劉雪飛，田啟東，焦 昊，郭創(chuàng)新，林欣慰，李 俊，何藍(lán)圖

(1．深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518033； 2．浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

考慮多風(fēng)險(xiǎn)因素的電網(wǎng)調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

劉雪飛1，田啟東1，焦 昊2，郭創(chuàng)新2，林欣慰1，李 俊1，何藍(lán)圖1

(1．深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518033； 2．浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論引入調(diào)度操作分析中，考慮多種風(fēng)險(xiǎn)影響因子，提出一種電網(wǎng)調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。為了全面分析調(diào)度操作各步驟的風(fēng)險(xiǎn)，基于事件樹(shù)理論模擬調(diào)度操作的發(fā)展過(guò)程，并生成調(diào)度操作狀態(tài)集；通過(guò)量化元件老化與惡劣天氣對(duì)調(diào)度操作成功率的影響，以電壓越限、潮流過(guò)載和損失負(fù)荷衡量后果嚴(yán)重度，建立量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并詳細(xì)分析相應(yīng)的評(píng)估框架。對(duì)IEEE-RTS79測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明，該文所提方法能有效評(píng)估調(diào)度操作各步驟的風(fēng)險(xiǎn)水平，辨識(shí)關(guān)鍵操作步驟，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)"事前防范"的目的。

多風(fēng)險(xiǎn)因素；調(diào)度操作；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；事件樹(shù)

調(diào)度操作是電力系統(tǒng)日常運(yùn)行的重要組成部分，在調(diào)度令執(zhí)行前通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行確定性的邏輯校驗(yàn)和潮流校驗(yàn)[1-3]。但隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力市場(chǎng)從壟斷機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂筛?jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)機(jī)制[4-7]，電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性兩相博弈，增加了許多不確定性因素，同時(shí)也使得電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)更加接近于臨界點(diǎn)。傳統(tǒng)的確定性校驗(yàn)方法已無(wú)法全面把握風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)調(diào)度操作安全的影響，在調(diào)度操作安全分析中引入考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的電網(wǎng)安全評(píng)估方法，對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者已針對(duì)調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[8]提出了基于關(guān)鍵元件搜索方法的調(diào)度操作N-1評(píng)估方法，將操作作為一個(gè)整體評(píng)估。而實(shí)際上，調(diào)度操作任務(wù)通常由若干操作步驟組成，在風(fēng)險(xiǎn)因素的影響下，操作過(guò)程中可能造成各種操作風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[9]評(píng)估了調(diào)度操作給系統(tǒng)電壓穩(wěn)定帶來(lái)的影響；文獻(xiàn)[10]基于故障樹(shù)模型分析每一步操作成功與失敗2種狀態(tài)下的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。上述文獻(xiàn)僅考慮了當(dāng)前操作狀態(tài)下電網(wǎng)的安全水平，忽略了前序操作結(jié)果對(duì)于后續(xù)操作可能帶來(lái)的影響。

針對(duì)以上不足，筆者提出一種基于操作狀態(tài)枚舉的調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。采用事件樹(shù)模型模擬實(shí)際操作的發(fā)展過(guò)程，以此生成操作狀態(tài)集合；考慮元件老化與惡劣天氣對(duì)調(diào)度操作成功率的影響，建立量化的調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，并詳細(xì)介紹風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的流程；通過(guò)IEEE-RTS測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證該文所提方法的有效性。

1 基于事件樹(shù)的調(diào)度操作狀態(tài)模擬

在傳統(tǒng)的調(diào)度操作安全校核中，調(diào)度員往往僅分析調(diào)度操作的整體結(jié)果。而在實(shí)際操作過(guò)程中，由于設(shè)備老化、惡劣天氣等因素的影響，元件可能發(fā)生拒動(dòng)和失效停運(yùn)，此時(shí)，若二次系統(tǒng)發(fā)生反應(yīng)誤差而繼續(xù)操作，將引發(fā)嚴(yán)重的后果，對(duì)操作人員及電網(wǎng)安全產(chǎn)生較大的威脅。該文基于事件樹(shù)的分析方法，模擬每一步操作可能發(fā)生的狀態(tài)，并根據(jù)操作后電網(wǎng)狀態(tài)劃分操作狀態(tài)集。

1.1 調(diào)度操作過(guò)程狀態(tài)模擬

調(diào)度操作涉及的元件主要包括開(kāi)關(guān)和刀閘，其相應(yīng)的操作狀態(tài)如表1所示。

表1 元件操作狀態(tài)

以第1個(gè)元件的操作為根節(jié)點(diǎn)，采用事件樹(shù)方法模擬調(diào)度操作的可能狀態(tài)，建立調(diào)度操作樹(shù)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地建立原則：

1)操作樹(shù)中每一層代表一步操作可能的狀態(tài)；

2)操作樹(shù)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表這步操作中操作元件的一種可能的操作結(jié)果；

3)從操作樹(shù)中某一節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)有且僅有一條路徑，該路徑上的節(jié)點(diǎn)組成的集合代表到該操作步驟為止可能的一種操作結(jié)果。

考慮到每一步操作都存在不同的操作狀態(tài)，當(dāng)操作任務(wù)較為復(fù)雜時(shí)，調(diào)度操作樹(shù)的結(jié)構(gòu)會(huì)較為龐大。而實(shí)際上，當(dāng)操作狀態(tài)可能引發(fā)不可接受的后果時(shí)，操作應(yīng)當(dāng)終止，定義操作狀態(tài)的后果閾值為ξ0,當(dāng)調(diào)度操作的直接后果ξ>ξ0時(shí)，操作將終止并在調(diào)度操作樹(shù)中進(jìn)行剪枝。

以線路運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修為例，該項(xiàng)操作共有6個(gè)操作步驟，如表2所示(線路運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修元件如圖1所示)。

表2 線路運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修操作步驟

圖1 線路運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修元件

根據(jù)調(diào)度操作樹(shù)生成規(guī)則，生成該項(xiàng)操作對(duì)應(yīng)的事件樹(shù)如圖2所示，當(dāng)操作過(guò)程中發(fā)生開(kāi)關(guān)爆炸或刀閘瓷瓶斷裂時(shí)，將導(dǎo)致所連母線失壓，操作將不再繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)操作開(kāi)關(guān)B1，B2斷開(kāi)，若發(fā)生機(jī)械拒動(dòng)而二次系統(tǒng)發(fā)應(yīng)誤差時(shí)，在進(jìn)行下一步操作時(shí)將導(dǎo)致帶負(fù)荷拉刀閘，影響到操作人員的人身安全，因此操作應(yīng)當(dāng)終止。

圖2 線路檢修操作樹(shù)

1.2 調(diào)度操作狀態(tài)劃分

如圖2所示，當(dāng)操作步驟數(shù)目增加時(shí)，可能的操作結(jié)果也隨之增加。為了便于分析數(shù)量巨大的操作結(jié)果，筆者通過(guò)對(duì)調(diào)度操作樹(shù)進(jìn)行狀態(tài)枚舉，按對(duì)應(yīng)不同的電網(wǎng)狀態(tài)結(jié)果將其分類(lèi)，得到調(diào)度操作狀態(tài)集：

C={S1(E1),S2(E2),…,Sk(Ek),…,Sn(En)} 。

(1)

同樣，以線路檢修為例，第2步操作結(jié)果可以被分為4類(lèi)電網(wǎng)狀態(tài)，如表3所示。通過(guò)分析不同電網(wǎng)狀態(tài)的運(yùn)行后果，代替分析數(shù)量巨大的每一個(gè)操作結(jié)果，能大大提高調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的效率。

表3 前2步操作可能狀態(tài)

2 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的定義[11-12]，調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)可定義為調(diào)度操作狀態(tài)的概率與操作后果的綜合，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為

(2)

式中P(Sk(Ek))和Sev(Sk(Ek))分別表示第k個(gè)操作狀態(tài)Sk(Ek)的狀態(tài)概率和嚴(yán)重程度；C為操作狀態(tài)集。

2.1 調(diào)度操作狀態(tài)概率計(jì)算

調(diào)度操作的狀態(tài)概率與操作的成功率、二次系統(tǒng)的可靠性等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，可以獲得各操作狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)概率及二次系統(tǒng)的誤差概率。在操作的過(guò)程中，設(shè)備老化導(dǎo)致元件拒動(dòng)、失效以及惡劣天氣等因素，會(huì)降低調(diào)度操作的成功率。筆者以歷史操作統(tǒng)計(jì)概率為基礎(chǔ)，通過(guò)量化設(shè)備老化與惡劣天氣的影響，建立調(diào)度操作狀態(tài)概率模型：

P(Sk(Ek))=

(3)

1)設(shè)備老化修正因子。

根據(jù)設(shè)備老化失效模型，當(dāng)元件進(jìn)入壽命浴盆曲線的損耗期時(shí)，可能發(fā)生老化失效，其失效概率隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，且損耗期曲線符合威布爾分布[13]。假設(shè)元件已投運(yùn)T時(shí)間，定義設(shè)備老化修正因子為

(4)

式中 ?和β分別為威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

2)惡劣天氣修正因子。

惡劣天氣對(duì)設(shè)備故障率及操作人員狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生較大的影響[14]，該文根據(jù)氣象局對(duì)惡劣天氣的預(yù)報(bào)信息和定級(jí)規(guī)則，量化惡劣天氣修正因子，如表4所示。

表4 惡劣天氣修正因子

2.2 調(diào)度操作狀態(tài)后果計(jì)算

計(jì)算電網(wǎng)狀態(tài)后果值是調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要一環(huán)，該文采用電壓越限、潮流過(guò)載和損失負(fù)荷三類(lèi)指標(biāo)來(lái)衡量調(diào)度操作狀態(tài)的后果嚴(yán)重度。

1)電壓越限后果值定義：

(5)

式中n為電網(wǎng)中母線總數(shù)目；Sev(Ui)代表母線i上的電壓越限程度。

其中，Ui為母線i的電壓值。

2)潮流過(guò)載后果值定義：

(6)

式中m為電網(wǎng)中傳輸線總數(shù)目；Sev(Pj)為傳輸線j上的潮流過(guò)載程度。

其中，Pj為傳輸線j上傳輸?shù)挠泄Τ绷鳌?/p>

3)損失負(fù)荷后果值定義：

(7)

式中v為電網(wǎng)中負(fù)荷總數(shù)目；Sev(Lk)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)k上的失負(fù)荷程度。

Sev(Lk)=αkLk。

其中，αk代表負(fù)荷的重要程度，Lk是該點(diǎn)損失的負(fù)荷量。

3 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架

調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包含3個(gè)主要部分：電網(wǎng)狀態(tài)生成、狀態(tài)概率計(jì)算和狀態(tài)后果評(píng)估。具體的評(píng)估流程如圖3所示。

1)由電子發(fā)令系統(tǒng)獲取調(diào)度操作令，解析后根據(jù)事件樹(shù)分析方法，生成調(diào)度操作樹(shù)模擬調(diào)度操作可能發(fā)生的狀態(tài)。

2)根據(jù)調(diào)度操作結(jié)果分類(lèi)，生成調(diào)度操作結(jié)果狀態(tài)集。

3)計(jì)算設(shè)備老化修正因子和惡劣天氣修正因子，基于操作歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算調(diào)度操作狀態(tài)概率。

4)通過(guò)潮流計(jì)算和最優(yōu)切負(fù)荷，計(jì)算電壓越限、潮流過(guò)載和損失負(fù)荷的后果嚴(yán)重度。

5)根據(jù)計(jì)算調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并通過(guò)可視化展示推送給調(diào)度員。

圖3 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架

4 算例分析

4.1 算例

筆者采用IEEE-RTS79系統(tǒng)[15]進(jìn)行算例分析，該系統(tǒng)包含24個(gè)節(jié)點(diǎn)和38條輸電線路，其單線圖如圖4所示。以線路15-24運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修為例，該項(xiàng)調(diào)度操作包含6個(gè)步驟(表2)。假定操作時(shí)設(shè)備已投放5年，實(shí)時(shí)氣象為高溫橙色預(yù)警。為了便于分析，適當(dāng)提高設(shè)備失效停運(yùn)率降低線路容量。在操作歷史統(tǒng)計(jì)概率的基礎(chǔ)上，得到元件操作狀態(tài)的概率如表5所示。

圖4 IEEE-RTS 測(cè)試系統(tǒng)

操作元件操作狀態(tài)狀態(tài)概率正常執(zhí)行0．90開(kāi)關(guān)機(jī)械拒動(dòng)0．08開(kāi)關(guān)爆炸0．02正常執(zhí)行0．95刀閘機(jī)械拒動(dòng)0．04瓷瓶斷裂0．01

4.2 場(chǎng)景分析

1)場(chǎng)景1。將調(diào)度操作令作為一個(gè)整體評(píng)估而不考慮其內(nèi)部各步驟。操作后，線路15-24停運(yùn)，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)如表6所示，由表可知，在算例的假定環(huán)境下，該操作會(huì)導(dǎo)致母線3和母線24上發(fā)生嚴(yán)重的電壓越限，并導(dǎo)致母線3上失去44.12 MW負(fù)荷。

2)場(chǎng)景2。評(píng)估調(diào)度操作令每一步操作的風(fēng)險(xiǎn)，但并不考慮前序操作可能結(jié)果對(duì)當(dāng)前操作的影響。在評(píng)估某一步操作風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，認(rèn)為前序操作步驟均已成功執(zhí)行，對(duì)應(yīng)各步操作風(fēng)險(xiǎn)如表7所示。在表7的結(jié)果中，由于不考慮前序操作的影響，各步驟的評(píng)估是相互獨(dú)立的。從表中可得知，只有在步驟1，4的操作過(guò)程中可能發(fā)生潮流過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)，步驟3，4，5有著較高的操作風(fēng)險(xiǎn)，在操作中需要重點(diǎn)關(guān)注。

表7 不考慮前序操作的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

3)場(chǎng)景3。評(píng)估調(diào)度操作每一步操作的風(fēng)險(xiǎn)，并計(jì)及前序操作可能結(jié)果對(duì)當(dāng)前操作的影響，對(duì)應(yīng)各步操作風(fēng)險(xiǎn)如表8所示，詳細(xì)展示了調(diào)度操作中每一步的操作風(fēng)險(xiǎn)，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中計(jì)及了元件老化與惡劣天氣的影響因素，并考慮了前序操作狀態(tài)對(duì)當(dāng)前操作的影響。從表8中可以發(fā)現(xiàn)，步驟4的操作總風(fēng)險(xiǎn)值最高，因此在整個(gè)操作過(guò)程中，更需要注意第4步操作的風(fēng)險(xiǎn)防范。

表8 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

4.3 場(chǎng)景比較

1)場(chǎng)景1,3的比較。比較表6，8可得，場(chǎng)景1中將調(diào)度操作令作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)估，雖然能得到操作結(jié)果的大致風(fēng)險(xiǎn)情況，但無(wú)法評(píng)估調(diào)度操作過(guò)程中每一步的風(fēng)險(xiǎn)詳情，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果所提供的信息量少，對(duì)調(diào)度員及操作運(yùn)行人員的指導(dǎo)價(jià)值不足。而從表8可明顯地觀察到，該文所提方法可詳細(xì)評(píng)估調(diào)度操作每一步的風(fēng)險(xiǎn)詳情，有助于操作運(yùn)行人員全面掌握調(diào)度操作中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)走勢(shì)。此外，通過(guò)每一步操作總風(fēng)險(xiǎn)值的比較，便于操作運(yùn)行人員準(zhǔn)確把握調(diào)度操作中的關(guān)鍵步驟，及時(shí)采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施。

2)場(chǎng)景2,3的比較。比較表7，8可得，2種方法雖然都能得到每一步操作的風(fēng)險(xiǎn)詳情，但由于場(chǎng)景2沒(méi)有考慮前序操作對(duì)當(dāng)前操作的影響，評(píng)估的結(jié)果不夠全面，潮流越限只在操作步驟1，4中可能發(fā)生，而場(chǎng)景3中每個(gè)操作步驟中都可能有潮流越限風(fēng)險(xiǎn)(如圖5)。對(duì)于每一步操作的風(fēng)險(xiǎn)走勢(shì)，場(chǎng)景2,3得到的結(jié)果相似，由于考慮了前序步驟的影響，每一步操作會(huì)導(dǎo)致更多可能的電網(wǎng)狀態(tài)，使得場(chǎng)景3中的每步操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)均高于場(chǎng)景2，關(guān)鍵操作的辨識(shí)更為明顯(如圖6)。

圖5 不同場(chǎng)景下潮流越限風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比曲線

圖6 不同場(chǎng)景下調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比曲線

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)度操作是電力系統(tǒng)日常運(yùn)行的重要組成部分，筆者提出了一種調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。與之前的調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相比，主要的創(chuàng)新點(diǎn)如下。

1)提出的方法既評(píng)估了整個(gè)調(diào)度操作的風(fēng)險(xiǎn)水平，也評(píng)估了操作過(guò)程中各個(gè)步驟的風(fēng)險(xiǎn)詳情，利于辨識(shí)關(guān)鍵操作步驟提前做好風(fēng)險(xiǎn)防范。

2)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中，考慮了元件老化與惡劣天氣的影響因素，更貼合實(shí)際情況。

3)考慮了前序操作對(duì)當(dāng)前操作的影響，使得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果更為全面。

通過(guò)調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使得調(diào)度員能夠全面掌握每一步調(diào)度操作的風(fēng)險(xiǎn)詳情，辨識(shí)關(guān)鍵操作步驟，實(shí)現(xiàn)調(diào)度操作從“事后分析”向“事前防范”的轉(zhuǎn)變。隨著電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的風(fēng)險(xiǎn)因素將被考慮到調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51537010)

劉雪飛(1971—)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行；E-mail:liuxfgz@gmail.com

TM734

A

1673-9140(2016)04-0109-07