（电力系统及其自动化专业论文）基于风险的电力系统安全性研究.pdf

a b s t r a c t t r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e mf o c u s e do ns e c u r i t yr u n n i n gi n s t e a do fe c o n o m i cr u n n i n g o nt h eo n eh a n d , i tg u a r a n t e e das e c u r i t ys y s t e m o nt h eo t h e rh a n d , r e s o u r c e sw e r ee n o r m o u s l yw a s t e d i ne l e c t r i c i t ym a r k e t ， s i n c ep o w e rp l a n t sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o nc o m p a n i e sa r ei n d e p e n d e n t , t h es e c u r i t yp o w e rs y s t e mi sn o l o n g e rb e i n gu n i f o r mc o n t r o l l e db u td e p e n d so nt h ec o o p e r a t i o nd u r i n gp o w e rg e n e r a t i o nc o m p a n ya n d p o w e rd i s t r i b u t i o nc o m p a n ya sw e l la sp o w e rt r a n s m i s s i o nc o m p a n y s e c u r i t ys e r v i c e sf o re c o n o m y w h i c hb r i n g ss o m eu n s t a b l ef a c t o r st op o w e rs y s t e ms u c ha sd e c r e a s i n gb a c k u pc a p a c i t y , u n - e o m p r e h e n s i v e s t a t i ca n dt r a n s i e n ts t a b i l i t yc h e c ka n dg r a d u a l l yn e a rt ot r a n s m i s s i o nl i m i ta n ds oo n h o wt oc o o r d i n a t et h ee c o n o m ya n ds e c u r i t yo ft h er u n n i n gp o w e rs y s t e mi ne l e c t r i c i t ym a r k e tt o a n a l y z et h es e c u r i t yo ft h ep o w e rs y s t e ma n dc h o o s et h eb e s tc o n t r o lm e a s u r e si sv e r yi m p o r t a n tt oe n s u r e t h es e c u r i t yo ft h es y s t e m s o m ep r o b l e m se x i s ti nt h ec u r r e n tr e s e a r c h e so np o w e rs y s t e ms e c u r i t y i n c l u d i n gt h eg u i d i n gr u l e sa n dt h es e c u r i t yl e v e la n a l y s i sa sw e l l 雒r e s e a r c h e so nc o n t r o lm e a s u r e s s o t h e ya r et h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti nt h i sp a p e lt h er i s kt h e o r yi su s e dt oa n a l y z et h es e c u r i t yl e v e lo f p o w e rs y s t e m sa n dt h ec o n t r o lm e a s u r e sc h o o s e m a i nr e s e a r c hw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) f o rab e r e rr e s e a r c ho np o w e rs y s t e ms e c u r i t yl e v e la n dt h ec o n t r o lr e s u l t so fs e c u r i t yc o n t r o l m e a s u r e s ，t h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yi ne l e c t r i c i t ym a r k e ti sd e t a i l e d t h o s ef a c t o r sw h i c hh a v es o m e e f f e c t so nt h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t ys u c h 弱p o w e rs y s t e mo p e r a t i n ga n dp l a n n i n g , b l o c km a n a g e m e n t , d e v i c e se x a m i n i n ga n df i x i n ga sw e l la sa u x i l i a r ys e r v i c e sa r es t u d i e d t h en o np r o p e rr u l e sa n dt h ef e a s i b l e r e s e a r c h i n gd i r e c ta r ep o i n t e do u tw h i l eg l a n c et h ec u r r e n tr e l a y p r o t e c t i o ng u i d i n gr u l ea n dp o w e r d i s p a t c h i n gg u i d i n gr u l e a tl a s tt h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v i n gr e s e a r c h i n gd i r e c to ft h es e c u r i t yc o n t r o l m e a s u r e sa r ec o n c l u d e db a s e do nt h ec u r r e n tt h e o r yr e s e a r c hr e s u l t s 2 ) t h es e c u r i t ya n a l y s i sd e v e l o p m e n th i s t o r yo fp o w e rs y s t e mi sf o c u s e do n an e wr i s k - b a s e dm e t h o d i sp u tf o r w a r dc a l l e ds e c u r i t ya s s e s s m e n to fp o w e rs y s t e m sb a s e do ne n t r o p yw e i g h t - b a s e dg r a yr e l a t i o n a l w h i c hs o l v e st h e c o o p e r a t i o np r o b l e mb e t w e e ns e c u r i t ya n de c o n o m y t h en e we n g l a n d3 9 一b u st e s ts y s t e m p r o v e st h a tt h em e t h o di sag o o d o n e 3 ) t h es o l u t i o nb a s e do nt h ea n a l y s i so fa l ls e c u r i t yc o n t r o lm e a s u r e si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n si sp u t f o r w a r dt os o l v et h ew e a kp o i n te x i s t i n gi np r e s e n ts e c u r i t yc o n t r o lm e a s u r er e s e a r c h u s i n go p t i m i z i n g m o d e lt os t u d yt h ec o n t r o le f f e c t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n st of i tt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t 。 k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，s e c u r i t ya n ds t a b i l i t y , r i s k , s e c u r i t ya s s e s s m e n t , c o n t r o l e f f e c t a s s e s s m e n t i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：驰约一 一e l期：2 掣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：辱壅缉 导师签名：日 期：。罗一。；，。j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 当今电力系统安全面临的挑战 二十世纪八十年代以来，席卷全球的电力工业市场化改革浪潮，宣告了传统的从电能产生到分 配都在一个公司控制下的垂直管理模式的终结。电力市场改革通过市场竞争来实现资源的优化配置， 促进电力工业长期、持续、稳定发展。目前，国际上已经有数十个电力市场处于运行之中。智利、 阿根廷、英国、美国、澳大利亚等国的电力市场改革给其电力工业带来了活力，并加快了世界上其 他各国包括我国的市场化发展进程。尽管有美国加州电力市场失败的教训，但更多的是成功的经验。 放松管制、引入竞争、实现电力工业市场化是不可逆转的历史趋势，也是电力工业发展进程中一次 深刻的变革。 电力市场化后，电力系统安全稳定的环境与传统体制下的环境的变化分析如下： 1 从技术措施体系看，在传统垂直一体化的体制下，机组开停机计划是在全网集中优化安 排的，调度员可通过改变机组出力来满足电网安全可靠的要求；而在建立电力市场后， 机组的开停计划由市场决定，原来保障电网可靠性水平的重要手段变成为电网运行的先 决条件。 2 从管理体制看，传统管理体制下，发电厂以整个电网的安全可靠为目标，整个电网的安 全稳定措施是统一组织实施的。电网自动发电控制( a c c ) 调频、安全自动装置配置、继 电保护配置等，也都统一由机组依其在电网中的地位承当相应的职责；厂网分开后，必 须按市场规则来组织实施电网的安全稳定措施和辅助服务。 3 组织管理体系看，由于电网运行的特点，电网的安全运行依赖于电网的统一协调，包括 输配电网与电源间的统一协调。在垂直一体化的体制下，输配电网和发电厂的安全管理， 既考虑了发电厂的安全，也考虑了整个电网的安全，且更注重电网的整体安全；而在电 力市场环境下，既要考虑企业利益，更主要的是考虑所有投资者的合法权益、电网的整 体利益乃至社会影响，发电厂的局部利益和电网的整体利益间的关系可在企业内部得到 调整。 电力市场的实施打破了传统的垄断经营模式，同时也带来不少的新问题，具体表现如下： 1 ) 为了追求最大的经济利益，将尽可能平等地使用现有的设备，系统将运行在更加接近临界稳 定点的状态，系统的安全裕度将变小： 2 ) 垂直垄断企业的解体，使发电、输电、配电等成为独立核算的实体，调度、控制等都必须依 据平等、经济的原则，不再存在上下级的关系； 3 ) 为了各自的经济利益，远距离、大规模的功率传输大大增加； 4 ) 运行方式不能预先确定且变化频繁； 5 ) 市场的参与者众多，自由权增加，电力系统运行中的不确定因素增加； 6 ) 安全控制设备可能分散在不同的所有者手中。 可以看出，电力市场的引入虽然能够促进资源优化，但是给电力系统带来许多新的问题，对电 力系统的稳定运行产生了深远影响。电力系统安全稳定性将通过独立的发电公司、配电公司和电网 公司分别对利润的追求得到保证。让系统运行于稳定边界带来巨大经济效益的同时，也使得对系统 进行有效的协调控制以确保运行的稳定性也变得更加困难。 因此，对电力市场的研究，特别是电力市场环境下的包含系统安全稳定规程和安全控制措施的 电力系统安全性研究就显得十分必要和迫切。尤其是国内电力工业的市场化改革才刚刚起步，电力 市场具体给电力系统安全性带来什么样的影响以及在市场环境下如何更好地评价系统的安全程度并 第一章绪论 对系统安全控制措施进行评价，这些都是必须深入探讨和研究的问题。 1 2 电力系统安全稳定规程 电力系统的安全性是指电力系统承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料到的失去系统元 件的能力，它是动态条件下电力系统经受住突然扰动并不间断向用户提供电力和电能量的能力。 电力系统的稳定是指电力系统在受到扰动( 例如突然短路或未预料到的失去系统元件的能力) ， 凭借电力系统自身固有的能力和控制设备的作用，恢复到扰动前的稳定运行方式，或者达到新的稳 定运行方式。 保证电力系统的安全稳定是电力系统安全运行的必要条件。从国内外长期的电力系统运行中的 事故统计分析可以看出，电力系统稳定破坏事故是危害性最大的事故之一，它严重威胁电力系统的 安全运行和供电可靠性。不能有效地限制稳定破坏事故的发生和在发生稳定破坏事故后及时处理， 往往导致大面积停电的严重后果，给工农业生产、人民生活、社会政治生活造成重大损失。只有在 保持电力系统稳定的条件下，电力系统才能不间断地向用户提供电力和符合质量要求的电能量。 改革开放初期，尽管我国电力工业得到了迅猛的发展，但仍然满足不了我国飞速发展的国民经 济和人们日益增长的物质生活和文化生活的用电需要。在电力严重短缺的情况下，人们首先想到的 是加快电源建设步伐。但是人们对于电网在电力事业发展中的重要性认识十分匮乏，认为电网就是 一条条送电线和一个个变电站的工程建设而已。这种长期重发轻供不管用的思想，使得在电力工业 内部出现了比例失调问题：电源的增长落后于电力需求的增长，导致集中资金用于电源建设以解决 供需矛盾；而对大电网的批判，使得电网建设举步维艰，各省电网建设，往往是建一个电厂拉几条 线，来一个大用户拉几条线，电网结构紊乱，一个故障往往导致全网瓦解。这种忽视输、配电网络 的建设、重发轻供的必然结果就是电网的发展落后于电源的发展，严重削弱了电力系统安全稳定运 行的基础，导致电网事故频发，造成了巨大的经济损失。电力系统安全稳定问题已经成为当时电网 正常运行的主要矛盾。 在这种情况下，原电力工业部制定了电力系统安全稳定导则( 以下简称导则) ，电力市场 引入后，又进一步进行了修正，以指导电力市场成员动作。各网、省级在导则的指导下制定了 一系列具体的安全规程，包括各级继电保护规程、调度规程等等，从而达到提高电网安全运 行水平、大幅度地减少稳定破坏事故的目的l l j 。 本节以导则为例，介绍电力系统安全稳定规程。安全稳定规程主要通过电力系统稳定性定 义、电力系统的安全稳定标准以及电力系统的安全稳定运行要求等三个方面体现，为电力系统运行 状态的安全稳定程度的评判提供了理论依据。 1 2 1 电力系统稳定性定义 要准确分析某个电力系统的安全稳定状态，首先必须给出清晰的各种系统运行状态的稳定性定 义。导则把电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力称为电力系统稳定性。通常根据动态过 程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、动态稳定、 电压稳定。 a 静态稳定 是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。这里所 指的小干扰，是由于负荷正常波动、功率及潮流控制、变压器分接头调整和联络线功率自然波动等 引起的扰动。系统静态稳定义称为小干扰稳定。 b 暂态稳定 是指电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方 2 笙二童丝堡 式的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定。大扰动是指系统元件短路、切换 操作和其他较大的功率或阻抗变化引起的扰动。 c 动态稳定 动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程 的运行稳定性的能力。动态稳定的过程可能持续数十秒至几分钟。后者包括锅炉、带负荷调节变压 器分接头、负荷自动恢复等更长响应时间的动力系统的调整，又称为长过程动态稳定性。 d 电压稳定 电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范周内，不 发生电压崩溃的能力。无功功率的分层分区供需平衡是电压稳定的基础。电压失稳表现在静态小扰 动失稳、暂态大扰动失稳及大扰动动态失稳或长过程火稳。电压失稳可以发生在正常工况，电压基 本正常的情况下，也可能发生在正常工况，母线电压己明显降低的情况下，还可能发生在受扰动以 后。 1 2 2 电力系统的安全稳定标准 为了保证电力系统的安全稳定，l ：导则对不同程度的扰动下的系统分别设定了以下稳定要求。 a 小扰动下的安全稳定标准一电力系统的静态稳定储备标准 电力系统在承受小扰动下应保持静态稳定并留有一定储备。 在正常运行方式下，对不同的电力系统，按功角判据计算的静态稳定储备系数( k p ) 应为 1 5 0 o - 2 0 ，按无功电压判据计算的静态稳定储备系数( k | v ) 为1 0 - 1 5 。在事故运行方式和特殊 运行方式下，k p 不得低于1 0 ，k - v 不得低于8 。另外，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况 下允许只按静态稳定储备送电，但应有防止事故扩大的相应措施：a ) 如发生稳定破坏但不影响主系 统的稳定运行时，允许只按正常静态稳定储备送电；b ) 在事故后运行方式下，允许只按事故后静态 稳定储备送电。 b 电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准 导则将电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级。 第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电( 大扰动类型为单一故障等出现概率较高的故障) ； 正常方式下的电力系统受剑下述单一元件故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，不采取 稳定控制措施，必须保持电力系统稳定运行和电网的正常供电，其他元件不超过规定的事故过负荷 能力，不发生连锁跳闸。 幻任何线路单相瞬时接地故障重合成功； b 1 同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线单相永久故障重合不成功及无故障三相断开不 重合； 同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线三相故障断开不重合； d ) 任一发电机跳闸或失磁； e ) 受端系统任一台变压器故障退出运行； f ) 任一大负荷突然变化； d 任一回交流联络线故障或无故障断开不重合： h ) 直流输电线路单极故障。 但对于发电厂的交流送出线路三相故障，发电厂的直流送出线路单极故障，两极电压的电磁环 网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措旌。 第二级安全稳定标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷( 大扰动类型为出现概率较低的单 一严重故障) ： 正常运行方式下的电力系统受到下述较严重的故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，应 3 第一章绪论 能保持稳定运行，必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制措施。 a ) 单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合； b ) 任一母线故障； c ) 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线三相同时跳开； d ) 直流输电线路双极故障。 第三级安全稳定标准：当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失( 大 扰动类型为出现概率很低的多重严重故障等) 。 电力系统因下列情况导致稳定破坏时，必须采取措施，防止系统崩溃，避免造成长时间大面积 停电和对最重要用户的灾害性停电，使负荷损失尽可能减少到最小，电力系统应尽快恢复正常运行。 a ) 故障时开关拒动； ”故障时继电保护、自动装置误动或拒动； c ) 自动调节装置失灵； d ) 多重故障； e ) 失去大容量发电厂； f ) 其他偶然冈素。 1 2 3 电网的安全稳定运行要求 为了达到以上稳定标准，保证电网的安全稳定运行， 导则从电网结构、各种运行方式一f 系统 静态稳定储备以及事故发生时的控制措施等方面提出了6 点总体要求，具体内容如下： l 正常运行状态下，为保证电力系统运行的稳定性，维持电网频率、电压的正常水平，系统应 有足够的静态稳定储备和有功、无功备用容量。备用容量应分配合理，并有必要的调节手段。在正 常负荷波动和调整有功、无功潮流时，均不应发生自发振荡。 2 合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。在电网的规划设计阶段，应当统筹考虑， 合理布局。电网运行方式安排也要注重电网结构的合理性。合理的电网结构应满足如下基本要求： a ) 能够满足各种运行方式下潮流变化的需要，具有一定的灵活性，并能适应系统发展的要求； b ) 任一元件无故障断开，应能保持电力系统的稳定运行，且不致使其他元件超过规定的事故过 负荷和电压允许偏差的要求： c ) 应有较大的抗扰动能力，并满足本导则中规定的有关各项安全稳定标准： d ) 满足分层和分区原则； 合理控制系统短路电流。 3 在正常运行方式( 含计划检修方式，下同) 下，系统中任一元件( 发电机、线路、变压器、 母线) 发生单一故障时，不应导致主系统非同步运行，不应发生频率崩溃和电压崩溃。 4 在事故后经调整的运行方式下，电力系统仍应有规定的静态稳定储备，并满足再次发生单一 元件故障后的暂态稳定和其他元件不超过规定事故过负荷能力的要求。 5 电力系统发生稳定破坏时，必须有预定的措旌，以防止事故范围扩大，减少事故损失。 6 低一级电压电网中的任何元件( 包括线路、母线、变压器等) 发生各种类型的单一故障，均 不得影响高一级电压电网的稳定运行。 以上导则对于电力系统稳定性、电力系统的安全稳定标准定义以及电力系统的安全稳定运行要 求均是根据我国电力系统安全稳定工作的经验，特别是电网的实际情况和对各电网发生的稳定破坏 事故进行深入分析研究的基础上，有针对性地订立的。它是我国改革开放前电力系统规划设计、基 建和生产运行经验的总结，结合了当前电力市场特征，一定程度上客观地反映了当前我国电力系统 的条件和近期发展的需要和可能。 4 第一章绪论 1 3 保障电力系统安全稳定的相关技术措施 如果说 1 2 经济后果1 3 3 i 目前风险损失费用基本都用单位停电费用损失乘以期望缺供电量来进行计算。但是停电费用损 失的量化十分复杂而且方法并不成熟。主要有以下三种计算单位停电损失的方法，不同的公司可以 根据实际需要进行选择： 1 、基于用户损失函数的方法。用户损失函数由用户调查统计分析获得。例如，通过对加拿大电力 公司的广泛调查，其平均单位停电损失是4 l o $ 瓜、枷。这是由于停电造成的平均社会损失费用。 单位停电损失具有随地区、国家和系统不同而不同的属性。一个公司应当使用基于自己系统及 其供电用户调查分析得剑的单位停电损失数据。这种方法有普遍意义，尤其适用于那些以用户 满意为对策目标的电力公司。 2 、基于投资核算的方法。电力系统的增强改造投资一般都会带来系统风险的降低。换句话说，投 资和系统风险指标之间存在着可量化的关系。通过对系统增强改造项目和相应系统风险评估的 人量研究，可以得到基于投资的平均停电损失数据。 3 、基于国民生产总值的方法。一个简单而有效的方法是利用国民生产总值的概念。一个省( 州) 或国家的国民生产总值除以该省( 州) 或国家的年用电量就得到每千瓦时的价值。这个数值反 映了这个省( 州) 或这个国家缺供l k w h 电量的平均经济损失。显然，这个方法适用于公有制公 司。 不论是计算后果程度还是计算经济后果都存在两方面问题：一方面，由于电力市场环境下商业 竞争等各方面原因，使得获取经济性参数相当困难，因此要计算事故发生后准确的经济损失后果值 比较困难；另一方面，其后果计算模型没有将影响后果的各种因素对后果的影响程度体现出来。 3 3 基于熵权的灰色关联法的安全评估 鉴于3 2 中讨论的目前基于风险的安全评估中后果计算存在的问题，本文提出一种新的计算后果 程度的模型应用基于熵权赋权法的灰色关联方法。该方法考虑了影响事故后果的各种因素，并 使用熵权法给各影响因素赋权，充分反映影响后果的各种因素的影响程度；通过灰色关联分析法将 2 3 第三章电力市场环境下基于风险的电力系统安全程度评价 这些各个相关但关系不明确的因素联系起来，从而得到各种故障情况对整个系统安全后果影响的程 度弓毛联度，即后果程度。 同时文中引入风险因子概念来表示事故发生概率与后果程度的乘积，用于评价故障后系统的安 全水平。 以低电压安全评估为例，采用n e we n g l a n d 3 9 节点系统验证了该方法的有效性。 3 3 1 基于熵权的灰色关联方法团i a 灰色关联分析 研究系统安全水平，首要工作就是要分析各种影响安全水平的各种因素，弄清楚因素间的关系， 这样才能抓住影响安全水平的主要因素，主要特征和主要关系，从而为分析研究提供必要的基础。 相关的数学分析方法有同归分析、方差分析、主成分分析、主分量分析等，尽管这些方法解决了许 多实际问题，但它们往往要求大样本，且要求只有典型的概率分布，而这在实际中却很难实现。灰 色系统理论提出的灰色关联分析方法则可不受这些局限，这种分析方法可在不完全的信息中，对所 要分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间，找出它们的关联性，发现主要 矛盾，找到主要特征和主要影响因素。即所谓灰色关联分析是基于行为因子序列的微观或宏观几何 接近，以分析和确定因子间的影响程度或因子对主行为的贡献测度而进行的一种分析方法。 1 灰关联分析的原理 假设对于某个研究系统，假设有m 个评价对象，n 个评价指标。每个评价对象的n 个评价指标 值构成一个评价向量及一条参数曲线，称为比较向量x i ，总共有i n 个比较向量。根据所研究系统的 特点选取一个参考向量x 。比较各比较向量和参考向量的曲线的几何形状相似程度。一般来说，比 较向量曲线与参考向量曲线几何形状越接近，变化趋势也就越接近，该比较向量曲线与参考向量曲 线的关联度就越大。从而可以得出所有比较向量与参考向量的接近程度，并根据关联度大小排列顺 序，以便比较各比较向量间的差异。 2 灰关联分析的步骤 ( 1 ) 确定评价矩阵 所有的比较向量以及参考向量形成( m + 1 ) x n 阶评价矩阵x 如表l 所示。 表1 评价矩阵x 评价指标u nu 2u n 参考向量x o x n 比较向奄 x m 不同的研究系统的参考向量不同，根据实际情况而定。 ( 2 ) 进行初值标准化 为了在同一量纲体系下对各指标进行评价，必须对不同评价对象的各指标值进行归一化处理。 归一化方法有很多，这里只简单介绍一种： ，抖 砖( 七) = 鼍( 七) 墨( 七) ，f = 1 ，m k = 1 ，疗 ( 7 ) f = l ( 3 ) 求比较向量与参考向量差的绝对值矩阵厶。这样处理可以很直观地看到各比较向量与参考向 量的离散程度。 f ( 七) = i x o ( k ) 一x g ( k ) l ，江l 一，m k = l 一，n ( 8 ) ( 4 ) 求各比较向量与参考向量的关联系数矩阵。 2 4 笙三兰皇查立堑堡塑! 苎王垦堕堕皇垄墨竺窒全堡堡堡竺 + o - a l七=圳ai(k)+oamax，min2叫nqni七m戤2m警f七 9 毛( 七) ：表示第i 个评价对象第k 项评价指标的关联系数，即比较向量与参考向量在第k 项指标上的 关联性。 盯为分辨率，0 r m ，表明与最接近，或对蜀的影响最大，如次之，。 b 加权关联度中权值的求取熵值法 权重是综合评价中的一个重要的指标体系，合理地分配权重是量化评估的关键。权重的构成是 否合理，直接影响到评估的科学性。确定权重的方法有很多，如专家咨询法( d e l p h i ) 、专家排序法、 层次分析法、秩和比法( r s r ) 、相关系数法、主成分分析法、因子分析法、熵值法等等。这些评价 方法各有其特点，但大体上可以分为两类，一类是主观赋权法，多是采取综合咨询评分的定性方法 第三章电力市场环境下基于风险的电力系统安全程度评价 确定权重，如专家咨询法和专家排序法。另一类是客观赋权法，是通过数理的运算米获得指标的信 息权重，如主成分分析法、因子分析法、熵值法等。后一类方法避免了人为因素带来的偏差。 1 熵值法原理陋。 为了避免权重计算的主观性，本文采用一种客观赋权法熵值法来确定各评价指标的权重。 最初，熵是用在热力学中来说明运动过程不可逆的一个物理量，反映了自然界出现的热的变化 过程是有方向性的，是不可逆的。随着科学家的进一步研究，他们对熵作出微观解释：在由大量粒 子构成的系统中，熵表示粒子之间无规则的排序程度，或者说，表示系统的紊乱程度，系统越“乱”， 熵就越大；系统越有序，熵就越小。所以熵是系统的无序状态的量度。于是熵开始得以在自然科学 之外的各学科中广为应用。根据熵的特点，本文使用信息熵来度量获取的数据所提供的有用信息量。 熵值法是一种通过信息熵来反映评价指标信息效用值的方法。当评价对象在某项指标上的值相 差较小时，熵值较大，说明该指标提供的有效信息量较小，该指标的权重也较小。当各被评价对象 在某项指标上的值完全相同时，熵值达到最大，这意味着该指标未向决策者提供任何有用的信息， 可以考虑从评价指标体系中去除。 2 熵值法步骤 同样假设有i n 个评价对象，n 个评价指标，按照定性与定量相结合的原则取得多对象关于多指 标的评价矩阵。 r= 两1 岛2 6 l 厅 6 2 l6 2 2 6 2 月 ；ii b m ! b m 2 b m 甩 ( 1 2 ) ( 1 )为计算熵值将评价矩阵标准化处理 由于本文研究的是低电压风险的后果程度，因此灰度关联中的原始评判矩阵中的数值越小越好。 因此，采用式( 1 3 ) 对原始数据矩阵进行归一化处理。归一后为矩阵r ，且r = ( ) 。埘。 b i k = m a x b i k b i k l ，i = l ，mk = l - - - - - - , n ( 1 3 ) m a x b i k m m b - k 为第i 个评价对象在指标k 上的值，且【o l 】。 ( 2 ) 定义信息熵e l 。 第k 个评价指标的熵定义为： = 弋血i n 氟) l l n m ，k = l ，玎 ( 1 4 ) i = l 区别于传统熵概念定义中的k = 6 f 七荟m ，本文采取修正的矗计算公式： 厶= 0 + ) 7 互m ( 1 + ) ，这样处理的原因是：当= o 时，矗= o ，1 i l 磊没有意义。 由式( 1 4 ) 可看出，0 0 0 5 ，t o 5 s ，切负荷2 0 ； a v 0 1 ，t 0 2 5 s ，切负荷3 0 ； a v 0 1 5 ，t o 1 s ，切负荷4 0 ； 假设某一支路在t - - - o 断开时，出现两个低压节点a 和b 。a 和b 的初始负荷分别为p a 和p b 。采用 低压减载恢复电压到0 9 5 p u - 1 0 5 p u 过程中，低电压节点的电压与低压持续时间t 的关系，见图3 。 如图所示，a 点持续了两个时间段的低电压，而b 点只持续了一个时间段低电压。 t - - 0 时，节点a 的电压偏差为，满足减载动作条件。节点b 电压偏差为，满足减载条 件。所以a 节点在持续0 2 5 s 时切除该节点3 0 的负荷，此时，节点a 形成一个评价向量：1 ，= 圪， t = 0 2 5 ，p 。b c d 印。x 3 0 ：a 节点切除负荷后，节点b 的电压有所升高，恢复剑正常电压范围内，并且 其电压偏差持续时间也不满足动作要求，因而节点b 不切除负荷，故评价矩阵中，节点b 的评价向 量为：v = ，t - - o 2 5 ，p 捌。 v ( p u ) 图3 低电压节点电压v 与低压持续时间t 之间的关系 但是，节点a 在切除3 0 负荷后电压并没有恢复剑正常电压范围内，v 0 0 5 ，冈此该节点在过 0 5 s 后切除剩下负荷的2 0 。因此节点a 再次形成一个评价向量：a v = 吃2 ，t - - 0 5 ，p s h e d = p a x l 4 。 由图可见，0 7 5 s 时，节点a 的电压恢复到正常范围内，而b 节点的电压也随之提高。 由此类推，可以获得所有低电压节点的评价向量。 2 计入经济代价的评价矩阵 电力市场环境下，中断负荷值是低电压的直接后果，但不能反映负荷的损失程度。因此表2 中 评价矩阵的p s h c d 评价指标要用负荷的经济损失c 取代。本文在计算事故后果程度时，将负荷中断补 偿作为影响后果程度的一个经济因素，基于用户损失函数法求补偿量。 假设电力公司对用户i 的被中断负荷的补偿支付为： 乃( 岛，鼍) = c f ( g ，x i ) + c i ( o f ) i = i ，2 ，册 ( 2 0 ) 其中： q ，a p d i ) = f l a p 2 + k 2 ( i - o i ) a p d i ，i = i ，2 ，m ( 2 1 ) q ( 岛，a p d z ) 为用户的缺电成本函数，乞为用户i 的负荷中断量，k i ，k 2 为常数，可根据历史 的用户缺电成本函数确定，这里设k l 卸0 0 1 3 元，【( k w ) 2 h 】，k 2 = 0 2 5 元k w h ，包为0 - i 之间的连续 鲐机9 n 豁 o | 兰 。 哪机引嘶 。 砬 第三章电力市场环境下基于风险的电力系统安全程度评价 变量，表示用户的负荷中断意愿。包越小，意味着用户边际缺电成本越大，在中断相同负荷时，获 得的补偿应该越多。 岛( 岛) 为用户i 上报类型参数为b 时得到的信息补偿。本文算例采用文献【3 7 】中所述的方法，设计 具有激励相容的电力市场可中断负荷管理合同模型，引导用户自愿披露真实缺电成本信息，从而得 到用户最大补偿。假定用户上报真实类型参数如表3 ，此时信息补偿为0 。电力公司根据用户类型信 息、最大可中断负荷以及事故情况，得出各用户的中断电量。并根据式( 2 1 ) 计算出补偿费用c ( 万元 1 1 ) 形成新的评价矩阵，如表4 。 表3 用户的类型参数 用户 3 4 781 21 5 1 61 8 类型 参数一 0 3o 60 20 6o 50 6 50 60 1 5 用户 2 02 12 42 62 72 82 9 类型 参数口 0 7 0 30 50 2 50 5 5o 2 5o 3 表4 新的低电压后果程度评价矩阵 评价指标 a vtc 参考向量n o n i 比较向量 n m 3 后果程度模型 评价矩阵形成后，应用基于熵权的灰色关联方法得出某一运行方式下，各可能故障发生后低电 压节点的后果程度。假设e ，故障时有一个低电压节点，0 为第j 个低电压节点的后果程度，则该故 障下的后果程度为： d e g r e e c e j ，葺，f ) 2 毛，：， ( 2 2 ) 故障后果程度结合故障概率，应用式( 1 9 ) 即可计算出各故障的风险因子，进而由式( 1 9 ) 可得出该 运行方式下的风险因子。同样的方法可计算出不同运行方式的风险因子。 b 算例 n e we n g l a n d3 9 节点系统数据见附录a ，在负荷中断持续1 小时情况下，低电压节点的各个评价 指标值如表5 ，表中l 为开断的故障线路，n 。为低电压节点，c 为中断负荷补偿，单位为万元h - 表5 低电压不同故障情况下各评价指标 l n j vtcl n j v t c l o 1 3 1 2 0 0 5 4 1 8 9o 53 2 5 6 2 51 80 0 5 7 5 0 3 o 2 5o 1 1 1 21 20 0 7 4 1 2 615 3 4 1 2 52 00 0 6 3 60 52 4 0 5 5 2 1 2 2 40 0 5 4 0 9 30 51 3 0 12 10 0 7 9 0 6 40 53 9 1 3 5 4 2 8o 0 5 1 5 9 80 302 40 0 7 0 5 7lo 3 50 1 5 1 6 1 2 0 0 5 3 4 2 20 53 2 5 6 2 52 3 2 42 0o 0 51 0 1 7 o 5 2 4 0 5 5 1 50 0 9 0 9 7 9l8 7 4 2 7 5 22 70 0 5 4 8 6 70 54 1 1 2 2 9 4 5 2 60 0 5 5 0 9 30 3 502 6 2 92 80 0 7 1 3 6 8o 52 2 1 4 3 9 7 2 - 2 5 2 7o 0 6 1 0 3 10 54 11 2 2 9 4 52 90 0 6 2 0 9 20 4o 2 9 第三章电力市场环境下基于风险的电力系统安伞程度评价 30 0 8 4 8 5 6 0 55 4 0 2 8 3 840 0 5 5 2 1 20 51 3 0 l 3 _ 4 40 0 7 4 6 9 60 51 3 0 11 20 0 5 2 4 910 53 2 5 6 2 5 70 0 6 2 1 5 90 52 8 5 1 7 9 8 8 870 0 5 8 6 8 6o 52 8 5 1 7 9 8 8 8 6 - 7 80 0 6 2 8 6 3o 51 4 1 7 9 6 0 8 80 0 5 2 7 4 4o 51 4 1 7 9 6 0 8 2 - 3 1 20 0 6 7 6 5o 53 2 5 6 2 540 0 5 9 8 3 70 51 3 0 l 1 5o 0 6 1 5 6 30 55 3 3 0 48 970 0 7 2 1 3 40 52 8 5 1 7 9 8 8 8 1 8o 0 7 1 1 1 90 513 0 4 8 4 380 0 7 6 2 0 6o 51 4 1 7 9 6 0 8 2 00 0 5 5 8 5 5o 52 4 0 5 5 2 6 0 0 6 8 7 6 5 116 5 7 0 7 8 4 0 0 5 3 9 0 9 o 51 3 0 l2 70 0 6 8 7 0 61 16 7 4 51 7 5 2 8 2 9 2 1 - 2 21 20 0 5 5 8 3 4o 53 2 5 6 2 52 80 0 8 4 2 0 11 53 6 3 2 8 4 7 1 50 0 6 7 9 2 4o 55 3 3 0 42 90 0 7 6 4 2 4o 94 3 2 3 1 6 8 2 1 _ 2 21 60 0 6 1 6 0 40 5o 按照熵值法，可获得各评价指标的权重如表6 。 表6 各评价指标的权值w l 评价指标 vtc l w j 0 3 6 9 30 1 9 8 50 4 3 2 2 基于熵权的灰度关联方法计算出的各故障的低电压节点关联度指标，即后果程度r 如表7 。其中r 为用图2 所示的严重程度函数计算的结果。 表7 各故障下的加权关联度指标r l n j r r l n j r r 1 0 1 31 20 2 7 7 8 7 51 0 8 3 7 81 80 1 6 4 1 6 l1 1 5 0 0 6 1 1 1 21 2 0 3 7 8 3 7 6 1 4 8 2 5 22 00 4 8 7 2 2 l1 2 7 2 2 l 一2 2 40 4 1 0 2 31 0 8 1 8 62 l0 3 2 4 2 1 31 5 8 1 2 8 80 1 6 1 4 9 71 0 3 1 9 62 40 1 9 3 3 4 81 4 1 1 4 2 1 5 1 6 1 20 2 7 6 7 2 51 0 6 8 4 4 2 3 2