基于逼近理想點(diǎn)法電網(wǎng)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

張義國(guó)

（山東博興縣供電公司，山東 博興 256508）

電網(wǎng)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施和電力市場(chǎng)的載體，承擔(dān)著能源資源配置、保障國(guó)家能源安全和滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要作用。電力行業(yè)的功用性和電力系統(tǒng)的同時(shí)性并存的特點(diǎn)，決定了電網(wǎng)事故影響大、速度快、后果嚴(yán)重[1]。電網(wǎng)運(yùn)行中任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都可能引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，造成電網(wǎng)瓦解和大停電事故，從而帶來巨大的政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響。20世紀(jì)60年代以來，全球范圍內(nèi)重大電網(wǎng)停電事故時(shí)有發(fā)生，僅2003年，北美、歐洲、亞洲就發(fā)生了幾起不同程度的具有事故范圍廣，破壞性較大，損失嚴(yán)重的大停電事故[2-7]，電網(wǎng)的這種運(yùn)行特點(diǎn)，決定了電力行業(yè)是個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)。因此，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行安全性評(píng)估，對(duì)于保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全，充分發(fā)揮電網(wǎng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的能源基礎(chǔ)作用具有重大意義。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)安全評(píng)價(jià)工作主要包括電壓穩(wěn)定、功角穩(wěn)定、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等單項(xiàng)評(píng)估。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，其安全水平不可能由單一的指標(biāo)來表征，需從多個(gè)側(cè)面建立指標(biāo)體系，因此建立科學(xué)的電網(wǎng)安全水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系顯得至關(guān)重要[8-9]。

本文提出一套較完整的電網(wǎng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)體系包括結(jié)構(gòu)安全、充裕度、運(yùn)行安全和可靠性4個(gè)一級(jí)指標(biāo)[10]，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下包括若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)，基于建立的電網(wǎng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用逼近理想點(diǎn)逼近法對(duì)電網(wǎng)安全進(jìn)行定量分析。最后通過實(shí)際的算例對(duì)本文的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是綜合評(píng)價(jià)電網(wǎng)運(yùn)行安全性的核心環(huán)節(jié)。在遵循科學(xué)合理的評(píng)價(jià)原則的基礎(chǔ)上, 采用從整體到局部的分層遞階方法, 結(jié)合最新的理論研究成果提出了一套新的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括安全供電能力、靜態(tài)電壓安全性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)脆弱性、暫態(tài)安全性、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)5個(gè)方面，每一方面又分別包含各自的分指標(biāo), 以便從不同的角度加以量化，從不同的角度全面有效地評(píng)價(jià)電網(wǎng)的安全水平，該體系結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 改進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于逼近理想點(diǎn)法的電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)模型

逼近理想點(diǎn)法[11]是基于歸一化的原始數(shù)據(jù)矩陣，借助于多目標(biāo)決策問題的“理想解”和“負(fù)理想解”對(duì)待選項(xiàng)目（或方案，下同）進(jìn)行排序，將既最靠近理想解又最遠(yuǎn)離負(fù)理想解的項(xiàng)目確定為最優(yōu)項(xiàng)目的一種排序方法。

2.1 逼近理想法的基本流程

1）構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣。

2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。

3）計(jì)算正理想解與負(fù)理想解。

4）計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解與負(fù)理想解之間的距離。

5）計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解之間的貼近度。

6）對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序。

2.2 基本步驟及具體算法

設(shè)有n個(gè)備選方案，即有備選方案集A={A1, A2,…,An}，備選方案優(yōu)劣評(píng)估的指標(biāo)有m個(gè)，記為指標(biāo)集G={G1,G2…,Gm}。

1）構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣

通過對(duì)規(guī)模等級(jí)相同的n個(gè)地區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的定性和定量進(jìn)行計(jì)算，獲得地區(qū)電網(wǎng)對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)集的初始決策矩陣為

其中yij(i=1,2,…,n; j=1,2,…,m)表示備選方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性值。

2）對(duì)決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

通常在評(píng)價(jià)體系中, 存在著兩種不同形式的指標(biāo)∶ 正指標(biāo)和逆指標(biāo)。在對(duì)不同類型的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí), 應(yīng)采用不同的方法, 目的是處理后的指標(biāo)都具有正指標(biāo)的性質(zhì)。具體處理方法如下：

對(duì)于正指標(biāo), 一般可令

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始值經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后取值范圍均在0～1之間。由此得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X=(xij)。

3）確定正理想解與負(fù)理想解

所謂正理想解是指每一準(zhǔn)則項(xiàng)目中選出的最大評(píng)估值，成為正理想解的結(jié)合，負(fù)理想解則相反。

4）計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解D+與負(fù)理想解D?之間的距離

5）計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解之間的貼近度計(jì)算諸評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度C。，其計(jì)算公式如下：

其中 Ci越接近 l，表示該評(píng)價(jià)對(duì)象越接近正理想解，即最具競(jìng)爭(zhēng)力。

6）評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序

將第5）項(xiàng)所計(jì)算出的結(jié)果按照Ci排序，Ci越大表示離理想方案越近。亦即第i個(gè)備選方案優(yōu)于其他方案。據(jù)此，可排出優(yōu)劣次序。

3 算例分析

根據(jù)本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行安全性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本文采用文獻(xiàn)[10]中的5個(gè)規(guī)模等級(jí)相同的地區(qū)電網(wǎng)機(jī)型安全性評(píng)估，各個(gè)地區(qū)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，如表2所示。

在二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，N-1校驗(yàn)合格率、變壓器容載比、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定率、旋轉(zhuǎn)備用率是正指標(biāo)，其他指標(biāo)為逆指標(biāo)，由式（2）和式（3）分別對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終把所有指標(biāo)無量綱化，且取值均在0～1之間。歸一化的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表2 各電網(wǎng)安全性指標(biāo)值

表3 各電網(wǎng)安全性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

文獻(xiàn)[10]利用變異系數(shù)針對(duì)5個(gè)地區(qū)計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，得到各指標(biāo)的權(quán)重如表4所示。

表4 指標(biāo)權(quán)重

3.1 計(jì)算各地區(qū)安全運(yùn)行的加權(quán)規(guī)范矩陣

由表2可知，決策矩陣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的標(biāo)準(zhǔn)矩陣為

由表4可知評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量為

由此得到加權(quán)規(guī)范矩陣

3.2 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的正理想解與負(fù)理想解

根據(jù)公式（4）和（5）求得正理想解和負(fù)理想解分別為

3.3 確定各地區(qū)電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)結(jié)果

1）計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解D+與負(fù)理想解D?之間的距離。

根據(jù)式（6）和式（7）分別求出各地區(qū)安全運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值與正理想解和負(fù)理想解的距離為

2）根據(jù)式（7）計(jì)算各地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)值與理想解的相對(duì)距離度為

C=（0.4171, 0.2993, 0.6393, 0.6444, 0.6498）

3）電網(wǎng)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)結(jié)果排序

Ci越大表示離理想方案越近。亦即第 i個(gè)備選方案優(yōu)于其他方案，由此可知，5個(gè)地區(qū)的電網(wǎng)安全性性評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 評(píng)估結(jié)果排序

同時(shí)由表5可知，本文得到的評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)[10]中的綜合線性綜合評(píng)分的結(jié)果一致，說明本文提出的逼近理想點(diǎn)評(píng)估模型的正確性。

4 結(jié)論

1）提出了一套較完整的電網(wǎng)安全運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包括了結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行安全、穩(wěn)定性、充裕性等四個(gè)方面, 該指標(biāo)體系能夠科學(xué)、全面地反映電網(wǎng)的安全水平，為電網(wǎng)安全應(yīng)急技術(shù)措施的制定提供量化依據(jù)

2）建立了基于逼近理想點(diǎn)法的電網(wǎng)安全運(yùn)行評(píng)估模型, 各方法簡(jiǎn)單易行, 實(shí)用性強(qiáng)。同時(shí)選取5個(gè)相類似地區(qū)進(jìn)行實(shí)證分析, 評(píng)價(jià)結(jié)果與各地區(qū)的實(shí)際情況相符合,說明了該方法的合理性和實(shí)用性

3）本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型,不僅適用于地區(qū)電網(wǎng)的安全性評(píng)估, 還適用于國(guó)家整體電網(wǎng)的安全性評(píng)估。

[1]VANNOY D B,MC GRANAGHAN M F,HALPIN S M,et al.Roadmap for power quality standards development[J].EEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(2)∶412-421.

[2]楊懷慧,周吉安.1998-2001電力生產(chǎn)人身死亡事故分析[J].電力安全技術(shù),2002,4(6)∶23-25.

[3]藍(lán)毓俊.2003年世界上幾起大停電事件的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和啟示[C].中國(guó)城市供電學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2004, 1-6.

[4]阮思燁,孫元章,李國(guó)杰.用電壓源高壓直流輸電解決高壓電網(wǎng)中工業(yè)系統(tǒng)引起的電能質(zhì)量問題標(biāo)[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(19)∶13-17.

[5]阮前途,王偉,張征.歐洲“11.4”大面積停電事故的教訓(xùn)與啟示[J].華東電力,2007,35(1)∶1-8.

[6]陳迅, 陳紅軍.簡(jiǎn)述美加大停電及廣東電網(wǎng)的問題與對(duì)策(一)-大停電前的電網(wǎng)態(tài)勢(shì)及停電起因[J].廣東輸電與變電技術(shù),2005,(5)∶11-18.

[7]魯順,高立群,王坷等.莫斯科大停電分析及啟示[J].繼電器,2006(16)∶27-31

[8]E.ON Netz GmbH.Report on the status of the investigations of the sequence of events and causes of the failure in the continental European electricity grid on Saturday ,Nov 4,2006,after 22∶10 hours,Bayreuth(Germany)∶E.ON Netz GmbH,2006.

[9]張國(guó)華,張建華,彭謙,段滿銀. 電網(wǎng)安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系與方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(8)∶30-34.

[10]牛東曉, 魏亞楠, 邢 棉. 電網(wǎng)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)體系分析及應(yīng)用[J].華東電力,2010,38(2)∶160-163.

[11]黃賽翻,劉順利,等.逼近理想點(diǎn)法在防空兵戰(zhàn)斗部署方案排序中的應(yīng)用[J],指揮控制與仿真,2006,28(5)∶78-81.