计及气象因素的电网静态安全指标体系

叶剑华，林济铿，胡世骏，刘辉，袁启海，于建成

（1．天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.同济大学电子与信息工程学院，上海201804；3.国网安徽省电力公司，合肥230061；4.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京110179；5.国网天津市电力公司，天津300010）

式中：La为线路a的潮流；LF，max为断面F的最大传输功率极限；QFOF为断面F传输潮流的越限程度，若其值为负，则断面F潮流不越限。

系统静态安全评估指标中系统静态安全评估指标的相互关系如图1所示。这些指标可从支路、节点和断面3个层次对当前系统状态的静态安全性进行全方位地评估。

计及气象因素的电网静态安全指标体系

叶剑华1，林济铿2，胡世骏3，刘辉3，袁启海4，于建成5

（1．天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.同济大学电子与信息工程学院，上海201804；3.国网安徽省电力公司，合肥230061；4.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京110179；5.国网天津市电力公司，天津300010）

针对目前计及气象因素的电网静态安全风险评估指标只涉及系统静态安全的某个或数个方面，尚没有一个完整评估指标体系的问题，提出了一个包括静态安全评估指标、运行风险评估指标以及电网薄弱点评估指标在内的电网静态安全风险评估完整指标体系，实现了气象因素对于电网静态安全风险影响的全方位评估。安徽电网的算例证明了所提电网静态安全风险评估框架体系的有效性和正确性。

气象因素；风险评估；指标体系；静态安全

电网静态安全评估已逐渐成为实际电力能量管理系统EMS（energy management system）中保证安全运行的重要功能之一，其中基于风险的电网静态安全评估同时考虑了故障发生的可能性和故障造成后果的严重性，得到了越来越多的重视[1]。

对电网的静态安全风险进行全面的评估，需要构建完善的风险评估指标体系。目前国内外对风险评估指标体系已进行了相关研究。文献[2-3]在线风险评估基于自定义的严重度函数，计算出了线路过负荷、低电压、电压失稳及连锁过负荷的风险指标；文献[4]对文献[2]的指标进行了改进，可进行概率稳定性和充分性的风险评估；文献[5-7]提出了基于可信性理论的运行风险评估算法，给出了8种运行风险指标，包括过负荷、电压越限、频率越限、失负荷和功角失稳风险；文献[8]计算出电压风险指标及指标的变化率，再通过模糊推理合成电压脆弱性指标；文献[9]采用模糊性-概率性相结合的建模技术对系统元件的停运参数及负荷曲线建模，采用电量不足期望值和切负荷概率作为风险评估指标；文献[10]将污闪严重度定义为污闪电压越限严重度函数、污闪频率越限严重度函数和污闪过负荷严重度函数的加权和；文献[11]提出了电力系统的分割多目标风险分析框架，通过条件期望风险指标可全面了解不同损失范围下的风险分布及转移情况。

综上可知，目前计及气象因素的电网静态安全风险评估指标基本上均是针对系统静态安全的某一个或数个方面提出相应指标进行评估，并没有一个包括静态安全的所有各个方面的完整评估指标体系。对于输电网而言，电网关键断面的安全状态对于系统运行的安全性均起着重要作用，迄今也很少有相关文献提出有效评估方法。因此，本文提出了计及气象因素的包括静态安全评估指标、运行风险评估指标以及电网薄弱点评估指标在内的电网静态安全风险评估完整指标体系。该指标体系涵盖了系统评估指标和断面评估指标两大类，并通过薄弱点评估指标对薄弱点进行辨识，实现了气象因素对电网静态安全风险影响的全方位评估。安徽电网的算例证明了本文所提电网静态安全风险评估框架体系的有效性和正确性。

1 系统静态安全评估指标及系统静态安全告警

通过数据采集与监控系统SCADA（supervisory control and data acquisition，）采集的实时量测，由状态估计获得电网当前的状态信息，通过静态安全评估指标的计算得到电网当前状态下风险较高的支路、节点和断面，为调度运行人员提供决策依据。定义的静态安全评估指标如下。

1）支路潮流越限量QBO（quantity of branch overload）

式中：La为支路a的潮流；La，max为支路a允许的最大传输潮流；QBOa为支路a潮流越限的严重程度，若其值为负，则支路a潮流不越限。

2）节点电压越限量QNVV（quantity of node voltage violation）

式中：Vb为节点b的电压；Vb，max为节点b电压的上限值；Vb，min为节点b电压的下限值；QNVVb为节点b电压越限的严重程度，若其值为负，则节点b电压不越限。

3）断面潮流越限量QFO（quantity of flowgate overload）

式中：La为线路a的潮流；LF，max为断面F的最大传输功率极限；QFOF为断面F传输潮流的越限程度，若其值为负，则断面F潮流不越限。

系统静态安全评估指标中系统静态安全评估指标的相互关系如图1所示。这些指标可从支路、节点和断面3个层次对当前系统状态的静态安全性进行全方位地评估。

图1 静态安全评估指标结构Fig.1Structure of steady security assessment indices

2 计及气象影响的运行风险评估指标及运行风险告警

在气象灾害（如雷电、大风）期间电网各元件（输电线、变压器）所处的气象条件通常并不相同，因而其故障（停运）概率也有所不同，电网状态也有所差别，相应的运行风险也不一样。运行风险评估的目的是找出风险较大即其概率和后果乘积较大的系统状态，并将系统状态按风险指标大小进行降序排列，为调度人员提供当前风险较大的系统状态信息。

假设p0j（t）和p1j（t）分别为t时刻元件j处于运行和停运状态的概率，即

式中，p1（jt）可由论文《计及气象因素的电网静态安全评估框架及模型》中的气象停运概率模型获得。

设系统状态S中，处于运行状态的元件构成集合C0，处于停运状态的元件构成集合C1，则t时刻系统状态S的概率为

若电网中元件个数为N，则总的系统状态个数NT=2N。若N较大，则NT非常大，对所有系统状态进行风险评估不现实。本文从NT个系统状态中选择出概率最大的前NS个系统状态进行风险评估。

前NS个概率最大系统状态中的任意系统状态S的运行风险指标为

式中：Risk（S）为系统状态S的运行风险指标；pS为系统状态S的概率；Sev（S）为系统状态S的后果，反映系统状态中停运故障发生的严重性。根据关注的评估范围定义后果，可将风险评估指标分成两大类，一类是系统风险评估指标，另一类是断面风险评估指标。

2.1 系统风险评估指标及系统风险告警

1）系统潮流安全裕度MSFS(margin of system flow security)

式中：MSFSS为系统没有线路过载时所有线路潮流的总安全裕度；A为系统中的线路集合。

2）系统电压安全裕度MSVS（margin of system voltage security）

式中：MSVS为所有母线电压的总安全裕度；MSHVSS、MSLVSS分别为系统电压的安全裕度上、下限，表示为

3）系统潮流过载度DSO（degree of system overload）

式中，DSOS为所有线路潮流的总过载风险，若无线路过载，则DSOS为0。

4）系统电压越限度DSVV（degree of system voltage violation）

式中：DSVVS为所有母线电压的总越限风险，若无节点电压越限，则DSVVS为0；DSHVVS、DSLVVS分别为系统电压上、下越限，表示为

5）系统综合风险指标CSRI（composite system risk index）

式中，CSRIS为整个系统存在线路过载和母线电压越限的综合风险。

2.2 断面风险评估指标及断面风险告警

1）断面潮流安全裕度MFFS（margin of flowgate flow security）

式中：MFFSS为断面F中没有线路过载时所有线路潮流的总安全裕度；LF，max为断面F的最大传输潮流；AF为断面F中的线路集合。

2）断面潮流过载度DFO（degree of flowgate overload）

式中，DFOS表示在系统状态S下若断面F传输的有功功率超过其传输功率极限，断面F中传输的有功功率总的过载风险，即断面F的传输功率的过载程度。

3）负荷增长断面潮流转移风险FFTRLI（flowgate flow transfer risk due to load increase）

运行风险评估指标的相互关系如图2所示。

3 电网薄弱点评估指标及风险告警

调度运行人员特别关注电网中的运行薄弱点，包括潮流越限薄弱支路、电压越限薄弱节点和潮流越限薄弱断面。通过薄弱点评估指标对这些薄弱点进行辨识。

1）支路潮流累积越限度CDBO（cumulative degree of branch overload）

式中，DBO为支路a潮流越限的系统状态集合；CDBOa为支路a在所有系统状态下潮流累积越限的严重程度，其值越大，表明其是潮流越限薄弱支路的可能性就越大。

图2 运行风险评估指标结构Fig.2Structure of operating risk assessment indices

2）节点电压累积越限度CDNVV（cumulative degree of node voltage violation）

式中：DVV为节点b电压越限的系统状态集合；CDNVVb为节点b电压累积越限的严重程度，其值越大，表明其是电压越限薄弱节点的可能性就越大。

3）断面潮流累积越限度CDFO（cumulative degree of flowgate overload）

式中：DFO为断面F潮流越限的系统状态集合；CDFOF为断面F传输潮流累积越限的严重程度，其值越大，表明其潮流越限薄弱断面的可能性就越大。

薄弱点评估指标的相互关系如图3所示。

图3 电网薄弱点评估指标结构Fig.3Structure of weak point assessment indices of power grid

4 算例分析

上述计及气象因素的电网风险分析及评估系统已投入安徽电网实际试运行。取安徽电网2013-11-14T15：10：00的实时断面进行分析，此时安徽电网的概况为：安徽电网220 kV变压器等值到高压侧，500 kV联络线和1 000 kV特高压联络线外省端作为平衡节点，共有385个节点，468条支路；发电总输出功率为21 172 MW，省内总负荷为13 855 MW，省际送出约7 300 MW。安徽电网的实际应用情况如下。

1）不计气象影响情况下的静态安全评估

通过各支路正常运行的系统状态进行潮流计算可获得基态下的各静态安全评估指标。按降序排列的前3位支路潮流越限量如表1所示。

表1 支路潮流越限量Tab.1Quantity of branch overload

由表1可知，所有支路潮流越限量都为负值，都没有越限，即基态潮流是安全的。其中谷南2C19线路的安全裕度最小，却高达28.14%，即系统潮流安全裕度很大。

按降序排列的前3位节点电压越限量如表2所示。

表2 节点电压越限量Tab.2Quantity of node voltage violation

由表2可知，只有220 kV桃州变的电压越限量大于0，电压越限，超过了蓝色预警阈值，即给出蓝色安全告警。这是因为所取安徽电网断面为秋季低谷负荷，虽然整体潮流较轻，但局部潮流较重，如敬凤4893/4894线路潮流为239MW，导致末端变电站-220 kV桃州变电压偏低，与实际情况一致。

从电网实际运行的稳定限额手册给出的断面中选出2个断面作为分析对象，设官山2号、3号主变构成断面1；洛众5301单线构成断面2，则按降序排列的断面潮流越限量如表3所示。

表3 断面潮流越限量Tab.3Quantity of flowgate overload

由表3可知，2个断面的潮流越限量都为负值，即所关注的2个断面潮流都未越限，断面1的潮流安全裕度较小，需对其进行密切关注。

2）计及气象因素的静态安全评估

由于冬季安徽地区很少有雷击或巨风发生，为了验证本文算法的有效性，本文取过往的安徽电网发生的因气象因素导致线路停运事件做模拟仿真计算。

先考虑雷电的影响。山沥5366线曾在2011-08-19T15：32：00发生雷击跳闸，利用雷电定位系统采集的数据计算该线路的雷电停运概率为0.22，不考虑其重合闸成功的情况，此时该线路未受到微气象的影响，即该线路的气象停运概率为0.22，该系统其他线路的停运概率取平均停运概率10-5，变压器支路的停运概率取平均停运概率10-6。

将系统状态概率按降序排列后，只有山沥5366线停运、其他支路正常运行的系统状态概率最大，其他情况系统状态概率都小于10-6，其风险可以忽略不计，故只计算该系统状态的运行风险指标。

山沥5366线停运系统状态的系统风险评估指标如表4所示。由表4可知，该系统状态的系统潮流安全裕度MSFS大于0，支路潮流都不越限（即系统潮流过载度DSO=0）；该系统状态的系统电压越限度DSVV大于0，存在节点电压越限。因DSO=0，故其系统综合风险指标CSRI=DSVV，其CSRI超过了黄色预警阈值，给出黄色风险告警。

表4 系统风险评估指标Tab.4System risk assessment indices

对山沥5366线停运系统状态，计算断面1和断面2的风险评估指标，如表5所示。

表5 断面风险评估指标Tab.5Risk assessment indices of flowgates

由表5可知，在山沥5366线停运系统状态下断面1的潮流安全裕度MFFS为0，即断面1潮流越限，其潮流过载度DFO为7.02×10-3，超过了蓝色预警阈值，给出蓝色风险告警。其风险来源于在该系统状态下山沥5366线停运，其潮流将部分转移到断面1中，导致负载已经很重的断面1潮流越限。断面2的MFFS大于0，即潮流不越限，且安全裕度较大。其原因一方面是因为断面2基态下的负载较轻，且与山沥5366线的电气距离很大，故山沥5366线停运对断面2的影响很小。对比断面1和断面2的FFTRLI833可知，节点833（220 kV枫岭变）的负荷增长时断面1的潮流转移风险远大于断面2，这是因为节点833与断面1的电气距离远小于与断面2的距离。

各薄弱点评估指标计算中累积风险即为山沥5366线停运系统状态的风险，见表4和表5。

电网的微气象静态安全风险评估可依照上述雷电的影响进行分析，出于篇幅考虑，本文不再赘述。

5 结语

本文提出了计及气象因素的包括静态安全评估指标、运行风险评估指标以及电网薄弱点评估指标在内的电网静态安全风险评估完整指标体系，将为调度运行人员客观、真实和全面把握系统的当前静态安全状况起着非常积极的作用。安徽电网的算例证明了本文所提电网静态安全风险评估框架体系的有效性和正确性。基于本文所研发的计及气象因素的安徽电网风险评估及预警系统已通过试运行，即将投入正式运行，为安徽电网的气象抗灾发挥积极的作用。

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[12]张伯明，陈寿孙，严正.高等电力网络分析[M].2版.北京：清华大学出版社，2007.

Index System of Steady Security of Power Grid Considering Meteorological Factors

YE Jian-hua1，LIN Ji-keng2，HU Shi-jun3，LIU Hui3，YUAN Qi-hai4，YU Jian-cheng5
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Electronics and Information，Tongji University，Shanghai 201804，China；3.State Grid Anhui Electric Power Company，Hefei 230061，China；4.Kedong Power Control System Company Limited，Beijing 110179，China；5.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010,China）

Current risk assessment indices of steady security of power grid considering meteorological factors only involves one or more facets of steady security.There is not a complete system of risk assessment indices including all the respects of steady security yet.A comprehensive system of risk assessment indices of power grid considering meteorological factors including steady security assessment indices,operating risk assessment indices and weak point assessment indices is presented.The system of indices realizes comprehensive assessment of the influence of meteorological factors to the steady security risk of power grid.The results of Anhui power grid demonstrate the validity and correctness of the proposed framework system of steady security risk assessment.

meteorological factor；risk assessment；index system；steady security

TM711

A

1003-8930（2014）09-0059-06

叶剑华（1979—），男，博士，讲师，研究方向为电力系统稳定性分析及控制、智能电网等。Email:jh_ye@tju.edu.cn

2012-09-12；

2012-09-27

林济铿（1967—），男，博士，教授，研究方向为电力系统稳定性分析及控制、智能电网等。Email:mejklin@126.com

胡世骏（1966—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定性分析及控制、智能电网等。Email:husj6390@ah. sgcc.com.cn