电力系统风险评估综述.doc

电力系统风险评估综述引言随着电网规模的日益扩大，电力系统取得了巨大联网效益，但是同时电网结构也日益复杂，进而导致发输电元件的故障率不断增加，电网运行中的不确定性和随机性问题也越来越突出，对电力系统安全分析的要求也越来越高。电力系统运行风险评估的目的是为了评估扰动事件对系统的潜在影响程度，评估的内容主要包括扰动事件发生的可能性与严重性两个方面的问题。这一概念由CIGRE于1997年在文献1中第一次明确地提出，其目的是要对电力系统运行中的不确定性进行定量化分析。McCalley在文献2中对运行风险评估的内涵和重要性进行了较全面的论述。具体来所，其目的是为了让调度运行人员更好的了解电网的运行状况及采取每项决策所要承担的风险，首先是评估电力系统运行中的不确定性因素，建立风险指标体系，然后是研究在调度运行中如何应对风险、合理决策，例如基于风险的最优潮流等3。基本概念1 定义文献4中，著名电力专家Vittal给出了风险评估的基本定义，即对电力系统面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综合度量,其数学表达式为 (1)式中:.表示系统的运行方式；表示第i个故障；表示故障发生的概率；表示在的运行方式下发生第i个故障后系统的严重程度；表示系统在运行方式下的运行风险指标。文献4中指出，区别于电网确定性分析方法，运行风险分析实质上是传统可靠性研究与电网调度自动化的有机结合与提升。2 风险评估与传统安全分析的关系对电力系统安全的研究经历了确定性评估方法、概率评估方法和风险评估方法三个阶段。传统的能量管理系统（EMS）一直采用的是确定性模型及其分析方法，即最多在确定预想事故集时将最有可能发生的预想事故多考虑进来，按经验来考虑事故发生的可能性但并未进行量化分析，但是实际上电力系统运行中存在着很多不确定因素，采用确定性模型并不能严格描述电力系统的。虽然传统的EMS也是基于全局分析，但无法给出全网的不确定性量化指标，运行风险评估与之相比在于其科学性，运行风险指标既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。运行风险评估与传统电力可靠性分析都是用来研究电力系统的不确定性，所使用的不确定性模型是基本一致的，文献5中，从应用数学全空间认识的角度来看指出，风险评估问题与传统可靠性问题所要解决的模型是基本一致的。其主要区别是应用场合不同，基于概率的不确定性分析最早的应用是发电系统概率可靠性评估、发输电组合系统概率可靠性评估，其主要应用领域是电力系统中长期规划，适用于规划设计部门。运行风险评估面向调度运行部门，其主要功能是由当前的电网运行方式和设备信息来预测未来短时间内的运行风险信息并给出预防控制策略。主要内容电力系统风险评估主要包括以下几个方面的内容6：1.确定元件停运模型；2.选择系统状态和计算他们的概率；3.评估所选状态的后果；4.计算风险指标；5.依据风险指标进行辅助决策。电力系统由大量的发电机、架空输电线路、电缆、变压器、断路器、隔离开关以及无功补偿设备等组成。元件停运是系统失效的根本原因，系统风险评估首先要确定元件的停运模型。建立科学合理的电力系统设备元件停运模型，并正确求取元件处于各考察状态的概率，是进行电力系统运行风险评估的基础。传统的电力系统元件的停运模型见图17。文献6中在传统的风险评估增加考虑元件失效模型，研究了老化失效的建模方法并给出了应用实例。建立或简化停运模型时，重要的是理解一个失效事件怎样发生，会产生什么样的影响，以及失效元件如何恢复运行。图表 1停运模型划分风险评估的第二项工作室选择系统失效状态并计算他们的概率。有两种选择状态的方法：状态枚举和蒙特卡罗模拟。通常，如果元件的失效概率很小，或不考虑复杂的运行工况，则状态枚举法效果较好；如果严重事件的数量相对较大，或计及复杂运行工况时，则往往首选蒙特卡罗模拟法。风险评估的第三项工作是进行失效状态分析，以及评估他们的后果。根据所研究系统的不同，分析过程可能是简单的功率平衡，或者是网络结构的连通性识别，抑或是包括潮流、优化潮流，甚至暂态和电压稳定性分析在内的计算过程。状态分析主要包括概率稳定性和概率充分性分析两大部分。目前概率充分性分析大都基于直流潮流或交流潮流8，文献5中进一步提出运用动态潮流进行概率充分性评估。第二、三项工作完成之后获得信息即可建立起表征系统风险的指标。对于不同的要求，可能存在不同的风险指标。可将电力系统风险评估按照系统状态分析的性质，区分为系统充裕性和系统安全性两个方面。充裕性一般只涉及到稳态分析，安全性则要求暂态、动态和电压稳定性分析。通过对电网运行方式及设备元件的状态分析及风险指标的计算，决策者根据各种倒闸或者切负荷的风险指标，能够从多种可选操作中选取最优操作，使得系统运行状态风险最小，可靠性更高。研究进展及现状1 元件级的风险评估元件失效作为系统出现故障的根本原因，与传统可靠性安全分析类似，基于风险的安全评估首先考虑的也是元件的风险评估。，但与以往元件可靠性研究不同的是，元件风险评估不仅要进行数学模型的建立，而且还需要开发实时的监测系统、统计一次设备故障后采购新设备的成本，并进行一些测量实验。1.1 架空线路的风险评估文献9，10提出，设计部门关注于得到一个允许载流量的“定值”，而调度部门应关注随着实时温度和风速情况的“变化值”，进而在线调整线路的功率上限。文献9中的风险评估重点考虑了架空导线通过电流时的下垂(对应故障后系统切负荷等损失的成本)和强度降低(线路寿命降低后重建线路的成本)的影响，外部条件主要考虑的是风速和气温的概率分布。文献10在文献9的基础上，在假设6d以内的风速、风向和外界温度等条件已知的前提下，首先给出未来1h气象预报的概率分布，结合未来1h线路上通过的载流量的概率分布，然后用蒙特卡罗仿真来求线路温度的期望值。与文献9对风险的表达方式不同，文献10的风险是直接给出了故障概率值，而不再计算经济损失。该方法的难点是较难正确给出气象预报和温度等的概率分布。另外，如果在线不断变化线路的允许功率上限，对调度中心需要一个适应过程。另外，电流流过输电线路产生热量，一方面会使导体失去机械强度，另一方面会使导线膨胀增加线垂。1.2 变压器的风险评估设计部门关心的是根据变压器过载运行时自身的温度以及在此温度下绝缘材料的老化程度，将它作为过载的限制条件，并计算过载能力。文献11提出，调度部门应关注变压器超载后绕组有效寿命降低和变压器整体绝缘毁坏的风险。该文献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，认为变压器绕组有效寿命降低的风险可用与替换绕组的成本相关的资金来计算，而变压器整体绝缘毁坏的风险则由更换整个变压器的成本来计算。2 系统级风险评估基于风险的安全评估首先要详细分析系统运行的不确定性，提高人们对电网安全的认识水平。目前研究将系统的不确定性分离成静态安全风险、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，另外动态电压稳定风险以及综合性的安全分析按评估的研究还未涉及。文献12中基于效用理论构造了故障的严重度模型，能够有效的区分低损失、高概率故障和高损失、低概率故障，并提出了新的风险评价指标：过负荷风险指标、低电压风险指标、电压崩溃风险指标、功角失稳风险指标。2.1 静态安全评估电力系统静态安全评估与传统的可靠性评估相类似，是对系统的静态安全分析，是基于概率分析的评估方法。文献13中提出了建立风险严重表达式的6个原则，即简洁、能反映出不同问题的特征、能反映出问题的严重程度、不应涉及事故后调度员的发电在调度过程、用调度员可以直观理解的表达方式、与确定性的决策准则相联系以便调度员接受。文献14中基于可靠性理论，用故障枚举和概率抽样相结合的算法计算计算了停电风险指标。文献15基于风险理论评估了电力系统脆弱性，并给出了新英格兰39节点系统的算例。2.2 电压稳定评估系统发生故障时，发生电压稳定性事故的可能性就会增大。基于风险的电压稳定评估所要解决的问题是：运行条件变化前后风险如何变化?如何综合考虑电压稳定风险和为了减小此风险所需付出的代价?文献16作了这方面的初步探索，所定义的严重性后果包括2个方面：一是为了避开电压崩溃而进行切负荷等调度操作的经济评估；二是一旦出现电压崩溃，此时会造成的全系统的停电损失。2.3 暂态稳定评估系统运行条件可以分为正常、警戒、紧急、极端和恢复等5种状态。从某种意义上来看，正常态和警戒态之间并没有根本性的区别，因为某些严重的不确定性事件(例如保护拒动引起的波及性连锁故障)都可能使这两种状态变为紧急。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，针对发生故障的可能性及其严重性后果，计算出系统所处的风险水平。与其他确定性暂态稳定评估方法相比，它是在确定性评估上的一种发展。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算法是一样的，区别在于它进一步对扰动的不确定性因素进行定量评估。文献17通过分析故障切除时间的统计特性和不同类型故障的严重程度提出了基于归一化折态能量函数的暂态稳定性概率评估策略。2.4 安全域分析在基于风险的安全评估的安全域分析中，需要研究负荷变化和故障发生后随机性的安全域可视化表达。其难点在于安全域是高维的，要在2维或者3维空间表达十分困难。另外，安全域也难以快速计算。文献18以一个4节点的小系统为例阐明其理论，重点分析了在涉及风险计算条件下的安全域变化情况。该方法借鉴了发电系统可靠性分析中机组容量停运模型累积状态的研究思路。3 基于可信性理论的风险评估电力系统元件的故障同时包含随机性和模糊性，因而其不确定性也同时包含随机性和模糊性，进行随机性和模糊性的综合评估一直是一个困难问题。可信性理论是2004年基础数学领域完成的数学分支，给出了基于测度论的模糊论的公理化体系，并提出了随机性与模糊性的综合评估的严格数学基础。文献19中详细介绍了可信性理论中的基本公理、可信性测度、模糊变量期望值、随即模糊变量期望值等基本内容，并介绍了应用于电力系统的方法。文献20将可信性理论应用于电力系统风险评估，采用随即模糊变量期望值表示全系统的运行风险指标，提出了基于可信性理论的运行风险评估算法，并将该算法应用于WSCC9节点系统。并开发了同时具备串行和并行运行模式的风险评估软件，在金华电网得到初步应用。文献21中在缺乏历史统计数据的情况下，将故障率视为模糊变量，并利用人工经验给出其隶属度函数的方法，为电力系统运行风险评估的建模提供一种有效的解决途径。4 基于证据理论和效用理论的风险评估文献22在现有研究成果的基础之上基于证据理论详细构造了架空线路的故障可能性模型，能更好的反映外部环境对线路故障可能性影响，基于效用理论提出一种新的故障严重度评价模型，度量电力系统元件损失带来的不满意程度，所给出的指标能灵敏的反映电力系统故障风险的变化趋势。文献中将方法应用于北京电网2007年夏季和冬季最大运行方式，基于北京电网1998-2007年线路事故统计信息和其他统计资料建立了正常天气和恶劣天气下架空线路故障的可能性模型，分别给出了系统的风险指标，并对风险指标的灵敏度和算法的计算效率进行了分析，验证了方法的可行性和有效性。结论电力系统风险评估研究的难点主要包括一下方面： 电力系统的不确定性具有多种形式，要正确描述需要更好的电网模型； 由于电力系统的复杂性，其安全水平并可能由单一指标来表征，需要多个侧面建立指标体系，因此，如何建立科学、全面体现电网运行风险的指标体系，需要深入研究；风险指标往往不具有解析表达式，而且基于风险的决策优化的计算量非常大，因此，如何提高决策优化算法的计算效率是一个长期的努力方向。另外，最初电力系统风险评估的提出是为了解决在电力市场化后如何使电网运行在更低的安全裕度下获得更大的收益，但是，运行风险技术可以从系统和设备两个层面对导致系统故障的累积性风险因素和突发性风险因素进行建模，因此可以应用到状态检修决策优化等领域。主要涉及了基于风险的最优潮流（OPF）、决策、防止连锁故障和检修计划。这方面的研究应该是一个值得长期关注的领域。1 CIGRE Task Force 38 0312Power system security assessmentaposition paperJElectra，1997，(175)：49-772 McCalley J D，Vittal V，AbiSamra NAn overview of risk basedsecurity assessmentCIEEE Power Engineering Society SummerMeeting，Alberta，Can ada，19995 冯永青，张伯明，吴文传，等.基于可信性理论的运行风险评估(一)运行风险的提出与发展J.电力系统自动化，30(1):17-23.4 McCalley J D，Vittal VAbiSamra NAn ovelwjew of risk basedsecurity assessment ieee po wer engineering society summermetingC19991：1731785 冯永青，吴文传，孙宏斌，等.现代能量控制中心的运行风险评估研究初探J.中国电机工程学报，25(13):73-79.6 李文沅加.电力系统风险评估：模型、方法和应用M.北京：科学出版社，2006.7 李丽，温秀峰.电力系统风险评估综述J.科学之友，2008.2:19-21.8 丁明，黄凯，李生虎.交直流混合系统的概率稳定性分析J.中国电机工程学报，2002,22(8):11-16.9 WAN H，MCCALLEY J D，VITTAL VIncreasing Thermal 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