本发明涉及电力系统保护与控制，具体涉及一种电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法。
背景技术：
1、新能源的开发与应用已成为电力工业变革的重要推动力。由于新能源发电具有高分布集中度和与负荷中心逆向分布的特征，为将新能源场站的电能输送至负荷中心，直流输电系统成为主要手段之一。直流输电系统包括常规直流输电系统和柔性直流输电系统。新能源和直流输电均依赖电力电子设备实现并网运行，因此电力电子化电力系统不断发展。然而，由于电力电子设备的高敏感性和强耦合性，使得电力电子化电力系统中的连锁故障更加复杂，风险不断增加。
2、在传统电力系统中，根据连锁故障的产生原因将电力系统连锁故障分为过载主导型、结构主导型、配合主导型3类。过载主导型连锁故障是线路因故障或过载跳闸，导致电网潮流重新分布，引发其他线路相继过载跳闸的过程。结构主导型连锁故障指电网关键联络线或重要节点因意外被切除或解列装置过早动作，导致电网拓扑结构遭到重大损害的过程。配合主导型连锁故障是继电保护等二次装置整定值不合理、设备可靠性低、隐性故障引发的故障恶化过程。从方法论的角度，连锁故障的研究主要分为2类。第1类从整体特性分析系统安全，主要包括复杂网络理论和自组织临界理论。第2类侧重于连锁故障过程的还原与路径搜索，主要包括模式搜索理论。复杂网络理论通过度分布、最短路径、平均距离、聚类系数等图论特征评估电力系统的结构特性和潜在脆弱性，有效识别关键节点和脆弱线路。自组织临界理论认为系统在某些条件下自发达到临界状态，小扰动可引发大规模连锁反应，主要从宏观角度解释连锁故障机理。模式搜索理论基于电力系统的物理特性建立故障传播模型，模拟故障后的潮流转移和设备过载，从连锁故障序列角度研究大停电的发展过程。
3、但在电力电子化电力系统中，新能源场站之间、多回直流输电系统之间、新能源与直流输电系统之间深度耦合。由于电力电子设备的脆弱性和受控特性，交流电网故障可能引发电力电子设备的控制切换、换相失败甚至闭锁或脱网。在电网故障后，电力电子设备的输出特性不断变化，导致电网电压持续变化，电压变化又可能引发其余电力电子设备输出特性的变化，在电磁暂态时间尺度内引起故障在区域内或跨区域传播扩散。电力电子化电力系统中呈现一种具有明显的电压主导特征的连锁故障。故障的连锁演化不再仅由结构破坏、潮流转移或保护控制不正确动作所引发，电网电压的持续变化成为故障连锁演化的原因。电压主导型连锁故障的产生机理和表现形式与传统连锁故障存在区别。现有连锁故障研究方法致力于刻画线路过载和继电保护动作下电网潮流分布变化与连锁故障之间的关系，无法反映电压持续变化中设备运行状态变化，难以适用于电压主导型连锁故障。
4、综上所述，如何考虑电力电子设备间以及设备与电网间经电压耦合的过程，从电压角度充分分析电压主导型连锁故障演化机理，并针对电压主导型连锁故障提出路径搜索方法，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，该方法通过构建电压响应事件-电网多层耦合网络，计算电压响应事件关联权重，辨识后续电压响应事件，进而解决系统中电压主导型连锁故障的路径搜索问题，用以更好的为电力电子化电力系统的运维提供技术支持。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
3、电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，包括以下步骤：
4、s1、采集电力电子化电力系统中电力电子设备的当前工作参数，确定当前电力系统中各电压响应事件的动作状态；
5、s2、根据所述电压响应事件的动作状态，确定电力系统中各电压响应事件的关联过程及其对应的相关系数；
6、s3、根据电压响应事件的关联过程及其相关系数，构建电压响应事件-电网多层耦合网络；所述电压响应事件-电网多层耦合网络用于表示电网节点与电压响应事件之间的关联关系以及各关联关系的权重值；
7、s4、建立基于所述电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型；
8、s5、采用马尔科夫链蒙特卡洛方法，对基于所述电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型进行游走搜索求解，确定电力系统中各电压响应事件出现的先后顺序；
9、s6、按照电压响应事件出现的先后顺序串联判定电力电子化电力系统中电压主导型连锁故障的路径，完成故障路径搜索。
10、具体而言，步骤s1中，电压响应事件的动作状态包括启动、触发、保持、中止，任意电压响应事件i的动作状态按以下方式确定：
11、
12、式中，stai表示电压响应事件i的动作状态；cui和cti分别为电压响应事件i的电压状态变量和时间状态变量；
13、其中，电压响应事件i的电压状态变量cui和时间状态变量cti具体按以下方式确定：
14、
15、式中，ui为电压响应事件对应的电力电子设备并网节点电压；cuthi表示电压响应事件i的电压范围；tthi表示电压响应事件i的动作时间；tcui表示电压响应事件i电压状态变量的变化时刻；t为当前时刻。
16、具体而言，步骤s2中，电压响应事件的关联过程包括电压响应事件触发或中止与功率交换的关联、功率交换与电压变化的关联、电压变化与电压响应事件启动或保持的关联、电压响应事件启动或保持与触发或中止的关联；
17、电压响应事件关联过程对应的相关系数包括电压响应事件i触发或中止与电网节点p功率交换的相关系数、电网节点p功率交换与电网节点q电压变化的相关系数、电网节点q的电压变化与电压响应事件j启动或保持的相关系数、电压响应事件j启动或保持与触发或中止的相关系数。
18、具体而言，步骤s2中，电压响应事件i触发或中止与电网节点p功率交换的相关系数按以下方式计算：
19、
20、电网节点p功率交换与电网节点q电压变化的相关系数按以下方式计算：
21、
22、电网节点q的电压变化与电压响应事件j启动或保持的相关系数按以下方式计算：
23、
24、电压响应事件j启动或保持与触发或中止的相关系数按以下方式计算：
25、
26、其中，ep表示节点p的电力电子设备的电压响应事件集合；αip＝0表示电压响应事件i与电网节点p功率无关联；αip＝1则表示表明电压响应事件i与电网节点p功率直接关联；δuq为电网节点q的电压变化量；δpp、δqp分别表示电力电子设备与电网节点p的有功、无功功率交换变化量；kp和kq分别表示有功电压灵敏度和无功电压灵敏度的权重；c表示相关系数偏置系数；τj表示电压响应事件j的剩余动作时间，为事件动作时刻与当前时刻之差。
27、具体而言，步骤s3中，按以下方式建立电压响应事件-电网多层耦合网络：
28、cn＝(n∪e,cx,wx)；
29、其中，n＝{n1,n2,…,nk}表示电力电子设备接入的电网节点集合，k为电力电子设备接入的电网节点集合数；e＝{e1,e2,…,em-1,em}表示电压响应事件集合，m为电压响应事件数；wx表示多层耦合网络关联关系权重值矩阵；
30、所述电压响应事件-电网多层耦合网络包括电网节点关联网络、电压响应事件关联网络、电压响应事件与电网节点有向关联网络、电网节点与电压响应事件有向关联网络4个单层关联网络，cx为电压响应事件-电网多层关联关系集合，且cx＝cnn∪cee∪cne∪cen，其中，cnn为电网节点关联网络lnn的关联关系集合、cee为电压响应事件关联网络lee的关联关系集合、cen为电压响应事件与电网节点有向关联网络len的关联关系集合、cne为电网节点与电压响应事件有向关联网络lne的关联关系集合，分别按以下方式确定：
31、电网节点关联网络lnn的关联关系集合cnn为所有n(p)→n(q)关联关系构成的集合，其中n(p)→n(q)表示电网节点p与电网节点q间的关联关系，n(p)和n(q)分别表示电网节点p与电网节点q；
32、电压响应事件关联网络lee的关联关系集合cee为所有e(i)→e(j)关联关系构成的集合，其中e(i)→e(j)表示电压响应事件i与电压响应事件j间的关联关系，e(i)和e(j)分别表示电压响应事件i与电压响应事件j；
33、电压响应事件与电网节点有向关联网络len的关联关系集合cen为所有e(i)→n(p)关联关系构成的集合，其中e(i)→n(p)表示电压响应事件i与电网节点p之间的有向关联关系；
34、电网节点与电压响应事件有向关联网络lne的关联关系集合cne为所有n(q)→e(j)关联关系构成的集合，其中n(q)→e(j)表示电网节点q与电压响应事件j之间的有向关联关系。
35、具体而言，所述电网节点关联网络lnn、电压响应事件关联网络lee、电压响应事件与电网节点有向关联网络len、电网节点与电压响应事件有向关联网络lne分别表示为：
36、lnn＝(n,cnn,wnn)；
37、lee＝(e,cee,wee)；
38、len＝(e∪n,cen,wen)；
39、lne＝(n∪e,cne,wne)；
40、式中，wnn为电网节点之间关联关系的权重值矩阵；wee为电压响应事件未知关联关系的权重值矩阵；wen为电压响应事件与电网节点有向关联关系的权重值矩阵；wne为电网节点与电压响应事件有向关联关系的权重值矩阵；所述多层耦合网络关联关系权重值矩阵wx由wnn、wen、wne、wee构成，表示为：
41、
42、具体而言，所述电网节点之间关联关系的权重值矩阵wnn、电压响应事件与电网节点有向关联关系的权重值矩阵wen、电网节点与电压响应事件有向关联关系的权重值矩阵wne、电压响应事件未知关联关系的权重值矩阵wee中的权重值，分别按以下方式确定：
43、
44、式中，wnn(p,q)∈wnn表示电网节点p与电网节点q间的关联关系的权重值，βpq为电网节点p功率交换与电网节点q电压变化的相关系数；wen(i,p)∈wen表示电压响应事件i与电网节点p之间的有向关联关系的权重值，αip为电压响应事件i触发或中止与电网节点p功率交换的相关系数；wne(q,j)∈wne表示电网节点q与电压响应事件j之间的有向关联关系的权重值，θqj为电网节点q的电压变化与电压响应事件j启动或保持的相关系数；γj为电压响应事件j启动或保持与触发或中止的相关系数；wee(ei)∈wee表示电压响应事件i与电力系统中其他电压响应事件之间的未知关联关系的权重值向量；wee(ei)中的第j个元素wp(ei,ej)表示任意电压响应事件i发生后，电压响应事件j与电压响应事件i之间关联关系的权重值，为未知量，需通过求解确定。
45、具体而言，步骤s4中，基于电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型按以下方式建立：
46、
47、式中，cn为电压响应事件-电网多层耦合网络；mp为随机游走元路径；vinit为游走的初始节点；wpath(vinit)表示从初始节点vinit出发，在元路径mp的不同游走路径权重值矩阵；e、n分别表示电压响应事件-电网多层耦合网络中的电压响应事件节点和电网节点。
48、具体而言，步骤s5中，对基于所述电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型进行游走搜索求解的方式为：
49、以动作状态为启动的电压响应事件为粒子随机游走的初始节点，根据电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型，按照元路径e→n→n→e，采用马尔科夫链蒙特卡洛方法随机选择每一次游走的下级节点，计算相应游走路径权重，由此遍历获得当前的初始节点vinit与其他各不同电压响应事件作为游走路径终点vend的游走路径权重，作为当前初始节点vinit的电压响应事件节点与其他电压响应事件之间关联关系的权重值，并依据关联关系的权重值由大到小的顺序，确定电力系统中各电压响应事件出现的先后顺序。
50、具体而言，所述步骤s5具体为：
51、s501、根据步骤s1确定的当前电力系统中各电压响应事件的动作状态，以动作状态stai为启动、且动作时间tthi最短的一个电压响应事件，为当前游走路径中粒子随机游走的初始节点vinit；
52、s502、根据当前电力系统中各电压响应事件的动作状态，确定电力系统中当前各电压响应事件的关联过程及其对应的相关系数，得到电压响应事件-电网多层耦合网络当前的关联关系权重值矩阵；
53、s503、以当前的初始节点vinit为出发点，根据电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型，按照元路径mp＝e→n→n→e，采用马尔科夫链蒙特卡洛方法随机选择每一次游走的下级节点，计算相应游走路径权重：
54、wp(vinit,vend)＝w(vinit|vn1)·w(vn1|vn2)·w(vn2|vend)；
55、式中，wp(vinit,vend)为从初始节点vinit出发经元路径mp游走至作为游走路径终点vend的电压响应事件节点的游走路径权重，为待求解的未知量，表示了从初始节点vinit出发，在元路径e→n→n→e游走并在vend停止，其游走路径为vinit→vn1→vn2→vend的游走路径权重；vn1、vn2表示游走路径中经过的两个电网节点；w(vinit|vn1)表示从初始节点vinit游走到元路径中第一个电网节点vn1的游走路径权重，w(vn1|vn2)表示从元路径中第一个电网节点vn1游走到第二个电网节点vn2的游走路径权重，w(vn2|vend)表示从元路径中第二个电网节点vn2游走到游走路径终点vend的游走路径权重，均为能够通过电压响应事件-电网多层耦合网络的关联关系权重值矩阵计算确定的已知量；
56、由此遍历获得当前的初始节点vinit与其他各不同电压响应事件作为游走路径终点vend的游走路径权重，作为当前初始节点vinit的电压响应事件节点与其他电压响应事件之间关联关系的权重值；
57、s504、判断作为当前初始节点vinit的电压响应事件节点与其他电压响应事件之间关联关系的权重值是否均为0；若是，则判定结束游走搜索；否则，将关联关系的权重值最大的一个游走路径终点vend对应的电压响应事件判定为后续出现的一个电压响应事件；
58、s505、以所述后续出现的一个电压响应事件作为新的初始节点，重新采集电力电子化电力系统中电力电子设备的当前工作参数，重新确定当前电力系统中各电压响应事件的动作状态，并跳转返回步骤s502；
59、s506、循环执行步骤s502至s505，直至结束游走搜索，确定电力系统中各电压响应事件出现的先后顺序。
60、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
61、1、现有电力电子设备的故障分析技术仅关注到电压引起的电力电子设备运行状态变化以及电力电子设备运行状态通过电压相互影响的现象。而本发明方法，进一步结合考虑了电力电子设备间以及设备与电网间经电压耦合的过程，构建了电压响应事件-电网多层耦合网络，能够更加完整的反映电力系统故障的演化过程，辨识电压响应事件的出现顺序，串联判定电力电子化电力系统中电压主导型连锁故障的路径，进而解决系统中电压主导型连锁故障的路径搜索问题，用以更好的为电力电子化电力系统的运维提供技术支持。
62、2、现有技术仅适用于电力系统的过载主导型、结构主导型、配合主导型3类连锁故障，无法应用于电力电子大规模应用产生的电力系统电压主动型连锁故障。本发明方法根据电压主导型连锁故障与过载主导型、结构主导型、配合主导型连锁故障物理机理的区别，提出适用于电压主导型连锁故障的连锁故障路径搜索方法，对电力电子化电力系统中电压主导型连锁故障的路径辨识判定更加准确，具有很好的技术实施适用性和有效性。
1.电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，步骤s1中，电压响应事件的动作状态包括启动、触发、保持、中止，任意电压响应事件i的动作状态按以下方式确定：
3.根据权利要求1所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，步骤s2中，电压响应事件的关联过程包括电压响应事件触发或中止与功率交换的关联、功率交换与电压变化的关联、电压变化与电压响应事件启动或保持的关联、电压响应事件启动或保持与触发或中止的关联；
4.根据权利要求3所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，，其特征在于，步骤s2中，电压响应事件i触发或中止与电网节点p功率交换的相关系数按以下方式计算：
5.根据权利要求1所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，步骤s3中，按以下方式建立电压响应事件-电网多层耦合网络：
6.根据权利要求5所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，所述电网节点关联网络lnn、电压响应事件关联网络lee、电压响应事件与电网节点有向关联网络len、电网节点与电压响应事件有向关联网络lne分别表示为：
7.根据权利要求6所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，所述电网节点之间关联关系的权重值矩阵wnn、电压响应事件与电网节点有向关联关系的权重值矩阵wen、电网节点与电压响应事件有向关联关系的权重值矩阵wne、电压响应事件未知关联关系的权重值矩阵wee中的权重值，分别按以下方式确定：
8.根据权利要求1所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，步骤s4中，基于电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型按以下方式建立：
9.根据权利要求1所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，步骤s5中，对基于所述电压响应事件-电网多层耦合网络元路径的随机游走模型进行游走搜索求解的方式为：
10.根据权利要求9所述的电力电子化电力系统电压主导型连锁故障路径搜索方法，其特征在于，所述步骤s5具体为：
