基于模糊理论的智能电网运行风险评估系统研究

张 勇

（国家电网公司华北分部调控分中心，北京 100053）

近年来，随着电力系统规模的不断扩大，电网安全稳定运行，受到政府、产业界、学术界和社会的广泛关注。由于电网运行具有复杂性和多面性，目前尚不能完全避免大面积停电事故的发生，因此对电力系统进行运行风险评估，辨识电网调度运行中的薄弱环节，为预防运行事故发生，制定合理的决策和应急预案，保证电网安全稳定运行具有重大的意义。

本文提出的电网运行风险评估是对一些不确定的事件所做的评估和分析。借鉴模糊综合评价思想［1］，将待评价量与评价区间的关系用模糊的方法进行量化，建立电网运行风险评估模型，同时应用网络层次分析法确定指标权重，为电网风险预控提供了有利的技术支持。

1 电网运行风险指标

电网调度中心是电网运行数据的中心，能量管理系统EMS、SCADA、区域电网控制性能指标CPS等系统每天产生大量的数据，这些数据蕴含着电网运行和电网安全生产的全部信息。为了促进电网运行精细化管理［2-3］，为电力市场条件下的安全校核积累数据和经验，需要对电网运行各方面的状况进行评估。本文在充分考虑电网安全性和稳定性的前提下，依据电网运行风险［4-5］的直接原因构建了一个由5个一级综合评价指标，20个2级单项指标、4个电网安全等级的电网运行风险评价指标体系。

1.1 电网运行风险评价指标

（1）设备风险

包括：变压器负载率、线路负载率、绝缘化率、继电保护动作正确率、线路非计划停运率、变压器非计划停运率、N-1校验合格率、线路半径合格率等。

（2）结构风险

包括欠载变压器比例、过载变压器比例、电压偏差、频率偏差。

（3）信息安全分析

包括自动化系统安全性、互联网与内网隔离率、人身伤亡事故率。

（4）操作风险

包括恶性误操作事故率、变电事故率、输电事故率。

（5）外部风险

包括自然灾害风险事故率、外力破坏风险事故率。

1.2 电力系统安全级别

第一级，系统受到破坏后，会对公民、法人和其他组织的合法权益造成损害，但不损害国家安全、社会秩序和公共利益。

第二级，系统受到破坏后，会对公民、法人和其他组织的合法权益产生严重损害，或者对社会秩序和公共利益造成损害，但不损害国家安全。

第三级，系统受到破坏后，会对社会秩序和公共利益造成严重损害，或者对国家安全造成损害。

第四级，系统受到破坏后，会对社会秩序和公共利益造成特别严重损害，或者对国家安全造成严重损害。

2 模糊综合评价原理

模糊数学是对不确定、模糊性的事物量化后运用数学知识进行科学分析的一门科学工具。

（1）确定评价对象因素集、评语集

根据专家意见确定评价指标集C、评语集V、指标质量水平标准集Vφ，记为：

式中 m——评价等级数或指标质量水平级别数。

标准集Vφ是定义在评语集V上的一个子集，各指标的标准集应根据指标的内涵或依据统计资料或经验确定。

（2）确定评价因素权重

权系数是反映影响因素重要程度的量化系数，其大小对评价对象有举足轻重的作用，不同的权系数会得到不同的结果。传统确定权重的方法有定性的专家赋权法、层次分析法（AHP）［5］、定量的简单关联函数法等。本文采用AHP法，把人的主观判断进行客观量化，将定性问题转化为定量分析，具体过程如下：

1）建立评价层次结构

在专家指导下，依据评价目的和指标之间的关系建立评价层次结构。

2）建立互反判断矩阵

式中 n——指标个数，一般由专家给出或采用德尔菲法建立。

3）权重计算

为了减少估算法带来的误差，运用数学软件MATLAB求T的最大特征值λmax及其对应的特征向量Xmax，Xmax归一化就得指标权重分配向量：

4）一致性检验

当CR＜0.1时，即认为T具有满意的一致性，说明建立T时，人的思维保持了连续性；否则，就需要调整判断矩阵。

式中 CI——判断矩阵一致性指标；n——T的阶数；

RI——T的平均随机一致性指标。

（3）建立模糊评价矩阵

请若干专家，根据提供的各指标因子的背景材料，按规定的标准集Vφ给出各指标ci隶属等级vj∈V。然后统计出ci隶属于vj等级的频数fij，最后用专家总数 除各频数，得各因子指标所属评价等级的隶属度：由此得到最低级评价因子的模糊评价向量

从而得到上一级综合评价指标的模糊评价矩阵

（4）多指标综合评价

1）计算评价因子关于各评价等级的关联度

其中i=1，2，…，n；j=1，2，…，m

2）根据1.2中求得的各因子权系数，计算待评因子关于各评价等级的关联度及评定级别：

3 算例分析

依据电网运行风险指标确定的电网运行风险评价指标体系，选取区域电网2009年相关风险指标数据作为研究样本。如见表1所示。

表1 电网风险指标体系及样本数据

表1中K1，K2，K3，K4由低到高分别代表了电网风险等级水平，级别越高，风险程度越大。

根据12位专家给出的20个二级指标之间的重要性程度比值，应用MATLAB计算得到各级指标权重向量（归一化），并通过一致性检验。

根据表1中样本的各风险指标，利用式（11）计算得到20项指标的关联度；根据以上得到的权系数，利用式（12）得到该样本关于各指标的关联度所属电网运行等级，见表2。

由表2中显示K2（p）是最大值，可以得出该区域电网样本的运行风险等级为2级，属于中度水平。

表2 各指标关联度

4 基于模糊综合评价思想的电网风险评估系统

（1）系统框架

风险评估系统采用构件化的设计思想，平台的所有功能均被抽象和封装为构件，相关的构件在一定的规约下组装后实现完整的业务功能。同时，系统平台的主体框架是一个很小的内核，该内核实现了基于插件形式将构件集成到框架中的动态加载机制，平台将任何内核以外的功能构件看作是对平台内核的一种扩展实现，只要该功能构件符合平台的统一预定义接口规范，便可进行动态调用，以扩展平台应用程序运行时的功能，从而实现整个平台的最大限度扩展，并具有高度的统一性和开放性。

图1

系统分为三部分：数据支持、风险分析和风险决策。数据支持包括实时获取XML电网模型数据、SCADA实时运行数据、SVG图形数据为风险分析和风险决策提供基础数据；风险分析层通过确定电网指标体系、确定指标权重、评判集给出单因素和综合因素关于电网运行风险评价等级的关联度；风险决策层根据电网运行风险等级、相对威胁大小、风险防范措施能力来确定系统可以采用的风险防范措施。

（2）界面展示及算法分析

“风险分析”模块通过确定电网评价因素集和评语集，结合钻夹给定的评价层次结构，分析设备遭到失效威胁后的资产损失程度、威胁发生概率，评估电网运行风险，得出电网运行风险等级。

图2

“风险决策”模块以电网运行风险评价结果为基础，依据《电力系统安全稳定导则》和《电力系统技术导则》，综合考虑电网风险评估结论，建立设备状态和电网运行风险度二维关系模型，确立电网运行风险应急措施。

图3

5 结语

本文建立的电网运行风险评估模型综合了层次分析法的优点，通过均衡化的方式得到电网运行风险各指标的权重，结合电网模型因子直观的放映综合评价的质与量的关系，增强了指标权重的可行性和合理性。在此基础上建立的电网运行风险评估系统是对国家电网调度运行分析制度的贯彻和执行，通过对电网调度各类指标的计算和分析，使得调度人员对电网运行情况有了更全面、明确、定量化的理解，有助于更清楚的解释调度运行中的一些复杂相关性问题，为智能电网调度技术支持系统奠定了数据基础。

［1］ 张云晓.地区电网运行风险评估.浙江大学硕士学位论文，2011，1-2.

［2］ 吕立召.非序贯蒙特卡洛改进法在电网运行方式风险评估中的应用［D］.长沙：湖南大学，2011.

［3］ 冯永青，张伯明，吴文传，等.基于可信性理论的电力系统运行风险评估（一）运行风险的提出与发展.电力系统自动化，2006，30（1）：17-23.FENG Yong-qing，ZHANG Bo-ming，WU Wen-chuan，et al.Power system operation risk assessment based on credibility theory part one propound and development of operation risk assessment［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（1）：17-23.

［4］ 国家电网公司.电网运行分析制度［P］.2006.

［5］ 颜 扬，杜 纲.企业柔性的指标体系及其AHP-模糊综合评价方法的研究［J］.甘肃科学学报，2004，16（4）：120-123.YAN Yang，DU Gang.The index system of the enterprise flexibility and its AHP-fuzzy comprehensive evaluation method［J］.Journal of Gansu Sciences，2004，16（4）：120-123.

［6］ 徐婧文，张 威.模糊评价法在建设工程评标中的应用［J］.甘肃科学学报，1999，11（4）：18-21.XU Jing-wen，ZHANG Wei.Application of indefinite appraised process to evaluating bid of construction engineering［J］.Journal of Gansu Sciences，1999，11（4）：18-21.