劉洪，朱振環(huán)，馬康

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實驗室，天津300072；2．國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，唐山063000；3.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警方法

劉洪1，朱振環(huán)2，馬康3

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實驗室，天津300072；2．國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，唐山063000；3.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

針對已有電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估研究不能直接應(yīng)用于配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警的現(xiàn)狀，結(jié)合情景分析和電網(wǎng)風(fēng)險評估的理論，建立了一套多因素影響下的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警方法。首先，應(yīng)用情景分析理論，對影響配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險的因素進(jìn)行風(fēng)險情景界定，建立完整的未來情景集；接下來應(yīng)用電網(wǎng)風(fēng)險評估理論，建立了一套全面的風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行配電網(wǎng)運(yùn)行情景風(fēng)險表達(dá)；最后算例證明本方法能夠展現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行中可能面臨的多種情景下的風(fēng)險變動情況，從而對運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)預(yù)警。

配電網(wǎng)；風(fēng)險預(yù)警；情景分析；情景集

配電網(wǎng)的安全運(yùn)行是整個電網(wǎng)安全運(yùn)行重要的一環(huán)，是目前提高供電系統(tǒng)運(yùn)行水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。統(tǒng)計資料顯示[1]大約有80%的停電事故是由配電系統(tǒng)故障造成的。因此，對配電網(wǎng)運(yùn)行中的潛在風(fēng)險進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警，找出薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，從而提高供電安全性，已成為目前亟待解決的問題。

配電網(wǎng)運(yùn)行中會受到其自身狀況和氣象條件等因素的影響[2-5]。配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警就是運(yùn)用科學(xué)的風(fēng)險分析和評估方法，對復(fù)雜因素影響下電網(wǎng)的潛在損失（即負(fù)荷停電損失）進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

目前，針對電力元件、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)整體的運(yùn)行風(fēng)險分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)可靠性、安全運(yùn)行分析[6-9]和電網(wǎng)規(guī)劃[10-11]等領(lǐng)域，但是若直接應(yīng)用于配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警還存在一定的困難：一是風(fēng)險指標(biāo)主要面向評估配電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，對未來風(fēng)險預(yù)警考慮不足；二是對電網(wǎng)不正常運(yùn)行方式的考慮不足，指標(biāo)體系不夠全面；三是風(fēng)險指標(biāo)無法用于電網(wǎng)不同工況下風(fēng)險事件的危害比較。

為解決上述問題，本文引進(jìn)情景分析理論，分析了影響配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險的情景因素，界定了配電網(wǎng)運(yùn)行情景和未來情景集，即時間情景、空間情景、自然情景和配電網(wǎng)運(yùn)行情景及其組合情況；再運(yùn)用一系列風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行配電網(wǎng)運(yùn)行情景風(fēng)險表達(dá)，這些指標(biāo)包括不可用度情景風(fēng)險、失電量情景風(fēng)險、失負(fù)荷情景風(fēng)險、過負(fù)荷情景風(fēng)險和電壓越限情景風(fēng)險。算例分析表明，該種方法能夠科學(xué)預(yù)警配電網(wǎng)運(yùn)行中的潛在風(fēng)險。

1 基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警

1.1 情景和情景分析的概念

“情景”來自戲劇、電影或劇目的腳本，是對未來電影戲劇中的某個情節(jié)進(jìn)行詳細(xì)演示。20世紀(jì)40年代Herman Kahn借用此詞，并應(yīng)用于美國空軍的戰(zhàn)略規(guī)劃，對一系列可能的未來組織戰(zhàn)略進(jìn)行比較測試，情景分析由此發(fā)端。

“情景分析”（scenario analysis）假定某種現(xiàn)象或者趨勢將持續(xù)到未來的前提下，對預(yù)測對象可能出現(xiàn)的情況或引起的后果加以描述，獲得一系列情景下未來狀態(tài)的預(yù)測集并形成一個總體綜合評價。情景分析是一種對未來可能事件進(jìn)行完備分析的技術(shù)，溝通過去、現(xiàn)在和將來。未來發(fā)展是多樣化的，有多種發(fā)展趨勢，其結(jié)果也將是多維的。

1.2 風(fēng)險和風(fēng)險評估的概念

風(fēng)險是指潛在損失的變化范圍與變動幅度，對于電網(wǎng)來說是故障概率和影響的綜合。電力學(xué)者Vittal等[12]給出了電力系統(tǒng)風(fēng)險評估的基本定義，即綜合度量電力系統(tǒng)面臨的不確定性因素的可能性與嚴(yán)重性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Xf為系統(tǒng)運(yùn)行方式；Ei為第i個故障；Pr（Ei）為故障Ei發(fā)生的概率；Sev（Ei，Xf）為在Xf的運(yùn)行方式下發(fā)生第i個故障后系統(tǒng)的損失嚴(yán)重程度；Risk（Xf）為系統(tǒng)在Xf運(yùn)行方式下的運(yùn)行風(fēng)險指標(biāo)。

1.3 基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警框架

Vittal等[12]把風(fēng)險問題看成一維事物，用一個類似“風(fēng)險度”的值來描述風(fēng)險。但事實上，風(fēng)險涉及一個復(fù)雜的系統(tǒng)，風(fēng)險事件的發(fā)生是其背后的復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果，上述的“風(fēng)險度”只能粗略地描述風(fēng)險高低。

黃崇福等[13-14]提出“風(fēng)險是與某種不利事件有關(guān)的一種未來情景”，這是對風(fēng)險的新的詮釋。事實上各種不利事件的產(chǎn)生、發(fā)展以及造成的影響都是和特定的情景分不開的。與不利事件有關(guān)的未來情景是多元化的，體現(xiàn)在不利事件未來的發(fā)生條件、發(fā)展過程以及造成的后果都會有所不同，每一種可能出現(xiàn)的未來事件過程稱為一幕情景。

基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警就是要對不利事件的未來可能出現(xiàn)的一幕幕情景進(jìn)行過程分析和結(jié)果評估，給出該不利事件的未來態(tài)勢。每一個情景都是一個特定的條件，而在每一個特定的條件下，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部各因素的相互作用會得到相應(yīng)的結(jié)果。把所有這些可能的與不利事件有關(guān)的情景綜合起來，就是這個配電系統(tǒng)的未來情景，也就是配電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險，如圖1所示。

圖1 基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警示意Fig.1Sketch map of distribution network operation risk forewarning based on scenario analysis

圖2 基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警框架Fig.2Framework of distribution network operation risk forewarning based on scenario analysis

基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警方法如圖2所示。該方法分為兩大部分：風(fēng)險情景界定和情景風(fēng)險表達(dá)。風(fēng)險情景界定是確定研究配電網(wǎng)未來可能出現(xiàn)的情景集，是一個預(yù)演未來情景的過程；情景風(fēng)險表達(dá)是提取可以用來描述風(fēng)險的指標(biāo)，對未來情景中這些指標(biāo)的情況進(jìn)行綜合評估后得結(jié)果，并用該結(jié)果作為風(fēng)險分析的結(jié)果。

2 配電網(wǎng)風(fēng)險情景界定

配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險情景界定是情景風(fēng)險表達(dá)的基本條件。配電網(wǎng)運(yùn)行中面臨的情景包括時間情景、空間情景、自然情景和配電網(wǎng)運(yùn)行情景，每種情景對于配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險有不同的作用方式。綜合這4類情景可構(gòu)建完整的未來情景集。

由于地理、歷史和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平的差異，各個地區(qū)的配電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r各不相同，各類情景因數(shù)需要依據(jù)該地區(qū)配電網(wǎng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析確定。本文中的情景因數(shù)值取自某地區(qū)配電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗數(shù)據(jù)，以進(jìn)行理論分析和說明。

2.1 時間情景

時間情景分為一般工作日、節(jié)假日、特殊保供電時期3種情況。配電網(wǎng)運(yùn)行中不利事件發(fā)生在節(jié)假日或者特殊保供電時期，所造成的損失要明顯大于一般工作日的情況。本文中以時間情景因數(shù)kt來表征特殊時期對配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險的放大作用，如表1所示。

表1 時間情景因數(shù)ktTab.1Time scenario factor kt

2.2 空間情景

空間情景分為市中心區(qū)、市區(qū)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村4種情況，其情景因數(shù)如表2所示。

表2 空間情景因數(shù)klTab.2Location scenario factor kl

2.3 自然情景

自然情景分為晴好天氣、雷雨大風(fēng)、高溫、大霧和結(jié)冰5種情況，其情景因數(shù)見表3?？梢?，惡劣氣象條件下，配電網(wǎng)故障發(fā)生的可能性大幅提升。

表3 自然情景因數(shù)keTab.3Nature scenario factor ke

2.4 配電網(wǎng)運(yùn)行情景

配電網(wǎng)運(yùn)行情景分為正常運(yùn)行、計劃檢修、帶電檢修、用戶側(cè)故障和關(guān)聯(lián)線路檢修5種情況，其情景因數(shù)如表4所示。

表4 電網(wǎng)運(yùn)行情景因數(shù)koTab.4Operating scenario factor ko

當(dāng)關(guān)聯(lián)線路檢修時若該線路發(fā)生故障，負(fù)荷將無法轉(zhuǎn)帶，從而影響該線路的停電時間。

2.5 確定未來情景集

配電網(wǎng)運(yùn)行的未來情景集是上述4種情景因素的組合，一個完整的未來情景集可以表示為

式中：X為未來情景集；T、L、E、O分別為時間情景、空間情景、自然情景和配電網(wǎng)運(yùn)行情景。

未來情景集不僅包括可能出現(xiàn)的一系列狀態(tài)，還包括系統(tǒng)中各要素的初始條件以及事件由初始狀態(tài)向最終狀態(tài)發(fā)展的過程描述，而可能出現(xiàn)的狀態(tài)是初始狀態(tài)在經(jīng)歷發(fā)展過程之后的最終結(jié)果。首先，設(shè)定初始狀態(tài)X0。主要指配電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行的情況，視為已知，不存在任何隨機(jī)因素；其次，發(fā)展過程描述。配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險發(fā)展的過程不但與初始狀態(tài)關(guān)系密切，而且也受到各種不確定因素指配電網(wǎng)情景集的轉(zhuǎn)換的影響。

在不同的未來情景集中，設(shè)每種不利事件發(fā)生的概率是P（Xi），造成的后果是S（Xi）。

3 配電網(wǎng)情景風(fēng)險表達(dá)

情景風(fēng)險表達(dá)是通過合理的途徑確定未來情景集中每種情況所對應(yīng)的某些參數(shù)，并綜合考慮之，得到風(fēng)險分析的結(jié)果[15]。風(fēng)險分析的結(jié)果是從多角度反應(yīng)配電網(wǎng)潛在損失的可能和程度。

配電網(wǎng)運(yùn)行中的不利事件包括各種停電事件和各種異常運(yùn)行狀態(tài)，如過負(fù)荷和電壓越限。評估停電事件的指標(biāo)是不可用度情景風(fēng)險、失電量情景風(fēng)險和失負(fù)荷情景風(fēng)險，這3個指標(biāo)中的損失函數(shù)分別代表時戶數(shù)百分比、MW·h和MW/a。在評估異常運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)是過負(fù)荷情景風(fēng)險和電壓越線情景風(fēng)險，這2個指標(biāo)中的損失函數(shù)表示與正常狀態(tài)的畸變嚴(yán)重程度。

3.1 不可用度情景風(fēng)險

不可用度情景風(fēng)險反映不同情景中配電網(wǎng)的加權(quán)不可用度，表達(dá)式為

式中：ni為各個負(fù)荷點(diǎn)的用戶數(shù)；λi為各個負(fù)荷點(diǎn)的故障率；ri為各個負(fù)荷點(diǎn)的故障平均時間；m為負(fù)荷點(diǎn)數(shù)；ke、ko、kl和kt分別為自然情景因數(shù)、配電及運(yùn)行情景因數(shù)、空間情景因數(shù)和時間情景因數(shù)。

3.2 失電量情景風(fēng)險

失電量情景風(fēng)險反映不同情景中配電網(wǎng)的加權(quán)失電量，其表達(dá)式為

式中，Li為各個負(fù)荷點(diǎn)的實時負(fù)荷。

3.3 失負(fù)荷情景風(fēng)險

失負(fù)荷情景風(fēng)險反映不同情景中配電網(wǎng)的加權(quán)失負(fù)荷的功率，其表達(dá)式為

3.4 過負(fù)荷情景風(fēng)險

過負(fù)荷情景風(fēng)險反映不同情景中配電網(wǎng)元件的過負(fù)荷風(fēng)險，其表達(dá)式為

發(fā)生概率P4（Xi）的主要影響因素是自然情景和配電網(wǎng)運(yùn)行情景。損失S4與過負(fù)荷閾值V的關(guān)系是：當(dāng)0≤負(fù)載率≤V時，S4=0；當(dāng)負(fù)載率〉V時，S4=（負(fù)載率/V）2。

3.5 電壓越限情景風(fēng)險

電壓越限情景風(fēng)險反映不同情景中配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓越限風(fēng)險，其表達(dá)式為

發(fā)生概率P5（Xi）的主要影響因素是自然情景和配電網(wǎng)運(yùn)行情景。損失S5與額定電壓UN的關(guān)系是：當(dāng)0.93UN≤偏差最大電壓U≤1.07UN時，S5= 0；當(dāng)偏差最大電壓U〈0.93UN時，S5=（U/UN）2或偏差最大電壓U〉1.07UN時，S5=（U/UN）2。

圖3 算例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3Network structure of example

4 算例分析

4.1 算例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

建立了10 kV手拉手配電線路模型，如圖3所示，其中W1和W2為電源；QS1～QS5為隔離開關(guān)，QS5是聯(lián)絡(luò)開關(guān)，常開；由W1到QS5為Line1，由W2到QS5為Line2；FU1～FU6為熔斷器；A～F為集中負(fù)荷點(diǎn)；各個元件的可靠性參數(shù)如表5所示。

當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行情景為“正常運(yùn)行”時，算例中Line1、Line2按照環(huán)網(wǎng)方式開環(huán)運(yùn)行；當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行情景為“關(guān)聯(lián)線路檢修”即Line1或Line2任一線路檢修時，另一線路按照輻射接線運(yùn)行。線路不同的運(yùn)行方式對應(yīng)不同的每次故障平均時間r。算例中不考慮2條線同時檢修或同時故障的情況。

算例參數(shù)：10 kV絕緣導(dǎo)線型號為JKLYJ-240，載流量505 A，容量9.093 MVA，線路額定容量取為9 MVA，V取為7.2 MVA。t0時刻負(fù)荷點(diǎn)A、B、C功率分別為2.2、1.7和1.1 MW，功率因數(shù)為0.95、0.90和0.92；負(fù)荷點(diǎn)D、E、F功率分別為2.2、1.7和1.1 MW，功率因數(shù)0.95、0.90和0.92。負(fù)荷點(diǎn)B、C由Line2轉(zhuǎn)帶時，網(wǎng)絡(luò)最低電壓9.20 kV，最大負(fù)荷8.94 MVA；負(fù)荷點(diǎn)C由Line2轉(zhuǎn)帶時，網(wǎng)絡(luò)最低電壓9.72 kV，最大負(fù)荷6.97 MVA。開環(huán)運(yùn)行時，網(wǎng)絡(luò)最低電壓9.93 kV，最大負(fù)荷5.51 MVA。

表5 元件可靠性參數(shù)Tab.5Reliability Parameter of elements

4.2 故障模式及結(jié)果分析

當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行情景為“正常運(yùn)行”時，若干線2 km段故障，負(fù)荷B、C可由聯(lián)絡(luò)線路供電，停電時間是拉開QS1和合上QS5的時間，為1 h。

干線3 km段故障時，負(fù)荷點(diǎn)A可以通過拉開QS1恢復(fù)供電，時間為1 h。負(fù)荷點(diǎn)B必須等該線路修復(fù)后才能供電，時間是4 h。負(fù)荷點(diǎn)C由聯(lián)絡(luò)線供電，拉開QS2合上QS5，為1 h。

干線1 km段故障時，負(fù)荷點(diǎn)A、B只須拉開QS2，由主電源恢復(fù)供電，時間為1 h，而負(fù)荷點(diǎn)C需待該段線路修復(fù)，時間是4 h。

負(fù)荷點(diǎn)A的故障率為

負(fù)荷點(diǎn)A每次故障平均時間為

負(fù)荷點(diǎn)A年平均停電時間為

同理可以計算其他集中負(fù)荷點(diǎn)的故障停電數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6所示。

當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行情景為“關(guān)聯(lián)線路檢修”時，類似地可以計算獲得各個負(fù)荷點(diǎn)的故障停電數(shù)據(jù)，如表7所示。

表6 環(huán)網(wǎng)接線故障及后果分析Tab.6Fault and consequence analysis of loop network connection mode

表7 輻射狀接線故障及后果分析表Tab.7Fault and consequence analysis of redial network connection mode

4.3 各種未來情景集下的風(fēng)險預(yù)警

利用上述數(shù)據(jù)對線路Line1進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)計算，算例中僅取6種典型情景集。

（1）未來情景集：X1=f（一般工作日，城鎮(zhèn)，晴好天氣，正常運(yùn)行），則不可用度情景風(fēng)險R1為

失電量情景風(fēng)險R2為

失負(fù)荷情景風(fēng)險R3為

過負(fù)荷情景風(fēng)險R4為

電壓越限情景風(fēng)險R5為

（2）未來情景集：X2=f（一般工作日，城鎮(zhèn)，晴好天氣，關(guān)聯(lián)線路檢修），則

同理，建立未來情景集X3～X6：X3=f（節(jié)假日，城鎮(zhèn)，晴好天氣，正常運(yùn)行）；X4=f（一般工作日，城鎮(zhèn)，雷雨大風(fēng)，正常運(yùn)行）；X5=f（一般工作日，城鎮(zhèn)，晴好天氣，帶電檢修）；X6=f（特殊保電時期，市區(qū)，大霧，計劃檢修）。

針對以上情景集分別進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)計算，結(jié)果如表8所示。

表8 不同情景集下的風(fēng)險指標(biāo)值Tab.8Index values of different scenario sets

由表8可見，通過建立多種未來情景集，并對各個情景集進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)計算，能夠展現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行中可能面臨的多種情景下的風(fēng)險變動情況，從而對運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)預(yù)警。

5 結(jié)語

本文結(jié)合情景分析和電網(wǎng)風(fēng)險評估的理論，建立了基于情景分析的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警方法，首先對影響配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險的因素進(jìn)行風(fēng)險情景界定，然后建立合理的風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行情景風(fēng)險表達(dá)。該方法能夠?qū)Χ喾N復(fù)雜因素影響下的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)預(yù)警，對于配電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行能夠起到有益的指導(dǎo)作用。隨著智能電網(wǎng)研究和建設(shè)的推進(jìn)，分布式能源和微網(wǎng)運(yùn)行將在配電網(wǎng)中日益普遍。在本方法的基礎(chǔ)上增加對以上因素的考量，以期對智能電網(wǎng)迅速推進(jìn)大背景下的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)預(yù)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

劉洪（1979—），男，博士，副教授，研究方向為城市電網(wǎng)規(guī)劃與評估。Email：liuhong@tju.edu.cn

2014-04-29；

2014-07-14

國家電網(wǎng)公司科技項目-提高配電網(wǎng)故障處理能力的關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)（2012-094）

朱振環(huán)（1984—），男，通信作者，碩士，研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃和配電網(wǎng)風(fēng)險評估。Email：jianjinhanzhi@126.com

馬康（1984—），男，博士，工程師。研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行仿真計算。Email：makang@epri.sgcc.com.cn