电力系统安全风险评估概论

电力系统安全风险评估概论

一．基本概念

电力系统风险评估是对电力系统安全性的综合分析。对系统安全性分析涉及到系统故障前后的稳态行为和暂态行为，相应的安全分析也分为静态安全分析和暂态安全分析。电力系统静态安全分析判断系统针对一组预想事故集合，通常包括支路开断，负荷波动等微小的扰动，是否出现支路过载或电压越限；暂态安全分析判断系统针对一组预想事故集合，通常包括切除或投入系统的主要元件，发生短路故障等较大扰动，是否失稳。

主要分类：

1.静态安全分析风险评估；

2.暂态安全分析风险评估；

3.电力系统可靠性评估；

电力系统静态安全性的风险评估要考虑电力系统中存在的诸多不确定性因素，包括发电机出力的不确定性，系统负荷的不确定性波动以及电气设备故障的影响。分析过程可大致分为系统元件建模，静态安全性的风险评估指标建立与计算，系统决策优化和提出预防控制方法。

随机潮流是静态安全性分析的基础。传统的潮流分析计算是在所有给定量，如节点负荷，投运的发电机台数，出力都给定的情况下进行，求出各节点电压及各支路潮流的确定值。但由于负荷变化及预测的不确定性，发电机组和输电网络元件的计划检修或强迫停运，网络中的潮流分布本质上是不确定的。随机潮流就是用概率论来描述这种不确定性，探索相应的数学建模，计算计算法和实际应用的研究。在随机潮流计算过程中，各个系统原件，包括发电机。

负荷，输电线路等需建立相应的概率模型，对一组预想事故集合计算某种故障条件下的随机潮流，随机潮流的数学计算方法有多种，较为基础的是蒙特卡洛法。蒙特卡罗法是利用一组符合系统元件概率分布规律的随机数列作为系统元件的数值输入，遍历各种情况进行确定的潮流计算，然后统计实验结果，得出风险评估指标的解和精度估计。不过蒙特卡洛法计算量大，用时比较长，而且很可能出现随机取节点数据造成潮流不收敛的问题。此外还有交流潮流线性化模型，Gram-Charlier级数展开法等。

电力系统静态安全性包括节点电压越限与支路功率过载。根据风险的原理，风险计算要分析过载的可能性和过载的严重性两个因素的因素。对于不同的静态安全习性分析应该存在相应的风险评估指标。例如可利用可能性概率指标和严重度指标，以及反映系统整体安全的综合性风险指标。可能性概率指标用于计算在当前电网运行条件下，节点电压越限和支路功率过载的概率，严重度指标用于考虑哪些对系统造成严重影响的小概率事件，它可以得到节点电压和支路功率在当前电网运行条件下的最严重状态。综合性风险指标用于表征全系统在当前电网运行条件下的综合风险，即全系统所有节点电压的严重度指标与所有支路有功的严重度指标之和。

电力系统可靠性评估可分为运行可靠性评估和传统可靠性评估。传统可靠性评估是从规划的角度研究可靠性的评估方法，往往只能以离线方式对电力系统的几种基本运行方式进行分析评价，考虑较为严重的运行方式以保证足够的安全裕度。传统可靠性评估主要一切负荷指标来度量系统可靠性水平，包括且符合的概率，期望时间，期望频率及期望数量等，指标中隐含了对线路负荷，母线电压越限，系统功率不平衡等

故障的严重程度的度量。运行可靠性评估研究的是系统在短期内的可靠性水平，运行可靠性评估中使用的原件模型考虑了运行条件的影响，元件故障率会随运行条件的变化而改变，因此运行可靠性评估可为运行调度人员提供决策依据，以帮助他们决定如何改变系统的运行方式。运行可靠想评估从越限指标，是符合指标和状态指标等各个方面度量了系统短期内的运行可靠性水平。

术语和定义：

危害：可能导致供电中断、人身伤亡、财产损失、工作环境破坏等损失的条件或行为。

风险：某一特定危害可能造成损失或损害的潜在性变成现实的机会，通常表现为某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。

危害识别：识别系统中危险源并确定其特性的过程。

风险评估：辨识危害引发特定事件的可能性和后果的严重度，并将现有风险水平与规定的标准、目标风险水平进行比较，确定风险是否可以容忍的全过程。

基准风险评估：根据生产系统特点、工作场所范围和具体的作业任务，评估电网、设备、作业中危害所产生的风险等级，为制订全局风险概述提供依据，为基于问题的风险评估提供输入。

基于问题的风险评估：对基准风险评估中所确定的高风险对象，以及针对生产过程中所发生事故/事件暴露的高风险问题，进行的风险评估，为管理层提供建议，以有效地控制安全生产风险。

二．理论体系

安全风险评估方法是从传统可靠性方法发展而来的。国内外对于电力系统可靠性评估的研究经历了3个阶段，分别为确定性评估、概率评估和风险评估。确定性方法如N-x准则。确定性方法的缺点是不能适应复杂电力系统可能存在的各种不确定性因素。概率评估方法（解析法、蒙特卡罗法）考虑事故发生的可能性大小，但没有考虑事故的后果。风险评估将事故发生的风险定义为概率与后果的乘积。风险评估方法的优势在于将事故发生的概率及其产生的后果（如经济损失等）相结合，将风险与效益联系起来，定量地反映了系统的经济安全指标。

目前风险评估主要有三个发展方向，计及电力市场环境经济因素的风险评估、基于复杂网络的风险评估和电力系统在线风险评估。

计及电力市场环境经济因素的风险评估是将市场化运营成本等作为经济性指标考虑在事故后果中，将风险分析与经济性分析相结合，寻求供电安全可靠性和经济性的平衡的理论体系。

而将电力市场环境下电力系统的安全风险分为暂态失稳风险和暂态稳定风险的理论，是一种电力市场环境下的电力系统安全风险评估法。此理论认为电力市场参与者的报价满足正态分布，应用蒙特卡洛模拟法提出了电力市场风险的评估模型。

从发电、用电、电力市场运营等方面分析电力市场的风险，并从电力系统的规划和电力系统的运行这两方面来分析电力系统的风险，也是一种新的理论体系。

复杂网络理论为电力系统风险分析提供了一些新的思路，目前主要从理论上对基于复杂网络分析的大停电机理进行研究，距离工程应用尚有一定差距。

有学者提出一种介于规则网络和随机网络之间的“小世界网络”模型，小世界网络中故障传播速度快且影响范围大，更易发生连锁故障。

也有学者提出了衡量连锁反应事故的确定性指标及概率性指标,讨论了评估连锁反应事故的要求和评估理论。此理论探讨了电力系统连锁故障的发生机理，指出在进行连锁故障的预防分析时，对网络脆弱性的分析与评估是关键。

电力系统风险在线评估主要关注当前电网运行方式下的安全风险，因此重点在于制定电网实时安全运行控制措施。在保证一定准确性的前提下，快速性是该评估方法要解决的主要问题。

按照系统、地区和负荷三个层次建立风险指标体系，考虑到电力系统参数不断变化的特点，不断刷新严重故障模式集合，通过网页发布电网风险告警信息。将地区电网的历史、实时数据信息集中，用预设的电力系统可靠性模型进行分析，从而得到地区电网在线可靠性评估和风险分析信息

安全风险评估与脆弱性分析指标体系

根据大停电事故树，将顶级事件“大面积停电”作为电力系统安全风险评估与脆弱性分析体系的零级指标；结构、技术和设备三个一级事件作为一级指标；对应大停电事故树的二、三级事件作为二三级指标；基本事件作为四级指标，就得到了电力系统安全风险评估与脆弱性分析的四级指标体系。电力系统安全风险评估与脆弱性分析指标模型如图：

1）直接由负荷消减量及负荷重要性反映风险的指标；

2）反映电力系统状态，间接由负荷消减反映风险的指标；

3）反映风险变化趋势的设备风险增长率指标；

4）定性指标。

三．研究方法

目前，电力系统安全性评估方法分为确定性方法和不确定性方法两大类。确定性的电力系统安全评估方法以预想事故分析为依据，这类方法往往代表在系统最严重情况下，求得针对某一个具体预想事故的系统安全稳定裕度。由于确定性方法物理意义明确，要求的数据少，安全裕度大，可靠性高,理论研究比较成熟，目前被广泛采用。

但是，确定性方法忽略了电力系统运行的复杂性和随机性，对全系统的总体安全水平

缺乏定量的度量，不能对安全区域内的风险进行量化，使系统的安全裕度过大，无法满足电力市场下电力系统运行经济性的要求；不确定性方法考虑到各个事故的随机性及其发生的概率，通过对所有事故的综合分析可以实现对全系统安全性的评估，其评估方法主要分为概率性分析方法和基于风险的安全性评估方法。概率性分析方法作为确定性方法和基于风险的安全评估方法的过渡阶段性研究成果，通常利用一个系统的期望安全概率来评估全系统的安全水平。由于概率性分析方法只考虑了系统故障的随机性和不确定性，没有考虑系统故障所造成的后果影响程度，无法将系统的安全性和经济性指标结合起来考虑系统的安全状况，因此也难以适应电力市场发展的需求。基于风险安全评估方法将风险理论用于电力系统的安全评估并取得了很好的效果，它综合考虑了事故发生的可能性和严重性，将系统的安全性和经济性结合起来考量系统运行的风险并得出系统运行的风险指标。

系统状态选择有两种方法，状态枚举法和蒙特卡罗法。状态枚举法以条件概率理论为基础，如果能枚举状态空间中的全部状态，就可以得到准确的结果。解析法通常用以建立给定故障下系统失稳概率与某个系统参数之间的量化关系。当系统规模较大时，状态枚举法的运算量巨大，当需要考虑故障前运行状态的不确定性时，状态枚举法可能会失效。评估流程如图示四所示；蒙特卡罗法以统计实验数据为理论基础，对随机选定的故障前状态，需要考虑所有可能的故障事件及其影响时，蒙特卡罗法更适用，也更可行。但是要取得状态样本特征，达到一定的计算精度，蒙特卡罗法同样需要大量的运算。

考虑到电力系统事故发生的随机性和不确定性，风险评估体系中定义了不同的严重度函数。从本质上来讲，预想事故中绝大部分事故都可归结为低电压、过负荷、系统电压失稳三个类别，因此分别对应低电压风险、过负荷风险和系统电压失稳指标,如

图所示：

基于风险安全性评估方法分类：

CIGRE首次提出风险评估的概念，从扰动事件发生的可能性和严重性两个方面来评估事件对系统的潜在影响程度。随后，国内外很多学者都对风险评估的理论进行了深入的研究和探讨，对风险评估的内涵进行了比较全面的论述。现阶段对安全性风险评估的研究按照系统状态分析的性质分类，大致可以区分为静态安全性风险评估分析和动态安全性风险评估分析两个方面。静态安全性风险评估表征系统是否能够充分满足用户的负荷需求和系统运行的约束条件，因此静态安全性风险评估分析只涉及到系统的稳态条件，进行系统的充裕性分析而不要求动态和暂态分析过程；动态安全评估分析则表明系统对动态和暂态扰动的响应能力，因此要对系统中出现的扰动及其后果进行评价。通常动态安全评估要进行暂态，电压稳定性分析。随着系统的发展，电压崩溃和连锁故障事故逐渐突出，对这两个问题的分析已经成为静态安全分析重要组成部分。目前，工程应用中使用的大多数风险评估技术都属于静态安全性分析范畴，风险指标也大多是充裕性大小的指标，而不是总体的风险指标。区分二者的根本性差异十分重要。

四．参考文献

彭显刚、彭力，电力系统运行安全性风险评估研究综述，广东工业大学；

张哲、孙飞，电力系统安全风险评估与脆弱性分析，华中科技大学，2011.05.27；

潘轩、张建华，基于风险理论的电力系统安全评估方法应用，华北电力大学；2008；

南方电网安全风险量化评估管理办法，中国南方电网电力调度通信中心，2009.11；

尹项根、游大海、陈庆前，电力系统安全风险评估与应用体系研究，华中科技大学，2011.11.