電網運行風險評估的綜述

劉 柱，華 威，陳 睿，馮 雷，劉 平，朱 林

（1.廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東廣州 510600；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510641）

電網運行風險評估的綜述

劉 柱1，華 威1，陳 睿1，馮 雷2，劉 平2，朱 林2

（1.廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東廣州 510600；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510641）

電網運行風險評估是對電網運行過程中可能出現的隨機事件的可能性與嚴重性進行綜合度量，是對電網進行風險預警和實施風險控制的基礎。首先介紹了運行風險的概念，接著從運行風險的定義出發提出進行運行風險評估需要解決的3個關鍵問題，即預想場景的形成、預想場景的概率分析、預想場景的后果分析，然后分別介紹了國內外學者在這3個方面的研究成果，最后探討電網運行風險評估的發展趨勢。

運行風險；風險評估；預想場景；風險指標

0 引言

隨著經濟與社會的發展，我國電網的組織形態發生顯著變化。交直流混聯輸電的發展使得電網結構日趨復雜。新能源的接入和電力市場的改革令電網的不確定性不斷增加。由于結構的復雜性和不確定性的增加，電網運行安全的問題非常受人們關注。特別在2003年國外發生幾次大停電事故[1]和2008年我國南方地區遭受冰災[2]后，電網運行安全的問題顯得更為突出。因此，迫切需要對電網進行安全性評估，量化電網的運行風險并形成相應的應對措施。

目前在電網的運行管理部門，主要采用確定性方法進行安全性評估。確定性方法以發生人為規定的預想故障場景（通常為N-1）后電網仍保持安全穩定運行為核心依據。確定性方法在保障電網安全運行方面發揮了重要作用，但它也存在一定不足：沒有將電網運行的風險程度（安全程度）量化[3]，沒有揭示風險的成因。確定性方法沒有區分出安全裕度比較大和接近臨界安全的情況，沒有說明安全裕度受什么因素影響、受各類因素影響的程度怎樣以及應該如何控制。隨著電網不確定因素的增加和結構的復雜化，確定性方法的弊端將會更加凸顯。因此，單憑確定性評估的結果控制如此龐大復雜電網的運行還是不夠的。

基于運行風險的安全性評估能夠彌補確定性方法的不足。電網的運行風險評估繼承了規劃部門可靠性評估研究的成果[4]，引入概率分析，反映了不確定因素對電網的影響，再結合預想故障場景的后果嚴重度，通過完善的風險指標體系對復雜電網運行的風險情況進行表征，使運行人員充分掌握電網運行的風險程度和風險成因，為運行人員制定運行方式、實施風險控制等措施提供決策支持。

關于電網的運行風險評估，國內外學者已經做了大量的研究工作，并且取得了一定成果。但是，現今運行風險評估在電網中并未實用化，其應用還僅限于人為梳理可能導致嚴重減供負荷的風險事件，明確重點運維設備，并沒有引入概率分析和建立風險指標體系，未能反映不確定因素影響、各方面的風險程度和設備以外的風險成因。鑒于電網結構復雜化和不確定性增加的嚴峻形勢，為實現電網的運行風險評估，提高控制電網安全運行的能力，迫切需要對電網運行風險評估相關研究內容進行總結。本文首先介紹運行風險的概念，接著從運行風險的定義出發提出進行運行風險評估需要解決的3個關鍵問題，即預想場景的形成、預想場景的概率分析、預想場景的后果分析，然后分別介紹了國內外學者在這3個方面的研究成果，最后探討電網運行風險評估的發展趨勢。

1 運行風險的概念

1.1 運行風險的定義

CIGRE于1997年在文獻[5]中提出安全性評估應該綜合考慮隨機事件的可能性與嚴重性。美國電力專家Vittal在文獻[6]中明確提出運行風險的定義：

其中，Xt，f為t時刻的預測的運行方式；Xt，j為t時刻的第j種負荷情況；Ei為第i個場景；Sev(Ej，Xt，j)為刻畫第j個場景的后果嚴重度函數。從上式可以看出，t時刻某個運行方式的運行風險，是各個場景的概率與其后果的乘積之和，從數學本質上來講是t時刻預測的運行方式下后果嚴重度的期望值。而對于一個特定的場景，一般定義其風險為其概率與后果嚴重度的乘積。

電網的運行風險具有空間可組合性的特點[7]，可按照空間的角度把每個元件風險累加組合成節點級、區域級和全網級的風險，使運行人員掌握整體和各區的風險情況。

1.2 運行風險的分類

電網運行階段可能出現的風險有多種形式，文獻[8]對此進行了詳細的表述。縱觀大體，按照安全穩定問題的類別，電網的運行風險可以總結為3類：靜態安全風險、動態安全風險以及連鎖故障風險。靜態安全風險評估考慮的是預測的運行方式抵抗各類擾動場景不發生穩態越限的能力，包括過載風險（線路過載、變壓器過載、斷面過載等）和電壓越限風險（節點低電壓、電壓失穩等）。動態安全風險評估考慮的是預測的運行方式抵抗各類擾動場景不發生暫態失穩的能力。連鎖故障風險評估考慮的是預測的運行方式抵抗各類擾動場景不發生連鎖故障（大面積停電）的能力。連鎖故障雖然發生的幾率小，但是危害巨大，因此專門作為一類安全問題進行評估。

1.3 運行風險評估的要求

雖然運行風險評估引入了可靠性評估的方法，但由于應用的場合不同（風險評估應用于調度運行部門，可靠性評估應用于規劃設計部門），在具體應用上有所差別，這同時也是運行風險評估實現的難點[9]。（1）時間框架不同。可靠性側重于多年的時間范疇，而運行風險評估考慮的時間框架為分鐘級、星期級、月級，因而它們的側重點不同。例如就元件停運而言，可靠性研究一般采用歷史統計數據就足夠，而對于風險評估而言，需要考慮實時狀態和外界環境影響。（2）通常規劃部門使用的可靠性軟件是離線仿真程序，是一種孤立型的離線系統，而運行部門使用在線EMS，需要考慮與其他信息系統配合協調的問題，技術層面兩者相差很大。

從運行風險的定義式（1）可看出，進行運行風險評估的基本步驟是，首先預想出大量需要分析的場景，再綜合各場景的概率和確定性分析的結果得出風險值。在這個過程中，要求解決3個關鍵問題：（1）預想場景的形成；（2）預想場景概率的確定；（3）確定場景后，場景后果的分析。這3個問題的解答將在后面部分詳細討論。

2 運行風險評估的預想場景的形成

2.1 運行風險評估的場景形成要求

形成預想場景，主要內容是形成系統狀態。一個系統狀態包括系統的發電方式、網絡拓撲和負荷水平[10]。除了形成系統狀態之外，根據所要評估的風險的不同類別，往往還要考慮其他一些因素。對于靜態安全風險評估，只需形成一個系統狀態即可。動態安全風險評估則比靜態安全風險評估要復雜的多[11]。動態安全風險評估的預想場景除了要形成系統狀態外，還要形成故障的類型、持續時間、位置以及故障發生后的相應的一系列保護和自動裝置動作（如重合閘、備自投）等措施。對于連鎖故障風險，因為其發生原因除了過載外，還有一個主要的原因是保護裝置的隱性故障[12]，所以相比于靜態安全風險評估，連鎖故障風險評估在預想場景的形成中還要考慮保護裝置隱性故障導致保護失效的情形。文獻[13]具體介紹了連鎖故障的場景形成過程，連鎖故障的故障序列最后可停止于發生規定的嚴重故障后果或到達設定的保護裝置失效的最大次數。

2.2 運行風險評估的場景形成方法

文獻[14]介紹了兩種形成系統狀態的方法：解析法和蒙特卡羅法。解析法即是枚舉法，將系統所有可能的狀態枚舉出來。解析法物理概念清晰，并且具有模型精度高、計算結果精確的優點。但顯然隨著系統設備的增加，系統的狀態空間的狀態數劇增，運算量也隨之劇增，因此解析法只適用于小型的簡單電力系統。蒙特卡羅法用抽樣的方法形成系統狀態，一個系統狀態是所有元件狀態的組合，且每一元件狀態可由對元件出現在該狀態的概率進行抽樣來確定，每一元件可用一個在[0，1]區間的均勻分布來模擬。蒙特卡羅法的抽樣次數幾乎不受系統規模或復雜因素影響，因此非常適合處理考慮不確定因素的大型復雜電力系統。文獻[15]介紹了改進蒙特卡羅法的一些手段，例如通過分層抽樣法和重要抽樣法等方法提高蒙特卡羅法的收斂速度。文獻[16]將事件樹分析方法引入到連鎖故障風險評估的預想場景形成中，幫助形成故障序列。

3 運行風險評估的場景概率分析

3.1 影響概率的因素

形成預想場景，主要內容是形成系統狀態，而一個系統狀態是所有元件的狀態組合，因此確定預想場景的發生概率，實際上主要是確定系統內元件的概率模型，也即確定元件處于各個狀態的概率。元件的概率模型，可能是兩態的，也可能是多態的。建立元件的概率模型，應該從元件各個狀態之間轉換的過程去考慮。對電網運行風險評估而言，因為考慮的時間尺度短，元件狀態轉換過程中的相關參數（如故障率、修復率等）不能取為歷史平均值，而應該考慮各類因素在考慮的時間尺度內對元件狀態轉換過程中的參數的影響。這些因素一般而言可以歸結為兩類：外部的自然環境（溫度、濕度、雷雨、冰霜、臺風等）和內部元件自身的狀態（設計、老化、檢修等）。

3.2 確定概率模型的方法

文獻[17]給出了時變故障率下的馬爾可夫過程建模的條件和建模方法，并基于上述結論，建立了典型的考慮外部自然環境的暴露型設備（架空線路）和典型的考慮元件自身狀態的封閉型設備（變壓器）的時變停運模型。文獻[18-19]選擇油中溶解氣體分析信息作為表征潛伏性故障發展程度的特征信息，建立了包含運行狀態、內部潛伏性故障狀態和外部附件故障狀態的變壓器時變停運模型。文獻[20]根據氣體含量劃分變壓器狀態，根據產氣速率建立時變停運指數模型，體現了變壓器實時運行特性和內部潛伏性故障發展狀況。文獻[21]認為線路停運用泊松過程描述，然后按照氣候和電壓等級對輸電線路分區，以各分區的歷史記錄為基礎，建立與天氣相關的故障率的多元線性回歸模型，并用極大似然估計法得出其參數。文獻[22]建立了考慮兩種天氣狀態時的元件停運的數學模型。文獻[23]在考慮氣象因素的條件下，根據輸電線路的絕緣子、導線、避雷器、桿塔、地線的在線監測數據，分別建立了各個監測量的量化模型，采用未確知有理數理論去確定每層的權重系數，建立了輸電線路實時故障概率的層次評估模型。文獻[24]根據作用于輸電線路的有效風速，考慮了臺風天氣對輸電線路停運概率的影響。文獻[25]研究了冰災氣候下影響輸電線路停運的各種相關因素，包括年最大冰厚，線路的設計冰厚，災害天氣下的應急措施如融冰機的投入等。影響元件停運的因素繁多，建立元件的概率模型考慮何種因素，應該視具體問題的具體需求而定。

實際應用中，由于歷史數據的缺乏，使得對元件進行概率建模較為困難。針對此問題，文獻[26]首次把可信性理論引入到元件停運的建模中，把線路的停運概率視作隨機模糊變量，得出元件的概率模型。文獻[27]對文獻[26]的方法做出改進，把線路的故障率用模糊變量表達，然后基于隨機過程和可信性理論建立了停運模型，為歷史數據缺乏的問題提供一個解決途徑。

此外，根據元件停運之間是否會相互影響，文獻[28]把元件停運模型分為獨立停運和相關停運兩大類，其中獨立停運模型按停運性質可細分為強迫停運、半強迫停運以及計劃停運；若按失效狀態可細分為完全失效與部分失效，而相關停運則可以分為共因停運、元件組停運以及連鎖停運。但對風險評估而言，鑒于短時間尺度，計劃停運是一確定性事件，應不計入停運模型。

4 運行風險評估的場景后果分析

確定場景后，對場景進行后果分析，有兩個步驟：（1）選擇后果嚴重度函數；（2）對后果嚴重度函數進行計算。

關于后果嚴重度函數的選擇，目前國內外學者有較大的爭議，沒有形成統一的看法。有的認為后果嚴重度函數可以采用經濟代價（如負荷損失、設備損壞以及設備損壞帶來的相關效益減小）來表示，這樣就可以和其他經濟指標相關聯[29]，有的認為后果嚴重度不應該用經濟代價表示，而應該采用運行人員易于理解的電網運行參數表示，以直觀地反映出電網運行的風險狀況[6]。

關于后果嚴重度函數的計算，目前也是存在較大的爭議。有的認為應該沿襲可靠性評估的做法，發生事故后模擬調度員的控制措施，再進行后果嚴重度的計算[30]，有的認為不應該模擬調度員的控制措施[6]，理由是后果嚴重度函數應該反映故障和運行條件帶來的風險，而不應該包含決策的影響，例如LOLP（負荷丟失概率）就假定了調度人員做出切負荷的決策，這是不合適的，因為風險評估的目的是幫助調度人員做出決策。

如果按照安全穩定問題的類型分類，后果嚴重度函數應該反映3個方面的嚴重度：靜態安全、動態安全和連鎖故障。

在靜態安全方面，文獻[6]用離散和連續的函數分別提出了過載、低壓、電壓穩定的嚴重度函數。以低壓為例，其離散和連續的嚴重度函數為：

文獻[4]對文獻[6]的嚴重度函數做出了改進，指出其嚴重度函數具有“遮蔽”缺陷，也即系統中有許多小越限情況會與只有一個大越限的情況不相上下。文獻[4]繼承調度自動化自動故障選擇（ACS）針對“遮蔽”缺陷的方法，定義了如下嚴重度函數：

其中，Δx為越限量，X為額定上、下限。2 m是用于解決“遮蔽”缺陷，一般m=1即可滿足工程要求。文獻[31]專門針對交直流并列系統提出了3種描述交直流并列系統電網結構品質的宏觀指標，分別為通道強度指標、電壓強度指標和頻率強度指標，分別描述交流通道抵御直流通道潮流轉移沖擊的能力、電網對直流換流站的電壓支撐能力和電網的頻率支撐能力，這3個指標可作為體現交直流并列系統特性的嚴重度函數。文獻[28]沿用了可靠性評估里的嚴重度函數，如EENS（期望缺供電量）、EELC(期望負荷削減頻率)、PLC（負荷削減概率）等。

在動態安全方面，文獻[32]認為用控制代價來表示暫態失穩的后果嚴重度，理由是穩定控制的目的就是以受控的小范圍停電的代價來避免不受控的大范圍停電，所以用使系統穩定的最小控制代價來反映故障后果比較合適。文獻[33-34]借鑒文獻[32]的思路，提出了用控制代價表示的暫態穩定的后果嚴重度函數。文獻[35]另辟蹊徑，從預想事故清除時間裕度的角度出發提出暫態穩定的嚴重度函數。

在連鎖故障方面，文獻[36]從負荷孤立、電源孤立和電網解列的角度定義了電力系統發生連鎖故障的嚴重度函數。

5 展望

近年來電網運行風險評估的研究已經取得了一定的成果，但距實用化還有一定距離。究其原因，主要是構建完善的風險指標體系還有困難，難以完整地反映電網各個側面的風險程度和風險成因，無法給運行人員提供足夠的決策信息。現階段運行風險評估的風險指標大多致力于反映電網運行的風險程度，但是有關反映電網運行的風險成因的比較少。

本文認為風險指標應分為2類，第一類是反映電網運行的風險程度（也即安全程度），幫助運行人員掌握和比較各個運行方式的風險；第二類是揭示電網運行的風險成因，幫助運行人員進行風險控制。第一類風險指標按照式（1）計算。第二類風險指標，可以通過第一類風險指標對重要元件的參數進行靈敏度分析得出[37]，使運行人員知道需要重點監測的元件；也可以通過梳理電網運行中的風險成因，把風險成因量化成函數得出。而其中與系統狀態無關的風險成因（如氣象等）可以在預想場景形成前便可通過有關系統的數據直接進行計算，與系統狀態有關的風險成因的計算則與第一類風險指標的相同。關于風險成因的梳理和選擇，文獻[38]給出了一個值得借鑒的思路，它通過事故樹分析，以大面積停電作為頂層事件，劃分了結構風險、技術風險、設備風險，管理風險的一級指標，然后對各一級指標又進行層層劃分，建立了4層評估指標體系。

隨著電網規模的擴大，復雜性的提高，需要一個更準確的手段為運行人員提供決策支持。已在電力系統廣泛應用的確定性分析準則理論成熟，但沒有考慮不確定因素的影響，沒有量化風險，沒有揭示風險成因，因此確定性分析準則仍有不足。電網運行風險評估，將會是對確定性分析準則十分重要而有益的補充。

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An Overview of Risk Assessment of Power Grid

LIU Zhu1，HUA Wei1，CHEN Rui1，FENG Lei2，LIU Ping2，ZHU Lin2
（1.Power control centre of Guangdong Power Grid，Guangzhou510600，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou510641，China）

Risk assessment of power grid captures both likelihood and consequence of contingency that might occur during the operation of the grid，and it is the foundation of risk pre-warning and risk control.The paper first introduces the concept of operational risk，and presents three key issues of risk-based security assessment accordingly:the formation of contingency，the probability analysis of contingency and the consequence analysis of contingency.Then the paper introduces the study of the three issues respectively.Finally the trend of risk assessment of power grid is discussed.

operational risk；risk assessment；contingency；risk indices

TM71

：A

：1009－9492(2014)12－0097－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.023

劉 柱，男，1981年生，黑龍江牡丹江人。碩士，研究領域：電網運行、電力安全管理。

(編輯：向 飛)

2014－11－05

通信簡介：朱 林，男，1979年生，博士，副教授，研究領域：電力系統穩定與控制。