劉雪飛，田啟東，焦 昊，郭創(chuàng)新，林欣慰，李 俊，何藍圖

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

考慮多風險因素的電網(wǎng)調(diào)度操作風險評估

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

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

將風險評估理論引入調(diào)度操作分析中，考慮多種風險影響因子，提出一種電網(wǎng)調(diào)度操作風險評估方法。為了全面分析調(diào)度操作各步驟的風險，基于事件樹理論模擬調(diào)度操作的發(fā)展過程，并生成調(diào)度操作狀態(tài)集；通過量化元件老化與惡劣天氣對調(diào)度操作成功率的影響，以電壓越限、潮流過載和損失負荷衡量后果嚴重度，建立量化風險評估指標體系，并詳細分析相應(yīng)的評估框架。對IEEE-RTS79測試系統(tǒng)進行仿真分析，分析結(jié)果表明，該文所提方法能有效評估調(diào)度操作各步驟的風險水平，辨識關(guān)鍵操作步驟，實現(xiàn)了調(diào)度操作風險"事前防范"的目的。

多風險因素；調(diào)度操作；風險評估；事件樹

調(diào)度操作是電力系統(tǒng)日常運行的重要組成部分，在調(diào)度令執(zhí)行前通常會對其進行確定性的邏輯校驗和潮流校驗[1-3]。但隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力市場從壟斷機制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂筛偁幍氖袌鰴C制[4-7]，電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性兩相博弈，增加了許多不確定性因素，同時也使得電網(wǎng)運行狀態(tài)更加接近于臨界點。傳統(tǒng)的確定性校驗方法已無法全面把握風險因素對調(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行風險的電網(wǎng)安全評估方法，對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。

當前，國內(nèi)外專家學者已針對調(diào)度操作風險評估進行了一定的研究。文獻[8]提出了基于關(guān)鍵元件搜索方法的調(diào)度操作N-1評估方法，將操作作為一個整體評估。而實際上，調(diào)度操作任務(wù)通常由若干操作步驟組成，在風險因素的影響下，操作過程中可能造成各種操作風險。文獻[9]評估了調(diào)度操作給系統(tǒng)電壓穩(wěn)定帶來的影響；文獻[10]基于故障樹模型分析每一步操作成功與失敗2種狀態(tài)下的電網(wǎng)風險。上述文獻僅考慮了當前操作狀態(tài)下電網(wǎng)的安全水平，忽略了前序操作結(jié)果對于后續(xù)操作可能帶來的影響。

針對以上不足，筆者提出一種基于操作狀態(tài)枚舉的調(diào)度操作風險評估方法。采用事件樹模型模擬實際操作的發(fā)展過程，以此生成操作狀態(tài)集合；考慮元件老化與惡劣天氣對調(diào)度操作成功率的影響，建立量化的調(diào)度操作風險評估指標，并詳細介紹風險評估的流程；通過IEEE-RTS測試系統(tǒng)驗證該文所提方法的有效性。

1 基于事件樹的調(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。而在實際操作過程中，由于設(shè)備老化、惡劣天氣等因素的影響，元件可能發(fā)生拒動和失效停運，此時，若二次系統(tǒng)發(fā)生反應(yīng)誤差而繼續(xù)操作，將引發(fā)嚴重的后果，對操作人員及電網(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)度操作過程狀態(tài)模擬

調(diào)度操作涉及的元件主要包括開關(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個元件的操作為根節(jié)點，采用事件樹方法模擬調(diào)度操作的可能狀態(tài)，建立調(diào)度操作樹結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地建立原則：

1)操作樹中每一層代表一步操作可能的狀態(tài)；

2)操作樹中每一個節(jié)點代表這步操作中操作元件的一種可能的操作結(jié)果；

3)從操作樹中某一節(jié)點到根節(jié)點有且僅有一條路徑，該路徑上的節(jié)點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)，當操作任務(wù)較為復(fù)雜時，調(diào)度操作樹的結(jié)構(gòu)會較為龐大。而實際上，當操作狀態(tài)可能引發(fā)不可接受的后果時，操作應(yīng)當終止，定義操作狀態(tài)的后果閾值為ξ0,當調(diào)度操作的直接后果ξ>ξ0時，操作將終止并在調(diào)度操作樹中進行剪枝。

以線路運行轉(zhuǎn)檢修為例，該項操作共有6個操作步驟，如表2所示(線路運行轉(zhuǎn)檢修元件如圖1所示)。

表2 線路運行轉(zhuǎn)檢修操作步驟

圖1 線路運行轉(zhuǎn)檢修元件

根據(jù)調(diào)度操作樹生成規(guī)則，生成該項操作對應(yīng)的事件樹如圖2所示，當操作過程中發(fā)生開關(guān)爆炸或刀閘瓷瓶斷裂時，將導(dǎo)致所連母線失壓，操作將不再繼續(xù)進行。當操作開關(guān)B1，B2斷開，若發(fā)生機械拒動而二次系統(tǒng)發(fā)應(yīng)誤差時，在進行下一步操作時將導(dǎo)致帶負荷拉刀閘，影響到操作人員的人身安全，因此操作應(yīng)當終止。

圖2 線路檢修操作樹

1.2 調(diào)度操作狀態(tài)劃分

如圖2所示，當操作步驟數(shù)目增加時，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，筆者通過對調(diào)度操作樹進行狀態(tài)枚舉，按對應(yīng)不同的電網(wǎng)狀態(tài)結(jié)果將其分類，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類電網(wǎng)狀態(tài)，如表3所示。通過分析不同電網(wǎng)狀態(tài)的運行后果，代替分析數(shù)量巨大的每一個操作結(jié)果，能大大提高調(diào)度操作風險評估的效率。

表3 前2步操作可能狀態(tài)

2 調(diào)度操作風險指標計算

根據(jù)電網(wǎng)運行風險的定義[11-12]，調(diào)度操作風險可定義為調(diào)度操作狀態(tài)的概率與操作后果的綜合，風險指標為

(2)

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

2.1 調(diào)度操作狀態(tài)概率計算

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)。通過對歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，可以獲得各操作狀態(tài)的統(tǒng)計概率及二次系統(tǒng)的誤差概率。在操作的過程中，設(shè)備老化導(dǎo)致元件拒動、失效以及惡劣天氣等因素，會降低調(diào)度操作的成功率。筆者以歷史操作統(tǒng)計概率為基礎(chǔ)，通過量化設(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，當元件進入壽命浴盆曲線的損耗期時，可能發(fā)生老化失效，其失效概率隨時間增長而增大，且損耗期曲線符合威布爾分布[13]。假設(shè)元件已投運T時間，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。

惡劣天氣對設(shè)備故障率及操作人員狀態(tài)都會產(chǎn)生較大的影響[14]，該文根據(jù)氣象局對惡劣天氣的預(yù)報信息和定級規(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)后果計算

計算電網(wǎng)狀態(tài)后果值是調(diào)度操作風險評估的重要一環(huán)，該文采用電壓越限、潮流過載和損失負荷三類指標來衡量調(diào)度操作狀態(tài)的后果嚴重度。

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)損失負荷后果值定義：

(7)

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

Sev(Lk)=αkLk。

其中，αk代表負荷的重要程度，Lk是該點損失的負荷量。

3 調(diào)度操作風險評估框架

調(diào)度操作風險評估包含3個主要部分：電網(wǎng)狀態(tài)生成、狀態(tài)概率計算和狀態(tài)后果評估。具體的評估流程如圖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)事件樹分析方法，生成調(diào)度操作樹模擬調(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，生成調(diào)度操作結(jié)果狀態(tài)集。

3)計算設(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)計數(shù)據(jù)，根據(jù)計算調(diào)度操作狀態(tài)概率。

4)通過潮流計算和最優(yōu)切負荷，計算電壓越限、潮流過載和損失負荷的后果嚴重度。

5)根據(jù)計算調(diào)度操作風險指標，并通過可視化展示推送給調(diào)度員。

圖3 調(diào)度操作風險評估框架

4 算例分析

4.1 算例

筆者采用IEEE-RTS79系統(tǒng)[15]進行算例分析，該系統(tǒng)包含24個節(jié)點和38條輸電線路，其單線圖如圖4所示。以線路15-24運行轉(zhuǎn)檢修為例，該項調(diào)度操作包含6個步驟(表2)。假定操作時設(shè)備已投放5年，實時氣象為高溫橙色預(yù)警。為了便于分析，適當提高設(shè)備失效停運率降低線路容量。在操作歷史統(tǒng)計概率的基礎(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開關(guān)機械拒動0．08開關(guān)爆炸0．02正常執(zhí)行0．95刀閘機械拒動0．04瓷瓶斷裂0．01

4.2 場景分析

1)場景1。將調(diào)度操作令作為一個整體評估而不考慮其內(nèi)部各步驟。操作后，線路15-24停運，相應(yīng)的風險指標如表6所示，由表可知，在算例的假定環(huán)境下，該操作會導(dǎo)致母線3和母線24上發(fā)生嚴重的電壓越限，并導(dǎo)致母線3上失去44.12 MW負荷。

2)場景2。評估調(diào)度操作令每一步操作的風險，但并不考慮前序操作可能結(jié)果對當前操作的影響。在評估某一步操作風險時，認為前序操作步驟均已成功執(zhí)行，對應(yīng)各步操作風險如表7所示。在表7的結(jié)果中，由于不考慮前序操作的影響，各步驟的評估是相互獨立的。從表中可得知，只有在步驟1，4的操作過程中可能發(fā)生潮流過載風險，步驟3，4，5有著較高的操作風險，在操作中需要重點關(guān)注。

表7 不考慮前序操作的風險評估結(jié)果

3)場景3。評估調(diào)度操作每一步操作的風險，并計及前序操作可能結(jié)果對當前操作的影響，對應(yīng)各步操作風險如表8所示，詳細展示了調(diào)度操作中每一步的操作風險，在風險評估過程中計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)對當前操作的影響。從表8中可以發(fā)現(xiàn)，步驟4的操作總風險值最高，因此在整個操作過程中，更需要注意第4步操作的風險防范。

表8 調(diào)度操作風險評估結(jié)果

4.3 場景比較

1)場景1,3的比較。比較表6，8可得，場景1中將調(diào)度操作令作為一個整體進行評估，雖然能得到操作結(jié)果的大致風險情況，但無法評估調(diào)度操作過程中每一步的風險詳情，風險評估結(jié)果所提供的信息量少，對調(diào)度員及操作運行人員的指導(dǎo)價值不足。而從表8可明顯地觀察到，該文所提方法可詳細評估調(diào)度操作每一步的風險詳情，有助于操作運行人員全面掌握調(diào)度操作中的風險點及風險走勢。此外，通過每一步操作總風險值的比較，便于操作運行人員準確把握調(diào)度操作中的關(guān)鍵步驟，及時采取相應(yīng)的風險防范措施。

2)場景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險詳情，但由于場景2沒有考慮前序操作對當前操作的影響，評估的結(jié)果不夠全面，潮流越限只在操作步驟1，4中可能發(fā)生，而場景3中每個操作步驟中都可能有潮流越限風險(如圖5)。對于每一步操作的風險走勢，場景2,3得到的結(jié)果相似，由于考慮了前序步驟的影響，每一步操作會導(dǎo)致更多可能的電網(wǎng)狀態(tài)，使得場景3中的每步操作風險指標均高于場景2，關(guān)鍵操作的辨識更為明顯(如圖6)。

圖5 不同場景下潮流越限風險對比曲線

圖6 不同場景下調(diào)度操作風險對比曲線

5 結(jié)語

調(diào)度操作是電力系統(tǒng)日常運行的重要組成部分，筆者提出了一種調(diào)度操作風險評估方法。與之前的調(diào)度操作風險評估相比，主要的創(chuàng)新點如下。

1)提出的方法既評估了整個調(diào)度操作的風險水平，也評估了操作過程中各個步驟的風險詳情，利于辨識關(guān)鍵操作步驟提前做好風險防范。

2)在風險評估過程中，考慮了元件老化與惡劣天氣的影響因素，更貼合實際情況。

3)考慮了前序操作對當前操作的影響，使得風險評估結(jié)果更為全面。

通過調(diào)度操作風險評估，使得調(diào)度員能夠全面掌握每一步調(diào)度操作的風險詳情，辨識關(guān)鍵操作步驟，實現(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)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的風險因素將被考慮到調(diào)度操作風險評估中。

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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

國家自然科學基金重點項目(51537010)

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

TM734

A

1673-9140(2016)04-0109-07