交直流电网级联故障的表现形式介绍

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：近10年来，由级联故障导致的大停电事故在世界各国多次发生，给社会和经济造成了巨大的损失。国内外已经发生的具有级联反应表现的大停电事故表明，级联故障的具体表现形式多种多样，尽管如此，还是可以发现一些较为普遍的表现形式。本质上，电力系统的级联故障是一种多重性的故障。在交直流电网实际工程的动态分析和仿真过程中，需要考虑交直流系统发生级联故障的情形。

近10年来，由级联故障导致的大停电事故在世界各国多次发生，给社会和经济造成了巨大的损失。国内外已经发生的具有级联反应表现的大停电事故表明，级联故障的具体表现形式多种多样，尽管如此，还是可以发现一些较为普遍的表现形式。

北美电力系统可靠性委员会对级联故障的定义[13，14]：级联故障指的是电力系统中两个或多个元件相继发生故障，从而导致系统大范围停运的情况。即：系统中第一个元件的故障直接或间接地导致了第二个元件的故障，而第二个元件的故障又通过一些途径导致更多的元件发生故障，以致影响到局部电网甚至更大范围的电网。

本质上，电力系统的级联故障是一种多重性的故障。多重故障一般有三种模式[15]：

（1）共同故障模式，指的是由于同一个原因，多个元件在同一时刻所发生的故障事件；

（2）序列故障模式，指多个元件发生的故障是由互不相关的原因引起的，这些故障在时间上有可能重叠，也可能不重叠；

（3）级联故障模式，指多个元件前后发生的多重故障中，后续故障与前级故障存在一定的相关性。如果一次停电事故由多个事件组成，有些时候在其发展过程中会发生一些意外事件，这些意外事件虽然和已经发生的事件没有关联，却可能同样会像已经发生的事件一样，对电力系统产生影响并导致新的级联故障事故。大停电事故往往不是单一的级联反应，而可能是多个级联反应的综合。

正如前文提到的，级联性和相关性是级联故障最重要的两个特点。因此，级联故障可以看成一系列在时间尺度上可以区分，并且逻辑上具有因果关系的大量元件发生故障的停运事件。从字面上来看，它也确实包含了以下两个方面的内容：一是故障，就是元件的故障和停运；二是级联，即故障之间时间和逻辑上的相关性。在级联故障的分析中，把每一次的故障事件称为一级，从而，时间和逻辑上相邻的两次故障事件就可以分别称为“前级事件”和“后续事件”[16]。

交直流电网级联故障发生的原因非常复杂，故障的过程有表现也不一致，有些环节较为缓慢，有些则发生在瞬间，但从表现上来说，都是由一系列元件在时间和逻辑上相继断开的事件组成，与单纯的交流系统级联故障相比，这里更为注重交流与直流系统的交互作用。例如：这种级联故障可以首先在交流系统引发。交流故障通过电网波及换流站附近，引起功率振荡和电压波动；这种电气量的变化会传递到直流换流系统和相应的控制系统，直流系统开始为了维持正常工作而开展一系列的控制调整；若交流系统故障较重，引起换流母线电压较大的下降，以致不足以让直流控制系统和换流阀正常工作，直流系统会相继采取系列控制措施，包括多次的重新启动和恢复，直至经过多次努力发生直流闭锁，失去全部功率。在直流系统的控制过程中，伴随着直流输电功率和换流母线电压的巨大变化，这种变化同样会从直流系统传递回交流系统，与原有交流系统故障一起主导着交流系统的动态过程，伴随而来的是系统有功功率的不平衡、交流和直流间无功功率交换的不平衡、电压的瞬间大幅变化，进而引发交流系统发电机功率振荡、机端电压变化剧烈、频率的较大变化等。交流系统为维持系统稳定运行，也将展开切除滤波器、切除故障、切机、切负荷等一系列动作；在这个过程中，还将引发一些相关的级联事故，如由于电压波动导致大规模风机脱网、由于大范围功率转移导致线路被切除等。当这些级联事故严重到导致系统越来越多的电气元件脱离电网，系统运行逐渐被瓦解时，大面积停电事故就发生了。可见，交直流系统的级联故障比单纯的交流系统级联故障要复杂得多。若要考虑一个区域存在多个直流输电系统，直流输电系统间还可能会通过交流系统相互作用和影响，则使该问题变得更为复杂。

有的文献认为，电网崩溃事故大致划分为以下五个阶段：缓慢脱离、快速脱离、短暂振荡过程、雪崩期和网络漫长恢复。而实际上，有时候很难在时间段上严格区分，特别是交直流系统中交直流间的相互耦合和相互作用，因为电力系统本身是一个大而复杂的非线性系统，它的动态表征既有一定规律性，又存在着不可完全预测的一面，这也是动态电力系统的魅力所在。在交直流电网实际工程的动态分析和仿真过程中，需要考虑交直流系统发生级联故障的情形。

交直流电网级联故障的表现形式介绍

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