基于风险指标的电网事故量化排序方法指导电网规划

蔡广林，郑秀波，张沛，雷云凯

（1.广东电网公司电网规划研究中心，广州5100801；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

基于风险指标的电网事故量化排序方法指导电网规划

蔡广林1，郑秀波1，张沛2，雷云凯2

（1.广东电网公司电网规划研究中心，广州5100801；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

国务院599号令要求电力安全事故评级以导致的用户停电范围和负荷损失为标准。若仅按此标准对电网事故量化评价，则忽视了电力系统故障事件的概率特征，容易导致资金利用不当或投资规模过大。文中根据灵敏度理论计算故障事件导致的失负荷指标，并结合故障事件概率综合量度故障事件失负荷概率风险指标，应用失负荷概率风险指标对故障事件进行量化排序，从而指导电网规划。通过对2015年广东电网500 kV规划方案的研究结果表明，风险指标能够更科学地对故障事件进行优先级排序，帮助规划部门优先巩固电网薄弱环节，明确电网投资方向。

安全控制；失负荷；风险评估；电网规划

随着电力系统的高速发展，投资规模日益增大，系统潜在风险也不断增加，研究如何量化故障事件对系统的影响，帮助电网规划人员明确投资方向、改进电网设计已是势在必行。已有研究主要集中于通过确定性指标判断故障的严重程度，文献[1]从数据挖掘角度，采用Apriori算法找关联规则从而判断影响电网安全的危险点，查找并确认事故发生的可能性及严重程度，提出整改和控制措施，达到预防控制事故的目的。文献[2-3]提出了基于故障树理论研究输电系统可靠性，分析系统潮流分布以及故障的严重程度，并应用于输电网安全性评估。国务院599号令《电力安全事故应急处置和调查处理条例》[4]要求各类电力安全事故应按照其导致的用户停电范围和负荷损失进行评级，这已成为电力公司进行事故等级评定的指导意见。然而，仅仅按照负荷损失对故障事件进行评级，容易忽视故障事件的概率特征[5]。比如，N-2及以上故障事件往往会导致较严重的故障后果，但其发生的可能性较低，若仅依据故障导致的后果进行规划设计，往往要求较高的投资成本，影响电力公司的经济效益。

为了弥补确定性方法的不足，融入概率认识，基于风险的安全性评估方法首先由美国爱荷华州立大学的McCalley和Vittal等提出并予以发展[5-9]。与传统的确定性静态安全分析方法不同，该方法综合考虑事故发生的概率因素及事故对系统的影响因素，采用二者的乘积作为系统的概率风险指标。文献[10]将系统中的随机扰动等因素通过概率分析的观点引入暂态稳定分析；文献[11]分析了电力系统故障的概率模型，并通过蒙特卡罗法计算系统暂态稳定的概率；文献[12]利用注入空间安全域分析法给出了电力系统静态和动态稳定的概率分布。与静态安全分析方法相比，基于风险的安全性评估方法具有综合考虑安全性与经济性、有效指示系统状态、风险可组合及叠加等诸多优势，所以将其引入电网规划评估领域，可以提高评估精确度及可信度，同时为电力系统规划方案的选择和优化提供方便直观的数据参考。文献[13-14]讨论了风险在电力系统的应用，但忽视了风险作为综合指标对规划工作的指导作用。

本文基于风险指标对故障事件进行量化排序，通过对2015年广东电网500 kV规划方案的研究，并与传统的确定性分析方法进行比较，结果表明本文提出的方法能够更加准确地反映各类故障事件对电网安全稳定运行的影响，可以避免对某些高风险低概率事件的过度重视和对某些低风险高概率事件的忽视，能够更好地评估规划电网在实际运行中保障供电可靠性的能力，帮助规划部门优先巩固电网薄弱环节，明确电网投资方向。

1 理论基础

概率风险评估方法将事故的出现概率和事故的严重程度合并为一个综合量度指标——概率风险指标（PRI）[15-18]，该指标可用于衡量电网规划方案应对各类不确定因素的能力。概率风险指标PRI定义为事故概率与其影响程度的乘积[19-21]，其表达式为

式中：RPRI为系统风险；Pi和Ii分别为系统第i个故障场景发生的概率和产生的后果。因此，风险评估研究需以确定性的定量分析为基础，解决概率分析和影响评价的任务。

1.1 概率问题建模

本文的故障概率计算根据各设备的历史停运数据预测其未来的不可用率，进而计算各个故障事件的发生概率，计算公式为

式中：P为事故的发生概率；S为所有设备集；U为故障设备集；A为正常设备集；u为设备不可用率。

设备不可用率u的具体计算方法为

或

式中：Foutage为设备的停运频率，失效次数/a；Treair为设备发生被迫停运后的平均维修时间，h；8 760为一年的总小时数；D表示可用系数，其定义为

式中：T1为可用小时，h；T2为计划停运时间，h；T3为非计划停运时间，h。

在无有关统计数据时，同塔双回线路的不可用率可根据单回线路不可用率计算获得。由于两条线路同时发生强迫故障的概率极低，因此本文认为同杆双回线路发生停运的概率为其中一回线路检修时另一回线路发生强迫故障的概率，其计算公式为

式中：pM为同塔双回线路的不可用率；uunforced-L和uforced-L分别为线路的非强迫停运率和强迫停运率。元件的非强迫停运率和强迫停运率的具体计算方法为

式中，T4表示强迫停运时间，h。强迫停运为立即停运事件，属于非计划停运，非计划停运时间中包括强迫停运时间。

线路的故障概率与其长度有关，在无法获取某条线路具体长度时，本文通过各条线路阻抗与基准阻抗的比例关系估算该条线路的长度，线路基准阻抗为选取的某种型号线路的阻抗。具体公式为

式中：LLength为所求线路的长度；XL为所求线路的阻抗；XB为线路基准阻抗。

1.2 影响评价指标分析

规划人员应用潮流计算程序分析故障事件对系统的影响时，只能发现设备过载和过电压等问题。但是电网在实际运行中，调度人员一旦发现越界情况，就会及时采取有效的安全控制策略，将越界现象消除在初始状态。所以对于系统实际运行而言，事故影响最终将会表现为发电机出力变化和负荷损失。

调度操作会导致发电机出力变化或负荷损失，而发电机出力变化并不是系统事故，所以各类电网事故对系统的影响水平就可以通过统一的失负荷指标进行衡量，其可以真实反映规划电网在实际运行中应对各类电网事故、保障供电可靠性的能力，因此选择失负荷值作为事故影响评价指标具有实际意义。

1.3 计算步骤及流程

本文基于灵敏度[22-24]分析方法，计算故障导致的失负荷概率风险指标，计算流程如图1所示，具体步骤如下：

步骤1读入系统网架数据和运行方式，包括节点、支路、发电机参数以及发电机出力、负荷分布等信息；

步骤2选取故障事件集，进行静态安全分析，并计算故障事件的发生概率；

步骤3基于灵敏度矩阵，根据运行安全控制策略进行发电机调度和切负荷操作。首先针对过载和越界问题进行发电机调度，选择调整发电机有功或无功出力。若调整发电机出力无法消除目标支路过载或电压越界问题，则可根据灵敏度矩阵，选择目标支路或节点相对应的灵敏度系数向量，对于灵敏度系数正值处节点削弱发电机出力，负值处节点切负荷，在保证系统有功或无功平衡条件下解决目标支路过载或电压越界问题；

步骤4计算失负荷概率风险指标，并根据失负荷概率风险指标对故障事件进行量化排序。

1.4 风险指标的意义和作用

对于电力系统来说，风险指标综合考虑故障事件的概率和故障事件对系统的影响。通过风险评估，能够辨识电网失效事件发生的可能性以及事件后果的严重程度，让规划人员和运行调度人员了解每个决策承担的风险，并在风险和收益之间进行抉择，以寻找一个合理且经济的措施来有效降低风险等级和防范故障事件的发生。

将风险评估应用到系统规划与运行中，量化评估电网安全风险，通过不确定性分析科学地确定电网安全风险等级，为开展电网安全风险评估工作提供指导，对于存在的风险制定控制相应措施，从而提高电网运行控制水平，确保电网安全稳定和可靠供电。

此外，由于不可用率本身是元件在时域内运行状态的期望值，因此基于不可用率计算得到的失负荷概率风险指标实际上是系统未来一段时间内某个时刻的瞬时指标，反映的是系统的功率损失，该指标与评估时间的乘积即为电能损失。因此，根据失负荷概率风险指标可以计算投资收益年限内负荷损失造成的调度经济成本，该成本可与规划投资成本进行比较，并综合考量可靠性、经济性等因素，以此确定事故处理的范围，划分规划与调度的责任界限，确定电网规划的投资方向和内容。

图1 风险指标量化故障事件流程Fig.1Flow chart of the quantified method on the failure event based on risk indices

2 算例分析

本文以2015年广东电网500 kV规划网络作为实际研究系统。研究系统包括广东电网全境输电网设备，覆盖了广州、深圳、东莞、佛山等广东23个地级市的配电网设备以及与广西、香港、澳门电网互联设备等，共包括2 626条母线，1 475条输电线路，2 064台变压器及198台发电机。

2.1 故障事件概率计算分析

基于《2006—2012年广东电网历史可靠性统计数据》，可得到500 kV线路、母线、变压器历年的平均可用系数以及线路的计划停运时间、非计划停运时间和强迫停运时间，如表1所示。

表1 广东电网500 kV元件可靠性参数Tab.1Reliability parameters of 500 kV components for Guangdong grid

基于以上数据，根据式（4），可得线路、变压器、母线的不可用率分别为9.0×10-4、5.4×10-4和7.0×10-4。根据式（7）和式（8），可求得线路的强迫停运率和非强迫停运率分别为2.59×10-4和6.32× 10-4。根据式（6）求得同塔双回线路不可用率为1.64× 10-7。根据式（1），由各元件的不可用率可求得故障事件的故障概率，如表2所示。

表2 广东电网500 kV故障事件概率Tab.1Probability of 500 kV failure events for Guangdong grid

此外，本文采用4×720线型单位长度阻抗作为线路长度计算的基准阻抗，并根据式（9）计算线路长度。

2.2 风险评估计算结果

本文故障集选取包括500 kV线路、母线、变压器N-1故障以及500 kV同塔双回线路故障。基于BPA软件，对故障集中各故障事件进行静态安全分析，并基于静态安全分析结果进行运行安全控制策略分析，记录导致负荷损失的故障事件。

结果表明，共有28个故障事件会导致系统失负荷，其中变压器故障事件为23个，母线故障事件为3个，同塔双回线路故障事件为2个，各故障事件的故障元件、故障概率、失负荷值以及失负荷概率风险指标如表3所示。

2.3 风险评估结果分析

（1）通过失负荷概率风险指标对故障事件量化排序与通过确定性方法量化故障事件严重程度结果有较大不同。母线故障失负荷值较高，比如玉城站500 kV母线故障事件导致的失负荷值2 530 MW，在所有故障事件中位列第1，但综合考虑其故障影响和故障概率之后，母线故障的失负荷概率风险指标并不是最高的。部分变压器故障的失负荷值并不高，但其故障概率较高，因此其失负荷概率风险指标反而最高。此外，由于同塔双回线路的故障概率较低，其失负荷概率风险指标也很低。如图2所示，母线故障的失负荷概率风险指标用虚线标记，其他设备故障的失负荷概率风险指标用实线标记，可以发现，各故障事件失负荷值和失负荷概率风险指标的量化排序情况并不一致。

表3 规划方案风险分析结果Tab.3Analysis result of the planning scheme

（2）基于失负荷概率风险指标对故障事件进行量化排序更符合工程实际情况。本算例中变压器都是500 kV主变，这些设备直接承担着下属配网的全部负荷，一旦发生故障，便会产生较为严重的后果。母线故障虽会导致较为严重的故障后果，但由于母线设备的可靠性较高、维修力度较大，母线发生故障的概率较低，实际运行中并不会因其故障对系统造成较大影响。同样，同塔双回线路发生故障的可能性很低，其对实际系统运行造成的影响并不如单纯的故障导致的失负荷值所反映的那么严重。根据表3和图2所示结果对比分析可知，通过失负荷概率风险指标对故障事件量化排序可以客观科学地反映上述工程实际情况，避免了对某些高风险低影响事件的过度重视和对某些低影响高概率事件的忽视，相较于确定性分析，能够更加准确的反映各类故障事件对电网安全稳定运行的影响。

（3）基于失负荷概率风险指标对故障事件进行量化排序指导电网规划工作更具实际意义。根据表3所示可知，考虑到事故实际发生概率之后，电网规划人员可以根据失负荷概率风险指标重新判断故障严重程度，首先维护巩固风险较大的故障元件，提高这些故障元件的可靠性，而不是将规划重点放在失负荷值较高的故障元件上，避免对某些设备的过度维护和对某些设备的忽视，从而能够从电网实际运行的角度制定规划方案，维护电网运行的可靠稳定。比如，母线事故可导致较高的失负荷值，但其失负荷概率风险指标较低，对电网运行的影响程度较低，可以通过保护或安稳、加强设备维护等手段防止故障发生，而不是采取较为昂贵复杂的新建母线、断路器或者调整网架结构等措施，如此可将资金用于维护巩固失负荷概率风险指标较高的部分主变设备，这样既保证了电网的安全运行，也明确了规划重点和投资方向。

图2 失负荷值与概率风险指标对比分析Fig.2Contrast analysis between the loss load value and the probabilistic risk indices

3 结语

目前，大多数电力公司在进行规划工作时采用传统的潮流计算、短路电流计算、稳定分析等确定性分析方法，没有充分考虑到未来电网中不确定因素（负荷预测不准确性，故障事件的随机性等）的概率本质。

本文提出了基于风险指标的故障事件量化评价的方法。风险指标能综合考虑故障发生的概率和对系统的影响两个方面，更科学地评价故障事件。根据失负荷概率风险指标对事故进行量化排序，可以更加客观科学地判断各个事故对系统的影响程度，分析结果符合工程实际，能够有效帮助电网规划人员判断电网薄弱环节，明确规划目标和重点，优选规划方案，确定合理的投资方向，保证规划方案的实用性和资金的有效性。

通过对2015年广东电网500 kV规划方案的实际研究，计算结果表明，基于风险指标对故障事件进行量化评价，更加符合工程实际情况，避免对某些高风险低概率事件的过度重视和对某些低风险高概率事件的忽视，为电网规划的合理投资提供了方向。

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peizhang166@gmail.com

Risk-based Transmission System Contingency Quantitative Assessment Approach and Its Application in System Planning

CAI Guanglin1，ZHENG Xiubo1，ZHANG Pei2，LEI Yunkai
（1.Guangdong Power Grid Planning Research Center，Guangzhou 510080，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

State Council Order No.599 requests power system contingencies should be ranked based on their impacts on power system in terms of load loss value.However，this ranking method ignores probabilistic characteristics of system contingencies.This may mislead investments and cause improper utilization of funds.This paper proposes risk index to rank contingencies then guides system planning.Studies on Guangdong 2015 planning system indicate that the risk index can objectively evaluate each contingency with the consideration of probability and impact together，which provides system planners correct investment priorities and determine the orientation of the grid investment.

security control；loss of load；risk evaluation；grid planning

TM715

A

1003-8930（2015）12-0085-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.15

蔡广林（1980—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系

统规划和运行及电力系统稳定。Email：tonysang_ren@163.com

郑秀波（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为输电网规

划。Email：zhengxiubo@gd.csg.cn

张沛（1972—），男，博士，教授级高工，研究方向为电力系统

规划和运行、电力系统稳定性、可靠性和风险评估。Email：

2014-05-19；

2014-08-05