电力系统的安全性及防治措施

代文章

（宁夏石嘴山供电局，宁夏 石嘴山 753000）

随着世界经济的高速发展，人民对电力需求日益扩大，电网的安全稳定运行对经济发展和社会稳定越来越重要，各国对电力的需求和依赖性日益增强，电网大规模互联成为各国电力系统发展的重要特征和必然趋势[1-2]。

然而，由于电力系统自身因素与外部干扰的影响，电力系统事故时有发生，不仅使电网发输配企业的经济效益受到巨大损失，而且对电力用户和整个社会都造成了严重的影响。近年来，世界上多个国家都发生过由于各种原因所导致的大规模停电事故[4-6]，比如1996年美国西部的2次大停电事故，美国政府认为这些停电事故已“危及国家安全”。2003年8月14日美加大停电、2005年5月25日的莫斯科大停电和2006年11月26日的欧洲大停电事故，震惊世界，特别是，美加大停电事故波及5000万人口的供电范围，造成重大经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。因此，保证大规模电网的安全稳定运行是一个重大而迫切的问题，必须重视电网的安全性和电网的安全防御措施。

1 电力系统的安全性问题

1.1 电力系统安全性的定义

传统的电网安全性是指在发生故障情况下，电网能否回到原始运行点或者稳定在一个新的运行点的风险程度，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、热过载等。根据《电力系统安全稳定导则》，电力系统的安全性指电力系统在运行中承受故障扰动的能力，例如突然失去电网中的元件、发生短路故障等[7]。

电力系统安全性建立在稳定性的基础上，电力系统只有处于稳定的状态，才能够研究其安全性。IEEE/CIGRE稳定定义联合工作组将电力系统稳定性定义为在给定的初始运行方式下，一个电力系统受到物理扰动后仍能够回到初始运行平衡点或者重新获得运行平衡点，且在该平衡点大部分系统状态量都未越限，从而保持系统完整性的能力[7]。

1.2 电力系统安全性的分类

电力系统的安全性是基于一族称之为预想事故集的随机事件而定义的，该预事故集是所有可能发生的扰动的集合。如果一个系统处于正常运行状态，并且没有在任何预想事故的情况下都不会转到紧急状态，则称这个系统是安全的。根据这个概念，将电力系统的安全性分为系统静态安全性和系统动态安全性[7]。

1）电网静态安全

系统静态安全即要求在电力系统正常运行状态下，各个节点的注入功率大小、电压幅值及相位、频率等应当满足等式约束和不等式约束，即基本潮流方程和各种范围约束。

假设某个电力系统中共有N个节点，则直角坐标系下的基本潮流方程为

平衡节点（swing bus）的电压幅值和相角已知，不需要参加迭代求解。

为保证系统运行的安全稳定性以及电力用户的电能质量和供电安全，系统中所有电气设备运行参数都必须运行在合理范围之内，所有节点的电压幅值，电压相角、有功功率和无功功率都要在允许偏差之内，此时系统运行于一种安全方式下。

即对于 i = 1 ,2,… ,N ，都要满足

根据电力系统运行中各种参数对约束条件的满足程度，可分为正常、警告、紧急、危机、恢复等5种运行状态[3-7]。

（1）正常状态。在这种状态下，电力系统运行等式约束条件和不等约束条件完全得到满足。在正常运行状态下，系统中的发电设备和输变电设备容量留有欲度，即留有一定的备用容量；所有母线的电压幅值必须在额定电压附近，相邻母线电压相角差不能过大，系统保持适当的安全裕度，如承受一个合理的预想事故扰动，仍能满足上述等式约束条件和不等式约束条件，因此，也称这种运行状态为安全状态。

（2）警告状态。这种运行状态是正常运行情况下的极限状态，虽然系统的各个运行参数仍然满足等式约束条件和不等约束条件，但是由于发输电设备通常允许有一定的过载时间，系统仍然能够暂时继续运行，但是一个偶然事故便会造成系统运行于非安全状态。在这种状态下，应及时采取适当的措施，使系统回到安全运行状态。

（3）紧急状态。在这种状态下，系统运行参数不能满足约束条件，即某些运行参数超过允许范围，如设备过载、某些母线电压过低或者过大等等。紧急状态下可以是静态的，此时虽然所有系统变量仍在允许范围内，但是系统安全水平下降到了一个极限，安全裕度已很低，甚至为零，系统十分脆弱；紧急状态也可能是暂态的，此时系统不仅某些参数超出了允许范围，而且在不断变化发展，如电压幅值不断下降、发电机功角不断增大等，此时需要采用一定的措施使系统运行回到稳定运行状态。

（4）危机状态。在这种状态下，系统运行不正常状态，系统绝大部分参数不满足等式约束条件和不等式约束条件，系统必须采用一定的措施，并且经过恢复状态才能重新进入正常状态，这种状态可能引起连锁反应，网络结构也难以保持完整性，需要迅速地进行调节和控制。此时通过采取切除负荷及有控制的使系统解列等控制措施将系统中尽可能多的部分从大范围的停电中挽救过来。

（5）恢复状态。在这种状态下，系统参数一般尚能符合运行约束条件，但由于经历了危机状态，通过处理后，系统运行状态虽不再继续恶化，但正常状态尚未确立，可能己经损失部分负荷，电网某部分可能已经解列。恢复状态下，然后通过再同步、并网恢复所有用户供电，使整个系统重新回到正常状态运行。

2）电网动态安全

系统动态安全是在考虑系统运行状态发生改变的过程情况下，各种参数均需要满足要求。动态安全性要求系统在某种偶然性事件使电网运行方式从一种静态转变到另一种静态的过渡过程中，电力系统的基本潮流方程和各种不等式约束均能够得到满足，各项运行参数均保持在合理范围，不发生发电机功角失稳、局部电压持续过低等现象。

电网中各种运行参数都具有一定的裕度是保证电网动态安全的本质要求，设备退出运行或者电网其他扰动对电网运行状态的影响主要表现在各种运行参数发生一定的变化，根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件及切除方案，确定切除某些元件是否危及系统的安全，即电网中所有母线电压是否在允许的范围内，足够的裕度则可以保证运行参数在发生变化之后仍能够维持在允许范围之内。对于式（3）所示的电网设备运行参数的约束条件，可以使各个参数处于各自的约束极限一定的距离之外，即

式中，Vd、Vu、Δθ、Pd、Pu、Qd、Qu分别表示相应参数与约束极限的距离，即裕度大小

1.3 电力系统安全问题的影响因素

影响电力系统安全性的因素很多，对于组成现代电力系统的基础设施而言，可分为内部因素和外部因素[1]。

1）内部因素

（1）系统中的主要元件发生故障：发电机、变压器和输电线故障等。

（2）系统的控制和保护系统发生故障：如断路器误动作、保护继电器的隐性故障和控制故障或误操作等。

（3）计算机软、硬件系统故障。

（4）系统中信息、通信系统故障：如信息系统故障或拥塞，不能进行自动控制和保护，外部侵入信息通信系统和与EMS系统失去通信等。

（5）电力市场竞争环境的因素：电力市场中各参与者间的竞争与不协调、发电装置上缺少主动性或在更换旧的控制和保护系统。

（6）电力系统不稳定：静态、暂态、电压、振荡、濒率不稳定等。

2）外部因素

（1）气候因素和自然灾害：如发生冰雹、风暴、地震、雷雨、热浪、洪水、森林火灾等。

（2）人为因素：如控制和保护系统设置错误、操作人员误操作，蓄意破坏（包括战争或恐怖活动）等。

2 安全性评价原则与分类

2.1 安全性评价原则

安全性评价的目的就是要准确地评价目标系统的安全性能，并且该评价必须能够为目标系统的改善和进一步发展提供一定的参考和建议。针对电网系统，在整个评价过程中，从开始原始数据的准备到最后评价结果的分析，都必须采用科学的办法，保持客观公正的态度。为了达到这个目的，安全性评价必须遵循以下基本原则[8-9]：

1）科学性和客观性原则。尽可能排除主观因素的影响，客观对待每一步评价过程，其安全性评价必须能够准确地体现出不同电网不同运行状态的安全程度，为电网的规划、运行维护、扩建等工作提供必要的参考依据。

2）可比性原则。即在类似的系统之间，安全性评价的方法、模型等应当具有一定横向可比性，不同系统之间可以相互比较。

3）可行性原则。在评价过程中所采用的方法应当简便易行，在实际操作中不存在难以克服的巨大困难。

4）实用性和简洁性原则，在评价方法和使用数据方面都需要注意该原则。评价方法需要抓住能够反映目标系统安全性的主要矛盾，使用尽可能简单的模型和方法得到系统尽可能全面而准确的安全性能。

5）系统性原则。即安全性评价要尽可能地涵盖目标系统安全性的各方面内容，从不同层次和不同角度反映出目标系统的安全状况和主要特征。

2.2 安全性评价分类

安全性评价有多种分类方法，根据评价对象与评价过程的时间关系，可以分为事前评价、过程评价、事后评价和跟踪评价[8-9]。

1）事前评价在系统设计阶段进行。在系统规划设计阶段，通过对系统将来可能会遇到的各种情况进行预测分析，对于典型的危险情况进行估计和仿真求解，尽可能客观、全面、科学地衡量电网安全性各个方面，并且对不被允许的事故等进行理论分析和实施必要的防范措施，甚至根据评价的结果对原始设计做适当的修改。

2）过程评价在系统运行过程中进行。在系统开始运行后，以一定的时间周期对系统的运行状态进行评价，以期能够及时发现在事前评价中没有发现的问题和风险，采取必要的措施控制威胁因素，保障系统安全运行。

3）事后评价对系统过去状态进行评价。系统经过一段较长时间运行之后，对上一个阶段内系统的安全性等方面进行总结和评价，分析客观已经存在的运行状态是否合理，对于已经出现的问题进行总结和研究，找出问题的根本原因，为下一阶段系统运行寻求安全状况的改善方法或是为其他系统的建设提供参考依据。

4）跟踪评价是系统投入运行后跟踪调查评价。在系统开始运行后，以一定的时间周期对系统的运行状态进行评价，与过程评价最主要的区别在于评价的目标不同，过程评价主要是为了能够及时发现所评价系统当前出现了什么问题，能够采取什么措施控制问题的发展，改善系统运行状态，而跟踪评价主要是为了今后在建设其他类似系统时拥有一定的参考依据。

根据评价过程中对数据和结果的不同要求以及评价方法的差异，安全性评价又可以分为定性评价、定量评价和模糊评价。

1）定性评价主要是判断系统安全性方面在主观上给人的感受，比如已经发生的某种事故产生的后果是“严重”还是“一般”。定性评价不能确定系统的事故概率，但也有一定的量化因素，常常以某种方法将危险情况的威胁程度划分为若干个等级。

2）定量评价对原始数据以及评价结果在数值方面的精度要求较高，而且评价过程也是采用精确数学方法求得系统发生某种事故的具体概率，符合一般逻辑思维，符合国际规范和国内现行统计制度要求，以数学上的严格比较和论证来评价系统的安全状况。

3）模糊评价是将模糊数学的方法应用到安全性评价过程，模糊评价对于多个子系统和多因素综合评价，提供一种利用模糊矩阵运算的科学方法。模糊评价仍属定性评价的范畴，仍然需要依靠人脑处理模糊概念的能力，依靠专家群体的知识和经验。

电网安全性评价根据实际需要可以运用于电网规划、实时安全监测、事后安全分析等多个环节。电网安全性评价所采用的方法属于包含定量因素的定性评价，评价结果不给出发生事故的具体概率，而是对一定的安全指标进行量化分析，由电网安全性综合评价函数的取值大小判断电网安全程度。因此，电网安全性评价类型如图1所示。

图1 电网安全性评价分类

3 电力系统安全性的防治措施

电网运行的安全控制主要有三个方面：一是针对针对于正常状态的安全经济控制；其次是针对预想事故集下的预防性控制；第三是针对存在不安全的某个事故后状态的恢复控制即小正控制[10]。

安全经济控制的目标是在满足足等式约束和不等式约束的条件下以及安全要求和质量要求的条件下，实现运行费用最小或燃料消耗最少，在电力市场环境下则为市场购电费用最小，即实现运行的经济性，即实现目标最优。

对于实际的大型电力系统而言，预防控制规模庞大，问题十分复杂，问题的求解十分复杂并目需要大量的计算机时间，且事故发生的概率通常很小，同时还需要较大地牺牲系统运行的经济性。因此学者们建议在电网的安全性基础理论研究，电网的建设、监控和管理方面做好预防性工作，然后再在关键区域进行预防性控制[11-12]。

3.1 重视电力系统安全性的基础研究

电力系统是由不同容量的发电机、不同电压等级和长度的输配电线路以及不同特性的负荷组成的典型复杂大系统，是一个高维、时变、非线性、信息的不完全性、广域互联性和微分代数的复杂特性系统。通过研究新的理论和方法体系，寻找解决复杂电力系统所面临的关键问题的方法和措施，以保证电力系统的安全、可靠的管理和运行。建立国家或电力企业的研究基金，解决电力系统安全性紧密相关的基础研究的长期的高额的资金投入问题；此外将电力系统的基础研究列入国家中、长期科研发展规划，开展国际间的合作，从已发生的电力事故中吸取有益的教训，积累经验。

3.2 加强电网建设，降低事故风险

电力系统工业是一个需要长期和超前投资的工业，大型发电厂的建设周期是5～10年，使用寿命大约为30年。因此，要求厂（发电厂）网（电网）协调、统一规划、超前建设、合理结构，以保证电力系统的安全运行。特别要加强电网建设(加强远距离输电网、受端电网和二次系统)以提高电网安全可靠性，降低事故概率，减少停电损失。

2003发生的美加大停电事故调查总结报告中，指出电网的“古老和陈旧”即设备的老化问题，是电力系统发生故障的原因所在。据统计，发达国家发电设备的寿命在30 年以上的由1990年的12%增加到2000年的31%，预计2010年将达到50%；此外，在输电和配电领域，很大一部分的基础设施的使用寿命已接近70年。另一方面，很多陈旧的设备已不适应现代先进的数字化技术。所以，电力设备老化问题是各个国家普遍存在的问题。

3.3 重视电力系统的监控与管理

电力系统的互联实现了资源在大范围内进行优化配置，相互支援和互通有无。但是，在紧密相连的互联电力系统中，一个局部故障会引起连锁反应，并迅速向全系统传播，进而导致大面积的停电事故。所以，在一个互联的电力系统中，统一电网管理，统一电网调度，建立完善的安全运行制度是保证电力系统安全可靠运行的重要条件。

通过对调度和运行人员进行定期的培训来不断提高自身素质，特别是应对突发事件的能力。同时改善电网的运行环境，减少外力和自然界对电力系统设备的破坏，以及做好日常维护工作是保证电网安全运行的保证。

3.4 研究自然灾害和人为破坏对电力系统安全运行的影响

在现代化社会中，电力供应与社会活动和人民生活密切相关，电力工业与灾害防御系统、军事命令和控制系统、公共卫生系统和通信系统等一样，都属于有严重故障后果的国家基础设施，这些系统的安全和可靠的运行是国家经济、安全和生活质量的根本。所以，作为国家的关键基础设施之一，研究自然灾害和人为破坏对电力系统安全运行的影响，是科学合理地区分各种预警和紧急状态，建立相应的反应灵敏、高效统一的应对策略和应急措施的前提和关键。

4 结论

随着世界经济的高速发展，人民对电力需求日益扩大，电网的安全稳定运行对经济发展和社会稳定越来越重要，各国对电力的需求和依赖性日益增强，电网大规模互联成为各国电力系统发展的重要特征和必然趋势。因此保证大规模互联电力系统的安全、稳定和经济运行是一个重大而迫切的问题。本文首先介绍了电力系统安全性的定义和分类，在此基础上回顾了电网安全性评价的原则和评价方法的分类。然后从内部因素和外部因素两个方面介绍了影响电力系统安全性的因素。最后结合目前的研究现状和技术手段，提出了加强电力系统的安全性，防治大停电事故的一系列措施，从根本上降低电网安全性的风险。

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