电力系统暂态稳定风险量化分级方法研究.pdf

第 5 2卷第 3期 2 0 1 5年2月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I ns t r ume n t a t i o n VO 1 5 2 NO 3 Fe b 1 0， 2 0 1 5 电力系统暂态稳定风 险量化分级方 法研 究 张 忠会 ， 万东 ， 何 乐彰 ， 何 叶 ， 张琪琪 ( 南昌大学 信息工程 学院， 南昌 3 3 0 0 3 1 ) 摘要 ： 提出了基于风险理论的暂态稳定风险评估量化分级方法。从风险理论 的角度出发， 综合考虑运行方式 、 故障发生、 故障类型、 故障地点和重合闸等不确定因素计算系统失稳的概率， 以暂态失稳导致的切负荷百分比 作为后果， 定量的得出暂态稳定风险值， 并依据 国家电网公司安全事故调查规程 应用 A L A R P原则对风险量 化分级 ， 使风险值的意义更加清晰明确 ， 为运行人员提供一定参考依据。最后 ， 以 WS C C 3机 9节点为例 ， 说 明 了该方法的可行性和有效性。 关键词 ： 电力系统 ； 暂态稳定 ； 风险评估 ； 量化分级 ； A L A R P原则 中图分类号 ： T M7 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 4 2 0 6 Re s e a r c h o n t he q ua nt i t a t i v e c l a s s i fic a t i o n me t ho d o f t he p o we r s y s t e m t r a n s i e nt s t a bi l i t y r i s k Z h a n g Z h o n g h u i ， Wa n D o n g ， He L e z h a n g ， H e Y e ， Z h a n g Q i q i ( S c h o o l o fI n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g， N a n c h a n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th i s p a pe r pr o po s e d a me t h o d a b o u t q u a n t i t a t i v e c l a s s i fi c a t i o n o f t h e t r a n s i e n t s t a b i l i t y r i s k a s s e s s me n t b a s e d o n t h e ris k t h e o r y F r o m t h e p o i n t o f t h e ris k t h e o ry ，s u c h u n c e r t a i n f a c t o r s a s t h e o p e r a t i o n mo de，p o s s i b l e f a u l t s ，t h e f a u l t t y p e，t he f a u l t l o c a t i o n a n d t h e a u t o ma t i c r e c l o s i n g p r o c e s s we r e c o n s i d e r e dW i t h t h e p e r c e n t a g e o f l o a d c u t t i n g c a us e d b y t r a n s i e n t i n s t a b i l i t y a s t h e c o n s e q u e n c e，t h e r i s k v a l u e o f t r a n s i e n t s t a bi l i t y wa s d e r i v e d，wh i c h wa s q u a n t i t a t i v eT he n i n a c c o r d a n c e t o t h e S a f e t y Ac c i de n t I n v e s t i g a t i o n Pr o c e d u r e s o f t h e S t a t e Gr i d，t h e ALARP pr i n c i p l e wa s a d o p t e d t o q u a n t i f y a nd c l a s s i f y t h e ris k s S O a s t o ma k e t h e me a ni ng o f t h e r i s k v a l u e c l e a r e r a n d p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e o p e r a t i n g p e r s o n n e 1 F i n a l l y，t h e W SCC3 un i t 9 b u s t e s t s y s t e m wa s u s e d t o i l l u s t r a t e t h e f e a s i b i l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s o f t hi s me t h o d Ke y wo r ds： po we r s y s t e m ，t r a n s i e n t s t a bi l i t y，r i s k a s s e s s me n t ，q u a nt i t a t i v e c l a s s i fic a t i o n，ALARP p rinc i p l e 0 引 言 当前 ， 国家电网一体化进程加速 ， 电网规模越来 越大 ， 电网稳定运行特性愈加 复杂 ， 即使一个微小 的 局部故障也可能演变成 大规模 的系统 故障 ， 造成 巨 大的经济损失。因此对电网当前存在 的安全风险进 行深入研究 ， 对保障 电网的安全经济运行具有 重要 意义。 目前 ， 电力系统暂态稳定 的分析方法有 3种 ： 确 定性评估方法、 概率性评估方法 和风险评估方 法 。确定性评估方法计算 结果 物理意义 明确 ， 在 电力工业中有广泛的认可和应用。但其在分析过程 中忽略了故障的随机性和不确定性 ， 只评估最严 重 故障 ， 所得结果显得过于保守 ， 往往造成电力资源 的 4 2 浪费。概率性评估方法虽然考虑 了故障的随机性和 不确定性 ， 但却没有考 虑故障对系统所造成的影响 ， 未能很好的协调概率与后果二者之 间的关系。风险 评估方法考 虑了故 障的随机性和不确定性 ， 同时结 合故障对系统所造成 的影 响， 定 量的反应 了系统 的 安全指标 。现 阶段 ， 关于暂态稳定 的风险评估 已经 展开了相 当多的工作 。文献 4 将模糊理论应用 于 暂态稳定风险评估 中， 通过稳 态模糊 控制器和暂态 模糊控制器来计算故障 的稳态指标 和暂态指标 ， 从 而得出系统 的综合暂态稳定指标 。文献 5 提 出了 基于概率不安全指标 的暂态稳定 风险评 估模型 ， 该 模型以动态安全域为手段 ， 通过概率不安全指标来 反应系统的状况。文献 6 将系统的暂态安全风险 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 3期 2 0 1 5年2月 1 0日 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r u me n t a t i o n V0 1 5 2 No 3 Fe b 1 0， 2 0 1 5 分解为暂态稳定 风险和暂态失稳 风险 ， 提 出了市 场 条件 下输 电方 、 发 电方 、 用 户所遭受 损失 的后果 模 型 ， 并从发电方 、 输电方 、 用户和系统 4个方面分析系 统的暂态安全风险。文献 7 对涉及故 障事件的系 统状态的概率 和系统状态 的暂态稳定进行模拟 ， 提 出了基于蒙特卡罗方法 的电力系统暂态稳定概率评 估的基本框架。 上述文献通过对系统 中各风险值 对 比排序得 出 各风险的严 重程度 ， 尚未在系统层次形成 一套体系 来确定风险等级 ， 具有一定局 限性 。由于电力系统 的复杂性以及人们对安 全性认 识 的提供 ， 建立一套 通用 的风险评级体系势在必行 。文中在风险理论 的 基础上 ， 以电力系统 中的导则规定为依据 ， 提 出了暂 态稳定 的风险评估方法。该方法综合 考虑了运行方 式 、 故障发生 、 故 障类型 、 故 障地 点和重合 闸等不确 定因素， 以暂态失稳导致的切负荷百分 比作为后果 ， 定量 的分析了系统 的暂态稳定风 险。依据国家 电 网公司安全事故调查规程 ， 将风险值划分等级， 使 风险值 的意义更加 清晰明确 ， 为运行人 员提供一定 的参考信息 。 1 暂态稳定的随机 因素 影响电力 系统 暂态稳定 的主要 随机 因素包括 ： 系统运行方式 、 线路故障概率 、 故 障类型 、 故 障地点 、 重合闸等。这些因素对 系统稳定性影 响较 大同时随 机性较强。它们参数的获取一般来 自于历史统计数 据或者合理 的假设 。 ( 1 ) 系统运行方式的概率模型 设系统常用的运行方式有 r l , 种 ， P( A ) 为第 i 种 运行方式发生的概率 ， 并且不考虑其他 的运行方式 ， 则有 ： n m P ( A )=1 i= 1 若只关心某种运行方式下 的系统保 持稳定 的概 率 ， 则有 P( A ) ( 相当于 n ：1 ) 。 ( 2 ) 故障发生的概率模型 忽略多条线路 同时发生故 障的概率 ， 线 路的故 障率 可用泊松分布来模拟 J ， 则线路 在给定时间 t 内发生故障的概率 P( B ) 为 P( B )= 1一e ， i=1 ， 2 ， ， m ( 2 ) 式中A 是第 i 条线路的故障频率； m是线路数。 ( 3 ) 故障类型的概率模型 不考虑复合故 障的情 况下 ， 对系统暂态 稳定性 起主要影响的故障通常有 4种 ： 三相短路故障 、 两相 接地短路故障、 两相短路故 障和单相接地短路故障。 故障类型的概率 可以用离散概率分布来模拟 ， 各种 类型的故障发生的次数取 自于历史统计数 据 ， 则对 于某条线路发生故障类型为 z 的概率 P ( ) 有： P ( Z ) ： 乒 ( 3 ) J =1 式 中 是故障 z 的发生的频率 ， z 为三相短路 ， z 为两相接地短路 ， z 3 为两相短路故 障 ， Z 为单相接 地短路 。 ( 4 ) 故障地点 的概率模型 一 般情况下 ， 线路故 障点上有关天气、 地理条件 等的信息较少 ， 很难 确定它们对故 障的影响。根据 贝叶斯一拉普拉斯 ( B a y e s L a p l a c e C r i t e ri o n ) 准则 ， 如 果不能证 明有更好 的分 布， 则采用统一 分布。因而 认为线路上任一位置发生故障的概率是相同的。为 了研究问题的方便， 有时还需要将线路的故障位置 进一步简化。若考 虑将 线路等分成 四部分， 可分别 用首端 、 中间两段中点和末端典型点代替 ， 并假设线 路各点发生故障的可能性和它们所代表 的长度成正 比 。 。 “ ， 则线路故障位置的离散概率分布如图 1 所 示 ， 且有 ： P P ( D ) =1 =1 ( 4 ) 式 中 P( D ) 是第 i 个故障点发生故障的概率 ； n 是线 路上故障点总数 。 O 2 6 0 02 6 037 6 O 5 0 6 2 5 0 7 5 1 图 1 线路故障位置的离散分布 Fi g 1 Di s c r e t e d i s t rib u t i o n o f t h e f a u l t l o c a t i o n ( 5 ) 重合 闸失败的概率模型 通过对历史 统计数据 的分析计算 ， 可 以得 出重 合闸失败的概率 。重合 闸失败的概率可用下面的条 件概率公式估计 ： nP P =P ( U i ) P ( i ) i = 1 ( 5 ) 式 中P( U i ) 是在第 i 种 因素下引起 的故 障， 使得重 合闸失败 ， 通过典型 的统计学计算 分析可 以得到此 概率。P ( i ) 是第 i 种原因引起的故障的概率， 可从历 史统计数据 中获得。 一 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 3期 2 0 1 5年2月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt I n s t r u m e n t a t i o n V0 I 5 2 N 0 3 Fe b 1 0， 2 0 1 5 2暂态稳定风险评估 2 1 暂态稳定风险后果评估 针对当前 电网运行方式 的预想故 障， 各 电网公 司编制了安全稳定控制策略表。当电力系统发生可 能导致系统暂态失稳 的故 障时， 通过采取策略 表 中 的稳定措施基本可 以使系统继续保 持稳 定 ， 但是 会 造成系统切机切负荷。依据 国家 电网公 司安 全事 故调查规程 可知 ， 特别重大事故 、 重大事故 、 较大事 故和一般事故划分 的主要依据 是切负荷百分 比， 以 区域性电网为例 ， 当切负荷 4 7 时为一般事故 ， 7 1 0 时为较 大事故 ， 1 0 一3 0 为重大事 故 ， 3 0 以上时为特别重大事故 。因此 ， 暂态稳定 风险 的后果可用切负荷百分 比表示 ， 则某一故障的后果 C ( nZ ， nD ) 为 ： D c ( 8 n z ， n Dk )= x l 0 0 ( 6 ) AL L 式中P 巩 ) 为线路 B 的 段发生 Z ， 故障时的 切负荷量 ； P 枇 为系统总负荷。 2 2 暂 态稳 定 风险值 在电力系统风险评估中， 风险的定义为故障发生 的概率与后果的乘积 。由于线路上发生的各种故 障是相互独立事件 ， 因此 ， 某一故障的风险值 ( n Z N D ) 可 以用下式表示 ： R( B n z ， n D )=P( B n N D )C ( B n Z n D ) ( 7 ) 其中： P( B n z ， n D )=P( B )P( z l B )P ( D l B )P ( 8 ) 式中 P( z ， I B ) 为在线路 曰 上发生故障 z 的概率； P ( D l B ) 为在线路 B 上的 D 段发生故障的概率。 设向量 R=( R ， R ： ， R ) ， R i 为系统某一预想 故障的风险值 ， n为系统在进行暂态风险评估 中所考 虑的故障的数量 。则系统的风险值用下式表示 ： 1 R i = x I I R l l +卢 I l R I l ( 9 ) 式 中O t 和 为权 系数 ， 且满足 口+b =1 。 l I R l l 和 l l R I1 分别为向量 R的 1范数和范数 。 I1 R ll = l R l ( 1 0 ) L= l I l =_m a x I R I ( 1 1 ) 式( 1 0 ) 反应 了系统所有考虑的故障风险值 的累 和效果 ， 式 ( 1 1 ) 反应 了系统 中风险值最大 的故障的 影响。将式中的权 系数 取适 当的大值 ， 就 可以突 一 44 出系统中严重事故 的影响 ， 以避免或者减弱风 险分 析中可能存在的遮蔽现象 l l 。 3 暂态稳定风险等级划分 根据相应 的判定标准 ， 对得 出的风险值进行判 断 ， 确定该风 险的严重程度 ， 这就是 风险等级划分 。 合理划分风险 的等级 ， 有 区别 的对待不 同风险值 的 系统 ， 针对性的制定相应措施 ， 有助 于国家资金的合 理利用 ， 使得系统的风险值处于一个合理的范围。 在风险等级 的划 分过程 中， 需要一个确定 风险 水平程度的衡量标 准。 目前 ， 安全管理风 险实 践 中 广泛采用 A L A R P( a S l o w a s r e a s o n a b l y p r a c t i c a l l y ) 原 则 ， 同时结合研究 对象 自身 的实 际情况和需求来 制定风险水平程度 的依据。 A L A R P准则通过不可接受水平线和可忽略水平 线将风险分为 3个 区域 ， 即不可接受 区、 合理可行 的 最低限度 区( A L A R P )和可忽略 区。若 风险值大 于 不可接受水平线 ， 则处于不可接受区 ， 表明风险值过 高 ， 必须采取相应 的措施 以降低风 险。若风险值低 于可忽略水平线 ， 则处 于可 忽略区 ， 表 明风险较低 ， 可 以接受 ， 不需要 采取任何减少风 险的措 施。若 风 险值介于不可接受水平线和可接受水平线 之间 ， 则 处于合理可行的最低 限度 区， 这时 ， 需要根据实际情 况 ， 权衡各种措 施 的利弊 ， 以决定 是否 采用 以降低 风 险 1 5 。 根据 A L A R P原则 ， 结合 电网 自身的实际情况和 需求 ， 将暂态稳定风 险划分 为三个 等级。本 文风险 可忽略风险水平线定义为最低应重视故障概率水平 与最低应重视后果水平的乘积。 最低应重视故障概率水平 P 。 用下式计算 ： P =P( B )P( D )P ( Z l )P ( 1 2 ) 其 中： P( B 。 )=k P( B ) ( 1 3 ) 式 中 k为比例系数 ， k 0 ， P( B 。 ) 为全 国线路每百公 里平均失效率 ， k P( B ) 表示线路故障率 的最低应 重视值 ， k由经验丰富的工作人员根据各供电公司水 平的不同而取相应 的值 ， 在最低应重视故 障概率 水 平线中本文取 0 9 。P( D ) 为线路上各段发生故障 的平均概率 ， 文中线路等分成 4段 ， 每段典 型点发生 故障的概率为 2 5 。P ( Z ) 为地区线路故障中三 相短路发生 的平 均概率。在短路故 障 中， 三相 短路 故障引起暂态失稳 的概率最 高， 后果最严重 ， 是关注 的重点 ， 因此 ， 为合理评估三相短路 ， 同时突出其他 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 3期 2 0 1 5年2月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t at i o n Vo J 5 2 NO 3 Fe b 1 0。 2 01 5 短路故障的风险 ， 以引起运行人员注意 ， 文 中选取三 相短路的概率来 划分等级。P 为地区线路重合 闸 失败的平均概率。 最低应重视后果水平 ： 依据 国家电网公司安全 事故调查规程 ， 当系统减供负荷 4 以下时不构成 四级或 四级 以上 电网事件 ， 故将最低应重 视后果水 平定为减供负荷 4 。 中国电力企业联合会发部的历年可靠性数据如 表 1 所示。 表 1 架空线路历年可靠性数据 Ta b1 Re l i a bi l i t y h i s t o r y d a t a o f t he o v e r h e a d l i n e 单位 ： 强迫停运率 ： 坎百公里年 非停 时间： 小时 百公里年 平均强迫停运率 -厂 为 0 1 7 3次 百公里年 ， 平 均 非停时间 MT T R为 2 7 5小时 百公里年 ， 则 n 1 7 x2 7 一 P( B i )=0 9( 1 e 1 )=4 8 61 0 一 ( 1 4 ) 因此 ， 可忽略风险水平线为 ： R i =4 8 61 0 P ( Z l )P ( 1 5 ) 同可忽略风 险水 平线划定 ， 不可接受 风 险水平 线定义为不可接受故障概率水平与不可接受后果水 平 的乘积。不可接受故障概率水平根据公式计算 ， k 取 1 1 。依据 国家电网公司安全事故调查规程 定 义不可接受后果水平为减供 负荷 3 0 。因此 ， 不可 接受风险水平线为： R =4 4 5 51 0 P ( Z l )P ( 1 6 ) 在可忽略风险水平线和不可接受风险水平线确 定 的基础上 ， 依据 A L A R P准则将 电网运行风险分为 高风险 、 中风险和低风险 3个等级 。等级划分标准如 表 2所示。 表 2 风险等级表 Ta b 2 Ta b l e o f t h e r i s k g r a d e 等级 综合风险值 高风险 4 4 5 5 1 0 一 P ( Z ) X P 中风险 4 8 61 0一 P( Z l )P 4 4 5 5 1 0一 P( z l ) 尸 低风险 1 1 5 81 0 8 1 2 63 6 1 0一 1 1 5 8 1 0 1 2 63 6 1 0 9 高风险等级应该 引起高度注意 ， 确保安全运行 ， 中等级次之 ， 不放松对低风 险等级的关注。也可依 据地 区的实际情况对风险等级进行调整。 4 算例分析 以 WS C C 3机 9节点为例 ， 分析当线路 3发生短 路故障时系统 的暂态安全风险， 系统的单线图如 图 2 所示 。假定近故 障点侧故 障切 除时间为 0 1 S ， 远故 障点侧故障切除时间为 0 1 2 s 。 GEN2 -2 3 0 S TN -2 3 0 GEN3 -2 3 0 图 2 WS C C 3机 9节点 系统 Fi g 2 W SCC 3 u n i t 9 b us t e s t s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 3期 2 0 1 5年2月 1 O日 电测与仪表 Ei e c t r i c a i M e a s u r e me n tI n s t r ume n t a t i o n V0 1 5 2 NO 3 Fe b 1 0 2 0 1 5 线路长度为 1 0 0公 里， 其他数据取 B C H y d r o公 司统计数据 ， 失效频 率 0 5 9 8次 百公里年 ， 修复 时间 8 1 9时 次 ， 三 相短路 、 两相接地短路 、 两相短 路 、 单相短路的概率分别为 1 3 2 、 4 O 1 、 4 3 8 、 8 8 5 1 ， 线路重合 闸失败 的概率为 1 7 。将线路 3 等分为 4段 ， 分别用典型点 D 、 D 。 、 D 。 、 D 代替 ， 则系 统的仿真结果如表 5所示。 依据上述计算模型得到各故障风 险值及风险等 级 ， 见表 6 。风险等级划分采用表 4数据。 表 5 暂态稳定仿真结果 Ta b 5 S i mu l a t i o n r e s u l t s o f t r a ns i e n t s t a b i l i t y 表 6 各故障的风险值及风险等级表 Ta b 6 Ta b l e o f t h e r i s k v a l ue a n d l e v e l o f f a u l t s 从 上表可以发现 ， 各短路引起 的失稳 的风险等 级除一个 中等程度风险外 ， 其余均为高风 险。分析 可以发现 ， 当系统失稳时 ， 高风险等级的故 障切负荷 量低 于 3 0 ， 中等程 度风 险 的故 障切 负荷 量 不足 1 ， 但是由于线路失效频率和修复时间远高于全 国 平均值 ， 导致风险值 高于水平线。因此 ， 供电公司需 要加强巡线 ， 减少可能诱发故障的因素 ， 降低失效频 率 ， 同时减少故障的修复时间， 提高效率。 系统两相接地短路故 障失稳的切负荷量虽然低 于 三相短路 ， 但是 由于发生两相接地短路故 障的概 率高于二 三 相 短路 ， 因此两相接地短路故 障的风险值 高于部分三相短路故障。这提醒供 电公 司不能 只关 心后果最严重 的三相短路 ， 同时需要关 注其他风险 较高的故障。 系统的风险值和风险等级见表 7 。 - u 46 - 表 7 系统风险值和风险等级表 Ta b 7 Ta b l e o f t h e ris k v a l u e a n d l e v e l o f t h e s y s t e m 对系统风险值 贡献最大的是故 障点 D 的故障 z ， 它的风险值最 高， 直接推高的系统 的风险值。因 此需要重点关注该故障， 同时采取措施 降低 它风险 ， 从而将系统失稳风险控制在合理范围。 5 结束语 基于风险理论的暂态稳定风险评估充分考虑了 电力系统 中的各种不确定 因素 以及事故对系统造成 的影响 ， 有效 的克服 了传统确定性方 法的不足。文 中在得出风 险值 的基础 上 ， 根据相应 的风 险等级判 别标准将 风险值分级 ， 解决 了只有单个 风险值 的抽 象性 ， 使风险的高低更易于判别 ， 有助于运行人员针 对不同的风险值 制定 相应 的应对措施 ， 使 系统的风 险处于一个合理的范围。 参 考 文 献 1 戴 志辉 ， 王增平 ，焦彦军 ，等阶段式保护 原理 性失效风险 的概 率评估方法 J 电工技术学报 ， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 6 ) ：1 7 5 1 8 2 D a i Z h i h u i ， Wa n g Z e n g p i n g ， J i a o Y a n j u n， e t a 1 P r o b a b i l i s t i c a s s e s s m e n t me t h o d f o r f a il u r e r i s k o f s t e p p e d p r o t e c t i o n p h i l o s o p h y J T r a n s a c t i o n s o f C h i n a E l e c t r o t e c h n i c a l S o c i e t y ，2 0 1 2 ，2 7( 6) ： 1 7 5 1 8 2 2 叶圣永 ，王晓茹 ， 周曙 ， 等 基于马尔可夫链蒙特卡 罗方法 的电 力系统暂态稳 定概 率评估 J 电 工技 术学报 ， 2 0 1 2 ，2 7 ( 6 ) ： 1 68 1 7 4 Ye s h e n g y o n g，Wa n g Xi a o r u，Z h o u S h u，e t a 1 Po we r s y s t e m p mb a b i h s t i c t r a n s i e n t s t a b i l i t y a s s e s s r o e n t b a s e d o n ma r k o v c h a i n mo n t e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m