电网运行风险评估的综述

刘 柱，华 威，陈 睿，冯 雷，刘 平，朱 林

（1.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东广州 510600；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510641）

电网运行风险评估的综述

刘 柱1，华 威1，陈 睿1，冯 雷2，刘 平2，朱 林2

（1.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东广州 510600；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510641）

电网运行风险评估是对电网运行过程中可能出现的随机事件的可能性与严重性进行综合度量，是对电网进行风险预警和实施风险控制的基础。首先介绍了运行风险的概念，接着从运行风险的定义出发提出进行运行风险评估需要解决的3个关键问题，即预想场景的形成、预想场景的概率分析、预想场景的后果分析，然后分别介绍了国内外学者在这3个方面的研究成果，最后探讨电网运行风险评估的发展趋势。

运行风险；风险评估；预想场景；风险指标

0 引言

随着经济与社会的发展，我国电网的组织形态发生显著变化。交直流混联输电的发展使得电网结构日趋复杂。新能源的接入和电力市场的改革令电网的不确定性不断增加。由于结构的复杂性和不确定性的增加，电网运行安全的问题非常受人们关注。特别在2003年国外发生几次大停电事故[1]和2008年我国南方地区遭受冰灾[2]后，电网运行安全的问题显得更为突出。因此，迫切需要对电网进行安全性评估，量化电网的运行风险并形成相应的应对措施。

目前在电网的运行管理部门，主要采用确定性方法进行安全性评估。确定性方法以发生人为规定的预想故障场景（通常为N-1）后电网仍保持安全稳定运行为核心依据。确定性方法在保障电网安全运行方面发挥了重要作用，但它也存在一定不足：没有将电网运行的风险程度（安全程度）量化[3]，没有揭示风险的成因。确定性方法没有区分出安全裕度比较大和接近临界安全的情况，没有说明安全裕度受什么因素影响、受各类因素影响的程度怎样以及应该如何控制。随着电网不确定因素的增加和结构的复杂化，确定性方法的弊端将会更加凸显。因此，单凭确定性评估的结果控制如此庞大复杂电网的运行还是不够的。

基于运行风险的安全性评估能够弥补确定性方法的不足。电网的运行风险评估继承了规划部门可靠性评估研究的成果[4]，引入概率分析，反映了不确定因素对电网的影响，再结合预想故障场景的后果严重度，通过完善的风险指标体系对复杂电网运行的风险情况进行表征，使运行人员充分掌握电网运行的风险程度和风险成因，为运行人员制定运行方式、实施风险控制等措施提供决策支持。

关于电网的运行风险评估，国内外学者已经做了大量的研究工作，并且取得了一定成果。但是，现今运行风险评估在电网中并未实用化，其应用还仅限于人为梳理可能导致严重减供负荷的风险事件，明确重点运维设备，并没有引入概率分析和建立风险指标体系，未能反映不确定因素影响、各方面的风险程度和设备以外的风险成因。鉴于电网结构复杂化和不确定性增加的严峻形势，为实现电网的运行风险评估，提高控制电网安全运行的能力，迫切需要对电网运行风险评估相关研究内容进行总结。本文首先介绍运行风险的概念，接着从运行风险的定义出发提出进行运行风险评估需要解决的3个关键问题，即预想场景的形成、预想场景的概率分析、预想场景的后果分析，然后分别介绍了国内外学者在这3个方面的研究成果，最后探讨电网运行风险评估的发展趋势。

1 运行风险的概念

1.1 运行风险的定义

CIGRE于1997年在文献[5]中提出安全性评估应该综合考虑随机事件的可能性与严重性。美国电力专家Vittal在文献[6]中明确提出运行风险的定义：

其中，Xt，f为t时刻的预测的运行方式；Xt，j为t时刻的第j种负荷情况；Ei为第i个场景；Sev(Ej，Xt，j)为刻画第j个场景的后果严重度函数。从上式可以看出，t时刻某个运行方式的运行风险，是各个场景的概率与其后果的乘积之和，从数学本质上来讲是t时刻预测的运行方式下后果严重度的期望值。而对于一个特定的场景，一般定义其风险为其概率与后果严重度的乘积。

电网的运行风险具有空间可组合性的特点[7]，可按照空间的角度把每个元件风险累加组合成节点级、区域级和全网级的风险，使运行人员掌握整体和各区的风险情况。

1.2 运行风险的分类

电网运行阶段可能出现的风险有多种形式，文献[8]对此进行了详细的表述。纵观大体，按照安全稳定问题的类别，电网的运行风险可以总结为3类：静态安全风险、动态安全风险以及连锁故障风险。静态安全风险评估考虑的是预测的运行方式抵抗各类扰动场景不发生稳态越限的能力，包括过载风险（线路过载、变压器过载、断面过载等）和电压越限风险（节点低电压、电压失稳等）。动态安全风险评估考虑的是预测的运行方式抵抗各类扰动场景不发生暂态失稳的能力。连锁故障风险评估考虑的是预测的运行方式抵抗各类扰动场景不发生连锁故障（大面积停电）的能力。连锁故障虽然发生的几率小，但是危害巨大，因此专门作为一类安全问题进行评估。

1.3 运行风险评估的要求

虽然运行风险评估引入了可靠性评估的方法，但由于应用的场合不同（风险评估应用于调度运行部门，可靠性评估应用于规划设计部门），在具体应用上有所差别，这同时也是运行风险评估实现的难点[9]。（1）时间框架不同。可靠性侧重于多年的时间范畴，而运行风险评估考虑的时间框架为分钟级、星期级、月级，因而它们的侧重点不同。例如就元件停运而言，可靠性研究一般采用历史统计数据就足够，而对于风险评估而言，需要考虑实时状态和外界环境影响。（2）通常规划部门使用的可靠性软件是离线仿真程序，是一种孤立型的离线系统，而运行部门使用在线EMS，需要考虑与其他信息系统配合协调的问题，技术层面两者相差很大。

从运行风险的定义式（1）可看出，进行运行风险评估的基本步骤是，首先预想出大量需要分析的场景，再综合各场景的概率和确定性分析的结果得出风险值。在这个过程中，要求解决3个关键问题：（1）预想场景的形成；（2）预想场景概率的确定；（3）确定场景后，场景后果的分析。这3个问题的解答将在后面部分详细讨论。

2 运行风险评估的预想场景的形成

2.1 运行风险评估的场景形成要求

形成预想场景，主要内容是形成系统状态。一个系统状态包括系统的发电方式、网络拓扑和负荷水平[10]。除了形成系统状态之外，根据所要评估的风险的不同类别，往往还要考虑其他一些因素。对于静态安全风险评估，只需形成一个系统状态即可。动态安全风险评估则比静态安全风险评估要复杂的多[11]。动态安全风险评估的预想场景除了要形成系统状态外，还要形成故障的类型、持续时间、位置以及故障发生后的相应的一系列保护和自动装置动作（如重合闸、备自投）等措施。对于连锁故障风险，因为其发生原因除了过载外，还有一个主要的原因是保护装置的隐性故障[12]，所以相比于静态安全风险评估，连锁故障风险评估在预想场景的形成中还要考虑保护装置隐性故障导致保护失效的情形。文献[13]具体介绍了连锁故障的场景形成过程，连锁故障的故障序列最后可停止于发生规定的严重故障后果或到达设定的保护装置失效的最大次数。

2.2 运行风险评估的场景形成方法

文献[14]介绍了两种形成系统状态的方法：解析法和蒙特卡罗法。解析法即是枚举法，将系统所有可能的状态枚举出来。解析法物理概念清晰，并且具有模型精度高、计算结果精确的优点。但显然随着系统设备的增加，系统的状态空间的状态数剧增，运算量也随之剧增，因此解析法只适用于小型的简单电力系统。蒙特卡罗法用抽样的方法形成系统状态，一个系统状态是所有元件状态的组合，且每一元件状态可由对元件出现在该状态的概率进行抽样来确定，每一元件可用一个在[0，1]区间的均匀分布来模拟。蒙特卡罗法的抽样次数几乎不受系统规模或复杂因素影响，因此非常适合处理考虑不确定因素的大型复杂电力系统。文献[15]介绍了改进蒙特卡罗法的一些手段，例如通过分层抽样法和重要抽样法等方法提高蒙特卡罗法的收敛速度。文献[16]将事件树分析方法引入到连锁故障风险评估的预想场景形成中，帮助形成故障序列。

3 运行风险评估的场景概率分析

3.1 影响概率的因素

形成预想场景，主要内容是形成系统状态，而一个系统状态是所有元件的状态组合，因此确定预想场景的发生概率，实际上主要是确定系统内元件的概率模型，也即确定元件处于各个状态的概率。元件的概率模型，可能是两态的，也可能是多态的。建立元件的概率模型，应该从元件各个状态之间转换的过程去考虑。对电网运行风险评估而言，因为考虑的时间尺度短，元件状态转换过程中的相关参数（如故障率、修复率等）不能取为历史平均值，而应该考虑各类因素在考虑的时间尺度内对元件状态转换过程中的参数的影响。这些因素一般而言可以归结为两类：外部的自然环境（温度、湿度、雷雨、冰霜、台风等）和内部元件自身的状态（设计、老化、检修等）。

3.2 确定概率模型的方法

文献[17]给出了时变故障率下的马尔可夫过程建模的条件和建模方法，并基于上述结论，建立了典型的考虑外部自然环境的暴露型设备（架空线路）和典型的考虑元件自身状态的封闭型设备（变压器）的时变停运模型。文献[18-19]选择油中溶解气体分析信息作为表征潜伏性故障发展程度的特征信息，建立了包含运行状态、内部潜伏性故障状态和外部附件故障状态的变压器时变停运模型。文献[20]根据气体含量划分变压器状态，根据产气速率建立时变停运指数模型，体现了变压器实时运行特性和内部潜伏性故障发展状况。文献[21]认为线路停运用泊松过程描述，然后按照气候和电压等级对输电线路分区，以各分区的历史记录为基础，建立与天气相关的故障率的多元线性回归模型，并用极大似然估计法得出其参数。文献[22]建立了考虑两种天气状态时的元件停运的数学模型。文献[23]在考虑气象因素的条件下，根据输电线路的绝缘子、导线、避雷器、杆塔、地线的在线监测数据，分别建立了各个监测量的量化模型，采用未确知有理数理论去确定每层的权重系数，建立了输电线路实时故障概率的层次评估模型。文献[24]根据作用于输电线路的有效风速，考虑了台风天气对输电线路停运概率的影响。文献[25]研究了冰灾气候下影响输电线路停运的各种相关因素，包括年最大冰厚，线路的设计冰厚，灾害天气下的应急措施如融冰机的投入等。影响元件停运的因素繁多，建立元件的概率模型考虑何种因素，应该视具体问题的具体需求而定。

实际应用中，由于历史数据的缺乏，使得对元件进行概率建模较为困难。针对此问题，文献[26]首次把可信性理论引入到元件停运的建模中，把线路的停运概率视作随机模糊变量，得出元件的概率模型。文献[27]对文献[26]的方法做出改进，把线路的故障率用模糊变量表达，然后基于随机过程和可信性理论建立了停运模型，为历史数据缺乏的问题提供一个解决途径。

此外，根据元件停运之间是否会相互影响，文献[28]把元件停运模型分为独立停运和相关停运两大类，其中独立停运模型按停运性质可细分为强迫停运、半强迫停运以及计划停运；若按失效状态可细分为完全失效与部分失效，而相关停运则可以分为共因停运、元件组停运以及连锁停运。但对风险评估而言，鉴于短时间尺度，计划停运是一确定性事件，应不计入停运模型。

4 运行风险评估的场景后果分析

确定场景后，对场景进行后果分析，有两个步骤：（1）选择后果严重度函数；（2）对后果严重度函数进行计算。

关于后果严重度函数的选择，目前国内外学者有较大的争议，没有形成统一的看法。有的认为后果严重度函数可以采用经济代价（如负荷损失、设备损坏以及设备损坏带来的相关效益减小）来表示，这样就可以和其他经济指标相关联[29]，有的认为后果严重度不应该用经济代价表示，而应该采用运行人员易于理解的电网运行参数表示，以直观地反映出电网运行的风险状况[6]。

关于后果严重度函数的计算，目前也是存在较大的争议。有的认为应该沿袭可靠性评估的做法，发生事故后模拟调度员的控制措施，再进行后果严重度的计算[30]，有的认为不应该模拟调度员的控制措施[6]，理由是后果严重度函数应该反映故障和运行条件带来的风险，而不应该包含决策的影响，例如LOLP（负荷丢失概率）就假定了调度人员做出切负荷的决策，这是不合适的，因为风险评估的目的是帮助调度人员做出决策。

如果按照安全稳定问题的类型分类，后果严重度函数应该反映3个方面的严重度：静态安全、动态安全和连锁故障。

在静态安全方面，文献[6]用离散和连续的函数分别提出了过载、低压、电压稳定的严重度函数。以低压为例，其离散和连续的严重度函数为：

文献[4]对文献[6]的严重度函数做出了改进，指出其严重度函数具有“遮蔽”缺陷，也即系统中有许多小越限情况会与只有一个大越限的情况不相上下。文献[4]继承调度自动化自动故障选择（ACS）针对“遮蔽”缺陷的方法，定义了如下严重度函数：

其中，Δx为越限量，X为额定上、下限。2 m是用于解决“遮蔽”缺陷，一般m=1即可满足工程要求。文献[31]专门针对交直流并列系统提出了3种描述交直流并列系统电网结构品质的宏观指标，分别为通道强度指标、电压强度指标和频率强度指标，分别描述交流通道抵御直流通道潮流转移冲击的能力、电网对直流换流站的电压支撑能力和电网的频率支撑能力，这3个指标可作为体现交直流并列系统特性的严重度函数。文献[28]沿用了可靠性评估里的严重度函数，如EENS（期望缺供电量）、EELC(期望负荷削减频率)、PLC（负荷削减概率）等。

在动态安全方面，文献[32]认为用控制代价来表示暂态失稳的后果严重度，理由是稳定控制的目的就是以受控的小范围停电的代价来避免不受控的大范围停电，所以用使系统稳定的最小控制代价来反映故障后果比较合适。文献[33-34]借鉴文献[32]的思路，提出了用控制代价表示的暂态稳定的后果严重度函数。文献[35]另辟蹊径，从预想事故清除时间裕度的角度出发提出暂态稳定的严重度函数。

在连锁故障方面，文献[36]从负荷孤立、电源孤立和电网解列的角度定义了电力系统发生连锁故障的严重度函数。

5 展望

近年来电网运行风险评估的研究已经取得了一定的成果，但距实用化还有一定距离。究其原因，主要是构建完善的风险指标体系还有困难，难以完整地反映电网各个侧面的风险程度和风险成因，无法给运行人员提供足够的决策信息。现阶段运行风险评估的风险指标大多致力于反映电网运行的风险程度，但是有关反映电网运行的风险成因的比较少。

本文认为风险指标应分为2类，第一类是反映电网运行的风险程度（也即安全程度），帮助运行人员掌握和比较各个运行方式的风险；第二类是揭示电网运行的风险成因，帮助运行人员进行风险控制。第一类风险指标按照式（1）计算。第二类风险指标，可以通过第一类风险指标对重要元件的参数进行灵敏度分析得出[37]，使运行人员知道需要重点监测的元件；也可以通过梳理电网运行中的风险成因，把风险成因量化成函数得出。而其中与系统状态无关的风险成因（如气象等）可以在预想场景形成前便可通过有关系统的数据直接进行计算，与系统状态有关的风险成因的计算则与第一类风险指标的相同。关于风险成因的梳理和选择，文献[38]给出了一个值得借鉴的思路，它通过事故树分析，以大面积停电作为顶层事件，划分了结构风险、技术风险、设备风险，管理风险的一级指标，然后对各一级指标又进行层层划分，建立了4层评估指标体系。

随着电网规模的扩大，复杂性的提高，需要一个更准确的手段为运行人员提供决策支持。已在电力系统广泛应用的确定性分析准则理论成熟，但没有考虑不确定因素的影响，没有量化风险，没有揭示风险成因，因此确定性分析准则仍有不足。电网运行风险评估，将会是对确定性分析准则十分重要而有益的补充。

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An Overview of Risk Assessment of Power Grid

LIU Zhu1，HUA Wei1，CHEN Rui1，FENG Lei2，LIU Ping2，ZHU Lin2
（1.Power control centre of Guangdong Power Grid，Guangzhou510600，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou510641，China）

Risk assessment of power grid captures both likelihood and consequence of contingency that might occur during the operation of the grid，and it is the foundation of risk pre-warning and risk control.The paper first introduces the concept of operational risk，and presents three key issues of risk-based security assessment accordingly:the formation of contingency，the probability analysis of contingency and the consequence analysis of contingency.Then the paper introduces the study of the three issues respectively.Finally the trend of risk assessment of power grid is discussed.

operational risk；risk assessment；contingency；risk indices

TM71

：A

：1009－9492(2014)12－0097－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.023

刘 柱，男，1981年生，黑龙江牡丹江人。硕士，研究领域：电网运行、电力安全管理。

(编辑：向 飞)

2014－11－05

通信简介：朱 林，男，1979年生，博士，副教授，研究领域：电力系统稳定与控制。