该节点i属于失电区域；若节点i与系统完全隔离，也视为失电；将相邻的失电区域定为曼口失电区域，对每个曼口失电区域j，求和其中所有节点的负荷：

21、ldropj＝∑(pli+jqli)

22、其中，ldropj表示第j个失电区域内的总负荷，pli表示第i个节点的有功负荷，qli表示第i个节点的无功负荷，i属于区域j，求和范围为失电区域j内的所有节点i；进一步计算系统总负荷为：

23、ltotal＝σ(pli+jqli)

24、其中，ltotalj表示整个系统的总负荷，pli表示第i个节点的有功负荷，qli表示第i个节点的无功负荷，求和范围为系统内的所有节点i；进而计算节点的失负荷率，表示为：

25、lolr＝(∑ldropj)/ltotal*100％

26、设定允许最大失负荷率阈值lolrmax；

27、若lolr≤lolrmax，则说明影响在可控范围内，继续保持现有电网运行模式，无需采取紧急措施，密切关注系统动态变化情况，并根据潮流、电压状况，适当进行有限的拓扑调整以卸载线路；若lolr>lolrmax，则立即启动应急控制机制，中止非紧急运维工作，优先确保重要负荷和关键用户的供电，针对失电区域实施负荷调度，按优先级临时切除部分非重要负荷，调整系统运行模式，临时切换到分区运行或岛运行，及时通报上级，请求支援，做好人力物力准备工作。

28、作为本发明所述电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的一种优选方案，其中：对所述不同攻击组合的分析包括：构建攻击场景矩阵，并根据攻击目标将攻击场景划分子矩阵，包括：针对线路的攻击场景集合，表示为：

29、aline＝[al1,al2,...,aln]

30、针对变电站的攻击场景集合，表示为：

31、asub＝[as1,as2,...,asn]

32、针对发电机组的攻击场景集合，表示为：

33、agen＝[ag1,ag2,...,agn]

34、进一步的，引入攻击强度随机扰动，对每个场景ai，增加高斯噪声扰动，假设每个场景ai由n个独立要素构成，即：

35、ai＝[x1,x2,...,xn]

36、则对每个要素xj，计算xj的期望值，作为高斯分布均值，表示为：

37、μj＝e(xj)

38、设置超参数，控制噪声强度，表示为：

39、σj＝δj*μj

40、其中，δj表示超参数；进而对xj加扰高斯噪声，表示为：

41、

42、则得增加噪声扰动的场景ai'表示为：

43、ai'＝[x1',x2',...,xn']

44、为每个ai'赋予权重wi，wi＝imp(ai')，其中imp(ai')表示在ai'的场景下的最大潜在负荷损失总量，imp(ai')＝σ(loadj*pj)；其中，loadj表示节点j的正常负荷，pj表示在ai'的场景下节点j可能损失的负荷比例；

45、则对所有ai'计算权重wi，构建加权矩阵，表示为：

46、a＝σ(wi*ai')

47、进一步的，分析不同攻击组合对系统的影响，构建失负荷率计算模型f(lolr)，针对每种场景ρi∈a，计算相应的失负荷率，并从大到小排序lolr，高lolr值对应高危场景，基于lolr大小，采用k-means聚类算法对场景进行聚类，同类场景影响程度相近。

48、作为本发明所述电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的一种优选方案，其中：基于所述不同攻击组合评估连锁故障的风险，包括：

49、设定跳闸线路数n临界点nc，nmax为最大考虑情况，对每种n值，进行多次蒙特卡罗仿真，得到相应的失负荷率平均值μ(n)和标准差σ(n)；在置信度α下，计算lolrα(n)，表示为：

50、lolrα(n)＝μ(n)+z*σ(n)

51、其中，z为α分位数；绘制lolrα(n)～n曲线，确定临界点nc，当n>nc时，电力系统处于失稳状态，此时判断故障状态，包括：若出现大规模连锁故障，导致大片区域大面积停电，则紧急分割电网，形成若干相对独立的小区运行，在小区内，启动应急储备发电机组，按照重要负荷优先级，逐步恢复供电，快速检修故障线路，消除故障源头，逐步恢复正常电网运行拓扑；若发生电压跌陷，部分区域供电电压低于标准，则切除部分非重要负荷，减轻电网压力，投入电容器及无功补偿装置，调度就近发电机组，提高区域电压水平；若仍无法满足，启动区域直流配电方案；若发生大面积过载，多条线路长时间过载运行，则立即切除部分非重要支路，疏解线路过载，重新配置潮流，将负荷适当分配至其他线路；若无足够备份线路，则必须切除部分负荷，检修暂时闲置下来的过载线路，尽快恢复；若出现频率波动，机组大量脱网导致频率剧烈波动，则自动投入虚拟同步机，稳定系统频率，并网就近储能电站，快速支撑频率，检查并重新并网离线机组，调度余量富裕的其他机组支援。

52、第二方面，本发明实施例提供了一种电力系统连锁故障的建模与风险评估系统，其包括：构建模块，用于构建连锁故障仿真模型，确定初始故障条件，判断是否存在线路潮流过载，计算系统潮流和电压；计算模块，用于根据节点电压和线路潮流，计算节点失负荷率，评估系统失负荷率；评估模块，用于分析不同攻击组合对系统失负荷率的影响，评估连锁故障的风险。

53、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的任一步骤。

54、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述的电力系统连锁故障的建模与风险评估方法的任一步骤。

55、本发明有益效果为本发明针对连锁故障情况下输电线路同时跳闸的问题，建立了级联失效模型，引入加权随机扰动机制，定量分析评估了不同攻击场景对电网的影响，得到了系统临界点，并提出了多层次协同的防护和容错措施，显著增强了电网的抗风险和可靠运行能力，对提高电力系统安全稳定运行具有重要意义。