类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的作者为Andrea M. Rei（来自巴西电力研究中心CEPEL）和Marcus Theodor Schilling（IEEE Fellow，就职于弗鲁米嫩塞联邦大学电气工程系）。研究论文《Reliability Assessment of the Brazilian Power System Using Enumeration and Monte Carlo》发表于2008年8月的《IEEE Transactions on Power Systems》（第23卷第3期）。

学术背景
研究领域为电力系统可靠性评估，核心问题是如何在大型电网中高效、准确地量化系统风险。传统确定性方法（如N-1准则）虽广泛用于规划，但存在局限性：依赖人工经验筛选故障场景，可能遗漏高风险事件，且无法量化概率风险。而概率性方法（如蒙特卡洛模拟和故障枚举法）能弥补这一缺陷，但两者各有优劣——枚举法计算效率高但难以覆盖高阶故障，蒙特卡洛模拟灵活性更强但计算成本较高。本研究旨在通过巴西电网的实际案例，探讨两种方法的互补性，并提出混合应用策略。

研究流程
1. 研究对象与数据准备
- 以巴西互联电网（2008年规划数据）为研究对象，包含3800条母线、5500条输电线路（含2000台变压器）及680台发电机组（总容量64.6 GW），负荷峰值61.8 GW。
- 采用两状态马尔可夫模型（Markovian model）描述设备随机故障，数据源自巴西电网历史统计及国际数据库（如NERC和CEA）。

1. 方法设计

   • 故障枚举法：
     
     • 仅评估单重故障（如单条线路或单台机组停运），覆盖42.34%的输电系统状态空间，但发电系统覆盖率仅0.85%（因机组故障率更高）。
       
     • 通过交流最优潮流（AC Optimal Power Flow）计算故障后果，目标函数为最小切负荷量，采用内点法（Interior Point Method）求解。
       
   • 蒙特卡洛模拟：
     
     • 非序贯抽样，覆盖全状态空间（包括高阶故障），以EENS（预期缺供电量）的变异系数≤5%为收敛标准。
       
     • 采用方差缩减技术（如重要性抽样）加速收敛，单次抽样包含系统所有组件状态的随机组合。
       

2. 计算工具
   使用CEPEL开发的NH2程序，集成以下功能：

   • 牛顿-拉夫逊法潮流计算
     
   • 基于内点法的AC最优潮流
     
   • 故障枚举与蒙特卡洛模拟模块
     
   • 分层可靠性指标（系统/区域/节点级）
     

主要结果
1. 故障枚举法的局限性
- 输电系统单重故障评估显示，13%的故障需切负荷，表明巴西电网不满足N-1准则。230 kV网络贡献50%的可靠性风险（图3），但其仅占状态空间的33%（图4），反映电压等级与风险的非线性关系。
- 发电系统单重故障评估未发现切负荷，但蒙特卡洛模拟揭示高阶故障（如6–11重机组停运）占状态空间的71%（图7），导致EENS显著升高（表V）。

1. 蒙特卡洛模拟的优势

   • 输电系统评估中，蒙特卡洛的EENS结果比枚举法高7000倍（表IV），因其覆盖了57.66%的高阶故障（图6）。
     
   • 收敛分析显示（图8），EENS需约10,000次抽样达到3%变异系数，而LOLP（失负荷概率）因方差较小更快收敛。
     

2. 互补性验证

   • 枚举法可快速识别薄弱环节（如230 kV网络过载），而蒙特卡洛模拟更适合发电系统等故障率高的场景。两者结合可平衡效率与精度。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 量化了枚举法与蒙特卡洛模拟在大型电网中的适用边界：枚举法适用于低故障率系统（如输电网络），蒙特卡洛模拟在高故障率系统（如发电系统）中不可替代。
- 提出变异系数作为蒙特卡洛收敛的客观标准，避免传统主观截断误差。

1. 应用价值
   
   • 为巴西ISO（独立系统运营商）提供短期规划工具，优化投资分配（如优先加固230 kV网络）。
     
   • 开发的NH2程序被用于巴西电网定期可靠性评估，证明混合方法的工程可行性。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次在巴西全网规模验证枚举法与蒙特卡洛的协同效应，提出“分场景选择方法”的实用框架。
2. 数据规模：处理1,821,186种双重故障组合（耗时35天），为当时文献中最大规模实证之一。
3. 工程洞察：发现发电与输电系统可用率的数量级差异（表I），揭示传统枚举法在发电评估中的根本缺陷。

其他发现
- 电压安全是主要故障模式（图5），占 adequacy breaches（充足性违约）的65%，提示需改进电压约束建模。
- 国际数据对比显示，巴西输电线路可用率（99.6%）高于北美（97.4%），但发电机组可用率（95%）显著偏低，反映系统结构差异。