基于情景分析的配电网运行风险预警方法

刘洪，朱振环，马康

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2．国网冀北电力有限公司唐山供电公司，唐山063000；3.中国电力科学研究院，北京100192）

基于情景分析的配电网运行风险预警方法

刘洪1，朱振环2，马康3

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2．国网冀北电力有限公司唐山供电公司，唐山063000；3.中国电力科学研究院，北京100192）

针对已有电网运行风险评估研究不能直接应用于配电网运行风险预警的现状，结合情景分析和电网风险评估的理论，建立了一套多因素影响下的配电网运行风险预警方法。首先，应用情景分析理论，对影响配电网运行风险的因素进行风险情景界定，建立完整的未来情景集；接下来应用电网风险评估理论，建立了一套全面的风险指标进行配电网运行情景风险表达；最后算例证明本方法能够展现配电网运行中可能面临的多种情景下的风险变动情况，从而对运行风险进行科学预警。

配电网；风险预警；情景分析；情景集

配电网的安全运行是整个电网安全运行重要的一环，是目前提高供电系统运行水平的关键环节。统计资料显示[1]大约有80%的停电事故是由配电系统故障造成的。因此，对配电网运行中的潜在风险进行准确预警，找出薄弱环节加以改进，从而提高供电安全性，已成为目前亟待解决的问题。

配电网运行中会受到其自身状况和气象条件等因素的影响[2-5]。配电网运行风险预警就是运用科学的风险分析和评估方法，对复杂因素影响下电网的潜在损失（即负荷停电损失）进行准确评估。

目前，针对电力元件、网络和系统整体的运行风险分析已经广泛应用于电力系统可靠性、安全运行分析[6-9]和电网规划[10-11]等领域，但是若直接应用于配电网运行风险预警还存在一定的困难：一是风险指标主要面向评估配电网运行现状，对未来风险预警考虑不足；二是对电网不正常运行方式的考虑不足，指标体系不够全面；三是风险指标无法用于电网不同工况下风险事件的危害比较。

为解决上述问题，本文引进情景分析理论，分析了影响配电网运行风险的情景因素，界定了配电网运行情景和未来情景集，即时间情景、空间情景、自然情景和配电网运行情景及其组合情况；再运用一系列风险指标进行配电网运行情景风险表达，这些指标包括不可用度情景风险、失电量情景风险、失负荷情景风险、过负荷情景风险和电压越限情景风险。算例分析表明，该种方法能够科学预警配电网运行中的潜在风险。

1 基于情景分析的配电网运行风险预警

1.1 情景和情景分析的概念

“情景”来自戏剧、电影或剧目的脚本，是对未来电影戏剧中的某个情节进行详细演示。20世纪40年代Herman Kahn借用此词，并应用于美国空军的战略规划，对一系列可能的未来组织战略进行比较测试，情景分析由此发端。

“情景分析”（scenario analysis）假定某种现象或者趋势将持续到未来的前提下，对预测对象可能出现的情况或引起的后果加以描述，获得一系列情景下未来状态的预测集并形成一个总体综合评价。情景分析是一种对未来可能事件进行完备分析的技术，沟通过去、现在和将来。未来发展是多样化的，有多种发展趋势，其结果也将是多维的。

1.2 风险和风险评估的概念

风险是指潜在损失的变化范围与变动幅度，对于电网来说是故障概率和影响的综合。电力学者Vittal等[12]给出了电力系统风险评估的基本定义，即综合度量电力系统面临的不确定性因素的可能性与严重性，其数学表达式为

式中：Xf为系统运行方式；Ei为第i个故障；Pr（Ei）为故障Ei发生的概率；Sev（Ei，Xf）为在Xf的运行方式下发生第i个故障后系统的损失严重程度；Risk（Xf）为系统在Xf运行方式下的运行风险指标。

1.3 基于情景分析的配电网运行风险预警框架

Vittal等[12]把风险问题看成一维事物，用一个类似“风险度”的值来描述风险。但事实上，风险涉及一个复杂的系统，风险事件的发生是其背后的复杂系统内部相互作用所产生的结果，上述的“风险度”只能粗略地描述风险高低。

黄崇福等[13-14]提出“风险是与某种不利事件有关的一种未来情景”，这是对风险的新的诠释。事实上各种不利事件的产生、发展以及造成的影响都是和特定的情景分不开的。与不利事件有关的未来情景是多元化的，体现在不利事件未来的发生条件、发展过程以及造成的后果都会有所不同，每一种可能出现的未来事件过程称为一幕情景。

基于情景分析的配电网运行风险预警就是要对不利事件的未来可能出现的一幕幕情景进行过程分析和结果评估，给出该不利事件的未来态势。每一个情景都是一个特定的条件，而在每一个特定的条件下，经过系统内部各因素的相互作用会得到相应的结果。把所有这些可能的与不利事件有关的情景综合起来，就是这个配电系统的未来情景，也就是配电网的运行风险，如图1所示。

图1 基于情景分析的配电网运行风险预警示意Fig.1Sketch map of distribution network operation risk forewarning based on scenario analysis

图2 基于情景分析的配电网运行风险预警框架Fig.2Framework of distribution network operation risk forewarning based on scenario analysis

基于情景分析的配电网运行风险预警方法如图2所示。该方法分为两大部分：风险情景界定和情景风险表达。风险情景界定是确定研究配电网未来可能出现的情景集，是一个预演未来情景的过程；情景风险表达是提取可以用来描述风险的指标，对未来情景中这些指标的情况进行综合评估后得结果，并用该结果作为风险分析的结果。

2 配电网风险情景界定

配电网运行风险情景界定是情景风险表达的基本条件。配电网运行中面临的情景包括时间情景、空间情景、自然情景和配电网运行情景，每种情景对于配电网运行风险有不同的作用方式。综合这4类情景可构建完整的未来情景集。

由于地理、历史和经济社会发展水平的差异，各个地区的配电网发展状况各不相同，各类情景因数需要依据该地区配电网的历史运行数据统计分析确定。本文中的情景因数值取自某地区配电网的运行经验数据，以进行理论分析和说明。

2.1 时间情景

时间情景分为一般工作日、节假日、特殊保供电时期3种情况。配电网运行中不利事件发生在节假日或者特殊保供电时期，所造成的损失要明显大于一般工作日的情况。本文中以时间情景因数kt来表征特殊时期对配电网运行风险的放大作用，如表1所示。

表1 时间情景因数ktTab.1Time scenario factor kt

2.2 空间情景

空间情景分为市中心区、市区、城镇和农村4种情况，其情景因数如表2所示。

表2 空间情景因数klTab.2Location scenario factor kl

2.3 自然情景

自然情景分为晴好天气、雷雨大风、高温、大雾和结冰5种情况，其情景因数见表3。可见，恶劣气象条件下，配电网故障发生的可能性大幅提升。

表3 自然情景因数keTab.3Nature scenario factor ke

2.4 配电网运行情景

配电网运行情景分为正常运行、计划检修、带电检修、用户侧故障和关联线路检修5种情况，其情景因数如表4所示。

表4 电网运行情景因数koTab.4Operating scenario factor ko

当关联线路检修时若该线路发生故障，负荷将无法转带，从而影响该线路的停电时间。

2.5 确定未来情景集

配电网运行的未来情景集是上述4种情景因素的组合，一个完整的未来情景集可以表示为

式中：X为未来情景集；T、L、E、O分别为时间情景、空间情景、自然情景和配电网运行情景。

未来情景集不仅包括可能出现的一系列状态，还包括系统中各要素的初始条件以及事件由初始状态向最终状态发展的过程描述，而可能出现的状态是初始状态在经历发展过程之后的最终结果。首先，设定初始状态X0。主要指配电网当前运行的情况，视为已知，不存在任何随机因素；其次，发展过程描述。配电网运行风险发展的过程不但与初始状态关系密切，而且也受到各种不确定因素指配电网情景集的转换的影响。

在不同的未来情景集中，设每种不利事件发生的概率是P（Xi），造成的后果是S（Xi）。

3 配电网情景风险表达

情景风险表达是通过合理的途径确定未来情景集中每种情况所对应的某些参数，并综合考虑之，得到风险分析的结果[15]。风险分析的结果是从多角度反应配电网潜在损失的可能和程度。

配电网运行中的不利事件包括各种停电事件和各种异常运行状态，如过负荷和电压越限。评估停电事件的指标是不可用度情景风险、失电量情景风险和失负荷情景风险，这3个指标中的损失函数分别代表时户数百分比、MW·h和MW/a。在评估异常运行状态的指标是过负荷情景风险和电压越线情景风险，这2个指标中的损失函数表示与正常状态的畸变严重程度。

3.1 不可用度情景风险

不可用度情景风险反映不同情景中配电网的加权不可用度，表达式为

式中：ni为各个负荷点的用户数；λi为各个负荷点的故障率；ri为各个负荷点的故障平均时间；m为负荷点数；ke、ko、kl和kt分别为自然情景因数、配电及运行情景因数、空间情景因数和时间情景因数。

3.2 失电量情景风险

失电量情景风险反映不同情景中配电网的加权失电量，其表达式为

式中，Li为各个负荷点的实时负荷。

3.3 失负荷情景风险

失负荷情景风险反映不同情景中配电网的加权失负荷的功率，其表达式为

3.4 过负荷情景风险

过负荷情景风险反映不同情景中配电网元件的过负荷风险，其表达式为

发生概率P4（Xi）的主要影响因素是自然情景和配电网运行情景。损失S4与过负荷阈值V的关系是：当0≤负载率≤V时，S4=0；当负载率〉V时，S4=（负载率/V）2。

3.5 电压越限情景风险

电压越限情景风险反映不同情景中配电网节点的电压越限风险，其表达式为

发生概率P5（Xi）的主要影响因素是自然情景和配电网运行情景。损失S5与额定电压UN的关系是：当0.93UN≤偏差最大电压U≤1.07UN时，S5= 0；当偏差最大电压U〈0.93UN时，S5=（U/UN）2或偏差最大电压U〉1.07UN时，S5=（U/UN）2。

图3 算例网络结构Fig.3Network structure of example

4 算例分析

4.1 算例网络结构及参数

建立了10 kV手拉手配电线路模型，如图3所示，其中W1和W2为电源；QS1～QS5为隔离开关，QS5是联络开关，常开；由W1到QS5为Line1，由W2到QS5为Line2；FU1～FU6为熔断器；A～F为集中负荷点；各个元件的可靠性参数如表5所示。

当配电网运行情景为“正常运行”时，算例中Line1、Line2按照环网方式开环运行；当配电网运行情景为“关联线路检修”即Line1或Line2任一线路检修时，另一线路按照辐射接线运行。线路不同的运行方式对应不同的每次故障平均时间r。算例中不考虑2条线同时检修或同时故障的情况。

算例参数：10 kV绝缘导线型号为JKLYJ-240，载流量505 A，容量9.093 MVA，线路额定容量取为9 MVA，V取为7.2 MVA。t0时刻负荷点A、B、C功率分别为2.2、1.7和1.1 MW，功率因数为0.95、0.90和0.92；负荷点D、E、F功率分别为2.2、1.7和1.1 MW，功率因数0.95、0.90和0.92。负荷点B、C由Line2转带时，网络最低电压9.20 kV，最大负荷8.94 MVA；负荷点C由Line2转带时，网络最低电压9.72 kV，最大负荷6.97 MVA。开环运行时，网络最低电压9.93 kV，最大负荷5.51 MVA。

表5 元件可靠性参数Tab.5Reliability Parameter of elements

4.2 故障模式及结果分析

当配电网运行情景为“正常运行”时，若干线2 km段故障，负荷B、C可由联络线路供电，停电时间是拉开QS1和合上QS5的时间，为1 h。

干线3 km段故障时，负荷点A可以通过拉开QS1恢复供电，时间为1 h。负荷点B必须等该线路修复后才能供电，时间是4 h。负荷点C由联络线供电，拉开QS2合上QS5，为1 h。

干线1 km段故障时，负荷点A、B只须拉开QS2，由主电源恢复供电，时间为1 h，而负荷点C需待该段线路修复，时间是4 h。

负荷点A的故障率为

负荷点A每次故障平均时间为

负荷点A年平均停电时间为

同理可以计算其他集中负荷点的故障停电数据，结果如表6所示。

当配电网运行情景为“关联线路检修”时，类似地可以计算获得各个负荷点的故障停电数据，如表7所示。

表6 环网接线故障及后果分析Tab.6Fault and consequence analysis of loop network connection mode

表7 辐射状接线故障及后果分析表Tab.7Fault and consequence analysis of redial network connection mode

4.3 各种未来情景集下的风险预警

利用上述数据对线路Line1进行风险指标计算，算例中仅取6种典型情景集。

（1）未来情景集：X1=f（一般工作日，城镇，晴好天气，正常运行），则不可用度情景风险R1为

失电量情景风险R2为

失负荷情景风险R3为

过负荷情景风险R4为

电压越限情景风险R5为

（2）未来情景集：X2=f（一般工作日，城镇，晴好天气，关联线路检修），则

同理，建立未来情景集X3～X6：X3=f（节假日，城镇，晴好天气，正常运行）；X4=f（一般工作日，城镇，雷雨大风，正常运行）；X5=f（一般工作日，城镇，晴好天气，带电检修）；X6=f（特殊保电时期，市区，大雾，计划检修）。

针对以上情景集分别进行风险指标计算，结果如表8所示。

表8 不同情景集下的风险指标值Tab.8Index values of different scenario sets

由表8可见，通过建立多种未来情景集，并对各个情景集进行风险指标计算，能够展现配电网运行中可能面临的多种情景下的风险变动情况，从而对运行风险进行科学预警。

5 结语

本文结合情景分析和电网风险评估的理论，建立了基于情景分析的配电网运行风险预警方法，首先对影响配电网运行风险的因素进行风险情景界定，然后建立合理的风险指标进行情景风险表达。该方法能够对多种复杂因素影响下的配电网运行风险进行科学预警，对于配电网的建设和运行能够起到有益的指导作用。随着智能电网研究和建设的推进，分布式能源和微网运行将在配电网中日益普遍。在本方法的基础上增加对以上因素的考量，以期对智能电网迅速推进大背景下的配电网运行风险进行科学预警。

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Distribution Network Operation Risk Forewarning Based on Scenario Analysis

LIU Hong1，ZHU Zhenhuan2，MA Kang3
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tangshan Electric Power Company，State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Tangshan 063000，China；3.China Electric Power Research Institute（CEPRI），Beijing 100192，China）

Presently，research of power system operation risk evaluation cannot be directly applied in distribution network operation risk forewarning.In order to address this situation，a scientific operation risk forewarning method of multi-factor influenced distribution network operation risk is proposed by scenario analysis and power system risk evaluation theory.Firstly，risk scenario definition is performed on factors that affect distribution network operation risk according to scenario analysis theory，and then scenario risk is illustrated with a set of risk indexes established according to power system risk evaluation theory.Example indicates that this method can illustrate the risk fluctuations of different scenarios in distribution network operation，therefore，it provides a scientific risk forewarning for distribution network operation.

distribution network；risk forewarning；scenario analysis；scenario set

TM715

A

1003-8930（2015）05-0039-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.05.08

刘洪（1979—），男，博士，副教授，研究方向为城市电网规划与评估。Email：liuhong@tju.edu.cn

2014-04-29；

2014-07-14

国家电网公司科技项目-提高配电网故障处理能力的关键技术研究与开发（2012-094）

朱振环（1984—），男，通信作者，硕士，研究方向为配电网规划和配电网风险评估。Email：jianjinhanzhi@126.com

马康（1984—），男，博士，工程师。研究方向为配电网规划、运行仿真计算。Email：makang@epri.sgcc.com.cn