20 kV及以下城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法綜述與展望

張國(guó)超，宋冬瑞，王藝霖

國(guó)網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132012

0 引言

20 kV及以下城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值關(guān)系電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全性，因此，為了城市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該從不同維度找出城市電網(wǎng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，并分層分級(jí)從不同環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，以確保城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)處于最低水平。有學(xué)者以風(fēng)險(xiǎn)理論為基礎(chǔ)，以元件級(jí)風(fēng)險(xiǎn)為研究對(duì)象，對(duì)電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行“分診”，并應(yīng)用ALARP原則進(jìn)一步對(duì)電力系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行量化分級(jí)，最終從電力系統(tǒng)元件的維度量化了電網(wǎng)中存在的局部風(fēng)險(xiǎn)[1]。有學(xué)者以城市配電網(wǎng)為研究主體，同時(shí)考慮配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活性，分析了城市配電網(wǎng)電力供應(yīng)的安全性，指出城市配電網(wǎng)安全分析以靜態(tài)安全分析為主，這一特征也是在安全性評(píng)估指標(biāo)和分析方法中配電網(wǎng)有別于輸電網(wǎng)的地方[2]。有學(xué)者研究了城市配電網(wǎng)在各個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)水平，并以模糊隸屬度理論為基礎(chǔ)對(duì)規(guī)劃階段、可研階段、建設(shè)階段、運(yùn)行階段的城市配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行量化，綜合計(jì)算出各階段城市配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平總的量化值[3]。另有學(xué)者針對(duì)城市配電網(wǎng)發(fā)展過程中運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)影響因素的不斷增加，提出了一種考慮多種影響因素的城市配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[4]。

20 kV及以下城市電網(wǎng)的電壓等級(jí)較低，與35 kV及以上電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)相比，其所承載負(fù)荷相對(duì)較少，且電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)元件的數(shù)量與輸電網(wǎng)相比也較少，因此，諸多文獻(xiàn)的理論觀點(diǎn)都認(rèn)為城市電網(wǎng)中沒有明顯的暫態(tài)過程，也就是說城市電網(wǎng)的可靠性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究主要指靜態(tài)方面[5]。

文章將20 kV及以下城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為元件級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為了讓城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的相關(guān)研究成果得到充分利用，對(duì)該領(lǐng)域的相應(yīng)理論及方法開展更深入的探索?，F(xiàn)將城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法和理論進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納分析，為20 kV及以下城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究工作提供更全面的參考，為降低城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平的研究工作提供更多的理論支撐。

1 城市電網(wǎng)元件級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

城市電網(wǎng)元件級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究主要是對(duì)電網(wǎng)中的電力設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，涵蓋變壓器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和架空線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在早期的元件級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中，正態(tài)分布模型得到了廣泛的應(yīng)用，其充分考慮了設(shè)備老化故障對(duì)設(shè)備停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)水平的影響，并指出在不計(jì)及設(shè)備老化故障對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平所產(chǎn)生的影響時(shí)，算出的風(fēng)險(xiǎn)值必然會(huì)降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確度。

1.1 元件停運(yùn)模型

城市電網(wǎng)包括架空線線路、電纜、饋線、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等各類元件。電網(wǎng)中電力元件的故障停運(yùn)可分為獨(dú)立停運(yùn)和相關(guān)停運(yùn)兩類。在獨(dú)立停運(yùn)模型中，傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要應(yīng)用兩狀態(tài)強(qiáng)迫停運(yùn)可修復(fù)模型，老化失效和半強(qiáng)迫停運(yùn)是新的模擬概念。就相關(guān)停運(yùn)而言，共因停運(yùn)是最常見的一種，其有別于元件組停運(yùn)。因?yàn)樵诠惨蛲＿\(yùn)模型中，任何一個(gè)元件的停運(yùn)都可以是獨(dú)立的，其停運(yùn)狀態(tài)可以與其他元件不相關(guān)，而元件組中的每一個(gè)元件都是相關(guān)的，各元件的停運(yùn)總是同時(shí)發(fā)生，不可能出現(xiàn)各自的獨(dú)立停運(yùn)。

1.2 變壓器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在城市電網(wǎng)中，變壓器故障將有可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失，嚴(yán)重時(shí)還將威脅人身安全。因此，在城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這一研究領(lǐng)域中，變壓器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一直很受重視。有學(xué)者對(duì)作為電力系統(tǒng)中重要電力設(shè)備的變壓器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行研究，著重分析了受變壓器的負(fù)載變化影響時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本理論和方法[6]。文章充分考慮了變壓器所承擔(dān)負(fù)荷的變化和外界溫度的改變對(duì)變壓器風(fēng)險(xiǎn)水平的不確定性影響，同時(shí)以蒙特卡洛法為理論基礎(chǔ)，計(jì)算變壓器繞組所能夠承受的最高運(yùn)行溫度的概率分布，并從變壓器的壽命縮短和變壓器本體絕緣水平降低對(duì)變壓器過載后的影響兩個(gè)方面量化變壓器超負(fù)荷運(yùn)行后的風(fēng)險(xiǎn)值，最終綜合判斷變壓器的風(fēng)險(xiǎn)水平。

2 城市電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

城市電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要研究在母線電壓約束和線路熱穩(wěn)定約束下的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平。一般構(gòu)建的指標(biāo)體系包括靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，在城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，要通過相關(guān)理論確定故障后的嚴(yán)重程度，并在風(fēng)險(xiǎn)理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，最后通過權(quán)重系數(shù)將各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)匯總，進(jìn)而刻畫系統(tǒng)的整體風(fēng)險(xiǎn)水平。

2.1 評(píng)估步驟

城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要目的是通過對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值的量化來(lái)判斷電網(wǎng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，以此作為電網(wǎng)隱患排查治理的主要依據(jù)，評(píng)估過程的首要任務(wù)是對(duì)電網(wǎng)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分類歸納，再結(jié)合特定的理論算法進(jìn)行分析計(jì)算。在進(jìn)行城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，首先，要確定電網(wǎng)中電力設(shè)備的停運(yùn)模型。電力元件停運(yùn)是最常見的停運(yùn)狀況，也是城市電網(wǎng)發(fā)生故障的根本原因。其次，要選擇電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和不同狀態(tài)的計(jì)算概率。一般以狀態(tài)枚舉法或蒙特卡羅法為分析基礎(chǔ)，判斷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或復(fù)雜工況下電網(wǎng)發(fā)生停運(yùn)故障的風(fēng)險(xiǎn)水平和嚴(yán)重程度。最后，結(jié)合工程實(shí)例中的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和不同情況下風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的概率分布，量化城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值。

2.2 評(píng)估方法

城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法分為確定性方法和概率性方法，其中，確定性方法是以預(yù)期故障發(fā)生為前提，分析該預(yù)期故障發(fā)生后對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平的影響。確定性方法的應(yīng)用范圍具有明顯的局限性，只能應(yīng)用在故障重?cái)?shù)較少的停運(yùn)故障中，且對(duì)故障發(fā)生后的后果嚴(yán)重程度無(wú)法精準(zhǔn)量化。因此，近年來(lái)很多學(xué)者對(duì)確定性方法的研究和應(yīng)用越來(lái)越少。目前，概率性評(píng)價(jià)方法是城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主流方法，在大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用的背景下，概率性評(píng)價(jià)方法越來(lái)越受到廣大學(xué)者的青睞。概率性評(píng)價(jià)方法是以電力設(shè)備發(fā)生故障和自動(dòng)修復(fù)的統(tǒng)計(jì)值為基礎(chǔ)，通過分析計(jì)算得到整個(gè)城市電網(wǎng)和各節(jié)點(diǎn)參數(shù)變化曲線和風(fēng)險(xiǎn)值，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的整體風(fēng)險(xiǎn)水平作出綜合評(píng)價(jià)。

3 風(fēng)險(xiǎn)理論

早在19世紀(jì)90年代，就有學(xué)者從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度提出了風(fēng)險(xiǎn)的概念，認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)是損失的可能性，也有學(xué)者定義風(fēng)險(xiǎn)為不利事件或事件集發(fā)生的機(jī)會(huì)，即事件發(fā)生的概率。在很多文獻(xiàn)中把風(fēng)險(xiǎn)定義為在特定條件下發(fā)生各種事件產(chǎn)生的壞結(jié)果的可能性大小，這種可能性被看作是預(yù)期結(jié)果的不利偏差。風(fēng)險(xiǎn)理論是研究能導(dǎo)致傷害的災(zāi)害性的可能性和這種傷害嚴(yán)重程度的理論。實(shí)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是通過在某一特定時(shí)間t，綜合考慮元件停運(yùn)導(dǎo)致系統(tǒng)故障的嚴(yán)重度及元件停運(yùn)發(fā)生的概率。通常情況下，風(fēng)險(xiǎn)可以定量表示公式（1）所示的基本形式。

式中：t（Time）為某個(gè)時(shí)刻；S（Severity）為嚴(yán)重度，包括過負(fù)荷、電壓越限、失負(fù)荷三個(gè)方面的嚴(yán)重度；P（Probability）為元件停運(yùn)發(fā)生的概率；R（Risk）為風(fēng)險(xiǎn)值。

4 結(jié)論與展望

文章總結(jié)了20 kV及以下城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的常用理論和評(píng)估方法，并結(jié)合其他領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)研究方法和城市電網(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出將城市電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)兩類。隨著電力設(shè)備的智能化發(fā)展和大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估今后的研究重點(diǎn)應(yīng)在以下幾個(gè)方面。

（1）電網(wǎng)智能化條件下的多風(fēng)險(xiǎn)因素。分布式電源的接入和用戶需求量的不斷擴(kuò)增使得配電網(wǎng)需要極大增加監(jiān)控的深度和廣度，這無(wú)疑給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行增加了更多的不確定因素，在日后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中要綜合考慮各種風(fēng)險(xiǎn)因素的交互影響，全面評(píng)估配電網(wǎng)整體風(fēng)險(xiǎn)。

（2）利用智能電子設(shè)備獲取更完備的數(shù)據(jù)信息。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要充足、完備的數(shù)據(jù)支持，目前大多數(shù)配電系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的記錄和保護(hù)措施還不夠完善。未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究應(yīng)該通過高效、科學(xué)的智能設(shè)備監(jiān)控并記錄更完備的數(shù)據(jù)，以便對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行更精確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

（3）統(tǒng)一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。目前，雖然已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)詳細(xì)地闡述了城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的概念方法和理論依據(jù)，但學(xué)者們對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)卻不盡相同，最終研究出的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)也各有千秋。有關(guān)配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的模型和指標(biāo)體系的統(tǒng)一還有待研究。