基于模糊理論的智能電網(wǎng)運行風險評估系統(tǒng)研究

張 勇

（國家電網(wǎng)公司華北分部調(diào)控分中心，北京 100053）

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，受到政府、產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界和社會的廣泛關注。由于電網(wǎng)運行具有復雜性和多面性，目前尚不能完全避免大面積停電事故的發(fā)生，因此對電力系統(tǒng)進行運行風險評估，辨識電網(wǎng)調(diào)度運行中的薄弱環(huán)節(jié)，為預防運行事故發(fā)生，制定合理的決策和應急預案，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。

本文提出的電網(wǎng)運行風險評估是對一些不確定的事件所做的評估和分析。借鑒模糊綜合評價思想［1］，將待評價量與評價區(qū)間的關系用模糊的方法進行量化，建立電網(wǎng)運行風險評估模型，同時應用網(wǎng)絡層次分析法確定指標權(quán)重，為電網(wǎng)風險預控提供了有利的技術(shù)支持。

1 電網(wǎng)運行風險指標

電網(wǎng)調(diào)度中心是電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的中心，能量管理系統(tǒng)EMS、SCADA、區(qū)域電網(wǎng)控制性能指標CPS等系統(tǒng)每天產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊含著電網(wǎng)運行和電網(wǎng)安全生產(chǎn)的全部信息。為了促進電網(wǎng)運行精細化管理［2-3］，為電力市場條件下的安全校核積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，需要對電網(wǎng)運行各方面的狀況進行評估。本文在充分考慮電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的前提下，依據(jù)電網(wǎng)運行風險［4-5］的直接原因構(gòu)建了一個由5個一級綜合評價指標，20個2級單項指標、4個電網(wǎng)安全等級的電網(wǎng)運行風險評價指標體系。

1.1 電網(wǎng)運行風險評價指標

（1）設備風險

包括：變壓器負載率、線路負載率、絕緣化率、繼電保護動作正確率、線路非計劃停運率、變壓器非計劃停運率、N-1校驗合格率、線路半徑合格率等。

（2）結(jié)構(gòu)風險

包括欠載變壓器比例、過載變壓器比例、電壓偏差、頻率偏差。

（3）信息安全分析

包括自動化系統(tǒng)安全性、互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)隔離率、人身傷亡事故率。

（4）操作風險

包括惡性誤操作事故率、變電事故率、輸電事故率。

（5）外部風險

包括自然災害風險事故率、外力破壞風險事故率。

1.2 電力系統(tǒng)安全級別

第一級，系統(tǒng)受到破壞后，會對公民、法人和其他組織的合法權(quán)益造成損害，但不損害國家安全、社會秩序和公共利益。

第二級，系統(tǒng)受到破壞后，會對公民、法人和其他組織的合法權(quán)益產(chǎn)生嚴重損害，或者對社會秩序和公共利益造成損害，但不損害國家安全。

第三級，系統(tǒng)受到破壞后，會對社會秩序和公共利益造成嚴重損害，或者對國家安全造成損害。

第四級，系統(tǒng)受到破壞后，會對社會秩序和公共利益造成特別嚴重損害，或者對國家安全造成嚴重損害。

2 模糊綜合評價原理

模糊數(shù)學是對不確定、模糊性的事物量化后運用數(shù)學知識進行科學分析的一門科學工具。

（1）確定評價對象因素集、評語集

根據(jù)專家意見確定評價指標集C、評語集V、指標質(zhì)量水平標準集Vφ，記為：

式中 m——評價等級數(shù)或指標質(zhì)量水平級別數(shù)。

標準集Vφ是定義在評語集V上的一個子集，各指標的標準集應根據(jù)指標的內(nèi)涵或依據(jù)統(tǒng)計資料或經(jīng)驗確定。

（2）確定評價因素權(quán)重

權(quán)系數(shù)是反映影響因素重要程度的量化系數(shù)，其大小對評價對象有舉足輕重的作用，不同的權(quán)系數(shù)會得到不同的結(jié)果。傳統(tǒng)確定權(quán)重的方法有定性的專家賦權(quán)法、層次分析法（AHP）［5］、定量的簡單關聯(lián)函數(shù)法等。本文采用AHP法，把人的主觀判斷進行客觀量化，將定性問題轉(zhuǎn)化為定量分析，具體過程如下：

1）建立評價層次結(jié)構(gòu)

在專家指導下，依據(jù)評價目的和指標之間的關系建立評價層次結(jié)構(gòu)。

2）建立互反判斷矩陣

式中 n——指標個數(shù)，一般由專家給出或采用德爾菲法建立。

3）權(quán)重計算

為了減少估算法帶來的誤差，運用數(shù)學軟件MATLAB求T的最大特征值λmax及其對應的特征向量Xmax，Xmax歸一化就得指標權(quán)重分配向量：

4）一致性檢驗

當CR＜0.1時，即認為T具有滿意的一致性，說明建立T時，人的思維保持了連續(xù)性；否則，就需要調(diào)整判斷矩陣。

式中 CI——判斷矩陣一致性指標；n——T的階數(shù)；

RI——T的平均隨機一致性指標。

（3）建立模糊評價矩陣

請若干專家，根據(jù)提供的各指標因子的背景材料，按規(guī)定的標準集Vφ給出各指標ci隸屬等級vj∈V。然后統(tǒng)計出ci隸屬于vj等級的頻數(shù)fij，最后用專家總數(shù) 除各頻數(shù)，得各因子指標所屬評價等級的隸屬度：由此得到最低級評價因子的模糊評價向量

從而得到上一級綜合評價指標的模糊評價矩陣

（4）多指標綜合評價

1）計算評價因子關于各評價等級的關聯(lián)度

其中i=1，2，…，n；j=1，2，…，m

2）根據(jù)1.2中求得的各因子權(quán)系數(shù)，計算待評因子關于各評價等級的關聯(lián)度及評定級別：

3 算例分析

依據(jù)電網(wǎng)運行風險指標確定的電網(wǎng)運行風險評價指標體系，選取區(qū)域電網(wǎng)2009年相關風險指標數(shù)據(jù)作為研究樣本。如見表1所示。

表1 電網(wǎng)風險指標體系及樣本數(shù)據(jù)

表1中K1，K2，K3，K4由低到高分別代表了電網(wǎng)風險等級水平，級別越高，風險程度越大。

根據(jù)12位專家給出的20個二級指標之間的重要性程度比值，應用MATLAB計算得到各級指標權(quán)重向量（歸一化），并通過一致性檢驗。

根據(jù)表1中樣本的各風險指標，利用式（11）計算得到20項指標的關聯(lián)度；根據(jù)以上得到的權(quán)系數(shù)，利用式（12）得到該樣本關于各指標的關聯(lián)度所屬電網(wǎng)運行等級，見表2。

由表2中顯示K2（p）是最大值，可以得出該區(qū)域電網(wǎng)樣本的運行風險等級為2級，屬于中度水平。

表2 各指標關聯(lián)度

4 基于模糊綜合評價思想的電網(wǎng)風險評估系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)框架

風險評估系統(tǒng)采用構(gòu)件化的設計思想，平臺的所有功能均被抽象和封裝為構(gòu)件，相關的構(gòu)件在一定的規(guī)約下組裝后實現(xiàn)完整的業(yè)務功能。同時，系統(tǒng)平臺的主體框架是一個很小的內(nèi)核，該內(nèi)核實現(xiàn)了基于插件形式將構(gòu)件集成到框架中的動態(tài)加載機制，平臺將任何內(nèi)核以外的功能構(gòu)件看作是對平臺內(nèi)核的一種擴展實現(xiàn)，只要該功能構(gòu)件符合平臺的統(tǒng)一預定義接口規(guī)范，便可進行動態(tài)調(diào)用，以擴展平臺應用程序運行時的功能，從而實現(xiàn)整個平臺的最大限度擴展，并具有高度的統(tǒng)一性和開放性。

圖1

系統(tǒng)分為三部分：數(shù)據(jù)支持、風險分析和風險決策。數(shù)據(jù)支持包括實時獲取XML電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)、SCADA實時運行數(shù)據(jù)、SVG圖形數(shù)據(jù)為風險分析和風險決策提供基礎數(shù)據(jù)；風險分析層通過確定電網(wǎng)指標體系、確定指標權(quán)重、評判集給出單因素和綜合因素關于電網(wǎng)運行風險評價等級的關聯(lián)度；風險決策層根據(jù)電網(wǎng)運行風險等級、相對威脅大小、風險防范措施能力來確定系統(tǒng)可以采用的風險防范措施。

（2）界面展示及算法分析

“風險分析”模塊通過確定電網(wǎng)評價因素集和評語集，結(jié)合鉆夾給定的評價層次結(jié)構(gòu)，分析設備遭到失效威脅后的資產(chǎn)損失程度、威脅發(fā)生概率，評估電網(wǎng)運行風險，得出電網(wǎng)運行風險等級。

圖2

“風險決策”模塊以電網(wǎng)運行風險評價結(jié)果為基礎，依據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》和《電力系統(tǒng)技術(shù)導則》，綜合考慮電網(wǎng)風險評估結(jié)論，建立設備狀態(tài)和電網(wǎng)運行風險度二維關系模型，確立電網(wǎng)運行風險應急措施。

圖3

5 結(jié)語

本文建立的電網(wǎng)運行風險評估模型綜合了層次分析法的優(yōu)點，通過均衡化的方式得到電網(wǎng)運行風險各指標的權(quán)重，結(jié)合電網(wǎng)模型因子直觀的放映綜合評價的質(zhì)與量的關系，增強了指標權(quán)重的可行性和合理性。在此基礎上建立的電網(wǎng)運行風險評估系統(tǒng)是對國家電網(wǎng)調(diào)度運行分析制度的貫徹和執(zhí)行，通過對電網(wǎng)調(diào)度各類指標的計算和分析，使得調(diào)度人員對電網(wǎng)運行情況有了更全面、明確、定量化的理解，有助于更清楚的解釋調(diào)度運行中的一些復雜相關性問題，為智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)奠定了數(shù)據(jù)基礎。

［1］ 張云曉.地區(qū)電網(wǎng)運行風險評估.浙江大學碩士學位論文，2011，1-2.

［2］ 呂立召.非序貫蒙特卡洛改進法在電網(wǎng)運行方式風險評估中的應用［D］.長沙：湖南大學，2011.

［3］ 馮永青，張伯明，吳文傳，等.基于可信性理論的電力系統(tǒng)運行風險評估（一）運行風險的提出與發(fā)展.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（1）：17-23.FENG Yong-qing，ZHANG Bo-ming，WU Wen-chuan，et al.Power system operation risk assessment based on credibility theory part one propound and development of operation risk assessment［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（1）：17-23.

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