CN103700025A - 一种基于风险分析的电力系统设备重要度的评估排序方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风险评估的电力系统设备重要度的评估排序方法，其以电力系统风险评估为基础，能够真实、全面地反映不同运行条件下电网设备对系统总运行风险的重要程度；本发明方法在评估设备重要度时综合考虑了电网运行的不确定因素的同时兼顾了电力企业普遍使用的确定性安全准则，有效克服以往重要度评估方法无法综合考虑电网运行的不确定因素，评价角度单一、实用性不强等不足，并能提供相较以往的评估方法更为全面的风险信息。本发明方法通过划分系统风险等级分别进行设备重要度评估，能够同时反映设备对系统安全运行的直接影响和间接影响，可以为电力系统风险管控的局部控制与优化方案提供参考，以提升电力系统的风险管控响应能力。

Description

一种基于风险分析的电力系统设备重要度的评估排序方法

技术领域

本发明属于电力系统安全风险评估技术领域，具体涉及一种基于风险评估的电力系统设备重要度的评估排序方法。

背景技术

近些年来，大停电事故频发引起了国内外专家对电力系统安全稳定运行的广泛关注和讨论。对大停电事故的原因分析表明，事故都是从极少数薄弱环节的故障引发，随后在电力网络中级联传播，最终导致大范围的严重事故。识别系统薄弱设备，消除系统在薄弱环节上的深层安全隐患，对于防止大面积停电是非常有效的。

基于风险管理方法，分析设备重要度，其目的是辨识出对系统可靠运行具有重要影响的关键设备，从而有针对性、以较低代价降低系统的总体风险水平，具有重要意义。一方面，可用评价结果来指导后续电网的规划工作（安排检修计划、设备更换等）；另一方面，可根据评价结果完善对电力系统运行风险的设备级的风险管控和应急机制，以提升电力系统的风险管控响应能力。

国内外许多学者围绕电力系统元件重要度分析作了诸多的研究，早期的研究总体可分为灵敏度分析和结构脆弱性分析两种方法。灵敏度分析适用于元件可靠性参数不变或变动很小的场景，当可靠性参数变动较大时，评价的误差会比较大；结构脆弱性分析能从拓扑结构上分析元件重要度，但无法对电网实时运行方式和运行状态做出响应。针对以上问题，相关学者从可靠性分析的角度提出了可靠性追踪方法：谢开贵在标题为Tracing the component unreliabilitycontributions and recognizing the weak parts of a bulk power system（EuropeanTransactions on Electrical Power,2011,21(1):254-262.）的文献中提出了通过识别系统元件对系统可靠性的“贡献”来识别设备重要程度的方法，该方法在电网可靠性评估的统一框架下对设备重要度进行评估，但其可靠性指标与指标分配方法缺乏统一性，评价角度单一，且未考虑设备的实时运行状态对设备重要度的影响。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于风险评估的电力系统设备重要度的评估排序方法，从设备重要度的风险意义出发，以电力系统风险评估为基础，能够真实地反映不同运行条件下电网设备对系统总运行风险的重要程度。

一种基于风险评估的电力系统设备重要度的评估排序方法，包括如下步骤：

（1）计算电力系统中各设备的当前故障概率；

（2）利用状态枚举法确定系统在所有预想故障情况下对应的各种故障状态，并对系统所有故障状态进行充裕性分析，确定各故障状态的风险等级：紧急风险等级、警戒风险等级或健康等级；进而剔除属于健康等级的故障状态；

（3）对于任一紧急风险等级或警戒风险等级的故障状态，计算该故障状态下系统的故障风险指数并执行步骤（4）；

（4）利用风险追踪法将该故障状态下系统的运行风险按贡献程度分配给各设备，并计算该故障状态下系统各设备的风险指数贡献值；

（5）根据步骤（3）和（4）遍历所有紧急风险等级或警戒风险等级的故障状态；通过累加各故障状态的故障风险指数以及设备在各故障状态下的风险指数贡献值，计算系统中各设备的紧急重要度和警戒重要度；进而根据紧急重要度或警戒重要度对系统中各设备进行排序。

所述的步骤（1）中，根据以下算式计算设备的当前故障概率：

$P_i=K_i{e}^{C_i\·H_i}$

其中：P_i为系统中第i个设备的当前故障概率，K_i和C_i分别为第i个设备的比例系数和曲率系数，H_i为第i个设备当前综合状态评分，i为自然数且1≤i≤m，m为系统中的设备总个数。

通过设备在线监测系统实时获取电网设备的状态检测结果，参照《国家电网公司输变电设备状态评价导则Q/GDB169～173-2008》，对设备状态进行量化评价，可求得设备的实时综合状态评分（数值范围为0～100）；只要具备2年以上的设备综合状态评分和设备故障概率的统计数据，则可通过反演计算获取设备的比例系数和曲率系数。

所述的步骤（2）中，对于任一故障状态，利用最优潮流算法判断该故障状态下的系统是否满足充裕性：若系统需切负荷，则判定该故障状态为紧急风险等级；若系统无需切负荷，则进一步对系统进行N-1校验：如果系统满足安全准则，则判定该故障状态为健康；如果系统不满足安全准则，则判定该故障状态为警戒风险等级；依此遍历所有故障状态。

所述的步骤（3）中，根据以下算式计算任一故障状态下系统的故障风险指数：

$P\left(E\right)=\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}{p}_j\×\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-p_k)$

其中：P(E)为故障状态E下系统的故障风险指数，P_j为故障状态E下系统中第j个故障设备的当前故障概率，P_k为故障状态E下系统中第k个非故障设备的当前故障概率，j为自然数且1≤j≤d，k为自然数且1≤k≤n，d和n分别为故障状态E下系统中故障设备和非故障设备的总个数。

所述的步骤（4）中，根据以下算式计算任一故障状态下系统各设备的风险指数贡献值：

$\mathrm{SI}(E~j)=\frac{p_j}{\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j}P\left(E\right),\mathrm{SI}(E~k)=0$

其中：SI(E～j)为故障状态E下系统中第j个故障设备的风险指数贡献值，SI(E～k)为故障状态E下系统中第k个非故障设备的风险指数贡献值，P_j为故障状态E下系统中第j个故障设备的当前故障概率，P(E)为故障状态E下系统的故障风险指数，j为自然数且1≤j≤d，k为自然数且1≤k≤n，d和n分别为故障状态E下系统中故障设备和非故障设备的总个数。

所述的步骤（5）中，根据以下算式计算系统中各设备的紧急重要度和警戒重要度：

${\mathrm{EII}}_i=\frac{{\mathrm{ESI}}_i}{\mathrm{ESI}}\×100\%,{\mathrm{AII}}_i=\frac{{\mathrm{ASI}}_i}{\mathrm{ASI}}\×100\%$

其中：EII_i和AII_i分别为系统中第i个设备的紧急重要度和警戒重要度，ESI_i和ASI_i分别为系统中第i个设备的紧急风险指数贡献值和警戒风险指数贡献值，ESI和ASI分别为系统的紧急风险指数和警戒风险指数。

所述的紧急风险指数贡献值ESI_i和警戒风险指数贡献值ASI_i的计算表达式如下：

${\mathrm{ESI}}_i=\underset{x=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SI}(E_x~i)$

${\mathrm{ASI}}_i=\underset{y=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SI}(E_y~i)$

其中：SI(E_x～i)为第x个紧急风险等级故障状态E_x下系统中第i个设备的风险指数贡献值，SI(E_y～i)为第y个警戒风险等级故障状态E_y下系统中第i个设备的风险指数贡献值，x为自然数且1≤x≤X，y为自然数且1≤y≤Y，X和Y分别为紧急风险等级和警戒风险等级的故障状态总个数。

所述的紧急风险指数ESI和警戒风险指数ASI的计算表达式如下：

$\mathrm{ESI}=\underset{x=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}P\left(E_x\right)$

$\mathrm{ASI}=\underset{y=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}P\left(E_y\right)$

其中：P(E_x)为第x个紧急风险等级故障状态E_x下系统的故障风险指数，P(E_y)为第y个警戒风险等级故障状态E_y下系统的故障风险指数，x为自然数且1≤x≤X，y为自然数且1≤y≤Y，X和Y分别为紧急风险等级和警戒风险等级的故障状态总个数。

本发明的基于风险分析的电力系统设备重要度评估与排序方法从设备重要度的风险意义出发，以电力系统风险评估为基础，能够真实、全面地反映不同运行条件下电网设备对系统总运行风险的重要程度；本发明方法在评估设备重要度时综合考虑了电网运行的不确定因素的同时兼顾了电力企业普遍使用的确定性安全准则，有效克服以往重要度评估方法无法综合考虑电网运行的不确定因素，评价角度单一、实用性不强等不足，并能提供相较以往的评估方法更为全面的风险信息，为设备重要度评估工作的提供一种简单易懂、实用性强的解决方法；本发明方法通过划分系统风险等级分别进行设备重要度评估，能够同时反映设备对系统安全运行的直接影响和间接影响，丰富设备重要度指标的物理意义；利用本发明方法得到的电力系统设备重要度指标与排序结果可以为电力系统风险管控的局部控制与优化方案提供参考，以提升电力系统的风险管控响应能力。

附图说明

图1为本发明设备重要度评估排序方法的流程示意图。

图2为IEEE-RTS79系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明设备重要度评估排序方法进行详细说明。

本实施方式以IEEE-RTS79系统进行仿真实验作为研究对象，IEEE-RTS79系统结构如图2所示，系统包括32台发电机组，33条传输线路和5台变压器。

如图1所示，一种基于风险评估的电力系统设备重要度的评估排序方法，包括如下步骤：

（1）计算电力系统中各设备的当前故障概率。

通过设备在线监测系统实时获取电网设备的状态检测结果，参照《国家电网公司输变电设备状态评价导则Q/GDB169～173-2008》，对设备状态进行量化评价，求得设备的实时综合状态评分，设备状态评分和设备故障概率之间具有指数关系，计算公式如下式所示：

P=Ke^C·H

其中，P为设备故障概率；K为比例系数；C为曲率系数，依据所收集信息的完整程度，选取相应的数值；H为设备实时综合状态评分，数值范围为0～100。只要具备2年以上的设备状态评分H和设备故障概率P的统计数据，则可通过反演计算获取比例系数K和曲率系数C。

通过历史统计数据反演得到的设备的比例系数K和曲率系数C如表1所示：

表1

如图2所示，假设虚线区域由于遭受极端恶劣天气（如极端高温），该区域内设备的实时综合评分为60分，系统其余设备的实时综合评分为80分。由此计算得到系统所有设备的当前故障概率。

（2）利用状态枚举法确定系统在所有预想故障情况下对应的各种故障状态，并对系统所有故障状态进行充裕性分析，确定各故障状态的风险等级：紧急风险等级、警戒风险等级或健康等级；进而剔除属于健康等级的故障状态；

对于任一故障状态，利用最优潮流算法判断该故障状态下的系统是否满足充裕性：若系统需切负荷，则判定该故障状态为紧急风险等级；若系统无需切负荷，则进一步对系统进行N-1校验：如果系统满足安全准则，则判定该故障状态为健康；如果系统不满足安全准则，则判定该故障状态为警戒风险等级；依此遍历所有故障状态。

（3）对于任一紧急风险等级或警戒风险等级的故障状态，计算该故障状态下系统的故障风险指数；

$P\left(E\right)=\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}{p}_j\×\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-p_k)$

其中：P(E)为故障状态E下系统的故障风险指数，P_j为故障状态E下系统中第j个故障设备的当前故障概率，P_k为故障状态E下系统中第k个非故障设备的当前故障概率，d和n分别为故障状态E下系统中故障设备和非故障设备的总个数。

（4）利用风险追踪法将该故障状态下系统的运行风险按贡献程度分配给各设备，并计算该故障状态下系统各设备的风险指数贡献值；

$\mathrm{SI}(E~j)=\frac{p_j}{\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j}P\left(E\right),\mathrm{SI}(E~k)=0$

其中：SI(E～j)为故障状态E下系统中第j个故障设备的风险指数贡献值，SI(E～k)为故障状态E下系统中第k个非故障设备的风险指数贡献值，P_j为故障状态E下系统中第j个故障设备的当前故障概率，P(E)为故障状态E下系统的故障风险指数。

（5）根据步骤（3）和（4）遍历所有紧急风险等级或警戒风险等级的故障状态；

通过累加各故障状态的故障风险指数以及设备在各故障状态下的风险指数贡献值，计算系统中各设备的紧急重要度和警戒重要度：

${\mathrm{EII}}_i=\frac{{\mathrm{ESI}}_i}{\mathrm{ESI}}\×100\%,{\mathrm{AII}}_i=\frac{{\mathrm{ASI}}_i}{\mathrm{ASI}}\×100\%$

其中：EII_i和AII_i分别为系统中第i个设备的紧急重要度和警戒重要度，ESI_i和ASI_i分别为系统中第i个设备的紧急风险指数贡献值和警戒风险指数贡献值，ESI和ASI分别为系统的紧急风险指数和警戒风险指数。

${\mathrm{ESI}}_i=\underset{x=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SI}(E_x~i)$

${\mathrm{ASI}}_i=\underset{y=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SI}(E_y~i)$

其中：SI(E_x～i)为第x个紧急风险等级故障状态E_x下系统中第i个设备的风险指数贡献值，SI(E_y～i)为第y个警戒风险等级故障状态E_y下系统中第i个设备的风险指数贡献值，x为自然数且1≤x≤X，y为自然数且1≤y≤Y，X和Y分别为紧急风险等级和警戒风险等级的故障状态总个数；

$\mathrm{ESI}=\underset{x=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}P\left(E_x\right)$

$\mathrm{ASI}=\underset{y=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}P\left(E_y\right)$

其中：P(E_x)为第x个紧急风险等级故障状态E_x下系统的故障风险指数，P(E_y)为第y个警戒风险等级故障状态E_y下系统的故障风险指数。

EII_i是第i个设备的紧急重要度，对应系统的紧急风险状态，代表设备对系统紧急指数的贡献大小。紧急风险状态下，系统充裕性已无法得到满足，体现元件对系统充裕性不足风险的直接影响。AII_i是第i个设备的警戒重要度，对应系统的警戒风险状态，代表设备对系统总警戒指数的贡献大小。警戒风险状态下，系统充裕性虽未被破坏，但系统处于亚健康状态，安全裕度小且不满足安全校验，警戒重要度体现了元件对系统充裕性不足风险的间接影响。

本实施例系统中各设备的紧急重要度指标和警戒重要度指标并完成重要度排序，结果如表2所示：

表2

注：重要度指标小于1%的未在表中列出。

最后，分别根据紧急重要度指标或警戒重要度指标对电力系统设备进行排序，以对电力系统风险管控提供技术支持。

本实施例中，无论是紧急风险重要度指标还是警戒风险重要度指标，发电系统都占据较大的比重，主要原因是发电机相对输电线路和变压器拥有高的多故障概率。其中，发电机G22与G33具有最高的紧急重要度，是因为G22与G23是系统容量最大的两台机组并且拥有最大的故障率，它们的故障会极大影响系统的充裕性，因此是系统最大的直接风险源。图2所示虚线区域内的发电机G1-G4以及输电线路L2、L3、L4、L6、L8等，虽然发电机容量小、输电线路初始故障率小，但由于运行环境恶劣，设备发生故障的概率急剧增加，对系统总风险的贡献比重也显著提升，拥有最大的警戒重要度，是系统最大的间接风险源。

故本实施方式给出了一种从风险意义出发的电力系统设备重要度评估途径；通过从不同运行条件下对电力系统设备重要度的分析，反映出本实施方式能够较真实的反映不同运行条件下设备重要度的变化情况，从而为电网运行风险管控局部调控和优化方案提供一定参考，同时也将为后续电网的规划工作（安排检修计划、设备更换等）提供依据。

Claims (8)

1.一种基于风险评估的电力系统设备重要度的评估排序方法，包括如下步骤：

（1）计算电力系统中各设备的当前故障概率；

（2）利用状态枚举法确定系统在所有预想故障情况下对应的各种故障状态，并对系统所有故障状态进行充裕性分析，确定各故障状态的风险等级：紧急风险等级、警戒风险等级或健康等级；进而剔除属于健康等级的故障状态；

（3）对于任一紧急风险等级或警戒风险等级的故障状态，计算该故障状态下系统的故障风险指数并执行步骤（4）；

（4）利用风险追踪法将该故障状态下系统的运行风险按贡献程度分配给各设备，并计算该故障状态下系统各设备的风险指数贡献值；

（5）根据步骤（3）和（4）遍历所有紧急风险等级或警戒风险等级的故障状态；通过累加各故障状态的故障风险指数以及设备在各故障状态下的风险指数贡献值，计算系统中各设备的紧急重要度和警戒重要度；进而根据紧急重要度或警戒重要度对系统中各设备进行排序。

2.根据权利要求1所述的评估排序方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，根据以下算式计算设备的当前故障概率：

$P_i=K_i{e}^{C_i\·H_i}$

其中：P_i为系统中第i个设备的当前故障概率，K_i和C_i分别为第i个设备的比例系数和曲率系数，H_i为第i个设备当前综合状态评分，i为自然数且1≤i≤m，m为系统中的设备总个数。

3.根据权利要求1所述的评估排序方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，对于任一故障状态，利用最优潮流算法判断该故障状态下的系统是否满足充裕性：若系统需切负荷，则判定该故障状态为紧急风险等级；若系统无需切负荷，则进一步对系统进行N-1校验：如果系统满足安全准则，则判定该故障状态为健康；如果系统不满足安全准则，则判定该故障状态为警戒风险等级；依此遍历所有故障状态。

4.根据权利要求1所述的评估排序方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，根据以下算式计算任一故障状态下系统的故障风险指数：

$P\left(E\right)=\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}{p}_j\×\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-p_k)$

其中：P(E)为故障状态E下系统的故障风险指数，P_j为故障状态E下系统中第j个故障设备的当前故障概率，P_k为故障状态E下系统中第k个非故障设备的当前故障概率，j为自然数且1≤j≤d，k为自然数且1≤k≤n，d和n分别为故障状态E下系统中故障设备和非故障设备的总个数。

5.根据权利要求1所述的评估排序方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，根据以下算式计算任一故障状态下系统各设备的风险指数贡献值：

$\mathrm{SI}(E~j)=\frac{p_j}{\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j}P\left(E\right),\mathrm{SI}(E~k)=0$

其中：SI(E～j)为故障状态E下系统中第j个故障设备的风险指数贡献值，SI(E～k)为故障状态E下系统中第k个非故障设备的风险指数贡献值，P_j为故障状态E下系统中第j个故障设备的当前故障概率，P(E)为故障状态E下系统的故障风险指数，j为自然数且1≤j≤d，k为自然数且1≤k≤n，d和n分别为故障状态E下系统中故障设备和非故障设备的总个数。

6.根据权利要求1所述的评估排序方法，其特征在于：所述的步骤（5）中，根据以下算式计算系统中各设备的紧急重要度和警戒重要度：

${\mathrm{EII}}_i=\frac{{\mathrm{ESI}}_i}{\mathrm{ESI}}\×100\%,{\mathrm{AII}}_i=\frac{{\mathrm{ASI}}_i}{\mathrm{ASI}}\×100\%$

其中：EII_i和AII_i分别为系统中第i个设备的紧急重要度和警戒重要度，ESI_i和ASI_i分别为系统中第i个设备的紧急风险指数贡献值和警戒风险指数贡献值，ESI和ASI分别为系统的紧急风险指数和警戒风险指数。

7.根据权利要求6所述的评估排序方法，其特征在于：所述的紧急风险指数贡献值ESI_i和警戒风险指数贡献值ASI_i的计算表达式如下：

${\mathrm{ESI}}_i=\underset{x=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SI}(E_x~i)$

${\mathrm{ASI}}_i=\underset{y=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SI}(E_y~i)$

其中：SI(E_x～i)为第x个紧急风险等级故障状态E_x下系统中第i个设备的风险指数贡献值，SI(E_y～i)为第y个警戒风险等级故障状态E_y下系统中第i个设备的风险指数贡献值，x为自然数且1≤x≤X，y为自然数且1≤y≤Y，X和Y分别为紧急风险等级和警戒风险等级的故障状态总个数。

8.根据权利要求6所述的评估排序方法，其特征在于：所述的紧急风险指数ESI和警戒风险指数ASI的计算表达式如下：

$\mathrm{ESI}=\underset{x=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}P\left(E_x\right)$

$\mathrm{ASI}=\underset{y=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}P\left(E_y\right)$

其中：P(E_x)为第x个紧急风险等级故障状态E_x下系统的故障风险指数，P(E_y)为第y个警戒风险等级故障状态E_y下系统的故障风险指数，x为自然数且1≤x≤X，y为自然数且1≤y≤Y，X和Y分别为紧急风险等级和警戒风险等级的故障状态总个数。

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