基于改進(jìn)突變理論的區(qū)域電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李金超, 曾夢(mèng)琦, 高偉

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 北京 102206； 2. 新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206； 3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司， 西安 710000)

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深入推進(jìn)，能源系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型得到更大的支撐，但高比例可再生能源接入帶來的強(qiáng)不確定性，全面電力電子化帶來的信息與物理系統(tǒng)高度耦合性，給區(qū)域電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。近些年來，在區(qū)域電網(wǎng)的安全性研究領(lǐng)域，一些專家學(xué)者從微觀層面展開研究，王東等[1]基于區(qū)域電網(wǎng)事故發(fā)生原因，構(gòu)建了包括電網(wǎng)事故、設(shè)備事故及人身事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。郭奇卉[2]從電壓質(zhì)量、供電能力穩(wěn)定性和故障率3個(gè)方面構(gòu)建了柔性電網(wǎng)安全運(yùn)行評(píng)價(jià)體系，對(duì)柔性配電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。馮明燦等[3]基于能量、信息、電能質(zhì)量、有序充電及需求響應(yīng)等多個(gè)維度構(gòu)建了智能電網(wǎng)安全評(píng)價(jià)模型。陶勇[4]研究了地磁暴擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，提出極端天氣是導(dǎo)致電網(wǎng)安全事故的重要原因。Borgaonkar等[5]、Kim等[6]、Xu等[7]考慮到智能電網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性，提出網(wǎng)絡(luò)安全是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并從網(wǎng)絡(luò)安全角度構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)安全評(píng)價(jià)體系。還有一些專家基于宏觀視角進(jìn)行研究，覃暉[8]、謝曉帆等[9]、Barroco[10]從科技發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平兩個(gè)維度研究智能電網(wǎng)背景下的區(qū)域電網(wǎng)安全性水平。張鵬飛等[11]對(duì)歐洲電網(wǎng)近年兩次解列事故進(jìn)行分析，提出能源轉(zhuǎn)型趨勢(shì)下區(qū)域電網(wǎng)安全面臨挑戰(zhàn)。杜洋等[12]基于新的能源發(fā)展政策，構(gòu)建了電網(wǎng)綠色發(fā)展與安全高效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究二者耦合協(xié)調(diào)水平。

上述專家從多個(gè)層面對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的安全性進(jìn)行了研究，但是主要基于宏觀、微觀中的某一維度，并未對(duì)區(qū)域電網(wǎng)安全性進(jìn)行全方位的評(píng)估。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，區(qū)域電網(wǎng)安全性內(nèi)涵越發(fā)豐富、風(fēng)險(xiǎn)種類更加多樣，能否全面解析區(qū)域電網(wǎng)安全性，構(gòu)建全方位評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)準(zhǔn)確計(jì)量電網(wǎng)安全性建設(shè)成效，提高供電可靠性具有十分重要的意義。

在上述研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)綜合考慮宏觀、微觀兩個(gè)層面，基于區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)來源，從自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、技術(shù)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及能源環(huán)境6個(gè)維度構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)體系，并通過改進(jìn)突變理論計(jì)算區(qū)域電網(wǎng)安全總突變級(jí)數(shù)以及剔除企業(yè)外部風(fēng)險(xiǎn)因素影響后的本質(zhì)安全突變級(jí)數(shù)，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)安全性進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與熵權(quán)法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明此方法能夠全面解析區(qū)域電網(wǎng)安全性內(nèi)涵，為開展多情景下電網(wǎng)安全性深度分析提供支撐，為更好地找出電網(wǎng)運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，保障居民用電安全穩(wěn)定提供助力。

1 安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

國(guó)家電網(wǎng)公司將安全劃歸為電網(wǎng)安全、設(shè)備安全以及人身安全三類，涉及人員、設(shè)備、管理、環(huán)境四部分。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，人、機(jī)、管、環(huán)之間多種因素相互影響，難以獨(dú)立分析。因此在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，從風(fēng)險(xiǎn)來源角度出發(fā)，豐富了電網(wǎng)企業(yè)內(nèi)、外部環(huán)境的內(nèi)涵，最終從自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、技術(shù)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及能源環(huán)境6個(gè)維度構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

基于區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素的復(fù)雜性和不確定性，在構(gòu)建安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過程中必須秉持全面、客觀、科學(xué)的原則。所建區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及指標(biāo)釋義如表1所示。

表1 安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

其中，在衡量技術(shù)環(huán)境維度下的設(shè)備運(yùn)行可靠性時(shí)需要考慮多方面因素，因此對(duì)其進(jìn)行細(xì)化，二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 設(shè)備運(yùn)行可靠性二級(jí)指標(biāo)

2 基于改進(jìn)突變理論的安全評(píng)價(jià)模型

在評(píng)價(jià)過程中廣泛使用的熵權(quán)法根據(jù)指標(biāo)變異性大小來確定客觀權(quán)重，避免了主觀因素影響，但是在分析過程中會(huì)忽略指標(biāo)本身的重要程度，邏輯性相對(duì)較弱[13]。相較而言，改進(jìn)突變理論不僅能夠避免人為因素帶來的誤差，同時(shí)并不會(huì)忽略指標(biāo)的重要性程度，從而具有更廣泛的應(yīng)用性和精確性。

突變理論是法國(guó)數(shù)學(xué)家Rene Thom在拓?fù)鋵W(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定學(xué)的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的，主要探索系統(tǒng)內(nèi)部自穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生突變的現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的控制變量不超過4個(gè)，狀態(tài)變量不超過2個(gè)時(shí)，根據(jù)突變理論研究，系統(tǒng)最多有7種基本突變形式。常見的突變模型有4種，如表3所示。

表3 突變類型

突變模型通過勢(shì)函數(shù)來計(jì)算系統(tǒng)的臨界值，勢(shì)函數(shù)將所有控制變量和狀態(tài)變量導(dǎo)出，得到分歧方程，當(dāng)控制變量滿足分歧方程時(shí)，發(fā)生突變。突變理論一般用于處理不具備連續(xù)性的問題，這一理論雖然避免了人為賦權(quán)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀影響，但需要對(duì)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行人工排序，不利于結(jié)果的評(píng)判[14]。選擇改進(jìn)的CRITIC法對(duì)指標(biāo)重要性進(jìn)行排序[15]，CRITIC法主要基于差異性和沖突性理念對(duì)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)。差異性指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)對(duì)象間取值的差異，通過標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)進(jìn)行衡量；沖突性用不同指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行衡量。

對(duì)于區(qū)域電網(wǎng)來說，內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境往往是突然發(fā)生變化，在受到外界擾動(dòng)后，往往經(jīng)歷平衡-突變-平衡的過程，一般不具備連續(xù)性，因此可以采用改進(jìn)突變理論進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 基于改進(jìn)突變理論的評(píng)價(jià)步驟

基于改進(jìn)突變理論的區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)步驟如圖1所示。

圖1 改進(jìn)突變理論流程圖

步驟1建立區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

步驟2數(shù)據(jù)去量綱化處理。對(duì)指標(biāo)正負(fù)進(jìn)行判定，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去量綱化處理。定義指標(biāo)初始數(shù)據(jù)為X1,X2,…,Xm，標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)為Y1,Y2,…,Ym，具體為

(1)

(2)

步驟3指標(biāo)重要性排序。設(shè)cj為第j個(gè)指標(biāo)所包含的信息量，則有

(3)

(4)

步驟4歸一化處理。將指標(biāo)按照權(quán)重進(jìn)行排序，并對(duì)指標(biāo)值按照表3中的歸一公式進(jìn)行處理。

步驟5當(dāng)控制變量對(duì)于狀態(tài)變量的影響不可彼此替代時(shí)，要依據(jù)“非互補(bǔ)”的取值原則，將指標(biāo)突變級(jí)數(shù)值中的最小值作為該維度的突變級(jí)數(shù)；當(dāng)控制變量對(duì)于狀態(tài)變量的影響可以彼此替代時(shí)，則依據(jù)“互補(bǔ)”的取值原則，即取各指標(biāo)災(zāi)變級(jí)數(shù)值的平均值作為該維度的突變級(jí)數(shù)。

步驟6根據(jù)上述流程，依次計(jì)算各維度突變級(jí)數(shù)，最終遞歸得到區(qū)域電網(wǎng)的總突變級(jí)數(shù)。

2.2 基于熵權(quán)法的評(píng)價(jià)步驟

為驗(yàn)證改進(jìn)突變理論的準(zhǔn)確性與可靠性，將之與熵權(quán)法進(jìn)行對(duì)比，熵權(quán)法評(píng)價(jià)步驟如圖2所示。

圖2 熵權(quán)法流程圖

步驟1按照上文區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去量綱化處理。

步驟2計(jì)算指標(biāo)變異性Pij。

(5)

步驟3計(jì)算指標(biāo)信息熵Ej。

(6)

步驟4計(jì)算指標(biāo)權(quán)重wj。

(7)

式(7)中：k為指標(biāo)數(shù)量。

3 案例分析

選擇2012—2019年某區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)對(duì)所建評(píng)價(jià)體系及模型進(jìn)行分析。由于數(shù)據(jù)量綱不一致與數(shù)據(jù)值量級(jí)差異，需要對(duì)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果如下。

(8)

其中，設(shè)備運(yùn)行可靠性二級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果如下。

(9)

按照“互補(bǔ)和非互補(bǔ)”原則，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)按照表1和表2中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遞歸，以自然環(huán)境維度為例，自然災(zāi)害發(fā)生概率、污閃隱患以及碳排放壓力之間存在一定關(guān)聯(lián)，因此按照“互補(bǔ)”原則取最平均值作為自然環(huán)境維度突變級(jí)數(shù)。最終所得區(qū)域電網(wǎng)安全性突變級(jí)數(shù)以及序列如圖3所示。

通過圖3可知，區(qū)域電網(wǎng)安全性在2012—2014年持續(xù)提高，在2014—2015年降低，并在2015—2019年呈平穩(wěn)趨勢(shì)，根據(jù)該區(qū)域電網(wǎng)2012—2019年6個(gè)維度突變級(jí)數(shù)波動(dòng)情況可得，安全性波動(dòng)主要受到自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，如2015年自然環(huán)境與經(jīng)濟(jì)環(huán)境突變級(jí)數(shù)驟降導(dǎo)致該年安全性下降。按照總突變級(jí)數(shù)計(jì)算結(jié)果繪制安全性變化趨勢(shì)圖，并與該電網(wǎng)歷年綜合供電可靠率進(jìn)行比較，以驗(yàn)證此方法的有效性，具體如圖4所示。

圖3 改進(jìn)突變理論安全性評(píng)價(jià)結(jié)果

通過圖4可知，安全性評(píng)價(jià)結(jié)果與電網(wǎng)歷年綜合供電可靠率變化趨勢(shì)基本一致，相關(guān)系數(shù)為96.55%，證明所建安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法能夠有效解析電網(wǎng)實(shí)際安全水平。

圖4 改進(jìn)突變理論安全性與綜合供電可靠率對(duì)比圖

通過熵權(quán)法對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示，將熵權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果與電網(wǎng)歷年綜合供電可靠率進(jìn)行比較，以驗(yàn)證改進(jìn)突變理論的精確性與先進(jìn)性。具體結(jié)果如圖5所示。

表4 熵權(quán)法安全性評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可得，采用熵權(quán)法的安全評(píng)價(jià)結(jié)果和電網(wǎng)歷年供電可靠率變化趨勢(shì)的擬合度低于改進(jìn)突變理論，均方誤差、均方根誤差以及平均絕對(duì)誤差大于改進(jìn)突變理論，由此可證明改進(jìn)突變理論的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性。

表5 誤差對(duì)比

為了剔除外部因素對(duì)電網(wǎng)本質(zhì)安全性的影響，假設(shè)自然環(huán)境與經(jīng)濟(jì)環(huán)境良好，再次測(cè)算該電網(wǎng)歷年安全性水平，將測(cè)算結(jié)果與安全性總突變級(jí)數(shù)進(jìn)行歸一化處理，并繪制變化趨勢(shì)圖，具體如圖6所示。

由圖6可得，相較于區(qū)域電網(wǎng)總體安全性，在自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境理想的情況下，2012—2019年該公司區(qū)域電網(wǎng)本質(zhì)安全性始終呈上升趨勢(shì)，說明在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，總體安全性會(huì)受到外部不可控因素的影響，但本質(zhì)安全性仍持續(xù)上升。本質(zhì)安全性在2014—2019年上升速度緩慢，表明網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)等層面所帶來的電網(wǎng)安全性能的提升已經(jīng)趨于飽和，后續(xù)提高需要繼續(xù)進(jìn)行理論、技術(shù)革新?；痉蠈?shí)際情況。

圖6 安全性突變級(jí)數(shù)比較趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

(1)從區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)作過程中的風(fēng)險(xiǎn)來源考慮，從6個(gè)維度共計(jì)23個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)體系，全面解析了區(qū)域電網(wǎng)安全性內(nèi)涵，不僅可用于某一地區(qū)多時(shí)間維度下縱向評(píng)價(jià)，也可以用于多地區(qū)間的橫向比較。

(2)選取改進(jìn)突變理論對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到了某電網(wǎng)公司2012—2019年電網(wǎng)安全性突變級(jí)數(shù)，并繪制了安全性變化趨勢(shì)圖。相較于熵權(quán)法，改進(jìn)突變理論對(duì)區(qū)域電網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)的該電網(wǎng)綜合供電可靠率具有更高一致性，證明所建評(píng)價(jià)體系和模型能夠精準(zhǔn)評(píng)判電網(wǎng)安全性，為系統(tǒng)解析電網(wǎng)安全性因素構(gòu)成，開展多情景下電網(wǎng)安全性深度分析提供支撐。

(3)由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，區(qū)域電網(wǎng)安全性波動(dòng)主要受到自然環(huán)境與經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素影響，因此建設(shè)智能電網(wǎng)過程中，在保證其他安全性指標(biāo)完成的同時(shí)，還應(yīng)提高區(qū)域電網(wǎng)對(duì)自然環(huán)境因素以及經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素的承載能力，保證中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)綜合全面發(fā)展。