基于临界态指标的电力系统连锁故障风险评估

武倩男

摘 要：该文列举了系统临界态参数，复杂网络的基本拓扑结构参数。通过这些参数描述了电网的当下的运行方式及结构特征，构建了一套电力系统连锁故障的风险评估体系，从而计算得出了电网在该状态下的风险值。最后，采用MATPOWER通过MATLAB语言编程，以IEEE-RTS系统为例进行仿真，计算出各临界态指标与系统风险值。

关键词：自组织临界态 连锁故障 风险评估

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0210-01

近年来，电网之间的大规模互联，加强了各电网之间的联系，提高了系统的运行效率，但同时也增加了系统运行的不确定性，使得系统扰动波及范围更广，局部故障可能迅速传播到大区域甚至整个网络。大停电事故通常是由连锁故障引起的，故在工程规划、设计、运行和维修中引进连锁故障风险评估，以使系统的风险水平保持在可接受的范围内[1]。

1 临界态指标

1.1 系统运行状态参数

（1）系统负载率。负荷是实际电力系统中最重要的变量之一，而且负荷与重大停电事故，尤其是连锁性故障的发生强相关，所以负载率是一个描述系统运行状态的重要参数[2]。

（2）潮流熵。电力系统作为一个能量平衡系统，其内部的稳定平衡可以通过系统内部能量分布的熵变过程来描述。[3]

1.2 复杂网络的拓扑结构特征参数

（1）特征路径长度从全局的角度衡量了网络中节点间的联系紧密程度，对于了解网络的整体结构特性有重要意义。

（2）一般认为网络的同步能力与其平均度有密切的关系，平均度的增加可以提高网络的同步能力。

（3）网络的聚类系数是用来衡量网络节点聚集程度的一个重要特征参数。在网络中，若节点i的度为Ki，则这Ki个节点之间最多可能有的连线数目为，假设Ki个节点间实际存在ti条边，则节点i的聚类系数为：

（1）

整个网络的聚类系数C就是所有节点的平均，即：

（2）

2 连锁故障风险评估

电力系统如果发生连锁故障，将可能产生负荷被切除、电源脱离、电网解列等后果，最终导致系统的崩溃。综合负荷、电源、电网这3个方面的风险就得到了连锁故障给整个系统造成的综合风险。

（1）负荷孤立风险。连锁故障中负荷被切除的概率为：

（1）

式中：i为连锁故障序号，N为连锁故障总数。如果第i次连锁故障造成负荷孤立，L（i）为1，否则为0。

负荷孤立的后果为：

（2）

式中：＼*为第i次连锁故障造成负荷孤立所引起的负荷容量损失，Ps为系统容量。根据风险的定义，负荷孤立的风险为：

（3）

（2）电源孤立风险。

（4）

如果电源，B（i）为1，否则为0。电源孤立的后果为：

（5）

式中：＼*为第i次连锁故障造成电源孤立所引起的负荷容量损失。根据风险的定义，电源孤立的风险为：

（6）

（3）电网解列风险。如果电网解列，S（i）为1，否则为0。电网解列的概率为：

（7）

电网解列的后果为，电网解列风险为：

（8）

（9）

（4）综合风险。综合风险反映了连锁故障对整个电力系统的影响。该文定义综合风险为电源孤立风险、负荷孤立风险以及电网解列风险的加权和：

（10）

式中：，，为权重因子，其中。

3 实例分析

采用IEEE-RTS系统作为算例，IEEE-RTS系统共有10台发电机，24个节点，38条输电线路。用Matlab编程实现临界态指标的计算，连锁故障仿真，并计算系统风险。在系统总负荷Ps=2850 MW的条件下，表1给出IEEE-RTS临界态参数表。

系统进行了124次连锁故障仿真，其中发生电网解列8次，电源孤立10次负荷孤立2次。由连锁故障风险评估中提出的风险评估方法对系统在该运行方式下的连锁故障风险进行评估。（如表2）

按照风险的计算公式，得到在该状态下系统的连锁故障风险为：

R=1/30.06450.0475+1/30.08060.0050+1/30.01610.0007=0.001159

4 结语

通过风险评估得到系统在特定运行状态下综合考虑综合负荷、电源、电网这3个方面的风险，得到了连锁故障给整个系统造成的综合风险值。结合五个临界态指标使设计人员和安全工程师能够以一种系统的方式检查由于设备的使用而产生的灾害，从而选择合适的安全措施。使用风险指标能够定量地描述决定风险等级的因素，即事故的可能性和严重性，从而比较全面地反映事故对整个系统的影响。

参考文献

[1] 马晓民.电力系统连锁故障风险分析[J].煤炭技术，2012（9）：56-58.

[2] 李勇，刘俊勇，刘晓宇，等.基于潮流熵的电网连锁故障传播元件的脆弱性评估[J].电力系统自动化，2012（19）：11-16.

[3] 陈为化，江全元，曹一家.基于模糊神经网络的电力系统连锁故障风险评估[J].浙江大学学报（工学版），2007（6）：973-979.endprint

摘 要：该文列举了系统临界态参数，复杂网络的基本拓扑结构参数。通过这些参数描述了电网的当下的运行方式及结构特征，构建了一套电力系统连锁故障的风险评估体系，从而计算得出了电网在该状态下的风险值。最后，采用MATPOWER通过MATLAB语言编程，以IEEE-RTS系统为例进行仿真，计算出各临界态指标与系统风险值。

关键词：自组织临界态 连锁故障 风险评估

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0210-01

近年来，电网之间的大规模互联，加强了各电网之间的联系，提高了系统的运行效率，但同时也增加了系统运行的不确定性，使得系统扰动波及范围更广，局部故障可能迅速传播到大区域甚至整个网络。大停电事故通常是由连锁故障引起的，故在工程规划、设计、运行和维修中引进连锁故障风险评估，以使系统的风险水平保持在可接受的范围内[1]。

1 临界态指标

1.1 系统运行状态参数

（1）系统负载率。负荷是实际电力系统中最重要的变量之一，而且负荷与重大停电事故，尤其是连锁性故障的发生强相关，所以负载率是一个描述系统运行状态的重要参数[2]。

（2）潮流熵。电力系统作为一个能量平衡系统，其内部的稳定平衡可以通过系统内部能量分布的熵变过程来描述。[3]

1.2 复杂网络的拓扑结构特征参数

（1）特征路径长度从全局的角度衡量了网络中节点间的联系紧密程度，对于了解网络的整体结构特性有重要意义。

（2）一般认为网络的同步能力与其平均度有密切的关系，平均度的增加可以提高网络的同步能力。

（3）网络的聚类系数是用来衡量网络节点聚集程度的一个重要特征参数。在网络中，若节点i的度为Ki，则这Ki个节点之间最多可能有的连线数目为，假设Ki个节点间实际存在ti条边，则节点i的聚类系数为：

（1）

整个网络的聚类系数C就是所有节点的平均，即：

（2）

2 连锁故障风险评估

电力系统如果发生连锁故障，将可能产生负荷被切除、电源脱离、电网解列等后果，最终导致系统的崩溃。综合负荷、电源、电网这3个方面的风险就得到了连锁故障给整个系统造成的综合风险。

（1）负荷孤立风险。连锁故障中负荷被切除的概率为：

（1）

式中：i为连锁故障序号，N为连锁故障总数。如果第i次连锁故障造成负荷孤立，L（i）为1，否则为0。

负荷孤立的后果为：

（2）

式中：＼*为第i次连锁故障造成负荷孤立所引起的负荷容量损失，Ps为系统容量。根据风险的定义，负荷孤立的风险为：

（3）

（2）电源孤立风险。

（4）

如果电源，B（i）为1，否则为0。电源孤立的后果为：

（5）

式中：＼*为第i次连锁故障造成电源孤立所引起的负荷容量损失。根据风险的定义，电源孤立的风险为：

（6）

（3）电网解列风险。如果电网解列，S（i）为1，否则为0。电网解列的概率为：

（7）

电网解列的后果为，电网解列风险为：

（8）

（9）

（4）综合风险。综合风险反映了连锁故障对整个电力系统的影响。该文定义综合风险为电源孤立风险、负荷孤立风险以及电网解列风险的加权和：

（10）

式中：，，为权重因子，其中。

3 实例分析

采用IEEE-RTS系统作为算例，IEEE-RTS系统共有10台发电机，24个节点，38条输电线路。用Matlab编程实现临界态指标的计算，连锁故障仿真，并计算系统风险。在系统总负荷Ps=2850 MW的条件下，表1给出IEEE-RTS临界态参数表。

系统进行了124次连锁故障仿真，其中发生电网解列8次，电源孤立10次负荷孤立2次。由连锁故障风险评估中提出的风险评估方法对系统在该运行方式下的连锁故障风险进行评估。（如表2）

按照风险的计算公式，得到在该状态下系统的连锁故障风险为：

R=1/30.06450.0475+1/30.08060.0050+1/30.01610.0007=0.001159

4 结语

通过风险评估得到系统在特定运行状态下综合考虑综合负荷、电源、电网这3个方面的风险，得到了连锁故障给整个系统造成的综合风险值。结合五个临界态指标使设计人员和安全工程师能够以一种系统的方式检查由于设备的使用而产生的灾害，从而选择合适的安全措施。使用风险指标能够定量地描述决定风险等级的因素，即事故的可能性和严重性，从而比较全面地反映事故对整个系统的影响。

参考文献

[1] 马晓民.电力系统连锁故障风险分析[J].煤炭技术，2012（9）：56-58.

[2] 李勇，刘俊勇，刘晓宇，等.基于潮流熵的电网连锁故障传播元件的脆弱性评估[J].电力系统自动化，2012（19）：11-16.

[3] 陈为化，江全元，曹一家.基于模糊神经网络的电力系统连锁故障风险评估[J].浙江大学学报（工学版），2007（6）：973-979.endprint

摘 要：该文列举了系统临界态参数，复杂网络的基本拓扑结构参数。通过这些参数描述了电网的当下的运行方式及结构特征，构建了一套电力系统连锁故障的风险评估体系，从而计算得出了电网在该状态下的风险值。最后，采用MATPOWER通过MATLAB语言编程，以IEEE-RTS系统为例进行仿真，计算出各临界态指标与系统风险值。

关键词：自组织临界态 连锁故障 风险评估

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0210-01

近年来，电网之间的大规模互联，加强了各电网之间的联系，提高了系统的运行效率，但同时也增加了系统运行的不确定性，使得系统扰动波及范围更广，局部故障可能迅速传播到大区域甚至整个网络。大停电事故通常是由连锁故障引起的，故在工程规划、设计、运行和维修中引进连锁故障风险评估，以使系统的风险水平保持在可接受的范围内[1]。

1 临界态指标

1.1 系统运行状态参数

（1）系统负载率。负荷是实际电力系统中最重要的变量之一，而且负荷与重大停电事故，尤其是连锁性故障的发生强相关，所以负载率是一个描述系统运行状态的重要参数[2]。

（2）潮流熵。电力系统作为一个能量平衡系统，其内部的稳定平衡可以通过系统内部能量分布的熵变过程来描述。[3]

1.2 复杂网络的拓扑结构特征参数

（1）特征路径长度从全局的角度衡量了网络中节点间的联系紧密程度，对于了解网络的整体结构特性有重要意义。

（2）一般认为网络的同步能力与其平均度有密切的关系，平均度的增加可以提高网络的同步能力。

（3）网络的聚类系数是用来衡量网络节点聚集程度的一个重要特征参数。在网络中，若节点i的度为Ki，则这Ki个节点之间最多可能有的连线数目为，假设Ki个节点间实际存在ti条边，则节点i的聚类系数为：

（1）

整个网络的聚类系数C就是所有节点的平均，即：

（2）

2 连锁故障风险评估

电力系统如果发生连锁故障，将可能产生负荷被切除、电源脱离、电网解列等后果，最终导致系统的崩溃。综合负荷、电源、电网这3个方面的风险就得到了连锁故障给整个系统造成的综合风险。

（1）负荷孤立风险。连锁故障中负荷被切除的概率为：

（1）

式中：i为连锁故障序号，N为连锁故障总数。如果第i次连锁故障造成负荷孤立，L（i）为1，否则为0。

负荷孤立的后果为：

（2）

式中：＼*为第i次连锁故障造成负荷孤立所引起的负荷容量损失，Ps为系统容量。根据风险的定义，负荷孤立的风险为：

（3）

（2）电源孤立风险。

（4）

如果电源，B（i）为1，否则为0。电源孤立的后果为：

（5）

式中：＼*为第i次连锁故障造成电源孤立所引起的负荷容量损失。根据风险的定义，电源孤立的风险为：

（6）

（3）电网解列风险。如果电网解列，S（i）为1，否则为0。电网解列的概率为：

（7）

电网解列的后果为，电网解列风险为：

（8）

（9）

（4）综合风险。综合风险反映了连锁故障对整个电力系统的影响。该文定义综合风险为电源孤立风险、负荷孤立风险以及电网解列风险的加权和：

（10）

式中：，，为权重因子，其中。

3 实例分析

采用IEEE-RTS系统作为算例，IEEE-RTS系统共有10台发电机，24个节点，38条输电线路。用Matlab编程实现临界态指标的计算，连锁故障仿真，并计算系统风险。在系统总负荷Ps=2850 MW的条件下，表1给出IEEE-RTS临界态参数表。

系统进行了124次连锁故障仿真，其中发生电网解列8次，电源孤立10次负荷孤立2次。由连锁故障风险评估中提出的风险评估方法对系统在该运行方式下的连锁故障风险进行评估。（如表2）

按照风险的计算公式，得到在该状态下系统的连锁故障风险为：

R=1/30.06450.0475+1/30.08060.0050+1/30.01610.0007=0.001159

4 结语

通过风险评估得到系统在特定运行状态下综合考虑综合负荷、电源、电网这3个方面的风险，得到了连锁故障给整个系统造成的综合风险值。结合五个临界态指标使设计人员和安全工程师能够以一种系统的方式检查由于设备的使用而产生的灾害，从而选择合适的安全措施。使用风险指标能够定量地描述决定风险等级的因素，即事故的可能性和严重性，从而比较全面地反映事故对整个系统的影响。

参考文献

[1] 马晓民.电力系统连锁故障风险分析[J].煤炭技术，2012（9）：56-58.

[2] 李勇，刘俊勇，刘晓宇，等.基于潮流熵的电网连锁故障传播元件的脆弱性评估[J].电力系统自动化，2012（19）：11-16.

[3] 陈为化，江全元，曹一家.基于模糊神经网络的电力系统连锁故障风险评估[J].浙江大学学报（工学版），2007（6）：973-979.endprint