計及氣象因素的電網靜態安全指標體系

葉劍華，林濟鏗，胡世駿，劉輝，袁啟海，于建成

（1．天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.同濟大學電子與信息工程學院，上海201804；3.國網安徽省電力公司，合肥230061；4.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京110179；5.國網天津市電力公司，天津300010）

式中：La為線路a的潮流；LF，max為斷面F的最大傳輸功率極限；QFOF為斷面F傳輸潮流的越限程度，若其值為負，則斷面F潮流不越限。

系統靜態安全評估指標中系統靜態安全評估指標的相互關系如圖1所示。這些指標可從支路、節點和斷面3個層次對當前系統狀態的靜態安全性進行全方位地評估。

計及氣象因素的電網靜態安全指標體系

葉劍華1，林濟鏗2，胡世駿3，劉輝3，袁啟海4，于建成5

（1．天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.同濟大學電子與信息工程學院，上海201804；3.國網安徽省電力公司，合肥230061；4.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京110179；5.國網天津市電力公司，天津300010）

針對目前計及氣象因素的電網靜態安全風險評估指標只涉及系統靜態安全的某個或數個方面，尚沒有一個完整評估指標體系的問題，提出了一個包括靜態安全評估指標、運行風險評估指標以及電網薄弱點評估指標在內的電網靜態安全風險評估完整指標體系，實現了氣象因素對于電網靜態安全風險影響的全方位評估。安徽電網的算例證明了所提電網靜態安全風險評估框架體系的有效性和正確性。

氣象因素；風險評估；指標體系；靜態安全

電網靜態安全評估已逐漸成為實際電力能量管理系統EMS（energy management system）中保證安全運行的重要功能之一，其中基于風險的電網靜態安全評估同時考慮了故障發生的可能性和故障造成后果的嚴重性，得到了越來越多的重視[1]。

對電網的靜態安全風險進行全面的評估，需要構建完善的風險評估指標體系。目前國內外對風險評估指標體系已進行了相關研究。文獻[2-3]在線風險評估基于自定義的嚴重度函數，計算出了線路過負荷、低電壓、電壓失穩及連鎖過負荷的風險指標；文獻[4]對文獻[2]的指標進行了改進，可進行概率穩定性和充分性的風險評估；文獻[5-7]提出了基于可信性理論的運行風險評估算法，給出了8種運行風險指標，包括過負荷、電壓越限、頻率越限、失負荷和功角失穩風險；文獻[8]計算出電壓風險指標及指標的變化率，再通過模糊推理合成電壓脆弱性指標；文獻[9]采用模糊性-概率性相結合的建模技術對系統元件的停運參數及負荷曲線建模，采用電量不足期望值和切負荷概率作為風險評估指標；文獻[10]將污閃嚴重度定義為污閃電壓越限嚴重度函數、污閃頻率越限嚴重度函數和污閃過負荷嚴重度函數的加權和；文獻[11]提出了電力系統的分割多目標風險分析框架，通過條件期望風險指標可全面了解不同損失范圍下的風險分布及轉移情況。

綜上可知，目前計及氣象因素的電網靜態安全風險評估指標基本上均是針對系統靜態安全的某一個或數個方面提出相應指標進行評估，并沒有一個包括靜態安全的所有各個方面的完整評估指標體系。對于輸電網而言，電網關鍵斷面的安全狀態對于系統運行的安全性均起著重要作用，迄今也很少有相關文獻提出有效評估方法。因此，本文提出了計及氣象因素的包括靜態安全評估指標、運行風險評估指標以及電網薄弱點評估指標在內的電網靜態安全風險評估完整指標體系。該指標體系涵蓋了系統評估指標和斷面評估指標兩大類，并通過薄弱點評估指標對薄弱點進行辨識，實現了氣象因素對電網靜態安全風險影響的全方位評估。安徽電網的算例證明了本文所提電網靜態安全風險評估框架體系的有效性和正確性。

1 系統靜態安全評估指標及系統靜態安全告警

通過數據采集與監控系統SCADA（supervisory control and data acquisition，）采集的實時量測，由狀態估計獲得電網當前的狀態信息，通過靜態安全評估指標的計算得到電網當前狀態下風險較高的支路、節點和斷面，為調度運行人員提供決策依據。定義的靜態安全評估指標如下。

1）支路潮流越限量QBO（quantity of branch overload）

式中：La為支路a的潮流；La，max為支路a允許的最大傳輸潮流；QBOa為支路a潮流越限的嚴重程度，若其值為負，則支路a潮流不越限。

2）節點電壓越限量QNVV（quantity of node voltage violation）

式中：Vb為節點b的電壓；Vb，max為節點b電壓的上限值；Vb，min為節點b電壓的下限值；QNVVb為節點b電壓越限的嚴重程度，若其值為負，則節點b電壓不越限。

3）斷面潮流越限量QFO（quantity of flowgate overload）

式中：La為線路a的潮流；LF，max為斷面F的最大傳輸功率極限；QFOF為斷面F傳輸潮流的越限程度，若其值為負，則斷面F潮流不越限。

系統靜態安全評估指標中系統靜態安全評估指標的相互關系如圖1所示。這些指標可從支路、節點和斷面3個層次對當前系統狀態的靜態安全性進行全方位地評估。

圖1 靜態安全評估指標結構Fig.1Structure of steady security assessment indices

2 計及氣象影響的運行風險評估指標及運行風險告警

在氣象災害（如雷電、大風）期間電網各元件（輸電線、變壓器）所處的氣象條件通常并不相同，因而其故障（停運）概率也有所不同，電網狀態也有所差別，相應的運行風險也不一樣。運行風險評估的目的是找出風險較大即其概率和后果乘積較大的系統狀態，并將系統狀態按風險指標大小進行降序排列，為調度人員提供當前風險較大的系統狀態信息。

假設p0j（t）和p1j（t）分別為t時刻元件j處于運行和停運狀態的概率，即

式中，p1（jt）可由論文《計及氣象因素的電網靜態安全評估框架及模型》中的氣象停運概率模型獲得。

設系統狀態S中，處于運行狀態的元件構成集合C0，處于停運狀態的元件構成集合C1，則t時刻系統狀態S的概率為

若電網中元件個數為N，則總的系統狀態個數NT=2N。若N較大，則NT非常大，對所有系統狀態進行風險評估不現實。本文從NT個系統狀態中選擇出概率最大的前NS個系統狀態進行風險評估。

前NS個概率最大系統狀態中的任意系統狀態S的運行風險指標為

式中：Risk（S）為系統狀態S的運行風險指標；pS為系統狀態S的概率；Sev（S）為系統狀態S的后果，反映系統狀態中停運故障發生的嚴重性。根據關注的評估范圍定義后果，可將風險評估指標分成兩大類，一類是系統風險評估指標，另一類是斷面風險評估指標。

2.1 系統風險評估指標及系統風險告警

1）系統潮流安全裕度MSFS(margin of system flow security)

式中：MSFSS為系統沒有線路過載時所有線路潮流的總安全裕度；A為系統中的線路集合。

2）系統電壓安全裕度MSVS（margin of system voltage security）

式中：MSVS為所有母線電壓的總安全裕度；MSHVSS、MSLVSS分別為系統電壓的安全裕度上、下限，表示為

3）系統潮流過載度DSO（degree of system overload）

式中，DSOS為所有線路潮流的總過載風險，若無線路過載，則DSOS為0。

4）系統電壓越限度DSVV（degree of system voltage violation）

式中：DSVVS為所有母線電壓的總越限風險，若無節點電壓越限，則DSVVS為0；DSHVVS、DSLVVS分別為系統電壓上、下越限，表示為

5）系統綜合風險指標CSRI（composite system risk index）

式中，CSRIS為整個系統存在線路過載和母線電壓越限的綜合風險。

2.2 斷面風險評估指標及斷面風險告警

1）斷面潮流安全裕度MFFS（margin of flowgate flow security）

式中：MFFSS為斷面F中沒有線路過載時所有線路潮流的總安全裕度；LF，max為斷面F的最大傳輸潮流；AF為斷面F中的線路集合。

2）斷面潮流過載度DFO（degree of flowgate overload）

式中，DFOS表示在系統狀態S下若斷面F傳輸的有功功率超過其傳輸功率極限，斷面F中傳輸的有功功率總的過載風險，即斷面F的傳輸功率的過載程度。

3）負荷增長斷面潮流轉移風險FFTRLI（flowgate flow transfer risk due to load increase）

運行風險評估指標的相互關系如圖2所示。

3 電網薄弱點評估指標及風險告警

調度運行人員特別關注電網中的運行薄弱點，包括潮流越限薄弱支路、電壓越限薄弱節點和潮流越限薄弱斷面。通過薄弱點評估指標對這些薄弱點進行辨識。

1）支路潮流累積越限度CDBO（cumulative degree of branch overload）

式中，DBO為支路a潮流越限的系統狀態集合；CDBOa為支路a在所有系統狀態下潮流累積越限的嚴重程度，其值越大，表明其是潮流越限薄弱支路的可能性就越大。

圖2 運行風險評估指標結構Fig.2Structure of operating risk assessment indices

2）節點電壓累積越限度CDNVV（cumulative degree of node voltage violation）

式中：DVV為節點b電壓越限的系統狀態集合；CDNVVb為節點b電壓累積越限的嚴重程度，其值越大，表明其是電壓越限薄弱節點的可能性就越大。

3）斷面潮流累積越限度CDFO（cumulative degree of flowgate overload）

式中：DFO為斷面F潮流越限的系統狀態集合；CDFOF為斷面F傳輸潮流累積越限的嚴重程度，其值越大，表明其潮流越限薄弱斷面的可能性就越大。

薄弱點評估指標的相互關系如圖3所示。

圖3 電網薄弱點評估指標結構Fig.3Structure of weak point assessment indices of power grid

4 算例分析

上述計及氣象因素的電網風險分析及評估系統已投入安徽電網實際試運行。取安徽電網2013-11-14T15：10：00的實時斷面進行分析，此時安徽電網的概況為：安徽電網220 kV變壓器等值到高壓側，500 kV聯絡線和1 000 kV特高壓聯絡線外省端作為平衡節點，共有385個節點，468條支路；發電總輸出功率為21 172 MW，省內總負荷為13 855 MW，省際送出約7 300 MW。安徽電網的實際應用情況如下。

1）不計氣象影響情況下的靜態安全評估

通過各支路正常運行的系統狀態進行潮流計算可獲得基態下的各靜態安全評估指標。按降序排列的前3位支路潮流越限量如表1所示。

表1 支路潮流越限量Tab.1Quantity of branch overload

由表1可知，所有支路潮流越限量都為負值，都沒有越限，即基態潮流是安全的。其中谷南2C19線路的安全裕度最小，卻高達28.14%，即系統潮流安全裕度很大。

按降序排列的前3位節點電壓越限量如表2所示。

表2 節點電壓越限量Tab.2Quantity of node voltage violation

由表2可知，只有220 kV桃州變的電壓越限量大于0，電壓越限，超過了藍色預警閾值，即給出藍色安全告警。這是因為所取安徽電網斷面為秋季低谷負荷，雖然整體潮流較輕，但局部潮流較重，如敬鳳4893/4894線路潮流為239MW，導致末端變電站-220 kV桃州變電壓偏低，與實際情況一致。

從電網實際運行的穩定限額手冊給出的斷面中選出2個斷面作為分析對象，設官山2號、3號主變構成斷面1；洛眾5301單線構成斷面2，則按降序排列的斷面潮流越限量如表3所示。

表3 斷面潮流越限量Tab.3Quantity of flowgate overload

由表3可知，2個斷面的潮流越限量都為負值，即所關注的2個斷面潮流都未越限，斷面1的潮流安全裕度較小，需對其進行密切關注。

2）計及氣象因素的靜態安全評估

由于冬季安徽地區很少有雷擊或巨風發生，為了驗證本文算法的有效性，本文取過往的安徽電網發生的因氣象因素導致線路停運事件做模擬仿真計算。

先考慮雷電的影響。山瀝5366線曾在2011-08-19T15：32：00發生雷擊跳閘，利用雷電定位系統采集的數據計算該線路的雷電停運概率為0.22，不考慮其重合閘成功的情況，此時該線路未受到微氣象的影響，即該線路的氣象停運概率為0.22，該系統其他線路的停運概率取平均停運概率10-5，變壓器支路的停運概率取平均停運概率10-6。

將系統狀態概率按降序排列后，只有山瀝5366線停運、其他支路正常運行的系統狀態概率最大，其他情況系統狀態概率都小于10-6，其風險可以忽略不計，故只計算該系統狀態的運行風險指標。

山瀝5366線停運系統狀態的系統風險評估指標如表4所示。由表4可知，該系統狀態的系統潮流安全裕度MSFS大于0，支路潮流都不越限（即系統潮流過載度DSO=0）；該系統狀態的系統電壓越限度DSVV大于0，存在節點電壓越限。因DSO=0，故其系統綜合風險指標CSRI=DSVV，其CSRI超過了黃色預警閾值，給出黃色風險告警。

表4 系統風險評估指標Tab.4System risk assessment indices

對山瀝5366線停運系統狀態，計算斷面1和斷面2的風險評估指標，如表5所示。

表5 斷面風險評估指標Tab.5Risk assessment indices of flowgates

由表5可知，在山瀝5366線停運系統狀態下斷面1的潮流安全裕度MFFS為0，即斷面1潮流越限，其潮流過載度DFO為7.02×10-3，超過了藍色預警閾值，給出藍色風險告警。其風險來源于在該系統狀態下山瀝5366線停運，其潮流將部分轉移到斷面1中，導致負載已經很重的斷面1潮流越限。斷面2的MFFS大于0，即潮流不越限，且安全裕度較大。其原因一方面是因為斷面2基態下的負載較輕，且與山瀝5366線的電氣距離很大，故山瀝5366線停運對斷面2的影響很小。對比斷面1和斷面2的FFTRLI833可知，節點833（220 kV楓嶺變）的負荷增長時斷面1的潮流轉移風險遠大于斷面2，這是因為節點833與斷面1的電氣距離遠小于與斷面2的距離。

各薄弱點評估指標計算中累積風險即為山瀝5366線停運系統狀態的風險，見表4和表5。

電網的微氣象靜態安全風險評估可依照上述雷電的影響進行分析，出于篇幅考慮，本文不再贅述。

5 結語

本文提出了計及氣象因素的包括靜態安全評估指標、運行風險評估指標以及電網薄弱點評估指標在內的電網靜態安全風險評估完整指標體系，將為調度運行人員客觀、真實和全面把握系統的當前靜態安全狀況起著非常積極的作用。安徽電網的算例證明了本文所提電網靜態安全風險評估框架體系的有效性和正確性。基于本文所研發的計及氣象因素的安徽電網風險評估及預警系統已通過試運行，即將投入正式運行，為安徽電網的氣象抗災發揮積極的作用。

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Index System of Steady Security of Power Grid Considering Meteorological Factors

YE Jian-hua1，LIN Ji-keng2，HU Shi-jun3，LIU Hui3，YUAN Qi-hai4，YU Jian-cheng5
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Electronics and Information，Tongji University，Shanghai 201804，China；3.State Grid Anhui Electric Power Company，Hefei 230061，China；4.Kedong Power Control System Company Limited，Beijing 110179，China；5.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010,China）

Current risk assessment indices of steady security of power grid considering meteorological factors only involves one or more facets of steady security.There is not a complete system of risk assessment indices including all the respects of steady security yet.A comprehensive system of risk assessment indices of power grid considering meteorological factors including steady security assessment indices,operating risk assessment indices and weak point assessment indices is presented.The system of indices realizes comprehensive assessment of the influence of meteorological factors to the steady security risk of power grid.The results of Anhui power grid demonstrate the validity and correctness of the proposed framework system of steady security risk assessment.

meteorological factor；risk assessment；index system；steady security

TM711

A

1003-8930（2014）09-0059-06

葉劍華（1979—），男，博士，講師，研究方向為電力系統穩定性分析及控制、智能電網等。Email:jh_ye@tju.edu.cn

2012-09-12；

2012-09-27

林濟鏗（1967—），男，博士，教授，研究方向為電力系統穩定性分析及控制、智能電網等。Email:mejklin@126.com

胡世駿（1966—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統穩定性分析及控制、智能電網等。Email:husj6390@ah. sgcc.com.cn