考虑新能源接入的定量风险评估在省级电网中的应用

孙建波，曹侃，黄文涛，卢子敬，周鲲鹏，胡博

（1.国网湖北省电力公司，湖北武汉　430077；2.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉　430077；3.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆　400044）

考虑新能源接入的定量风险评估在省级电网中的应用

孙建波1，曹侃2，黄文涛2，卢子敬1，周鲲鹏2，胡博3

（1.国网湖北省电力公司，湖北武汉430077；2.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉430077；3.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044）

结合基于确定性与概率性电网风险评估方法的特点，并针对省级电网的特点，优化了现有电网风险评估指标体系，提出了新能源接入风险评估指标，形成了较全面的省级电网风险评估指标体系。以湖北电网为例进行了定量风险评估，并结合定量风险指标提出了电网安全风险防控措施。

定量风险评估；安全风险；新能源接入；风险防控；湖北电网

在现代社会中，电力系统对国家安全、社会稳定及人民生活的影响越来越大，一旦发生大面积停电事故，将极大影响人民正常生产、生活，甚至可能威胁国家安全。随着我国经济社会的发展，电网规模不断扩大，电网结构及电源结构越来越复杂，其安全风险特点更加多样化，电网风险评估及其安全风险防控的重要性日益突显。

电网风险评估方法主要包括基于确定性与基于概率性的风险评估方法［1-2］。基于确定性的风险评估方法通过对时间范围、负荷状况、网络结构和事故列表的分析，确定最先违反系统运行状况标准的事故，从而制定这些事故的解决方法。该方法在电力系统中得到了广泛的应用，最经典如电网N-1分析法。但确定性方法只能对系统在特定状态下的“好”与“坏”做出定性判断，不能表征系统可靠性能或风险大小的数值特征，随着电网规模的迅速扩大，出现了用确定性方法难以解决的问题。

基于概率性的风险评估方法在确定性方法的基础上，考虑了事故发生的可能性，通过指标定量的反映事故的可能性和严重性，将事故发生的风险定义为概率与后果的乘积。概率性方法在电网安全性与经济性之间架起一座桥梁，电网风险指标是电网安全状态的重要指示器。基于概率性的风险可以组合、可以累计，可全面反映电网的安全风险，风险指标可以定量地反映电网风险水平。但对电网进行概率风险评估需要大量的历史统计数据，且计算方法复杂，目前在工程实用方面尚有大量问题有待解决。

结合基于确定性与概率性电网风险评估方法的特点，并针对省级电网的特点优化了文献［3-4］构建的电网风险评估指标体系，提出了新能源接入风险评估指标，形成了较全面的省级电网风险评估指标体系。以湖北电网为例进行了定量风险评估，并结合定量风险指标提出了电网安全风险防控措施。

1　电网风险管理

电网是由各种电气设备按照一定的结构相互连接形成的复杂大系统，并通过一系列技术手段保证其安全稳定运行。电网风险管理就是从系统观点出发，制定定量评价指标或准则，按照既定的可靠性目标对电力网、电力设备及电网寿命周期内的各项工程技术活动进行规划、组织、协调、控制与监督［5］。电网风险管理的目标是降低电网发生故障的可能性，保证电网安全稳定运行，防止发生大面积停电事故。

由此可见，电网风险管理的主体内容为电网结构、电力设备和工程技术，目标为防止大面积停电。通过对近年国内外大面积停电事件及其原因［6-9］的分析，虽然引发大面积停电事件的原因很多，表现形式各异，但从本质上均可归结为电力系统的结构、技术、设备和管理四个方面。管理方面暂不纳入该分析的范畴，电网定量风险评估将从结构、技术和设备3个方面开展。

2　电网定量风险评估指标体系

文献［3-4］构建了电网风险评估指标体系，该体系应用事故树分析方法，以发生大面积停电风险为顶级事件（定义为零级指标），以电网结构、技术、设备风险为次级事件（一级指标），再逐层划分，共构建了五级指标体系，如图1所示。

指标体系的最后一层为基本事件（四级指标），是引起大面积停电的最直接原因。四级指标可分为以下四类：1）直接由负荷削减量反映风险的指标，如“地区主变停运平均负荷削减率”；2）反映电网状态并间接反映负荷削减风险的指标，如“同杆并架线路跨线故障比率”；3）能够反映风险变化趋势的设备增长率指标，如“发电机组超期服役的增长率”；4）定性指标，由专家经验评分，如“低频减载方案的合理性”。

图1　风险评估指标体系事故树示意图Fig.1　Risk assessment index system fault tree diagram

考虑到将各类型的指标统一无量纲化，风险指标采用1～9分进行评分，分值越大风险越高。当风险得分在1～3时，系统处于安全级别，系统风险低；当风险得分在4～6时，系统处于警戒级别，系统风险中等；当风险得分在7～9时，系统处于危险级别，系统风险高。依据导则及历史统计数据可得各四级指标的风险分值。

考虑各基本事件间的关联性，并采用多层次递阶结构模型，依据各同级指标的相对重要性计算各基本事件的相对权重，再逐层向上归并计算，可得到上级风险指标，并可最终得到各级风险指标。

针对省电网实际特点，对文献［3-4］指标体系中的二级、三级、四级指标进行了删改，并新增了新能源集中接入风险指标，最终保留了3个一级指标，11个二级指标，37个三级指标，182个四级指标，并重新定义了各级指标的重要性排序，计算了各级指标的权重，形成了适用湖北电网的定量风险评估指标体系。

3　新能源接入风险评估指标

风电及光伏等新能源的集中接入对电网安全、稳定运行产生了重大影响。由于风电、光伏的随机性特点，电网必须同时要求各类火电、水电等常规发电机组与电网协同调峰、调压。新能源的集中接入对电网结构、无功调节能力、发电调峰能力等均有较高的要求，结合新能源的特点，提出新能源接入风险三级指标，该指标包含以下四级风险评估指标。

3.1常规电源在低谷负荷时的调峰能力

电网中需要考虑为风电、光伏发电留出一定备用常规电源以平衡风电场出力的变化。在风电场、光伏电站出力产生较大波动时，需调度电网内其他电厂改变出力水平以平衡其出力的变化。尤其是在负荷较低时，常规电厂机组已调到较低出力，若此时风电场、光伏电站出力大幅增加，常规机组能否进一步控制出力出让新能源负荷决定了电网接纳新能源的能力，即常规机组在低谷负荷时的调峰能力是限制电网接纳风电、光伏发电能力的关键条件。

全网最大发电电力为：

低谷负荷时全网发电电力为：

低谷负荷时调峰能力为：

式中：Pdmax、Pdmin分别为典型日负荷最大、最小负荷；Pin（t）、Pout（t）分别为区域电网受入、外送电力；t1、t2分别为大、小负荷时刻；Kloss为线损率；Kgsn为厂用电率；Pb（t）为电网中的负荷备用；λi为调峰比例；Pgmax为各类型常规发电机组最大出力。

取2014年2月3日（全年最小用电负荷日）为典型日，最大、最小负荷分别为14 419 MW、7 956 MW，对应送出电力分别为2 330 MW、508 MW。平均线损率取6%，平均厂用电率取3%，负荷备用率取5%。根据典型日开机方式，当天可调峰容量为10 432 MW。由式（1）—式（3）可求得低谷负荷时的调峰能力为1 022 MW。

3.2省级电网的新能源接纳能力

根据上述求得的低谷负荷发电电力，低谷负荷调峰能力，考虑到新能源厂用电，负荷低谷时电网的可接纳新能源电力为：

式中：α为风电、光伏同时率；β为风电、光伏反调峰率，具体求取方法见文献［10］。

基于国内实践，结合国内外风电、光伏同时率、反调峰率的统计与计算分析，取湖北风电、光伏同时率为0.9，反调峰率为0.65。由式（4）可求得2014年湖北省电网的新能源接纳能力为1 747 MW。

3.3新能源接纳饱和度

新能源接纳饱和度指标反映省级电网现有新能源装机容量与新能源接纳能力的百分比，反映省级电网接纳新能源电力的饱和程度。

新能源接纳饱和度计算公式为：

式中：Pn为现有新能源装机容量。

截至2014年底，湖北新能源装机容量为1 380.8 MW，由式（5）可求得2014年湖北电网的新能源接纳饱和度为79.03%。

根据相关导则规定及专家评分法，湖北电网的常规电源在低谷负荷时的调峰能力、省级电网的新能源接纳能力、新能源接纳饱和度3项四级指标风险得分分别为1、1、6，3项四级指标的权重分别为0.27、0.5、0.23，加权得三级指标新能源接入风险得分为2.15。

4　定量风险评估在湖北电网的应用

下面以湖北电网为例介绍定量风险评估在省级电网风险防控中的应用。湖北电网以500 kV电网为骨干，以220 kV电网为主体，是全国首条1 000 kV特高压交流线路的落点，5条直流外送的起点，2条±800 kV特高压直流线路横穿湖北，湖北电网是三峡外送的起点、西电东送的通道、南北互供的枢纽、全国联网的中心。湖北电网定量风险评估由电网结构风险、技术风险、设备风险3方面展开。

4.1电网结构风险

湖北电网结构风险二、三级指标得分结果如表1所示，通过二级指标重要性排序求得各指标权重，加权得湖北电网结构风险指标为2.77分，风险较低。

由表1知，电源一次能源结构风险中等偏高，其中：湖北电源结构为“西水东火”，水电比重较大，且调节性性能好的电源不多，丰水期火电机组出力受到限制，枯水期火电机组出力又受到来煤制约。电源调峰能力风险中等偏高，其中：统调负荷最大峰谷比达203.8%，风险得分高；电源正调峰能力不足，风险得分高，局部地区存在电力供应能力不足风险。具备黑启动能力的电源比例较小，具有一定风险。

表1　湖北电网结构风险二、三级指标及得分Tab.1　Level 2 and Level 3 structure risk indicators of Hubei power grid

重要一次设备故障后果风险中等，表明湖北部分区域电网结构仍存在薄弱环节，在变电站主变全停、重要输电通道故障、重要电厂全停等故障情况下，存在失负荷风险。分区供电方案风险中等，具体表现为大负荷时部分220 kV主变负载率高，存在由故障引起潮流转移导致主变过载风险；220 kV网架相对薄弱、局部重载供电断面仍较多，在极端方式下，局部电网存在损失负荷风险。

4.2电网技术风险

湖北电网技术风险二、三级指标得分结果如表2所示，通过二级指标重要性排序求得各指标权重，加权得湖北电网技术风险指标为2.44分，风险较低。

由表2知，严重灾害安全防护技术风险中等偏低，具体表现为：湖北是冰灾、雷击、洪涝等自然灾害多发地区，由此造成的电网设备跳闸和非计划停运时有发生；部分地区植被茂密，农民焚烧秸秆等活动易诱发山火，导致线路跳闸；输电线路防灾害差异化设计标准不高。

4.3电网设备风险

湖北电网设备风险二、三级指标得分结果如表3所示，通过二级指标重要性排序求得各指标权重，加权得湖北电网设备风险指标为3.02分，风险较低。

表2　湖北电网技术风险二、三级指标及得分Tab.2　Level 2 and Level 3 technique risk indicators of Hubei power grid

表3　湖北电网设备风险二、三级指标及得分Tab.3　Level 2 and Level 3 equipment risk indicators of Hubei power grid

由表3知发电设备、母线及附属设备、输电线路风险为中等偏低，因设备质量问题造成设备烧损事件时有发生，设备的不可靠运行对电网安全构成了一定风险。因外部施工、山火等因素导致较多输电线路非计划停运和电网通信光缆中断事件，影响电网安全运行。

4.4大面积停电风险

综合湖北电网结构风险、技术风险、设备风险得分，可得湖北电网风险评估的零级指标大面积停电风险的得分为2.74分。湖北电网大面积停电风险较低，总体可控，但在电源结构、调峰能力、局部电力供应能力、局部网架薄弱、自然灾害防控、设备质量等方面存在一定风险。

4.5湖北电网安全风险防控措施

根据上述各级量化的风险指标，提出防范湖北电网大面积停电和减少供电损失的具体应对措施如下：

1）优化湖北电网电源结构，在水电集中区域建设一定的火电调剂水电出力，同时提高湖北电网吸纳受季节影响较小的外区电源比例，有效弥补电源出力不足的问题。

2）部分导线截面偏小的线路已日益成为输电瓶颈，极易诱发相继开断事故，建议逐步更换为大截面导线或轻型耐热导线。

3）依据短路电流分析及电网建设情况，分阶段开展电磁环网解环及局部电网优化。

4）加强黑启动方案演练和反事故演习，针对湖北黑启动电源较少的特点，重点开展利用跨省、跨区联络线进行电网黑启动的研究。

5）完善防冰灾、防山火、防雷设计标准，加快推进输电线路差异化改造。

6）强化输电通道运维管理，及时清除线路走廊树木、植被，加强防火宣传和属地化运维管理。

7）强化精益化管理和标准线路建设。制定重点工作措施及推进计划，督促各单位强化运规落实和标准化线路建设，同时采取随机抽查和定期检查等方式开展输电精益化管理和标准线路建设中间检查。

5　结论

针对省级电网特点优化了现有电网风险评估指标体系，提出了新能源接入风险评估指标，形成了较全面的省级电网风险评估指标体系。以湖北电网为例进行了定量风险评估，通过对电网结构、技术、设备3个一级指标、11个二级指标、37个三级指标和182个四级指标的定量计算，得到湖北电网大面积停电风险得分为2.74分，风险较低，总体可控。

通过定量风险评估，得到湖北电网在电源结构、短路电流、调峰能力、局部电力供应能力、局部网架薄弱、自然灾害防控、设备质量等方面存在一定风险，并提出了具体的防范措施，对电网规划、建设的决策具有较强的参考价值和指导意义。

提出的考虑新能源接入的定量风险评估方法在湖北省得到了较好的应用，同样也适用于其他省级电网，具有一定的推广价值。

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（编辑田涛）

Application of Quantitative Risk Assessment Method in Provincial Power Grid with New Energy Connected

SUN Jianbo1，CAO Kan2，HUANG Wentao2，LU Zijing1，ZHOU Kunpeng2，HU Bo3
（1.State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan 430077，Hubei，China；2.State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan 430077，Hubei，China；3.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

According to the characteristics of the deterministic and probabilistic power grid risk assessment method，on the basis of optimizing the existing grid risk assessment index system according to the features of the provincial grid，this paper puts forward new energy access risk assessment indicators to form a comprehensive provincial power grid risk assessment index system.Taking Hubei power grid as an example，the quantitative risk assessment is carried out，and measures for the power network security risk prevention and control are put forward according to the quantitative risk index.

quantitative risk assessment；security risk；new energy connecting；risk prevention；Hubei power grid

1674-3814（2016）07-0001-05

TM732

A

国家自然科学基金（51307185）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51307185）.

2016-03-26。

孙建波（1967—），男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为电力系统运行控制；

曹侃（1982—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行控制、电力可靠性等。