大电网适应性的评价问题及评价体系

刘连光，陈为化，刘自发，陈艳伟

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市102206)



大电网适应性的评价问题及评价体系

刘连光，陈为化，刘自发，陈艳伟

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市102206)

随着电网规模增大和外界影响因素增多，现有的评价理论能否对电网的发展方向、发展模式提供有效的科技支撑是值得思考和研究的问题。该文除了拓展安全性评价体系和完善经济性评价体系外，还提出了评价大电网适应性的评价体系。总结了现有电网评价体系的特点与适用范围，结合大电网的构建特点与发展趋势，提出了大电网适应性评价理论与评价体系框架，分析了适应性评价可解决的问题，论述了建立适应性评价体系的重要意义，研究了适应性评价体系的关键理论和实现技术等问题。

电力系统；评价体系；安全性；经济性；适应性

0 引 言

电网发展适应社会经济发展的需要是电网建设的原则，合理的电网规划是电网健康发展的保障，健全的评估体系是规划、建设合理电网的基础。长期以来，由于电源容量、电网和负荷规模不断增大以及影响电网建设的内、外部因素日益增多，电网评价理论的研究一直受到人们的广泛关注[1-3]，目前已建立了比较完善的安全性、经济性评价体系。由于安全性评估对电源、电网安全起着至关重要的作用[4-5]，经济性评估关系到电网建设的投资以及运行的经济性，因此，安全性和经济性评价已经成为制定电网发展与建设规划的重要内容。

对于地区电网建设规划对社会、经济发展的适应性，通常是以未来电力负荷的预测为依据。随着风电、太阳能等可再生能源的开发与利用，电网安全性、供电可靠性要求的提高，以及电力市场的兴起与发展，电网规划与建设合理性等内外部影响因素、约束条件增多，仍然按照地区电网的预测负荷和传统评估电网安全性和经济性的规划方法，已难以满足制定合理电网发展规划的需要。近年，在电网规划的安全性、经济性评估方面，评估电网的安全风险[6-7]，挖掘电网的潜在经济效益[8-9]等研究，都得到了长足的发展，安全性、经济性评价体系得以完善。

由于跨区电网的规模大、覆盖范围广，面对的外界影响因素更多，一旦确定了方向或既成了事实便很难变更，可能对未来的电网建设及发展产生重大影响。因此，对关系未来国家经济、社会安全的大电网建设，仍然按照传统的安全性、经济性指标进行评价，或者，只从电网内部、自身的角度评价是否合适，能否正确反映外界环境与电网的相互作用及相互影响，以及现有的理论能否为评价电压等级、输电模式、建设规模提供有效支撑等，都是值得认真思考和深入研究的问题。通过研究，建立大电网适应性的评价理论体系是大电网发展的需要。

本文将总结现有电网评价体系的特点与适用范围，结合大电网的构建特点与发展趋势，提出大电网适应性评价理论与评价体系框架，分析适应性评价可解决的问题，论述建立适应性评价体系的重要意义，研究适应性评价体系的关键理论和实现技术等问题。

1 现有电网评价体系分析

1.1 安全性评价体系

随着经济、社会的发展，科学技术的进步以及人民生活水平的不断提高，人们对电力的需求和依赖性越来越大，对安全稳定供电的要求越来越强。然而，由于受到电力系统自身原因和外部干扰的影响，电网事故时有发生，这不但使电力经营企业的经济效益受到损失，而且对电力用户和整个社会都将造成严重的影响。自20世纪60年代以来，一些主要发达国家都发生过严重的电力系统事故，出现大面积停电。

因此，安全性是电力系统最重要的属性之一，在电力系统建设之初就受到了重点关注，经过多年的发展，已经形成了一套完整的评价体系。我国编制的《电力系统安全稳定控制技术导则》与《电力系统安全稳定导则》建立了有效的安全性评价体系，将电力系统的安全等级分成3级，从而指导了电力系统3道防线的建设，保证了我国电力系统多年的安全运行。

进入大电网时代，安全性评价体系得到了长足的发展，主要内容包括：电力系统潮流及静态分析、暂态稳定性、动态稳定性、抵御严重故障能力及稳定控制措施、特高压交直流输电系统相互影响及送受端系统安全、无功平衡及调压、短路电流水平、提高系统稳定性及特高压电网输电能力的先进技术措施等[10]。

1.2 经济性评价体系

由于电力系统中的导体与设备存在电阻，在现有电网技术和电力传输模式下，在电力的生产、传输、使用的过程中不可避免地会产生损失，规模越大，损失的总量也越大。对于未来的电网，由于构成复杂、规模大，如何有效利用已有的输电线路和电网结构，减少输电过程中产生的损耗，提高电网设备的利用率和效率，是评价和提高大电网经济性的目标之一。对于电网企业，建设节约型社会的核心是通过电网实施电能的大规模传输，对能源资源进行优化配置，不断提高大电网优化配置资源的能力，不断加强自身节能降耗工作，推动电力工业持续健康发展，为经济社会发展提供可靠的保障。

在电力市场环境下，电网的经济性更是受到了前所未有的关注。电网的经济性表现在2个方面：一是运行的效率，二是投资的回收。目前，网损、电价、输电线路最大负载率、输电线路平均负载率、变压器最大负载率、变压器平均负载率等是电网经济性评估的主要内容。

1.3 风险性评价体系

所谓风险是指在未来的一个研究时间段内由于事物发展变化的不确定性给风险承担主体可能带来的潜在损失。风险包括2个方面的因素，一是事件发生的概率，二是事件发生后产生的影响。风险指标的计算公式如下所示[11]：

Risk=P×S

(1)

式中：Risk是风险指标；P是事件发生的可能性；S是事件如果发生后给风险主体带来的损失。

风险的评价过程一般包括范围界定、风险因素识别、风险指标计算3个主要过程。在界定的研究范围内，通过对每个事件的风险识别，找到风险背后的风险因子，给出每个风险因子的影响程度，建立风险指标计算的基础。

风险理论首先开始应用于核安全等领域，后来在众多领域得到了广泛应用。文献[12]将风险理论引入电力系统评价体系领域，并最终形成风险评价体系。我国电力工作者对风险性评价体系也进行了充分的研究，并逐步应用在电力系统生产实践中[13]。

1.4 主要评价体系的比较

安全性评价体系、经济性评价体系以及风险性评价体系是电力系统的三大主要评价体系，目前在电力系统中有较为广泛的应用。上述三大评价体系的主要特点如表1所示。

2 适应性评价体系的提出

由表1可知，目前的评价体系主要针对电力系统的内部影响因素，缺少对影响电力系统发展的外部因素的评价，还没有建立外部影响因素的评价体系，以致造成对电网的发展方向、发展模式缺少足够的理论支撑。因此，评价体系方面急需解决两大问题：一是如何评价电网与外界环境因素的相互作用、相互影响；二是如何评价电网发展方向与发展模式的选择。适应性评价体系的提出为解决上述问题提供了一种途径[14]。所谓适应性就是主体通过与外界环境之间相互影响、相互作用从而达到稳定优化发展的能力与性质。

表1 电力系统主要评价体系特点

Table 1 Characteristics of main evaluation system of power grid

电网建设的目的是满足国民经济和社会发展的需要。对于大电网发展，从电网的角度分析，除了受电力系统安全性和建设、运行经济性等内部因素的影响外，还会受到能源资源、技术进步、社会安全等外部影响因素的制约，如图1所示。

图1 电网发展影响因素Fig.1 Impact factors on grid development

影响电网发展模式的外部因素较复杂，有负荷需求、电源、国民经济、社会发展、能源资源、技术进步等诸多方面。这些影响因素通过影响全社会用电量、最大负荷或者电源的装机容量以及电网结构的建设，最终影响电网的发展模式。电网内部因素直接影响电网的发展模式。在电网发展规划过程中，电网安全一般考虑系统稳定性、“N-1”准则及短路电流等方面。在一定程度上，电网结构合理、规模适当是保证电网安全发展的必要条件，目前对电网发展模式影响较大的因素是电网连锁故障和短路电流水平等。

根据适应性评价体系要解决的问题，适应性评价体系的建立需要满足以下原则。

(1)与评价目的一致。通过对电网一系列特性进行分析、研究，来评价电网的发展模式是否合理，对于电网而言，安全性、经济性等是其重要方面，因此电网适应性评价从安全、经济等方面出发构建综合评价指标体系。

(2)评价数据易于获取。在做电网发展适应性评价时，应考虑到评价指标的可行性，选取的指标应易于量化，且指标量化数据易于获取。

(3)各个指标相互独立。电网适应性的评价指标之间应该相互独立，互相之间没有重叠，每个指标对电网发展适应性的评价互不干扰，由此得出的评价结果才更加科学客观。

3 适应性评价体系的意义

构建电网适应性评价体系的意义在于：认识影响电网发展建设的新问题以及与外界环境因素的相互作用、相互影响，考虑被评价对象的主体性、交互性、时效性，建设合理的电网。

进入大电网时代，发电、输电已经分开，大用户直供使用户也有更多的选择。在市场环境下，发电方、电网企业、电力用户是具有各自利益的独立个体，根据需要具有独立的决策权。传统的评价体系多数建立在垂直一体化的电力运行基础上，得出的结果是全局性的，但是具体到独立主体则可能不合适或者是难以实现。适应性评价体系充分考虑到各个主体的独立性，根据各个主体的自身策略发展来进行评价，能够得到可行的、反映实际情况的评价结果。

电力是国民经济的基础，传统评价体系的出发点认为电网建设与发展要无条件地满足用电负荷的需求，忽略了电网与用电负荷等外界环境的交互性。一方面，用电负荷的发展具有不确定性，且受环境保护、市场价格等因素的影响，不加选择和不根据规划建设电网可能造成设备的闲置，或影响经济的发展。另一方面，电网作为电能的载体，应通过电网规划、电价等措施将国家的能源、环境政策等信号传递给负荷侧，从而优化负荷结构，最终实现产业结构的优化。

电网下一阶段的发展方向与发展模式是目前研究与争论的热点之一，用安全性、经济性、风险性评价标准都不能得出让争论各方都接受的结论。究其原因，根本在于传统的评价体系建立在对既有电网的评价基础上，不能评价电网发展的时效性。适应性评价体系充分考虑电网发展的时效性，从而能够反映电网动态发展的过程。

4 适应性评价关键技术

复杂网络理论、博弈理论、大数据理论等是构建适应性评价体系的关键技术。

4.1 复杂网络理论

复杂网络理论作为一门新兴的理论，在物理学、生物学、气象学、经济学以及社会学等领域得到了广泛应用。随着社会经济的发展与技术的进步，电力系统进入了大电网时代。传统的评价方法过分注重各原件的个体动态特性，在分析大电网的动态行为方面很难揭示系统整体的本质特征。采用复杂网络理论可自顶向下全面研究大电网的本质规律，确定电网的状态与发展方向。

复杂网络包括小世界网络、无标度网络以及其他网络。目前，文献[15]已证明了美国西部电网、中国部分区域电网是小世界网络。结合小世界网络等复杂网络的演化研究将有利于从基本规律上评价网络发展方向与发展模式，小世界网络演化模式与电网发展方向对应关系如图2所示。

图2 小世界网络演化模式与电网发展方向对应关系Fig.2 Relations between grid development and small world network evolution model

4.2 博弈理论

博弈论研究2个或2个以上的个人、队组或其他组织，面对一定的边界条件，在一定的规则下，同时或先后，一次或多次，从各自允许选择的行为或策略中选择并实施，各自进行优化决策的理论。博弈的参加者、博弈的策略、博弈的次序、博弈的收益是博弈的4个组成要素[16]。在博弈理论中应用较多的是多方博弈和纳什均衡。

多方的博弈通常表示为

G={S1,…,Sn;u1,…，un}

(2)

式中：G为博弈；n为博弈方数量；S1…Sn表示每个博弈方的全部可选策略的集合，即策略空间；ui表示博弈方i的收益，是各博弈方策略的多元函数。

在市场环境下，市场各方的决策行为最终取决于其未来行为收益的预测。电源方、电网方投资的是电力设备，其关注的重点包括设备的投资费用、运行维护费用以及设备投入后电量销售增加带来的收入。负荷方投资的是生产设备，其关注的重点包括生产设备的投资、运行维护费用、用电费用以及设备投入后产品产量增加带来的收入。虽然电源、电网以及负荷方的投资方向和关注重点有所不同，但是由于电能通过网络进行流通和消费，存在电力、电量以及电价方面的联系，各方的投资收益要受到对方决策的影响，电网方与负荷方之间是相互影响、相互依存的博弈关系。结合博弈理论利于更准确、更符合实际地预测电网与相关各方在相互影响下的行为。

4.3 大数据理论

海量数据是未来电力系统的一大特点。大电网覆盖的地区广泛，电力设备众多，需要分析的数据很多。特别是经过自动化建设以后，大电网多种设备的数据采集、多种仪表的指数读取，已经不需要由人工完成，而是由计算机来自动完成。如此，采样的时间间隔更短，采样的点更加密集，得到的数据样本数量也更多。数据爆炸式的增长一方面为大电网的评价提供了大量的、翔实的一手资料，另一方面也给大电网评价的数据分析工作带来了前所未有的难度。

大数据理论的核心思想是收集到足够多的数据，通过这些数据就能够很完整地把事物描绘出来，而不需要再从原点开始一步一步地分析得出结论。在大电网适应性评价中，需要考虑与大电网相互影响的多种因素，各主体之间的数据量巨大，并且是非线性关系，难以建立精确的解析关系，大数据理论为解决该问题提供了途径。

5 结 论

(1)随着经济的发展和电网规模的扩大，电力系统进入了大电网时代，高电压、大容量、远距离是大电网的主要特征，大电网下一步具体的发展方向与发展模式是需要确定的问题，扩展电网的安全性评价体系，完善电网的经济性评价体系，构建科学、合理的电网是社会发展的需要。

(2)大电网的发展与建设面临很多没有遇到的新情况和新问题。在评价体系上，传统的安全性、经济性体评价系已不能科学地反映电网与外界因素的相互作用和相互影响，不能回答电网发展方向与发展模式等问题，需要建立适应性评价体系。

(3)适应性评价体系为解决电网建设的新情况和新问题提供评价理论与评价方法。适应性评价体系提出考虑被评价电网的主体性、交互性及时效性等因素，基于复杂网络理论、博弈理论、大数据理论等先进的科学理论与算法，可作为支撑适应性评价体系的基础理论与关键技术。

(4)本文指出了现行传统的安全性、经济性评价体系存在的问题，提出了研究建立大电网适应性评价体系的呼吁，但提出和建立评价指标体系是需要开展大量研究才能完成的任务，是一个基础性的科学问题，虽然已开展了相关工作，但远远不够，建议大家给予关注和参与研究。

[1]刘连光，赵万里，王智冬，等. 大电网建设经济性评价内容与评价指标的研究[J]. 电力建设，2013，34(8)：22-26. Liu Lianguang，Zhao Wanli，Wang Zhidong，et al. Research on economic evaluation contents and indices for large power grid construction[J].Electric Power Construction，2013，34(8)：22-26.

[2]王彬, 何光宇, 梅生伟，等. 智能电网评估指标体系的构建方法[J].电力系统自动化，2011，35(23)：1-5. Wang Bin，He Guangyu，Mei Shengwei，et al.Construction method of smart grid’s assessment index system[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35(23)：1-5.

[3]孙强，葛旭波，刘林，等.国内外智能电网评价体系对比分析[J].电力系统及其自动化学报，2011，23(6)：105-110. Sun Qiang, Ge Xubo, Liu Lin，et al. Review of smart grid comprehensive assessment systems[J]. Proceedings of the CSU-EPSA，2011，23(6)：105-110.

[4]杨海涛，吴国旸，陈西颖，等. 用于间歇性电源高渗透电网规划的安全性评估方法[J].电力系统自动化，2012，36(24)：14-19. Yang Haitao, Wu Guoyang, Chen Xiying，et al.A security assessment method for power grid planning under high penetration of variable generation[J].Automation of Electric Power Systems，2012，36(24)：14-19.

[5]吴国旸,宋新立，汤涌，等. 电力系统动态仿真中的安全稳定控制系统建模[J].电力系统自动化，2012，36(3)：71-75. Wu Guoyang, Song Xinli, Tang Yong, et al. Modeling of security and stability control system for power system dynamic simulation[J].Automation of Electric Power Systems，2012，36(3)：71-75.

[6]周玮，孙辉，顾宏，等. 计及风险备用约束的含风电场电力系统动态经济调度[J].中国电机工程学报，2012，32(1)：47-56. Zhou Wei, Sun Hui, Gu Hong, et al.Dynamic economic dispatch of wind integrated power systems based on risk reseve constrains[J].Proceeding of the CSEE，2012，32(1)：47-56.

[7]刘铠滢，蔡述涛，张尧，等. 基于风险评判的电网规划方法[J].中国电机工程学报，2007，27(22)：69-73. Liu Kaiying, Cai Shutao, Zhang Yao. The Power network planning method based on risk[J].Proceeding of the CSEE，2007，27(22)：69-73.

[8]李卫星，李志民，郭志忠，等.考虑经济性收益最大的可用输电能力计算[J].电力系统自动化，2004，28(20)：7-11. Li Weixing, Li Zhimin, Guo Zhizhong, et al.Available transfer capability calculation based on maximizing system benefit[J].Automation of Electric Power Systems，2004，28(20)：7-11.

[9]牛辉，程浩忠，张焰，等.电网扩展规划的可靠性和经济性研究综述[J].电力系统自动化，2000，24(1)：51-56. Niu Hui, Cheng Haozhong, Zhang Yan，et al.Review of relaibility and economy problems in transmission expansion planning[J].Automation of Electric Power Systems，2000，24(1)：51-56.

[10]舒印彪，张文亮，周孝信，等. 特高压同步电网安全性评估[J].中国电机工程学报，2007，27(34)：1-6. Shu Yinbiao, Zhang Wenliang, Zhou Xiaoxin, et al.Security evaluation of uhv synchronized power grid[J].Proceeding of the CSEE，2007，27(34)：1-6.

[11]McCalley J D，Agrawal B L，Vittal V et al.A risk-based security index for determining operating limits in stability-limited electric power system[J]. IEEE Transaction on Power System，1997， 12(3)：1210-1219.

[12]Wan H，McCalley J D，Vittal V et al.Risk based voltage security assessment[J]. IEEE Transaction on Power System， 2000，15(4)：1247-1254.

[13]赵阳，李华强，王伊渺，等. 基于复杂网络理论和条件概率的灾难性事故风险评估方法[J].电网技术，2013，37(11)：3190-3195. Zhao Yang, Li Huaqiang, Wang Yimiao, et al.A complex network theory and conditional probability based risk assessment method for disastrous accidents[J].Power Systme Technology，2013，37(11)：3190-3195.

[14]王智冬.大电网发展规划适应性的评价指标与方法研究[D]. 北京：华北电力大学，2014. Wang Zhidong. Research on adaptability evaluation indices and methods of large power grid planning[D]. Beijing：North China Electric Power University，2013.

[15]孟仲伟，鲁宗相，宋靖雁.中美电网的小世界拓扑模型比较分析[J].电力系统自动化，2004，28(15)：21-24. Meng Zhongwei，Lu Zongxiang，Song Jingyan.Comparison analysis of the small-world topological model of chinese and american power grids[J].Automation of Electric Power Systems，2004，28(15)：21-24.

[16]刘建良, 周杰娜, 杨华. 基于双人博弈且参数估计下的发电商报价策略研究[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(19): 62-67. Liu Jianliang, Zhou Jiena, Yang Hua. Research on generating entities’ bidding strategies based on double-person gaming and parameters estimation[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(19): 62-67.

[17]王成山, 吉兴全. 输电网投资规划的Nash均衡分析(二):混合策略Nash均衡的分析[J]. 电力系统自动化, 2002, 26(20): 1-6. Wang Chengshan, Ji Xingquan. Nash equilibrium in the game of transmission expansion(part two)：mixed strategy nash equilibrium[J]. Automation of Electric Power Systems, 2002, 26(20): 1-6.

(编辑： 张小飞)

Large Power Grid Adaptability Evaluation Problem and Evaluation System

LIU Lianguang, CHEN Weihua, LIU Zifa ,CHEN Yanwei

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the increases of power grid size and external influence factors, it is worth thinking and research on whether the existing evaluation theory can be used to provide effective technical support for power grid development direction and development mode. In addition to improve safety evaluation system and economy evaluation system, the evaluation system was proposed and established for the adaptability of large power grid. The characteristics of existing power grid evaluation system and its application scopes were summarized. Combined with the characteristics and development trend of large power grid, the adaptability evaluation theory and its system framework were proposed. Problems solved by adaptability evaluation system of large power grid were analysis, and the important significance of adaptability evaluation system of large power grid was discussed. Finally, the key theories, implementation technology and other issues of the adaptability evaluation system were studied.

power system; evaluation system; security; economy; adaptability

国家自然科学基金项目(51577058)；国家电网公司大电网重大专项课题(SGCC-MPLG019-2012)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0138-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.021

2015-06-15

2015-08-10

刘连光(1954)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统分析与规划，电网安全防御与灾变控制；

陈为化(1978)，男，博士，主要研究方向为电力系统分析与规划；

刘自发(1973)，男，博士，副教授，主要研究方向为电力系统分析与规划；

陈艳伟(1988)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与规划。

Project supported by National Science Foundation of China (51577058).