20 kV及以下城市電網風險評估方法綜述與展望

張國超，宋冬瑞，王藝霖

國網吉林供電公司，吉林 吉林 132012

0 引言

20 kV及以下城市電網風險值關系電網穩定運行的安全性，因此，為了城市電網的安全穩定運行，應該從不同維度找出城市電網中存在的風險因素，并分層分級從不同環節加以改進，以確保城市電網風險處于最低水平。有學者以風險理論為基礎，以元件級風險為研究對象，對電力系統中的電力設備存在的風險因素進行“分診”，并應用ALARP原則進一步對電力系統綜合風險水平進行量化分級，最終從電力系統元件的維度量化了電網中存在的局部風險[1]。有學者以城市配電網為研究主體，同時考慮配電網結構靈活性，分析了城市配電網電力供應的安全性，指出城市配電網安全分析以靜態安全分析為主，這一特征也是在安全性評估指標和分析方法中配電網有別于輸電網的地方[2]。有學者研究了城市配電網在各個階段的風險水平，并以模糊隸屬度理論為基礎對規劃階段、可研階段、建設階段、運行階段的城市配電網風險水平進行量化，綜合計算出各階段城市配電網風險水平總的量化值[3]。另有學者針對城市配電網發展過程中運行風險影響因素的不斷增加，提出了一種考慮多種影響因素的城市配電網風險評估模型[4]。

20 kV及以下城市電網的電壓等級較低，與35 kV及以上電壓等級的輸電網相比，其所承載負荷相對較少，且電網中動態元件的數量與輸電網相比也較少，因此，諸多文獻的理論觀點都認為城市電網中沒有明顯的暫態過程，也就是說城市電網的可靠性分析和風險評估研究主要指靜態方面[5]。

文章將20 kV及以下城市電網風險評估分為元件級風險評估和系統級風險評估，為了讓城市電網風險評估領域的相關研究成果得到充分利用，對該領域的相應理論及方法開展更深入的探索。現將城市電網風險評估的方法和理論進行了系統的歸納分析，為20 kV及以下城市電網風險評估的研究工作提供更全面的參考，為降低城市電網風險水平的研究工作提供更多的理論支撐。

1 城市電網元件級風險評估

城市電網元件級的風險評估研究主要是對電網中的電力設備進行風險評估，涵蓋變壓器風險評估和架空線風險評估。在早期的元件級風險評估模型中，正態分布模型得到了廣泛的應用，其充分考慮了設備老化故障對設備停運風險水平的影響，并指出在不計及設備老化故障對系統風險水平所產生的影響時，算出的風險值必然會降低系統風險評估的準確度。

1.1 元件停運模型

城市電網包括架空線線路、電纜、饋線、變壓器、斷路器、隔離開關、無功補償設備等各類元件。電網中電力元件的故障停運可分為獨立停運和相關停運兩類。在獨立停運模型中，傳統的風險評估主要應用兩狀態強迫停運可修復模型，老化失效和半強迫停運是新的模擬概念。就相關停運而言，共因停運是最常見的一種，其有別于元件組停運。因為在共因停運模型中，任何一個元件的停運都可以是獨立的，其停運狀態可以與其他元件不相關，而元件組中的每一個元件都是相關的，各元件的停運總是同時發生，不可能出現各自的獨立停運。

1.2 變壓器的風險評估

在城市電網中，變壓器故障將有可能導致經濟損失和社會損失，嚴重時還將威脅人身安全。因此，在城市電網風險評估這一研究領域中，變壓器的風險評估一直很受重視。有學者對作為電力系統中重要電力設備的變壓器的風險評估進行研究，著重分析了受變壓器的負載變化影響時進行風險評估的基本理論和方法[6]。文章充分考慮了變壓器所承擔負荷的變化和外界溫度的改變對變壓器風險水平的不確定性影響，同時以蒙特卡洛法為理論基礎，計算變壓器繞組所能夠承受的最高運行溫度的概率分布，并從變壓器的壽命縮短和變壓器本體絕緣水平降低對變壓器過載后的影響兩個方面量化變壓器超負荷運行后的風險值，最終綜合判斷變壓器的風險水平。

2 城市電網系統級風險評估

城市電網系統級風險評估主要研究在母線電壓約束和線路熱穩定約束下的系統風險水平。一般構建的指標體系包括靜態風險指標和失負荷風險指標，在城市電網風險評估過程中，要通過相關理論確定故障后的嚴重程度，并在風險理論的基礎上構建單項風險指標，最后通過權重系數將各項風險指標匯總，進而刻畫系統的整體風險水平。

2.1 評估步驟

城市電網風險評估的主要目的是通過對電網風險值的量化來判斷電網中存在的風險隱患，以此作為電網隱患排查治理的主要依據，評估過程的首要任務是對電網存在的風險因素進行分類歸納，再結合特定的理論算法進行分析計算。在進行城市電網風險評估時，首先，要確定電網中電力設備的停運模型。電力元件停運是最常見的停運狀況，也是城市電網發生故障的根本原因。其次，要選擇電網的運行狀態和不同狀態的計算概率。一般以狀態枚舉法或蒙特卡羅法為分析基礎，判斷結構簡單或復雜工況下電網發生停運故障的風險水平和嚴重程度。最后，結合工程實例中的電網運行參數和不同情況下風險指標的概率分布，量化城市電網風險值。

2.2 評估方法

城市電網風險評估的方法分為確定性方法和概率性方法，其中，確定性方法是以預期故障發生為前提，分析該預期故障發生后對電網風險水平的影響。確定性方法的應用范圍具有明顯的局限性，只能應用在故障重數較少的停運故障中，且對故障發生后的后果嚴重程度無法精準量化。因此，近年來很多學者對確定性方法的研究和應用越來越少。目前，概率性評價方法是城市電網風險評估的主流方法，在大數據技術被廣泛應用的背景下，概率性評價方法越來越受到廣大學者的青睞。概率性評價方法是以電力設備發生故障和自動修復的統計值為基礎，通過分析計算得到整個城市電網和各節點參數變化曲線和風險值，進而對電網運行的整體風險水平作出綜合評價。

3 風險理論

早在19世紀90年代，就有學者從經濟學角度提出了風險的概念，認為風險是損失的可能性，也有學者定義風險為不利事件或事件集發生的機會，即事件發生的概率。在很多文獻中把風險定義為在特定條件下發生各種事件產生的壞結果的可能性大小，這種可能性被看作是預期結果的不利偏差。風險理論是研究能導致傷害的災害性的可能性和這種傷害嚴重程度的理論。實時的風險指標是通過在某一特定時間t，綜合考慮元件停運導致系統故障的嚴重度及元件停運發生的概率。通常情況下，風險可以定量表示公式（1）所示的基本形式。

式中：t（Time）為某個時刻；S（Severity）為嚴重度，包括過負荷、電壓越限、失負荷三個方面的嚴重度；P（Probability）為元件停運發生的概率；R（Risk）為風險值。

4 結論與展望

文章總結了20 kV及以下城市電網風險評估的常用理論和評估方法，并結合其他領域風險研究方法和城市電網自身的結構特點，提出將城市電網的風險評估分為元件級和系統級兩類。隨著電力設備的智能化發展和大數據技術的廣泛應用，城市電網風險評估今后的研究重點應在以下幾個方面。

（1）電網智能化條件下的多風險因素。分布式電源的接入和用戶需求量的不斷擴增使得配電網需要極大增加監控的深度和廣度，這無疑給配電網的安全穩定運行增加了更多的不確定因素，在日后的風險評估中要綜合考慮各種風險因素的交互影響，全面評估配電網整體風險。

（2）利用智能電子設備獲取更完備的數據信息。風險評估需要充足、完備的數據支持，目前大多數配電系統對數據信息的記錄和保護措施還不夠完善。未來的風險評估研究應該通過高效、科學的智能設備監控并記錄更完備的數據，以便對配電網進行更精確的風險評估。

（3）統一風險評估模型和風險指標體系。目前，雖然已經有大量的文獻詳細地闡述了城市電網風險評估的概念方法和理論依據，但學者們對于風險的嚴重程度的評價標準卻不盡相同，最終研究出的風險指標也各有千秋。有關配電網風險評估的模型和指標體系的統一還有待研究。