雷云凯，蔡广林，郑秀波，张　沛

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津　300072；

2.广东电网公司电网规划研究中心，广州　510080）

风险理论协调系统规划与运行

雷云凯1，蔡广林2，郑秀波2，张沛1

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；

2.广东电网公司电网规划研究中心，广州510080）

成熟的系统规划以及可靠的稳控措施是保证电力系统安全稳定运行的两个重要方面，但是实际工作中，由于规划与运行分属不同部门而往往割裂了二者的联系，因此如何协调规划与运行具有重要的实际意义。基于风险理论提出了协调电网规划与运行的分区框架，运用风险指标合理划分电网规划与运行责任分界。通过对2015年广东电网500 kV规划系统的研究，结果表明该方法具有较强的实际可行性和可操作性，可以有效地弥补实际工作中割裂规划与运行的缺陷，从实际运行的角度更加科学、合理、经济地规划电网。

风险理论；规划与运行；失负荷；概率

电力系统规划与运行是构建、维持系统正常运作的两个重要方面。规划部门主要负责电网的新建，从前期设计的角度，对系统可能发生的运行情况和突发事件进行预判，通过提前规划和设计保证系统的鲁棒性和可靠性，保证系统在相当长一段时间内的裕度和设备的安全；运行部门则负责装置的安装和维护，从后期实际运作的角度，保证系统运行的稳定性、供电的安全可靠性及电能的良好质量。在规划中，一方面要考虑前提条件各因素（如负荷、潮流等）的概率性，另一方面装设电力设备时，要满足N-1准则，甚至是N-2、N-3准则。系统运行时需要考虑系统极限情况、设备承受能力、电能质量等问题［1］。

规划与运行的标准也不一样。电网规划的评价指标包括供电安全性、供电可靠性、经济性、适应性和协调性5个一级指标，每个指标包含多项下属指标，从不同的角度加以量化［2］；电网运行则从电能质量优良、系统操作正确、网络稳定可靠等标准进行衡量。因此，对于《电力系统安全稳定导则》［3］，规划与运行两个领域对其的理解和侧重点也不尽相同。规划领域着重关注导则中对于如何通过增减设备（发电机、线路等）来保证电网供电能力的充裕度和安全性的有关规定；运行领域则主要考虑导则中关于如何在各种运行条件、环境下确保电网稳定可靠以及保证电能质量，特别是对保护、安稳装置的安装、检修、操作的相关规定。正是因为规划与运行部门的关注重点和执行标准不同，二者在实际操作中对于某些问题会有不同的处理方法，这直接导致两部门在电网存在安全隐患或发生事故时互相指责、推诿。

目前国内外对如何协调电网规划与运行尚无系统的探讨。文献［1］指出规划是概率性的，而运行需要考虑极限值，认为运行中的保护、安稳装置是对设备规划的补充；文献［4］认为确定性可靠标准需要改变，并在美国西部联合电力系统WSCC （western systems coordinating council）中应用概率方法统筹系统规划的思路，但其仅限于规划领域，并未涉及系统运行。此外，除英国将规划与运行的可靠性标准区分，并要求规划遵守更高等级的可靠性标准外，在大多数国家的可靠性标准中，均以规划要求为准。虽可以保证运行时满足可靠性要求，但会增大建设成本，不能实现经济效益最大化。规划与运行之间如何划分界限、理清关系是系统长期存在的实际问题，但已有文献或是关注电网规划方案制定，或是关注调度控制，对规划与运行之间关系的研究却较为有限。

对于风险评估的实际应用，国内外许多学者已经在多个方面展开了研究。文献［5］结合风险理论和N-1原则运用于调度运行中，与传统运行安全准则进行比较，更加符合经济性和可靠性的要求；文献［6］基于风险理论提出了新的电价边际成本定价原则，比较了不用定价模式下系统运行的可靠程度；文献［7-10］将风险评估应用于决策支持工具的设计中，探讨了在检修计划、最优潮流和机组组合方面的应用；文献［11-12］研究了基于风险理论的可靠性评估方法在电网规划设计中的应用；文献［13］提出了基于风险的最优潮流安全约束RB-SCOPF（risk-based security-constrained optimal power flow），并针对RB-SCOPF实际应用中存在的问题，给出了数理化解决的方法，将风险理论应用于最优潮流研究；文献［14］提出了一种复杂电力系统连锁故障的风险评估方法，联系收益与风险，分析电力系统安全状态；文献［15］将风险理论运用于运行维护中，根据风险判断决定维护手段，以此维护配电系统的可靠性。

但是，相关研究并没有将风险评估与如何协调规划与运行相结合，较多的是对规划或者运行某一方面的问题的研究。基于此，本文提出了运用风险理论协调系统规划与运行的方法，基于概率失负荷风险指标评估故障事件问题是采用规划解决方案还是采用调度解决方案，从而有效地协调规划与运行的关系，解决规划与运行的责任划分问题。最后，本文以2015年广东电网500 kV规划方案为实际案例，对故障事件的责任区域进行划分。

1　风险评估理论

风险的基本定义是：对电力系统面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综合度量，是事故发生的概率与事故产生的后果的乘积［16-19］，即

式中：RPRI为系统风险；PPRO和IIMP分别为事故发生的概率和事故产生的后果。

风险评估理论需要解决2个方面的问题：一是对各种设备的故障概率进行建模；二是建立影响评价指标［20］。下面将介绍本文对各种设备的故障概率分析及建模方法，并建立以故障过程中损失的负荷量为基准的影响评价指标，并以此为依据综合协调系统规划与运行。

1.1故障概率问题分析

本文的故障概率计算根据各设备的历史停运数据预测其未来的失效率，进而计算各个事故的发生概率，计算公式为

式中：P为事故的发生概率；S为所有设备集；U为故障设备集；A为正常设备集；u为设备失效率。

设备失效率u的具体计算方法为

或

式中：Foutage为设备的停运频率，失效次数/a；Trepair为设备发生被迫停运后的平均维修时间，h；8 760 为1 a的总小时数；D为可用系数，其定义为

式中：T1为可用时间，h；T2为计划停运时间，h；T3为非计划停运时间，h。

在无有关统计数据时，同塔双回线路的不可用率可根据单回线路不可用率计算获得。由于两条线路同时发生强迫故障的概率极低，因此可认为同杆双回线路发生停运的概率为其中一回线路检修时另一回线路发生强迫故障的概率，即

式中：PDCL为同塔双回线路的故障概率；uunforced和uforced分别为非强迫停运率和强迫停运率，表示为

式中，T4为强迫停运时间，h。强迫停运为立即停运事件，属于非计划停运，因此非计划停运时间T3中包括强迫停运时间T4。

在无法基于统计数据得到线路的故障概率时，本文通过各条线路阻抗与基准阻抗的比例关系估算各条线路的长度，从而计算线路的故障概率。线路长度计算的具体公式为

式中：LLength为所求线路的长度；XL为所求线路的阻抗；XB为线路基准阻抗。

1.2影响评价指标分析

若要协调规划与运行，如何确定合适的影响评价指标成为关键。传统意义上的电网规划主要关注各类参数的越界情况，如线路过载、电压越界等，但电网实际运行中，调度人员一旦发现越界情况，就会及时采取有效的安全控制策略，将越界现象消除在初始状态，故事故影响最终都会表现为发电机出力变化和系统负荷损失。如果不考虑电网运行过程中的调度操作，仅以电压越界、支路过载等问题对规划电网进行评估分析，实际上是割裂了规划与运行工作，因而所得结果无法对规划电网的实际运行起到指导作用。

调度操作会导致发电机出力变化或负荷损失，而发电机出力变化并不是系统事故，所以各类电网故障对系统的影响水平能够通过统一的失负荷指标进行衡量，真实反映规划电网在实际运行中应对各类电网事故、保障供电可靠性的能力，因此失负荷指标对规划与运行都具有实际意义，可以作为协调规划与运行的影响评价指标。

1.3风险指标的意义和作用

对于电力系统来说，风险指标综合考虑故障事件的概率和故障事件对系统的影响。通过风险评估，能够辨识电网失效事件发生的可能性以及事件后果的严重程度［21］。

根据风险指标可以寻找一个合理且经济的措施来有效降低风险等级和防范故障事件的发生。将风险指标应用到系统规划与运行中，量化评估电网安全风险，通过不确定性分析科学地确定电网安全风险等级，将故障事件的责任主体明确划分，对于较严重事故能从规划角度防范故障发生，对于轻微事故则从运行角度加强安稳，避免过度投资。从规划阶段即协调规划与运行的责任，根据事故责任划分职责，预防故障事件的发生，可以事前明确规划与运行的责任，事后不推诿责任、不相互指责，起到有效协调规划与运行的作用，从而提高电网运行控制水平，确保电网安全稳定运行和可靠供电。

2　风险分区评估体系

基于风险理论，本文提出了通过概率失负荷风险指标划分风险框架，并据此划分系统规划与运行的责任界限。其区域风险框架如图1所示，考虑事故概率、事故影响及其相应的风险，各区域的定义如下。

图1　基于风险理论的分区框架Fig.1 Partition framework based on risk theory

（1）运行负责区域：该区域内的故障事件对系统产生的风险低，需要调度部门采取运行措施，比如调度方式、保护或安稳等，来解决问题。

图2　风险分区评估体系分析方法流程Fig.2　Flow chart of analytical procedure for risk partition assessment system

（2）规划负责区域：该区域内的故障事件对系统产生的风险高，需要发策部门通过改变网架结构，比如建设新线路、变电站等规划手段来解决问题。

依据本分区框架，根据故障事件的概率失负荷指标，决定解决问题的归属部门，建立系统规划与运行的协同机制，妥善处理规划与运行的关系。基于本风险分区评估体系的具体计算步骤如图2所示。计算中需要计及故障概率和故障影响，同时还要考虑到具体系统的风险承受能力。

3　算例分析

以2015年广东电网500 kV规划方案为研究案例，本研究包括广东电网全境输电网设备，覆盖广州、深圳、东莞、佛山等23个广东地级市的配电网设备以及与广西、香港、澳门电网互联设备等，共包括2 626条母线，1 475条输电线路，2 064台变压器及198台发电机。设备故障概率计算基于广东电网历史可靠性统计数据，以4×720线型单位长度的阻抗作为线路长度计算的基准阻抗。

本文故障集选取包括500 kV线路、母线、变压器N-1故障以及500 kV同塔双回线路故障。基于BPA软件，对故障集中各故障事件进行静态安全分析，并基于静态安全分析结果进行运行安全控制策略分析，记录导致负荷损失的故障事件。

结果表明，共有28个故障事件会导致系统失负荷，其中变压器故障事件为23个，母线故障事件为3个，同塔双回线路故障事件为2个，这些故障事件导致的失负荷值如图3所示。

图3　故障事件的失负荷指标Fig.3　Loss load indexes of each force outage

根据各故障事件的故障概率和故障事件导致的失负荷值可以计算得到各个故障事件的概率失负荷风险指标，如表1所示。

为保证对所有电网事故作出足够保守的等级划分，计算区域分界值时采用最低的元件故障率（母线故障率）作为基准元件故障率，结合失负荷值计算规划和运行之间的责任分界值。由于广东电网总负荷约为80 000 MW，500 kV母线故障概率为0.000 691，根据国务院599号令［22］中对于各类事故等级的负荷损失界定，文中轻微事故与一般及以上事故的失负荷概率风险指标分界值为80 000× 4%×0.000 691=2.21。

表1　导致失负荷的故障事件风险指标Tab.1　Risk indices of forced outage

由于轻微事故对系统影响较小，故障风险较低，运行部门可以采取多种措施予以预防，例如安装保护、安稳装置，加强设备维护、改造和升级等，可以最大程度地降低故障发生的可能性，提高故障设备的可靠性，与规划手段相比，经济成本更低，故障解决措施更简便可行，因此轻微事故可归入运行负责区域；一般及以上事故由于故障影响和风险较大，对电网存在较大的潜在威胁，需要通过新建设备等手段预防故障发生，因此此类事故应归入规划负责区域，所以本文中规划与运行责任分界的概率失负荷风险指标分界值为2.21。

图4为28个故障事件的失负荷值与故障概率关系，图中圆圈的大小与概率失负荷风险指标的大小成正比，圆圈越大故障风险越大，对系统的可靠性造成的危害也越大。由图可见，既有高故障概率和高影响的故障事件，也有低故障概率和低影响的故障事件，或者只是某一指标较高的故障事件；同时，对系统可靠性危害最大的故障并不一定是对系统物理影响（失负荷值）最大的故障。

图4　故障概率和失负荷值关系Fig.4　Relationship between force outage rate and loss load value

依据图1所示原理和区域风险阈值，可以对各故障事件进行区域划分，确定规划与运行之间的职责界线，针对不同区域的故障事件交由不同部门处理，并据此作出图4中的阈值分界线。

由图4可以直观地了解如何通过风险指标协调规划与运行。图中，概率失负荷风险指标超过2.21的故障被划入规划负责区域。这些故障的故障概率或故障影响较大，风险值较高，由调度部门负责处理易导致较严重的负荷损失，对电力系统的安全稳定运行造成较大影响，因而应该通过规划部门加强系统规划、新建电网设备、调整网架结构等方式处理。而其余概率失负荷风险指标低于2.21的故障被划入运行负责区域。这些故障具有一定的故障概率和故障影响，风险指标并不太高，虽然会对系统造成一定程度的运行风险，但通过规划手段进行处理往往成本高昂，经济效益较差，因此可由调度部门通过安装保护、安稳装置，加强设备维护、改造和升级等方式予以解决。

4　结语

我国现行的可靠性标准往往过度依赖规划阶段的工作，评价指标也局限于电压越界、过载等问题，不能与电网实际运行有效切合，实际上是割裂了规划与运行工作。此外，传统方法中，电力公司一般采用确定性方法（如N-1原则）来判断何种条件或情况下系统会发生故障。然而确定性方法并没有考虑到因元件的故障率不同而导致的系统故障随机性，由此导致分析结果与实际情况存在差异，不能起到很好的实际指导作用。

本文利用设备故障率和产生的后果得到量化电网事故的风险指标，根据概率失负荷风险指标进行故障事件的责任区域划分，并用广东电网500 kV规划网络作为案例说明这种方法的实际意义。广东电网母线故障极少发生，根据概率失负荷风险指标将失负荷值较大但故障概率较低的母线故障划入运行负责区域，避免了较为昂贵复杂的新建母线、断路器或者调整网架结构等处理措施，而是基于调度手段预防故障事件的发生，降低经济成本的同时保证了系统的可靠运行。通过广东电网500 kV规划网络实际算例结果可以发现，基于概率认识的风险评估理论能从实际运行角度出发，判断各种设备的故障情况，分析设备故障风险，符合工程实际，更具科学性和合理性。

由于系统的规模和设备故障率的不同，计算得到的风险指标也是不尽相同的，并且不同电力公司对系统风险的承受能力也有所差异［23］，所以不同系统根据风险划分区域时的具体阈值是不尽相同的，需要具体情况具体分析。

本文的研究表明，风险理论可以帮助系统规划人员和运行人员判断哪些故障需要解决以及采取哪些措施解决，有效地切合了工程实际，并可据此协调系统规划与运行之间的关系。

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Coordination of System Planning and Operation Based on Risk Theory

LEI Yunkai1，CAI Guanglin2，ZHENG Xiubo2，ZHANG Pei1
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Guangdong Power Grid Planning Research Center，Guangzhou 510080，China）

Reliable system planning and credible stability control measures are the two important aspects to ensure the reliability of power system.However，because planning and operation belong to two different departments，there are lack of coordination between planning and operation.Based on the risk theory，a general framework to coordinate sys⁃tem planning and operation is proposed.The proposed method uses probabilistic loss of load risk index clarify the re⁃sponsibilities between operation and planning.This approach is examined using Guangdong test system.The study re⁃sults demonstrate the feasibility of our proposed method.

risk theory；planning and operation；loss of load；probability

TM 715

A

1003-8930（2016）03-0049-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.03.009

雷云凯（1990—），男，博士研究生，研究方向为电力系统风险评估。Email：leiyunkai@163.com

蔡广林（1980—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统规划和运行，电力系统稳定。Email：tonysang_ren@ 163.com

郑秀波（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为输电网规划。Email：zhengxiubo@gd.csg.cn

2014-04-14；

2015-05-13

天津市科技计划项目（13TXSYJC40400）