电力市场环境下输电线路过载风险评估

A novel method is proposed to assess the risk of transmission line overload in power
electrical market, which is based on the risk theory and market rules. The analysis of overload risk considers the uncertainty of both the transmission line state and load level. The risk quantitative evaluation is represented by overload probabilities and outage consequence resulting from overload event. The consequence models of line overload loss are established respectively for power plants, grid companies and customers according to market mechanism. The method is demonstrated on the IEEE 9-bus system. Keywords ： Transmission line overload, risk assessment, severity of line overload, economy entities 崩溃，带来巨大的经济损失和社会影响 [1] 。 线路过载问题与系统运行的安全性和经济性密 切相关，属于系统静态安全评估范畴。传统的线路 过载问题采用确定性的分析方法，通过进行 N-1 准 则检验，确保在最严重故障情况下系统仍能够正常 这种确定性安全评估方法有两个主要缺陷： 运行 [2] 。 ①只重视最严重事故，不能反映电力系统的动态特 征、负荷变化及元件故障的概率属性，分析的结果 过于保守；②设定的安全稳定阈值均采用电气参数
国家自然科学基金重点项目（ 50937002 ）和中国电机工程学会电力 青年科技创新 (2008) 项目资助。 收稿日期 2010-04-21 改稿日期 2010-06-08
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引言
随着电力负荷水平的增长以及电力工业体制改
革的深化，输电公司为了满足负荷需求、提高经济 效益，经常使输电线路处于极限运行状态，给系统 安全带来较高的风险。当线路输送功率超过其最大 容量限值时会发生线路过载，造成设备的损坏、部 分用户失负荷，在严重情况下将导致系统解列乃至
电力市场环境下各市场主体对经济效益的追求增加了电力系统运行的不确定性和安
全风险。本文基于风险理论和市场规则，提出了一种新的线路过负荷风险评估方法。该方法考虑 线路的随机故障和负荷的随机波动性进行线路过负荷的风险评估； 通过分析线路过负荷给发电商、 电网公司和用户带来的损失差异，分别建立基于不同主体的后果模型。这种评估方法考虑了电力 工业体制变化对系统安全性的影响，对提高电力系统的安全稳定性具有重要的指导意义。 IEEE 9 节点系统的仿真计算和分析证明了本文方法的有效性。 关键词： 线路过载 中图分类号： TM73 风险评估 线路过载严重度 市场主体
C3i ri PD i h
表示，如切负荷量、电压越限值等，无法从经济性 上衡量其后果的严重性。为了克服确定性评估的缺 陷，一些学者提出概率性评估方法 [3-6] ，采用概率统
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吴耀武 等
电力市场环境下输电线路过载风险评估
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计方法来分析系统发生事故的可能性，但这种方法 仍无法考虑事故造成后果的严重性。可见，传统的 安全评估方法难以考虑电力系统的复杂性和随机 性，对停电事故造成的后果差异未加以区分，没有 很好地协调安全和经济二者的关系。 近几年来，一些学者将风险理论引入电力系统 安全性评估中来，采用事故发生概率和后果的乘积 表征系统的安全风险，抓住了系统运行安全性和经 济性这两个重要特征，并将二者的关系很好地协调 起来。 文献 [7-10]引入经济效益损失概念分析电力系 统稳定性以及变压器过载风险，将经济性和安全性 协调考虑。 在电力市场环境下，发电、输电和配电分别成 为独立的经济实体，市场参与者增多，系统运行方 式变化频繁，运行中的不确定因素增加 [11] ，这样使 得整个系统的安全风险大大增加。将系统的风险细 分到发电、电网以及用户三方利益集团，使系统安 全风险与市场各主体的经济利益相关联，明确各自 责任，有利于调动各市场参与者维护系统安全稳定 运行的积极性。 本文基于风险理论和市场运作规则，提出了一 种市场环境下线路过载风险评估的新方法。该方法 对线路过载后安全性的劣化采用经济指标定量表 示，通过综合权衡发电、电网以及用户三方利益， 给出了面向多元主体的线路过载后果严重度评价函 数。IEEE 9 节点系统的仿真计算和分析证明了本文 方法的有效性。 该风险评估方法考虑了电力工业体制变化对系 统安全性的影响，对从运行和管理两方面提高现代 电力系统的安全稳定性均具有重要的指导意义。
LU
。通常认为负荷水平是服从正态分布的随机变
量，则负荷 PD 可表示为
PD ～ N(d , )
2
（ 7）
式中， d 为负荷的均值； 为负荷的标准差。 3.3 线路过载后果 以往线路过载风险评估问题的严重度一般定义 为线路过载时的传送功率与线路额定容量的比值， 从系统的角度采用单一的传输容量过载比率指标来 衡量过载程度。而在电力市场环境中，各个市场主 体最关心的是自身的经济利益，因此有必要对线路 过载的后果进行详细划分。 当线路故障或设备损坏，而导致系统其他线路 发生过载时，会采取一些控制手段尽量减小过载影 响，主要有发电机出力调整、负荷切除等。通常， 先通过调节机组出力来消除线路过载问题；当调节 机组出力无法解决过载问题时，为了避免发生电压 崩溃或其他严重连锁事故，则进行系统负荷的削减 和切除线路，使系统趋于安全稳定。 在电力市场环境下，将线路过载对系统造成的 影响分为发电方、 输电方和用户三部分的经济损失。 3.3.1 过载后发电商的经济损失
Xt 状态下的风险值； Ei 为当前状态下系统可能发生 的第 i 个事故， i∈ (0, NE )， NE 为故障总数； Xt+1 为 下一时刻系统状态； P( Ei, Xt+1 | Xt) 为在 Xt 下 Ei 和 Xt+1 出现的概率； S( I m|Ei, Xt＋ 1) 为在 Xt＋ 1 和 Ei 下系 统损失的严重度。 对于线路过载风险评估，系统的过载风险值可 表示为
2012 年 2 月 第 27 卷第 2 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.27 Feb.
No. 2 2012
电力市场环境下输电线路过载风险评估
吴耀武 娄素华 余永泉 陈 哲
武汉 430074） （华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室 摘要
（ 5）
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电 工 技 术 学 报
2012 年 2 月
式中， 为元件的修复率。 由于运行风险评估的周期通常小于线路的故障 修复时间，可将线路看成是不可修复元件，即 μ=0, 则式（ 5 ）可写成
P ( E ) 1 e t
组增加的维修及起动费用。 3.3.2 过载后输电公司的经济损失 电网发生故障后经过一系列调整措施，负荷和 发电机组仍无法避免被切除时，根据合同协议的要 （ 6） 求，输电方须对用户方进行一定程度的赔偿。因此， 输电公司不仅因输电量的减少而导致收益的降低， 还会因强迫负荷切除缴纳罚金。其经济损失 L T 为
2
电力线路过载风险评估原理
风险的概念最早来源于金融投资领域，泛指对
（ 4）
未来不确定性事件可能带来危害的综合评判，风险 的大小与事件发生的可能性和事件后果的严重度密 切相关。 著名学者 Vittal 在其文献中，就风险理论在电 力系统的应用进行深入的研究，将风险定义为电力 系统事故发生的概率和事故产生后果的乘积，可表 示为
LT
3.2
负荷模型 电力负荷具有时变性、随机性、分布性、多样
性、非连续性等特点。电力系统过载的运行风险评 估考虑的负荷特性主要体现在负荷水平的随机性 上
[14]
C2i C1 PD i h ri PD i h It
i i
（ 9）
式中， C2i 为电网公司对 i 类用户的售电价格； PD i 为被中断供电的 i 类负荷量； ri 为电网公司对各类 用户负荷停电赔偿价格； I t 指因线路过载切除输电 线路的维护和起动费用。 3.3.3 过载后用户的经济损失 在电力市场下，不同的用户根据自身对供电可 靠性和电能质量的要求，与电网公司签订差异性的 供电协议。用户的停电损失主要受停电方式和用户 对电力的依赖程度等因素的影响：如用户的类别、 停电发生的时间、停电提前通知时间，停电持续时 间以及供电协议等因素的影响。由于强制切负荷造 成用户的经济损失 L U 为
[2]
式中，T 为元件寿命； （ 0，T 1）为元件早期故障期； （T2，T0）为元件耗损 （T1，T2）为元件有效寿命期； 期；1～3 为元件在早期故障期、有效寿命期和元件 耗损期的故障率。 1、 2 为形状系数， 1＜ 1, 2＞ 1。 在元件的有效寿命期，故障率 是一个常数。 此时，处于正常运行状态的输电线路，在时刻 t 发 生停运事件的概率为 [13]
RL X t
P Ei , X t 1 X t Sk I m Ei , X t 1
k i
Nl NE
（ 2）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中， RL 为系统线路过载风险； Nl 为系统线路数； S k 为第 k 条线路的过载严重度， k∈ (0, Nl) 。
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市场环境下线路过载风险评估
线路过载实质是线路热容量过载，当线路运行
Overload Risk Assessment of Power Transmission Line Under Power Electrical Market Environment
Wu Yaowu Lou Suhua Yu Yongquan Chen Zhe 430074 China） （ State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering Technology Huazhong University of Science and Technology Abstract Wuhan
R Xt
X t 1 Ei
P Ei , X t 1 X t S I m Ei , X t 1 dEi dX t 1
（ 1） 式中，Xt 为 t 时刻的系统运行状态；R( Xt) 为系统在
P( E )


e ( )t
P K P ( Ei ) P K | Ei
（ 3）
式中， K 为故障后导致线路过载的事件。 输电线路发生故障是一个随机事件，在传统可 靠性评估中采用长期统计平均值，在短期的运行风 险评估中，则需要考虑元件可靠性参数与时间的相 关性。通常电力元件故障率可写成 [13]
1T 1 1 0 < T ≤ T1 T1 < T ≤ T2 (T ) 2 2 1 T2 < T < T0 3T
的温度超过线路最大温度阈值时， 该线路即为过载。 本文对线路过载的确定采用通用的线路输送容量上 限来确定 [12]。 3.1 线路过载的概率模型 影响线路过载发生的因素主要包括输电网络的 状态、负荷的随机变化、发电机出力大小等，这些 因素之间互相关联，互相影响。其中，输电线路的 状态的随机变化是关键影响因素之一。 在某一负荷水平下，线路 i 发生故障而导致系 统线路过载的概率公式为