基于风险分析矩阵的电力系统风险评估.pdf

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1、电力系统及其自动化 403 基于风险分析矩阵的电力系统风险评估 侯 慧 尹项根 游大海 华中科技大学电气与电子工程学院 湖北 武汉 430074【摘 要】将风险分析矩阵法应用于电力系统安全风险研究。由于风险矩阵具有直观清晰的特点，可以为电力系统风险管理者提供直观清晰的理论参考依据。以广东省电力系统存在的安全风险隐患为例，应用风险分析矩阵，分别从广东电力系统结构与运行、继电保护与安全稳定控制、运行管理及电气设备等三个方面存在的风险隐患出发，逐个分析评估其风险等级，最后列表计算出了广东省电力系统的整体风险指标及其等级，认为广东省电力系统存在一定风险，需要引起重视。【关键词】电力系统 风险评估 风险

2、分析矩阵 Risk assessment of complex power system based on risk matrix Hou Hui Yin Xianggen You Dahai College of Electrical&Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China Abstract：Creatively applied the risk matrix method into power system risk assessment.As

3、 the risk analysis matrix has a visual and clear display on risk levels，it provides convenient theoretical basis for power system risk administers.A case study on Guangdong province power system risk and hidden danger assessment is given.It applied the risk analysis matrix from 3 aspects：Guangdong p

4、rovince power system structure and operation，protective relay and security&stability control，and operation management and electric power equipment，etc.The risk levels of each aspect are evaluated respectively in detail.And the overall risk index and risk level are also calculated in the end.It means

5、 that Guangdong province power grid has some risks in a certain degree that should be controlled and arouse attention.Key words：Power system；risk assessment；risk matrix 1 前 言 近年来，电力系统正逐渐发展成为超大规模的复杂系统，具有容量上的超大规模、空间上的广域分布、扰动传播范围广等特征。但这种飞速发展也给其稳定运行和控制带来了严峻挑战，增加了电力系统的安全风险。美国电力科学研究院（EPRI）的一份全国性调查报告披露，仅因为

6、电力系统停电对全美经济造成的损失每年高达 1 0401 640 亿美元1。近年来这些严重的停电事故促使人们意识到，电力工业多年来采用的 N-1 原则（单元件故障准则）已不足以保持系统合理的可靠性水平。所以，当前一种可行的选择就 基金项目：国家自然科学基金：应对电网灾变的有限广域智能保护的研究（50877031）作者简介：侯慧（1981），女，博士研究生，研究方向为电力系统继电保护、电力系统风险评估等。电话：027-63946765，Email： 尹项根（1954），男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统继电保护及安全自动控制、故障仿真与状态监测等。游大海（1957），男，教授，副博士生导

7、师，主要研究方向为电力系统自动化、电力系统继电保护等。404 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 是在工程规划、设计、运行和维修中引进风险管理，以使系统的风险水平控制在可接受的范围内。本文借鉴风险矩阵法的思路，对电力系统安全风险作出分析和研究，以期为电力系统风险评估与分析开辟一条新的途径。2 风险分析与评估理论 关于风险的定义，由于领域的不同及系统的复杂性，时至今日仍然在学术界存在很大争议，无论是文字描述还是数学表达式上的差异均较大。文献2定义为“风险就是一个事件产生我们所不希望的后果的可能性，是某一种事物预期后果估计中的较为不利的一面”。文献3定义为“风险是指实际结果与预期目标的差异

8、程度，差异越大，风险越大；反之越小”。文献4定义为“风险是指在一定条件下和一定时期内可能发生的各种结果的变动程度”。文献5定义为“风险是指由于各种事先无法预料的因素的影响，使实际收益与预期收益发生背离，从而蒙受经济损失或者获得额外受益的不确定性”。尽管说法不同，但基本思想均把风险视为给定条件下研究对象达不到目标的概率、由于研究对象存在的不确定性带来的最大损失的概率。风险对应的英文单词 risk，其解释为 The possibility of suffering harm or loss，即遭受损害或损失的可能性。可以从经济学、管理学、保险学等不同角度去认识风险的概念。从电力系统的角度，J.D.

9、MacCaley 教授等人最先于 20 世纪 80 年代提出的电力系统风险评估的表达式为6()1iiffinRPC=?（1）式中 R 风险定量指标；ifP 第 i 个风险事件对应的失效概率；ifC 第 i 个风险事件后果严重程度的权重。该表达式将系统的风险指标定义为事故发生的概率与事故产生的后果（即严重度）的乘积，也是现在普遍接受的一个定义。由此表达式可以看出，风险具备两个特征，一是不确定性状态的概率，二是事件发生后可能产生的损害及损失。带来这种可能性的原因则是研究对象存在的不确定性 隐患（hazard），即风险源的存在。风险管理包括风险源识别、风险分析与评估、风险措施决策、风险处理与监控等几

10、个方面。要实施风险管理，首要需要解决的就是风险源的识别。通过风险源登记与分类，统计其发生的规律与概率，确定其发生的后果，经过风险定级（定性或定量的风险分析和评价），设计和采取应对风险的措施，实施监控过程，完成风险管理的整个循环5，7，即辨识、分析与评价、应对措施的全过程。风险评估与分析过程如图 1 所示。3 风险矩阵法 风险分析是风险辨识、估计和评价的总称。风险分析的目的是为了科学决策，它是决策过程的一个有机组成部分。风险分析在工程学、经济学等各个领域都有广泛的应用。1998 年，Paul R 等人提出一种新型的风险矩阵法，即将风险事件发生的频率和影响程度分图 1 风险评估过程示意图 Fig.

11、1 Risk assessment process flow chart 电力系统及其自动化 405 别分为 5 个和 4 个级别，然后分别作为矩阵的行和列形成风险矩阵，进而按照风险在矩阵中的位置做出该风险可以接受、可接受但需监管、不希望发生、不可接受立刻消除等评估结论8-10。首先对风险后果进行严重程度的划分：可忽略的（即可接受）、较轻的、严重的、灾难性的，见表 1。结合风险发生的概率（灾害概率水平），利用风险评估矩阵对风险进行定级，从而确定对风险的接受程度以及是否采取降低风险的措施，见表 2。表 1 风险后果（严重度）分级 Tab.1 Risk consequences（order of

12、severity）classification 后果描述 级别 定 义 采取措施 可忽略的 1 更少地引起次要系统或环境的破坏，更少的伤人、更少的职业病害 可不采取控制措施 较轻的 2 次要系统或环境破坏，轻度伤人、轻度职业病害 可适当采取措施 严重的 3 主要系统或环境破坏，重度伤人、重度职业病害 必须采取措施 灾难性的 4 系统失效或严重的环境毁坏，人员伤亡 必须排除 表 2 灾害风险评估矩阵 Tab.2 Disaster risk assessment matrix 灾害分类频率（1）可忽略的（2）较轻的（3）严重的（4）灾难性的（A）不可能的（106x）1A 2A 3A 4A（B）难得

13、的（103x106）1B 2B 3B 4B（C）偶而的（102x103）1C 2C 3C 4C（D）可能的（101x102）1D 2D 3D 4D（E）频繁的（x101）1E 2E 3E 4E 风险灾害指标 风险决策准则 一级：1A、1B、1C 可接受且不必进行管理审视 二级：1D、1E、2A、2B、3A、4A 可接受，同时进行管理审视 三级：2C、2D、3B、3C、4B 不希望发生；高层管理决策：接受或拒绝风险 四级：2E、3D、3E、4C、4D、4E 不可接受；立即整顿消除风险 实际上，以上分析方法和 J.D.MacCaley 教授等人提出的电力系统风险评估的表达式 R=PC 是统一的。R

14、=PC 定级法是综合考虑风险因素发生的概率和风险后果进行风险定级的一种方法，而风险矩阵法正是把这种思想用矩阵的形式表达出来。对于风险因素发生的概率 P 可以利用复杂电力系统中常用的蒙特卡罗模拟法，将不确定性因素转化为定量指数计算出来，对于风险后果，可采用计及经济因素的可靠性成本-效益分析法来确定。4 风险矩阵法在广东省电力系统中的应用 为研究风险矩阵法的可行性和有效性，将以上风险矩阵法应用在广东省电力系统风险评估中，分别从广东电力系统结构与运行、继电保护与安全稳定控制、运行管理及电气设备等三个方面出发，分析广东电网安全风险影响因素和可能造成的严重后果，并列表计算出广东电网的整体风险指标。4.1

15、 结构与运行风险综合评估 为了适应用电负荷的高速增长，广东电网通过建设已形成与外区电网多点联系，成为全国乃至当今世界独一无二的交直流并联运行的受端系统，而且受部分设备长时间处于高负载水平运行等因素的影响，广东电网在安全稳定运行方面仍将经受严峻考验。同时由于大规模、高密度、集中的电网建设和改造任务的实施，电网的运行方式将在较长时间内处于不断的调整与变化中。因此，广东电网存在着因故障原因产生406 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 的保护连锁跳闸而引起电网稳定破坏的风险，甚至发生类似于“8.14”美加大停电事故的风险。广东电网本地电源支撑不足，西电东送负荷重，局部地区电网结构薄弱，电网暂

16、态稳定问题突出。电网动态无功储备不足，西电东送大功率缺额及重要设备发生故障可能导致广东电网崩溃，导致大面积停电；广东电网局部电磁环网取消困难，容易引起故障连锁反应，广东电网短路电流超标，采取解环或分母运行措施，导致电网供电可靠性降低，存在局部电网解列直至大面积停电的风险。因此，对上述广东电网在结构和运行方面可能存在的各种风险进行综合分析评估，得出风险分析结果如表 3 所示。表 3 广东电网结构和运行风险综合评估表 Tab.3 Guangdong power grid structure and operation risk assessment 序号 风险因素 发生概率 后果 风险等级 1 西

17、电东送通道故障造成的大功率缺额 B 3 三级 2 局部电磁环网取消困难引起故障连锁反应 C 3 三级 3 电网动态无功储备不足引起电压崩溃 C 3 三级 4 局部电网解列导致孤网运行、失稳或大面积停电 B 4 四级 5 抑制振荡措施不足导致系统动态不稳定问题 B 2 三级 6 交直流混合系统导致暂态稳定、动态稳定、电压稳定控制等多方面的问题 B 4 三级 7 短路电流超标导致电网供电可靠性降低 D 3 四级 8 电源结构不合理导致的能源相关问题 C 2 三级 9 电源布局不合理导致的受端电网稳定性问题 B 2 三级 10 没有可靠的黑启动电源点及保安电源 C 3 四级 4.2 继电保护与安全稳

18、定控制风险综合评估 继电保护与电网安全稳定自动控制系统对保证电网的安全稳定运行，防止恶性大面积停电事故的发生起着非常重要的作用。但国内外近年来发生的多起恶性大面积停电事故的分析表明，虽然引发大面积停电事故的因素很多，原因复杂，但由于保护误动、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。此外，由于安全自动装置配置和整定不合理，不同安稳措施之间的协调性不够，也是造成事故扩大，乃至引发系统崩溃的另一重要因素。因此，结合广东电网的实际，对继电保护及安全自动装置的安全风险进行综合分析评估，得出风险分析结果如表 4 所示。表 4 广东电网继电保护与安全稳定控

19、制风险综合评估表 Tab.4 Guangdong power grid protective relay and security control risk assessment 序号 风险因素 发生概率 后果 风险等级 1 500 kV继电保护装置拒动或误动 C 4 四级 2 同杆并架线路发生跨线故障 C 3 三级 3 大负荷转移情况下保护连锁动作 B 4 三级 4 继 电 保 护 多重复杂故障情况下保护拒动或误动 B 2 二级 5 安全稳定控制系统拒动或误动 C 4 四级 6 现有切机、切负荷措施不合理 D 2 三级 7 低频、低压减载的配置地点、配置容量以及整定值设置不合理 D 2 三级

20、 8 安 稳 控 制 解列点、解列判据以及相关定值设置不合理 D 2 三级 4.3 运行管理及电气设备风险综合评估 在运行管理等其他方面，如调度员误判断、误调度以及电网失去监控也可能引发电网失稳或大面积停电的风险。电网大型主设备因故障退出运行，发电、变电设备长期高负荷运行，设备老化、检修不到位等问题，都对广东电网稳定性有重要的影响。对运行管理及电气设备安全风险分析进行综合分电力系统及其自动化 407 析评估，得出结果如表 5 所示。表 5 广东电网运行管理及电气设备风险综合评估 Tab.5 Guangdong power grid operation management and equipm

21、ent risk assessment 序号 风险因素 发生概率 后果 风险等级 1 误安排、误调度、误操作等人为事故 C 3 三级 2 运行 管理 电力应急机制不健全 D 3 四级 3 由于自然灾害等导致一次设备失效 B 4 三级 4 电气 设备 关键设备老化 B 2 二级 4.4 电力系统风险综合指标计算 把握了广东省电力系统在各个方面的风险隐患及其等级后，还可以进一步利用式（1）计算整个电力系统的风险指标 R，其结果如表 6、表 7 所示。表 6 电力系统总风险度计算 Tab.6 Computation of power system overall risk degree 广东省电力系

22、统风险评估 风险发生的可能性 风险 类别 风险 类别权重 风险因素 风险 因素权重 很大（1.0）较大（0.8）中等（0.6）不大（0.4）较小（0.2）风险度 西电东送通道故障 0.2 0.016 局部电磁环网取消困难 0.1 0.016 电网动态无功储备不足 0.05 0.008 局部电网解列 0.1 0.008 抑制振荡措施不足 0.05 0.004 交直流混合系统控制困难 0.05 0.004 短路电流超标 0.15 0.036 电源结构不合理 0.1 0.016 电源布局不合理 0.1 0.008 结构与运行风险 0.4 无黑启动电源及保安电源 0.1 0.016 0.132 500

23、 kV保护拒动或误动 0.25 0.04 同杆并架线路发生跨线故障 0.1 0.016 大负荷转移保护连锁动作 0.15 0.012 多重复杂故障拒动或误动 0.1 0.008 安稳控制系统拒动或误动 0.25 0.04 现有切机、切负荷措施不合理 0.05 0.012 低频、低压减载的配置不合理 0.05 0.012 继电保护与安稳控制风险 0.4 解列设置不合理 0.05 0.012 0.152 误安排、误调度、误操作等 0.15 0.012 电力应急管理机制不健全 0.1 0.012 由于自然灾害和极端气候等导致一次设备失效 0.1 0.004 运行管理及电气设备风险 0.2 关键设备老

24、化 0.1 0.004 0.032 电力系统总风险度R 0.316 408 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 表 7 风险等级表 Tab.7 Risk level table 风险等级 风 险 系 数 后 果 一级 0R0.25 后果可忽略，可不采取措施 二级 0.25R0.5 后果较轻，适当采取措施 三级 0.5R0.75 后果严重，必须采取措施 四级 0.75R1 灾难性后果，必须排除 由此可见，广东省电力系统总风险度R为 0.316，整体风险等级为 2 级，可适当采取措施避免风险产生的严重后果。5 结 论 在风险管理理论及分析方法研究的基础上，利用风险矩阵分析法对复杂电力系统风

25、险进行评估与分析，由于风险矩阵具有直观和清晰的特点，为电力系统风险管理提供了理论基础和便利条件，基于概率理论及风险评估公式还可以算出电力系统的整体风险指标R，例如广东省电力系统整体风险指标属二级风险，即存在“一定风险”，需要控制，应引起重视。本文工作得到了国家电力监管委员会南方监管局的资助，特此感谢！参 考 文 献 1 李文沅.电力系统风险评估模型、方法和应用M.科学出版社.2006，10.Wenyuan LI，Risk assessment of power systemsModels，Methods and ApplicationsM.Science press 2006，10.2 郭仲伟

26、.风险分析与决策M.北京：机械工业出版社，1986.GUO Zhongwei.Risk analysis and decisionM.Beijing：China machine press，1986.3 周直.大型工程项目实施阶段风险分析与管理研究D.上海：同济大学博士学位论文，1993.ZHOU Zhi.Risk analysis and management research on the large construction projectD.Shanghai：Tongji University，1993.4 于九如.投资项目风险分析M.北京：机械工业出版社，1997.YU Jiuru.

27、Investigation project risk analysisM.Beijing：China machine press，1997.5 宋明哲.现代风险管理.中国纺织工业出版社M，2003.SONG Mingzhe.Modern risk managementM.Beijing：China textile&apparel press，2003.6 McCalley，J.D.，Vittal，V.，Wan，H.，Dai，Y.，et al.Voltage risk assessmentJ，in proc.of 1999 IEEE Power Engineering Society Summe

28、r Meeting，Alta.，Canada：179-184.7 曾铁梅.越江盾构隧道结构关键技术研究及风险分析.武汉：武汉大学D，2007.ZENG Tiemei.Study on Structure Key Technology of Shield Tunnel Across Rivers and Risk Analysis.Wuhan：Wuhan University D，2007，12.8 Paul R，Garvey P R，Lansdowne Z F.Risk matrix：an approach for identifying，assessing，and ranking progr

29、am risks J.Air Journal of Logistics，1998（25）：16-19.9 沈永平，匡兴华，朱启超.风险矩阵方法与应用述评J.中国工程科学.2003，5（1）：89-94.SHEN Yongping，WANG Xinghua，ZHU Qichao.Risk Matrix Method and Its Application in the Field of Technical Project Risk J.Management.Engineering Science.2003，5（1）：89-94.10 曹云，徐卫亚.系统工程风险评估方法的研究进展J.中国工程科学.2005，7（6）：88-94.CAO Yun，XU Weiya.A Review on the Risk Assessment Methods of System EngineeringJ.Engineering Science.2005，7（6）：88-94.