基于风险的安全评估方法在电力系统中的应用

　　引言

　　确定性的安全评估方法已经在电力工业中有了很广泛的应用，并且在不需要额外研究工作的情况下提供了很高的可靠等级。但是，使用这种方法必须付出额外的费用；由于只重视最严重、最可信的事故，结果显得过于保守。因而从运行的角度来看，现存的设备没有被充分利用；从规划的角度来看，造成不必要的重复建设。随着电力市场的逐渐兴起，在激烈的竞争下，各个电能供应商都不愿意投资新的设备，而是更愿意扩展现有设备的传输极限，以便获得更便宜的能源和更低的生产费用。于是在系统运行状况频繁紧张的环境下，确定性方法的弱点就变得十分显著。在这种形势下，提出基于风险的安全评估(riskbasedsecurityassessment，缩写为RBSA)方法有其重要的现实意义。该方法能够定量地抓住决定安全性等级的两个因素:事故的可能性和严重性。并在此基础上引入了风险指标，从而可以对电力系统安全性做出更科学、细致的评估。

　　风险存在于生活的方方面面，人们将“能导致伤害的灾害可能性和这种伤害的严重程度”定义为“风险(risk)"。另外，欧洲机器安全规范标准(ENSonsafetyofmachinery)还把“风险评估(riskassessment)”，定义为：“采用一系列的逻辑步骤，使设计人员和安全工程师能够以一种系统的方式检查由于机器的使用而产生的灾害，从而可以选择合适的安全措施”。

　　采用定量处理的风险评估理论最初是在核能工业安全领域发展起来的，其中信息管理、不确定性处理以及决策制定等方法均趋于成熟，随后这些方法和理论即被应用于诸多其他涉及安全以及环境应用的领域，如：航空工业、保险业等，并取得了显著的成功。通常被安全工程师所采用的这种理论方法包括如下6个步骤：①辨认什么元件可能发生事故；②确定发生事故的频率；③计算事故产生的后果；④估算风险的程度；⑤评估风险的可接受程度；⑥采取行动来减少任一不可接受的风险。

　　1.在电力系统中引入RBSA方法的意义

　　现代电力系统运行的基本要求就是在一个可以接受的可靠性等级下，以尽可能低的费用向用户提供电能。但这两方面常常是互相冲突的，并使电力系统管理人员、规划人员和运行人员面临诸多具有挑战性的难题。电力系统可靠性评估于是便成为一个非常有用的工具，系统规划人员可以利用它来找到合理的解决方案。但是不同的评估方法之间，其结果往往是不同的。因此要回答“为什么在电力系统中引入RBSA方法”这个问题，就必须了解确定性安全评估方法的不足和基于风险的安全评估方法的优点。下面将分别给予说明。

　　1.1确定性安全评估方法的不足

　　电力工业在现代化的社会中有着举足轻重的地位，其可靠性直接关系到国家的发展和社会的稳定。由于可靠性包括两个方面：安全性和充分性，所以在讨论可靠性的问题时，我们可以将研究重点放在安全性上。

　　在传统的情况下，系统安全工程师采用的是确定性的安全评估方法一一最严重事故决策标准。在具体分析时，首先选择要分析的时间范围、负荷状况、网络结构和事故列表；其次确定最先违反系统运行状况标准的事故；最后再决定这些事故的解决方法。

　　虽然确定性方法曾经取得了很大的成功，但是随着电力系统的迅速发展，由于它是十分粗糙的、非定量化的，所以该方法的弱点显得越来越明显，主要表现在：

　　a.没有考虑事故发生的频率。确定性的安全评估方法假定事故列表中所有事故出现的频率是一样的，这与事实情况明显不符。

　　b.在严重性方面，运行标准不统一。确定性的安全评估方法中，为事故列表中的事故设立了相同的可靠性标准，这种运行要求在经济性影响上所代表的就是一个门槛，但是并不意味着不同的运行要求代表着相同的门槛，也就是说越限事故的严重性没有被很好地认识。

　　c.忽略了非限制性的事故。通常人们把对系统安全性产生一定的但又不是最严重影响的事故称为非限制性的事故。单个这类事故的影响虽然有限，但是由于它们的数目比较多，所以总的影响还是相当可观的。确定性的安全评估方法的核心就是最严重事故决策标准，因此那些不具有十分限制性的事都对决策没有影响。但是，事实上这些事故确实对系统运行状况的风险程度起作用。

　　d.安全区域内的风险没有被量化。确定性的安全评估方法只能判断在一定的可靠性标准和运行状况下系统是可靠的还是不可靠的，而不能对安全区域内的风险进行量化。因此它不能识别安全区域内的高风险区，也就不能对将来可能造成系统不可靠的情况作出预防措施。

　　1.2基于风险的安全评估方法的优点

　　电力系统的安全性被认为是一个瞬间的、随时间变化的情形，它是系统对于即将发生的扰动所具有鲁棒性的一个函数。由于在预测即将发生的扰动中不可避免地含有不确定因素，所以采用一种可能性框架的安全评估方法是更可取的。因而需要将原有的确定性安全评估扩展为可能性的安全评估。随着电力系统的不断发展，其复杂性也在不断增长，原有的分析方法显得过于粗糙；由于电力市场概念的引入，各个电能供应商为了在运行费用上竞争，都希望在满足一定的可靠性标准下尽可能地降低成本；另外，系统规划人员为了对不同的设计进行评估，就需要做“费用一效益”分析。所有这一切都要求必须采用定量化的方法来分析系统的可靠性。

　　RBSA方法的发展始于1994年，作为这项工作的一个主要贡献，美国衣阿华州立大学的J.McCalley和V.Vittal等人发展了一种风险指标，它能够定量地抓住决定安全等级的因素：事故的可能性和严重性。因此，在电力系统安全分析中，就将风险定义为：事故发生的概率X事故产生的后果。

　　通常被采用的计算风险值的方程式为：

　　经过与确定性的安全评估方法相比较，发现采用RBSA方法有诸多优点：

　　a.在安全性和经济决策制定之间架起一座桥梁。从对风险的定义来看，就能了解到这种风险指标可以衡量不确定性事故所产生的经济性后果，因而对系统的安全性可以从经济性上进行分析。

　　b.是一个重要的状态指示器。风险指标最基本的应用是利用现有的相关信息来决定未来几分钟、几小时乃至几周的情况，因而可以对系统的状态进行指示。

　　c.风险可以组合。由于风险是按照每一个安全问题、每一起事故和每一个元件计算的，因此可以把对每个元件的风险分析组合成对整体的风险评估。

　　d.风险可以累计。如果能按照时间的顺序提供一个连续的运行状况曲线，就可以先对每一个运行状况计算风险指标，然后再累计成规定时间范围内总的风险评估。

　　e.风险优先可以被包括在相应的决策制定中。RBSA方法在分析安全性的同时又兼顾了经济性，因而在制定决策时可以将其作为优失考虑的因素。

　　2.RBSA方法的研究内容和应用范围

　　2.1RBSA方法的研究内容

　　2.1.1对于风险指标本身的研究

　　a.事故发生的概率

　　由于RBSA方法要考虑所有可能发生的不确定事故，而且这些事故发生的概率又完全不同，所以就需要通过对历史数据的收集、分析，然后利用条件概率和全概率的公式得出最终的事故概率值。作为一个示例，文献[7]给出了如何计算一个有稳定限制的电力系统失稳的概率。

　　b.事故产生的后果

　　风险指标的另一个有机组成部分是事故产生的后果。如果要使所提供的风险指标结果令人信服，一个精确的事故后果模型是必不可少的，这就需要电力企业进行大量的调查、研究。经过数年的努力，国外的电力行业已经在这方面取得了一定的成果[8,9]。过去因为我国的电力行业过分注重系统的可靠性而往往忽略了其经济性，因此缺乏对这方面的研究。但是随着电力系统的不断发展和我国电力市场机制的实施，这将成为一项重要的基础工作。

　　2.1.2对电力系统规模的简化

　　RBSA方法的一个主要特点就是要对大量的数据进行计算和处理。在理论研究时，通常都是对一个规模较小的系统或是选取系统的一个部分来分析。因此将这种方法应用到实际系统时，必须先对实际系统进行一定的处理，而一般采用的方法就是对实际系统降阶，进行等值化简。文献[10]在这方面做了有益的尝试。

　　2.1.3电力系统安全性的研究

　　当讨论电力系统安全性时，由于其涉及的内容相当广泛，图1可以帮助我们更清楚地了解其内容。通常，安全性分为静态安全性和动态安全性两部分，其中静态安全性又包含过载安全性和电压安全性，同时每一部分又有各自的子问题。目前RBSA方法主要是对安全性中各自的子问题进行研究，并取得了一定的成果。

　　a.很长时间以来，输电线路的热容量一直都是用确定性的方法计算得到。文献[11]通过风险分析的方法来增加输电线的热容量，这确实是一个大胆的创新。因为在风险分析中需要考虑诸多因素(温度、风速、风向、光照等)，所以要获得一个十分精确的结果显得非常困难。但是随着有关数据的不断完善以及处理方法的不断提高，该方法得出的结果会越来越科学、可靠。另外，在文献[12]中还指出了用RBSA方法决定变压器热负荷容量的可能性。

　　b.电压稳定问题目前正是研究电力系统运行问题的一个热点，而基于风险考虑的电压稳定也在文献[13]中有所研究。但由于电力行业对电压稳定问题还未形成一个比较统一的认识，因而使基于风险考虑的电压稳定失去了统一的衡量标准。所以，RBSA方法在这个问题上的应用前景将取决于电压稳定问题本身的发展情况。

　　c.与上述两个方面比较而言，暂态稳定问题具有先天的优势，这也将是本文作者今后的研究方向。因为暂态稳定在电力系统中处于十分重要的位置，所以有关这方面的文献非常多。此外，概率性暂态稳定问题也已研究多年[14-16]。所有上述研究都为基于风险分析的暂态稳定问题提供了大量有用的信息，其中一些研究成果可以参阅文献[17,18]。

　　2.2RBSA方法的应用范围

　　RBSA方法所要解决的最主要问题就是将安全性等级和采用该等级而带来的费用或利益综合起来进行评估。因此在电力系统中能够使用这种评估方法的地方还是很多的，下面给予具体说明:

　　a.在运行中，当系统运行人员在对涉及经济性一安全性交易做出运行决定时，RBSA方法可以为运行人员提供更加精确的评估，并且还能利用风险指标作为影响市场行为的价格信号。

　　b.在运行规划中，线路、变压器和发电机的额定容量不仅由正常情况决定，潜在的停电事故状况也对其有影响，所以RBSA方法可以为确定这些额定容量和限制提供决策标准。

　　c.在设备规划中，RBSA方法可以对候选的新规划方案在风险上的影响进行比较，从而规划人员可以从中选出更经济、更可靠的方案。

　　d.为了处理不确定性问题，就需要搜集大量的数据，而RBSA方法可以在数据搜集之前就能决定搜集数据所能带来的利益是否超过搜集数据本身所需要的费用，从而决定是否进行数据搜集活动。

　　3.结束语

　　随着电力系统的不断发展，系统的规模越来越复杂，系统的任何事故都可能给电力系统以至整个社会带来巨大的危害，因此有必要对系统的安全性做出更细致的评估。另外，电力市场的逐渐兴起也促使各个电能供应商更加注重生产的效益性，在满足一定的可靠性的情况下，尽可能降低运行的费用，于是有一个更科学、细致的评估方法显得非常必要。而RBSA方法的出现正好满足了这些需求，适应了电力系统不断发展的最新情况，显示出很好的发展前景。伴随着中国现代化建设的飞速发展，电力市场机制的逐步形成，对电力系统的要求将越来越严格，电网的规模也在不断扩大，因此上述问题极有可能在不久的将来出现。所以对RBSA方法的深入研究将是一项非常紧迫的任务，作者衷心希望能有更多的电力工作者投入到这项研究工作中去。