李金超, 曾梦琦, 高伟

(1.华北电力大学经济与管理学院, 北京 102206； 2. 新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室， 北京 102206； 3.国网陕西省电力公司， 西安 710000)

随着新型电力系统建设的深入推进，能源系统清洁低碳转型得到更大的支撑，但高比例可再生能源接入带来的强不确定性，全面电力电子化带来的信息与物理系统高度耦合性，给区域电网安全运行带来了新的挑战。近些年来，在区域电网的安全性研究领域，一些专家学者从微观层面展开研究，王东等[1]基于区域电网事故发生原因，构建了包括电网事故、设备事故及人身事故的贝叶斯网络模型。郭奇卉[2]从电压质量、供电能力稳定性和故障率3个方面构建了柔性电网安全运行评价体系，对柔性配电网整体运行状态进行分析。冯明灿等[3]基于能量、信息、电能质量、有序充电及需求响应等多个维度构建了智能电网安全评价模型。陶勇[4]研究了地磁暴扰动对电网安全运行的影响，提出极端天气是导致电网安全事故的重要原因。Borgaonkar等[5]、Kim等[6]、Xu等[7]考虑到智能电网对网络的依赖性，提出网络安全是电网安全稳定运行的关键节点，并从网络安全角度构建了区域电网安全评价体系。还有一些专家基于宏观视角进行研究，覃晖[8]、谢晓帆等[9]、Barroco[10]从科技发展水平和经济发展水平两个维度研究智能电网背景下的区域电网安全性水平。张鹏飞等[11]对欧洲电网近年两次解列事故进行分析，提出能源转型趋势下区域电网安全面临挑战。杜洋等[12]基于新的能源发展政策，构建了电网绿色发展与安全高效评价指标体系，研究二者耦合协调水平。

上述专家从多个层面对区域电网的安全性进行了研究，但是主要基于宏观、微观中的某一维度，并未对区域电网安全性进行全方位的评估。随着国民经济的持续发展和科学技术水平的提高，区域电网安全性内涵越发丰富、风险种类更加多样，能否全面解析区域电网安全性，构建全方位评价指标体系，对于电网企业准确计量电网安全性建设成效，提高供电可靠性具有十分重要的意义。

在上述研究的基础上，现综合考虑宏观、微观两个层面，基于区域电网风险来源，从自然环境、社会环境、经济环境、技术环境、网络环境以及能源环境6个维度构建区域电网安全性评价体系，并通过改进突变理论计算区域电网安全总突变级数以及剔除企业外部风险因素影响后的本质安全突变级数，对区域电网安全性进行全方位评价，并将评价结果与熵权法结果进行对比，证明此方法能够全面解析区域电网安全性内涵，为开展多情景下电网安全性深度分析提供支撑，为更好地找出电网运行中的薄弱环节，保障居民用电安全稳定提供助力。

1 安全性评价指标体系

国家电网公司将安全划归为电网安全、设备安全以及人身安全三类，涉及人员、设备、管理、环境四部分。在新型电力系统建设过程中，人、机、管、环之间多种因素相互影响，难以独立分析。因此在现有研究的基础上进行拓展，从风险来源角度出发，丰富了电网企业内、外部环境的内涵，最终从自然环境、社会环境、经济环境、技术环境、网络环境以及能源环境6个维度构建区域电网安全性评价指标体系。

基于区域电网风险因素的复杂性和不确定性，在构建安全性评价指标体系的过程中必须秉持全面、客观、科学的原则。所建区域电网安全性评价指标体系以及指标释义如表1所示。

表1 安全性评价指标体系

其中，在衡量技术环境维度下的设备运行可靠性时需要考虑多方面因素，因此对其进行细化，二级评价指标如表2所示。

表2 设备运行可靠性二级指标

2 基于改进突变理论的安全评价模型

在评价过程中广泛使用的熵权法根据指标变异性大小来确定客观权重，避免了主观因素影响，但是在分析过程中会忽略指标本身的重要程度，逻辑性相对较弱[13]。相较而言，改进突变理论不仅能够避免人为因素带来的误差，同时并不会忽略指标的重要性程度，从而具有更广泛的应用性和精确性。

突变理论是法国数学家Rene Thom在拓扑学和结构稳定学的基础上创立的，主要探索系统内部自稳定状态发生突变的现象。当一个系统的控制变量不超过4个，状态变量不超过2个时，根据突变理论研究，系统最多有7种基本突变形式。常见的突变模型有4种，如表3所示。

表3 突变类型

突变模型通过势函数来计算系统的临界值，势函数将所有控制变量和状态变量导出，得到分歧方程，当控制变量满足分歧方程时，发生突变。突变理论一般用于处理不具备连续性的问题，这一理论虽然避免了人为赋权对评价指标的主观影响，但需要对指标的重要程度进行人工排序，不利于结果的评判[14]。选择改进的CRITIC法对指标重要性进行排序[15]，CRITIC法主要基于差异性和冲突性理念对指标进行客观赋权。差异性指标在不同评价对象间取值的差异，通过标准差系数进行衡量；冲突性用不同指标间的相关系数进行衡量。

对于区域电网来说，内部环境与外部环境往往是突然发生变化，在受到外界扰动后，往往经历平衡-突变-平衡的过程，一般不具备连续性，因此可以采用改进突变理论进行评价。

2.1 基于改进突变理论的评价步骤

基于改进突变理论的区域电网安全性评价步骤如图1所示。

图1 改进突变理论流程图

步骤1建立区域电网安全性评价指标体系。

步骤2数据去量纲化处理。对指标正负进行判定，并对数据进行去量纲化处理。定义指标初始数据为X1,X2,…,Xm，标准化后的指标数据为Y1,Y2,…,Ym，具体为

(1)

(2)

步骤3指标重要性排序。设cj为第j个指标所包含的信息量，则有

(3)

(4)

步骤4归一化处理。将指标按照权重进行排序，并对指标值按照表3中的归一公式进行处理。

步骤5当控制变量对于状态变量的影响不可彼此替代时，要依据“非互补”的取值原则，将指标突变级数值中的最小值作为该维度的突变级数；当控制变量对于状态变量的影响可以彼此替代时，则依据“互补”的取值原则，即取各指标灾变级数值的平均值作为该维度的突变级数。

步骤6根据上述流程，依次计算各维度突变级数，最终递归得到区域电网的总突变级数。

2.2 基于熵权法的评价步骤

为验证改进突变理论的准确性与可靠性，将之与熵权法进行对比，熵权法评价步骤如图2所示。

图2 熵权法流程图

步骤1按照上文区域电网安全性评价指标体系，对数据进行去量纲化处理。

步骤2计算指标变异性Pij。

(5)

步骤3计算指标信息熵Ej。

(6)

步骤4计算指标权重wj。

(7)

式(7)中：k为指标数量。

3 案例分析

选择2012—2019年某区域电网内外部数据对所建评价体系及模型进行分析。由于数据量纲不一致与数据值量级差异，需要对原始指标数据进行标准化处理，标准化处理结果如下。

(8)

其中，设备运行可靠性二级指标标准化处理结果如下。

(9)

按照“互补和非互补”原则，将各指标数据按照表1和表2中的分级标准进行递归，以自然环境维度为例，自然灾害发生概率、污闪隐患以及碳排放压力之间存在一定关联，因此按照“互补”原则取最平均值作为自然环境维度突变级数。最终所得区域电网安全性突变级数以及序列如图3所示。

通过图3可知，区域电网安全性在2012—2014年持续提高，在2014—2015年降低，并在2015—2019年呈平稳趋势，根据该区域电网2012—2019年6个维度突变级数波动情况可得，安全性波动主要受到自然环境和经济环境影响，如2015年自然环境与经济环境突变级数骤降导致该年安全性下降。按照总突变级数计算结果绘制安全性变化趋势图，并与该电网历年综合供电可靠率进行比较，以验证此方法的有效性，具体如图4所示。

图3 改进突变理论安全性评价结果

通过图4可知，安全性评价结果与电网历年综合供电可靠率变化趋势基本一致，相关系数为96.55%，证明所建安全性评价指标体系和方法能够有效解析电网实际安全水平。

图4 改进突变理论安全性与综合供电可靠率对比图

通过熵权法对该区域电网安全性进行评价，评价结果如表4所示，将熵权法评价结果与电网历年综合供电可靠率进行比较，以验证改进突变理论的精确性与先进性。具体结果如图5所示。

表4 熵权法安全性评价结果

由表5可得，采用熵权法的安全评价结果和电网历年供电可靠率变化趋势的拟合度低于改进突变理论，均方误差、均方根误差以及平均绝对误差大于改进突变理论，由此可证明改进突变理论的准确性和先进性。

表5 误差对比

为了剔除外部因素对电网本质安全性的影响，假设自然环境与经济环境良好，再次测算该电网历年安全性水平，将测算结果与安全性总突变级数进行归一化处理，并绘制变化趋势图，具体如图6所示。

由图6可得，相较于区域电网总体安全性，在自然环境和经济环境理想的情况下，2012—2019年该公司区域电网本质安全性始终呈上升趋势，说明在智能电网建设过程中，总体安全性会受到外部不可控因素的影响，但本质安全性仍持续上升。本质安全性在2014—2019年上升速度缓慢，表明网络、技术等层面所带来的电网安全性能的提升已经趋于饱和，后续提高需要继续进行理论、技术革新。基本符合实际情况。

图6 安全性突变级数比较趋势图

4 结论

(1)从区域电网运作过程中的风险来源考虑，从6个维度共计23个指标构建了区域电网安全性评价体系，全面解析了区域电网安全性内涵，不仅可用于某一地区多时间维度下纵向评价，也可以用于多地区间的横向比较。

(2)选取改进突变理论对区域电网的安全性进行评价，最终得到了某电网公司2012—2019年电网安全性突变级数，并绘制了安全性变化趋势图。相较于熵权法，改进突变理论对区域电网安全性评价结果与实际统计的该电网综合供电可靠率具有更高一致性，证明所建评价体系和模型能够精准评判电网安全性，为系统解析电网安全性因素构成，开展多情景下电网安全性深度分析提供支撑。

(3)由评价结果可知，区域电网安全性波动主要受到自然环境与经济环境因素影响，因此建设智能电网过程中，在保证其他安全性指标完成的同时，还应提高区域电网对自然环境因素以及经济环境因素的承载能力，保证中国电网建设综合全面发展。