一种基于PSR模型的电网基础设施脆弱性评估方法

摘要

本发明涉及一种基于PSR模型的电网基础设施脆弱性评估方法，包括以下步骤：1)根据国内外电网基础设施灾情统计数据建立PSR模型的评估指标，包括灾害体、承灾体以及灾害体和承灾体之间的关系；2)根据评估指标确定PSR模型的评估要素及其评价指标，包括压力要素、状态要素以及响应要素；3)建立电网基础设施的PSR模型；4)根据电网基础设施的PSR模型计算得到电网基础设施脆弱性评估等级，并根据脆弱性评估等级进行相应的加强措施。与现有技术相比，本发明具有等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电网基础设施脆弱性评估方法，尤其是涉及一种基于PSR模 型的电网基础设施脆弱性评估方法。

背景技术

脆弱性的研究最早集中于自然界领域，如地下水和生态系统等领域的探讨。 20世纪90年代以来，关于脆弱性的研究大量涌现，目前这一概念已被广泛应用到 许多研究领域，如灾害管理、生态学、公共健康、可持续性科学、经济学等，对大 规模系统的脆弱性也出现了很多研究，如计算机网络安全、军事物流、复杂技术系 统和工业生产流程等。主要用于描述相关系统及其组成要素易于遭受影响和破坏， 并缺乏抗干扰、恢复初始态(自身结构和功能)的能力。

从已有的文献可知，长期以来我国电力系统安全性评估主要是针对电力系统 本身建模和故障分析计算，注重研究系统结构及运行方式，即技术脆弱性。按研究 角度的不同可将电力系统技术脆弱性分为状态脆弱性和结构脆弱性。状态脆弱性研 究电网中各状态变量偏离正常状态及距离临界状态的程度；结构脆弱性则研究电网 中某个单元在网络结构中的重要程度。

根据电力系统脆弱源不同，提出了不同的电网脆弱性评估方法通过文献调 研，目前主要的电网脆弱性评估方法大致有以下几类：

(1)确定性评估方法

所谓确定性评估方法，即通过校验系统在若干极端严重事故后的稳定状态变 化来确定系统的安全水平，通过定义具有直接物理意义的技术指标，如灵敏度技 术、能量裕度、潮流、直接法等，来作为评估电网脆弱性的尺度。这些指标往往以 最严重事故作为判断标准，没有考虑事故发生的随机性及电网的复杂性，得出的结 果偏于保守。

(2)基于暂态能量裕度的电力系统脆弱性评估

该方法的分析思想为从能量裕度角度对电力系统脆弱性进行分析。使用概率 和能量裕度两个指标来进行对系统脆弱性的评估以确保避免诸如严重程度高但发 生事故概率小的事件被忽略掉。为了最终建立针对整个系统计算其综合脆弱性的概 率指标以及能量裕度指标的模型，需要通过利用范数理论和概率理论，来进行设置 对各事故脆弱性的概率指标和能量裕度指标，并最终根据此模型提出对电力系统脆 弱性的评估算法。

(3)基于有向权重图和复杂网络理论的电力系统脆弱性评估

为了利用复杂网络理论进行脆弱性分析，首先要将电网等效为含有节点和边 的复杂网络，其中涉及到两个主要的结构特征参数：节点度和线路介数。为了保证 电力系统拓扑模型的有效性，首先建立电网的等效图模型，在复杂网络理论的基础 上提出判别系统薄弱元件的方法，并以此分析电网在连锁故障反应下的脆弱性。

(4)概论评估方法

电网事故的发生具有不确定性，但也并不是没有规律可循，比如电网扰动概 率符合泊松分布等。概论分析方法是假设电网某些扰动发生的概率以及传输线路蔓 延的概率，通过概率分析得到电网的脆弱性。

(5)风险评估方法

“风险”，在广义上可理解为特定的不希望事件发生的可能性(概率)及发生后 果的综合。可能性和严重性是风险的两个特点，风险评估的目的是研究危险事件 发生的可能性及其发生后所导致后果的严重性。对电力系统来说也就是在现有的电 网运行环境下，不希望的扰动导致电网不能安全运行的可能性及对导致的后果的一 种度量。根据这种度量来评估电网的脆弱性。

文献从从风险暴露的观点来量化脆弱性，给出故障发生的概率以及其产生的 后果，并以Nordic电力系统为例，提出了电网关于能量短缺、容量不足以及电网 故障的脆弱性。

总结现在已有的对电力系统脆弱性分析问题的研究方法，确定性评估方法往 往以最严重事故作为判断标准，没有考虑事故发生的随机性及电网的复杂性，得出 的结果偏于保守；利用暂态能量裕度的分析方法，忽视了系统物理约束条件；复杂 网络理论与有向权重图的方法也类似指出了系统中重要的一些节点，缺少了对其他 部分的关注，同时也没有具体给出系统可能受到的损失；基于概率论与风险分析的 方法，没有考虑到人为主观的外部因素。上述五种方法多是从电网自身结构和运行 条件出发，研究电网的技术脆弱性，包含两部分内容，一是状态脆弱性，即电网受 到扰动或者故障之后，状态变量发生变化以及向临界值逼近，反映电力系统从稳定 运行状态过渡到临界失稳状态的过程，反映了系统承受干扰的能力，二是结构脆弱 性，指网络中某一单元或某一些单元退出或相继退出运行(连锁故障模式)后，网络 保持其拓扑结构完整并正常运行的能力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于PSR模 型的电网基础设施脆弱性评估方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于PSR模型的电网基础设施脆弱性评估方法，包括以下步骤：

1)根据国内外电网基础设施灾情统计数据建立PSR模型的评估指标，包括灾 害体、承灾体以及灾害体和承灾体之间的关系；

2)根据评估指标确定PSR模型的评估要素及其评价指标，包括压力要素、状 态要素以及响应要素；

3)建立电网基础设施的PSR模型；

4)根据电网基础设施的PSR模型计算得到电网基础设施脆弱性评估等级，并 根据脆弱性评估等级进行相应的加强措施。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)确定电网基础设施脆弱性的灾害体，包括自然灾害和人为破坏，所述的自 然灾害包括地震、风灾、雨雪冰冻、洪涝灾害、滑坡泥石流、雷击、森林火灾和污 闪，所述的人为破坏包括故意破坏和意外损坏；

12)确定电网基础设施脆弱性的承灾体，包括变压器、断路器、隔离开关、互 感器、电抗器、电容器、滤波器、避雷器、母线和GIS；

13)确定电网基础设施脆弱性中灾害体和承灾体之间的关系，包括主变压器保 护单元、高压并联电抗器保护单元、线路保护单元、接线断路器保护及辅助保护单 元、母线保护单元、安全自动装置、故障录波器、直流系统单元、防误闭锁装置、 综合自动化系统和RTU单元。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)将电网基础设施脆弱性的灾害体作为PSR模型的压力要素的一级指标， 将位置参数、地质/气象因素、人类活动参数和灾害案例作为压力要素的二级指标；

22)将电网基础设施脆弱性的承灾体作为PSR模型的状态要素的一级指标， 将设备自身安全系数、技术状态、设备缺陷、故障停运率和跳闸率作为状态要素的 二级指标；

23)将电网基础设施脆弱性中灾害体和承灾体之间的关系作为PSR模型的响 应要素的一级指标，将设备技术状态、运行分析和恢复供电作为状态要素的二级指 标。

所述的步骤3)中PSR模型的表达式为：

V_PSR＝VP+VS+VR

$\mathrm{VP}=\underset{X=A}{\overset{J}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{Xi}}$

$\mathrm{VS}=\underset{S=A}{\overset{G}{\Sigma }}[S_{11}+\frac{1}{2}(S_{21}+S_{22})+\frac{1}{2}(S_{31}+S_{32})]$

$\mathrm{VR}=\underset{R=A}{\overset{K}{\Sigma }}[R_{11}+\frac{1}{2}(R_{21}+R_{22})]$

其中，VP为压力脆弱性指数，VS为状态脆弱性指数，VR为响应脆弱性指数， V_PSR为压力脆弱性指数，P_Xi为PSR模型的压力要素的二级指标评价分数，S₁₁、S₂₁、 S₂₂、S₃₁和S₃₂分别为PSR模型的状态要素的二级指标评价分数，R₁₁、R₂₁和R₂₂分 别为PSR模型的响应要素的二级指标评价分数，J、G和K分别为压力要素、状态 要素和响应要素的一级指标类型。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、算法先进，本方法通过建立PSR模型分析电网基础设施脆弱性，并且进行 了全面系统的评价，包括对灾害体、承灾体以及他们之间关系的类型和技术特点进 行了二级评价，分析彻底。

二、考虑全面，在建立PSR模型的评估指标时，就已经将PSR模型的三个要 素的内容全部分析概括进去，对所有的二级评价指标进行了评分，建立起全面的 PSR模型。

三、分析客观，通过专家评价的方式，对所有的二级评价指标进行了客观的评 分，保证了评分的真实性，进而建立了准确的PSR模型。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

一种基于PSR模型的电网基础设施脆弱性评估方法，包括以下步骤：

1)根据国内外电网基础设施灾情统计数据建立PSR模型的评估指标，包括灾 害体、承灾体以及灾害体和承灾体之间的关系，具体包括以下步骤：

11)确定电网基础设施脆弱性的灾害体，包括自然灾害和人为破坏，所述的自 然灾害包括地震、风灾、雨雪冰冻、洪涝灾害、滑坡泥石流、雷击、森林火灾和污 闪，所述的人为破坏包括故意破坏和意外损坏；

12)确定电网基础设施脆弱性的承灾体，包括变压器、断路器、隔离开关、互 感器、电抗器、电容器、滤波器、避雷器、母线和GIS；

13)确定电网基础设施脆弱性中灾害体和承灾体之间的关系，包括主变压器保 护单元、高压并联电抗器保护单元、线路保护单元、接线断路器保护及辅助保护单 元、母线保护单元、安全自动装置、故障录波器、直流系统单元、防误闭锁装置、 综合自动化系统和RTU单元；

2)根据评估指标确定PSR模型的评估要素及其评价指标，包括压力要素、状 态要素以及响应要素，具体包括以下步骤：

21)将电网基础设施脆弱性的灾害体作为PSR模型的压力要素的一级指标， 将位置参数、地质/气象因素、人类活动参数和灾害案例作为压力要素的二级指标；

22)将电网基础设施脆弱性的承灾体作为PSR模型的状态要素的一级指标， 将设备自身安全系数、技术状态、设备缺陷、故障停运率和跳闸率作为状态要素的 二级指标；

23)将电网基础设施脆弱性中灾害体和承灾体之间的关系作为PSR模型的响 应要素的一级指标，将设备技术状态、运行分析和恢复供电作为状态要素的二级指 标；

3)建立电网基础设施的PSR模型，PSR模型的表达式为：

V_PSR＝VP+VS+VR

$\mathrm{VP}=\underset{X=A}{\overset{J}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{Xi}}$

$\mathrm{VS}=\underset{S=A}{\overset{G}{\Sigma }}[S_{11}+\frac{1}{2}(S_{21}+S_{22})+\frac{1}{2}(S_{31}+S_{32})]$

$\mathrm{VR}=\underset{R=A}{\overset{K}{\Sigma }}[R_{11}+\frac{1}{2}(R_{21}+R_{22})]$

其中，VP为压力脆弱性指数，VS为状态脆弱性指数，VR为响应脆弱性指数， V_PSR为压力脆弱性指数，P_Xi为PSR模型的压力要素的二级指标评价分数，S₁₁、S₂₁、 S₂₂、S₃₁和S₃₂分别为PSR模型的状态要素的二级指标评价分数，R₁₁、R₂₁和R₂₂分 别为PSR模型的响应要素的二级指标评价分数，J、G和K分别为压力要素、状态 要素和响应要素的一级指标类型；

4)根据电网基础设施的PSR模型计算得到电网基础设施脆弱性评估等级，并 根据脆弱性评估等级进行相应的加强措施，表1为电网基础设施脆弱性响应指数等 级划分表。

表1电网基础设施脆弱性响应指数等级划分

根据上海市电力公司泗泾500kV变电站的部分基础数据和我国电网基础设施 历史事故资料，并结合专家咨询的方法，按照本项目构建的电网基础设施脆弱性评 估指标体系，分别从压力、状态和响应三个方面，对脆弱性评估指数进行计算并确 定脆弱性等级，最后运用三角图法对变电站进行脆弱性评估，分析变电站脆弱性的 类型。

泗泾变电站位于上海市淞江区泗泾镇小长村118号(距泗泾镇约1公里处)， 东西北侧紧临泗泾塘、北泖塘和小尺浜环绕，占地面积91635平方米，房屋建筑面 积3831平方米。其中主控楼为808平方米，生活楼为640平方米。站前区设有绿 化区域和水泵房等。

由于上海南部地区的闵行、漕河泾、虹桥三个开发区负荷发展迅速，国家电力 公司以国电(1998)389号文《关于上海500KV变电所及π接线，杨行500KV变 电所工程初步批复》，批准建设吴泾电厂八期工程，并配套建设500千伏泗泾变电 站等配套工程，为已建或计划建设的220千伏变电站提供电源，同时满足上海南部 地区用电负荷发展的需要，并改善上海南部地区220千伏电网结构，提高供电可靠 性，为实现220千伏电网分片运行作准备。

泗泾变电站建设单位为上海超高压输变电工程筹建处，由华东电力设计院设 计，上海电力建设局第三分公司承建土建部分，上海送变电工程公司承担电气安装、 调试，上海电力监理有限公司监理。首期工程于1998年12月28日开工，2001年 1月5日竣工投运，工程投资51445万元(含外汇2500万美元)。

泗泾变电站由500/220/35千伏三个电压等级组成，主变压器设计远景为安装 500千伏主变压器4组。500千伏远景规划为母线双分段，建6个完整串、12个单 元，即进出线8回和主变压器4组。

目前泗泾变电站全站的变电容量为350万千伏安。电系上共有500千伏、220 千伏、35千伏3个电压等级：

500千伏系统采用3/2接线方式，现投运6串，其中4串完整串，2串非完整 串，负荷为泗新5151线、泗余5152线，渡泗5101线、渡泗5108线、泗塘5150 线、泗练5149线共6条线路，500千伏断路器16台，联结着上海电网的黄渡、新 余、练塘三大五十万变电站，主变压器4台，1、2号主变容量75万千伏安，3、4 号主变容量100万千伏安，总计为350万千伏安。

220千伏系统采用3/2接线方式，现投运12串完整串，负荷为泗辰4111、泗 辰4112，泗祥4115、泗祥4116、泗北4121、泗北4122、泗通4123、泗纪4124、 泗通4125、泗通4126、泗庄4113、泗庄4114，泗申4117、泗申4118、泗美4119、 泗美4120、泗春4127、泗春4128、泗姚4275、泗姚4276共20条线路，220千伏 断路器38台，与10座220千伏变电站双回路相联，确保上海西南部地区供电需求。

变电站脆弱性压力指数计算：

泗泾镇位于上海市西南部，松江区东北部，地理坐标为：东经121.1度，北纬 31.08度。泗泾地区气候属北亚热带海洋性季风气候，全年四季分明，平均气温在 15.7摄氏度，年降雨量1123毫米，全年雷电日30.1天，泗泾历史上记载无大的灾 害，如地震、强烈台风、洪水等自然灾害的发生。

利用我们收集到的泗泾变电站的地理位置、相关地质参数和气象数据，利用上 述基于PSR的电网基础设施脆弱性评估指标体系以及评估标准，对该变电站进行 脆弱性评估，得到其压力指数评估结果，见表2。

表2泗泾500KV变电站脆弱性压力指数取值表

脆弱性压力指数P＝A+B+……+H＝84，根据表1，该变电站脆弱性压力指数为 84，压力等级为中等。

变电站脆弱性状态指数计算：

通过现场调研分析，利用我们收集到的泗泾变电站各设备的基础数据和历史数 据，利用上述基于PSR的电网基础设施脆弱性评估指标体系以及评估标准，对该 变电站进行脆弱性评估，得到其状态指数评估结果，见表3。

表3泗泾500kV变电站脆弱性状态指数取值表

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{VS}=[A_{11}+\frac{1}{2}(A_{21}+A_{22})+\frac{1}{2}(A_{31}+A_{32})]+···[G_{11}+\frac{1}{2}(G_{21}+G_{22})+\frac{1}{2}(G_{31}+G_{32})]\\ =\underset{S=A}{\overset{G}{\Sigma }}[S_{11}+\frac{1}{2}(S_{21}+S_{22})+\frac{1}{2}(S_{31}+S_{32})]\\ =44.4075\end{array}\right)$

根据表1，该变电站脆弱性状态指数等级为较轻。

变电站脆弱性响应指数：

通过现场调研分析，利用我们收集到的泗泾变电站各设备的基础数据和历史数 据，利用上述基于PSR的电网基础设施脆弱性评估指标体系以及评估标准，对该 变电站进行脆弱性评估，得到其响应指数评估结果，见表，4。

表4泗泾500kV变电站脆弱性响应指数取值表

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{VR}=[A_{11}+\frac{1}{2}(A_{21}+A_{22})]+···[K_{11}+\frac{1}{2}(K_{21}+K_{22})]=\underset{R=A}{\overset{K}{\Sigma }}[R_{11}+\frac{1}{2}(R_{21}+R_{22})]\\ =99.8\end{array}\right)$

根据表1，该变电站脆弱性响应指数等级为中等。

由此可知，该变电站中各一次设备状况基本良好，对变电站脆弱性贡献或者影 响不大。要降低该变电站基础设施脆弱性，应优先从压力和响应方面着手，如提高 变电站的防护标准，尽量使其避免或减少遭受自然灾害和人为破坏事故；加强二次 设备的维护，保证其处于良好的工作状态，在一次设备发生故障和不正常运行情况 时能及时切除故障，消除不正常状况，当电力系统出现跳闸或断电情况时，能快速 恢复供电，尽量缩短恢复供电时间。