基于模糊理論的智能電網運行風險評估系統研究

張 勇

（國家電網公司華北分部調控分中心，北京 100053）

近年來，隨著電力系統規模的不斷擴大，電網安全穩定運行，受到政府、產業界、學術界和社會的廣泛關注。由于電網運行具有復雜性和多面性，目前尚不能完全避免大面積停電事故的發生，因此對電力系統進行運行風險評估，辨識電網調度運行中的薄弱環節，為預防運行事故發生，制定合理的決策和應急預案，保證電網安全穩定運行具有重大的意義。

本文提出的電網運行風險評估是對一些不確定的事件所做的評估和分析。借鑒模糊綜合評價思想［1］，將待評價量與評價區間的關系用模糊的方法進行量化，建立電網運行風險評估模型，同時應用網絡層次分析法確定指標權重，為電網風險預控提供了有利的技術支持。

1 電網運行風險指標

電網調度中心是電網運行數據的中心，能量管理系統EMS、SCADA、區域電網控制性能指標CPS等系統每天產生大量的數據，這些數據蘊含著電網運行和電網安全生產的全部信息。為了促進電網運行精細化管理［2-3］，為電力市場條件下的安全校核積累數據和經驗，需要對電網運行各方面的狀況進行評估。本文在充分考慮電網安全性和穩定性的前提下，依據電網運行風險［4-5］的直接原因構建了一個由5個一級綜合評價指標，20個2級單項指標、4個電網安全等級的電網運行風險評價指標體系。

1.1 電網運行風險評價指標

（1）設備風險

包括：變壓器負載率、線路負載率、絕緣化率、繼電保護動作正確率、線路非計劃停運率、變壓器非計劃停運率、N-1校驗合格率、線路半徑合格率等。

（2）結構風險

包括欠載變壓器比例、過載變壓器比例、電壓偏差、頻率偏差。

（3）信息安全分析

包括自動化系統安全性、互聯網與內網隔離率、人身傷亡事故率。

（4）操作風險

包括惡性誤操作事故率、變電事故率、輸電事故率。

（5）外部風險

包括自然災害風險事故率、外力破壞風險事故率。

1.2 電力系統安全級別

第一級，系統受到破壞后，會對公民、法人和其他組織的合法權益造成損害，但不損害國家安全、社會秩序和公共利益。

第二級，系統受到破壞后，會對公民、法人和其他組織的合法權益產生嚴重損害，或者對社會秩序和公共利益造成損害，但不損害國家安全。

第三級，系統受到破壞后，會對社會秩序和公共利益造成嚴重損害，或者對國家安全造成損害。

第四級，系統受到破壞后，會對社會秩序和公共利益造成特別嚴重損害，或者對國家安全造成嚴重損害。

2 模糊綜合評價原理

模糊數學是對不確定、模糊性的事物量化后運用數學知識進行科學分析的一門科學工具。

（1）確定評價對象因素集、評語集

根據專家意見確定評價指標集C、評語集V、指標質量水平標準集Vφ，記為：

式中 m——評價等級數或指標質量水平級別數。

標準集Vφ是定義在評語集V上的一個子集，各指標的標準集應根據指標的內涵或依據統計資料或經驗確定。

（2）確定評價因素權重

權系數是反映影響因素重要程度的量化系數，其大小對評價對象有舉足輕重的作用，不同的權系數會得到不同的結果。傳統確定權重的方法有定性的專家賦權法、層次分析法（AHP）［5］、定量的簡單關聯函數法等。本文采用AHP法，把人的主觀判斷進行客觀量化，將定性問題轉化為定量分析，具體過程如下：

1）建立評價層次結構

在專家指導下，依據評價目的和指標之間的關系建立評價層次結構。

2）建立互反判斷矩陣

式中 n——指標個數，一般由專家給出或采用德爾菲法建立。

3）權重計算

為了減少估算法帶來的誤差，運用數學軟件MATLAB求T的最大特征值λmax及其對應的特征向量Xmax，Xmax歸一化就得指標權重分配向量：

4）一致性檢驗

當CR＜0.1時，即認為T具有滿意的一致性，說明建立T時，人的思維保持了連續性；否則，就需要調整判斷矩陣。

式中 CI——判斷矩陣一致性指標；n——T的階數；

RI——T的平均隨機一致性指標。

（3）建立模糊評價矩陣

請若干專家，根據提供的各指標因子的背景材料，按規定的標準集Vφ給出各指標ci隸屬等級vj∈V。然后統計出ci隸屬于vj等級的頻數fij，最后用專家總數 除各頻數，得各因子指標所屬評價等級的隸屬度：由此得到最低級評價因子的模糊評價向量

從而得到上一級綜合評價指標的模糊評價矩陣

（4）多指標綜合評價

1）計算評價因子關于各評價等級的關聯度

其中i=1，2，…，n；j=1，2，…，m

2）根據1.2中求得的各因子權系數，計算待評因子關于各評價等級的關聯度及評定級別：

3 算例分析

依據電網運行風險指標確定的電網運行風險評價指標體系，選取區域電網2009年相關風險指標數據作為研究樣本。如見表1所示。

表1 電網風險指標體系及樣本數據

表1中K1，K2，K3，K4由低到高分別代表了電網風險等級水平，級別越高，風險程度越大。

根據12位專家給出的20個二級指標之間的重要性程度比值，應用MATLAB計算得到各級指標權重向量（歸一化），并通過一致性檢驗。

根據表1中樣本的各風險指標，利用式（11）計算得到20項指標的關聯度；根據以上得到的權系數，利用式（12）得到該樣本關于各指標的關聯度所屬電網運行等級，見表2。

由表2中顯示K2（p）是最大值，可以得出該區域電網樣本的運行風險等級為2級，屬于中度水平。

表2 各指標關聯度

4 基于模糊綜合評價思想的電網風險評估系統

（1）系統框架

風險評估系統采用構件化的設計思想，平臺的所有功能均被抽象和封裝為構件，相關的構件在一定的規約下組裝后實現完整的業務功能。同時，系統平臺的主體框架是一個很小的內核，該內核實現了基于插件形式將構件集成到框架中的動態加載機制，平臺將任何內核以外的功能構件看作是對平臺內核的一種擴展實現，只要該功能構件符合平臺的統一預定義接口規范，便可進行動態調用，以擴展平臺應用程序運行時的功能，從而實現整個平臺的最大限度擴展，并具有高度的統一性和開放性。

圖1

系統分為三部分：數據支持、風險分析和風險決策。數據支持包括實時獲取XML電網模型數據、SCADA實時運行數據、SVG圖形數據為風險分析和風險決策提供基礎數據；風險分析層通過確定電網指標體系、確定指標權重、評判集給出單因素和綜合因素關于電網運行風險評價等級的關聯度；風險決策層根據電網運行風險等級、相對威脅大小、風險防范措施能力來確定系統可以采用的風險防范措施。

（2）界面展示及算法分析

“風險分析”模塊通過確定電網評價因素集和評語集，結合鉆夾給定的評價層次結構，分析設備遭到失效威脅后的資產損失程度、威脅發生概率，評估電網運行風險，得出電網運行風險等級。

圖2

“風險決策”模塊以電網運行風險評價結果為基礎，依據《電力系統安全穩定導則》和《電力系統技術導則》，綜合考慮電網風險評估結論，建立設備狀態和電網運行風險度二維關系模型，確立電網運行風險應急措施。

圖3

5 結語

本文建立的電網運行風險評估模型綜合了層次分析法的優點，通過均衡化的方式得到電網運行風險各指標的權重，結合電網模型因子直觀的放映綜合評價的質與量的關系，增強了指標權重的可行性和合理性。在此基礎上建立的電網運行風險評估系統是對國家電網調度運行分析制度的貫徹和執行，通過對電網調度各類指標的計算和分析，使得調度人員對電網運行情況有了更全面、明確、定量化的理解，有助于更清楚的解釋調度運行中的一些復雜相關性問題，為智能電網調度技術支持系統奠定了數據基礎。

［1］ 張云曉.地區電網運行風險評估.浙江大學碩士學位論文，2011，1-2.

［2］ 呂立召.非序貫蒙特卡洛改進法在電網運行方式風險評估中的應用［D］.長沙：湖南大學，2011.

［3］ 馮永青，張伯明，吳文傳，等.基于可信性理論的電力系統運行風險評估（一）運行風險的提出與發展.電力系統自動化，2006，30（1）：17-23.FENG Yong-qing，ZHANG Bo-ming，WU Wen-chuan，et al.Power system operation risk assessment based on credibility theory part one propound and development of operation risk assessment［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（1）：17-23.

［4］ 國家電網公司.電網運行分析制度［P］.2006.

［5］ 顏 揚，杜 綱.企業柔性的指標體系及其AHP-模糊綜合評價方法的研究［J］.甘肅科學學報，2004，16（4）：120-123.YAN Yang，DU Gang.The index system of the enterprise flexibility and its AHP-fuzzy comprehensive evaluation method［J］.Journal of Gansu Sciences，2004，16（4）：120-123.

［6］ 徐婧文，張 威.模糊評價法在建設工程評標中的應用［J］.甘肅科學學報，1999，11（4）：18-21.XU Jing-wen，ZHANG Wei.Application of indefinite appraised process to evaluating bid of construction engineering［J］.Journal of Gansu Sciences，1999，11（4）：18-21.