抗灾型电网安全风险评估方法研究

马成廉，孙黎，尚教会

（1. 东北电力大学，吉林 吉林 132012；2. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206；3. 国网甘肃省电力公司 嘉峪关供电公司，甘肃 嘉峪关 735100）

中国的复杂气候环境和自然灾害常引发大面积停电事故。其中，海拔在1 km以上的山地和高原超过全国总面积的2/3，煤电资源94%分布于大别山昆仑山一线以北的地区，90%的水电资源分布于京广铁路以西；SO2和CO2排放量分别居世界第1位和第2位，并且是SO2和NOx排放量增长最快的地区；中国已成为世界第三大酸雨区，而且也是世界上输电线路覆冰雪最严重的国家之一，输电线路导线覆冰最严重的地区主要集中在湖南、湖北、贵州、江西、云南、四川、河南及陕西等省。

高海拔、污秽、酸雨（雾）等复杂气候环境及其输电线路覆冰、雷电等主要自然灾害是影响电网建设实施“西电东送、南北互供、全国联网”战略不可忽视的挑战性技术难题[1-3]。

电网规划的任务是根据规划期间的电源和负荷增长情况，在现有电网的基础上合理选择待建线路，在保证安全运行要求的前提下优化经济性，涉及的内容包括预测负荷、选择电网电压、选择输电走廊、确定输电方式和确定电网结构等[4]。电网规划长期以来都以线路建设的经济性为优化目标，但是自然灾害导致的多次电网大停电事故使人们认识到，输电网规划在考虑投资费用的同时，还应根据技术经济条件选定某些特定严重程度和出现概率的偶发事件，当系统发生这些适度严重且可信的事件时，系统应能满足规定的安全标准。输电线路设计中，考虑了不同电压等级和不同地区的差别设计。电压等级越高、越重要的线路，可靠性标准要求越高，在同样严酷环境中发生事故的概率越低。但是极端恶劣气象条件引起的大范围冰灾，已经超出了现行设计标准的承受范围。同时，如果考虑线路能够抵御极端天气条件，线路的设计标准必然需要提高，线路的造价也将大幅上升，在其他条件相同的情况下，按20 mm覆冰设计的线路造价约是10 mm覆冰的1.8倍，按30 mm覆冰设计的线路造价是10 mm覆冰的2.6倍。

由此可见，抗灾型电网安全评估与常规的安全评估不同，既不能直接套用常规的电网安全评估方法，也不适宜单一地以提高设计标准为代价提高电网的安全性。这就迫切需要在常规方法的基础上寻求适用于抗灾型电网安全评估的方法和途径。所以，对电网承受特大灾害的能力和安全运行情况进行分析，并进一步提出适用于抗灾型电网的安全评估方法，建立新的安全指标体系，可以为抗灾型电网的规划研究提供技术支持，为合理地评估电网抵御特大灾害的能力提供理论依据，将具有很大的理论意义和实用价值。

1 抗灾型电网安全评估的研究范畴

抗灾型电网安全评估是考虑电网特大灾害承受能力的电力系统规划工作的一部分，是对已形成的电网规划方案进行安全性检验的重要步骤。

1.1 电网规划方面

电网规划可分为输电网规划和配电网规划两部分。其中，在考虑电网特大灾害承受能力的电力系统规划中，输电网的规划是重中之重。主要有以下几方面原因：

1）在电力系统中，输电网是受自然灾害影响最大的环节。在我国，由于主要的能源基地位于西部，而主要的负荷中心区位于东部，输电网承担着大功率远距离传输能量的重任，一旦发生严重故障，后果将不堪设想。

2）输电网的结构决定其易受灾害影响。输电网的线路档距较大，截面也较大，且多采用分裂导线，易受风的影响。从国内外的统计资料来看，在相同的环境、气象条件下，分裂导线要比单导线容易产生舞动，并且大截面的导线要比常规截面的导线易产生舞动：这就决定了输电网容易遭受飙风及覆冰舞动的影响。

3）输电网所处地理位置的影响。输电网架设在地理环境复杂的地区，尤其是位于高海拔地区的电网，由于风速较大，气候变化剧烈，极易产生雨凇进而导致导线覆冰。另外，由于部分输电网位于偏远地区，覆冰季节冰雪封山，交通不便，一旦发生事故抢修困难，往往造成长时间停电。

所以，对抗灾型电网安全评估的研究主要集中于输电网方面，尤其是易产生较大影响的大电网。

1.2 电网故障机理方面

现在我国电网已进入高电压、大电网、大机组的新阶段，但是大电网对可靠性要求更高，若发生恶性连锁反应，可能造成严重的社会影响和经济损失。通过分析近些年冰雪灾害导致的大规模电网故障可知，电网相继发生输电线路大范围跳闸和倒塔事故往往导致大规模负荷转移，以致发生连锁故障，使灾害影响范围迅速扩大化。

对大电网发生的雪崩式级联故障的研究，人们往往从自然环境因素、设备缺陷、人为操作失误、保护误动等方面来分析事故发生的根源，很少从电网自身的拓扑结构去分析故障传播的机理。

近来，人们开始意识到拓扑结构对电网的工作效率和鲁棒性有着至关重要的影响。社会关系网络的拓扑结构对人群中的疾病传播起着举足轻重的作用，电力网络的拓扑结构也对级联故障的发展过程等有着关键的影响。电网可靠性统计数据的多年积累，为人们精确地分析电网拓扑结构的统计特性，从而建立起拓扑结构与可靠性之间的确切关系提供了可能。

所以，电网结构是否合理、在自然灾害的影响下是否会导致故障的扩大化是抗灾型电网安全评估的重点。

2 抗灾型电网国内外研究现状

电力系统的故障，除了运行设备故障、人为操作失误外，很大一部分源于自然灾害。在风灾、地震、冰雪等灾害下，电力系统的局部甚至大部分区域中断供电，而且往往同时引发城市供水、交通、通信、医疗卫生、银行等诸多其他社会系统的停顿，影响居民基本生活条件的保障，引发危及社会安全稳定的严重后果。电力系统作为社会的关键性基础支撑系统，在特大灾害下的安全问题引起了全世界各国电力行业的高度重视，电力系统灾变事故的预防和灾后快速应对措施研究成为世界各国政府和电力工作者关注的焦点。

国内外对抗灾型电力系统理论的研究主要集中在对历次大停电事故总结经验和教训方面。国内外学者从各个层面、角度对大停电事故原因进行了详尽分析，特别是针对美加大停电，具体讨论电力工业的组织形式、电力市场的运作和监管、电力系统规划、系统的模拟和实时分析工具、配电策略、信息工程、控制方案、研发和人员培训等对提高电网抗灾害能力的重要作用。国外研究者在总结美国密歇根州由于洪水造成停电事故后恢复供电的过程和取得的成功经验中，得到了如下启示：在电网从灾害恢复供电的过程中，除了电网物理系统和配套设施外，抗灾救灾的组织关系、规则、过程和协议都是至关重要的[5]。通过研究表明，建设风能、太阳能等分布式能源也有助于提高电力系统的抗灾能力[6-7]。

国内学者回顾了近年来世界各国电力系统在自然灾害下的安全运行状况，特别是我国电力系统的主要自然灾害状况，重点介绍了电力系统在灾害性强风和地震作用下所受的影响。近年的自然灾害说明，开展我国电力系统防御重大自然灾害的研究和风险评估工作，建立电力系统自然灾害事故的预警机制、应急反应机制和灾后快速恢复重建机制，是提高电力系统防灾能力的关键[8]。

近年来，国内把电力大系统灾变防治和经济运行作为重大课题立项进行研究，提出数字电力系统（DPS）、计算机在线稳定监控系统等概念和设想。在国外，提出建立电力战略防御系统（SPID），其主要目的是要防止各种导致系统大面积停电的灾难性事故。DPS主要是以系统的全局广域相量测量和分析为支柱，实时地提供系统所需的各种关键信息，快速评估系统所需的各种关键信息，快速评估系统的脆弱性，提供实时快速的自适应自愈、自适应网络重构、自适应保护等为其特点的一个全局广域智能控制系统[9-10]。

除了电网的各种监控系统研究外，电源和电网规划、布局的不合理也会降低供电可靠性，造成电网安全隐患，当重大灾害发生时易引发大的电网事故。电力系统的科学规划对提高电网的抗灾害能力，降低灾害造成的损失，提高灾后重建速度具有重要的作用。

在电力系统规划的研究方面，电力工业发展至今，其规划方法可以划分为如下2个阶段：垂直垄断的统一规划阶段；基于市场竞争机制的规划阶段。在传统电力工业时期，发、输、配售合为一体，电力部门具有天然的市场垄断地位，其规划方法、投资决策均为垂直垄断的统一模式。在市场环境下电源规划的研究中，普遍做法为建立市场模拟模型和电源投资、成本模型，考虑各个成员在市场中的竞争策略，共同参与到市场中，其目标为追求自身生产剩余的最大化。求解得出市场均衡点，此时各个成员达到最优状态，以此作为发电公司规划决策。

在电源规划的研究中，学者们主要开展了电源规划的模型、电源规划的双目标动态规划模型、考虑能源分区平衡的电源规划模型、三峡工程施工电源规划及实施，以及电力系统调峰电源规划模型探讨及其应用等等一系列的研究。其中文献[11]简要回顾了电力系统规划的发展历程及综合资源规划的产生背景，总结了考虑需求侧管理的综合资源规划区别于传统规划的特点，详细分析了有关需求预测、需求侧分析、供应侧分析和供需方综合规划的研究热点。基于对现有的综合资源规划模型与方法的评价，提出了关于今后研究方向的几点建议。

国内外许多文献对市场环境下的电网规划面临的挑战做了详细的分析[12-20]。市场环境下，由于竞争的出现，电网规划面临着许多不确定性因素，主要挑战来源于以下几个方面的不确定性：

1）厂网分开导致电网公司获取的电源信息不完整，电源的建设、运行不都在电网公司的统一模式下进行，不确定性大大增加。

2）未来电力需求、电力市场交易数量的复杂性带来的不确定性。

3）相应电网运行的潮流模式的多样化。

4）政府政策和电力市场规则的不确定性。

这样的直接后果是电网运行风险的增加，对电网性能的潜在威胁大大提高。通过对风险进行识别、评价和防范，可降低风险和减少损失。

在电源和电网的协调优化中，文献[21]尝试建立电力工业持续发展的统一规划优化模型，协调考虑国家能源政策、一次能源开采能力与运输限制、环保问题、合理装机容量、电源结构优化、系统调峰问题、电源布局优化、电源电网协调发展以及电力投资决策对后续发展的影响，为寻求科学的、经济的、可持续的电力发展方案提供决策支持。

在电力系统规划的评估方面，文献[22]分析了电力市场对规划决策与评估提出的新要求，提出兼顾计划与市场环境的电力规划决策与评估系统的总体方案和核心思想，设计了以日运行评估为基础的决策方法。

还有的学者就运行方式安排、电源接入系统点等方面的研究，分析总结了合理分片、分层分区、分散外接电源的电网规划方案对电网安全的影响。文献[23]中总结了一些极易引发稳定破坏、电压崩溃、电网瓦解等大面积停电事故的电网结构，其中就包括了：高低压电磁环网，环形距离过长，环套环、多环互联几种涉及环网的结构，并阐述了电网结构布局应体现的原则是：分层分区，主次分明。文献[24]详细分析了华东电网220 kV省际联络线开断运行的必要性和可能性，并通过分析，选择了最佳方案。文献[25]分析了华东电网实施分层分区应具备的基本条件，并通过对华东电网的潮流分析、稳定分析、短路容量分析，讨论了华东电网未具备分层分区条件时，电磁环网开断运行将会出现的问题。

在抗灾型电力系统的基本特征和特征方面，国内外主要了总结实际灾害的经验和教训，针对灾害的成因提出相应提高电力系统抗灾能力的措施。但是，现有的研究成果都没有从实际灾害中抽象提炼出抗灾型电力系统需要具备的特征，理论高度不够，适应性较差，不能够全面指导提高电力系统的抗灾水平。

在评估电网抗风险的能力的理论和方法的研究上，国内外研究的焦点主要集中在电网实时运行中存在的安全风险和电力市场运作过程中存在的金融风险。在电力系统规划的风险评估中，目前也主要集中在降低市场环境下电力系统规划的风险，提高市场运作的效率。目前的研究尚未涉及对电网在重大灾害中抗风险能力的评估理论与方法的研究，而这恰恰是目前电力生产实际中亟需解决的难题。

在电网规划理论与方法中，目前学术界研究的重点是市场环境下电网规划的方法。国内部分学者也考虑了通过合理分片、分层分区、分散外接电源的电网规划方案来提高电网的安全性。但是，目前所有的研究成果都没有提升到设计能抗灾型电网规划的高度，从安全电源、新可靠性标准、多通道、不同可靠性要求、以最小成本投入获取最大安全效益的角度，研究电网规划决策。

近年来，国内外输电技术快速发展，一方面新的输电技术不断涌现，如管道输电、轻型直流、柔性输电等；另一方面传统输电技术也在不断提高，出现了高电压、多回路、紧凑型等大容量输电技术。对这些输电技术的评估通常只注重其经济性和可靠性，包括对土地资源和环境资源的影响等，而没有考虑这些输电技术抗击特大自然灾害的能力。因此对这些输电技术先进性的评价是片面的，迫切需要对传统的和新兴的输电技术在考虑其抗突发灾害能力的前提下重新评估其技术经济性和运行可靠性。在抗灾型电网的新技术的研究中，随着科学技术的进步，材料工艺的升级，涌现了越来越多的应用于防范电力系统灾害的新技术，也需要从经济性和可靠性方面研究其可行性。

通过文献综述可以看到，目前国内外尚缺乏对考虑电网特大灾害承受能力的电力系统规划的理论性、系统性研究，迫切需要开展考虑电网特大灾害承受能力的电力系统规划研究，从理论上回答抗灾型电力系统的特征是什么，从规划方案的风险评估方法、电源规划、电网规划、输电技术的技术经济及可靠性评估等方面开展深入研究，真正形成考虑灾变情况的电力系统规划新理念、新理论和新方法，并在典型案例分析基础上提出指导我国电力系统规划的具体建议。

3 存在的主要问题

3.1 常规的电力系统规划存在的问题

我国现有的电力系统规划理论和实践技术并不能对考虑电网特大灾害承受能力的电力系统规划问题做出科学合理的理论分析和切实可行的实施方案，主要不足在于：

1）未计及自然灾害的影响。目前的设计基于典型负荷和常规天气条件进行，对特大灾害条件下的电网承受能力没有纳入考虑，缺乏关于抗灾型电力系统规划的系统的理论支撑。

2）未考虑小概率事件带来的严重故障后果。目前电力系统规划设计标准主要采用确定性准则，没有考虑出现类似2008年冰灾这类小概率严重后果事件对电力系统可靠性、安全性的影响。电网在大灾难条件下的供电能力的规划设计是典型的高后果低概率事件为基础的极端工况设计，只能引入风险和概率方法进行分析。而目前对风险分析方法在电力系统规划中的应用缺乏系统深入的研究。

3）电网规划与电源规划发展不协调。在网厂分离的情况下，电源规划与电网规划的不协调问题日趋突出，电源规划布局的合理性不强、接入点和容量选择与电网规划脱节，极大影响了电网安全水平、抗灾能力和电网资源的投资效益。

4）设计标准偏低。当前的电网工程设计标准已经不能与抗御巨灾的要求相适应，需要增加电网抗大灾难性事故，保障重要关键用户在极端条件下的安全可靠供电的专题研究。但同时又必须考虑到设计标准调整和提高带来的巨大投资成本，寻找电网安全和电力广大用户缺电承受能力的有机结合点，提出差异化的规划设计方案，这是当前电网规划必须解决的难题。

5）对新的输电技术评估不足。电力设施对恶劣环境耐受能力的提高，是整个电力系统抗灾性能提高的基础和关键。近年来，国内外输电技术快速发展，新的输电技术不断涌现，传统输电技术输电能力也在不断提高。但是，目前对这些技术的评估通常或者只注重常规运行条件下的经济性和可靠性，迫切需要在考虑抗突发灾害能力的前提下重新评估其技术经济性和运行可靠性。

3.2 常规的电网安全评估方法存在的问题

当前，对电网安全评估的研究已日臻成熟，并逐步付诸实施，但是存在以下问题：

1）当前的电网安全评估局限于使用确定性方法。确定性方法就是利用潮流和稳定程序对最严重的事故情况进行大量的运算，如果不发生不可控链锁跳闸和广泛波及性的供电中断，就可认为系统是安全的。其中典型的就是N-1准则。

确定性方法虽然非常成熟而且应用广泛，但是没有考虑事故发生的频率和事故严重程度的差异。确定性的安全评估方法假定事故列表中所有事故出现的频率是一样的，这与事实情况明显不符。而且，确定性的安全评估方法为事故列表中的事故设立了相同的可靠性标准，这样事故的严重性就不能够被很好地认识。

2）对“差异化”考虑不足。自然灾害具有明显的地域特征。以我国输电线路的覆冰为例，不仅其分布因地区不同差异很大，而且覆冰的频率、密度及覆冰量也因地区而变化。所以对不同地区的电网进行安全评估就不能采用同样的标准，尤其是重要线路，应该充分考虑是否具有承受特大灾害的能力及严重故障情况对电网的影响，适合采取“差异化”分析的方法。但是目前的安全评估方法对此考虑不足。

3）未计及连锁故障的影响。灾害性天气造成的事故影响范围大，故障类型复杂，易造成连锁反应。由自然灾害引发的电网事故分析可知，特大灾害带来的严重后果往往是由于单一事故的扩大和连锁反应导致的，在故障持续过程中电网内发生大范围电力负荷转移，发输变电设备和线路过负荷或低电压效应跳闸、局部电网电压稳定性或暂态稳定性破坏、负阻尼低频振荡、电网解列、频率异常升高或降低等现象相互交织，呈现连锁反应的演化过程，这些都是常规的安全评估方法所未考虑的。

4 抗灾型电网安全评估模型问题研究

抗灾型电网安全评估是评估电网承受自然灾害的能力，所以需要对自然灾害本身和电网分别建立相应的模型。目前主要有两方面的问题：

一方面，电网分布范围广，常面临各种复杂地理环境和气候环境的影响，包括飙风造成的输电线路闪络、雷击造成的保护装置跳闸、地震造成的杆塔严重损坏等等。由于各种自然灾害的分布和影响因素不同，例如输电线路覆冰与温度、季节、海拔、线路走向、线路高度、导线直径等因素有关，所以需要建立不同的模型。在诸多自然灾害中，冰雪灾害在我国分布很广，易导致严重故障，对电网影响范围较大。所以，需要建立输电线路覆冰概率分布模型，作为抗灾型电网安全评估的基础。

另一方面，由于基于复杂网络理论的分析方法与基于还原论的分析方法有所不同，先建立复杂电网各元件的详细数学模型，然后将它们组合起来，将系统描述为巨维的微分-代数方程组，再还原为系统的方法已经不适用于抗灾型电网安全评估，所以需要根据复杂网络理论建立新的电网模型，也就是用网络图论的方法将电网接线图转化为网络拓扑模型。这是应用复杂网络理论对电网的参数进行计算和分析的前提条件。

5 研究展望

由于我国复杂的地理和气候环境，电网的发展必将继续面临自然灾害的挑战，覆冰、台风、暴雪、磁暴[26-27]等灾害往往超出线路的设计标准，导致大规模的电网故障，尤其是对输电线路覆冰问题的认识，以及太阳风暴对电网的影响认识，还远远不能满足电力工业发展的要求。因此，开展抗灾型电网安全评估的研究对正确指导电网规划工作，提高电网对特大自然灾害的承受能力具有重要意义。

本文针对目前的电网安全评估方法未考虑自然灾害的地域特征及其引发连锁故障的现状，讨论了自然灾害引发的线路故障往往造成连锁反应，导致故障规模的扩大化，而复杂网络理论可以较准确地反映连锁故障的机理，适用于抗灾型电网的安全评估。将复杂网络理论应用于抗灾型电网安全评估领域，从网架拓扑结构的角度对抗灾型电网安全评估的机理进行分析，验证了应用复杂网络理论对抗灾型电网进行安全评估的可行性。

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