电网多维度运行风险评估系统开发与应用

汤 伟，刘路登，施鹏佳，王一枫，郭创新

(1．安徽省电力调度控制中心，安徽合肥 230022；2．浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027)

电网多维度运行风险评估系统开发与应用

汤 伟1，刘路登1，施鹏佳2，王一枫2，郭创新2

(1．安徽省电力调度控制中心，安徽合肥 230022；2．浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027)

0 引 言

智能化、信息化、大范围区域互联已成为电力系统发展的必然趋势。随着电网规模的扩大，电力系统不确定因素不断增加[1-2]。传统的电网安全评估以确定性方法为基础，以严重性程度为指标，已不能够对频繁随机波动的实时运行状况进行全面的评估。此外，为了保证电网在极端条件下的可靠运行，传统评估结果往往过于保守，难以满足电网经济性的要求。在电网智能化的发展过程中，潜在的风险因素往往是无法忽略的，若不能全面地把握风险因素的影响，对经济和社会造成的后果是难以估量的。因此，引入考虑运行风险的电网安全评估方法对于电网安全性、可靠性和经济性具有重大的意义。

当前，国内外专家学者围绕电网风险评估理论进行了诸多研究和实践，并取得了一定成果。其重点研究内容主要集中于以下两个方面：风险评估理论的完善和风险评估的实际应用。

① 风险理论的完善。文献[3-4]较为全面地介绍了电力系统风险评估理论的基本概念和重要性；文献[5]详细介绍了电网风险评估模型建立和在发输电系统、配电系统、电网规划等领域的应用方法；文献[6]考虑了元件的故障率，提出了一种基于循证方法的风险评估模型；文献[7]和文献[8]分别提出了电压崩溃的风险指标和运行可靠性短期风险指标；文献[9]将高压断路器的在线健康状态引入了电网风险评估中。这些研究完善了风险评估的理论体系，并为风险评估的实际应用提供了理论依据。

② 风险理论的实践。近年来国内外许多企业和组织对风险评估的实际应用进行了探索。美国PJM电网将风险管理应用到电力系统运行和电力市场中[10]；北美可靠性协会(NERC)发布了电网安全风险管理白皮书[11]。江西电网[12]、浙江电网[13]、华东电网[14]对风险评估理论在实际中的应用进行了探索，并研发出了相关体系及系统。文献[15-16]基于风险理论，提出了一种面向调度运行的安全风险管控系统的实现方案，并对系统中风险评估功能的实现进行了详细介绍。文献[17]把风险的安全性评估应用到电网风险预警中，将电网的运行状态定量为风险指标。这些实践进一步推动了风险评估理论的实际应用。

然而，随着电网日趋复杂，系统运行中产生的信息和数据量大大增加，传统的信息展示手段较为落后，使得电网调度运行人员难以从大量信息中及时识别出关键信息，对电网的全面把握及准确决策产生了较大的影响。此外，随着工程实践的深入，现有的风险评估系统表现出了不同程度的问题。主要体现为：风险评估大都以某个因素为重点，考虑得不够全面；风险评估的结果细节反映不足、信息不够充分，使得风险评估在实践过程中长期处于“理论型”与“研究型”的情况；风险评估的方法大都为“事后分析型”，调度员难以对预想事故进行控制，局限了风险评估在实际调度工作中的应用。

在上述背景下，基于风险理论，本文提出了一套多维度的风险等级评估体系，并基于该体系，开发了一套电网多维度运行风险评估系统。该系统具有完备的信息采集接口，充分采集气象数据、监测数据、系统运行状态、工作票等电网运行过程中的实时数据信息。从时间、空间、评估标准等多个维度对电网进行全面的风险评估，实现从“事后评估型”向“事前预测型”的转变，做到对电网风险的预测感知。并通过SVG、图形、表格等可视化方法对风险评估结果进行展示，为运行操作人员提供更加直观的数据信息。

本文对多维度的风险等级评估体系进行了详细阐述，介绍了多维度风险评估系统的架构和主要功能，并对其在安徽电网的实际应用效果进行了详细说明。

1 多维度风险等级评估体系

多维度的风险等级评估体系考虑了气象信息、设备健康度信息、系统运行和检修信息等多种风险因素，基于“风险采集-风险辨识-风险评估-风险预警”的结构，参考了电网公司的相关规程，从时间、空间、评估标准维度进行风险评估，其基本流程如图1所示。

图1 多维度风险等级评估体系流程图

1.1 时间维度的风险评估

由于当前技术水平的限制，将实时的电网安全评估结果直接应用于调度的控制是极为困难的。因此，本文在现有的研究基础上[18]，在时间尺度上从实时态和未来态(未来一周和未来一月)两个方面对电网进行风险评估。未来态考虑了检修计划、负荷波动及电网未来的运行方式，并对电网进行风险预测，为调度员进行风险预警控制提供理论指导；实时态针对电网的实时运行状态，进一步修正完善调度方案。在时间尺度上不断向前滚动进行风险评估与预防控制，从而保证系统的安全可靠性。

① 实时态：根据监测的电网运行和环境信息对电网进行实时的风险评估，重点关注元件电气故障、设备单独运行、失负荷等风险。在风险等级评估过程中列出产生风险的详细原因及各风险因素所占的比重，从地理上进行区域性的评估，制定风险等级分布图，进行风险预警。使调度员能及时了解风险源，采取针对性的调控手段，防止故障进一步扩大，引发连锁故障[19]等严重后果。

② 未来态：根据气象预报信息、负荷预测信息、系统运行方式安排等对未来一周和未来一月的电网运行状态进行预测，并以此为基础进行风险建模与风险评估。重点关注短期内灾难性气象、检修计划等对电网运行状态的影响。在风险等级评估过程中根据所预测的未来电网运行状态，参照相关规程进行风险等级的评定，并以周和月为单位绘制电网风险的分布图。使得调度员在全网级、区域级等较大范围内，对未来电网风险趋势有整体性的把握，发现网络中的薄弱环节并及时做出风险预警控制措施。

1.2 空间维度的风险评估

随着电力需求的扩大，大规模电网互联已成为电网发展的趋势。电网互联使得电网调度方案更加多样化，提高了电网的效率及可操作性，同时也增加了系统的不确定性因素。为了适应电网的分层分区控制原则，在空间维度上划分为县级、地级和省级三层风险评估。各层次评估考虑了电网输变电设备的管辖归属单位，上层评估结果由下层评估结果综合得到。各层之间既相互独立又相互联动，使得调度员能从上而下直观地对全网乃至细节上的风险情况进行充分的把握，确保电网的安全运行。

① 县级：县级的电网结构相对薄弱，尚未完成合理、完善的网架结构建成，随着用电需求的增加及电网规模的扩大，虽然层次低却存在较大的运行风险。县级的风险评估所得的结果可以帮助运行人员制定更完善的发电和检修计划。风险评估的空间分布结果可以为电网网架结构的完善提供理论依据。风险因素的比例组成情况可以使调度人员有针对性地安排调度计划。

② 地级：地级的风险评估以县级电网的风险评估结果和该地市直辖电网的风险评估结果为基础，并充分考虑气象灾害、设备异常、计划检修等风险因素在空间上的分布，通过SVG在地理图上染色显示，使调度运行人员更为清楚地了解电网安全风险的地区分布情况。对风险评级为严重或紧急的地区，调度员应针对其风险因素组成制定相关的风险预案。地级可结合在线风险评估和离线风险评估，在时间维度上进行实时态和未来态的滚动风险预警。

③ 省级：省级即全网级的风险评估，通过下级反馈的综合风险信息及省级主网的风险评估结果综合得到，使调度人员对全网的风险发展趋势及风险分布情况有整体性的把握，从而更好地制定发电计划与检修计划。此外，全网的风险评估结果为重点地区的电网规划建设提供了依据，使电力系统更好地满足可靠性与经济性的要求。

1.3 评价标准维度的风险评估

目前国内有关风险的规程或条例主要包括国务院颁布的《电力安全事故应急处置和调查处理条例》、国家电网推行的《国家电网公司安全事故调查规程》和安徽省电力公司制定的《安徽电网运行风险评估及管控规定》。为丰富调度人员对风险评估结果的视角，本文根据国家电网和安徽省电力公司的两套评估标准对事故和风险等级的相关规定，实现了一种两套标准相协调的风险等级评估与展示体系：

① 《国家电网公司安全事故调查规程》：根据规程中电网事故等级的规定，制定风险等级评定方案，将风险等级划分为八级；

② 《安徽电网运行风险评估与管控规定》：根据规定对省级主网和地区电网风险等级的规定，制定风险等级评定方案，将风险等级划分为三级。

安徽电网的风险评价标准是建立在国网标准的基础上的，主要以切负荷量及影响范围为基准制定风险等级。本文结合两套标准的相关规定，根据安徽电网的实际情况将风险后果划分为四级。其中风险的严重度通过可能发生的事故等级、事故影响因素及负荷性质确定。风险的概率因素通过计算各风险源引发事故的占比体现。实现以工程实际评价为主，概率分析为辅的风险评估标准体系。

多时间维度的风险评估能对电网各类风险因素进行全面的管理，多空间维度的风险评估能够立体地关注不同级别的风险情况，多评估标准维度的风险评估能丰富风险的展示形式，多时间、多空间和多评估维度相互组合与协调，能让调度人员更全面准确地感知电网安全运行态势，从而做出更为有效的决策。

图2 多维度风险评估体系结构图

2 多维度运行风险评估系统设计

2.1 系统软件架构

电网多维度运行风险评估系统(以下简称风险评估系统)的软件架构如图3所示，其自下而上主要包括数据源层、通信层、数据层、业务支持层、业务逻辑层和用户层。

图3 系统软件架构图

数据源层为风险评估系统提供各类风险源信息与电网运行信息，按风险评估系统的数据需求接入相应系统，主要包括SCADA/EMS、WAMS、OMS、IDP、PMS、雷电定位系统、气象监测系统、设备监测系统和微气象系统等。

通信层是解决风险评估系统与其他系统间信息交互问题的，可以通过文件、WebService、数据库、缓存库、消息总线等形式交互数据和信息。

数据层首先采用合适的数据适配器对接入数据进行解析，对错误和缺漏数据进行清洗，对需要的数据进行加工，并按规定格式转换，最终提取出系统运行数据、气象监测数据、设备监测数据和设备历史故障记录等信息，满足后续系统业务需要。

业务支持层提供用于支持业务逻辑的基本业务单元，包括风险辨识环节需要的设备故障率模型、风险评估环节需要的潮流计算模块和最优潮流计算模块以及风险定级环节需要的风险定级规则库等。

业务逻辑层实现系统的核心功能，包括风险辨识、风险评估、风险定级与风险预警。

用户层将系统后台与用户进行交互，其中界面展示用于将风险评估与定级结果可视化，发布和推送风险预警信息；系统设置便于用户指定系统运行参数；数据导入用于接收用户输入的批量数据；用户管理主要包括设置用户权限、删除更改与创建用户等。

2.2 系统功能设计

本文提出的风险评估系统主要功能包括：电网风险数据收集与加工、电网风险辨识与停运率计算、电网安全风险分析与综合评估、电网运行风险定级与风险预警的可视化展示。其功能架构如图4所示。

图4 系统功能架构图

2.2.1 风险信息采集设计

风险信息采集模块的主要功能为从电网多个系统接入数据，采集风险辨识、风险评估与风险预警所需的相关信息，通过加工处理后存放于平台数据库中。系统针对各类数据的特点设计了不同的接口适配器并进行相应的接口封装。基于FTP、数据库链接、Web Service，实现了系统数据平台与不同功能应用系统的数据交换，包括气象监测系统(气象实况数据、微气象、恶劣天气预警)、设备在线监测系统(导线覆冰、导线温度)、雷电定位系统(雷电信息)和方式一体化系统(BPA文件)等。将采集的数据存入平台数据库，并通过图表等可视化界面展示所采集的数据信息，调度运行人员可通过人机交互界面查询网络具体元件的相关信息。

2.2.2 风险辨识设计

电网运行过程中存在着许多不确定因素，如负荷随机波动、机组出力随机波动、气象因素等，这些因素往往表现为多重、随机及模糊的形式[20]。采用恒定的故障概率难以准确地对电网风险进行评价。风险评估系统通过从平台数据库中读取气象信息(温度、风速、风向、湿度、降雨量、灾难天气)、实时设备运行状态(负荷水平、电压、负载能力)、设备健康度、历史故障数据等信息建立元件的停运模型，综合多方面的风险因素计算出元件的实时停运率，使电网的不确定性定量地表现为设备的停运率。此外，通过对检修计划，电网实时拓扑结构和潮流分布的考虑，依据电网相关规程将潜在的风险因素以风险等级的形式展示给调度人员。系统结合潮流分布图，以SVG的表现形式，交互性地展示各元件的风险情况，并对电网的薄弱环节进行突出显示，有利于调度人员进行预防控制决策。

本文参考文献[21-22]所提出的方法对气象信息进行处理，利用主成分法提取主要的气象因素，应用Logistic回归建立气象因素对元件停运率影响模型。采用最大似然法对历史数据进行分析，并利用泊松分布得到元件的实时停运率。

2.2.3 风险等级评估设计

当前的风险评估理论所得到的结果大都为故障概率与故障产生后果乘积累加的综合指标，存在细节反映不足、表现不够直观等缺点。此外，在实际工程应用中，为充分保证系统的可靠性，在风险评估环节中侧重风险的后果，辅以参考风险概率，使评估结果更能满足工程要求。以图5的主网局部线路为例。

图5 电网局部线路连接图

假设该时刻线路Ⅰ检修，此时考虑N-1情况，线路Ⅲ停运会导致节点B和节点C形成孤岛造成严重后果，但由于风险辨识得到线路Ⅲ的停运率很小，传统的风险评估可能会判别此时系统处于低风险或无风险状态。然而在实际工程应用中，以安徽电网为例，根据《安徽电网运行风险评估及管控规定》，因设备停电检修，220kV变电站仅通过单回220kV线路供电，系统存在三级风险。由此可见，传统的风险评估结果不能完全满足工程实际要求。

本文在现有的风险评估理论基础上，引入风险定级体系，从时间、空间和评估标准3个维度多层次地进行风险定级，并通过SVG图的表现形式在电网地理分布图中进行染色，使得调度人员能直观地把握电网的风险水平。其具体步骤如下：

① 根据风险辨识所得到的停运模型，由N-k(k=1，2)原则及蒙特卡罗抽样法动态地确定系统的初始故障集；

② 对电网进行预想事故分析，通过动态与静态安全稳定分析计算预想事故的严重度。综合事故的故障概率、风险因素及其严重度，采用文献[16]所提出的越限驱动型指标和事件驱动型指标进行风险指标的计算；

③ 由各风险因素的风险指标加权综合，根据所提出的多维度风险等级评估方法，在时间上进行实时态和未来态的定级，在空间上从省地县三级进行风险定级，在评估标准维度进行两套标准的协调切换，并通过可视化的人机交互系统将多时间、多空间和多评估标准维度相互配合的风险评估结果进行展示。

2.2.4 风险预警设计

风险等级评估考虑多种风险因素及电网实时运行状态，以风险指标的形式进行定量体现，并根据元件的实时停运率，预想事故产生后果的严重度以及各风险因素的组成将风险等级按两套评估标准进行风险评估。风险预警模型分为电网风险智能预警和高风险设备排序两个方面。风险智能预警根据风险等级评估的结果判断系统是否存在风险，若存在风险则将风险源、风险等级、概率、后果等相关详细信息传达给调度人员，为调度方案的制定提供依据。高风险设备排序将风险评估细化到电网每一个元件，考虑多方面风险因素的影响比重，由风险指标进行排序并将信息传递给调度人员，使调度人员能针对性地进行预防控制。此外，风险预警模块与可视化人机交互系统相结合，在时间上从实时态及未来态两方面进行风险趋势预警，在空间上从省地县三级通过地理染色及潮流图染色标识进行风险预警，在评估标准上通过两套标准协调展示风险预警结果，使调度人员能够全方位立体地感知全网风险水平，及时采取相关控制措施。

2.3 系统特点

多维度风险评估系统基于多维度的风险等级评估体系，在实际工程应用中效果显著。对于解决系统关键信息识别难、风险评估侧重性强、评估细节反映不足、评估时间滞后性等问题具有良好的效果。

2.3.1 全方位针对性的数据接口

风险评估系统针对电网企业的各种系统设计了相应的数据接口，以实现采集信息的全方位化，并通过数据整合处理，在平台数据库中对采集信息进行有序管理。数据接口模块与评估系统总线进行交互，既可独立于系统实现插入式信息采集配置，又能作为系统风险评估的基础组成部分。基于FTP、数据库链接、Web Service与EMS、TSA、OMS、气象系统、设备在线监测系统等进行数据交换，并对BPA、CIM、XML等文件在数据平台中统一处理为实时数据、历史数据和图形数据。

2.3.2 多维度的运行风险评估体系

当前的风险评估理论大都在特定的时间点对固定的网络进行分析，风险评估系统突破性地将风险评估过程实时化、立体化。在时间维度上，通过实时态与未来态的风险评估过程不断配合滚动跟踪，实现管理上“滞后分析”向“超前预测”的转变；在空间维度上，通过省地县三级风险评估和定级体系，自上而下对电网进行全面监控。在评估标准维度上，通过两套评估标准的切换展示，丰富了调度人员的视角。时间维度、空间维度和评估标准维度相互配合，层层防御，立体监控，协调展示，实现电网稳定可靠运行的全方面防御。

2.3.3 可视化的人机交互界面

随着电网和计算机技术的发展，调度人员掌握的信息量日趋增加，同时增大了对关键信息的识别难度。风险等级评估系统将风险评估结果以风险等级的表现形式进行展示。通过表格、柱状图、饼图、趋势图等可视化界面直观展示风险水平，通过SVG图的形式进行风险信息的交互，并设有数据维护、日志查询等友好的人机交互模块，实现信息展示的直观性、调度监控的全面性及调试信息的准确性。

3 应用实例

本文提出的多维度运行风险评估系统已在安徽电网取得初步的实践成果。系统遵循标准接口形式，保证与相关系统的互联、互通、互操作。通过与安徽电网EMS、TSA、OMS、气象系统及设备在线监测系统连接采集风险源及相关信息。通过BPA文件采集实时信息，经过编码转换后导入缓存数据库Memcached，并将历史数据经过筛选转换后存入Oracle数据库以实现数据管理。系统通过Java语言编写整体架构，采用C/S模式，以Mule ESB为整合平台实现多个应用模块之间的信息共享与功能交互。

以某时刻安徽电网的实时运行状态为例说明系统实际运行的有效性。系统采集电网的实时运行状态，从省地县三级对电网进行风险辨识和风险评估，将结果以SVG图的形式在地理上染色进行展示，并结合全网的系统潮流图，对存在风险的线路进行闪烁显示同时显示其详细的风险信息。此时，芜湖地区电网存在一条三级风险线路，系统对调度员发出风险预警，调度员得到的信息如表1所示。

表1 主网风险构成

由表1，调度人员可观察到风险预警的详细信息，根据引起故障的主要风险因素采取相关控制措施。当风险评估结果相差较小时，通过概率的具体描述能够制定出具有针对性的应对方法。如表1中两例故障经过风险评估得到的风险等级都为3级，故障后果相同。但由于引发故障的主要风险因素不同，通过风险系统的预警，可以使调试检修策略更为有效。由此可见，风险预警能使调度人员及时发现风险因素，找到电网的薄弱环节，采取针对性强的预防措施，从而降低全网的风险等级。

此外，系统根据历史统计数据对未来一周和未来一月内各风险因素进行预测，并结合气象信息及检修计划，对各地区电网未来一周和未来一月的风险水平进行预测。

由此可见，多维度的风险等级评估体系及风险评估系统在实际工程应用中能体现其优越性，为解决风险评估理论在实际工程应用中的不足提供新的思路。同时，为调度人员全方位立体地把握电网的风险水平，及时制定相关控制措施，保证电网的稳定可靠运行提供了良好的依据。

4 结 语

本文针对当前风险评估理论在实际工程应用中的不足，基于风险理论，提出了一套多维度的风险等级评估体系，并基于该方法，开发了一套电网多维度运行风险评估系统。本文详细介绍了多维度风险等级评估体系的概念和流程，并介绍了风险评估系统的软件架构和功能架构。通过在安徽电网中表现出的良好的实际应用效果，该系统及系统所采用的多维度风险等级评估体系为解决当前风险评估理论在实际工程应用中的不足提供了新的思路。本文的工作主要包括以下几个方面：

① 针对当前风险理论的不足，提出了多维度的风险等级评估体系，从工程实际出发，通过时间维度、空间维度和评估标准维度的配合，结合风险理论与定级系统，使全网级、区域级和元件级的风险评估定量到相应的风险指标上，定性到相应的风险等级上，并详细阐述了各维度风险评估的方式。

② 设计并开发了多维度运行风险评估系统。本文详细介绍了系统软件架构每一个层次的相关功能，并对系统功能架构的每一个功能模块进行详细说明。将系统在安徽电网进行了实践检验，并对实践成果进行介绍。

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(责任编辑：林海文)

Development and Application of Multi-dimensional Operation Risk Assessment System for Power Grid

TANG Wei1, LIU Ludeng1, SHI Pengjia2, WANG Yifeng2, GUO Chuangxin2

(1.Electrical Power Dispatching & Control Center of Anhui, Electrical Power Company of Anhui Province, Hefei 230022,China;2.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China)

传统风险评估理论在实际工程应用中存在系统关键信息识别难、评估考虑因素少、评估细节反映不足、评估时间滞后等问题。本文针对风险评估理论在实际工程应用中的不足，从时间、空间和评价标准3个维度出发，提出了一套多维度的风险等级评估体系结构，并基于该体系开发了一套电网多维度运行风险评估系统。文章详细阐述了多维度风险等级评估体系的概念和流程，设计并介绍了风险评估系统的软件架构、功能架构及特点。最后，对系统在安徽电网的实际应用成果进行了说明。

风险评估；风险定级；多维度体系构建；系统开发

The application of traditional risk assessment theory in practical engineering has such problems as hard identifying system key information, considering little factors, insufficiently reflecting assessment detail and the evaluation time lagging. In this paper, due to the drawbacks in application of risk assessment theory, a grading assessment system of multidimensional risk is proposed from three dimensions of time, space and evaluation standard, based on which a multidimensional operation risk assessment system for power grid is developed. The concept and procedure of multidimensional risk grading and evaluating system are elaborated, and the software architecture, functional architecture and characteristics of risk assessment system are designed and introduced. In the end, the application of proposed system in Anhui power grid is given.

risk assessment; risk grading; the building of multidimensional system; system development

1007-2322(2015)04-0049-07

A

TM7

2014-08-15

汤 伟(1978—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电网运行分析；刘路登(1980—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统调度运行和电力市场，E-mail：liuludeng@163.com；

施鹏佳(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电网运行及电网连锁故障风险评估,E-mail：shipengjia@zju.edu.cn；

王一枫(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电网运行风险评估，电力系统分析计算与稳定控制,E-mail：yifengwang@zju.edu.cn;

郭创新(1969—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电网智能调度控制与风险调度控制、可再生能源接入与智能配电网技术,E-mail：guochuangxin@zju.edu.cn。