占才亮1，潮 铸1，钟华赞1，谢 敏2，尹一江2，刘明波2
（1.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 5106991；2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）
摘 要： 智能电网的多来源海量数据为电网调度的高级应用系统提出了新的要求。针对智能电网调度所需具备的预警、预控、优化、协调能力的特点，围绕调度令从拟令到发令再到现场执行的整个流程，梳理了广东电网的典型调度模式，在此基础上提出了智能电网省地一体化调度操作风险量化评估的整体实现框架，从省地站三个层面将调度操作风险评估分解为风险源辨识、基于贝叶斯网络的操作成败概率预测、操作风险后果值计算以及操作风险指标体系构建等四个主要步骤，建立了省调-地调-变电站三级信息交互的调度操作风险评估系统，大大提高了智能电网调度操作风险预控水平，为调度人员科学快速地制定风险控制措施提供有效的辅助决策手段。
关键词： 智能电网；省地一体化；调度操作； 风险量化；风险评估
0 引言
智能电网调度所具备的预警、预控、优化和协调的特点为现有的电网调度操作模式及其自动化管理系统带来了新的挑战。智能电网的调度操作自动化系统一方面能够为调度工作人员提供科学高效的辅助决策支持，另一方面，随着电网规模和设备数量的增加，电网运行方式的日益复杂，调度操作人员面临多来源多平台的海量数据信息，这也大大增加了电网调度操作的不确定性，为电网的安全稳定运行带来一定风险。目前电网公司已有的安全生产风险管理体系主要是针对电网规划运行层面，而缺少专门针对调度操作本身的风险评估指标体系和风险量化评估模型，使得调度操作依然处于传统的经验型思维模式状态，对于省调、地调以及变电站的调度操作存在的风险辨识模糊不清的问题，更无法对其进行量化评估[1]。
电力系统调度操作风险评估，是指对调度操作过程中存在的隐患进行评估，或者说对调度操作所面临的不确定性因素，给出其可能性与后果严重性的综合度量，揭露电力系统的调度操作对风险源扰动事件的暴露程度，以保证整个电力系统安全、可靠运行。因此，电网的调度操作风险量化主要由两部分构成，即，风险源的量化辨识与风险后果的评估。调度操作的风险源主要包含三类，即，设备、天气和人员。目前，国内外在该领域的研究中，对影响电网调度操作的风险因素辨识比较局部，主要针对电力设备的风险评估[2]。如，澳大利亚越网公司采用的基于扩展风险矩阵图法的电力设备评估方法，并与山东电力集团公司进行了合作，实现了山东电网110 kV 及以上主变压器类设备的风险评估和排序；英国EA 公司提出了基于变电设备状态的风险防范管理体系评估信息系统（CBRM），并与云南电网公司进行了合作，实现了云南电网所属14个500 kV变电站5类500 kV一次设备，和昆明供电局61个变电站220 kV以上电网8类一次设备(总数达3 344 台)的健康状态评价和风险评估；此外，国际大电网会议（CIGRE）的B3/C2-14 工作组提出的资产管理决策流程中亦涉及对电力设备风险评估的相关内容[3]。上述这类对电力设备的风险评估主要侧重的是对历史数据的统计和分析，没有考虑电网运行的实时状态的影响。
在天气和人员风险源方面的研究，仍主要侧重历史数据的统计和分析，有部分学者对天气变化影响电力设备故障率的角度入手，建立了考虑天气因素的设备故障率模型[4]，但由于对天气因素的考虑比较粗略，在具体应用时难以实现与数字天气预报系统的实时对接。而人员风险源的辨识方面，有学者引入CREAM等人因可靠性理论对变电站倒闸操作过程中人的因素进行了研究[5]，但由于该理论主要基于人的认知模型，对历史数据要求较高，且多采用打分的方式进行评估，主观性强，难以与设备、天气等能够量化的风险因子实现联动[6-9]。
对于风险可能导致的后果值的计算方面，与失负荷值相关的指标应用最多，其计算主要基于电网的实时运行方式[10]，在实现手段上结合传统潮流计算，将失负荷值的计算仅建模为一单纯的最优潮流问题，并采用多种数学优化方法进行优化求解，直到全部操作完成。这种建模和求解的方式无法同时考虑电网运行方式的调整，且计算过程中，潮流计算需多次反复调用，当电网规模达到省级规模及以上时，一分钟仅能够自动实现几次潮流计算，且存在潮流不收敛的情况，因此，从计算效率上来说，现有的方法亦无法满足智能电网调度操作风险评估的在线实时性的要求。
综上所述，开展专门针对智能电网调度操作的风险量化与评估是电网调度工作的客观需要。本文以广东电网为实际应用背景，根据调度令从拟令到发令再到现场执行的整个流程，梳理了广东电网的典型调度模式，在此基础上提出了智能电网省地一体化调度操作风险量化评估的整体实现框架和核心技术思想，建立了省调-地调-变电站三级信息交互的调度操作风险评估系统，使各级调度人员能够事先掌握调度操作给变电站、地市电网、省电网所带来的风险水平，提高了智能电网调度操作风险预控水平，为调度人员快速有效地制定风险控制措施提供科学有效的辅助决策手段。
1 省地站调度操作模式分析
1.1 调度操作指令的分类
调度操作是由调度值班人员下发操作指令的方式予以执行。发布和接受调度指令，通常采用调度专用电话系统或专用网络传输系统。根据指令的内容和完成方式的不同，调度操作指令可分为三种类型：单项令、逐项令和综合令[11]。
（1）单项令：是指值班调度员下达的单一项目操作的调度指令。
（2）综合令：是指值班调度员按照操作目的和要求，用标准术语说明操作对象的起始和终结状态以及注意事项的调度指令。受令人按照综合令确定的操作规范和现场规程，自行拟定具体操作步骤和操作顺序，一次性完成所有操作后向发令人汇报。
（3）逐项令：是指值班调度员根据一定的逻辑关系，按照顺序下达的调度指令。受令人按照下达的操作指令完成现场操作。每执行完一项操作指令，必须向发令调度员报告，等待接受下一项操作指令。
可见，无论调度指令如何复杂，其本质都是可以用一系列有先后逻辑关系的单项令序列构成。因此，在对电网调度操作风险进行评估时，我们可以将所有调度操作指令描述成统一形式，即，有先后逻辑关系的单项令序列。而调度令本身的类别不同则可通过其涉及的调度部门和执行人员等风险因素来体现其差异性。具体见后续风险评估模型。
1.2 主要调度操作模式的分类
根据广东电网省地调度指令发布与执行的实际工作流程，可梳理出相应的省地调度操作模式，该模式直接决定了省地调度操作过程中存在的风险源辨识问题，并进一步关系到调度操作风险量化评估模型的建立。广东省调的调度操作模式可分为三种情况，如图1所示。
（1）省调-变电站模式：省调下发操作指令给500 kV或220 kV有人值守变电站的调度员，由该站值班操作人员完成现场操作。
（2）省调-地调模式：省调下发操作指令给地调值班调度员，由地调调度员制定相应操作票，并下发给相应变电站值班操作人员完成现场操作。
（3）省调-集控中心-变电站模式：省调下发操作指令给集控中心或监控中心，由集控中心或监控中心的巡维组值班人员到变电站完成现场操作。
此外，还有省调-直调电厂模式，即，有关发电系统的调节操作，由省调下发操作指令给直调发电厂调度员，并由相关操作人员完成现场操作。该模式的计算处理同（2），在图上不再列出。
2 智能电网省地一体化调度操作风险量化评估整体实现框架
2.1 风险源的辨识
根据实际调度操作运行经验，主要包括四个方面的调度操作风险源：设备因素、人为因素、规则因素以及天气因素，具体如下：
（1）设备因素：主要包括设备缺陷状态、设备陈旧度（服役年限）、操作所涉及关键设备在历史上发生故障统计、现场施工的影响等。
（2）人为因素：主要包括上岗时间、文化水平、工作责任心、心情和情绪、历史上出现人工失误率统计、之前工作的疲劳度、本次操作的时段等。
（3）规则因素：主要包括操作规范度、操作监管度等。
（4）天气因素：具体包括正常、台风(黄色预警、橙色预警、红色预警)、雷雨大风(黄色预警、橙色预警、红色预警)、森林火险(橙色预警、红色预警) 、高温(橙色预警、红色预警)、大雾(橙色预警、红色预警)、结冰等。
2.2 智能电网调度操作风险的量化通式
省地一体化调度操作风险评估可分别从变电站、地调和省调三个层面展开，各个不同层面的风险因素亦有可能不同，省地站三个层面的调度操作风险评估是相互联系的有机整体。
由于电网的任何一项操作，其操作成功与操作失败均可能带来风险后果，如：操作成功后系统仍可能出现潮流越限、节点电压越限等不安全后果；而操作失败则可能带来更严重的后果。因此，对于某一项调度操作风险的评估应结合操作成败的概率及其相应的风险后果来衡量。由于风险值本身具有累加性的特点，因此，可采用式（1）作为电网调度操作风险的量化通式。
φ=操作成功风险+操作失败风险
=ps×ξs+(1-ps)ξF（1）
式中，φ表示该项操作的风险指标；ps表示该项操作成功的概率，则1-ps表示该项操作失败的概率；ξs和ξF则分别表示操作成功和操作失败所带来的风险后果。
2.3 基于贝叶斯网络的操作成败概率预测
基于调度模式，并根据风险源因素及其相互之间的关系，以“本项操作失败”作为危险事件，形成操作风险的贝叶斯网络图，根据该图进行演绎推理计算，可以预测出操作失败事件发生的概率，形成的贝叶斯网络图如图2所示。
在该图中，形成各个节点的条件概率表是关键，而所有起始父节点（如：上岗时间、学历等）的边际概率则可根据历史统计数据获得。而操作失败这一危险事件，发生的概率在形成各节点的条件概率表后，能够预测得出。此处，“操作失败”是针对调度指令中的每一步具体的操作而言，如调度指令可分解为n个单项令，即，n个步骤，那么在形成贝叶斯网络图时，就应分别对这n个步骤生成相应的贝叶斯网络图，分别用于预测这n个步骤操作失败的概率。因此，这一项调度令操作失败的概率可用下式来计算：
式中，pF表示该项调度令操作失败的总的概率， pF,i表示操作过程中的第i个操作步骤对应的失败概率。可见，采用贝叶斯网络既可预测每一步具体操作的失败概率，也可估计整条调度令（单项令、综合令）操作失败的概论。而操作成功的概率则与操作失败概率互补。
2.4 智能电网调度操作风险后果值及指标的计算
实质上，操作成功与操作失败各自的后果值计算原理是相同的，不同之处在于操作成功和操作失败所对应的电网接线或运行方式不同。根据设备操作的影响范围不同，风险后果值计算可分为两种情况来考虑：
（1）只对变电站站内有影响的情况
这种情况是指该项操作仅影响变电站内的运行，而对外部电网没有影响，如，设备由检修状态转为备用状态、旁路断路器代其他断路器运行等操作。这时，操作风险后果值的计算即为变电站主接线可靠性分析，计算的后果值包括，可用度、平均无故障工作时间、平均停运时间、故障频率、主变过载率等。
（2）对网络运行有影响的情况
这种情况是指设备的操作，如，线路投切、发电出力调整等，会影响外部电网的运行状态。这种情况下，后果值的计算其实质是操作成功或失败前提下的电网实时运行风险评估，具体思路为：首先需确定设备操作对外部电网运行的影响界面，并将该站在影响界面上对外部电网进行等值，然后对外部电网进行潮流计算来确定该项操作的后果值。考虑操作成功与操作失败两种情况：
①操作成功：根据SCADA系统提供的电网实时运行数据，对等值后的外部电网进行潮流计算，查看是否有出现潮流越限、节点电压越限等不安全状态出现。若潮流计算后电网没有出现任何不安全情形，则操作成功后的风险后果值为0。
②操作失败：则应制定操作失败后的预想事故集，对事故集中的每个故障进行潮流计算，若潮流不收敛，则进行按负荷重要程度的最优切负荷计算，以失负荷大小来衡量操作失败所带来的后果值。
这种情况下计算的后果值具体包括：停电功率比、线路过载率、节点电压不合格率等。
然后，基于操作成败概率预测值和上述风险后果值，由式(1)即可求取相应的调度操作风险指标。
2.5 智能电网调度操作风险评估的实现流程
综上所述，智能电网调度操作风险评估的整体实现流程如图3所示，具体由风险源辨识、操作成败概率预测、操作风险后果值计算以及风险指标的计算等四大核心模块构成。
3 智能电网省地一体化调度操作风险量化评估系统构建
根据图3所示的智能电网调度操作风险评估子系统的实现框图，以及围绕调度令而产生的省、地、站三个层面之间的相互关系，构建了如图4所示的广东电网省地一体化智能调度操作风险量化评估的过程，为相应软件系统的开发提供基本框架。
4 结论
本文针对智能电网对调度操作带来的新要求，围绕调度指令从拟令到执行的不同调度模式，介绍了广东电网省地一体化智能调度操作风险量化评估的整体实现框架和核心技术思想，将智能电网省地一体化调度操作风险评估分解为风险源辨识、基于贝叶斯网络的操作成败概率预测、操作风险后果值计算以及操作风险指标体系构建等四个主要步骤，从省、地、站三个层面构建有机联系的智能电网调度操作风险评估系统，让各级调度人员能实时掌握将要执行的调度操作给相关变电站甚至整个广东电网带来的影响，有助于提高电网的安全稳定运行能力，为各级电网调度人员提供科学有效的辅助决策支持手段。
参考文献
[1]花关柱．浅谈电力调度操作危险点分析及预控[J]．电力技术，2010，19(15-16)：63-68．
[2]白恺,罗日成. 输变电设备风险评估[J]. 中国电力, 2009, 42(10): 48-51.
[3]文云峰，崔建磊，张金江，等. 面向调度运行的电网安全风险管理控制系统（一）概念及架构与功能设计[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(9): 66 - 73.
[4]魏炜，王恩，刘哲. 时变概率模型下的电网调度操作过程风险评估[J]. 电网技术, 2013, 37(12): 3509-3514.
[5]陆海波. 电网人因可靠性及操作风险研究[D].杭州：浙江大学,2013.
[6]刘春友. 变电站值班员倒闸操作风险的量化分析[J]. 电力安全技术, 2010,12(11): 22-25.
[7]邹练辉. 电网稳控装置功能与操作风险分析[J].电工技术, 2011(6): 60-61,71.
[8]李碧君,方勇杰,徐泰山.关于电网运行安全风险在线评估的评述[J].电力系统自动化,2012,18:171-177.
[9]朱黎, 唐红. 影响变电站电气倒闸操作的综合因素分析[J]. 安徽电力, 2004, 21(4): 59-63.
[10]李博，刘嘉宁，陈东,等. 面向调度操作的电网实时风险评估方法[J]. 广东电力, 2013，26（12）: 42-47,85.
[11]中国南方电网有限责任公司．Q/CSG-GPG 212001-2011 广东电力系统调度规程(修订)[S]．广州：2012.