电力系统风险评估综述_李丽

ｉ
ｊ
式中： Ｘｔ，ｊ ： ｔ 时间的运行方式；
Ｘｔ，ｊ 为第 ｊ 个可能的负荷水平； Ｐｔ（Ｘｔ，ｊ／Ｘｔ，ｆ）是 ｔ 时间出现 Ｘｔ，ｊ 负荷水平的概率； Ｅｉ： 第 ｉ 个不确定的扰动；
Ｐｔ（Ｅｉ）： Ｅｉ 扰动出现的概率； Ｓｅｖ（Ｅｉ，Ｘｔ，ｊ）是在 Ｘｔ，ｊ 和 Ｅｉ 扰动下系统损失的严重度。 电力系统风险评估的主要内容及其关系见图 １， 可以分为元
蒙特卡罗抽样方法（ＭＣ 方法）又称随机抽样方 法 。 其 基 本 思 想是： 为了求解一个问题， 首先建立一个概率模拟或随机过程， 使它的参数等于问题的解， 然后通过对模型或过程的观察来抽 样实验， 以计算所求参数的统计特征， 最后给出所求问题的近似 解， 并给出解的精度或误差。蒙特卡罗方法就其本质而言是一种 概率模拟方法。
３ 电力系统风险评估方法
３．１ 确定性方法和概率性方法 确定性方法是在预期的故障发生下， 研究系统可靠性水平。
由于确定性方法只能预想一些故障重数较少的故障类型的事故 后果， 而且不能给出事故发生的可能性到底有多大， 所以， 近年 来确定性方法已经逐渐为概率性方法所取代。
概率性评价方法是根据元件故障和修复的统计值， 通过计 算得到系统和节点的运行参数变化区间和风险指标， 从而对系 统的可靠性能有一个较为全面和客观的 评 价 。 ［１１，１２］ 概 率 性 风 险 评 价方法分为解析法和模拟法两种。 ３．２ 解析法进行风险评估 ３．２．１ 网络法
系统发生故障时， 发生电压稳定性事故的可能性就会增大。 基于风险的电压稳定评估所要解决的问题是： 运行条件变化前 后风险如何变化？ 如何综合考虑电压稳定风险和为了减小此风 险所需付出的代价？ 文献［８］作了这方面的初步探索， 所定义的严 重性后果包括 ２ 个方面： 一是为了避开电压崩溃而进行切负荷 等调度操作的经济评估； 二是一旦出现电压崩溃， 此时会造成的 全系统的停电损失。 ２．３ 基于风险的暂态稳定评估
风险评估首先考虑的是元件的风险评估， 但与以往元件可 靠性研究不同的是， 元件风险评估不仅要进行数学模型的建立， 而且还需要开发实时的监测系统、统计一次设备故障后采购新 设备的成本， 并进行一些测量实验。 １．１ 架空线路的风险评估
电流通过输电线路产生的热量会带来两种不利的影响： ① 铝导体连续处于过度的高温， 会逐渐退火并失去机械强度； ②导 体在较高温度时膨胀， 会增加线路的弧垂， 从而减少了离地高 度。架空导线的允许载流量是与导线的 结 构 、电 阻 、允 许 温 升 和 环境条件等因素有关。文献［３］和［４］提出， 设计部门关注于得到一 个 允 许 载 流 量 的“ 定 值 ”， 而 调 度 部 门 应 关 注 随 着 实 时 温 度 和 风 速情况的“变化值”， 进而在线调整线路的功率上限。 １．２ 变压器的风险评估
２ 系统级风险评估
２．１ 基于风险的静态安全评估 电力系统静态安全评估和传统的可靠性评估类似， 是对系
统的静态特性进行概率评价。其风险评估过程主要包含以下 ３ 个基本步骤： ①系统状态的筛选； ②对所筛选状态进行分析； ③ 风险指标的计算。文献［７］提 出 了 建 立 风 险 严 重 性 表 达 式 的 ６ 个 原则， 即简洁、能反映出不同问题的特征、能反映出损失的严重程 度 、不 应 涉 及 事 故 后 调 度 员 的 发 电 再 调 度 过 程 、用 调 度 员 可 以 直 观 理解的方式表达、与确定性的决策准则相联系以便调度员接受。 ２．２ 基于风险的电压稳定评估
在基于风险的安全评估的安全域分析中， 需要研究负荷变 化和故障发生后随机性的安全域可视化表达。其难点在于安全 域是高维的， 要在 ２ 维或者 ３ 维空间表达十分困难。另外， 安全 域也难以快速计算。
文献［１０］以一个 ４ 节点 的 小 系 统 为 例 阐 明 其 理 论 ， 重 点 分 析 了在涉及风险计算条件下的安全域变化情况。如果以金字塔形 来 类 比 ， 元 件 开 断 数 多 的 事 故 对 应 的 安 全 域 处 于“ 靠 近 ”顶 部 的 位 置 ， 该 区 域 的 风 险 等 于 此 种 事 故 出 现 的 概 率 与 比 它 位 置“ 低 ” 的其他层的概率之和。该方法借鉴了发电系统可靠性分析中机 组容量停运模型累积状态的研究思路。
网络法是一种较早使用的计算系统可靠性的方法， 它主要 针对两状态元件组成的系统， 按逻辑的串并联关系进行分解来 分析系统的可靠性能。最小连集和最小割集是网络法的常用分 析工具。
网络法最主要的特 点 是 概 念 简 单 、计 算 容 易 ， 适 用 于 规 模 较 小、元件较少、元件只有工作和故障两个状态的系统可靠性计 算。缺点是： 不能模拟较为复杂的运行状态， 如多状态元件、相关 故障、共模故障等， 只能 给 出 系 统 的 部 分 简 单 指 标 。 当 系 统 较 大 时， 计算量很大。 ３．２．２ 故障树分析法
４ 结论
电力系统风险评估研究的难点可归纳为 ３ 个方面： ①电力 系统的不确定性具有多种形式； ②由于电力系统的复杂性， 其安 全水平并可能由单一指标来表征， 需要多个侧面建立指标体系， 因 此 ， 如 何 建 立 科 学 、全 面 体 现 电 网 运 行 风 险 的 指 标 体 系 ， 需 要 深入研究； ③风险指标往往不具有解析表达式， 而且基于风险的 决策优化的计算量非常大， 因此， 如何提高决策优化算法的计算 效率是一个长期的努力方向。
故障树分析法的优点是提供了一种系统的方法来阐明各元 件和子系统级故障间的因果关系， 迅速发现系统中最重要的故 障和薄弱环节。但由于故障树分析法只能评估系统故障与否， 所 得的可靠性指标有限， 所以一般只用于简单系统的可靠性计算。 ３．２．３ 状态空间法
系统中的每一元件按照其工作、故障和修理的模式可以取 多种状态， 而系统的状态则与每一元件的状态及工作环境的状 态 有 关 。一 特 定 系 统 可 能 出 现 的 全 部 状 态 集 合 称 为 状 态 空 间 。状 态空间法的理论基础是随机过程中时间连续状态离散的马尔科 夫过程。所以， 简单的说， 状态空间法就是将系统用它的状态和 其间可能发生的转移来表示， 并据此计算系统的风险指标。 ３．３ 蒙特卡洛法进行系统风险评估
｛ ｛｛ ｛｛ 独立停运
可修复强迫失效 强迫停运 不可修复强迫失效
半强迫停运 计划停运 部分失效模式
多重停运模式
共因停运 无件组停运 电站相关停运
相关停运 电锁停运
环境相依失效
图 ２ 停运模型划分
１．３ 电力系统元件停运模型
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应用技术
李 丽 １， 温秀峰 ２： 电力系统风险评估综述
将电力系统元件的停运模型划分见图 ２。 一个停运模型有时可以精确建立， 有时可以作适当的简化。建 立或简化停运模型时， 重要的是理解一个失效事件怎么样发生， 它 会产生怎么样的影响， 以及失效元件又如何恢复运行。了解模型中 每一个参数的数量特别有用， 这将有助于进行合理的简化。
｛基于风险的最优潮流
基于风险评估的决策优化 基于风险的检修计划
图 １ 风险评估的研究内容
电力系统风险评估的基本步骤通常包括以下 ４ 个方面： ① 确定元件的停运模型； ②选择系统状态和计算他们的概率； ③评 估所选择状态的后果； ④计算风险指标。
１ 元件级风险评估
电力系统由大量的发电 机 、架 空 输 电 线 路 、电 缆 、变 压 器 、断
路 器 、隔 离 开 关 以 及 无 功 补 偿 设 备 等 组 成 。元 件 停 运 是 系 统 失 效 的根本原因， 系统风险评估首先要确定元件的停运模型。元件失 效分为独立和相关两类停运， 每一类又可进一步按停运模式加 以细分。大多数情况下， 只计入可修复的强迫停运， 有时也对计 划停运进行模拟。传统的风险评估中没考虑老化失效， 而实际中 考虑元件老化失效情况的模型更加合理， 得到的结果更加切合 实际。
根据变压器过载运行时自身的温度以及在此温度下绝缘材 料的老化程度， 将它作为过载的限制条件， 并计算过载能力。文 献［５］提 出 ， 调 度 部 门 应 关 注 变 压 器 超 载 后 绕 组 有 效 寿 命 降 低 和 变压器整体绝缘毁坏的风险。该文献首次在变压器运行容量分 析中考虑了负荷与外界温度有关的不确定性， 认为变压器绕组 有效寿命降低的风险可用替换绕组的成本来计算， 而变压器整 体绝缘毁坏的风险则由更换整个变压器的成本来计算。
随着全球经济的持 续 增 长 ， 大 电 网 向 着 远 距 离 、超 高 压 甚 至 特高压方向发展， 网络规模日益庞大， 结构日益复杂。在电力系 统取得巨大联网效益的同时， 也不得不承受着更大的潜在风险。 尤其是随着电力市场化改革的推进， 管理机构的更迭和新的成 员参与市场， 人们所难以控制的不确定因素及其对电网的影响 更 为 深 广 ， 使 得 电 力 系 统 的 规 划 、运 行 、维 修 和 资 产 管 理 工 作 都 面临着极大的挑战。因此， 电力系统风险研究的重要性越来越显 现出来。
系 统 运 行 条 件 可 以 分 为 正 常 、警 戒 、紧 急 、极 端 和 恢 复 等 ５ 种状态。从某种意义上来看， 正常态和警戒态之间并没有根本性 的区别， 因为某些严重的不 确 定 性 事 件（ 例 如 保 护 拒 动 引 起 的 波 及Leabharlann Baidu连锁故障） 都可能使这两种状态变为紧急。
基于风险的暂态稳定评估所要解决的问题是： 在给定的运 行方式下， 针对发生故障的可能性及其严重性后果， 计算出系统 所处的风险水平。与其他确定性暂态稳定评估方法相比， 它是在 确定性评估上的一种发展。对于某一个特定的运行方式和扰动 而言， 所使用的时域仿真等算法是一样的， 区别在于它进一步对 扰动的不确定性因素进行定 量 评 估 。 文 献［９］通 过 分 析 故 障 切 除 时间的统计特性和不同类型故障的严重程度提出了基于归一化 折态能量函数的暂态稳定性概率评估策略。 ２．４ 基于风险的安全域分析
科学之友
Ｆｒｉｅｎｄ ｏｆ Ｓ ｃｉｅｎｃｅ Ａｍａｔｅｕｒｓ
Ｂ ２００８年 ０２月
电力系统风险评估综述
李 丽 １， 温秀峰 ２
（ １．山西省超高压公司， 山西 太原 ０３０００６； ２．华北电力大学， 河北 保定 ０７１００３）
摘 要： 文中分别从元件级风险评估和系统级风险评估进行了论述， 并提出了基于各自方 面评估的概念、步骤、方法以及研究状况和具体应用， 阐述了风险评估的研究思路； 接着介 绍了电力系统风险评估中的方法和各自的优缺点和具体应用情况， 最后指出了电力系统 风险评估的发展趋势。 关键词： 电力系统； 风险评估； 可靠性 中图分类号： ＴＭ７３２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １０００－ ８１３６（２００８）０２－ ００１９－ ０３
故障树分析法实际上是网络法的一种拓展， 它把系统最不 希望发生的故障状态作为故障分析的目标， 把选定的系统故障 状态称为顶端事件， 并以此为出发点， 运用工程和逻辑的推理， 根据系统中元件的故障率、运行人员的误操作和维修不当的可 能性， 以及其他外界条件等， 来进一步探索引起这一终端事件的 各种原因， 一直追溯到那些原始的或其故障机理或概率分布都 是已知的， 因而不需继续分析因素为止。画出它们之间的逻辑关 系图， 即所谓故障树。根据故障树的结构， 可以对引起不希望发 生事件的各种可能性作定性分析和对不希望发生事件的概率作 出定量估计。
在著名电力专家 Ｖｉｔｔａｌ 的文献中， 明确提出 了 电 力 系 统 风 险 评估的概念， 基本定义为：“ 对 电 力 系 统 面 临 的 不 确 定 性 因 素 ， 给 出可能性与严重性的综合度量”， 其数学表达式为：
! ! Ｒｉｓ（ｋ Ｘｔ，ｆ） ＝ Ｐ（ｔ Ｅｉ）（
Ｐ（ｔ Ｘｔ，ｊ） ／Ｘｔ，ｆ） （Ｓｅｖ （Ｅｉ ，Ｘｉｊ ））
件级风险评估、系统级风险评估和基于风险评估的决策优化 ３
大类， Ｖｉｔｔａｌ 研究组在这 ３ 方面做了一些开拓性的研究工作。
架空线路运行的风险评估 元件级
｛变压器运行的风险评估
风 险 评 估（ 指 标 的 建 立）
基于风险的静态安全评估
｛ 基于风险的电压稳态评估 系统级 基于风险的暂态稳定评估
｛ ｛基于风险的安全域分析