地区电网与大电网运行方式评估指标的选取及比较研究

地区电网与大电网运行方式评估指标的选取及比较研究

包依平，黎灿兵，张荣森，唐升卫，李 龙，吴 波

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙，410082）

摘 要：基于目前电网运行方式评估指标的单一和量化不足，本文从电网的安全、可靠、经济、优质和高效等几个方面分别对地区电网和大电网全面系统地选取了电网运行方式评估指标，并对其中的大部分指标进行了量化。根据地区电网与大电网在规模大小、电压等级、输送容量、复杂程度和互联强度等方面的不同，分析了造成地区电网和大电网运行方式评估指标存在显著差异的内在原因。 关键字：运行方式；评估指标；地区电网；大电网

0 引言

电网运行方式是电网调度部门运行方式科编制的电网生产和运行的技术方案。电网运行方式的主要目标是为电网的安全、稳定、可靠、优质、经济运行提供决策，在电力生产、流通和使用的全过程起着至关重要的作用。在传统的运行方式编排中，一般是由电力调度通信部门方式科的专业人员根据前一年的电网生产运行情况以及年初的负荷和发电预测，再凭经验知识制定出电网年度运行方式的初稿，然后通过电网的安全稳定计算来评判该年度运行方式的可行性，在这个过程中缺少全面系统的量化评估指标。因此，选取合适的评估指标对电网运行方式进行评估显得十分迫切。

目前国内外已有不少文献对电网运行方式的评估进行了研究，并提出了一些评估指标。文献[1-5]分别从电网的安全、稳定、可靠等单方面性质对运行方式进行了评估，但大多不具有量化的指标；文献[6]从电网供电安全性出发，提出事故后果严重程度指标、系统网架结构强弱指标和系统整体安全性指标，来分析电网的静态安全；文献[7-9]通过选取系统的一些停电指标和电网运行的充裕度指标分别对电网的供电可靠性和运行可靠性进行了评估；文献[10]提出了比较全面的电网运行方式评估指标，但只是单纯的针对地区电网；文献[11]提出了大电网动态稳定风险评估的概念及指标，并对某实际运行的大电网进行了评估；文献[12,13]对复杂电力系统进行了风险评估，对大电网运行方式安全评估有一定借鉴作用。纵观已有的有关电网运行方式评估指标的文献，它们选取的评估指标大

都不够全面系统，多数从单方面性质来对电网运行方式进行评估，而且未见有对电网规模的大小对运行方式评估指标选取的影响进行过研究。本文以年度运行方式选取评估指标，根据地区电网和大电网在规模大小、电压等级、输送容量、复杂程度和互联强度等方面的异同，对它们各自的运行方式进行比较研究，从电网的安全、可靠、优质、经济和高效等方面选取全面系统的运行方式评估指标分别对地区电网和大电网进行运行方式的评估，并对造成它们在运行方式评估指标选取上的差异做了详细和深入的分析，从而更深刻的认识到地区电网与大电网运行方式评估的异同，为运行方式编排做出合理的决策。

1 地区电网运行方式评估指标

地区电网是从省级输电主干网或地区发电厂接受电能，经由中间输电网络，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。在网络拓扑结构上，地区电网通常是闭环设计开环运行，存在常开的联络开关和互馈线，具有一定的冗

余度。《电网调度管理条例》[14]

第二条规定：电网调度机构为保障电网的安全、优质、经济运行，对电网运行进行的组织、指挥、指导和协调。所以我们也应以电网安全性、供电可靠性、最优质的电能、最小的网损率和最低的能耗为标准，再根据地区电网自身的特点来选取地区电网运行方式评估指标。 1.1 地区电网安全性指标

地区电网的电压等级不高，负荷较轻，且动态元件少，所以一般认为地区电网中没有明显的动态过程，同时地区电网通常具有闭环设计、开环运行的特点。以上这些决定了地区电网的安全性指标主要指静态安全指标。

1.1.1 主变压器和主干线路负载率

λTi(λLl)=PTi(PLl)

STi(SLl)×100% （1）

其中：λTi和λLi分别是主变压器负载率和主干线路负载率；PTi和PLl分别是变压器i和线路l的最大负荷量；STi和SLl分别是变压器i和线路l的最大

容量。

1.1.2 N 1最大切负荷率

地区电网N-1校验中，供电恢复方案中的最大负荷切除率是一个衡量地区电网静态安全性的一

个很重要的指标[10]

。 λcut_max=max(j

∑Si/∑Sload) （2）

i∈cut_j

其中：λcut_max表示N 1最大切负荷率，集合cut_j表示对设备j做N 1校验时所需要切负荷的节点集，Si表示第i个节点所切除的负荷量，∑Sload表示全网总负荷量。

1.1.3 短路电流指标

地区电网发生短路时,很大的短路电流会使电力设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时会破坏电网内用电设备的正常工作。短路电流偏离额定限值的大小关系到该运行方式的优劣程度。根据相关规定，220kV、110kV、35kV线路的短路电流限值分别为50kA、25kA、25kA。通过对电网运行方式的网络拓扑结构以及电网各节点的功率分布，来计算短路电流的大小并判断是否在短路电流限额之内。

用SCC表示短路电流指标[10]

，若合格则SCC为1，否则为0：

SCC= 1(I

short

<Imax) （3） 0(Ishort≥Imax)其中：Ishort表示短路电流，Imax表示短路电流限额。 1.2 地区电网可靠性指标

地区电网跟用户联系紧密，其可靠性主要表现为电网的不连续供电对用户的影响程度，以下面这几个指标来衡量地区电网运行方式的供电可靠性[7]

。

1.2.1 系统平均停电频率（SAIFI）和用户平均停电频率（CAIFI）

SAIFI=用户总停电次数ACI总用户数=∑λiNi

∑N （4）

i

其中λi为故障率，Ni为负荷点i的用户数，SAIFI的单位为次/（用户·年） CAIFI=

用户总停电次数ACI

受停电影响的总用户数

（5）

1.2.2 系统平均停电持续时间（SAIDI）和用户平均停电持续时间（CAIDI）

SAIDI=用户停电持续总时间CID总用户数=∑TiNi

∑N （6）

i其中Ti为i个用户的年平均停电时间，h/年。 CAIDI=用户停电持续总时间CID用户总停电次数=∑TNii

∑λ （7）

iNi

1.2.3 平均供电不可用率（ASUI）和系统总电量不足（ENS）

ASUI=用户不能供电小时数∑ii用户要求供电总小时数=TN

∑N （8）

i×8760

ENS=∑LaiTi=∑LpifTii （9） 其中Lai为连接在每个负荷点i上的平均负荷；Lpi为负荷点i的峰荷，fi为负荷系数。

1.3 地区电网电能质量指标

地区电网制定的运行方式是否能给用户提供优质的电能是衡量该运行方式好坏的重要指标之一。高质量的电能供应有利于用户摒弃高能耗的生活方式(比如用煤做燃料)，这样用户会更倾向于使用电能来替代其他的化石燃料。地区电网基本不存在频率偏差问题，因此，地区电网电能质量指标主

要以电压波动指标和电压瞬时中断指标表示[15]

。 1.3.1 电压的波动指标

电压的波动是指由于波动性负荷在运行过程中频繁地从地区电网取用快速变动电能，即出现冲击性功率变化，造成公共连接点电压在短时间里急剧变动，并且明显偏离标称电压值的现象，用D表示电压的波动。

D=

U' U

U×100% （10） N

其中：U为波动性负荷接入地区电网前电网的电压

值，U'为波动负荷接入地区电网后电网的电压值，UN为地区电网的标称电压值。 1.3.2 电压瞬时中断指标

电压瞬时中断是指线路由于地区电网运行方式故障和检修而被隔离开关断开，但在极短的时间内重新恢复供电的电压中断现象。以电压瞬时中断的平均次数N来衡量电压的瞬时中断指标。

=i∑k

Ni

N=1k （11）

i∑Ti

=1

其中：Ni─在监测期间Ti内，由监测装置i观察到的电压瞬时中断次数；N─电压瞬时中断次数的平均值。

1.4 地区电网经济性指标

地区电网经济性的主要目标便是在满足电网安全稳定的前提下，尽可能的使网络的功率损耗达到最小以减小单位电能的成本、最大限度地减小用户因停电带来的经济损失，这样电网可以获得较大的利润、用户可以使用廉价的电能，真正的达到一举两得的效果。

1.4.1 网络损耗指标

网络损耗即电流流经输电线和变压器时所产生的功率损耗，以网损率PLR来表示。

PLR=

P0 P'

×100% （12） 和高效这五个方面来选取大电网的运行方式评估指标，但鉴于大电网与地区电网特点的显著差异，其内容跟地区电网评估指标相比大相庭径。 2.1 大电网安全性指标

P0

其中P0为线路首端的输送功率，P'为线路末端的接受功率。

1.4.2 停电损失指标

停电损失是指一段时间内，由于各种输变电设备故障而造成用户停电的总损失,等于停电总电量乘以单位电价。计算式如下：

停电损失ICI=∑N

Liti q （13）

i=1式中：i为停电故障点；N为停电故障点总数；Li为i处的停电负荷量；ti为停电持续时间；q为单位电价。

1.5 地区电网能效评估指标

目前国家正大力提倡节能低碳经济，分布式发电（包含光伏发电、风能发电、生物质能发电等新能源发电）是发展节能低碳经济的重要组成部分。分布式发电跟传统的火力发电无论是在发电成本上还是在对环境的影响上都占有相当大的优势。大量的分布式电源接入地区电网对改善电网的能效水平正发挥越来越大的作用。本文以分布式发电量占全网的发电总量的百分比作为地区电网能效评估指标，用EEI表示。

EEI=

该地区分布式发电量

全地区电网发电总量

×100%（14）

2 大电网运行方式评估指标

大电网即规模大、互联性强、网络连接复杂的电力网。大电网不是几个零散的小电网简单的相加而成，在我国，它是由地区电网连接成省网，再由省网连接成区域电网，然后由几个区域电网通过超高压或特高压联络线连接成的一层一层递进的大型互联电网。相较于地区电网这种小电网，大电网有很多显著的优势。首先，大电网可以利用广阔的地理环境便利地获得各种能源，发挥其大电网互联的错峰调峰、水火互济、互为备用、跨区域补偿调节等联网效用，实现网间的功率交换，在更大范围内优化能源配置方式；其次，大电网承受扰动的能力比小电网显著加强，大电网因事故导致大停电的概率明显比小电网低。然而，大电网有一个最大的缺点，就是一旦大电网发生故障，特别是连锁性故障，将可能导致系统崩溃，造成无法挽回的巨大损失[16]

。本文仍然从电网的安全、可靠、优质、经济

当今，大电网正向着远距离、大容量、超（特）高压方向发展，网络规模日益庞大，结构日趋复杂，大电网的复杂性越来越凸显，大大增加了由多重故障或连锁性故障引起的大停电事故风险程度，大电网的脆弱性问题也更为突出。据ISO/IEC13335:2004中定义：风险是一个指定的威胁，利用一项资产或多项资产的脆弱性，造成资产损害或破坏的可能性。大电网的风险根源在于系统存在能被人为或自然灾害所利用的脆弱性，因此，本文以基于脆弱性的风险评估指标来衡量大电网的安全性水平。

大电网脆弱性风险评估指标需定量的把握事故的可能性和严重性这两个决定系统脆弱性的关键因素，从而较全面的反映出电网的安全水平。将大电网的脆弱性风险评估指标定义为事故发生的

概率和事故产生后果严重度的乘积[12,13]

：

R(Yt|E,L)=∑P(Ei)×P(Yt|Ei,L)×S(Yt)(15)

i

式中：Yt是特定的运行状态(包括母线电压V、支路潮流F等)；Ei是未来时刻t发生的不确定事故；L是t时刻系统的负荷状况；P(Ei)是Ei发生的概率；P(Yt|Ei,L)是发生事故Ei后系统运行状态的概率分布；S(Yt)描述了在状态Yt时事故的严重程度；R(Yt|E,L)为脆弱性风险评估指标。

大电网脆弱性风险评估指标主要包含低电压风险和过负载风险评估指标两部分。 2.1.1 低电压风险评估指标

低电压风险评估指标反映的是系统发生的事故造成系统中母线电压下降的可能性和危害程度。计算公式如下：

R(V|E,L)=∑∑P(Ei)×P(Vij|Ei,L)×S(Vij)（16）

ij

式中：Vij为发生第i个事故时第j条母线的电压。 2.1.2 过负荷风险评估指标

过负荷风险评估指标反映的是系统发生的事故导致系统中线路有功功率过载的可能性和危害程度。计算公式如下：

R(F|E,L)=∑∑P(Ei)×P(Fij|Ei,L)×S(Fij)（17）式中：

ij

Fij为发生第i个事故时第j条母线的有功潮流。

2.2 大电网可靠性评估 

大电网可靠性评估主要是指充裕度方面，从电网静态角度出发评价系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电力和电量的

[9]

能力。本文选取以下指标来评估大电网的可靠性。 则是被监测的所有节点电压偏差与被监测的所有

节点数之比的大小。

节点电压偏差δUi=

Ui UN

(25）UNN

系统缺电概率LOLP=∑pi=ti

（18）i∈F

i∑

∈F

T系统缺电频率LOLF=i∑fi=

8760

∈F

T

N （19） 系统缺电时间期望LOLE=8760×LOLP （20）

系统缺电持续时间LOLD=

LOLE

LOLF

（21） 系统电量不足期望值EENS=

8760

T∑Citi（22） i∈F

以上各式中：i为一个具体的停电系统；F为所有停电系统的集合；ti为系统i停电的持续时间，单位为小时；pi为系统i的停电概率；fi为系统i的停电频率；N为停电系统数；Ci为系统i的停电负荷量，单位为MW。

2.3 大电网电能质量指标

大电网跟大电源联系紧密，而系统频率同大电源里的大机组的转速有着严格的连带关系，系统频率的波动关系到电网的安全稳定和电力用户的生产生活安全，因此，系统的频率偏移率是衡量大电网电能质量的最重要指标。我国国家标准GB/T15945-1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》规定：电力系统正常频率允许值为±0.2Hz。当然大电网的电压合格率和电压平均偏差作为衡量大电网电压质量的标准，同样不可忽视。 2.3.1 系统频率偏移率

大电网在正常的运行方式下，系统的频率偏移率δf%即为系统频率偏差与系统的额定频率（50Hz）的百分比。计算公式如下：

δf%=频率偏差δffre fN

系统标称频率

=f×100% (23）式中：

N

fre为实际频率，Hz；fN为系统标称频率。

2.3.2 电压合格率

电压合格率是指实际运行电压允许电压偏差范围内的累计时间与对应的总时间的百分比，计算

公式如下[15]

： 电压合格率VQR=

电压合格时间

电压总监测时间

×100% （24）

2.3.3 电压平均偏差

电压偏差即节点实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分比；而电压平均偏差电压

∑δUi

电压平均偏差VAB=i=1

N

(26）

其中Ui为节点i的电压，UN为系统标称电压，N为

被监测电压节点数。 2.4 大电网经济性指标

大电网跟地区电网这类小电网相比，在运行方式上，除了更安全之外，最大优势便是能在大范围内实现能源的优化配置，尤其在水火电经济调度方面，体现出很高的灵活性。当然，网损仍然是衡量大电网经济性的重要指标之一。 2.4.1 网络损耗指标

大电网网络损耗的计算同地区电网基本一致，计算公式同式(12),此处不再赘述。 2.4.2 水火电经济调度指标

水火电经济调度，是指在大量约束合格的条件下，在一定时期内预测和推算出各水电站的来水和出力，尽力降低弃水量，最大限度地利用水资源，节省火电煤耗成本，提高大电网的经济水平。以全年水力发电量占全年大电网发电总量的百分比来衡量水火电经济调度指标，计算式如下： 水火电经济调度指标=

全年水力发电量

全年大电网发电总量

×100%（27）

2.5 大电网能效评估指标

大电网的源头是大型发电厂，而燃煤火力发电厂会产生大量对环境有害的物质，因此单位供电量的标准煤耗是衡量大电网能效的重要评估指标之一。目前低碳经济盛行，国家正采取一些措施来竭力降低碳排放，所以，单位供电量的二氧化碳排放也可以用来评估大电网的能效。

2.5.1 单位供电量的标准煤耗指标MHI

MHI=

燃煤火电厂耗煤总量

全网供电总量

(g/kw)（28）

2.5.2 单位供电量的CO2排放指标CPI

CPI=

燃煤火电厂CO2排放总量

全网供电总量

g/kw）（29）

3 地区电网和大电网运行方式评估指标的比较分析

地区电网（小电网）电压等级低、输电线短、输电容量小，且大多是闭环设计、开环运行，而大电网具有高电压等级，远距离大容量输送、紧密的

互联性等特点。鉴于地区电网与大电网的诸多异同，本文前面从电网的安全、可靠、优质、经济和高效五个角度选取了适合它们各自运行方式的评估指标。下面依次从这五个方面来比较分析地区电网和大电网在评估方式选取上的差异，结果如表１所示。

表1：地区电网与大电网运行方式评估指标选取异同的比较分析

性质

地区电网（小电网）

具有规模小、结构简单、很少会遭受到外界

全分析已不能适应大电网的安全分析，大电网的安全性

安全

大的冲击等特点，可视为无动态过程，主要

更多的是强调在故障发生的情况下，电网能保持稳定运

是指静态安全指标

行和正常供电的风险程度

地区电网的输入为上一级省网和零星的几个

大电网的输入则为统调的各大发电厂，输出为下一级电

小型发电厂，输出为普通用户。以上便决定

网和一些大负荷工业用户。大电网可靠性主要考虑其运

了地区电网的可靠性评估指标选取更多的是

可靠

考虑停电对用户产生的各种影响，包括用户

统运行行为和运行条件时，电网按可接受的质量和数量

平均停电时间、次数等等，主要是指电网的

要求不间断地向电力用户提供电力和电量的能力

供电可靠性

地区电网中存在大量的谐波源、电压波动和瞬时中断等对用户危害极大的问题，鉴于谐

大电网基本不直接与用户相连，主要考虑频率偏移和电

优质

波不好量化以及地区电网基本不存在频率偏

压偏差对电网的稳定性造成的影响

差过限问题，因此选取电压波动和电压瞬时中断作为衡量地区电网电能质量的评估指标

跟地区电网一样，网络损耗指标仍然大电网经济考虑的

最大限度的降低电网的网络损耗是电网经济

经济

性的最主要目标，另外停电造成用户的经济损失指标也是经济性的一项重要内容

重点，另外电网在负荷高峰期的调峰错峰、跨区域互补调节等方面可以发挥其联网效益，尤其是在水火电经济调度方面可以充分利用其强大的区域优势进行最优调度，大大提高大电网的经济性

地区电网跟普通电力用户联系紧密，随着各家各户纷纷把分布式电源接入电网，尤其是安装于屋顶的太阳能光伏板、农村的沼气发

高效

电的大力提倡，由于新能源发电比传统化石燃料发电能效高出很多倍，所以分布式发电量占全地区电网发电总量的百分比用来评估地区电网的能效水平

大电网跟各大发电厂联系尤为密切，其中火力发电厂的煤耗是衡量大电网能效的最根本因素，单位发电量的标准煤耗用来评价大电网运行方式的能效水平；随着低碳经济的盛行，单位发电量的CO2排放量也用来评估大电网的能效

行可靠性即计及设备自身健康状况、外部环境条件、系

大电网

具有复杂性、脆弱性、强互联性。传统的电网动静态安

4 结论与展望

本文就地区电网（小电网）和大电网两种不同规模的电网，从电网的安全、可靠、经济、优质和高效五个方面，分别选取了地区电网运行方式评估指标和大电网运行方式评估指标。根据地区电网和大电网在电压等级、输电容量、复杂程度和互联强度等方面的差异，分析了造成地区电网和大电网运行方式评估指标异同的原因，并加深了对地区电网和大电网各自特点的认识。本文所选取的地区电网运行方式评估指标体系已经应用于湖南电网的某些地区电网中，对运行方式的编制起到了很好的辅

助作用。

目前，智能电网在世界范围内兴起，我国也正在进行坚强智能电网的建设，大电网正在向智能大电网迈进。地区电网跟用户联系最为紧密，由于其规模小以及大量分布式电源的接入，正在向智能微电网发展。智能微电网与智能大电网有效结合，能在很大程度上满足日益增长的能量需求和供电的不间断性。随着地区电网和大电网越来越趋于智能化，电网的运行方式评估指标也将根据电网的不断升级而呈现出不同的内容。

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作者简介：

包依平(1986-)，男，湖南益阳人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电网调度与规划。Email：baoyiping0304@http://www.77cn.com.cn。

黎灿兵(1979-)，男，湖南益阳人，汉族，副教授，主要研evaluation[J]．IEEE Trans on Power Systems，2001，16(1)：29-36． [6] 刘伟，郭志忠．配电网安全性指标的研究[J]．中国电机工程学报，

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究方向为电力系统综合节能与调度、电网分析与控制。Email：licanbing@http://www.77cn.com.cn。

张荣森(1986-)，男，湖南衡阳人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电网规划与负荷建模。Email：zrs0125@http://www.77cn.com.cn。

唐升卫(1986-)，男，湖南衡阳人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与控制。Email：mastert@http://www.77cn.com.cn。

李 龙(1983-)，男，安徽阜阳人，汉族，博士研究生，主要研究方向为电力市场，电力系统调度、规划、信息化。Email：lilong_1688@http://www.77cn.com.cn。

吴 波(1987-)，男，湖北咸宁人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与调度。Email：598329728@http://www.77cn.com.cn。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bwui.html