考虑多风险因素的电网调度操作风险评估

刘雪飞，田启东，焦 昊，郭创新，林欣慰，李 俊，何蓝图

(1．深圳供电局有限公司，广东 深圳 518033； 2．浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

考虑多风险因素的电网调度操作风险评估

刘雪飞1，田启东1，焦 昊2，郭创新2，林欣慰1，李 俊1，何蓝图1

(1．深圳供电局有限公司，广东 深圳 518033； 2．浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

将风险评估理论引入调度操作分析中，考虑多种风险影响因子，提出一种电网调度操作风险评估方法。为了全面分析调度操作各步骤的风险，基于事件树理论模拟调度操作的发展过程，并生成调度操作状态集；通过量化元件老化与恶劣天气对调度操作成功率的影响，以电压越限、潮流过载和损失负荷衡量后果严重度，建立量化风险评估指标体系，并详细分析相应的评估框架。对IEEE-RTS79测试系统进行仿真分析，分析结果表明，该文所提方法能有效评估调度操作各步骤的风险水平，辨识关键操作步骤，实现了调度操作风险"事前防范"的目的。

多风险因素；调度操作；风险评估；事件树

调度操作是电力系统日常运行的重要组成部分，在调度令执行前通常会对其进行确定性的逻辑校验和潮流校验[1-3]。但随着电力系统的发展，电力市场从垄断机制逐渐转变为自由竞争的市场机制[4-7]，电网的安全性和经济性两相博弈，增加了许多不确定性因素，同时也使得电网运行状态更加接近于临界点。传统的确定性校验方法已无法全面把握风险因素对调度操作安全的影响，在调度操作安全分析中引入考虑运行风险的电网安全评估方法，对于电网的安全稳定运行具有重大的意义。

当前，国内外专家学者已针对调度操作风险评估进行了一定的研究。文献[8]提出了基于关键元件搜索方法的调度操作N-1评估方法，将操作作为一个整体评估。而实际上，调度操作任务通常由若干操作步骤组成，在风险因素的影响下，操作过程中可能造成各种操作风险。文献[9]评估了调度操作给系统电压稳定带来的影响；文献[10]基于故障树模型分析每一步操作成功与失败2种状态下的电网风险。上述文献仅考虑了当前操作状态下电网的安全水平，忽略了前序操作结果对于后续操作可能带来的影响。

针对以上不足，笔者提出一种基于操作状态枚举的调度操作风险评估方法。采用事件树模型模拟实际操作的发展过程，以此生成操作状态集合；考虑元件老化与恶劣天气对调度操作成功率的影响，建立量化的调度操作风险评估指标，并详细介绍风险评估的流程；通过IEEE-RTS测试系统验证该文所提方法的有效性。

1 基于事件树的调度操作状态模拟

在传统的调度操作安全校核中，调度员往往仅分析调度操作的整体结果。而在实际操作过程中，由于设备老化、恶劣天气等因素的影响，元件可能发生拒动和失效停运，此时，若二次系统发生反应误差而继续操作，将引发严重的后果，对操作人员及电网安全产生较大的威胁。该文基于事件树的分析方法，模拟每一步操作可能发生的状态，并根据操作后电网状态划分操作状态集。

1.1 调度操作过程状态模拟

调度操作涉及的元件主要包括开关和刀闸，其相应的操作状态如表1所示。

表1 元件操作状态

以第1个元件的操作为根节点，采用事件树方法模拟调度操作的可能状态，建立调度操作树结构，相应地建立原则：

1)操作树中每一层代表一步操作可能的状态；

2)操作树中每一个节点代表这步操作中操作元件的一种可能的操作结果；

3)从操作树中某一节点到根节点有且仅有一条路径，该路径上的节点组成的集合代表到该操作步骤为止可能的一种操作结果。

考虑到每一步操作都存在不同的操作状态，当操作任务较为复杂时，调度操作树的结构会较为庞大。而实际上，当操作状态可能引发不可接受的后果时，操作应当终止，定义操作状态的后果阈值为ξ0,当调度操作的直接后果ξ>ξ0时，操作将终止并在调度操作树中进行剪枝。

以线路运行转检修为例，该项操作共有6个操作步骤，如表2所示(线路运行转检修元件如图1所示)。

表2 线路运行转检修操作步骤

图1 线路运行转检修元件

根据调度操作树生成规则，生成该项操作对应的事件树如图2所示，当操作过程中发生开关爆炸或刀闸瓷瓶断裂时，将导致所连母线失压，操作将不再继续进行。当操作开关B1，B2断开，若发生机械拒动而二次系统发应误差时，在进行下一步操作时将导致带负荷拉刀闸，影响到操作人员的人身安全，因此操作应当终止。

图2 线路检修操作树

1.2 调度操作状态划分

如图2所示，当操作步骤数目增加时，可能的操作结果也随之增加。为了便于分析数量巨大的操作结果，笔者通过对调度操作树进行状态枚举，按对应不同的电网状态结果将其分类，得到调度操作状态集：

C={S1(E1),S2(E2),…,Sk(Ek),…,Sn(En)} 。

(1)

同样，以线路检修为例，第2步操作结果可以被分为4类电网状态，如表3所示。通过分析不同电网状态的运行后果，代替分析数量巨大的每一个操作结果，能大大提高调度操作风险评估的效率。

表3 前2步操作可能状态

2 调度操作风险指标计算

根据电网运行风险的定义[11-12]，调度操作风险可定义为调度操作状态的概率与操作后果的综合，风险指标为

(2)

式中P(Sk(Ek))和Sev(Sk(Ek))分别表示第k个操作状态Sk(Ek)的状态概率和严重程度；C为操作状态集。

2.1 调度操作状态概率计算

调度操作的状态概率与操作的成功率、二次系统的可靠性等因素有关。通过对历史统计数据的分析，可以获得各操作状态的统计概率及二次系统的误差概率。在操作的过程中，设备老化导致元件拒动、失效以及恶劣天气等因素，会降低调度操作的成功率。笔者以历史操作统计概率为基础，通过量化设备老化与恶劣天气的影响，建立调度操作状态概率模型：

P(Sk(Ek))=

(3)

1)设备老化修正因子。

根据设备老化失效模型，当元件进入寿命浴盆曲线的损耗期时，可能发生老化失效，其失效概率随时间增长而增大，且损耗期曲线符合威布尔分布[13]。假设元件已投运T时间，定义设备老化修正因子为

(4)

式中 ∂和β分别为威布尔分布的尺度参数和形状参数。

2)恶劣天气修正因子。

恶劣天气对设备故障率及操作人员状态都会产生较大的影响[14]，该文根据气象局对恶劣天气的预报信息和定级规则，量化恶劣天气修正因子，如表4所示。

表4 恶劣天气修正因子

2.2 调度操作状态后果计算

计算电网状态后果值是调度操作风险评估的重要一环，该文采用电压越限、潮流过载和损失负荷三类指标来衡量调度操作状态的后果严重度。

1)电压越限后果值定义：

(5)

式中n为电网中母线总数目；Sev(Ui)代表母线i上的电压越限程度。

其中，Ui为母线i的电压值。

2)潮流过载后果值定义：

(6)

式中m为电网中传输线总数目；Sev(Pj)为传输线j上的潮流过载程度。

其中，Pj为传输线j上传输的有功潮流。

3)损失负荷后果值定义：

(7)

式中v为电网中负荷总数目；Sev(Lk)为负荷节点k上的失负荷程度。

Sev(Lk)=αkLk。

其中，αk代表负荷的重要程度，Lk是该点损失的负荷量。

3 调度操作风险评估框架

调度操作风险评估包含3个主要部分：电网状态生成、状态概率计算和状态后果评估。具体的评估流程如图3所示。

1)由电子发令系统获取调度操作令，解析后根据事件树分析方法，生成调度操作树模拟调度操作可能发生的状态。

2)根据调度操作结果分类，生成调度操作结果状态集。

3)计算设备老化修正因子和恶劣天气修正因子，基于操作历史统计数据，根据计算调度操作状态概率。

4)通过潮流计算和最优切负荷，计算电压越限、潮流过载和损失负荷的后果严重度。

5)根据计算调度操作风险指标，并通过可视化展示推送给调度员。

图3 调度操作风险评估框架

4 算例分析

4.1 算例

笔者采用IEEE-RTS79系统[15]进行算例分析，该系统包含24个节点和38条输电线路，其单线图如图4所示。以线路15-24运行转检修为例，该项调度操作包含6个步骤(表2)。假定操作时设备已投放5年，实时气象为高温橙色预警。为了便于分析，适当提高设备失效停运率降低线路容量。在操作历史统计概率的基础上，得到元件操作状态的概率如表5所示。

图4 IEEE-RTS 测试系统

操作元件操作状态状态概率正常执行0．90开关机械拒动0．08开关爆炸0．02正常执行0．95刀闸机械拒动0．04瓷瓶断裂0．01

4.2 场景分析

1)场景1。将调度操作令作为一个整体评估而不考虑其内部各步骤。操作后，线路15-24停运，相应的风险指标如表6所示，由表可知，在算例的假定环境下，该操作会导致母线3和母线24上发生严重的电压越限，并导致母线3上失去44.12 MW负荷。

2)场景2。评估调度操作令每一步操作的风险，但并不考虑前序操作可能结果对当前操作的影响。在评估某一步操作风险时，认为前序操作步骤均已成功执行，对应各步操作风险如表7所示。在表7的结果中，由于不考虑前序操作的影响，各步骤的评估是相互独立的。从表中可得知，只有在步骤1，4的操作过程中可能发生潮流过载风险，步骤3，4，5有着较高的操作风险，在操作中需要重点关注。

表7 不考虑前序操作的风险评估结果

3)场景3。评估调度操作每一步操作的风险，并计及前序操作可能结果对当前操作的影响，对应各步操作风险如表8所示，详细展示了调度操作中每一步的操作风险，在风险评估过程中计及了元件老化与恶劣天气的影响因素，并考虑了前序操作状态对当前操作的影响。从表8中可以发现，步骤4的操作总风险值最高，因此在整个操作过程中，更需要注意第4步操作的风险防范。

表8 调度操作风险评估结果

4.3 场景比较

1)场景1,3的比较。比较表6，8可得，场景1中将调度操作令作为一个整体进行评估，虽然能得到操作结果的大致风险情况，但无法评估调度操作过程中每一步的风险详情，风险评估结果所提供的信息量少，对调度员及操作运行人员的指导价值不足。而从表8可明显地观察到，该文所提方法可详细评估调度操作每一步的风险详情，有助于操作运行人员全面掌握调度操作中的风险点及风险走势。此外，通过每一步操作总风险值的比较，便于操作运行人员准确把握调度操作中的关键步骤，及时采取相应的风险防范措施。

2)场景2,3的比较。比较表7，8可得，2种方法虽然都能得到每一步操作的风险详情，但由于场景2没有考虑前序操作对当前操作的影响，评估的结果不够全面，潮流越限只在操作步骤1，4中可能发生，而场景3中每个操作步骤中都可能有潮流越限风险(如图5)。对于每一步操作的风险走势，场景2,3得到的结果相似，由于考虑了前序步骤的影响，每一步操作会导致更多可能的电网状态，使得场景3中的每步操作风险指标均高于场景2，关键操作的辨识更为明显(如图6)。

图5 不同场景下潮流越限风险对比曲线

图6 不同场景下调度操作风险对比曲线

5 结语

调度操作是电力系统日常运行的重要组成部分，笔者提出了一种调度操作风险评估方法。与之前的调度操作风险评估相比，主要的创新点如下。

1)提出的方法既评估了整个调度操作的风险水平，也评估了操作过程中各个步骤的风险详情，利于辨识关键操作步骤提前做好风险防范。

2)在风险评估过程中，考虑了元件老化与恶劣天气的影响因素，更贴合实际情况。

3)考虑了前序操作对当前操作的影响，使得风险评估结果更为全面。

通过调度操作风险评估，使得调度员能够全面掌握每一步调度操作的风险详情，辨识关键操作步骤，实现调度操作从“事后分析”向“事前防范”的转变。随着电网自动化技术的不断发展，更多的风险因素将被考虑到调度操作风险评估中。

[1]周明,林静怀,杨桂钟,等．新型智能电网调度操作票自动生成与管理系统[J]．电力系统自动化,2004,28(11)：71-74． ZHOU Ming,LIN Jing-huai,YANG Gui-zhong,et al.New-type intelligent dispatching operation order system[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(11)：71-74.

[2]徐俊杰，许先锋，杜红卫，等.电网智能操作票管理系统[J].电力自动化设备，2009,29(11)：98-101. XU Jun-jie，XU Xian-feng，DU Hong-wei，et al．Intelligent operation order management system of power network[J]．Electric Power Automation Equipment， 2009，29(11)：98-101.

[3]王文林，洪天炘.新型调度操作票系统防误技术研究与应用[J].电网技术，2006， 30(Z2)：0 579-0 582． WANG Wen-lin，HONG Tian-xin．New adjust operation ticket system defends the mistake technical research and application[J]．Power System Technology，2006，30(S2)：0579-0582.

[4]Douglas A P， Breipohl A M， Lee F N， et al． Risk due to load forecast uncertainty in short term power system planning[J].IEEE Transactions on Power Systems， 1998， 13(4)：1 493-1 499.

[5]Gorenstin B G， Campodónico N M， Costa J P， et al.Power system expansion planning under uncertainty[J]． IEEE Transactions on Power Systems，1993， 8(1)：129-136.

[6]Li W K， Jerry K， Armanini G． Application of probabilistic reliability evaluation in transmission system operation： BC hydro’s， approach and experience[C]． 7th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems， Naples， Italy， 2002.

[7]文福拴， 吉兴全， 王钦． 电力工业改革对电力系统可靠性的影响[J]． 电力科学与技术学报， 2007， 22(3)：1-11． WEN Fu-shuan，JI Xing-quan，WANG Qin．Influence of electric power industry reform on system reliability[J].Journal of Electric Power Science and Technology，2017，22(3)：1-11.

[8]Lu D， Hou K， Zeng Y， et al． A risk assessment approach for dispatching operations based on critical equipment search[C]． Power & Energy Society General Meeting， IEEE， Denver， CO， 2015.

[9]潮铸，呼士召，鲁跃峰，等．面向调度操作的静态电压稳定风险评估方法[J]．电力系统及其自动化学报， 2014， 25(6)：42-49． CHAO Zhu，HU Shi-zhao，LU Yue-feng,et al．Risk assessment of static voltage stability for dispatching operation[J]．Proceedings of the CSU-EPSA，2014， 25(6)：42-49.

[10]林少华，刘嘉宁，陈东，等．基于故障树理论的电网调度操作实时风险评估[J]． 电力自动化设备，2014， 34(5)： 121-125． LIN Shao-hua,LIU Jia-ning,CHEN Don，et al． Real-time risk assessment based on fault tree theory for power dispatch[J]．Electric Power Automation Equipment，2014，34(5)：121-125.

[11]Ming N， McCalley J D， Vittal V， et al． Online risk-based security assessment[J]． IEEE Transactions on Power Systems， 2003，18(1)：258-265.

[12]吴文传， 宁辽逸， 张伯明，等． 电力系统在线运行风险评估与决策[J]． 电力科学与技术学报， 2009， 24(2)：28-34． WU Wen-chuan，NING Liao-yi，ZHANG Bo-ming， et al.Online operational risk assessment and decision making for power systems[J]．Journal of Electric Power Science and Technology， 2009，24(2)：28-34.

[13]李文沅，周家启，卢继平，等. 电力系统风险评估： 模型、方法和应用[M]．北京：科学出版社，2006.

[14]Billiton R， Acharya J R． Weather-based distribution system reliability evaluation[J].IEE Proceedings Generation， Transmission and Distribution， 2006， 153(5)：499-506.

[15]Subcommittee P M．IEEE reliability test system[J]． IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， 1979,98(6)：2 047-2 054．

Power grid risk assessment of dispatching operation considering multi-risk elements

LIU Xue-fei1，TIAN Qi-dong1，JIAO Hao2，GUO Chuang-xin2， LIN Xin-wei1，LI Jun1，HE Lan-tu1

(1. Shenzhen Power Supply Bureau, Shenzhen 518033, China;2. School of Electrical Engineering, Hangzhou 310027, China)

This paper proposed a risk assessment method of power grid dispatching operation considering multi-risk elements. In order to analyze each step risk of dispatching operation comprehensively, the development of operation was simulated with event tree theory, and the set of operation states was formed. Considering the influences of components aging and adverse weather condition, the quantized risk assessment index system was established and measured by voltage instability and load loss. The framework of corresponding assessment was described. Simulation analysis results of the IEEE-RTS79 testing system show that the proposed method is able to effectively evaluate the risk level of each operation step and identify the key operation step, which can prevent the dispatching operation risk before-head.

multi-risk factor; dispatching operation; risk assessment; event tree

2016-06-12

国家自然科学基金重点项目(51537010)

刘雪飞(1971—)，男，工程师，主要从事电力系统调度运行；E-mail:liuxfgz@gmail.com

TM734

A

1673-9140(2016)04-0109-07