摘 要

电力系统在台风灾害下会出现输电线路的断线，线路跳闸等现象，严重影响人们的生活与电力公司的正常运作。本文总结了台风灾害下电力系统风险评估的研究现状和前人的研究成果，使用了最小二乘法对台风灾害下影响输电线路状态的变量进行数据拟合，建立了输电线路故障率的模型。并运用逐步回归方法对重要变量进行提取同时检测多重共线性，但是受限于数据的数量，模型存在一定缺陷。在此模型的基础上，提出了基于蒙特卡洛法对变量进行实际情况模拟，然后基于线性规划的最优切负荷模型，及结合算例进行对电力系统可靠性指标的计算，最后建立电力公司经济损失的评估模型，得到最终的经济损失量。

本文基于最小二乘法及逐步回归建立了台风灾害下考虑多种因素的输电线路停运可能性模型。然后结合负荷削减模型对可靠性指标进行计算，其值带入到电力公司经济损失模型中,所得到的结果由故障巡测检修平均费用和电力公司停电利润损失构成。

关键词：台风灾害；输电线路；可靠性；负荷削减；电力公司

Abstract

Under typhoon disaster, the transmission lines will break and the line tripping will seriously affect the normal operation of people's life and power companies. This paper summarizes the research status and research results of power system risk assessment under typhoon disaster and the least squares method is used to fit the variables that affect the state of transmission line under typhoon disaster and a model of transmission line failure rate is established. The stepwise regression method is used to extract important variables and detect multiple collinearity. However, due to the number of data, there are some defects in the model. Based on this model, the Monte Carlo method is applied to simulate the actual situation of variables. Then the optimal load shedding model based on linear programming is introduced and the reliability index of power system is calculated with an example. Finally, the economic loss assessment model of the power company is established to get the final economic loss.

Based on the least square method and stepwise regression, the possibility model of transmission line interruption with various factors under typhoon disaster is established. Then the reliability index is calculated combined with the load reduction model, value of which is brought into the economic loss model of the power company. The result is composed of the average cost of fault inspection and maintenance and the loss of power company's outage profits.

Key words: typhoon disaster; transmission line; reliability; load shedding; electricity company

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2台风灾情简述 1

1.3停电经济损失国内外综述 2

1.4本文研究内容及章节安排 4

第2章 台风灾害下输电线路故障概率预测 5

2.1基于最小二乘法的台风灾害影响分析 5

2.1.1最小二乘法的基本原理 5

2.1.2 台风灾害下影响电力系统稳定的特征量 6

2.1.3台风灾害下电力设备影响模型的建立 6

2.1.4台风灾害对电力系统影响的特征量提取 7

2.2自变量间的多重共线性检验 8

2.2.1基于逐步回归的特征量提取及多重共线性的检验 8

2.2.2故障概率模型评价 10

2.3本章小结 10

第3章 电力公司经济损失风险评估建模 12

3.1电力公司经济损失风险评估可能性指标 12

3.2基于蒙特卡洛法对可能性指标的计算 13

3.1蒙特卡洛法的基本原理 13

3.2基于蒙特卡洛法对线路状态的模拟 13

3.3电力系统切负荷损失模型 14

3.3.1基于直流潮流的最优潮流模型 15

3.3.2基于线性规划模型的最优切负荷模型 15

3.4模型求解 16

3.4.1模型变量分析 16

3.4.2求解步骤 16

3.5电力公司经济损失严重性风险评估 18

3.5.1电力公司经济损失的分类 18

3.5.2电力公司经济损失评估模型 18

3.6本章小结 18

第4章 基于不同电力系统的风险评估 20

4.1基于蒙特卡罗法的风灾后对电力系统的风险评估 21

4.1.1 对IEEE9节点的电力系统风险评估步骤 21

4.1.2 对IEEE30节点的电力系统风险评估步骤 21

4.2基于线性规划的最优负荷削减模型计算 22

4.2.1 IEEE9节点系统可靠性指标 22

4.2.2 IEEE30节点系统可靠性指标 23

4.3电力公司经济损失的评估 24

4.3.1 基于IEEE9节点系统的经济损失评估 25

4.3.2 基于IEEE30节点系统的经济损失评估 25

4.4 不同类型电力系统风险评估分析 25

4.5本章小结 25

第5章 结论与展望 27

5.1研究结论 27

5.2研究展望 27

参考文献 29

致 谢 32

附录A 输电线路故障率 34

附录B 电力系统元件参数 35

附录B1 IEEE9节点系统元件参数 35

附录B2 IEEE30节点系统元件参数 36

附录C 基于蒙特卡洛法的线路故障预测 39

附录D 最优负荷削减 40

附录E 毕业设计期间发表的主要论文 43

第1章 绪论

1.1目的及意义

台风灾害目前已经成为全球沿海或近海区域遭遇最为频繁的灾害之一，台风的登陆给个人和社会带来难以估计的损失，是全球影响最为严重地一种气象灾害之一^[1]。台风的到来会引发一系列次生灾害，例如泥石流，风暴潮，洪涝等，严重影响人们的正常生活和社会的正常运转^[2]。中国是一个遭受台风很频繁的国家，尤其是中国东南等沿海区域或省份是台风的多发区。台风对电网影响的大致可以分为两个方面。一方面，台风的风速之快会给电网造成一定的毁坏，如一些处于海口处的杆塔，由于杆塔的设计风速低于台风的风速，因此导致倒杆、折弯，引起线路跳闸等一系列问题；另一个方面来自于台风到来所带来的暴雨或者所引起的洪涝等一系列次生灾害，暴雨，洪涝或者泥石流可能引起杆塔倒塔，输电线路短路，开关跳闸等问题。

作为电力系统的重要组成部分，电力公司主要负责输变电和配电设备的检修及电力销售，其也深受台风的威胁。台风灾害下电力设备的故障和损毁导致维修检修费用包括更换或修理被损坏设备增加的费用，运行、检修人员加班所支付的费用等造成了电力公司的经济损失，并且输变配电网的故障导致的线路停运会导致电力供应不足或者中断的情况，这也导致电力公司少售电的收入损失。不仅如此，台风灾害导致的线路停运会影响正常供电状态，这会给电力用户甚至整个社会造成难以估量的经济损失。因此研究台风灾害对电力系统的影响，对台风灾害导致配电网故障引起电力公司经济损失进行风险评估，采取合理、必要的预防措施显得及其重要。

1.2台风灾情简述

台风天气造成的损失可以从几个案例说明^[3-6]。在国内，2006年8月10日，第8号超强台风“桑美”在浙江温州苍南地区登陆，给浙江温州和福建福鼎地区的电网造成了重大损失。台风共造成220kV线路与110kV线路分别倒杆3基与98基，110kV主变损坏一台，泥石流摧毁了210kV，35kV两座变电站线路，线路倒杆31基，560多台套10kV以下配电设备遭遇了不同程度的损坏，线路倒杆、断杆高达4000多基；全市有94个乡、41个镇、2051个村停电，据不完全统计，台风给温州电网造成的直接经济损失高达1．93亿元^[3]。于2004年在浙江省温岭石塘登陆的台风“云娜”严重破坏台州、温州电网并造成大规模停电。在台风灾害期间，9座220kV变电所，45座110kV变电所及137座35kV变电所全所失电；不仅如此，500kV天海5471线共事故跳闸10次，43条220kV线路跳闸，106条110kV线路跳闸，2362条35kV和10kV配电线路故障跳闸；部分输电线路倒塔、断线。台风登陆所造成台州、温州地区变配电设备设施受损经济损失初步估计为4.5亿元^[4]。

在国外，于2012年10月29日登陆美国新泽西州的台风“桑迪”对当地的电力系统造成了极大地破坏，企业、居民遭遇不同程度的断电，而灾害后的电力系统修复工作耗时也较长，此次灾害给社会造成了极大的经济损失^[5]。在2005年的“卡特里娜”飓风中，大约有一万人沦为难民，100万人断电，损失上干亿美元。数周后，新奥尔良才能恢复电力，数月之内城市才被打扫干净^[6]。

1.3停电经济损失国内外综述

停电所带来的经济损失很早就引起广泛关注，目前已有众多国内外学者关于停电经济损失评估方面的研究^[7-17]。

采用问卷调查法对停电经济损失进行估算在国内外已经广泛运用。文献[7]考虑各行各业以及居民不同的用电特性，对各类用户采用调查问卷的方式以此来进行停电经济损失估算。通过对调查问卷法得出的结果进行数据整合及分析，文献[8]对西安地区的不同行业及居民用户进行了问卷调查，基于线性回归模型，计算停电损失赔偿与电价调整之间的关系，得出西安地区在目前可靠性及实时电价水平下的停电索赔额度，但是没有考虑预防停电的行为和不同时期电价的变化，最终导致得出的停电损失赔偿与实际有所不同。文献[9]根据我国用电用户的用电特性，将我国电力系统用户分为居民用户和非居民用户两大类，并针对商业用户和工业用户，分析停电对这两类用户所造成的后果。然而没有对用户类型进行详细的分类导致结果缺乏可信度。

综上，这些评估停电损失的方法基本上都采用问卷调查法来进行探究，问卷调查法的特点是能够收集海量的数据，因此评估结果相对比较合理，具有一定的说服力。但是此种方法需要进行长时间的数据收集，因此评估周期比较长，除此之外，此种方式也一定程度上消耗人力物力，缺少一定的紧急性，并且很难及时进行对停电经济损失的评估。

由于问卷调查法不可避免地存在一定的缺陷，一些停电经济损失的评估模型也被众多学者运用到对停电损失的评估之中。文献[10]根据香港统计得到的上世纪末十年间电力用户停电经济损失、居民家庭收入等数据，基于线性回归模型构建出了各类电力用户停电损失对电力部门销售电价及社会消费价格指数的函数关系。文献[11]提出采用国民生产总值（gross national product，GNP）/总用电量、国内生产总值（gross domestic product， GDP）/总供电量这两种模型进行对用电用户的停电经济损失评估，估算了韩国用电用户的停电经济损失。然而此方法用GNP和GDP这两个笼统数据进行停电损失评估，结果缺少说服力。文献[12]提出了利用停电损失评价率（Interrupted Energy Assessment Rate，IEAR)来全面评估停电量、停电的持续时间、停电发生频率等因素对停电经济损失的影响，并通过计算IEAR与电量不足期望值（Expected Energy Not Supplied，EENS）的乘积来评估停电损失。然而未考虑用户类型，停电发生的时间等影响停电损失的其他因素。文献[13]提出、利用并分析对比了停电损失评价率求解法和用构造函数直接求解法和来估算用户停电损失，认为前者的结果更具有说服力。此方法在对估算不同可靠性水平下的供配电成本和可靠度问题起到很大的作用，但是未考虑不同停电发生时间的用户停电损失。

考虑到用户的用电特性，文献[14] 以北欧地区为例，对用户停电经济损失的估算方法进行了总结、分析和比较，通过调查问卷，分析了北欧地区的各类用户的用电特性，并具体探讨了农业方面的停电经济损失，估算各类用户的停电经济损失。文献[15]用建立好的综合用户停电经济损失模型来体现综合用户停电引起的经济损失和停电的持续时间的关系，用以估计每类用户的综合停电经济损失。尽管考虑了不同用户停电持续时间和停电损失的关系，但其建立的平均用户停电损失模型（Sectoral Customer Damage Function，SCDF），即用在不同峰荷时停电持续时间的总停电损失除以总负荷，很难以体现不同停电发生的时间所导致的用户停电损失。文献[16]提出一种参考其它地区停电经济损失函数，估算出各类用户停电经济损失。但是由于其余因素的干扰，用户停电损失对停电持续时间等因素并非呈简单的线性关系，因此运用电力用户停电损失函数得出的结果与实际情况会有偏差。文献[17] 运用回归分析及参数估计，将多类电力用户的用电量与其统计的相关数据通过线性方程进行联立，得出分类用户单位停电损失模型（Sector Custom Unit Damage Function，简称SCUDF)的方法，因为其数据可直接从相关权威部门获取，所以该方法避免了大量的统计工作，节省很多时间，但是对故障造成的停电损失评估未有涉及。

综上，上述一系列国内外研究基于不同类型，不同用电特性的用户，通过构建停电损失模型来进行停电经济损失评估。相比于问卷调查法及单纯的构造一些停电模型而言，此种方式所构造的模型更细致，可信程度更高，能更清晰地分析不同类型的电力用户遭受停电时所遭到的损失。然而这些模型并没有全面考虑停电影响因素，同时对电力用户的分类方式也影响模型的评估，所以很难面面俱到。

1.4本文研究内容及章节安排

本文研究的基本内容为寻求一种风险评估方法，对台风灾害下电力公司经济损失进行风险评估，主要就是对电力系统的输电线路的线路故障率进行计算，并求出台风灾害下输电线路故障之后的负荷削减量。本论文研究内容与章节安排如下：

第1章主要叙述了本文的目的和意义，概述了一些台风灾情，并且综述了停电经济损失在国内外的研究现状，在本章最后说明了本文的研究内容与章节安排。

第2章进行台风灾害下输电线路故障概率预测，基于大量数据并结合线性规划的方法来求得线路故障率的表达式。本文借助Matlab软件编程对此次计算过程进行仿真。

第3章对电力公司经济损失风险评估可能性及严重性建模，在此章节开始首先提出电力系统风险评估的可能性指标，紧接着介绍蒙特卡洛模型意在对实际情况进行模拟，然后基于最优潮流模型和线性规划求得电力系统负荷削减的最优负荷削减模型，最后构建电力公司经济损失评估模型，并详细给出了模型分析及求解步骤。

第4章是算例部分，在此章节中，本文基于蒙特卡洛法结合变量的范围进行对变量的实际模拟，接着就是基于线性规划的最优切负荷模型计算，并对电力公司经济损失严重性进行风险评估，主要结合实际情况和可能性指标对电力公司的损失进行计算。在第四章中，本文调用Matpower中的IEEE9节点与IEEE30节点系统，然后在Matlab中进行可靠性与严重性指标的计算。

第5章进行全文的总结，对本文的研究内容，研究方法，研究的结论做一个较为完整的陈述与归纳。除此之外，在第五章还将深入分析本文的缺陷之处，指出本文的欠佳之处并提出一些理论方法来解决出现的问题。

第2章 台风灾害下输电线路故障概率预测

2.1基于最小二乘法的台风灾害影响分析

2.1.1最小二乘法的基本原理

最小二乘法是解决曲线拟合最常用的方法，基本思路^[18]是，令

(2.1)

其中是事先选定的一组线性无关的函数，是待定系数。

拟合准则是与的距离的平方和最小，称为最小二乘准则。记

(2.2)

为求使达到最小，只需利用极值的必要条件得到