20 kV及以下城市电网风险评估方法综述与展望

张国超，宋冬瑞，王艺霖

国网吉林供电公司，吉林 吉林 132012

0 引言

20 kV及以下城市电网风险值关系电网稳定运行的安全性，因此，为了城市电网的安全稳定运行，应该从不同维度找出城市电网中存在的风险因素，并分层分级从不同环节加以改进，以确保城市电网风险处于最低水平。有学者以风险理论为基础，以元件级风险为研究对象，对电力系统中的电力设备存在的风险因素进行“分诊”，并应用ALARP原则进一步对电力系统综合风险水平进行量化分级，最终从电力系统元件的维度量化了电网中存在的局部风险[1]。有学者以城市配电网为研究主体，同时考虑配电网结构灵活性，分析了城市配电网电力供应的安全性，指出城市配电网安全分析以静态安全分析为主，这一特征也是在安全性评估指标和分析方法中配电网有别于输电网的地方[2]。有学者研究了城市配电网在各个阶段的风险水平，并以模糊隶属度理论为基础对规划阶段、可研阶段、建设阶段、运行阶段的城市配电网风险水平进行量化，综合计算出各阶段城市配电网风险水平总的量化值[3]。另有学者针对城市配电网发展过程中运行风险影响因素的不断增加，提出了一种考虑多种影响因素的城市配电网风险评估模型[4]。

20 kV及以下城市电网的电压等级较低，与35 kV及以上电压等级的输电网相比，其所承载负荷相对较少，且电网中动态元件的数量与输电网相比也较少，因此，诸多文献的理论观点都认为城市电网中没有明显的暂态过程，也就是说城市电网的可靠性分析和风险评估研究主要指静态方面[5]。

文章将20 kV及以下城市电网风险评估分为元件级风险评估和系统级风险评估，为了让城市电网风险评估领域的相关研究成果得到充分利用，对该领域的相应理论及方法开展更深入的探索。现将城市电网风险评估的方法和理论进行了系统的归纳分析，为20 kV及以下城市电网风险评估的研究工作提供更全面的参考，为降低城市电网风险水平的研究工作提供更多的理论支撑。

1 城市电网元件级风险评估

城市电网元件级的风险评估研究主要是对电网中的电力设备进行风险评估，涵盖变压器风险评估和架空线风险评估。在早期的元件级风险评估模型中，正态分布模型得到了广泛的应用，其充分考虑了设备老化故障对设备停运风险水平的影响，并指出在不计及设备老化故障对系统风险水平所产生的影响时，算出的风险值必然会降低系统风险评估的准确度。

1.1 元件停运模型

城市电网包括架空线线路、电缆、馈线、变压器、断路器、隔离开关、无功补偿设备等各类元件。电网中电力元件的故障停运可分为独立停运和相关停运两类。在独立停运模型中，传统的风险评估主要应用两状态强迫停运可修复模型，老化失效和半强迫停运是新的模拟概念。就相关停运而言，共因停运是最常见的一种，其有别于元件组停运。因为在共因停运模型中，任何一个元件的停运都可以是独立的，其停运状态可以与其他元件不相关，而元件组中的每一个元件都是相关的，各元件的停运总是同时发生，不可能出现各自的独立停运。

1.2 变压器的风险评估

在城市电网中，变压器故障将有可能导致经济损失和社会损失，严重时还将威胁人身安全。因此，在城市电网风险评估这一研究领域中，变压器的风险评估一直很受重视。有学者对作为电力系统中重要电力设备的变压器的风险评估进行研究，着重分析了受变压器的负载变化影响时进行风险评估的基本理论和方法[6]。文章充分考虑了变压器所承担负荷的变化和外界温度的改变对变压器风险水平的不确定性影响，同时以蒙特卡洛法为理论基础，计算变压器绕组所能够承受的最高运行温度的概率分布，并从变压器的寿命缩短和变压器本体绝缘水平降低对变压器过载后的影响两个方面量化变压器超负荷运行后的风险值，最终综合判断变压器的风险水平。

2 城市电网系统级风险评估

城市电网系统级风险评估主要研究在母线电压约束和线路热稳定约束下的系统风险水平。一般构建的指标体系包括静态风险指标和失负荷风险指标，在城市电网风险评估过程中，要通过相关理论确定故障后的严重程度，并在风险理论的基础上构建单项风险指标，最后通过权重系数将各项风险指标汇总，进而刻画系统的整体风险水平。

2.1 评估步骤

城市电网风险评估的主要目的是通过对电网风险值的量化来判断电网中存在的风险隐患，以此作为电网隐患排查治理的主要依据，评估过程的首要任务是对电网存在的风险因素进行分类归纳，再结合特定的理论算法进行分析计算。在进行城市电网风险评估时，首先，要确定电网中电力设备的停运模型。电力元件停运是最常见的停运状况，也是城市电网发生故障的根本原因。其次，要选择电网的运行状态和不同状态的计算概率。一般以状态枚举法或蒙特卡罗法为分析基础，判断结构简单或复杂工况下电网发生停运故障的风险水平和严重程度。最后，结合工程实例中的电网运行参数和不同情况下风险指标的概率分布，量化城市电网风险值。

2.2 评估方法

城市电网风险评估的方法分为确定性方法和概率性方法，其中，确定性方法是以预期故障发生为前提，分析该预期故障发生后对电网风险水平的影响。确定性方法的应用范围具有明显的局限性，只能应用在故障重数较少的停运故障中，且对故障发生后的后果严重程度无法精准量化。因此，近年来很多学者对确定性方法的研究和应用越来越少。目前，概率性评价方法是城市电网风险评估的主流方法，在大数据技术被广泛应用的背景下，概率性评价方法越来越受到广大学者的青睐。概率性评价方法是以电力设备发生故障和自动修复的统计值为基础，通过分析计算得到整个城市电网和各节点参数变化曲线和风险值，进而对电网运行的整体风险水平作出综合评价。

3 风险理论

早在19世纪90年代，就有学者从经济学角度提出了风险的概念，认为风险是损失的可能性，也有学者定义风险为不利事件或事件集发生的机会，即事件发生的概率。在很多文献中把风险定义为在特定条件下发生各种事件产生的坏结果的可能性大小，这种可能性被看作是预期结果的不利偏差。风险理论是研究能导致伤害的灾害性的可能性和这种伤害严重程度的理论。实时的风险指标是通过在某一特定时间t，综合考虑元件停运导致系统故障的严重度及元件停运发生的概率。通常情况下，风险可以定量表示公式（1）所示的基本形式。

式中：t（Time）为某个时刻；S（Severity）为严重度，包括过负荷、电压越限、失负荷三个方面的严重度；P（Probability）为元件停运发生的概率；R（Risk）为风险值。

4 结论与展望

文章总结了20 kV及以下城市电网风险评估的常用理论和评估方法，并结合其他领域风险研究方法和城市电网自身的结构特点，提出将城市电网的风险评估分为元件级和系统级两类。随着电力设备的智能化发展和大数据技术的广泛应用，城市电网风险评估今后的研究重点应在以下几个方面。

（1）电网智能化条件下的多风险因素。分布式电源的接入和用户需求量的不断扩增使得配电网需要极大增加监控的深度和广度，这无疑给配电网的安全稳定运行增加了更多的不确定因素，在日后的风险评估中要综合考虑各种风险因素的交互影响，全面评估配电网整体风险。

（2）利用智能电子设备获取更完备的数据信息。风险评估需要充足、完备的数据支持，目前大多数配电系统对数据信息的记录和保护措施还不够完善。未来的风险评估研究应该通过高效、科学的智能设备监控并记录更完备的数据，以便对配电网进行更精确的风险评估。

（3）统一风险评估模型和风险指标体系。目前，虽然已经有大量的文献详细地阐述了城市电网风险评估的概念方法和理论依据，但学者们对于风险的严重程度的评价标准却不尽相同，最终研究出的风险指标也各有千秋。有关配电网风险评估的模型和指标体系的统一还有待研究。