基于風險指標的電網事故量化排序方法指導電網規劃

蔡廣林，鄭秀波，張沛，雷云凱

（1.廣東電網公司電網規劃研究中心，廣州5100801；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

基于風險指標的電網事故量化排序方法指導電網規劃

蔡廣林1，鄭秀波1，張沛2，雷云凱2

（1.廣東電網公司電網規劃研究中心，廣州5100801；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

國務院599號令要求電力安全事故評級以導致的用戶停電范圍和負荷損失為標準。若僅按此標準對電網事故量化評價，則忽視了電力系統故障事件的概率特征，容易導致資金利用不當或投資規模過大。文中根據靈敏度理論計算故障事件導致的失負荷指標，并結合故障事件概率綜合量度故障事件失負荷概率風險指標，應用失負荷概率風險指標對故障事件進行量化排序，從而指導電網規劃。通過對2015年廣東電網500 kV規劃方案的研究結果表明，風險指標能夠更科學地對故障事件進行優先級排序，幫助規劃部門優先鞏固電網薄弱環節，明確電網投資方向。

安全控制；失負荷；風險評估；電網規劃

隨著電力系統的高速發展，投資規模日益增大，系統潛在風險也不斷增加，研究如何量化故障事件對系統的影響，幫助電網規劃人員明確投資方向、改進電網設計已是勢在必行。已有研究主要集中于通過確定性指標判斷故障的嚴重程度，文獻[1]從數據挖掘角度，采用Apriori算法找關聯規則從而判斷影響電網安全的危險點，查找并確認事故發生的可能性及嚴重程度，提出整改和控制措施，達到預防控制事故的目的。文獻[2-3]提出了基于故障樹理論研究輸電系統可靠性，分析系統潮流分布以及故障的嚴重程度，并應用于輸電網安全性評估。國務院599號令《電力安全事故應急處置和調查處理條例》[4]要求各類電力安全事故應按照其導致的用戶停電范圍和負荷損失進行評級，這已成為電力公司進行事故等級評定的指導意見。然而，僅僅按照負荷損失對故障事件進行評級，容易忽視故障事件的概率特征[5]。比如，N-2及以上故障事件往往會導致較嚴重的故障后果，但其發生的可能性較低，若僅依據故障導致的后果進行規劃設計，往往要求較高的投資成本，影響電力公司的經濟效益。

為了彌補確定性方法的不足，融入概率認識，基于風險的安全性評估方法首先由美國愛荷華州立大學的McCalley和Vittal等提出并予以發展[5-9]。與傳統的確定性靜態安全分析方法不同，該方法綜合考慮事故發生的概率因素及事故對系統的影響因素，采用二者的乘積作為系統的概率風險指標。文獻[10]將系統中的隨機擾動等因素通過概率分析的觀點引入暫態穩定分析；文獻[11]分析了電力系統故障的概率模型，并通過蒙特卡羅法計算系統暫態穩定的概率；文獻[12]利用注入空間安全域分析法給出了電力系統靜態和動態穩定的概率分布。與靜態安全分析方法相比，基于風險的安全性評估方法具有綜合考慮安全性與經濟性、有效指示系統狀態、風險可組合及疊加等諸多優勢，所以將其引入電網規劃評估領域，可以提高評估精確度及可信度，同時為電力系統規劃方案的選擇和優化提供方便直觀的數據參考。文獻[13-14]討論了風險在電力系統的應用，但忽視了風險作為綜合指標對規劃工作的指導作用。

本文基于風險指標對故障事件進行量化排序，通過對2015年廣東電網500 kV規劃方案的研究，并與傳統的確定性分析方法進行比較，結果表明本文提出的方法能夠更加準確地反映各類故障事件對電網安全穩定運行的影響，可以避免對某些高風險低概率事件的過度重視和對某些低風險高概率事件的忽視，能夠更好地評估規劃電網在實際運行中保障供電可靠性的能力，幫助規劃部門優先鞏固電網薄弱環節，明確電網投資方向。

1 理論基礎

概率風險評估方法將事故的出現概率和事故的嚴重程度合并為一個綜合量度指標——概率風險指標（PRI）[15-18]，該指標可用于衡量電網規劃方案應對各類不確定因素的能力。概率風險指標PRI定義為事故概率與其影響程度的乘積[19-21]，其表達式為

式中：RPRI為系統風險；Pi和Ii分別為系統第i個故障場景發生的概率和產生的后果。因此，風險評估研究需以確定性的定量分析為基礎，解決概率分析和影響評價的任務。

1.1 概率問題建模

本文的故障概率計算根據各設備的歷史停運數據預測其未來的不可用率，進而計算各個故障事件的發生概率，計算公式為

式中：P為事故的發生概率；S為所有設備集；U為故障設備集；A為正常設備集；u為設備不可用率。

設備不可用率u的具體計算方法為

或

式中：Foutage為設備的停運頻率，失效次數/a；Treair為設備發生被迫停運后的平均維修時間，h；8 760為一年的總小時數；D表示可用系數，其定義為

式中：T1為可用小時，h；T2為計劃停運時間，h；T3為非計劃停運時間，h。

在無有關統計數據時，同塔雙回線路的不可用率可根據單回線路不可用率計算獲得。由于兩條線路同時發生強迫故障的概率極低，因此本文認為同桿雙回線路發生停運的概率為其中一回線路檢修時另一回線路發生強迫故障的概率，其計算公式為

式中：pM為同塔雙回線路的不可用率；uunforced-L和uforced-L分別為線路的非強迫停運率和強迫停運率。元件的非強迫停運率和強迫停運率的具體計算方法為

式中，T4表示強迫停運時間，h。強迫停運為立即停運事件，屬于非計劃停運，非計劃停運時間中包括強迫停運時間。

線路的故障概率與其長度有關，在無法獲取某條線路具體長度時，本文通過各條線路阻抗與基準阻抗的比例關系估算該條線路的長度，線路基準阻抗為選取的某種型號線路的阻抗。具體公式為

式中：LLength為所求線路的長度；XL為所求線路的阻抗；XB為線路基準阻抗。

1.2 影響評價指標分析

規劃人員應用潮流計算程序分析故障事件對系統的影響時，只能發現設備過載和過電壓等問題。但是電網在實際運行中，調度人員一旦發現越界情況，就會及時采取有效的安全控制策略，將越界現象消除在初始狀態。所以對于系統實際運行而言，事故影響最終將會表現為發電機出力變化和負荷損失。

調度操作會導致發電機出力變化或負荷損失，而發電機出力變化并不是系統事故，所以各類電網事故對系統的影響水平就可以通過統一的失負荷指標進行衡量，其可以真實反映規劃電網在實際運行中應對各類電網事故、保障供電可靠性的能力，因此選擇失負荷值作為事故影響評價指標具有實際意義。

1.3 計算步驟及流程

本文基于靈敏度[22-24]分析方法，計算故障導致的失負荷概率風險指標，計算流程如圖1所示，具體步驟如下：

步驟1讀入系統網架數據和運行方式，包括節點、支路、發電機參數以及發電機出力、負荷分布等信息；

步驟2選取故障事件集，進行靜態安全分析，并計算故障事件的發生概率；

步驟3基于靈敏度矩陣，根據運行安全控制策略進行發電機調度和切負荷操作。首先針對過載和越界問題進行發電機調度，選擇調整發電機有功或無功出力。若調整發電機出力無法消除目標支路過載或電壓越界問題，則可根據靈敏度矩陣，選擇目標支路或節點相對應的靈敏度系數向量，對于靈敏度系數正值處節點削弱發電機出力，負值處節點切負荷，在保證系統有功或無功平衡條件下解決目標支路過載或電壓越界問題；

步驟4計算失負荷概率風險指標，并根據失負荷概率風險指標對故障事件進行量化排序。

1.4 風險指標的意義和作用

對于電力系統來說，風險指標綜合考慮故障事件的概率和故障事件對系統的影響。通過風險評估，能夠辨識電網失效事件發生的可能性以及事件后果的嚴重程度，讓規劃人員和運行調度人員了解每個決策承擔的風險，并在風險和收益之間進行抉擇，以尋找一個合理且經濟的措施來有效降低風險等級和防范故障事件的發生。

將風險評估應用到系統規劃與運行中，量化評估電網安全風險，通過不確定性分析科學地確定電網安全風險等級，為開展電網安全風險評估工作提供指導，對于存在的風險制定控制相應措施，從而提高電網運行控制水平，確保電網安全穩定和可靠供電。

此外，由于不可用率本身是元件在時域內運行狀態的期望值，因此基于不可用率計算得到的失負荷概率風險指標實際上是系統未來一段時間內某個時刻的瞬時指標，反映的是系統的功率損失，該指標與評估時間的乘積即為電能損失。因此，根據失負荷概率風險指標可以計算投資收益年限內負荷損失造成的調度經濟成本，該成本可與規劃投資成本進行比較，并綜合考量可靠性、經濟性等因素，以此確定事故處理的范圍，劃分規劃與調度的責任界限，確定電網規劃的投資方向和內容。

圖1 風險指標量化故障事件流程Fig.1Flow chart of the quantified method on the failure event based on risk indices

2 算例分析

本文以2015年廣東電網500 kV規劃網絡作為實際研究系統。研究系統包括廣東電網全境輸電網設備，覆蓋了廣州、深圳、東莞、佛山等廣東23個地級市的配電網設備以及與廣西、香港、澳門電網互聯設備等，共包括2 626條母線，1 475條輸電線路，2 064臺變壓器及198臺發電機。

2.1 故障事件概率計算分析

基于《2006—2012年廣東電網歷史可靠性統計數據》，可得到500 kV線路、母線、變壓器歷年的平均可用系數以及線路的計劃停運時間、非計劃停運時間和強迫停運時間，如表1所示。

表1 廣東電網500 kV元件可靠性參數Tab.1Reliability parameters of 500 kV components for Guangdong grid

基于以上數據，根據式（4），可得線路、變壓器、母線的不可用率分別為9.0×10-4、5.4×10-4和7.0×10-4。根據式（7）和式（8），可求得線路的強迫停運率和非強迫停運率分別為2.59×10-4和6.32× 10-4。根據式（6）求得同塔雙回線路不可用率為1.64× 10-7。根據式（1），由各元件的不可用率可求得故障事件的故障概率，如表2所示。

表2 廣東電網500 kV故障事件概率Tab.1Probability of 500 kV failure events for Guangdong grid

此外，本文采用4×720線型單位長度阻抗作為線路長度計算的基準阻抗，并根據式（9）計算線路長度。

2.2 風險評估計算結果

本文故障集選取包括500 kV線路、母線、變壓器N-1故障以及500 kV同塔雙回線路故障。基于BPA軟件，對故障集中各故障事件進行靜態安全分析，并基于靜態安全分析結果進行運行安全控制策略分析，記錄導致負荷損失的故障事件。

結果表明，共有28個故障事件會導致系統失負荷，其中變壓器故障事件為23個，母線故障事件為3個，同塔雙回線路故障事件為2個，各故障事件的故障元件、故障概率、失負荷值以及失負荷概率風險指標如表3所示。

2.3 風險評估結果分析

（1）通過失負荷概率風險指標對故障事件量化排序與通過確定性方法量化故障事件嚴重程度結果有較大不同。母線故障失負荷值較高，比如玉城站500 kV母線故障事件導致的失負荷值2 530 MW，在所有故障事件中位列第1，但綜合考慮其故障影響和故障概率之后，母線故障的失負荷概率風險指標并不是最高的。部分變壓器故障的失負荷值并不高，但其故障概率較高，因此其失負荷概率風險指標反而最高。此外，由于同塔雙回線路的故障概率較低，其失負荷概率風險指標也很低。如圖2所示，母線故障的失負荷概率風險指標用虛線標記，其他設備故障的失負荷概率風險指標用實線標記，可以發現，各故障事件失負荷值和失負荷概率風險指標的量化排序情況并不一致。

表3 規劃方案風險分析結果Tab.3Analysis result of the planning scheme

（2）基于失負荷概率風險指標對故障事件進行量化排序更符合工程實際情況。本算例中變壓器都是500 kV主變，這些設備直接承擔著下屬配網的全部負荷，一旦發生故障，便會產生較為嚴重的后果。母線故障雖會導致較為嚴重的故障后果，但由于母線設備的可靠性較高、維修力度較大，母線發生故障的概率較低，實際運行中并不會因其故障對系統造成較大影響。同樣，同塔雙回線路發生故障的可能性很低，其對實際系統運行造成的影響并不如單純的故障導致的失負荷值所反映的那么嚴重。根據表3和圖2所示結果對比分析可知，通過失負荷概率風險指標對故障事件量化排序可以客觀科學地反映上述工程實際情況，避免了對某些高風險低影響事件的過度重視和對某些低影響高概率事件的忽視，相較于確定性分析，能夠更加準確的反映各類故障事件對電網安全穩定運行的影響。

（3）基于失負荷概率風險指標對故障事件進行量化排序指導電網規劃工作更具實際意義。根據表3所示可知，考慮到事故實際發生概率之后，電網規劃人員可以根據失負荷概率風險指標重新判斷故障嚴重程度，首先維護鞏固風險較大的故障元件，提高這些故障元件的可靠性，而不是將規劃重點放在失負荷值較高的故障元件上，避免對某些設備的過度維護和對某些設備的忽視，從而能夠從電網實際運行的角度制定規劃方案，維護電網運行的可靠穩定。比如，母線事故可導致較高的失負荷值，但其失負荷概率風險指標較低，對電網運行的影響程度較低，可以通過保護或安穩、加強設備維護等手段防止故障發生，而不是采取較為昂貴復雜的新建母線、斷路器或者調整網架結構等措施，如此可將資金用于維護鞏固失負荷概率風險指標較高的部分主變設備，這樣既保證了電網的安全運行，也明確了規劃重點和投資方向。

圖2 失負荷值與概率風險指標對比分析Fig.2Contrast analysis between the loss load value and the probabilistic risk indices

3 結語

目前，大多數電力公司在進行規劃工作時采用傳統的潮流計算、短路電流計算、穩定分析等確定性分析方法，沒有充分考慮到未來電網中不確定因素（負荷預測不準確性，故障事件的隨機性等）的概率本質。

本文提出了基于風險指標的故障事件量化評價的方法。風險指標能綜合考慮故障發生的概率和對系統的影響兩個方面，更科學地評價故障事件。根據失負荷概率風險指標對事故進行量化排序，可以更加客觀科學地判斷各個事故對系統的影響程度，分析結果符合工程實際，能夠有效幫助電網規劃人員判斷電網薄弱環節，明確規劃目標和重點，優選規劃方案，確定合理的投資方向，保證規劃方案的實用性和資金的有效性。

通過對2015年廣東電網500 kV規劃方案的實際研究，計算結果表明，基于風險指標對故障事件進行量化評價，更加符合工程實際情況，避免對某些高風險低概率事件的過度重視和對某些低風險高概率事件的忽視，為電網規劃的合理投資提供了方向。

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peizhang166@gmail.com

Risk-based Transmission System Contingency Quantitative Assessment Approach and Its Application in System Planning

CAI Guanglin1，ZHENG Xiubo1，ZHANG Pei2，LEI Yunkai
（1.Guangdong Power Grid Planning Research Center，Guangzhou 510080，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

State Council Order No.599 requests power system contingencies should be ranked based on their impacts on power system in terms of load loss value.However，this ranking method ignores probabilistic characteristics of system contingencies.This may mislead investments and cause improper utilization of funds.This paper proposes risk index to rank contingencies then guides system planning.Studies on Guangdong 2015 planning system indicate that the risk index can objectively evaluate each contingency with the consideration of probability and impact together，which provides system planners correct investment priorities and determine the orientation of the grid investment.

security control；loss of load；risk evaluation；grid planning

TM715

A

1003-8930（2015）12-0085-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.15

蔡廣林（1980—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系

統規劃和運行及電力系統穩定。Email：tonysang_ren@163.com

鄭秀波（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為輸電網規

劃。Email：zhengxiubo@gd.csg.cn

張沛（1972—），男，博士，教授級高工，研究方向為電力系統

規劃和運行、電力系統穩定性、可靠性和風險評估。Email：

2014-05-19；

2014-08-05