发输电系统可靠性评估述评
郭 琦，任 惠，于晓军
（华北电力大学电力工程系 071003）
摘要：发输电系统可靠性评估是当前电力系统可靠性研究的前沿性课题。本文介绍了发输电系统可靠性评估的目的和意义，综述了发输电系统可靠性评估的主要方法，最后展望了可靠性评估的发展方向和值得进一步研究的问题。
关键词：发输电系统；可靠性评估；蒙特卡罗法
0 前言
电力系统不断向高电压、远距离、大容量方向
发展，系统规模越来越大，在提高经济的同时，安
全可靠性的问题也变得更为突出。特别是近几年的
几次大停电事故，造成了巨大的经济损失和社会影
响，引起了人们对可靠性研究的重视。在电力系统
可靠性研究中，发输电组合系统，又称为大电力系
统，是统一调度的公用电力系统的一个组成部分[1]。
主要包括电源、输电线路、联络线以及它们的相关
设施，承担着生产电能和将电能输送到负荷中心的
重要任务。发输电系统一旦故障将有可能造成大面
积停电事故，并可能会造成严重的社会、经济、政
治影响。对发输电系统进行有预见性的可靠性评
估，发现系统薄弱环节，不但能为电力部门的设备
运行、维护及维修提供指导意见，而且还能为电力
公司的投资决策提供重要的参考信息，因此，发输
电组合系统的可靠性评估已成为世界各国许多学
者孜孜不倦的研究课题。
自从1969年国际知名学者 R. Billinton 教授
关于这个领域的第一篇学术论文[2]问世以来，各国
可靠性领域的研究学者经过近四十年的不断努力，
发输电组合系统可靠性评估在计算模型、评估方法
和工程应用等方面取得了一系列成果。本文对现有
发输电系统可靠性评估方法的发展概况及主要方
法进行了介绍，综述了发输电系统可靠性评估的研
究现状及存在的问题，并对它的应用前景进行了展
望。 1 可靠性评估的发展阶段
国内外对于电力系统可靠性评估的研究大致
经历了三个阶段：确定性评估、概率性评估和风险
评估。确定性评估只重视最严重的事故如“N-1”
原则，其确定性的系统运行方式过于保守，不能反
映电力系统行为、负荷变化以及元件故障等方面的概率属性[3]；概率评估方法考虑了事故发生的概率，
但并未考虑事故造成的经济损失，没有很好地协调
安全与经济两者的关系；风险评估方法的优势在于
不只辨识事故发生的可能性，而且要识别这些事件
后果的严重程度，将事故发生的概率与产生的后
果，如经济损失等结合起来，将风险与效益联系起
来，定量地反映了系统的经济安全指标[4]。
发输电系统可靠性评估包括充裕性和安全性
两个方面。充裕性是指发输电系统在系统内发、输、
变电设备额定容量和电压波动允许限度内，考虑元
件的计划和非计划停运及运行约束条件下连续地
向用户提供电力和电能量需求的能力；安全性是指
发输电系统经受突然扰动并不间断地向用户提供
电力和电能量的能力，突然扰动是指突然短路或失
去非计划停运的系统元件[5]。目前，发输电系统可
靠性评估技术的工程应用成果主要集中在充裕性
研究。发输电系统充裕性评估包括三部分的计算：
系统状态选取；系统状态分析；可靠性指标的累计。
系统状态分析包括对选定的系统状态进行潮流计
算，以确定系统是否违背运行约束(节点电压约束
和线路容量约束)，如违反，则进行校正控制，若
系统仍不能恢复到安全状态将进行负荷削减。安全
性评估是对发输电系统动态特性所进行的评估，涉
及到电力系统稳定评价，包含以下三个方面的内
容：(1)选择导致暂态稳定失去的主要因素作为随
机变量(2)建立随机变量的概率模型(3)计算失去
系统稳定的概率性指标。由于，安全性分析的计算
复杂程度远远大于充裕性，国内外对安全性问题的
研究还处于起步和探索阶段，还有很多工作需要展
开。 2发输电系统可靠性评估的方法
由于发输电组合系统考虑的因素较多，如网络
结构、电压质量、功率角、元件的响应过程等，使
得计算极为复杂。发输电系统可靠性评估的两个基
本方法分别是解析法和模拟法。
2.1解析法[6]
在解析法中，故障状态的选择是通过故障枚举
法来实现的。即通过故障枚举首先选择一个停运状
态，对此停运状态进行评价(潮流计算)
；然后用预先建立的事故准则判断该状态是否属于事故状态，
如果属于事故状态就进行优化校正控制，采用相应
的补救措施在进行判断，若仍然属于事故状态，则
估计该事故状态可能引起的后果；最后计算该状态
对可靠性指标的影响。重复所有的故障状态，就能
得到所求的可靠性指标。一般情况下，系统故障停
运状态选择是按某种逻辑逐个地选择，例如可以首
先检验所有单重偶发事故，继而是双重偶发事故，
直至所有的状态检验完毕。解析法的主要优点是：
物理概念清楚；模型精度高。主要不足在于：计算
量随着系统规模的增大而急剧增大；不易处理相关
事件；只能考虑一个或有限个负荷水平。
2.2蒙特卡罗模拟法
蒙特卡罗法在可靠性评估中有三种基本的抽
样方法：(1)状态抽样法；(2)元件状态持续时间抽样
法(3)系统状态转移抽样法。其评估的基本步骤为：
建立负荷和元件状态的概率分布模型；利用蒙特卡
罗模拟随机选择元件的状态，并由元件状态确定系
统状态；对每个系统状态进行分析；统计可靠性指
标。由于蒙特卡罗法采用抽样的方式，模拟随机出
现的各种系统状态，并从大量的模拟实验结果中统
计出系统的可靠性指标，其模拟次数与系统规模无
关，蒙特卡罗模拟法能够搜索出大量的运行方式和
故障模式，并可处理多重、相关和连锁故障[5]，特
别适合分析大型电力系统，因此日益受到人们的重
视并已成为一种重要的理论方法。但蒙特卡罗方法
存在计算精度与计算时间的矛盾，即获得精度较高
的可靠性指标需要进行长时间的模拟计算。为解决
这个矛盾，一些学者提出了采用重要抽样法[7]、分
层抽样法[8]、控制变量法[9]等技术减少计算量。
2.3其他方法
目前，随着可靠性理论的发展，许多专家学者
提出了一些新的评估算法。为了提高可靠性评估的
速度，不少学者提出了将解析法和蒙特卡罗法相结
合的方法，充分利用两者的优点，取长补短，加快
了评估的速度。文献[10]通过解析法和蒙特卡罗模
拟法的结合来减少每次状态的评估时间，在用蒙特
卡罗法采样完毕后，利用解析法判断该状态是否属
于可能引起系统切负荷的故障状态，如果是这种状
态才进行发电机出力的优化调整；如果不是可能切
负荷的状态，立刻转到下一次抽样，加快了计算速
度，而且该方法很容易与其他减小方差的技术结
合。
在可靠性评估中，故障潮流和削减负荷计算占
了绝大部分计算时间。文献[11]用网流规划进行发输电系统的可靠性评估，网流规划是针对网络拓扑
特性提出来的一种数学规划方法，也是线性规划中
专门处理网络问题的一种特殊算法，利用网络在特
定状态下的最大流代替系统中的潮流分布，通过最
小割集求得系统能够提供的最大有功负荷，当割集
容量小于系统有功负荷时，认为系统处于故障状
态，以此作为故障状态的筛选判据，从而简化了交
流潮流和负荷削减的计算，提高了计算速度。但是
这种方法没有考虑元件故障后系统实际的响应过
程，只考虑系统最大可能的响应极限，这种方法反
映的是一个规划网络可能达到的固有可靠性，没有
考虑电压及系统实际潮流约束，评估结果偏于乐
观。
文献[12-14]将神经网络引入到发输电系统的
可靠性评估中，他们的基本思想是把神经网络应用
于故障筛选过程，大大减少了评估的故障状态数，
但是神经网络的训练过程需要花费大量的时间，并
且当系统的运行方式改变或系统进行了扩建，神经
网络需要重新进行训练。
文献[15]还提出了一种大电力系统可靠性评估
的解析计算模型，该模型推导了大电力系统可靠性
指标对元件可靠性参数的解析表达式，可靠性指标
的解析表达式从全局反映了元件可靠性参数的变
化对系统可靠性的影响，利用它不但可以高效精确
地求取元件可靠性参数改变后的系统可靠性指标，
避免了过去当系统状态改变时需要反复进行评估
的弊端。而且可以直观地得到系统可靠性指标与元
件可靠性参数之间的函数关系曲线，能够有效地找
到钳制系统可靠性的瓶颈环节，有助于解决电力系
统规划中需要反复进行可靠性评估时的计算时间
瓶颈，在缓解计算灾方面取得较大进展。
基于串行计算的发输电系统可靠性评估方法
因受到计算工具限制，不满足大规模实际工程计算
的需求。近年来，并行计算机系统中的机群系统由
于特有的优势受到越来越广泛的重视。并行计算是
将多台计算机连接起来，共同解决串行计算难以解
决的计算问题。因此采用并行计算方法是解决发输
电系统可靠性评估技术难题的一条有效途径[16-18]。
文献[16]利用个人计算机和以太网络构建并行计算
平台，用低廉的硬件和消息传递并行编程环境实现
了大电网可靠性交流潮流的并行计算。随着微机和
网络设备性能的不断提高和价格的不断下降，并行
计算的实用性和优越性将更加明显。 3可靠性指标
可靠性指标是用来评价电力系统可靠性的重要依据，指标体系可分为负荷点指标和系统指标两
类。前者针对具体负荷点而言，表征故障的局部影
响；后者针对系统而言，从全局衡量故障对整个系
统的影响。系统指标又分为基本指标和导出指标，
导出指标具有标幺意义，可用于不同规模系统之间
的相互比较[18]。文献[19]详细介绍了电力系统的可
靠性指标体系，并且给出了这些指标的解析法和模
拟法的计算公式。这些指标有：切负荷概率(LOLP)、
切负荷频率(LOLF)、切负荷期望值(LOLE)、每次切
负荷持续时间(LOLD)、负荷切除期望值(ELC)、电
力不足期望值(EDNS)、电量不足期望值(EENS)、
每次负荷切除值(ADNS)、系统切除电力指标
(BPII)、系统切除电量指标(BPECI)、停电影响的严
重性指标(SI)。
上述指标的不足是没有合理地考虑经济因素。
目前我国正处于电力市场改革当中，原有的可靠性
指标体系不能满足市场要求，还需要建立一些新的
指标为将来的市场机制服务。 4 可靠性评估的发展方向
（1）电力系统概率安全性评估。由于电力系统暂
态稳定的特点，模拟暂态稳定故障事件的概率和后
果都比稳态的充裕度评估要复杂得多，其概率不仅
取决于故障的位置和类型，而且取决于系统中所经
历的扰动序列和继电保护方案，而后果评估要对大
量的状态进行暂态稳定的模拟和影响分析[20-21]，因
此与充裕度相比，安全性的研究仍不够成熟，目前
还未能形成公认的理论及指标体系。文献[22]提出
了发输电系统安全性评估的基本框架，并且提出了
与充裕度指标相对应的基本概率、频率指标，同时
提出了基于可靠性经济评估理论的系统暂态稳定
性风险指标，为可靠性研究成果应用于电力市场提
供了可能性。文献[23]提出了一种概率充分性和概
率安全性的综合评估方法，采用概率抽样方法研究
了各种随机运行方式和故障模式下组合电力系统
稳定性和充分性的综合评估问题，建立了综合概率
评估的数学模型，提出了新的系统状态定义框架和
状态风险指标定义。文献[24]则从整体框架和概率
模型细节两方面讨论了用蒙特卡罗法进行电力系
统暂态稳定概率评估的方法，该方法已经在实际系
统中得到了应用。随着电力市场的不断发展，基于
风险的安全性评估方法在电力系统中也得到了越
来越广泛的应用[25]。大电网可靠性评估、预警和决
策理论的探索成为当前的研究热点。
（2）计及市场环境经济因素的可靠性评估。随着
电力市场概念的引入，电力系统可靠性研究不断受到新的冲击，如何揭示电力系统可靠性背后所隐含
的经济意义成为人们普遍关注的问题。
电力市场的不断发展对可靠性评估提出了新
的要求，更多不确定因素的引入增加了分析难度。
市场环境下可靠性评估首先要解决的问题就是可
靠性费用的计算。可靠性费用指的是电力公司为保
持和提高电力系统的可靠性水平所支付的费用[26]。
国内外专家提出了许多方法，文献[27]提出了一种
计算系统或者系统中某一负荷点的可靠性费用的
方法。该文提出了等式：可靠性总费用=可靠性投
资费用+停电损失费用，并且认为可靠性投资费用
与停电损失费用的变化趋势相反，实际上是指当可
靠性投资费用上升时，系统可靠性必然提高，而停
电损失费用也必然会下降；反之，若可靠性投资费
用下降，系统可靠性也会下降，那么停电损失费用
就会上升；两种费用叠加的结果是可靠性总费用随
着可靠性水平的变化呈U型曲线变化。该文还提出
了用户停电损失费用函数(CDF)这个关键概念，为
用户评估自身的可靠性价值以及在将来可能的可
靠性市场中采取正确的市场策略提供了理论依据，
具有非常重要的实用价值。文献[4]提出了适用于我
们的停电损失几种停电损失评估方法。“平均电价
折算倍数法”将因可靠性低造成的停电损失费用用
当时的平均电价乘以折算倍数来估计。该方法可以
对停电损失进行粗略估计，但是平均电价和折算倍
数都会随社会经济的发展而不断变化，使得该方法
有较大的局限性。“产电比”(ratio of output value to
unit electric energy consumption)指某一时期、某一
地区内GDP与消耗电能量之比，描述了该地区单
位电能创造的经济效益，可以从宏观上作为停电损
失的估计。文献[28]首次系统的提出了适合我国国
情的电力系统用户停电损失调查方法—问卷调查
法。该方法根据实际情况将用户分为居民用户与非
居民用户两大类，并且根据用户特点探讨了调查问
卷的具体内容，通过对问卷调查结果的统计与分析
可以建立用户停电损失模型。文章所提的方法，对
于我国可靠性研究有一定的参考价值。如何切合电
网的实际情况采用适当的方法进行停电损失费用
的估算，还需要进一步的研究。
在市场环境下，经济性和安全性不再表现为两
个独立的指标，安全性将融入经济性中，事故后果
评价不再单纯地用负荷切除量、停电持续时间等电
气量表示，而需建立在经济分析的基础上，寻求安
全可靠性与经济性的平衡[29]。文献[30]提出一种综
合考虑可靠性因素的电网规划新方法，该方法将电
