基于多因素分析的复杂电力系统安全风险评估体系_王博

第35卷 第1期 2011年1月 电 网 技 术 Power System Technology Vol. 35 No. 1

Jan. 2011

文章编号：1000-3673（2011）01-0040-06 中图分类号：TM 732 文献标志码：A 学科代码：470·4054

基于多因素分析的

复杂电力系统安全风险评估体系

王博1，游大海1，尹项根1，陈庆前2

（1．华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北省 武汉市 430074； 2．国家电力监管委员会南方监管局，广东省 广州市 510180）

A Security Risk Assessment System of Complicated Power Grid

Based on Multiple Factor Analysis

WANG Bo1, YOU Dahai1, YIN Xianggen1, CHEN Qingqian2

(1. College of Electrical & Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. South China Bureau of State Electricity Regulatory Commission, Guangzhou 510180, Guangdong Province, China) ABSTRACT: Based on multiple factor analysis of large area blackout accidents and by use of fault tree analysis and analytic hierarchy process (AHP), a security risk assessment system, which is objective, practicable and applicable for complicated power grid, is established. This assessment system can fully bring government departments’ management advantages in overall planning, coordination and organization of social resources as well as technical superiority of electric power enterprises in secure and stable operation of power grids into play, thereby the security risk of power grids can be all-sidedly reduced to prevent the occurrence of large area blackout accidents. Practical assessment of a certain provincial power grid in China is performed by this assessment system, and the risk level of large area blackout of this power grid is obtained. The feasibility of the proposed risk assessment method and that of its assessment indices are verified by assessment results. KEY WORDS: security risk assessment; complicated power grid; analytic hierarchy process; large-area blackout; fault tree analysis

摘要：以大面积停电事件多因素分析为基础，利用事故树分析和层次分析方法建立了一套具有客观性、实用性、适用性的电力系统安全风险评估体系。该体系可发挥政府部门在统筹、协调、组织社会资源方面的管理优势，以及电力企业在电力安全稳定运行方面的技术优势，从而更全面地降低电力系统安全风险，防止大面积停电事件发生。最后利用该评估体系对国内某省级电力系统进行了实际评估，得到了该电力系统的大面积停电风险水平。评估结果验证了评估方法和评

基金项目：国家自然科学基金项目(50877031)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50877031).

估指标的可行性。

关键词：安全风险评估；复杂电力系统；层次分析法；大面积停电；事故树分析

0 引言

近年来全球发生了大量大面积停电事件，造成随着我国了巨大的经济损失和严重的社会影响[1-2]。电力系统规模的扩大，可能引发大面积停电的因素也不断增多，因此在全面考虑各种因素的基础上对复杂电力系统进行安全风险评估的需求更加迫切。目前电力系统的安全性评估研究主要有3类方法，即确定性评估、概率评估、风险评估。确定性评估主要针对部分元件退出导致的事故。该方法虽然广泛应用于电力系统规划和运行部门，但是无法反映元件故障的概率特性以及负荷等外部因素变化带来的影响。概率评估方法主要利用元件故障概率模拟系统事故发生的概率，其较好地反映了元件故障的概率特性[3-5]。文献[3]通过对连锁故障过程的模拟，建立了一种电网连锁故障的概率分析方法；文献[4]基于贝叶斯网络给出了电力系统N K故障的风险评价方法；文献[5]给出了组合电力系统概率充分性和概率稳定性的综合评估算法流程和指标体系，以上文献对事故造成的经济损失方面考虑不足。风险评估方法将事故概率与其产生的后果(如经济损失等)相结合，将风险与效益联系起来，可以定量地反映系统的经济安全风险[6-7]。文献[6]建立了市场条件下发电方、输电方以及用户停电损失的后

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果模型；文献[7]基于效益风险函数提出了电磁环网的风险评估与控制方法。概率评估方法和风险评估方法目前主要以理论研究为主，实用化程度并不高。同时以上方法均难以反映大型电力系统整体的安全风险。此外，全面保障电力系统的安全，预防大面积停电事件，不仅要发挥企业的技术优势，还要发挥政府部门在统筹、协调、组织社会资源方面的优势，因此需要使政府监管机构也能够参与到电力系统安全风险评估和监管的工作中来。

本文基于引发大面积停电的多种因素分析，利用事故树分析和层级分析等方法建立一套具有客观性、实用性、适应性的安全风险评估体系。该体系包含评估流程和结构、技术、设备3方面的风险指标。电力企业和电力监管部门均可根据评估流程，利用评估指标以自评估或合作评估的方式来评估复杂电力系统当前和未来一段时间的风险水平，完善当前的电力安全监管体系和应急体系，制定有效措施控制风险水平。

出现故障或失效。国内外近年来发生的多起大面积停电事故的分析表明，由于保护误动、拒动以及大负荷转移过程中引发的保护连锁动作，是最终导致系统发生大面积停电事故的主要原因之一。2009年巴西大停电的直接原因就是继电保护误动导致系统振荡[11]。

3）供需平衡破坏。负荷或发电容量的突变导致系统功率不平衡，是引发大面积停电的主要原因之一。引起负荷或发电容量突变原因有许多，如气候因素导致负荷突然增大或减小，受端电网重要输电通道故障，输电线路故障或系统解列损失大量负荷或发电容量等。1987年法国西部大停电和东京大停电，就是由于负荷或发电容量突变导致的[12]。

4）人为失误及蓄意破坏。人为失误可能发生于电力生产的各个环节，如规划设计、设备生产、系统运行与维护等。美加“8.14”大停电事故调查报告中指出，事故发展演变的原因之一是电网公司在输电走廊维护、可靠性标准执行、调度通信系统维护、事故处理等工作中存在不足。恐怖分子和心怀不满的极端分子的蓄意破坏也是造成大停电事故的重要因素，例如“9.11”后的美国电力通信系统的恐怖袭击事件[13]。

5）管理存在不足。引发大面积停电事故的内部因素还包括电力系统的管理模式。由于电力系统运行的各个环节都离不开相应的管理，因此管理模式如果不适应更复杂的各种外界因素扰动，可能导致大面停电事故的最终产生。我国的电力企业和政府监管机构在电力系统安全工作的实施方面的出发点有所区别，企业侧重从技术角度出发来实施，政府则侧重从发挥监管职能的角度实施。企业要同政府共同制定合适的安全裕度。

根据以上对引发大面积停电因素的分析可以建立一个以大面积停电作为顶上事件的事故树，从而列出与大停电事故的详细原因。

事故树分析(fault tree analysis，FTA)是安全系统工程的重要分析方法之一[14]，它能对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示事故的潜在原因。用它描述事故的因果关系直观、明了，思路清晰，逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析。图1给出了大面积停电事故树的基本结构。

从图1可以看到，大面积停电事件分解为若干个小的事件，划分原则是既要有清晰的停电因素，

1 大面积停电事件多因素分析

建立基于多因素分析的电力系统安全风险评估体系和方法首先需要对国内外大停电事故进行分析，将影响电力系统安全的各种因素进行归纳和分类，为评估指标体系的建立提供依据。通过对近年来发生的一些电力系统大面积停电事故的因素分析，本文归纳了引发大面积停电的5个主要因素：

1）不可抗拒的自然外力破坏。一般情况下，电力系统的设计准则已经考虑了气候和环境的条件。然而气候和环境等自然外力的破坏仍然是造成设备故障的主要原因之一。例如，较常发生的由恶劣气候和环境引起的设备故障有：覆冰导致线路断线、舞动或短路故障；凝露、冻雾、雷电引起绝缘闪络；架空线路对树闪络等。美国西部电力系统在1996年2次因为输电线路对树闪络跳闸，导致大面积停电[8]。

此外还有一些潜在危害严重的环境因素，如台风、冰灾、地震、洪水、战争等。如1988年加拿大魁北克大停电、2005年我国海南省大停电、以及2008年南方冰灾引起的大停电，都是遭遇极端灾害性天气导致的[9-10]。

2）电力设备故障。设备故障是引发大面积停电的常见形式，除了上述气候和环境引起的设备故障外，电力设备本身的电气性能和机械性能也可能

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图1 大面积停电事故树示意图

Fig. 1 Tree diagram of large-area power outages

又要便于企业和电力监管部门应用。因此本文提出第1级事件为结构、技术、设备、管理。结构事件主要从电力系统的整体结构和供需平衡上来考察可能引发大面积停电的因素；技术事件主要从电力系统安全稳定控制和灾害防护技术方面来考察可能引发大面积停电的因素；设备事件主要从电力系统设备本身的可靠性方面来考察可能引发大面积停电的因素；管理事件主要从电力系统运行管理的合理性方面来考察可能引起大面积停电的因素，由于管理风险涉及的因素较其他几方面更为复杂，同时管理本身也是一门系统性极强的学科，所以对管理风险应该专门立项进行研究，因此图1用虚线表示本文不对其进行深入分析。另外每个第1级事件中都包含了人为失误和蓄意破坏的因素。

图2 电力系统安全风险评估的基本流程 Fig. 2 Basic flow of security risk assessment of

power systems

系条款提供相应的资料。之后利用评估指标体系对被评估对象的结构安全风险、技术安全风险、设备安全风险3个方面进行评估，得到被评估电力系统的大面积停电风险，并且根据评估结果反映的系统薄弱环节制定相应的安全风险对策。

3）评估主体内容完成之后，要根据安全风险对策所制定的内容，提出完善安全监管措施的建议。最后撰写并提交安全风险评估与对策研究报告，整个评估过程结束。

整个评估过程必须建立在正确的评估依据之下，这些依据包括：国家法律、行政法规、部门规章、规范性文件等。流程中最重要的部分是利用评估指标体系进行评估，因此下面将具体介绍评估指标体系的构成与指标的计算方法。 2.2 安全风险评估指标体系

根据事故树的分析，评估指标体系将大面积停电作为零级指标，结构风险、技术风险、设备风险

2 电力系统安全风险评估体系

2.1 评估的主要实施流程

基于对大面积停电的多因素分析本文提出了

一套以监管为主导的电力安全风险评估体系。它将第3方监管与企业自主安全生产结合起来，从实用化和防止电力系统大面积停电的角度来评估和监管复杂电力系统潜在的安全风险。

评估的基本流程如图2所示。包含的步骤为： 1）成立评估领导小组和评估工作小组。评估工作小组需要针对上一次风险评估(评估应该定期进行)后得出的风险较大的问题进行检查，以确定企业关于降低风险的措施是否完成。评估工作小组根据检查的结果确定本次评估内容。

2）本次评估开始前电力企业需要根据评估体

3个方面作为一级指标进行层层划分。如图3所示，指标体系的最后一层为4级评估指标，对应大停电事故树的基本事件。4级评估指标分为4类：

1）直接由负荷削减量反映风险的指标。 2）反映电力系统状态，间接由负荷削减反映风险的指标。

3）反映风险变化趋势的设备风险增长率指标。 4）定性指标。

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3级4级指标指标

足，使参与的专家的知识和经验得到充分发挥[16]。

2.3.2 4级指标实际值的无量纲化

为将各类型的指标无量纲化，本文采用1~9的风险得分进行转化，分值越大风险越高。不同的分数代表不同的大面积停电风险程度和安全等级。当大面积停电风险较高时，系统处于危险级别，即风险得分处于7~9分之间。各分数代表的含义如表1所示。指标评分的原则和注意事项如下。

表1 风险得分与大面积停电关系

Tab. 1 Relationship between the risk values and the

large-area power outages

图3 安全风险评估指标体系模型

Fig. 3 Model of security risk assessment indices system

计算4级指标所利用数据大多采用目前电力系统各企业日常的统计数据，便于评估活动的实施；评估指标之间相互关系(权重)的确定应充分利用电力行业专家的力量来共同完成，在评估活动推广过程中，应逐步建立专家库和专家问卷调查的机制。 2.3 大面积停电风险的计算

得分 1 2 3 4 5 6 7 8 9 大面积停电风险程度安全级别 电网减供负荷比例/%

很低 0~1

安全 低 1~2

较低 2~3

中等偏低 3~4

警戒 中等 4~7

中等偏高 7~10

较高 10~15

危险 高 15~20

极高 大于20

1）对于可以直接得到负荷削减量的指标，根据表1所给的大面积停电风险与负荷削减量的对应范围(每个区间内的得分线性分布)进行指标打分。

2.3.1 零级指标的计算

零级指标(系统大面积停电风险综合指标)的计算是对一系列指标的加权求和过程。由于零级指标是对整个系统的风险状态进行计算，所以指标体系中所有指标均需参与计算。其计算公式为

N1

2）对于无法与负荷削减量直接对应的非设备增长率类型的指标，根据国标、行标或相关规定中给出的该指标的安全数值范围来进行评分，以保证评分的客观性。指标实际值超过安全数值的风险得

Sm,i

R=∑Sk,1Wk,1

k=1Ni+1

分均大于5分，然后根据该指标实际值一般的分布

(1)

范围决定最大最小值，最后由[最小值, 安全值]和

(安全值, 最大值]分别映射到[1,5]和(5,9]评分区间

=∑(Sk,i+1Wk,i+1) (2)

中，以此映射作为评分标准。 k=1

∑Wk,i+1

k=1

Ni+1

3）对于定性指标的打分，原则参考表1。

=1 (3)

4）对于设备增长率类型的指标(设备4级指

标)，各分值具体含义见表2。

表2 增长率数值评分标准

Tab. 2 Grading standards for growth rate value

增长率范围/%评分增长率范围/% 评分 增长率范围/%评分( ∞, ( 60, (60,80] 7 [ 100, ( ( 80, (20,60] (100,+∞) 9

式中：R为系统大面积停电风险综合指标；N1和Ni+1分别表示第1级和第i + 1级指标的个数；Sm,i表示i级中第m个指标的风险得分；Wk,i+1表示i + 1级中第k个指标的权重值。

由于指标中含有定性、定量、不同量纲的指标，因此指标无量纲化和混合权重的计算是综合评估中的2个难点，本文采用层次分析法(analytic

5）由于各个指标的含义不同，评分时应注意数值所代表的风险含义。数值越大代表风险越大，则评分与指标数值的关系为正比关系，否则为反比关系。

hierarchy process，AHP)与delphi method(DM)相结合的方法进行各级指标权重的计算。AHP方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初提出的，它可以为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策[15]。DM方法是专家会议法的改进和发展，它克服了专家会议的不

3 评估实例

3.1 评估对象特点分析

A省电力系统是目前中国规模最大及结构最复

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杂的省级电力系统之一。A省电力系统具有许多突出的特点：

1）电网通过长期建设与外区电网形成多点复杂联系，并成为大容量交直流混合输电的受端系统。

2）由于A省电网的快速发展，大量新设备的建设投运和新技术的应用，使得电网的运行方式将在较长时间内处于不断地调整与变化中。

3）A省电网电源落点集中，部分发电、输电设备长时间处于高负载水平运行状态，同时电源和负荷分布不均，部分地区卡脖子问题一直存在。

4）A省电网在结构方面存在500 kV线路双回、多回同杆并架以及电磁环网的普遍现象。

5）A省煤电比重大、一次能源缺乏，电力负荷对外区送电依赖程度比较高。

6）A省地处沿海，台风、洪水、暴雨频发，外部输电通道易受冰雪、冻雨等极端气候影响。 3.2 评估指标

图5 A省技术风险指标子体系结构 Fig. 5 Diagram of indices system of technological risk of A province

1个1级指标、4个2级指标、10个3级指标和55个4级指标构成。

3.2.1 结构风险评估指标子体系

结构风险评估指标子体系结构如图4所示，由

3.2.3 设备风险评估指标子体系

设备风险评估指标子体系结构如图6所示，由

1个1级指标、4个2级指标、15个3级指标和68

1个1级指标、2个2级指标、8个3级指标和48个4级指标组成。

图6 A省设备风险指标子体系结构 Fig. 6 Structure of indices system of

equipment risk of A province

3.3 评估结果分析

本文根据A省电力系统2006—2009年的部分数据，计算得到了当前A省电力系统大面积停电风险综合风险度为4.922，见表3，即处在中等风险水

图4 A省结构风险指标子体系结构

Fig. 4 Diagram of indices system of

structural risk of A province

表3 A省系统大面积停电风险得分

Tab. 3 Risk value of large-area power system

outages of A province

零级指标系统大面停电风险

1级指标 结构风险技术风险设备风险

1级指标得分

权重

零级指标得分

5.200 0.540

4.053 0.163 4.922 4.892 0.297

3.2.2 技术风险评估指标子体系

技术风险评估指标子体系结构如图5所示，由