（电力系统及其自动化专业论文）基于证据理论和效用理论的电力系统暂态风险评估.pdf

摘要 随着电网结构的日趋复杂，保证电力系统的安全稳定运行的重要性日益增 强，近些年国内外输电网发生的大停电事故造成了巨大的经济损失，引起了世 界各国对电力系统安全问题的广泛关注。本文在总结传统的电力系统安全评估 方法的基础上，建立了一种新的风险评估模型，将线路的故障可能性看作随机 模糊数，基于证据理论构造了线路的故障概率模型，可更好地反映外部环境对 线路故障概率的影响；并采用效用函数来定义严重度函数，然后基于熵值法和 层次分析法对各项风险指标加权综合得到系统暂态综合风险指标，该指标能灵 敏地反映电力系统故障风险的变化趋势，符合电网运行实际。最后以某地区电 网为例进行分析评估，验证了所提出电力系统暂态安全风险评估方法的有效性。 关键词：电力系统，暂态安全风险评估，证据理论，效用理论 a b s t r a c t i ti si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt oe n s u r et h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ， w h i l et h en a t i o n - w i d e 酊db e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x i nr e c e n ty e a r s ，t h eh u g e b l a c k o u t sh a v ec a u s e de n o r m o u se c o n o m i cl o s s e s ，b o t hi nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s t h ep o w e r 鲥ds a f e t yi sw i d e l yc o n c e r n e da r o u n dt h ew o r l d t h es u m m a r yo ft h e t r a d i t i o n a lm e t h o d so fp o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n a l y s i si sr e v i e w e di nt h i sp a p e ra n da n e wr i s k b a s e ds e c u r i t ya n a l y s i sm e t h o do fp o w e rg r i d si si n t r o d u c e d t h ep o s s i b i l i t yo f t h el i n ef a u l t ( p l f ) i st r e a t e da saf u z z yn u m b e ra n dt h em o d e lo fp l fw h i c hb a s e so n t h ee v i d e n c et h e o r yi ss e tu p t h em o d e lt a k e st h ei n f l u e n c eo ft h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t o nt h ep o w e rg r i di n t oc o n s i d e r a t i o n t h eu t i l i t yf u n c t i o ni su s e dt od e f i n et h es e v e r i t yo f t h ef a u l t ac o m p o s i t es y s t e mt r a n s i e n tr i s ki n d i c a t o ri so b t a i n e db yi n t e g r a t i n gt h e v a r i o u si n d i c a t o r so fr i s k s ，w h i c hb a s eo nt h ee n t r o p ya n dt h ea n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) t h ec o m p o s i t ei n d i c a t o rc a ns e n s i t i v e l yr e f l e c tt h et r e n do ft h el i n ef a u l t r i s kc h a n g e s u c hs i m u l a t i o ni si na c c o r dw i t ht h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rg r i d f i n a l l y ，ap o w e rg r i do fac i t yi sc h o s e na st h ea s s e s s m e n te x a m p l e ，i no r d e rt ot e s tt h e v a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o do f t h ep o w e r s y s t e mt r a n s i e n tr i s ka s s e s s m e n t z h e n gj i n g y u a n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，t r a n s i e n ts t a b i l i t yr i s ka s s e s s m e n t ，e v i d e n c e t h e o r y ，u t i l i t yf u n c t i o n 、 _ 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 电力系统安全评估研究现状2 1 2 1 基于风险的静态安全评估研究现状3 1 2 2 基于风险的电压稳定评估研究现状4 1 2 3 基于风险的暂态安全评估研究现状4 1 3 本文的主要工作5 第二章电力系统暂态安全评估方法及风险理论综述7 2 1 电力系统暂态安全评估方法7 2 1 1 确定性评价方法7 2 1 2 概率性评价方法7 2 1 3 风险评估方法8 2 1 4 暂态安全评估中三种方法的比较9 2 2 电力系统暂态安全风险评估理论综述1 0 2 2 1 风险评估概述1 0 2 2 2 风险评估法的特点1 l 2 3 本章小结1 2 第三章基于证据理论的电力系统故障可能性模型1 3 3 1 证据理论的基本概念1 3 3 2 基于证据理论的不确定性表示方法1 4 3 3 基于证据理论建立系统故障可能性模型1 6 3 4 本章小结1 7 第四章基于效用理论的电力系统暂态风险评价模型1 8 4 1 效用理论18 4 2 基于效用理论的暂态风险评价模型1 9 4 2 1 功角失稳风险指标1 9 4 2 2 切除时间裕度风险指标2 l 4 2 3 电压偏移风险指标2 2 力大学硕士学位论文 ：! ：i 2 4 ：! z i ：! l 4 4 2 基于层次分析法的暂态风险主观权重。2 5 4 4 3 基于熵权法的暂态风险客观权重2 7 4 5 4 基于综合权重的系统暂态风险指标2 7 4 5 本章小结。2 8 第五章实际算例应用2 9 5 1 风险评估的计算流程2 9 5 2 算例分析2 9 5 2 1 暂态综合风险评估流程2 9 5 2 2 不同天气情况下系统暂态综合风险指标3 5 5 2 3 不同运行方式下系统暂态综合风险指标3 7 5 2 4 风险指标的灵敏度分析3 8 5 3 本章小结3 9 第六章总结及展望4 l 6 1 总结4 l 6 2 展望4 l 参考文献4 3 j 弓【 谢4 7 在学期间发表的学术论文和参加的科研情况4 8 、 华北电力人学硕士学位论文 及意义 第一章绪论 电力工业是能源工业的重要组成部分，也是国民经济的重要基础行业。随着工 业的迅猛发展和经济的飞速增长，现代电力系统的发展也呈现了新的特征。首先， 电力系统本着“大机组、高电压、远距离、大容量、新技术 的发展趋势，不断追 求规模效益，系统电压等级逐步升高，系统容量和设备容量逐步增大，以区域电网 互联为目的的高压、特高压输电技术以及灵活交流输电技术等各种新技术也逐步 应用于电力系统。以上这些因素使得电力系统的规模日益庞大，结构日益复杂，成 为人类历史上最复杂的超大规模人造技术网络之一。大规模电网的形成，从很大程 度上提高了系统运行的效率，但也增加了电网运行的不确定性，系统扰动波及范围 更广，系统事故的后果更加严重。如果电网结构不够坚强或者安全自动装置不够健 全，系统中任一元件发生故障都有可能使整个系统陷入稳定危机，甚至大面积停电， 给国民经济造成严重损失。 近年来国内外发生了大量大面积停电事件，造成了巨大的经济损失。1 9 9 6 年7 8 月，美国西部接连发生了两次大停电事故【2 l ，切断了西部1 1 个州超过4 0 0 万人口的 电力供应。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美加电网发生了历史上最大规模的停电事故，事故期 间5 0 0 0 万人失电，经济损失高达3 0 0 亿美元【3 】。随后在2 0 0 3 年下半年英国伦敦、瑞典 一丹麦、意大利全国等多个地区和国家发生大面积停电事故【4 】【5 1 。在我国，2 0 0 5 年 我国海南省大停电，2 0 0 6 年我国华中( 河南省) 电网7 1 大停电事故，以及2 0 0 8 年南 方冰灾引起的大停电，这些大面积停电事故不仅会造成巨大的经济损失，影响人民 的正常生活，还会危及公共安全，造成严重的社会影响【了7 1 。 中国电网安全目前仍然存在一些问题。这些问题主要表现为： ( 1 ) 部分电网结构薄弱，安全稳定问题仍较突出。一些输变电设备长时间重 负荷运行、部分老旧设备仍在使用，部分地区单变、单线较多，交流弱联系统的安 全稳定问题十分突出，在某些运行方式下存在诱发低频振荡的可能性。 ( 2 ) 电网无功补偿容量不足，没有完全实现分层分区就地平衡，从而影响了 电压质量，造成部分电网电压波动幅度较大，致使电网运行稳定水平下降。 ( 3 ) 电网二次系统的可靠性有待提高。我国电网一次系统较为薄弱，相应要 强化二次系统才能保证电网安全。因此，电网安全对二次系统可靠性的要求较高， 二次系统一旦出现问题，容易造成电网事故。 ( 4 ) 电能的供需关系呈现周期性不平衡状态，近年来随着国家经济的发展， 华北电力大学硕士学位论文 电能需求日益扩大，我国的大部分地区都不同程度地缺电。在用电高峰期，发电机 组运行在峰值极限，大大降低了系统的抗风险能力。 ( 5 ) 驾驭大电网的能力有待进一步提高。中国电力发展已经进入大电网、大 机组、高电压、高自动化的阶段，电力系统的复杂性明显增加，需要提高对大电网 运行规律的认识和把握以及对大电网故障产生和发展机理的研究和分析。 ( 6 ) 应急管理工作有待进一步加强。重要用户、重要场所等应急电源的规划、 建设和管理问题仍需进一步规范和加强。 根据我国电网的现状和发展前景，保证大规模互联电力系统的安全、稳定和经 济运行是一个重大而迫切的问题，必须作为重大战略问题来解决。加强电网安全可 靠性研究势在必行，目前，暂态稳定分析和稳态潮流的研究这两者都已被广泛的用 于目前电力系统可靠性分析中。然而在线安全性分析中却只进行稳态潮流分析。这 是因为目前广泛使用的暂态稳定分析方法仍是时域的数值仿真法，数值仿真法由于 计算时间太长，而不能直接用于在线安全性分析。因此，在系统受扰的状态下，如 何快速地识别系统当前运行状态的稳定水平，即进行暂态安全评价，通过安全分析 来研究其故障状态的可能性及其对系统造成的危害程度，并采用适当的控制措施来 降低风险，对电力系统的安全稳定具有重要的意义。 1 2 电力系统安全评估研究现状 所谓电力系统运行的安全性，是指在突发性故障扰动下，系统保证避免发生严 重供电中断的能力。根据研究对象的不同，系统安全分析分为静态安全分析和暂态 动态安全分析两个部分。到目前为止，对电力系统安全分析领域研究的时间已经 很长，提出的电力系统安全评估方法也有很多。这些方法的研究主要经历了三个阶 段：确定性评估方法、概率评估方法和风险评估方法。 传统的确定性评估方法有数值仿真方法、灵敏度分析法、直接法等。确定性的 安全评估方法研究成果已经很成熟，并在电力工业中得到了广泛的应用，但是这种 方法只重视严重度最大、可信度最高的事故，结果显得过于保守。针对确定性方法 的不足，提出了概率评估方法i _ 卜9 1 ，即根据影响电力系统稳定的主要因素的随机特性 来确定系统稳定性概率指标。此方法相比传统确定性方法而言，考虑了各种事故发 生的随机概率这一不确定性因素，使得结果相比前者更加精准、更符合实际情况。 概率评估方法分为2 大类f lo 】：解析法和蒙特卡罗模拟法。解析法以条件概率理论为 基础，建立了给定故障下系统失稳概率与某些系统参数之问的量化关系。不足之处 是：系统规模较大时，计算量很大，当故障前运行的状态不确定时，此种方法可能 会失效。后者按蒙特卡罗模拟法原理评价电力系统稳定性，随机选定故障前状态和 所有可能的故障事件，该方法的不足之处在于同样需要大量运算。在这种弊端下， 2 华北电力大学硕士学位论文 险的安全评估方法有其重要的现实意义。风险评估方法是对系统的风险 响进行综合评价【1 1 1 。i e e e 标准1 0 0 - - 1 9 9 2 将风险定义为对不期望发生的 和严重性的度量，通常采用概率和后果乘积作为表达形式【12 1 。这样就可 统运行的经济性和安全性两方面相结合进行电力系统的安全评估，可以 同时得到系统在某一运行条件下获得的经济效益和所承受的安全风险，显然，电力 系统的安全风险评估方法的研究对于保障电力市场良好运行具有重要的意义。 当讨论电力系统安全性时，其涉及的内容相当广泛，通常，安全性分为静态安 全性和暂态安全性两部分，其中静态安全性又包含过载安全性和电压安全性，同时 每一部分又有各自的子问题。暂态安全性包含了功角失稳、电压失稳、频率失稳等 安全性问题。下图可清晰地显示其间的关系。 图1 - 1 电力系统安全性 1 2 1 基于风险的静态安全评估研究现状 文献【j 提出了建立风险严重性表达式的6 个原则：简洁精炼：能反映出不同问 题的特性：能反映出事故后损失的严重程度；不应涉及事故后调度员的再调度过程； 方式表达直观，易懂；与确定性的决策准则相联系以便调度员理解。基于以上原则， 文献【1 3 1 - 1 1 4 】设计了静态电压稳定边界、节点电压越限、线路过载和连锁故障的损失 严重性表达式，并给出了相应的风险指标。文献【i5 1 基于传统可靠性理论，用故障枚 举和概率抽样相结合的算法计算停电风险指标。文献【1 6 】采用的是概率抽样方法，主 要用于离线计算分析系统运行状态，与面向规划的传统可靠性方法相似。文献【1 7 】 基于风险理论评估电力系统脆弱性，其建立的风险指标充分考虑了电力系统的不确 定性，有效反映了电力系统脆弱性的重要方面，量化了电力系统的安全状态，并给 出了新英格兰3 9 节点系统的算例。文献【l8 】通过方法随机概率进行复杂电力系统脆弱 性评估，从脆弱源发生的概率以及产生的后果两方面提出基于风险指标的系统脆弱 性定量评估方法。在风险分析中需要考虑诸多因素( 温度、风速、光照等) ，随着 3 华北电力大学硕十学位论文 有关数据的完善化以及处理方法的合理化，该方法得出的结果会越来越精确、可靠。 文献【1 9 】提出将故障概率看作是表征周围环境变化的函数，计及了外部环境对于架空 线路故障概率的影响。但所建立的模型太复杂，不易于实用。文献【2 0 】【2 2 】进一步研 究了外部环境对于架空线路故障的影响，将架空线路故障的可能性看作随机模糊 数，基于可信性理论计算了随机模糊数的期望值。 1 2 2 基于风险的电压稳定评估研究现状 基于风险的电压稳定评估所要解决的问题是：运行条件变化前后系统电压失稳 风险如何变化；如何综合考虑发生电压失稳的可能性和由此带来的风险程度。文献 f 2 3 】分析了传统的电力系统电压崩溃评估方法存在的缺陷，论述了在电力市场环境下 进行电压崩溃风险评估的必要性，提出了一种进行电力系统电压崩溃风险评估的方 法。该方法综合考虑了电压崩溃的概率和后果，量化了风险指标，通过兼顾风险指 标和经济效益为确定系统的最佳运行方式提供了依据。文献【2 4 】在文献【2 3 】的基础之 上，将脆弱性理论引入到了电力系统电压评估，应用了电压脆弱性概念：该概念综 合反映了电压的安全水平以及系统运行条件变化对其的影响；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：采用 模糊推理方法，结合运行人员的经验，由电压风险指标和风险指标变化率推理出电 压的脆弱度，为运行人员决策提供了有力支持。文献【2 5 】提供了一种基于风险的电压 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两种情况， 并定义电压风险的表达式。 1 2 3 基于风险的暂态安全评估研究现状 基于风险的暂态稳定评估所要解决的问题是：在给定的运行方式下，针对可能 发生故障导致系统暂态失稳的概率及其后果损失，计算出此时系统的暂态失稳风险 水平。与确定性方法和概率性方法相比，基于风险的暂态安全评估方法具有如下特 点：对于某一个特定的运行方式和扰动而言，同样使用时域仿真等核心分析方法， 区别在于它进一步对扰动的不确定性因素进行了定量评估。它进一步详细评价了 各种故障下系统暂态失稳的后果，得到的风险指标可以为调度员提供直观的决策支 持。文献【2 6 】介绍了一种计算电力系统暂态失稳风险的方法。该方法将暂态失稳的风 险定义为在系统发生暂态失稳的概率和暂态失稳后果的乘积，给出了线路发生故 障、故障地点以及故障类型的概率模型。并简要的给出了系统暂态失稳的后果模型， 同时还考虑了紧急控制对暂态稳定的作用，以及考虑紧急控制作用的电力系统暂态 失稳的后果。文献f 2 7 l 利用预想事故的时自j 裕度和发生概率定义了预想事故的绝对风 险指标、相对风险指标以及综合指标，并定义了度量系统在事故集合下的暂态安全 风险指标，然后据此提出了一种对系统进行暂态安全评估的方法。该方法使得将某 4 华北电力大学硕士学位论文 类型预想事故的评价结果联合起来评估全系统在该类型预想事故集合下的暂态安 全性成为可能。文献【2 8 】对于稳定控制措施中的快关气门、切火电机组、切核电出 力以及系统解列给出了不同的经济评价定量指标，考虑了为防止失稳而切机后调度 中心购买备用能源以及切负荷的赔偿损失。文献【2 9 】重点介绍了暂态稳定分析中的随 机因素以及相应的建模方法，并建立了市场条件下系统暂态失稳给发电方、输电方、 用户及整个系统造成损失的后果模型。文献【3 0 】在连锁故障风险评估中考虑了保护动 作、相关停运模型、利用功能组和事件树分析法，选择连锁故障的初始系统状态， 提出简化相继故障过程分析的依据和处理方法，进而提出一种新的连锁故障概率风 险评价方法。文献【3 i 】在概率论的基础上将风险理论和模糊推理应用于电力系统暂态 安全风险评估，提出了风险指标量化方法，并利用层次分析法将暂态指标和稳态指 标进行加权综合得到系统的综合暂态稳定指标。文献【3 2 】提出一种由源发性故障和断 路器失灵故障组成的双重故障模式，并基于证据理论和功能组分解思想，给出了该 故障模式下的n k 事故辨识方法。文献【3 3 】提出一种基于事件树概念的在线运行风险 评估方法。该算法采用自动装置和继电保护逻辑仿真法，模拟n 1 的原发性故障引 发的连锁故障，动态生成事件树。本文拟将提出一种基于风险理论的电力系统暂态 安全性与经济性评价指标，安全评估指标的建立基于事件树概念和功能组分解等算 法的基础上进行，经济性评价将对电力系统暂态失稳和暂态稳定两方面进行评价。 文献m 】介绍了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，还介绍了 暂态失稳的后果模型，并在此基础上建立一套完整的风险指标。 系统运行风险评估研究的首要任务，是建立反映电网安全的指标体系，提高人 们对电网安全的认识水平。目前的研究工作将系统的不确定性分成静态安全风险、 静态电压稳定风险，暂态稳定风险等几个侧面来进行，并进行了基于风险的安全域 分析用来建立可视化的表达方式。虽然目前国内外有关各类电网安全评估方法的研 究面比较宽泛，但就暂态安全风险评估方法的研究还不够深入，而且缺乏综合层面 的考虑，需要进一步研究讨论。 1 3 本文的主要工作 本文提出一种基于证据理论和效用理论的电力系统暂态安全风险评估方法，该 方法充分考虑了电力系统的不确定性、事故发生的概率及事故的后果，能较好的描 述电力系统的暂态安全风险水平，有效地克服了确定性方法的不足，为更精确地分 析电力系统安全状态提供了有利的条件。具体来说，本文将致力于以下研究内容： ( 1 ) 通过比较分析电网安全评估的确定性分析方法、概率性分析方法和风险 评估方法，论述了风险评估方法的优缺点，研究现状以及应用范围。 ( 2 ) 将系统元件的故障可能性看作随机模糊数，基于证据理论构造了元件的 5 华北电力人学硕士学位论文 故障可能性模型，可更好地反映外部环境对线路故障可能性的影响。 ( 3 ) 基于效用理论提出一种新的故障严重度评价模型，将故障后系统的频率 最大偏移、电压最大偏移、功角稳定裕度和故障切除时间裕度进行量化，得到量化 的风险指标，最后基于熵值法和层次分析法对各项风险指标加权综合得到系统暂态 安全风险指标。 ( 4 ) 应用上述风险评估方法，通过实际的电网算例进行仿真计算以及分析， 验证论文所提出方法的可行性和有效性。 6 华北电力人学硕十学位论文 第二章电力系统暂态安全评估方法及风险理论综述 电力系统暂态安全性是电力系统在特定火干扰情况下，能恢复到原始的( 或 接近原始的) 运行方式，并保持同步发电机同步运行的能力【35 1 。大干扰一般指短路 故障( 有单相接地、两相接地、两相短路、三相短路) ，并假定故障发生在线路、 变压器或母线上。其它大干扰包括任一大容量机组突然跳闸、一大负荷突然退出等。 当发生这些故障后，继电保护或自动装置动作，跳开故障元件以减小故障对系统的 破坏。电力系统暂态安全评估有三种方法：确定性方法、概率性方法以及风险评估 方法。 2 1 电力系统暂态安全评估方法 2 1 1 确定性评价方法 暂态稳定分析的传统方法是用确定的稳定极限来校验机组是否同步，系统是否 稳定这些极限通常依据发电机母线处发生三相故障时系统不失稳且留有一定安全 裕度来确定。这种从最坏角度来考虑问题是为了确保系统发生其它故障时仍能安全 可靠运行。确定性方法是在预期的故障发生下，研究系统可靠性水平。在具体分析 时，首先选择要分析的时间范围、负荷状况、网络结构和事故列表；其次确定最先 违反系统运行状况标准的事故；最后再决定这些事故的解决方法。 以前常用的系统n 1 或n k 安全性检验，就是确定性的可靠性评价方法，即在任 意一个元件( 如发电机、变压器、线路) 或者几个元件同时退出运行时，计算系统 中线路潮流和节点电压，检验其是否发生偏移现象。判断逻辑是，如果在这些状态 下能够保证系统安全运行，则其余严重程度较低的运行状态全部能够可靠运行。 确定性方法的计算结果可以对系统的安全性作粗略估计，提出改进薄弱环节的 措施，但是它不能反映在电力系统运行状态、负荷变化情况以及元件故障类型、位 置等方面的概率属性。另外难以全面考虑电力系统的复杂特性和随机特性，难以提 供电网安全健康状态的实时、定量和直观的诊断信息，无法建立有效的控制和决策 支持体系。近年来，确定性评价方法逐渐被概率性分析方法所取代。 2 i 2 概率性评价方法 概率性评价方法是根据元件故障和修复的统计值，通过计算得到系统和节点的 运行参数变化区问和风险指标，从而对系统的可靠性能有一个较为全面和客观的评 价【4 7 1 概率性方法可分为解析法和模拟法( 蒙特卡罗法) 这是两个完全不同的研 7 华北电力人学硕士学位论文 究方法解析法是将元件或者系统的寿命过程加以合理的理想化，并用一个数学模 型来描述这一寿命过程，而后通过计算机运算程序求解，得出所要求的可靠性指标； 模拟法是在计算机上模拟上述寿命过程的实际现实，并通过对此模拟过程进行若干 时问的观察，估计所要求的可靠性指标。因此，模拟法是把过程当作系统的真实试 验来处理。暂念稳定概率评估需要进行两利- 模拟：故障事件的随机性模拟和系统状 念的暂念稳定模拟。故障事件的随机性模拟涉及到选择山系统网络拓扑、可用发电 机和负荷水平定义的故障前系统状态，确定有关故障的概率属性( 包括故障元件、 故障位置和故障类型) 和保护方式的概率模型( 包括自动重合闸、继电保护装置和 丌关动作) 。很明显，与只需要随机选择系统状念的稳态系统风险评估相比，这是 一个复杂得多的任务。对于之中随机性模拟，蒙特卡罗抽样方法要比状态枚举方法 有效。 对暂态稳定进行概率性分析已丌展了相当多的工作。7 0 年代后期，b u r e h e t tr c 等专家利用电力系统参数的随机特性分析了系统的动态稳定【4 8 】。之后不久， b i l l i n t o n 、k u r u g a n 发表了一系列的文章，通过评估临界切除时间、故障点、故障类 型的概率分布，定义了一项概率指标，提出了一种评估暂态稳定的概率方法【9 】1 5 们。 概率性方法通常利用一个系统的暂态失稳概率来评估全系统的暂态稳定水平is i j 。该 方法通常单独从失稳概率或失稳后果来分析，并没有综合这两个要素，无法将系统 的安全性和经济性指标结合起来考虑系统的安全状况，难以适应电力市场发展的需 求。 2 1 3 风险评估方法 风险评估技术不仅评估事故发生的概率，还计及事故产生的后果，该法已应用 于经济、工程等多个领域，如对股票价格的预测、财产保险、核电站安全等方面【5 4 j 。 i e e e 将风险定义为事故发生的概率和事故产生的后果的乘积，其为评估暂态稳定丌 拓了新的思路。而且，由于暂念稳定在电力系统中处于极其重要的位置，每年电力 系统发生的稳定破坏事故几乎都是系统暂态稳定遭受破坏【3 6 l 。因此，分析电力系统 运行中所承担的暂念失稳风险，寻求规避或降低这些风险的措施，对提高电力系统 运行安伞具有重要意义。 惭态稳定的l x l 险评估方法【23 】所要解决的问题足：在给定的运行方式。f ，针对叮 能发生故障导致系统暂态失稳的概率及其后果损失，计算出系统所处的暂态失稳风 险水i 。暂念稳定分析的确定性方法和概率性方法相比：( 1 ) 它是在确定性方法 上的一种发展。对于某一个特定的运行方式和扰动而言，所使用的时域仿真等核心 分析方法是样的，区别在于它进一步对扰动的不确定性因素进行了定量评估。( 2 ) 它是在暂念稳定分析概率性方法上的一种发展。它进一步详细分析了各种故障下系 统暂态安全风险严重度指标，得到的风险指标可以为调度员提供直观的决策支持。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 4 暂态安全评估中三种方法的比较 暂态安全评估中的确定性方法、概率性方法和风险评估方法比较如下表所示。 表2 - 1 暂态安全评估三种方法的比较 比较项 目 确定性方法概率性方法风险评估方法 技术领电力系统暂态稳定电力系统概率稳定性评 电力系统暂态稳定风险评估 域分析估 考虑到了暂态稳定分析从风险理论出发，考虑剑了暂态稳 基本思中的随机性和不确定性，定分析中的随机性和不确定性以 想 最坏情况校验 量化了系统失稳的可能及系统暂态火稳的后果，可量化系 性统暂态欠稳的风险 解析法或蒙特卡罗仿真 方法时域仿真法直接法法 解析法或蒙特卡罗仿真法 ( 均含时域仿真过程) ( 均含时域仿真过程) 由于需要考虑暂态稳定除了需要计算各种随即因素 分析中的各种随机因素，下的故障概率，还要从不同方面计 计算量相对较小 其计算量比确定性分析算暂态失稳的严重度，其计算量比 的大得多概率性方法还要大很多 系统参数、网络 与各随机模型相对与暂态失稳故障概率相关的历史 输入数 拓扑、峰荷、故障地 应的、基于历史统计数据统计数据和运行过程中的环境状 点、故障类型、故障 的概率性参数，如负荷曲况，与暂态失稳后果相关的当前运 据线、故障发生的概率、故行水平下的发电机间的功角差、电 持续时间、保护和重 障地点、故障类型的概率压频率偏移、极限切除时间等标志 合闸方案 分布等电网暂态稳定性的物理特征参数 稳定或失稳概率及 暂态失稳风险，及给定故障下 二元性结果：稳定或给定故障下系统不稳定 结果系统失稳风险与某个系统参数的 不稳定 概率与某个系统参数的 量化关系 量化关系 更加符合实际，评价结果更直 结果的 一般趋于保守，有时观，可用量化的系统暂态失稳风险 趋势 也偏乐观 比较符合实际 来指导调度员的决策，具有一定的 实际意义 发展水 比较成熟不很成熟不很成熟，需要进一步完善 平 工业应 有很少很少 用 是目前电力系统研究的热点 还需要进一步 前景广阔，但有很多问题，应用前景j 阔。但是理论研 发展前研究，近期内不会被 方面有待开展深入的研究还需要进一步完善，最有可能将 景概率性方法和风险 究，最有可能的情况是成系统的安全稳定性和经济性结合 为确定性稳定分析的必起来分析系统的安全稳定状况，其 评估方法所取代 要和有益的补充至可以往安全稳定性和经济性之 间得到一个最佳的运行状态 9 华北电力人学硕士学位论文 2 2 电力系统暂态安全风险评估理论综述 与传统的确定性安全评估方法相比，风险评估方法的优点在于该方法基于风险 理论，定量的抓住了事故的可能性和严重性这两个重要因素。因此在电力系统安全 分析中就将风险定义为：事故发生的概率事故产生的后果。通常采用的计算风险 值公式为： ( 置，l e ，l ) = i 弓( 巨) 弓( 置，l 互，三) 宰( 互，五。，) i ( 2 一1 ) f 一 式中，i 为评估元件集合，z ，为t 时间系统的运行状态；置是第i 个不确定的扰动； l 是系统的负荷状况； 弓( 巨) 为互扰动出现的概率；e ( 置，i 互，l ) 是在扰动互出现 后系统处于运行状态置，下的概率；s o ( 局，五r ) 是在五f ，巨，l 下系统损失的严 重度；( 五，i e ，) 是风险指标值。从这个基本的关系式可以看出基于风险的安全 评估有两个关键模型：表征不确定性的模型和表征故障严重程度的模型。 2 2 1 风险评估概述 风险理论是一种考虑系统由于某些不确定性因素而导致灾害的可能性和这种 灾害所造成后果的严重度相结合的理论。完整的电力风险评估通常包含以下四方面 的内容【3 5 j ： ( 1 ) 确定元件停运模型 ( 2 ) 选择系统状态和计算其概率 ( 3 ) 评估所选择状态的后果 ( 4 ) 计算风险指标 电网安全的风险指标能够定量地把握事故发生的可能性和事故对系统造成后 果的严重性这两个决定系统安全性的因素，从而能够比较全面的反映事故对整个电 网的影响【3 8 1 。电力系统领域中风险的概念较早可见发电系统的可靠性评估方法的研 究，指的是系统发电容量不能满足负荷消耗的概率。但在近几年的研究中，风险逐 渐被赋予了新的含义，即风险指标是事件发生的可能性及其导致后果的综合度量。 电力系统风险的根源在于其行为的概率特性。随着外界环境等因素的影响，系 统中设备的随机故障往往超出人力所能控制的范围，负荷也总是存在着不确定性， 因而不可能对其准确预测。所以系统故障的可能性同时具有随机性和模糊性。降低 系统风险的措施关系着系统的增强。为了确定一个合理的措施，应当将措施对风险 的影响和措施所需要的成本均加以量化。风险评价中我们应该认识到一个重要的概 念，就是由于随即失效事件的不可控性，零风险绝无可能。许多情况下，都不得不 在某种合理的技术经济条件下，接受一定的风险。选择合理的降低风险的措施或者 接受一定的风险水平都是一个决策过程。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 风险评估法的特点 随着电力系统的迅速发展，由于确定性安全评估方法是十分粗糙的、非定量化 的，所以该方法的弱点显得越来越明显，主要表现在： ( 1 ) 没有充分考虑电力系统中事故发生的随机性以及继电保护、重合闸动作 的不确定性； ( 2 ) 在确定性稳定准则中，系统必须能承受“最坏情况 的故障，例如在某 个节点和某条线路上的三相短路故障。这种“最坏情况通常对应极端的运行状况 或紧急事故，而极端的运行情况出现的概率极小。因此确定性稳定评估的结果往往 过于保守，使系统的安全裕度过大，无法满足电力市场下电力系统运行经济性的要 求，造成电力资源的浪费。 ( 3 ) 忽略了非限制性事故的影响。通常人们把对系统安全性产生一定的影响， 但不是最严重影响的事故称为非限制性的事故。单个这类事故的影响虽然有限，但 是由于该事故发生频率相对较高，所以总的影响还是相当可观。确定性的安全评估 方法的核心就是最严重事故决策标准，因此没有考虑非限制性事故对决策的影响。 但是，事实上这些事故确实会影响到系统暂态失稳的风险。 ( 4 ) 安全区域内的风险没有被量化。确定性的安全评估方法只能判断在一定 的可靠性标准和运行状况下系统可靠与否，而不能对安全区域内的风险进行量化。 因此不能识别安全区域内的高风险区，对未来的预防控制措施失去指导意义。在竞 争性的电力市场环境下电力部门需要知道系统运行的暂态失稳的风险水平，从而采 取相应的措施来提高系统的暂态稳定性。 相对于传统的确定性分析方法，风险评估主要有以下特点： ( 1 ) 传统的确定性分析方法，最多在确定预想事故集时将最有可能发生的预 想事故考虑进来，按经验来考虑事故发生的可能性，但并未进行量化分析，而风险 评估则可弥补这一不足。 ( 2 ) 风险评估指标既能反映扰动发生的可能性又计及其影响后果的严重性， 因而科学合理。例如不同架空线路发生故障的可能性有时差别很大，这在以往确定 性分析的安全分析指标中通常不能定量地考虑。 ( 3 ) 风险评估在同时考虑可能性与严重性之后，全网各元件的风险指标可以 进行累计，如果能按照时间的顺序提供一个连续的运行状况曲线，就可以先对每一 个运行状况计算风险指标，然后再累计成规定时间范围内总的风险评估。这样就有 了全局性的运行风险安全指标，便于调度员和其他相关部门进行全局性的把握。 ( 4 ) 风险指标具有可分解性，可以提供全网各个分区风险变化信息，便于调 度员监控。 ( 5 ) 风险优先可以被包括在相应的决策制定中。风险评估方法在分析安全性 l l 华北电力人学硕士学位论文 的同时又兼顾了经济性，因而在制定决策时可以将其作为优先考虑的因素。 目前风险评估法还存在如下欠缺： ( 1 ) 目前的电力系统风险评估中，元件的概率模型是基于长期统计的数据， 是一个固定不变的量。而运行风险评估要量化电力元件在不同环境、天气状况、运 行状态下发生故障的可能性，这个数据需要综合考虑随机性和模糊性来建立系统运 行的风险概率模型。 ( 2 ) 早期的风险评价研究使用经济的手段来度量故障的严重程度。虽然这种 指标经济意义明确且具有可加性，但由于成本或损失的经济性度量本身就存在很大 的不确定性，而且更重要的是它不能反映出电网的物理本质，难以作为调度员的决 策参考，所以目前的风险评价研究中逐渐放弃这种经济性指标，而更多的是采用自 定义的严重度函数。以往的文献中普遍采用线性函数反映元件的偏移程度，如此定 义的严重度函数可能会忽略小概率高风险事件。 ( 3 ) 现阶段，电力系统风险评价常运用多个不同的单项风险指标或几个风险 指标的简单叠加来评价系统风险，而没有考虑各个单项风险指标的科学权重。从而 使得整个系统风险评价指标不够准确。 2 3 本章小结 本章首先对三种电力系统暂态安全评估方法：确定性方法、概率性方法以及风 险评估方法从技术领域，方法特点，计算量，结果有效性，工业应用以及发展前景 几方面逐一进行比较，然后介绍了风险评估法与确定性法和概率性方法相比的优越 性，最后给出了风险评估方法在电力系统安全分析中的定义，以及风险评估方法的 特点。 1 2 华北电力大学硕七学位论文 第三章基于证据理论的电力系统故障可能性模型 在目前研究电力系统风险评估的文献中，对线路故障发生的可能性，均采用传 统的元件可靠性指标：按传统可靠性理论及相应的输变电设施可靠性评价规程 等规范，架空线路强迫停运率f o r 都是按“每百公里年”为单位给出的，即在同一 地区内，同一电压等级的架空线路越长，贝i j f o r 越大。该方法认为发生故障的可能 性与线路长度两者之间成正比。但是，这种假设并不符合现场实际情况 2 2 】。 在传统电力系统可靠性研究中，元件可靠性数据是长期统计的数值，是一个固 定不变的量。而电力系统风险评估要量化室外电力元件在不同的外部环境、天气情 况、运行状态下发生故障的可能性，这个数据因时、因景而不同，常规取固定值的 可靠性数据无法应用。f o r 值是统计某一地区内某电压等级的所有线路故障数据后 得出的，虽然他考虑了设备长期的外部环境、天气因素和运行状态的影响，但它忽 略了短期内室外元件的个体差异，例如：跨越高山和大河的线路受雷击和鸟害等影 响较大；经常处于重负载下的线路容易发生故障等等。因此，线路发生故障的可能 性并不仅限于线路长度，而是一个因时因景而变化的量，传统的可靠性分析中采用 的元件强迫停运率不能直接应用到运行风险评估中。架空线路的强迫停运率是一个 因时因景而异的随机变量，这一点毋庸置疑，但该概率信息却很难获取。电力系统 元件发生故障的可能性与外部各种影响因素之间的函数关系无法用明确的表达式 表达，需要另辟蹊径。对模糊性的量化描述给这一问题的解决提供了可能。文献 1 9 】 提出将故障概率看作是表征周围环境变化的函数，计及了外部环境对于线路故障概 率的影响。但所建立的模型太复杂，不易于实用。文献 2 0 2 2 进一步研究了外部环 境对于线路故障的影响，将线路故障的可能性看作随机模糊数，基于可信性理论计 算了随机模糊数的期望值。在现有研究成果基础上，本文将系统元件的故障可能性 看作随机模糊数，基于证据理论构造了元件的故障可能性模型，可更好地反映外部 环境对系统元件故障可能性的影响。 3 1 证据理论的基本概念 证据理论是贝叶斯方法的一种发展，与传统的概率论方法相比，它能更好的把 握问题的未知性和不确定性。 采用集合来表示命题，设表示空集，q 为变量x 所有可能取值的有限集合( 亦 称为样本空间) ，且q 中的每个元素都相互独立，则由q 的所有子集构成的幂集记 为2 u 。 定义1 ：设函数埘：2 n 一【o ，1 】，且满足： l3 华北电力大学硕士学位论文 朋( 矽) = 0( 表示空集无信任度) 肼( 彳) = l ( 表示对整体的信任度为1 ) a g i ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 其中m 是2 q 上的概率分配函数，m ( a ) 称为a 基本概率，表示分配给a 的信任 度。概率分配函数的作用是把q 的任意一个子集么都映射为【o ，l 】上的一个数m ( a ) 。 定义2 ：信任函数( b e l i e f f u n c t i o n ) b e t ：2 q 寸 0 ，l 】 ( 3 3 ) 定义b e t ( a ) 表示对彳的全部信任度( 最低信任程度) ，在a 的可信度中一部分