基于安全性风险评估与保险机制的可用输电能力决策

2021-08-11刘凯奇李华强陆杨李旭翔

电力建设 2021年8期

刘凯奇，李华强，陆杨，李旭翔

(1. 智能电网四川省重点实验室(四川大学)，成都市 610065；2. 国网四川省电力公司天府新区供电公司，成都市 610041)

0 引言

电力市场环境下，电网运行安全性与经济性之间的矛盾逐渐显现，如何在保证系统安全性的前提下实现经济运行，已成为电力市场各参与方特别是电网运行者关注的重要问题[1]。可用输电能力(available transfer capability, ATC)作为与电力系统安全性和经济性紧密相关的重要指标[2-3]，不仅反映系统运行的安全稳定裕度，同时还在引导市场交易、充分利用输电容量等方面发挥着积极作用[4]。在此背景下，探索综合考虑安全性与经济性的ATC决策方法，对于满足用户用电需求、提升电网资源利用效率和电网公司经济效益具有重要意义。

目前，ATC的求解方法主要有2类：确定性方法[5-7]和概率性方法[8-10]。其中，基于N-1准则的确定性方法，忽略了不确定性因素对ATC的影响，所得结果过于保守[5-7]，电网资源不能得到充分利用[11]；概率性ATC计算方法计及电力系统不确定性因素影响下的输电能力和安全裕度，受到了人们的关注，但现有的概率性方法大多局限于分析ATC的概率分布和统计特征，没有给出可供电力市场交易参考的ATC决策结果[8-10]。基于概率性方法，文献[12-13]考虑中断输电赔偿风险，提出了以电网公司期望净收益最大化为目标的ATC优化决策方法，但电网作为社会公共事业，具有极其重要的政治价值和社会价值，单纯追求经济性最优是片面的。文献[14]综合考虑事故发生可能性与事故后严重程度，建立安全性风险量化指标。安全性风险评估方法[15]可以兼顾电力系统的安全性与经济性，被广泛应用于电力系统研究中，但是在考虑电网公司经济收益并计及不确定性因素影响的ATC决策中鲜有涉及。

系统中随机不确定性因素亦使电网公司ATC决策后面临着一定的经济性风险[16]，如何转移规避该风险已成为亟待解决的问题。保险作为一种风险处理机制，其在电力市场中的应用已成为近年来的研究热点。文献[17]引入保险机制降低发电企业经营风险，减少其风险损失；文献[18]引入保险理论进行大用户直购电决策，最小化大用户停电损失；文献[19]提出一种基于营业中断保险的电压暂降保险机制，降低用户的用电风险。现有研究成果主要探讨了保险机制在发电侧和用户侧的应用，对于以输电侧电网公司作为投保方，转移规避其ATC决策风险的保险机制缺少针对性研究。

针对上述问题，本文提出一种基于安全性风险评估与保险机制的ATC决策方法。首先，将安全性风险评估与传统的ATC确定性方法相结合，求解考虑N-1故障安全性风险的ATC决策结果；其次，计及不确定性因素的影响进行概率性ATC计算，结合电力市场实际情况，评估电网公司ATC决策后的效益和面临的赔偿损失风险；然后，引入保险机制转移规避赔偿损失风险，并对保费以及电网公司投保后的效益和风险进行计算；最后通过IEEE 30节点系统仿真分析，验证所提方法对于提高电网公司经济效益、控制风险损失的有效性。

1 考虑安全性风险的ATC决策

1.1 基于最优潮流的ATC计算模型

ATC定义为最大输电能力(total transfer capability, TTC)减去现存输电交易量(existing transfer capability, ETC)，再减去输电可靠性裕度(transmission reliability margin, TRM)和容量效益裕度(capability benefit margin, CBM)。因本文所提ATC决策方法已计及不确定性因素，因此不再考虑TRM的影响。本文采用最优潮流求解ATC[10]，计算模型如下：

(1)

(2)

1.2 考虑N-1故障安全性风险的ATC决策

电力系统安全性风险评估[15]将事故发生的可能性与事故严重程度结合起来，搭建了安全性与经济性之间的桥梁，可以实现定量分析电力系统安全性的目标。将系统安全性风险引入ATC决策，建立N-1故障安全性综合风险指标Rm如下：

Rm=Pm(SH+SV+SP)

(3)

其中:

(4)

(5)

(6)

本文综合考虑事故发生的概率与严重程度，兼顾安全性与经济性，通过计算N-1故障安全性风险指标，明确系统安全性风险最大的N-1故障状态，以该故障对应的ATC值AR(AR∈A0)作为ATC决策结果。

2 计及不确定性因素的ATC风险效益评估

准确评估电网公司ATC决策后的收益情况和面临的风险，需要充分考虑电力系统中随机不确定性因素的影响。本文采用蒙特卡罗抽样法确定电网运行状态，计算对应运行状态下的ATC并与前述ATC决策结果比较，建立计及效益与赔偿损失风险的ATC风险效益评估指标。

2.1 基于非序贯蒙特卡罗仿真的概率性ATC计算

采用非序贯蒙特卡罗抽样法对电网运行状态进行仿真，主要考虑发电机、线路故障以及负荷波动2种不确定性因素。通常发电机和线路有故障和运行2种状态，其概率分布函数服从两点分布。对元件k抽取一个在[0,1]区间内均匀分布的随机数Jk，通过比较Jk与元件故障率λk的大小，确定该元件运行状态：

(7)

式中：xk表示元件k的运行状态。

对于负荷的不确定性，其概率分布函数通常服从正态分布，即N(ν,σ2)，其中ν为节点负荷基态值，方差σ2一般根据历史经验给出。

确定电网运行状态后，采用1.1节计算模型求取对应运行状态下的ATC。在完成设定的蒙特卡罗抽样次数的计算后，合并ATC相同的运行状态，得到ATC的统计状态集和概率集：

A={A1,A2,…,At,…,AN}

(8)

G={G1,G2,…,Gt,…,GN}

(9)

式中：At表示统计状态t的ATC，集合A中At按其值由小到大排列；Gt表示该统计状态出现的概率；N为合并后的ATC统计状态总数；集合A和集合G中的数值一一对应。

2.2 ATC风险效益模型

2.2.1 效益模型

ATC决策结果决定了电网在完成现存输电协议的基础上继续增加传输的输电容量，决策结果的增大，将引导更多的电力市场交易，有助于提高电网传输功率，进而提高电网公司效益水平。结合电力市场环境下电网公司输电效益构成情况，将ATC效益表示为：

W(At)=WEff(At)+WS(At)

(10)

其中：

(11)

(12)

式中：W(At)表示以AR作为决策结果，对应2.1节得到的ATC状态值At时，电网公司的ATC效益；WEff(At)表示因系统整体运行效率提升产生的运行效率收益；WS(At)表示因系统传输功率增大获得的售电效益：KP为电网运行效率收益系数；CS为电网公司售电价格；CG为电网公司购电价格。

2.2.2 风险模型

随着ATC决策结果的增大，电网公司也会面临一定的赔偿损失风险。当AR大于ATC状态值At时，系统实际可用输电能力无法满足AR，电网公司将中断部分合同用户的输电服务，因此将产生一定的合约赔偿费用：

(13)

式中：CC表示电网中断服务赔偿价格。

根据历史统计数据与现有研究成果[21]可知，赔偿损失严重度曲线类似于反指数函数，如图1所示。损失严重度曲线在不同系统不同区域间可能不同。

图1中阴影部分面积表示赔偿损失风险，是赔偿损失事件发生可能性与赔偿损失严重程度的综合度量。在本文计算模型中，受不确定性因素影响的赔偿损失风险可表示为：

图1 电网公司赔偿损失严重度曲线Fig.1 Loss severity curve of power grid companies

(14)

2.2.3 净收益模型

对应ATC决策结果AR,可计算统计状态t下的电网公司净收益B(At)，表示为ATC效益与赔偿损失的差值：

B(At)=W(At)-D(At)

(15)

2.3 ATC风险效益评估指标

通过计算以下评估指标定量分析不确定性因素影响下的ATC风险效益：

1)电网公司效益期望值EW：

(16)

2)电网公司净收益期望值EB：

EB=EW-RD

(17)

3)电网公司净收益标准差σB：

(18)

4)电网公司净收益最小值Bmin(At)：

Bmin(At)=minB(At)

(19)

5)电网公司赔偿损失最大值Dmax(At)：

Dmax(At)=D(A1)=CC(AR-A1)

(20)

6)ATC不足概率GNS：

(21)

式中：s∈{1,2,3,…,N-1}且满足As

3 基于保险机制的风险转移

3.1 电网公司赔偿损失风险的可保性分析

保险作为一种经济保障机制，在处理风险转移实现风险规避方面有很好的效果。根据保险理论[22]，能够应用保险机制处理的风险，须满足以下可保性条件：存在大量、同质的风险事件；风险事件发生具有偶然性且风险损失不具有普遍性；损失可以度量。

不确定性因素导致系统实际ATC不足进而产生赔偿损失是一种偶然性的随机事件，但在长时间周期内，庞大多区域电力市场交易中，该事件的发生具有一定的必然性；赔偿损失可根据系统实际ATC与输电合约内规定的中断服务赔偿价格定量测算。因此，因系统实际ATC不足，电网公司对部分合约用户中断输电服务而产生的赔偿损失风险属于可以采用保险机制处理的风险。

3.2 引入保险机制的风险处理

本文将自留风险与转移风险2种风险处理方式[23]结合起来，将原本由电网公司独自承担的全部赔偿损失风险，分为电网公司自留风险和转移风险两部分，建立如下保险机制：电网公司与保险机构签订保险协议，以中断服务产生的赔偿损失为保险标的，电网公司承受一定范围内的自留风险，对于自留风险以外的风险责任，通过支付保费的方式转移给保险机构承担。上述赔偿损失风险处理机制如图2所示。

图2 赔偿损失风险处理机制Fig.2 The risk transfer mechanism for economic loss

式中：μ为免赔率，表示电网公司自留损失阈值占最大赔偿损失的份额，由电网公司的风险厌恶程度以及保险参与双方的实际情况决定；Alim为赔偿损失达到电网公司自留损失阈值时的ATC。

在本文提出的保险机制中，电网公司作为投保人承受着一定范围内的自留风险，同时作为承担重要社会责任的公共机构，电网公司投保的最终目的是保证电力系统安全稳定运行以及电力市场运营的稳定性，因此，道德风险[24]可暂不考虑。

3.3 保费厘定

由保险理论可知，保费由纯保费和附加保费共同组成。纯保费是保险机构为了支付保单在保险期间的期望赔偿金而收取的保险费用；保险机构在正常运营期间会产生一定的日常管理费用、运营开销及税金等成本性开支，同时，考虑承保收益期望的非负性，保险机构将收取一定的附加保费。建立保费Q计算模型：

Q=QC+QF

(23)

其中：

(24)

QF=ηQC

(25)

3.4 引入保险机制后的ATC风险效益

当电网公司依照本文所提风险处理机制投保后，以AR为ATC决策结果的电网公司净收益BAf(At)可表示为：

(26)

(27)

(28)

4 ATC决策整体流程

所提基于安全性风险评估与保险机制的可用输电能力决策方法整体流程如图3所示。

图3 ATC决策框架Fig.3 Framework of the decision-making method

5 算例分析

5.1 算例介绍

本文选取IEEE 30节点系统进行仿真计算。该系统有6台常规发电机组、41条输电线路，系统接线图以及供电区域、受电区域划分方式如图4所示。

图4 IEEE 30节点系统连线图Fig.4 Connection diagram of IEEE 30-node system

令非贯序蒙特卡罗抽样次数为5 000次，有功负荷服从σ2=0.02 MW2的正态分布，风险效益模型参数设置见表1。

表1 风险效益评估过程参数Table 1 Parameters of risk and benefit evaluation 元/(MW·h)

5.2 算例结果分析

5.2.1 不同方案下ATC决策结果对比分析

图5给出了3种不同方案下ATC的决策结果。其中，方案1采用文献[5]所述方法，在满足发电机和线路N-1静态安全约束下进行ATC决策；方案2采用文献[12]所述方法，考虑经济性，以净收益最大为目标得到ATC决策结果；方案3采用本文所提方法，引入安全性综合风险指标作为决策参考依据指导ATC决策。

图5 3种方案下结果对比Fig.5 Comparison of results in three cases

由图5可知：

1)方案1只考虑系统安全性，虽然ATC不足概率最低，可以确保在N-1事故下不会出现ATC不足的情况，但该决策方式过于保守，经济性最差。

2)方案2以电网公司期望净收益最大为目标，ATC决策结果最大。相较于方案3，期望净收益提高了25.00%，但因ATC不足而对部分合约用户中断供电的情况发生概率增大了205.86%。电网作为社会公共事业，担负着极其重要的政治责任和社会责任，忽略供电可靠性而单纯追求净收益最大化是片面的。

3)方案3首先对系统安全性进行风险评估，N-1故障安全性风险值前10位排序结果如表2所示，以安全性风险最大的N-1事故下的ATC作为决策结果。对比方案2，ATC不足情况发生的概率得到了有效控制，仅为6.14%；相较于方案1，ATC不足概率稍有增大，但期望净收益提高到了14 904.12元，经济性获得了较大提升。

表2 N-1故障安全性风险值前10排序Table 2 Top 10 security risk value of N-1 contingency

综上，对比以传统安全性最高或经济性最优为目标的ATC决策方法，本文所提方法考虑N-1故障安全性风险进行ATC决策，在考虑系统安全性的同时，提高了电网公司收益，具有一定的实际意义与参考价值。

5.2.2 保险机制对于电网公司风险效益的影响分析

为说明参与保险机制对电网公司ATC风险效益的影响，假设η=15%，μ=30%，针对方案3的ATC决策结果，根据3.3节保费模型厘定保费。图6给出了引入保险机制前后的电网公司净收益情况，表3对比了引入保险机制前后的ATC风险效益评估指标。

图6 引入保险前后电网公司净收益散点图Fig.6 Scatter for income before and after insurance mechanism

表3 引入保险机制前后的ATC风险效益评估指标Table 3 Comparison of results before and after insurance mechanism

由图6和表3可知，在未引入保险机制情况下，电网公司独自承担可能发生的全部赔偿损失，当系统实际ATC值最低时，电网公司面临122 499.01元的赔偿损失，净收益仅为-81 666.01元，因此电网公司很有必要通过措施转移规避部分风险；引入保险机制后，电网公司仅承担自留损失部分的赔偿风险，通过缴纳1 696.84元的保费，用较少的固定支出，将自留风险之外的风险转移给保险公司，当系统ATC最低时，仅承担36 749.70元的损失赔偿责任，实现了发生大额赔偿损失时的风险转移与风险规避；同时，虽然电网公司期望净收益降低了221.33元，但净收益标准差明显减小，经济收益稳定性显著提高。综上，本文所提保险机制，有利于电网公司控制ATC决策赔偿损失风险，避免净收益大幅波动，提高经济收益稳定性，实现了适当转移规避电网公司损失风险的目标。

5.2.3 保险机构承保收益分析

保险机构承保收益本质上源于保费与赔偿金的差额，电网公司根据5.2.2节厘定的保费进行投保，保险机构收益情况如表4所示。

表4 保险机构收益情况Table 4 Income of insurance institutions 万元

依照前述保险机制签订保险合同时，保险机构将收取1 696.84元的保费，并承担1 475.52元的期望赔偿责任。由表4可知，在5 000次仿真样本中，保险机构累计收到保费848.42万元，支付赔偿金后仍可获得110.66万元的净收益；当赔付事件发生时，保险机构须支付的最大赔偿额为8.57万元。可见在本文所提保险机制中，保险公司承保后可以盈利并且其承担的赔偿责任在可以接受的范围之内。

5.2.4 参数灵敏度分析

本文所提保险机制中，保费及风险转移效果与免赔率取值密切相关，本节对免赔率进行灵敏度分析，验证模型的适用性。图7给出了不同免赔率对保费及风险转移效果的影响情况。