（电力系统及其自动化专业论文）城市电网风险评估的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文城市电网风险评估的研究，是本人 在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名：茎璧： 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 貔 导师签名： 日期： 华北l u 力人学硕十学位论文摘要 摘要 随着经济的发展，人们对城市电网耐受风险的程度提出了更高要求。本文在可 靠性理论基础上，建立停运模型，并通过蒙特卡罗法获取系统各元件状态，以及各 负荷点变化情况，得到系统状态。分析每种故障的危害程度，根据不同故障的不同 危害度，分别采用表格法，熵权法和状态持续时间法，分析i e e e 3 0 节点和某市电 网的风险。针对蒙特卡罗法需要大量计算的问题，运用改进的截断抽样法，在不影 响计算精度前提下提高计算速度。 关键词：城市电网；风险评估；蒙特卡洛；熵权法；可靠性 a b s t r a c t a l o n gw i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，p e o p l e sr i s kt o l e r a n c el e v e lo fu r b a np o w e r 鲥d sm a d eh i g h e rr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , b a s e do nr e l i a b i l i t yt h e o r y , e s t a b l i s h m e n t o u t a g em o d e l ，a n du s em o n t ec a r l om e t h o dt oo b t a i nt h es t a t eo fa l lt h es y s t e m s c o m p o n e n t s ，a n dc h a n g e si na l lt h el o a dp o i n t s ，g e tt h es t a t eo ft h es y s t e m r e s e a r c ho n h a r m f u ll e v e l so fa l lk i n d so ff a i l u r e s d e p a n d i n go nt h ed i f f e r e n th a r m f u ll e v e l so f d i f f e r e n tf a i l u r e s ，r e s p e c t i v e l yu s et a b l em e t h o d ，e n t r o p ym e t h o da n dt h es t a t ed u r a t i o n m e t h o dt or e s e a r c ht h er i s ko fi e e e 30a n dac e r t a i nc i t y sp o w e rn e t w o r k f o rt h em o n t e c a r l om e t h o dn e e df o ral a r g en u m b e ro fc a l c u l a t ，u s et h ei m p r o v e dc u t o f fs a m p l i n g m e t h o d ，w i t h o u ta f f e c t i n ga c c u r a c y , t oi m p r o v et h ec o m p u t i n gs p e e d l ic o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：u r b a ng r i d ；r i s ka s s e s s m e n t ：m o n t ec a r l o ；e n t r o p ym e t h o d ； r e l i a b i l i t y 华北电力人学硕十学何论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 城市电网风险评估的研究现状2 1 3 本文主要工作4 第二章求取风险指标的原理5 2 1 城市电网的结构和运行特点5 2 2 城市电网风险求取流程6 2 3 可靠性分析与风险评估的关系1 0 2 3 1 元件可靠性模型1 1 2 3 2 系统的可靠性模型1 2 2 4 系统状态的确定1 4 2 4 1 获取元件状态1 4 2 4 2 获取系统状态1 6 第三章城市电网风险评估1 8 3 1 状态持续时间抽样法1 8 3 1 1 状态持续时间抽样法步骤1 8 3 1 2 算例分析2 0 3 2 熵权法2 2 3 2 1 获取风险指标2 2 3 2 2 算例分析2 4 3 3 表格法2 5 3 3 1 获取风险指标2 5 3 3 2 算例分析2 6 3 4 提高风险评估的计算速度2 7 3 4 1 改进的截断抽样法2 7 3 4 2 算例分析3 l 第四章结论与展望3 2 4 1 结论3 2 4 2 展望3 3 参考文献3 4 致谢3 7 ! 型坠坠堑叁堂堡堂笪迨塞旦茎 在学期间发表的学术论文和参加科研情况3 8 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 近年来随着我国经济飞速发展，城市电网也向着高压，甚至超高压方向发展。 但是城市电网发展建设仍然相对滞后，社会用电负荷增长迅速，我国部分城市在高 峰负荷阶段，由于网架薄弱，一次设备陈旧老化不能满足要求，往往会出现有电送 不出去的尴尬局面。电网部分设备也常处于重载甚至过载状态，导致系统安全裕度 降低，停电风险加大。这就给城市电网持续可靠供电带来严峻考验。城市电网是大 电网和用户之间的接口，它能否安全稳定运行直接关系到整个电力系统是否安全稳 定以及效益高低。因此对城市电网进行风险评估，找到它的薄弱环节并给予增强稳 固来提高电网整体可靠性，降低电网风险，具有重要现实意义。目前最常使用的是 确定性准则和方法，例如：已经在电力行业使用多年的发电容量规划的百分比备用 以及输电规划的n 1 准则等。但是这种确定性准则不能反映电力系统行为，负荷变 化以及元件故障等方面的概率属性。因此概率性准则更加符合实际要求，概率性准 则即寻找系统较不安全部分，有选择的加以改进。以提高电网的安全稳定。电网风 险是概率和后果的综合，它应能够辨识电网失效事件发生的可能性，以及这些事件 后果的严重程度。寻找一个合理且经济的措施来降低风险较大失效事件发生。这就 涉及到了概率经济分析，即在某种合理技术经济条件下，接受一定的风险l 。 现代电网的特殊性，使事故能够迅速波及整个网络，并在相连的巨大电网间传 递。1 9 9 8 年新西兰奥克兰市商贸中心大停电，导致市中心3 0 个区长达2 个月的大 停电，直接经济损失高达7 亿美元；“9 2 8 意大利大停电，使大城市顷刻间陷入彻 底瘫痪，经济损失难以计数。现在我国电力系统已步入了超临界机组、超大电网、 超高压时代。电网规模也越来越大，东北与华北、华北与华中、华中与华东、华中 与西北、华中与南方电网都已互联。电压等级越来越高，某些地区主干电网的电压 等级全部为5 0 0 k v ，1 0 0 0 k v 的特高压项目已经正在建设当中。发电总容量也越来越 大，到今年年底为止全国总装机容量已接近7 亿千瓦，且新建电厂全部为大容量机 组，火电单机容量都大于6 0 万千瓦，最高为1 0 0 万千瓦；超大规模电力系统给社 会和人民带来巨大利益的同时，也潜在着巨大危险。长期以来，我国电力系统是“重 发轻供不管用 ，电网规划工作落后于电源。随着输电网规模不断扩大，使局部故 障波及范围增大，更易导致连锁故障，造成大面积停电灾难。如东北电网1 9 9 3 年8 月2 0 日的事故和华北电网1 9 9 9 年4 月2 8 同的事故。2 0 0 6 年我国河南省电网7 1 大停电事故，一条主要传输线路的保护误动使之停运，潮流转移，继而引发一系列 华北电力人学硕十学位论文 的隐性故障，最终导致大面积停电和与其它电网解裂。2 0 0 3 年的美国东北部和加拿 大联合电网的8 1 4 大停电，事故起源于俄亥俄州克利夫兰附近的一条3 4 5 k v 线路 故障退出运行。涉及美国的纽约、新泽西、俄亥俄、马萨诸塞、康涅狄格、密歇根 等8 个州和加拿大的安大略、魁北克两个省。受停电影响人数5 0 0 0 万，造成的经 济损失达3 0 0 亿美元，魁北克省最多损失6 1 8 0 0 m w 负荷，历时1 个小时5 分钟， 2 6 3 座电厂5 3 1 台发电机停运。这些大面积停电事故不仅造成巨大的经济损失，影 响人民的生活，还会危及到公共安全，造成严重社会影响【2 1 。因此，电力系统风险 评估已成为今天电力事业发展过程中必须考虑的一个重要课题。风险是指潜在损失 变化范围与变动幅度，对于电网来说是故障概率和影响的综合，它应能够辨识电网 失效事件发生的可能性，以及这些事件后果的严重程度，以寻找一个合理且经济的 措施来降低风险较大失效事件发生。电力系统风险包括充裕度和安全性两个方面。 充裕度是在静态条件下，电力系统满足用户电力和电能量的能力。安全性是电力系 统承受突然发生的扰动，如突然短路或未预料的短路或预料到的失去系统元件的能 力。城市电网经常是辐射网和环网并存，而且电压等级多，负荷种类繁杂，重要程 度不同，对电能质量要求也不尽相同【3 1 。城市电网区域特征明显，例如高负荷区， 低负荷区，生活区，工业区，商业区等。网络各个部分可靠程度也有差异。而且一 次故障事件可能会影响到城市的经济，环境，社会，生产，生活，治安，市政管理， 交通运输，电网稳定等各个方面。综合以上各因素把电网故障对城市的影响定为经 济损失，环境破坏，社会影响，市政管理，幸福指数5 个方面。 1 2 城市电网风险评估的研究现状 目前对电力系统安全评估方法的研究经历了三个阶段：传统的确定性评估方 法、概率性评估方法和风险评估方法。传统确定性评估方法已在电力系统中有了很 广泛应用。但是它难以考虑电力系统复杂性和随机性，只重视最严重事故。传统的 确定性电力系统安全评估方法有灵敏度分析方法、数值仿真方法、直接法等。确定 性安全评估方法的研究已经很成熟，并且在电力工业中也有很广泛的应用，在不用 额外研究工作的情况下提供了很高的可靠等级。但是这种方法只是重视最严重、最 可信的事故，结果过于保守。概率评估方法克服了确定性评估方法的不足，提出了 系统中故障发生概率有差异的概念【4 1 。以数学上的概率论为基础，计及系统内元件 随机故障的概率和系统负荷水平的概率分布对电力系统进行安全评估中。在确定电 力可靠度的可接受水平时，比传统确定性方法多考虑了各种事件的发生概率这一不 确定性因素，使得结果相比前者更精确、更符合实际情况。概率性方法考虑了事故 发生的概率，但对事故的后果没有给出具体量化指标。风险评估方法是近年来，电 力系统领域提出的一种新方法，风险评估可以定量描述事故的可能性和后果严重 2 华北电力人学硕+ 学位论文 性，并据此计算风险指标。该指标可以与各种经济指标、安全指标等相结合，反映 不同类型的风险指标，能够满足多种需求。所以基于风险理论的安全评估方法可以 对电力系统进行更为细致、更为直观的评估【5 】。风险理论是在核能工业安全领域发 展起来的，随后这些方法和理论即被应用于其他领域，如：航空、保险业、金融证 券、等，取得了显著的效果。国外电力系统的安全评价中应用风险评估理论丌展的 比较早，并且取得了许多显著成果。近几年国内越来越多的研究人员也投入到这个 方向探索研究1 6 j 。 电力系统的安全性分为静态安全性和暂态安全性，类似于稳态故障和暂态故 障。其中静态安全性又包含过载安全性和电压安全。目前的风险评估方法主要是研 究安全性中各自的子问题。例如：基于风险考虑的电压稳定也是新近的一种提法， 基于风险的电压安全评估方法，将电力系统受到扰动后的电压安全划分为崩溃和不 崩溃2 种情况，并定义电压风险的表达式。应用电压脆弱性概念，采用模糊推理方 法，由电压风险指标和风险指标变化率推理出电压的脆弱度。并用电压风险指标和 风险指标变化率分别表示电压的安全水平以及系统运行条件变化对其的影响。输电 线路的热容量一直都是用确定性的方法计算。现在有的学者提出出了用风险分析的 方法决定变压器热负荷容量的可能性，在变压器运行容量分析中考虑了负荷与外界 温度有关的不确定性，变压器整体绝缘毁坏的风险由变压器的成本来计算。风险评 估还可以应用于电力系统连锁故障的分析中。也有学者提出复杂电力系统连锁故障 的风险评估方法，模拟了连锁故障德一般发展过程，提出了考虑继电保护隐性故障 的电力系统连锁故障风险评估方法，将事故发生概率及后果联系起来，提出了量化 的风险指标。与静态安全性相比较而言，应用风险理论研究暂态安全性问题也有长 足的进展【川。 概率性暂态稳定问题已经经过了多年的研究。这为基于风险分析的暂态稳定问 题提供了大量有用信息，也出现了许多重要的成果。例如：如何获取线路发生故障 的概率和故障导致暂态失稳的概率，暂态失稳的后果模型，以及整套的风险指标体 系。 最近，一些研究人员又提出了电力系统脆弱性的概念，作为电力系统安全性概 念的拓展。得到了很多重要结论，例如：从全局脆弱性的角度来评估电力系统安全 稳定性的新思路，构建基于脆弱性评估的多智能体控制和决策支持系统。 城市电网风险研究和管理工作可以分为可靠性数据收集和整理、风险评估和预 测、风险指标分析和评价以及提出降低风险措施四个步骤。第一步是风险研究的基 础：第二步是针对规划网改造方案进行风险水平预测和评估。第三步是对城市电网 运行历史和现状情况进行评价。第四步是总结分析的结果提出相应对策。 风险评估方法一般来说有，解析法和蒙特卡罗模拟法等，解析法首先建立系统 3 华北电力人学硕+ 学位论文 或子系统的可靠性数学模型，然后通过数值计算求解，得出可靠性指标。解析法主 要优点在于物理概念清晰、模型精度高。而且便于有针对性的分析不同元件性能， 对电网可靠性的影响，已广泛应用于配电系统可靠性评估。但需要指出的是此方法 计算量随元件数的增多呈指数增长。因此当系统规模大到一定程度时，采用此方法 有一定困难。解析法常见的有故障模式后果分析法、最小路径法、网络等值法和状 态枚举法【8 】。 对于简单电网可以应用状态枚举法，如果针对复杂电网进行风险评估状态枚举 法将不再适用，否则电网状态会出现爆炸式增长，导致无法计算。因此针对复杂电 网往往首选蒙特卡罗模拟法。 除此之外还有r a m t ，事故树法模糊综合评价方法，区间层次分析法，等方法。 1 3 本文主要工作 本文主要工作是对城市电网风险进行系统的评估。包括，采集系统中各元件可 靠性参数、计算城市电网风险指标、指出影响配电系统风险的因素及相应改进措施。 本文所作工作和主要研究内容归纳如下： ( 1 ) 应用状态持续时间法分析某市电网的风险，并提出相应的改进建议。 ( 2 ) 分别采用表格法和熵权法分析i e e e 3 0 节点电网的风险情况，并提出改进 建议。 ( 3 ) 针对蒙特卡洛法计算量大的问题，运用改进的截断抽样法，在不降低精 度的前提下提高计算速度，并通过算例分析验证该方法的实用性和有效性。 4 华北电力人学硕十学位论文 第二章求取风险指标的原理 2 1 城市电网的结构和运行特点 城市电网是城市范围内为城市供电的各级电压电网总称，包括送电网、低压配 电网、中压配电网、高压配电网、变电站和网内电厂。城市电网是电力系统重要组 成部分，又是主要负荷中心，同时还是大电网和用户之间的接口，具有用电量大、 负荷密度高、安全可靠和供电质量要求高等特点。它能否安全稳定运行直接关系到 整个电力系统是否安全稳定以及效益高低。它处于电力系统末端，直接与用户相连， 据不完全统计，用户停电事故中有8 0 是由配电系统故障引起的，因此对城市电网 进行风险评估，找到薄弱环节并给予增强稳固来提高电网整体可靠性，将风险尽最 大可能降低，具有重要现实意义【9 】。 随着城市供电容量及供电范围不断扩大，一些特大城市已经将2 2 0 k v 电压引入 市区配电系统。因此，城市配电系统不能简单的从电压等级上与输变电系统划分或 定义，而是以它的功能和作用来定义和区分。现代城市电网有很大电能需求，工业 用电量占总用电量比例最大，约占7 0 ，城市居民家庭普通电器和高档电器的拥有 量也在迅速增加。对电能质量和电力设施与环境友好度的要求，也越来越严格。而 且城网设施还应该与城市市容建设相匹配。因此先进设备和管理理念以及技术措施 是保障城市电网可靠运行的必备条件【l 0 1 。 配电系统基本单元是馈线。每条馈线以辐射状网络连接若干台配变电。由于发 展过程、电源位置、经济地理条件、负荷分布特征等因素不同，城市电网接线方式 各异，大体可分为三类：放射式，环网式，网格式。环网式或网格式中所有用户都 具有备用电源j 。 虽然城市电网有树状、环状、网状等多种接线方式，但现在最常用的是环网接 线，开环运行形成辐射状供电方式。目的是为减少在任何单一馈电回路中发生故障 设备数，以及保证在系统发生故障或者计划检修期间，某个正常开路点能闭合。而 另外某一个点可以打开，以使失去电源的总负荷最小。因此，国家通常采用环网接 线、开环运行的结构方式【j2 1 。 电网分层分区有如下特点：电网5 0 0 k v 超高压环网作为沟通各分区电网的主干 网架，并与大区电网联系，接受区外来电。以5 0 0 k v 枢纽变电站为核心，将2 2 0 k v 电网化为几个区，在正常方式下各分区电网相对独立，在特殊方式下应该考虑互相 支援。电网内不应该形成电磁环网运行。2 2 0 k v 分区电网的结构，原则上由5 0 0 k v 变电站提供大容量供电电源，经过2 2 0 k v 大截面的架空线路，向2 2 0 k v 中心变电站 s 华北电力人学硕十学位论文 送电，再从中心站经2 2 0 k v 大截面的电缆或架空线路，向2 2 0 k v 终端变电站供电。 2 2 0 k v 联络线上不应接入分支线或t 接变压器；应该避免3 5 2 2 0 k v 变电站低压侧 出现小电厂，如果要接入小电源应配置保证电网安全运行的解列措施。如果同一个 城网电压层次中，有两种电压时，应避免重复降压；要加速对现有非标准电压升压 改造，新建变电站不应再出现非标准电压供电【1 3 】。 城市电网风险评估包括可靠性原始数据收集和整理、可靠性指标的确定、可靠 性评估模型的确立、后果分析、风险指标求取等方面，研究过程有以下几个特点【h 】： ( 1 ) 城市电网是电力系统与用户的桥梁。降低城市电网风险，应该以改善和 提高城市电网对用户的供电能力和供电质量为目的，在此基础上，定义整个系统的 风险指标【1 5 】。 ( 2 ) 城市电网设备种类多，数量大，分散广。设备型号、规格、容量和数量 也随着用户及负荷变化、检修方式变化而不断变化。同类型设备的特性和状态，可 能会因安装和使用位置和地区、负荷特性和容量不同而有所不同。因此，城市电网 设备和元件特性数据和原始参数必须通过长期的、连续统计才能反映真实规律【1 6 】。 ( 3 ) 由于不同地区城网结构、运行方式、设备水平、用户需求各不相同，对 风险评估的侧重点和要求也不同。因此，在城市电网风险评估中，应结合城市电网 自身特点，选择合适模型与方法【1 7 】【18 1 。 2 2 城市电网风险求取流程 本文主要研究城市电网中直接向用户输送电能和分配电能的电网本身及其向 用户供电的风险。包括设备本身运行风险、整个城市电网设备的风险、城市电网运 行风险。 求取城市电网风险首先要确定城市电网可接受的风险水平。城市电网处于电力 系统末端，直接与用户相连，整个电力系统对电力用户的供电能力和质量有8 0 以 上需要通过城市电网来体现，城市电网的风险指标实际上就是整个电力系统结构及 运行特性的集中反映。以下为城市供电网应该满足的风险标准。 ( 1 ) 供电安全满足n 1 准则。 ( 2 ) 进线回路按按n 1 准则规划设计，对于电网中特别重要的输变电环节， 以及特殊要求的重要用户，可以按照检修方式下的n 1 准则规划。 ( 3 ) 电网设备停运时，对用户连续供电的可靠程度应满足用户用电程度和电 网供电安全准则。 ( 4 ) 为防止全站停电，对2 2 0 k v 变电站电源应该力求达到双电源的要求，双 电源标准可以分为三级： 6 华北电力人学硕十学位论文 第一级：电源来自两个发电厂或一个发电厂和一个变电站；独立的两条线路， 电厂、变电站仅出现走廊段，允许同杆和共用通道。 第二级：电源来自同一个变电站一个半断路器的不同串或同一个变电站两条分 段母线同杆双回路的两条线路。 第三级：电源来自同一个变电站双母线的正、副母线，电源线路同杆双回路的 两条线路。 ( 5 ) 上一级变电站的风险应低于下一级。 ( 6 ) 电网故障造成用户停电时，对于申请提供备用电源的用户允许停电的容 量和恢复供电的目标时间的原则是： ( a ) 两回路供电的用户失去一回路后不应停电。 ( b ) 三回路供电的用户，失去一回路后，不应停电，再失去一回路后， 应满足5 0 用电。 ( c ) 开环网络中的用户，环网故障时需要通过电网操作恢复供电，其目 标时间为操作所需时间。 ( d ) 一回路和多回路供电的用户，电源全停时，恢复供电的目标时间为 回路故障处理时间。 负荷愈重要的用户，目标时间越短。随着电网的改造和完善，若配备城网自动 化设施时，故障后负荷应该能够自动切换，目标时间可以逐步缩短【1 9 】。 在规定的城市电网风险值下，求取电网的风险指标。首先要建立元件的停运模 型，然后根据模型进行蒙特卡洛抽样试验得到每个元件的状态。抽取过程采用改进 的截断抽样法使其快速收敛。 所有元件抽取完毕后再用潮流分析求得系统状态，判断故障种类，得到系统内 所有节点的相对缺供电量记为y 。这样连续抽样n 次直到达到要求精度。 收敛后，让每个节点的故障次数除以n 即为停电频率x ，其中故障恢复速度z 已知。 最后用公式w = 伽+ p y s a 一2 z 求得风险指标。口为停电频率对城市的影响系 数，为相对期望缺供电量对城市的影响系数，z 为故障恢复速度对城市的影响系 数。各影响系数采用表格法或者熵权法求取。 得到这些数据后把每个节点的相对期望缺供电量，停电频率，恢复系数，风险 指标一起做成一个柱状图，分析每个元件的风险和成因，进而可以得到解决方案。 步骤： 一、建立多级水平负荷模型。在每一级负荷水平进行系统状态抽样。 7 华北电力人学硕十学位论文 建立负荷曲线模型： ( 1 ) 选择聚类均值m u 得初值，其中，i 和表示聚类f ( i = 1 ，札) 和曲 线j ( j = l ，n c ) 。 ( 2 ) 用下式计算每小时负荷点至每个聚类均值的欧拉距离 ，2 d k , = 芝一三可) 】 j = l 式中，巩是第尼个负荷点至第f 个聚类均值的欧拉距离；k 是曲线中第k 个 负荷值；妒是负荷曲线数。 ( 3 ) 负荷点分配到最近的聚类，对其重新编组，并用下式计算新聚类均值： 膨驴= 塞l ， k = l 式中m 是第i 4 聚类中的负荷点数。 ( 4 ) 重复( 2 ) 、( 3 ) 直到全部聚类均值在迭代中保持不变为止。 二、利用蒙特卡罗模拟选择系统状态。这涉及到随机确定母线负荷和元件状态。 确定母线负荷和元件状态： ( 1 ) 利用如下正态分布随机变量以计及母线负荷的不确定性， = ( z + 1 ) m 玎式中，m 驴是用聚类法建立的多级负荷模型中曲线歹的第f 级负荷 水平；m # 是遵循曲线的母线负荷在第f 级负荷水平下的抽样值；m ；，和m 硝都用 以峰荷为基准的标么值表示；z ，是对应于曲线，的第f 级负荷水平的标准正态分布随 机数；代表符合不确定性标准差。遵循负荷曲线j 的母线负荷抽样兆瓦值由乘 以母线峰荷兆瓦值而得。 ( 2 ) 元件状态利用均匀分布随机变量来模拟 i o r 心+ ( 运行) = l 鸩毽心+ 职( 停运) l2 0sr 。sp 只( 降额) 式中，最是元件k 的抽样状态；最是第k 个元件在 0 ，l 】区间的均匀分布随机数； 魍和犯分别是第k 个元件处于停运和降额状态的概率。 三、进行预想故障分析，如果必要则还要进行最优潮流分析，以估计所选择状 态需要削减的负荷量。如果负荷削减不为零，则这个选择的状态是一个失效状态。 记录系统失效状态的负荷削减量【2 0 】。 8 华北电力人学硕十学位论文 四、获取可靠性参数 分析一个或多个元件失效后的潮流分布和母线电压，识别是否发生系统解列、 线路过载、电压越限等问题。然后计算各故障状态下，相对期望缺供电量c c e n s 。 所谓相对期望缺供电量，即，当电压，容量越限时，对于可切负荷用户的相对期望 缺供电量记为e e n s ，对于不可切负荷用户的相对期望缺供电量记为3 e e n s ；而当 系统解列时对用户的相对期望缺供电量记为6 e e n s 。 五、计算风险指标提出适当建议 ( 1 ) 计算可靠性指标 ( 2 ) 综合可靠性指标与引起的后果计算风险指标 否 图2 1 风险评估具体过程 9 华北电力人学硕十学位论文 2 3 可靠性分析与风险评估的关系 风险评估需要借助可靠性知识。可以说可靠性是风险评估一部分，通过可靠性 分析得到失效事件发生的概率，以及导致失效事件发生的元件或区域。然后还可以 引用可靠性分析方法确定失效事件引起的危害，则： ：y 墼兰堡兰五翌 。i _ e $ r t i ， i e s s ，是系统风险，e e b l s ，第f 级负荷缺供电量，识是第f 级负荷失效率，z 是第f 级 负荷失效频率，i 负荷等级，几是第j 级负荷修复时间，s 是f 形成的状态空间。 其中： 风险度= 缺供电量失效率重要度系数修复时间 y 第f 种负荷重要度系数第f 种故障损失的负荷 重要度系数= 鱼l 守_ 一 己2 i j j 为所有重要度系数形成的集合。 对电网风险评估有三个目的： ( 1 ) 通过模拟来产生各种系统故障的方法会有一个风险最大故障状态，可以 分析风险最大状态，找到引起这个风险的关键元件或区域提出改进意见。 ( 2 ) 根据网络拓扑和元件失效概率直接确定系统风险的算法也可以找到引起 这个风险的关键部件或区域，提出改进意见。 ( 3 ) 还可以实时评估网络的风险指标，参照在线可靠性评估的方法，当风险 变动太大时发出预警信息。 城市电网有很多组成元件，例如：架空线路、配电变压器、隔离开关、熔断器 等。要量化评估城市电网风险，首先要知道元件的可靠性参数。有以下几项： ( 1 ) 年检修率旯。( 次公里年或次台年) ； ( 2 ) 平均故障修复时间，( 小时次) ； ( 3 ) 年故障率名( 次公里年或次台年) ； ( 4 ) 平均检修持续时间，一( 小时次) ； 文中提到的检修只包括计划检修，因为临时检修可以看作一种随机事件1 2 1 1 。 1 0 华北电力人学硕十学位论文 2 3 1 元件可靠性模型 本文近似地认为元件在各种状态之间的转移率为常数，概率分布符合指数分 布。电网元件可以分为操作元件和功率元件，而且大部分元件是可修复的。 ( 1 ) 操作元件 操作元件是指可以使系统状态或拓扑发生改变、能执行开关操作的元件，例如 断路器、熔断器、负荷开关、隔离开关等。操作元件可以分为三类： 第一类：不仅不可自动分断，而且还不可带负荷操作，主要指隔离丌关。它只 能断丌或者接通无电流或很小电流的电路，在系统发生故障时，它不能自动切除故 障，影响负荷点的故障类型和停运时间。 第二类：不能自动分断，但是可以带负荷操作，主要是负荷开关。它可以断开 或接通电路中的正常工作电流，不过在系统发生故障时，不能够自动切除故障。经 常作为分段开关或联络开关，故障结束后通过联络开关的倒闸操作可能恢复部分或 者全部负荷点的供电。 第三类：自动分断开关，包括断路器、熔断器等。它们可以断开或者接通电路 中电流，当系统发生故障时，他们能够自动动作，影响负荷点故障率。 另外，对于不同类型操作元件与系统的连接方式也不尽相同，从而在操作元件 自身发生故障后对系统风险指标的影响也不相同。如果操作元件两侧和馈线之间没 有断开点，则操作元件的故障相当于，与该操作元件相连的两个区域，同时发生故 障；如果操作元件两侧和馈线之间有断开点，操作元件故障后可以迅速断开与相邻 两个区域的连接，以尽快恢复相邻两个区域的供电。可以认为除隔离开关外，系统 中其它操作元件和馈线之间都有明显断开点【2 2 1 。 图2 2 为操作元件的原始模型： 图2 - 2 操作元件的原始模型 1 1 华北电力人学硕十学位论文 其中，n 表示正常运行状态，壤示接地或绝缘故障状态，历表示临时检修状 态，表示误动状态，m 表示计划检修状态，s t 表示拒动状态，r 表示故障修复 状态。 该模型较全面地考虑了操作元件的故障状态。然而，并非在所有情况下都必须 使用如此完备的模型。进行城市电网风险分析时，这种复杂模型是不实用的，考虑 的因素太多会使问题的复杂性大大增加，因此应该将模型简化。从故障的后果和影 响来分析，在s t ；m 、f 、r 五种状态下，都必须将该元件从系统隔离，造成相 邻的操作元件断开，直到其状态恢复正常为止。因此可以将此五种状态合并为一种 状态( 故障修复状态r ) 。最终可以得到操作元件的三状态可靠性模型，具体的模型 与功率元件的情况类似【2 3 1 。 ( 2 ) 功率元件 城市电网中功率元件包括变压器、母线、输电线路、系统补偿器等。功率元件 的功能主要是传送电能，同时也有调度和控制系统电压的作用。对功率元件采用三 状态模型，其状态转移关系可以用图2 3 来表示： 图2 3 元件的三状态模型 图中，n 是正常运行状态，m 是计划检修状态，r 是故障修复状态。为故障 修复率，1 ”为计划检修修复率。兄为故障率，单位是次年，五”为计划检修率，单 位是次年【2 4 1 。 2 3 2 系统的可靠性模型 串联和并联是城市电网中元件之问的最基本、最简单的连接关系，风险评估时， 可以将串联系统或并联系统等效成为一个元件进行计算，从而可以简化计算【2 5 1 。 ( 1 ) 并联系统的可靠性模型 并联系统是由两个或两个以上元件组成的系统，必须是元件同时失效系统才会 失效，图2 4 表示2 个独立元件组成的并联系统，可以得到并联系统的可靠性计算 公式及其等效参数【2 6 1 。 1 2 华北电力人学硕十学位论文 ( 电源点) 彳 图2 4 并联系统的可靠性模型 并联系统的可靠性计算公式以及等效参数： 21 t ( 14 - 2 ) 8 7 6 0 ，：仝垒 p 气+ r 2 u = 允， ppp 曰( 负荷点) 其中，；表示并联系统中元件i 的平均故障修复时间( 小时次) ，旯。表示并联系 统等效故障率( 次年) ，【，。表示并联系统等效平均年故障修复时间( 小时年) ，元表 示并联系统中元件f 的故障率( 次年) ，乙表示并联系统等效平均故障修复时间( 小 时次) 2 7 】。 ( 2 ) 串联系统的可靠性模型 串联系统是由两个或两个以上元件组成的系统，其中任何一个元件失效都会造 成系统失效。在串联系统中，必须所有元件同时工作，系统才能正常工作。假设图 2 5 是由n 个元件组成的串联系统，可以由此推导出实用于工程计算的公式，求出 串联系统的等效参数【2 8 1 。 r ， ( 名：。4 - 名：。) 。以 ( 五：4 - 兄：) 式中，为系统的平均停运持续时间；石为元件i 的检修停运率；u 为系统的 平均年停运时间；，；为元件i 的平均故障修复时间；名为元件i 的故障率；_ 。为元 件i 的平均检修持续时间。五为系统的平均停运率f 2 9 1 f 3 0 】； l2， j r ( 电源点) 彳 - 叫卜_ ( 一d 一 卜一一b ( 负荷点) 图2 - 5 串联系统的可靠性模型 1 3 华北电力人学硕十学位论文 2 4 系统状态的确定 要获取系统运行状态首先要确定系统内各元件的状态，因此首先要建立元件停 运模型。 2 4 1 获取元件状态 元件停运是系统失效的根本原因，风险评估首先考虑的是元件的风险评估。以 下是元件停运模型【3 1 a 2 1 。 ( 1 ) 独立停运： 如2 专善后 七= 船鬈 ( 2 ) 计划停运和强迫停运的总停运概率： u ：2 一巨一生一一 + 2 , u p + + 名 脚和分别为从计划停运状态和强迫停运状态修复的修复率五和如分别为强 迫停运状态和计划停运状态的转移率。 ( 3 ) n 个元件组成的系统中元件i 的独立停运率： 鼻= r 兀( 1 一群) 由计划停运率和强迫停运率统计获得芜律f 的等效强迫停运率r ，表示为r 。 ( 4 ) 相关停运模型： 相关停运率： 弓= 兀圪兀巳m a x 【弛d ，( 卜k ) ( 卜) 】 拒曲拒嘞 式中e 为任何一个组合状态j 的概率，毛和勤分别为状态中不发生和发生独 立停运的元件集合，圪和屹分别为第f 个元件处于运行和停运状态的概率，为共 因停运概率；共因停运k = l ，否则后= o 。 ( 5 ) 共因停运模型： 0 = 兀乞兀乞m a x 屹( 1 一七) 乞 。 l jz j ， 后= ：桊差茎晃菡霉运 华北电力人学硕十学何论文 只为任何一个组合状态的概率；兄和岛分别为第i 个元件处于运行和停运状 态的概率；匕和乞分别为共因停运模型发生和不发生的概率；和s a 分别为状态 中不发生和发生独立停运的元件的两个集合；下标i 表示总共，1 个元件中的第i 个 p 一盥 - 一譬f 嗽 p ，为元件已经服役丁年后，在其后续时间t 内，发生老化失效的概率；厂( f ) 为 p = 旦_ 为当元件在第i 个时段内失效时，在时间t 内元件的平均不可用持续时间为： = f 一( 2 f 一1 ) 缸2 ；o = 1 ，2 ，) ；a x 是每一时段长度；p 在所有时段内的失效概 率。p 的显式表达式： if ( t ) d t - l f ( t ) d t 只= i l 一 p q ( r + ( i - 。! ) a x - j u ) _ q ( t + i a 。x - , u ) 耻气互产 q ( 二) 1 5 华北电力人学硕十学位论文 均值和标准差： 2 4 2 获取系统状态 _ 嚣叫，暑 “x ) = z ( x ) b , s + b 2 s 2 + 岛j 3 + 玩s 4 + 魄s 5 ) 砌) = 去e x p ( 一导) 1 1 + r y ，= 1 0 2 3 1 6 4 2 9 ，6 i = 0 3 1 9 3 8 1 5 3 6 2 = 一0 3 5 6 5 6 3 7 8 2 ，6 3 = 1 7 8 1 4 7 7 9 3 7 么= 一1 8 2 1 2 5 5 9 7 8 ，玩= 1 3 3 0 2 7 4 4 2 9 一个系统的状态取决于所有元件状态的组合，而每个元件的状态可通过抽样元 件在该状态中出现概率来决定。假设每一元件有正常和故障两种状态，且元件故障 属于独立事件。令墨表示第f 个元件所处状态，霉表示它的故障率。产生一个【o ，1 】 间均匀分布随机数冠，则有【3 3 】： l0 ，r 尸( 工作状态) 。 薯。 1 o 兰足兰p ( 失效状态) 包含m 个元件的系统状态用向量s 表示： s 2 ( 墨，墨，最) 假设每一个系统状态都有概率p ( s ) 和可靠性指标函数f ( s ) ，那么系统指标期望 值即为： e ( f ) = f ( s ) p ( s ) 这里g 表示系统状态集。 用状态s 的抽样频率代替它的概率p ( s ) ，上式可写为： 即) = 萎邢) 警 s e g 是抽样次数，n ( s ) 是状态s 发生的次数。f 岱) 可以通过相应系统分析求取。 这种状态抽样法的优点有： ( 1 ) 抽样相对简单。只需要产生【0 ，1 】之间均匀分布的随机数，不需要抽样生成 分布函数。 ( 2 ) 所需原始可靠性数据相对较少。只需要元件状态发生概率。 1 6 华北电力人学硕十学位论文 ( 3 ) 状态抽样法不仅能用于抽样元件故障事件，也能普遍用于电力系统风险 评估中其它因素的状态抽样p 4 1 。 所有元件的状态抽取完后判断系统是正常运行还是系统解列，电力供给不足还 是电压，容量越线。并计算各故障状态下的相对期望缺供电量。相对期望缺供电量， 即，当电压，容量越限时，对于可切负荷用户的相对期望缺供电量记为e e n s ，对 于不可切负荷用户的相对期望缺供电量记为3 e e n s ；而当系统解列时对用户的相对 期望缺供电量记为6 e e n s 。进而获取风险值。分析风险值较高的几个状态查找出引 起此状态发生的故障元件，并提出处理建议。 故障状态下对发电机只需考虑发电容量的缺额能经过调度使其重新平衡，是否 需要进行负荷削减； 对其他元件在故障状态下的分析则需要进行潮流计算，分析一个或多个元件失 效后的潮流分布和母线电压，识别是否发生线路过载、电压越限、母线孤立或孤岛 等问题。针对本文城市电网的特点，采用直流潮流进行计算，系统节点阻抗矩阵可 由元件停运前的节点阻抗矩阵直接计算，即z = z o + a 。z o s 式中：z 0 和互分别是线 路停运前和停运后的节点阻抗矩阵，忽略线路电阻；s 为修正参数矩阵。根据修正 的阻抗矩阵进行停运后的潮流计算，当停运引起系统问题时，通过重新调度可以消 除违规越限。在城市电网的计算中要考虑到变电站之间手拉手负荷转移能力，尽量 避免负荷削减，如果无法避免则应尽量使负荷削减损失最小【3 5 】【3 6 1 。 1 7 华北电力人学硕十学位论文 第三章城市电网风险评估 风险指标是对风险在量上的一个判断，他的大小直接反映风险多少。因此，如 何设定风险指标，使其能真正反应系统风险状态，是风险评估的核心，也是本文研 究的主要问题。以下内容分别阐述如何运用状态持续时间抽样法，熵权法，表格法 求取风险指标的原理及过程，并给出具体算例。状态持续时问抽样法易于计算实际 的可靠性频率指标、易于考虑任何状态持续时间的分布情况、可以计算可靠性指标 的统计概率分布但是要求很长的计算时间和储存容量，同时要花很长的时间储存有 关信息，这些信息涉及到按时间顺序的元件状态转移过程。这种方法需要有与所有 元件状态持续时间的分布相关的参数。即使假定为简单的指数分布，也要求有每个 元件的状态与状态之间的所有转移率。在某些情况下，特别是对于多状态元件模型， 实际系统很难提供所有的数据。并且应用改进的截断抽样法，解决蒙特卡罗抽样法 计算量大的问题。表格法和熵权法则不需要很长的时间，对原始数据要求的也比较 少，但是相对于熵权法表格法要求专家凭借其经验给出分值准确度不如熵权法高， 计算速度快，如果精度要求低应该选用表格法评估系统风险。 3 1 状态持续时间抽样法 状态持续时间抽样法是按照时序， 拟系统状态转循环过程有不同的方法。 3 1 1 状态持续时间抽样法步骤 在一个时间跨度上进行的模拟其中对建立虚 最通用的是状态时间抽样法【3 7 1 。 状态持续时间抽样法是基于对元件状态持续时间的概率分布进行抽样，它分为 以下几步【3 8 】【3 9 】： 第一步：指定所有元件的初始状态，通常是假设所有元件开始处于运行状态。 第二步：对每一元件停留在当前状态的持续时间进行抽样。应当设定状态持续 时间的概率分布。对不同状态，在运行或修复过程中，假设有不同状态持续时间概 率分布。例如，下式给出指数分布的状态持续时间抽样值： d = i nr 。| 九 1zl 式中，r 是对应于第f 个元件在【0 ，l 】区间均匀分布的随机数。如果当前状态是 运行，则石是第f 个元件的失效