电力系统安全风险评估与脆弱性分析

华中科技大学硕士学位论文电力系统安全风险评估与脆弱性分析姓名：孙飞申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：张哲2011-05-27I摘要电力系统的安全关系到国家的安全、社会的稳定以及人民的生活。随着经济社会的发展，电力系统也日趋复杂和庞大，各种新技术的应用也给电力系统的安全稳定运行增加了更多不确定性因素。近些年世界范围内频发的大面积停电事故，使人们深刻地认识到传统的基于电网稳定性分析的安全评估方法已经不能有效地保证电力系统的安全稳定运行。因此，结合我国电力系统的实际，研究建立具有客观性、实用性和适应性的电力系统安全风险评估方法，并在此基础上开展电力系统的脆弱性研究具有非常重要的理论和现实意义。论文首先对国内外电力系统安全风险评估和脆弱性分析的研究现状和面临的主要问题进行了综述分析，在此基础上，从工程实用化的角度，提出了对电力系统进行安全风险评估与脆弱性分析的新方法。通过对电力系统大停电事故的原因进行分析，应用事故树分析法将大停电的原因归类为结构、技术、设备和管理四大要素，并重点对结构、技术、设备三大要素进行逐层细分，得到了电力系统安全风险评估与脆弱性分析的四级指标体系。指标体系是电力系统安全风险评估与脆弱性分析的基础。文中对指标体系的结构进行了阐述。指标权重的分配是电力系统安全风险评估与脆弱性分析的关键。由于电力系统本身的复杂性，安全风险评估与脆弱性分析指标体系中包含了大量的定性指标。文中利用层次分析法，实现了定性指标与定量指标的权重分配，并用实例比较了不同标度法对权重分配计算结果的影响。判断矩阵描述了指标之间的相对重要性关系，因此判断矩阵的一致性程度决定了指标权重分配结果的合理性。文中对判断矩阵的一致性问题进行建模，采用遗传算法实现了判断矩阵一致性寻优，通过案例计算证明了该优化方法的有效性。脆弱性分析的目的是要找出电力系统的脆弱点。文中从复杂电力系统的角度探索了电力系统脆弱性的定义。在电力系统安全风险评估的基础上，利用模糊层次分析法，II综合考虑四级指标数量及其安全风险评估得分，提出了电力系统脆弱性分析的一种新方法。并以我国某省网为试点进行了电力系统脆弱性分析。在论文的最后，对全文进行了回顾和总结，分析了本文的不足，并展望了下一步的研究工作方向。关键词：电力系统安全风险评估脆弱性分析层次分析法模糊层次分析法遗传算法一致性优化IIIABSTRACTThesecurityofelectricalpowersystemconcernsthesecurityofanation,thestabilityofasocietyandpeople'sdailylife.Withthedevelopmentofthesociety,theelectricalpowersystembecomesmuchmorehugeandcomplex.Applicationsofnewtechnologyinelectricalnetworkalsobringmoreuncertaintiesintopowersystem'sstability.Withthefactthatlargeareablackoutshappenedworldwidefrequentlyinrecentyears,peoplehavecometorealizethattraditionalsecurityriskassessmentmethodsbasedonelectricalnetworkstabilityanalysisisnotadequatetoguaranteethesecurityandstabilityofelectricalpowersystem.Thus,withregardtothecharacteristicsofChina'spowersystem,establishingnewmethodsofobjectivity,practicalityandadaptabilityofsecurityriskassessment,andonthisbasis,developingvulnerabilityresearchofpowersystemareofgreatimportancepracticallyandtheoretically.Firstly,recentresearchandmainproblemsacquaintedinthesubjectfocusedinthispaperaresummarized.Onthisbasis,anewmethodofpowersystemriskassessmentandvulnerabilityanalysisisproposedinperspectiveofapplicationinengineering.Byanalyzingblackouts,thispaperconcludedthecausesofoutagesintofourmainfactorsaspowersystemstructure,powernetworktechnology,electricalequipmentandmanagementinpowersystem,usingFaultTreeAnalysis.AFour-classindexsystemofpowersystemriskassessmentandvulnerabilityanalysisisestablished,whichisthebasisoffollowingwork.Thestructureoftheindexsystemisillustratedinthispaper.Allocationofindexweightisthekeyprobleminthepowersystemriskassessmentandvulnerabilityanalysis.Becauseofthecomplexityofelectricalpowersystem,alotofqualitativeindicesareincludedintheindexsystem.Therefore,AnalyticHierarchyProcessisintroducedtoallocatetheweightofindex.Severalexamplesareillustratedtocomparetheinfluenceofdifferentscaletoallocationresult.Comparisonmatrixdescribestherelationshipofindices.Andthecomparison'sconsistencydegreedeterminestherationalityofweightallocation.ThispaperfirstIVestablishedtheoptimalmodelofcomparisonmatrix’sconsistencyproblem.GeneticAlgorithmisintroducedtorealizethisoptimizationproblem.Severalcasesarecalculated,provingthatthisoptimizationmethodiseffective.Vulnerabilityanalysisisaimedtofindoutthevulnerabilitypointsofpowersystem.Thedefinitionofpowersystemvulnerabilityisexploredinperspectiveofcomplexpowersystem.Withtheresultofpowersystemsecurityriskassessment,anewmethodofpowersystemvulnerabilityanalysisisproposedinthispaper.ThismethodusesFuzzyAnalyticHierarchyProcess,andtakestheamountofindicesintoconsideration.Usingthismethod,aprovincialelectricalnetworkofChinaisanalyzedasapilot.Asaconclusion,reviewandsummaryaremade.Andthedeficienciesofthispaperarepointedout.Then,someworktobedoneinthefutureisalsoproposed.Keywords:PowerSystem;SecurityRiskAssessment;VulnerabilityAnalysis;AnalyticHierarchyProcess;FuzzyAnalyticHierarchyProcess;GeneticAlgorithm;ConsistencyOptimization.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月11绪论1.1引言几十年来全球范围内发生了多起大停电事件。大停电事件不仅会造成严重的经济损失，还严重影响人们的生活，威胁社会的稳定甚至国家的安全[1][2][3]。2003年8月14日，美加大停电事故，受影响人口达5000万，停电时间一天多，损失极其严重。作为全球最先进的工业化国家和地区，美加大停电事件引发了全世界电力行业的高度关注[4][5][6]。2008年年初，持续冰冻雨雪天气袭击了我国南方地区，造成了南方多个地区电网大面积停电。据官方统计，截止到2008年2月26日，恶劣天气造成10kV杆塔倒塌7541座，859座35kV变电站停电，负荷损失达62.09亿kWh。多个省网停电持续几天，甚至有的地区电网停电十天以上。停电人口达2.6亿[7]。频繁的严重停电事件促使人们意识到，电力工业多年来采用电网安全评价原则以及传统的安全运行分析方法已不足以使现代电力系统保持合理的安全性、可靠性水平。因此，为保证电力系统的可靠性和安全性，评估和监管整个电力系统及其内部结构和设备潜在的危险意义重大，研究和开展全面的电力系统安全风险评估并制定防范对策成为了世界各国特别是经济发达地区正在积极开展的一项重要课题。上个世纪末，电力系统运行风险评估的概念由CIGRE（国际大电网协会）第一次明确地提出。从2000年开始，美国电力科学研究院EPRI把电力系统运行风险分析作为重要的研究方向给予支持（譬如，与IowaStateUniv.专家的合作项目）。2002年美国能源部颁布《电力系统脆弱性评估草案》，强调了电力信息系统遭受恐怖袭击的可能性并对此展开了电力系统信息系统脆弱性框架的研究；2003年美加大停电事故后，美国政府与工程界、科研界联手持续开展该课题研究，在安全风险评估、防范对策、政策法规、监控体制等方面开展了很有成效的工作[1][4][5][27]。2当前，我国电力系统已经呈现“大电网、大机组、高电压、高自动化”的特点，全国联网的格局初步形成。因此，电力系统的复杂性给电力系统安全运行带来了多种不