電力系統(tǒng)風(fēng)險評估綜述

1、電力系統(tǒng)風(fēng)險評估綜述引言隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，電力系統(tǒng)取得了巨大聯(lián)網(wǎng)效益，但是同時 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜，進而導(dǎo)致發(fā)輸電元件的故障率不斷增加，電網(wǎng)運行 中的不確定性和隨機性問題也越來越突出，對電力系統(tǒng)安全分析的要求也 越來越高。電力系統(tǒng)運行風(fēng)險評估的目的是為了評估擾動事件對系統(tǒng)的潛在影響程度，評估的內(nèi)容主要包括擾動事件發(fā)生的可能性與嚴重性兩個方面的問 題。這一概念由CIGRE于1997年在文獻1中第一次明確地提出，其目 的是要對電力系統(tǒng)運行中的不確定性進行定量化分析。McCalley在文獻2中對運行風(fēng)險評估的內(nèi)涵和重要性進行了較全面的論述。具體來所，其目 的是為了讓調(diào)度運行人員更好的了解電網(wǎng)的

2、運行狀況及采取每項決策所 要承擔(dān)的風(fēng)險，首先是評估電力系統(tǒng)運行中的不確定性因素，建立風(fēng)險指 標體系，然后是研究在調(diào)度運行中如何應(yīng)對風(fēng)險、合理決策，例如基于風(fēng) 險的最優(yōu)潮流等3?；靖拍?定義文獻4中，著名電力專家Vittal給出了風(fēng)險評估的基本定義，即對電力 系統(tǒng)面臨的不確定性因素，給出可能性與嚴重性的綜合度量，其數(shù)學(xué)表達式 為R （X ） = z P（E ）x S（E , X ）isk fr i ev i f（1）式中:.Xf表示系統(tǒng)的運行方式；E表示第i個故障；P（E）表示故障E.發(fā)生的概率；evXf 表示在Xf的運行方式下發(fā)生第i個故障后系統(tǒng)的嚴重程度；Rsk （X表示系統(tǒng)在X f運行方

3、式下的運行風(fēng)險指標。文獻4中指出，區(qū)別于電網(wǎng)確定性分析方法，運行風(fēng)險分析實質(zhì)上是傳統(tǒng)可靠性研究與電網(wǎng)調(diào)度自動化的有機結(jié)合與提升。2風(fēng)險評估與傳統(tǒng)安全分析的關(guān)系對電力系統(tǒng)安全的研究經(jīng)歷了確定性評估方法、概率評估方法和風(fēng)險 評估方法三個階段。傳統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)（EMS）一直采用的是確定性模型及其分析方法， 即最多在確定預(yù)想事故集時將最有可能發(fā)生的預(yù)想事故多考慮進來，按經(jīng) 驗來考慮事故發(fā)生的可能性但并未進行量化分析，但是實際上電力系統(tǒng)運 行中存在著很多不確定因素，采用確定性模型并不能嚴格描述電力系統(tǒng) 的。雖然傳統(tǒng)的EMS也是基于全局分析，但無法給出全網(wǎng)的不確定性量 化指標，運行風(fēng)險評估與之相比在于其

4、科學(xué)性，運行風(fēng)險指標既反映擾動 發(fā)生的可能性又計及其影響后果的嚴重性，因而科學(xué)合理。運行風(fēng)險評估與傳統(tǒng)電力可靠性分析都是用來研究電力系統(tǒng)的不確定 性，所使用的不確定性模型是基本一致的，文獻5 中，從應(yīng)用數(shù)學(xué)全空間 認識的角度來看指出，風(fēng)險評估問題與傳統(tǒng)可靠性問題所要解決的模型是 基本一致的。其主要區(qū)別是應(yīng)用場合不同，基于概率的不確定性分析最早 的應(yīng)用是發(fā)電系統(tǒng)概率可靠性評估、發(fā)輸電組合系統(tǒng)概率可靠性評估，其 主要應(yīng)用領(lǐng)域是電力系統(tǒng)中長期規(guī)劃，適用于規(guī)劃設(shè)計部門。運行風(fēng)險評 估面向調(diào)度運行部門，其主要功能是由當(dāng)前的電網(wǎng)運行方式和設(shè)備信息來 預(yù)測未來短時間內(nèi)的運行風(fēng)險信息并給出預(yù)防控制策略。主要內(nèi)

5、容電力系統(tǒng)風(fēng)險評估主要包括以下幾個方面的內(nèi)容6:確定元件停運模型；選擇系統(tǒng)狀態(tài)和計算他們的概率；評估所選狀態(tài)的后果；計算風(fēng)險指標；依據(jù)風(fēng)險指標進行輔助決策。電力系統(tǒng)由大量的發(fā)電機、架空輸電線路、電纜、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)以及無功補償設(shè)備等組成。元件停運是系統(tǒng)失效的根本原因，系 統(tǒng)風(fēng)險評估首先要確定元件的停運模型。建立科學(xué)合理的電力系統(tǒng)設(shè)備元 件停運模型，并正確求取元件處于各考察狀態(tài)的概率，是進行電力系統(tǒng)運 行風(fēng)險評估的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)元件的停運模型見圖17。文獻6中在傳統(tǒng)的風(fēng)險評估增加考慮元件失效模型，研究了老化失效的建模方法并 給出了應(yīng)用實例。建立或簡化停運模型時，重要的是理解一個失

6、效事件怎 樣發(fā)生，會產(chǎn)生什么樣的影響，以及失效元件如何恢復(fù)運行。修綏思迫失效強迫停運1不屯修夏抿迫失效I獨立停運半強迫停運計劃停運部分失效模式I多重停運模式共因停運無件組停運電站相關(guān)停運相關(guān)停運電鎖停運I壞境相依失效圖表1停運模型劃分風(fēng)險評估的第二項工作室選擇系統(tǒng)失效狀態(tài)并計算他們的概率。有兩 種選擇狀態(tài)的方法：狀態(tài)枚舉和蒙特卡羅模擬。通常，如果元件的失效概 率很小，或不考慮復(fù)雜的運行工況，則狀態(tài)枚舉法效果較好；如果嚴重事件的數(shù)量相對較大，或計及復(fù)雜運行工況時，則往往首選蒙特卡羅模擬法。 風(fēng)險評估的第三項工作是進行失效狀態(tài)分析，以及評估他們的后果。根據(jù)所研究系統(tǒng)的不同，分析過程可能是簡單的功率

7、平衡，或者是網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)的連通性識別，抑或是包括潮流、優(yōu)化潮流，甚至?xí)簯B(tài)和電壓穩(wěn)定性分 析在內(nèi)的計算過程。狀態(tài)分析主要包括概率穩(wěn)定性和概率充分性分析兩大部分。目前概率充分性分析大都基于直流潮流或交流潮流8，文獻5中進一步提出運用動態(tài)潮流進行概率充分性評估。第二、三項工作完成之后獲得信息即可建立起表征系統(tǒng)風(fēng)險的指標。對于不同的要求，可能存在不同的風(fēng)險指標。可將電力系統(tǒng)風(fēng)險評估按照 系統(tǒng)狀態(tài)分析的性質(zhì)，區(qū)分為系統(tǒng)充裕性和系統(tǒng)安全性兩個方面。充裕性 一般只涉及到穩(wěn)態(tài)分析，安全性則要求暫態(tài)、動態(tài)和電壓穩(wěn)定性分析。通過對電網(wǎng)運行方式及設(shè)備元件的狀態(tài)分析及風(fēng)險指標的計算，決策者根據(jù)各種倒閘或者切負荷的風(fēng)險指

8、標，能夠從多種可選操作中選取最優(yōu) 操作，使得系統(tǒng)運行狀態(tài)風(fēng)險最小，可靠性更高。研究進展及現(xiàn)狀1元件級的風(fēng)險評估元件失效作為系統(tǒng)出現(xiàn)故障的根本原因，與傳統(tǒng)可靠性安全分析類似，基于風(fēng)險的安全評估首先考慮的也是元件的風(fēng)險評估。，但與以往元件可靠性研究不同的是，元件風(fēng)險評估不僅要進行數(shù)學(xué)模型的建立，而且還需 要開發(fā)實時的監(jiān)測系統(tǒng)、統(tǒng)計一次設(shè)備故障后采購新設(shè)備的成本，并進行 一些測量實驗。1.1架空線路的風(fēng)險評估文獻9，10提出，設(shè)計部門關(guān)注于得到一個允許載流量的“定值”，而調(diào)度部門應(yīng)關(guān)注隨著實時溫度和風(fēng)速情況的變化值”，進而在線調(diào)整線路的功率上限。文獻9中的風(fēng)險評估重點考慮了架空導(dǎo)線通過電流時的 下垂

9、（對應(yīng)故障后系統(tǒng)切負荷等損失的成本）和強度降低（線路壽命降低后 重建線路的成本）的影響，夕卜部條件主要考慮的是風(fēng)速和氣溫的概率分布。 文獻10在文獻9的基礎(chǔ)上，在假設(shè)6d以內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向和外界溫度等條 件已知的前提下，首先給出未來1h氣象預(yù)報的概率分布，結(jié)合未來1h線路 上通過的載流量的概率分布，然后用蒙特卡羅仿真來求線路溫度的期望 值。與文獻9對風(fēng)險的表達方式不同，文獻10的風(fēng)險是直接給出了故障 概率值，而不再計算經(jīng)濟損失。該方法的難點是較難正確給出氣象預(yù)報和 溫度等的概率分布。另外，如果在線不斷變化線路的允許功率上限，對調(diào) 度中心需要一個適應(yīng)過程。另外，電流流過輸電線路產(chǎn)生熱量，一方面會

10、使導(dǎo)體失去機械強度，另一方面會使導(dǎo)線膨脹增加線垂。1.2變壓器的風(fēng)險評估設(shè)計部門關(guān)心的是根據(jù)變壓器過載運行時自身的溫度以及在此溫度下 絕緣材料的老化程度，將它作為過載的限制條件，并計算過載能力。文獻 11提出，調(diào)度部門應(yīng)關(guān)注變壓器超載后繞組有效壽命降低和變壓器整體 絕緣毀壞的風(fēng)險。該文獻在變壓器運行容量分析中考慮了負荷與外界溫度 有關(guān)的不確定性，認為變壓器繞組有效壽命降低的風(fēng)險可用與替換繞組的 成本相關(guān)的資金來計算，而變壓器整體絕緣毀壞的風(fēng)險則由更換整個變壓 器的成本來計算。2系統(tǒng)級風(fēng)險評估基于風(fēng)險的安全評估首先要詳細分析系統(tǒng)運行的不確定性，提高人們 對電網(wǎng)安全的認識水平。目前研究將系統(tǒng)的不確

11、定性分離成靜態(tài)安全風(fēng) 險、靜態(tài)電壓穩(wěn)定風(fēng)險、暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險等幾個側(cè)面來進行，并進行了基于 風(fēng)險的安全域分析，另外動態(tài)電壓穩(wěn)定風(fēng)險以及綜合性的安全分析按評估 的研究還未涉及。文獻12中基于效用理論構(gòu)造了故障的嚴重度模型，能 夠有效的區(qū)分低損失、高概率故障和高損失、低概率故障，并提出了新的 風(fēng)險評價指標：過負荷風(fēng)險指標、低電壓風(fēng)險指標、電壓崩潰風(fēng)險指標、 功角失穩(wěn)風(fēng)險指標。2.1靜態(tài)安全評估電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估與傳統(tǒng)的可靠性評估相類似，是對系統(tǒng)的靜態(tài)安全分析，是基于概率分析的評估方法。文獻13中提出了建立風(fēng)險嚴重表達式的6個原則，即簡潔、能反映出不同問題的特征、能反映出問題的 嚴重程度、不應(yīng)涉及事故

12、后調(diào)度員的發(fā)電在調(diào)度過程、用調(diào)度員可以直觀理解的表達方式、與確定性的決策準則相聯(lián)系以便調(diào)度員接受。文獻14中基于可靠性理論，用故障枚舉和概率抽樣相結(jié)合的算法計算計算了停電 風(fēng)險指標。文獻15基于風(fēng)險理論評估了電力系統(tǒng)脆弱性，并給出了新英 格蘭39節(jié)點系統(tǒng)的算例。2.2電壓穩(wěn)定評估系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)生電壓穩(wěn)定性事故的可能性就會增大?；陲L(fēng)險的電壓穩(wěn)定評估所要解決的問題是：運行條件變化前后風(fēng)險如何變化?如何綜合考慮電壓穩(wěn)定風(fēng)險和為了減小此風(fēng)險所需付出的代價?文獻16作了這方面的初步探索，所定義的嚴重性后果包括2個方面：一是為了避開電壓崩潰而進行切負荷等調(diào)度操作的經(jīng)濟評估；二是一旦出現(xiàn)電壓崩潰， 此

13、時會造成的全系統(tǒng)的停電損失。2.3暫態(tài)穩(wěn)定評估系統(tǒng)運行條件可以分為正常、警戒、緊急、極端和恢復(fù)等5種狀態(tài)。從某種意義上來看，正常態(tài)和警戒態(tài)之間并沒有根本性的區(qū)別，因為某些嚴重的不確定性事件（例如保護拒動弓I起的波及性連鎖故障）都可能使這兩種 狀態(tài)變?yōu)榫o急。基于風(fēng)險的暫態(tài)穩(wěn)定評估所要解決的問題是：在給定的運 行方式下，針對發(fā)生故障的可能性及其嚴重性后果，計算出系統(tǒng)所處的風(fēng) 險水平。與其他確定性暫態(tài)穩(wěn)定評估方法相比，它是在確定性評估上的一 種發(fā)展。對于某一個特定的運行方式和擾動而言，所使用的時域仿真等算 法是一樣的，區(qū)別在于它進一步對擾動的不確定性因素進行定量評估。文 獻17通過分析故障切除時間的

14、統(tǒng)計特性和不同類型故障的嚴重程度提出 了基于歸一化折態(tài)能量函數(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定性概率評估策略。2.4安全域分析在基于風(fēng)險的安全評估的安全域分析中，需要研究負荷變化和故障發(fā)生后隨機性的安全域可視化表達。其難點在于安全域是高維的，要在2維或者3維空間表達十分困難。另外，安全域也難以快速計算。文獻18以一個4節(jié)點的小系統(tǒng)為例闡明其理論，重點分析了在涉及風(fēng)險計算條件下的 安全域變化情況。該方法借鑒了發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析中機組容量停運模型 累積狀態(tài)的研究思路。3基于可信性理論的風(fēng)險評估電力系統(tǒng)元件的故障同時包含隨機性和模糊性，因而其不確定性也同 時包含隨機性和模糊性，進行隨機性和模糊性的綜合評估一直是一個困難

15、問題?？尚判岳碚撌?004年基礎(chǔ)數(shù)學(xué)領(lǐng)域完成的數(shù)學(xué)分支，給出了基于測 度論的模糊論的公理化體系，并提出了隨機性與模糊性的綜合評估的嚴格 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。文獻19中詳細介紹了可信性理論中的基本公理、可信性測度、模糊變量期望值、隨即模糊變量期望值等基本內(nèi)容，并介紹了應(yīng)用于電力系統(tǒng) 的方法。文獻20將可信性理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)風(fēng)險評估，采用隨即模糊 變量期望值表示全系統(tǒng)的運行風(fēng)險指標，提出了基于可信性理論的運行風(fēng) 險評估算法，并將該算法應(yīng)用于WSCC9節(jié)點系統(tǒng)。并開發(fā)了同時具備串行 和并行運行模式的風(fēng)險評估軟件，在金華電網(wǎng)得到初步應(yīng)用。文獻21中在缺乏歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下，將故障率視為模糊變量，并利用人工經(jīng)

16、驗 給出其隸屬度函數(shù)的方法，為電力系統(tǒng)運行風(fēng)險評估的建模提供一種有效 的解決途徑。4基于證據(jù)理論和效用理論的風(fēng)險評估文獻22在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)之上基于證據(jù)理論詳細構(gòu)造了架空線 路的故障可能性模型，能更好的反映外部環(huán)境對線路故障可能性影響，基 于效用理論提出一種新的故障嚴重度評價模型，度量電力系統(tǒng)元件損失帶 來的不滿意程度，所給出的指標能靈敏的反映電力系統(tǒng)故障風(fēng)險的變化趨 勢。文獻中將方法應(yīng)用于北京電網(wǎng)2007年夏季和冬季最大運行方式，基于 北京電網(wǎng)1998-2007年線路事故統(tǒng)計信息和其他統(tǒng)計資料建立了正常天 氣和惡劣天氣下架空線路故障的可能性模型，分別給出了系統(tǒng)的風(fēng)險指 標，并對風(fēng)險指標的

17、靈敏度和算法的計算效率進行了分析，驗證了方法的 可行性和有效性。結(jié)論電力系統(tǒng)風(fēng)險評估研究的難點主要包括一下方面： 電力系統(tǒng)的不 確定性具有多種形式，要正確描述需要更好的電網(wǎng)模型；由于電力系 統(tǒng)的復(fù)雜性，其安全水平并可能由單一指標來表征，需要多個側(cè)面建立指 標體系，因此，如何建立科學(xué)、全面體現(xiàn)電網(wǎng)運行風(fēng)險的指標體系，需要 深入研究；風(fēng)險指標往往不具有解析表達式，而且基于風(fēng)險的決策優(yōu)化 的計算量非常大，因此，如何提高決策優(yōu)化算法的計算效率是一個長期的 努力方向。另外，最初電力系統(tǒng)風(fēng)險評估的提出是為了解決在電力市場化后如何 使電網(wǎng)運行在更低的安全裕度下獲得更大的收益，但是，運行風(fēng)險技術(shù)可 以從系統(tǒng)和

18、設(shè)備兩個層面對導(dǎo)致系統(tǒng)故障的累積性風(fēng)險因素和突發(fā)性風(fēng) 險因素進行建模，因此可以應(yīng)用到狀態(tài)檢修決策優(yōu)化等領(lǐng)域。主要涉及了 基于風(fēng)險的最優(yōu)潮流(OPF)、決策、防止連鎖故障和檢修計劃。這方面的 研究應(yīng)該是一個值得長期關(guān)注的領(lǐng)域。CIGRE Task Force 38 03 .12 .Power system security assessment .aposition paperJ . Electra , 1997 , (175) : 49-77 .McCalley J D , Vittal V , AbiSamra N . An overview of risk basedsecurity as

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