面向风险的电力系统稳定标准对比分析

王延纬， 钱峰， 杨银国， 陈睿， 刘平， 冯雷， 朱林

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州　510600; 2.华南理工大学 电力学院，广东 广州　510640)



面向风险的电力系统稳定标准对比分析

王延纬1， 钱峰1， 杨银国1， 陈睿1， 刘平2， 冯雷2， 朱林2

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州510600; 2.华南理工大学 电力学院，广东 广州510640)

围绕电力系统风险评价工作，对比了我国和其他主要发达国家及发展中国家的电力系统稳定评价标准，通过多角度分析和比对各国稳定标准的主要特征，表明了电力系统稳定标准对电网风险评估效果具有重要的支撑作用。最后立足于风险视角，为电力系统风险评估提出有意义的改进建议。

电力系统；可靠性；运行安全；风险评估；稳定标准

0　引　言

现代电网规模伴随着国民经济的发展而不断扩大，高压直流输电、分布式能源等一系列新兴技术的融入加深了现代电网结构的复杂性，这为电网的安全可靠运行带来了严峻的挑战。纵观近十年来世界范围内的大停电事故时有发生，暴露了在电网的运行安全管理与防御方面仍存在薄弱环节。不断深化电网运行的风险评估工作，有针对性地制定事故防控和反事故措施方案，可有效降低大面积停电的发生几率，促使电力系统安全稳定运行。

目前主流的电力系统运行风险评价理论主要分为两大类：一是基于复杂系统理论的分析方法，例如OPA模型、Cascade模型、Hidden Failure模型等[1-3]；二是基于图论和复杂网络理论的分析方法，其中包括相隔中心模型、有效性能模型及小世界模型等[4-6]。这些模型都侧重于对电力系统不同风险特征的研究，只对特定的运行场景具有适用性。但在实际的工程应用中，由于电力系统拓扑结构及元件动态的复杂性，这些方法难以全面地评估电网运行安全的风险，也较难适应实际电力企业的风险分析需求。事实上，电网公司结合相关运行安全规范及实际运行经验形成了一套实用的风险评价方法。以广东电网调度中心为例，其风险评价体系依据典型故障集合作为源发故障，通过计算因故障后潮流转移引发的元件过载而导致的负荷损失量，最终实现风险点快速识别和风险值的有效量化。典型故障集合通常以《电力系统安全稳定导则》及企业规范为运行风险的约束条件，并基于历史事故的经验而提炼得到的。典型故障集合的完备与否直接影响风险评估结果的是否全面、有效。在这种评价体系下，为了完善典型故障集的完备性，提高风险评估的精度，对国内外电力系统的安全稳定规范进行深入分析显然具有重要的意义。

目前，已有一些文献[7-10]对中外主要的稳定标准从技术层面和管理层面进行比较详细的对比研究，但这些研究工作侧重于分析这些标准在电网规划方面的特点和改进建议，鲜有涉及到电网运行风险评估方面的内容。因此，本文立足于电网风险评估的视角，通过研究国内外主流的安全稳定技术规范，对比分析各自在风险评价方面的特点，并从中提炼有益的借鉴内容，力求进一步推动和提升电网运行风险评估工作。

1　中国安全稳定标准浅析

我国在电力运行安全方面的标准主要为《电力系统安全稳定导则》[11]。自该导则颁布以来，为电力系统的规划设计与安全稳定运行构建基本的约束框架。同时也是我国电力企业为制定更严格的企业标准的重要参考和规范性指导文件，同时也是开展电力系统风险分析和评估工作的依据，在保证电力系统安全、可靠、稳定运行中发挥着突出的作用。

《电力系统安全稳定导则》考虑电力系统中发生故障种类及故障严重程度的不同，依次划分出了三个不同的安全稳定标准等级，并明确了各标准等级所包含的各类故障，其体系如图1所示。

各等级所考虑因素、故障发生概率情况均有差异，具体如下：第一级安全稳定标准主要考虑线路、变压器、发电机等元件发生N-1故障时，该类故障发生概率较高，但对系统影响较小，因而要求系统应保持稳定运行且各项参数均不越限；第二级标准考察母线故障、同塔线路跳开等概率较低但影响严重的故障，此时要求系统通过出力和负荷的调整来确保系统的稳定；第三级标准以分析多重故障、开关拒动等容易造成系统破坏的故障为重点，采取必要的措施，以防止系统崩溃为首要任务并尽量降低负荷损失，该类故障发生的概率很低，但导致的事故后果却十分严重。

图1　电力系统三级安全稳定标准体系

2　国外安全稳定标准浅析

2.1英国安全稳定标准

英国《国家输电系统安全与供电质量标准》(National Electricity Transmission System Security and Quality of Supply Standards，简称SQSS标准)[12]结合英国电网的实际运行情况，划分了陆上(Onshore)输电系统及海上(Offshore)输电系统。从主网设计、电网运行、发电厂接入和负荷接入等方面对二者分别提出了具体的设计标准和运行准则。本文结合SQSS标准给出的陆上输电系统相关运行要求进行探讨。

在电网运行规划部分SQSS标准按运行情况细分为正常运行准则以及条件运行准则。正常运行准则为当电网处于正常运行状态下(包括计划停运及非计划停运)，系统发生输电线路、发电机、分段母线等设备的“N-1”故障或是架空双回线停运的情况时，规定负荷切除的限值，同时要求系统保持稳定运行且各设备和参数不发生过载和越限。对于单一元件故障，SQSS标准按组负荷的规模详细规定了最大负荷切除量，如表1所示。

表1　发生安全事件允许最大负荷切除量

条件运行准则考虑英国电网运行在架空双回线故障更为易频发等恶劣条件下，在系统运行以及反事故措施方面所做出的要求和规定。该准则认为架空双回线故障为较严重的安全事件，允许在不造成重大经济损失下有限度切除负荷，并规定保证电压不越限及系统不失稳。对于事故风险较高的时期，采取减少系统功率远距离传输、增加备用容量等措施，降低机网联动跳闸的风险，尽可能确保同塔双回线的安全运行。

2.2美国安全稳定标准

为保证大型电力系统在各种运行条件能够可靠运行并防范各种可能发生的事故，美国北美电力可靠性公司(NERC)制定了《输电系统规划性能准则》(Transmission System Planning Performance Requirements)。该准则与我国《电力系统安全稳定标准》相似，采用了分级的方式衡量各类事故事件的严重程度及应对措施[9]128。在即将实施的TPL-001-4准则[13]，明确输电系统规划方以及规划协调方的职能，并对电网规划的模型、安全稳定标准、规划评估等方面给出了详细的要求，采用全新的规划标准与极端事故校核标准相结合的评价方式，以取代原有的四级稳定标准。

规划标准通过定义不同初始运行场景，分析发生不同故障的可能及所造成的影响，归纳分类为八种规划事件(Planning Events)，如表2所示。其中P0级为无故障类别，其余类别故障发生时可允许因该故障所直接导致的负荷或出力的损失。此外，根据不同电压等级网络的故障，对因稳控装置等所切除负荷也做出了详细的规定。对于发生各类规划事件，要求系统能保持稳定运行，各项参数不越限，且应避免连锁孤岛事件的发生。

表2　TPL-001-4准则规划事件分级

系统除了需要满足TPL-001-4规定的P0～P7各类故障检验要求外，还需根据可能发生的极端情况进行校验。TPL-001-4的极端事故校核标准根据美国的地理环境、发电构成、网架组成以及高度信息化等特点设想了一系列对系统带来潜在威胁的极端事件(Extreme Events)。其中包括了同塔多回线路停运、重要气电厂停运、发电机冷却用水停供以及森林大火、飓风等恶劣自然灾害，还包括了网络攻击等情况。

2.3印度安全稳定标准

印度电网采用《输电规划标准指南》[14](Manual on Transmission Planning Criteria)作为电力系统规划及可靠性运行等方面的指导性要求和标准。在经历了2012年7月的两次大停电后，使得印度电网充分意识到自身电网的脆弱性，运行安全必须适应电力系统的日益发展。因此，相关当局对该指南重新修订，并引入了可再生能源接入等新要求。针对电网运行的可靠性规范中，该指南主要围绕电网运行在N-0，N-1，N-1-1等情况下提出相应的安全稳定。

N-0情况为无故障状态，系统保持正常稳定运行。N-1标准则为主网线路、变压器、双极直流的单极等设备发生单一元件故障时，系统在稳态和暂态下应满足的要求。稳态下系统保持正常稳定运行，不发生切机切负荷；暂态则要求系统需承受主网单回线路的永久性故障、直流单极故障、单台发电机停运等故障形式所带来的扰动。N-1-1标准中假定系统已发生N-1的情况下，再发生单回主网线路瞬时性或永久性故障时，通过必要的切机切负荷措施，使系统承受扰动或者过渡到新的稳定状态。

3　稳定标准体系对比研究

前述了四个主要发达国家和发展中国家在电网系统规划和安全运行方面的指导性文件。总体而言，各国的规范文件在考察电力系统的基本要求方面，一般围绕“满足N-1保持安全运行不越限”及“N-2稳定运行降低负荷损失”为目标制定相应的标准和约束。同时，结合各自电力系统的特点和具体国情，各国所制定的标准针对特定运行条件的评价要求严宽不一，各有侧重，具体对比如表3所示。

表3　英美印中四国电力系统安全标准体系对比

*主要交流一次设备包括交流母线，交流线路，交流变压器，发电机。

英国的SQSS标准对陆上输电系统的规划与运行的要求上，设想了正常工况与恶劣工况两个不同场景，考察发生故障的区域的不同而提出不同的标准。正常工况下，通常要求系统能承受N-1事故的发生，并保证系统各参数运行在额定范围内，同时根据负荷比重有条件的切除负荷。而对于主网，则要求能承受架空双回线N-2故障或分段母线故障的发生，同时保证系统各参数运行在额定范围并尽量降低负荷损失。对于架空双回线故障概率较高的恶劣工况下，要求采取必要的措施保证系统不发生过载越限并能保持稳定运行。可见，英国SQSS标准重点考察系统对N-1与N-2的承受能力，要求系统在故障情况下均维持正常的热稳定水平并保持稳定运行。

美国的TPL-001-4准则从规划事件与极端事件两方面考察系统运行的安全性和可靠性。规划事件根据系统初始条件的不同，计及了开关拒动、继保失灵等具体因素，划分为7级事故等级，结合故障所处电网的电压等级限制负荷的损失。规划事件主要校验系统发生N-1和N-2事故的情况，系统能保持稳定运行。TPL-001-4准则的极端事件属于校核标准，要求电网规划与管理方应从为系统带来重大影响的局部事故，乃至容易造成大扰动、导致电网拓扑发生较大变化的重大事故进行充分评估。这些事故涵盖了网架脆弱性、人为蓄意破坏、环境剧烈变化、设备装置缺陷等各类因素所带来的风险。

印度《输电规划标准指南》在输电系统安全稳定运行的要求方面从N-0，N-1以及N-1-1三种场景规定了相应的标准。N-1标准主要考察各电压等级线路、变压器、直流单极等单一元件退运后系统的稳态性能应保持正常的热稳定水平且不造成负荷或出力的损失；暂态性能则要求各电压等级线路单条故障、直流单极闭锁或损失重要发电机时系统仍能保持稳定运行。N-1-1标准则是在N-1标准基础上，再假想主网单条线路发生三相故障的情景，根据发生故障的性质不同，通过有效的切机切负荷措施确保系统取得新的稳定状态。

我国《安稳导则》根据电力系统事故类型及其严重程度，按等级划分了系统的安全稳定要求。重点要求考察线路、母线、变压器、发电机、直流系统等重要输电设备N-1与N-2故障下系统的稳定性，以及要求防范由于开关拒动、保护失灵、多重故障等恶劣条件所造成的系统崩溃。从表3四国标准体系的对比可以看出，我国的《安稳导则》对电力系统运行的评价标准较为严格，对于事故元件的考察基本涵盖了电力系统各类重要设备，整体上与美国的TPL-001-4准则较为一致。

4　稳定标准的风险视角评价

通过表3对四国标准的比较分析各自特点，可为我国电力系统安全稳定运行方面以及电网运行风险评估工作的开展提供有益的借鉴：

(1) 考虑系统初始运行方式

我国《安稳导则》的三级标准主要考察正常运行方式下元件故障停运对系统的影响。但电力系统的运行方式复杂多样，根据运行方式的不同，发生相同的故障也会对系统带来不同程度的影响。英美两国安全标准在计及不同的系统运行初始状态的基础上，依据N-1和N-2原则划分安全等级。值得指出的是，美国TPL-001-4准则中的规划标准将元件故障状态与开关拒动、继保失灵等情况充分组合，以此划分为7级事故等级，更贴近实际电力系统的故障情景。在开展电力系统的安全稳定或运行风险的评估工作中，充分结合系统的初始运行状态将有利于提高评估结果有效性以及评价精度。

(2) 具体量化事故指标

在我国三级安稳标准中第一级标准要求发生N-1故障后，不允许发生切机切负荷的情况。而第二级与第三级标准则要求防止系统崩溃，并尽可能减少负荷的切除量。但我国《安稳导则》对各类故障的极限切除时间以及负荷切除量的规定较为模糊，未给出具体的量化。而英国的SQSS标准明确规定了N-1事故的最大允许负荷切除量；印度的《输电规划标准手册》在考察N-1-1的稳定情况下要求结合故障后开关动作时间及故障切除时间进行分析。建立预想事故的具体量化指标，有助于统一事故的评价标准，提高评估工作的可操作性，同时也使评价结果更具说服力。

(3) 综合多角度因素进行校核

《安稳导则》对事故类型的考核涵盖了电力系统的主要一次侧设备，并在第三级标准中要求重点分析开关拒动、继保失灵等装置所造成的系统重大事故。但导致严重事故的原因较为复杂，不仅有源于系统内部的原因，也包括来自系统外部环境所带来的影响。美国的TPL-001-04准则除了规划标准外，还制定了校核标准。该校核标准主要用于考察发生极端事件下系统能否保持稳定运行。其中涉及了重要系统元件多重故障的情况，并将极端天气、人为蓄意破坏等诱因加以考虑。开展电力系统的安全性评价工作，尤其是研究系统中所存在的风险时，从多角度的因素综合考虑可更为全面、准确地识别出系统的薄弱环节和风险点，并根据诱发事故的原因还可有针对性的制定风险防控对策，对进一步促进系统运行的安全水平具有重要的意义。

5　结束语

电网安全稳定规范涵盖了常见的故障类别和运行要求。对这些规范的分析和提炼，可为电力系统的风险防控工作带来积极的意义。本文在充分研究我国《电力系统安全稳定导则》及英国、美国、印度等国家的电网稳定标准的基础上，围绕安全水平要求、事故量化方法、故障元件等方面对比分析了各国标准的主要特点。结合各国稳定标准的特点和优势，立足于电网安全稳定运行及电网运行风险分析的角度提出有益的改进意见。

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A Comparative Analysis of Risk-oriented Power System Stability Criteria

WANG Yan-wei1, QIAN Feng1, YANG Yin-guo1, CHEN Rui1, LIU Ping2, FENG Lei2, ZHU Lin2

(1. Power Dispatching Center, Guangdong Grid Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510600, China;2. College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

With respect to risk assessment for electric power systems, this paper compares the power system stability criteria between China and several major developed and developing countries. Multi-dimensional analysis and comparison of main features of their stability criteria reveals that stability criteria of electric power systems play an important supporting role in the grid risk assessment effect. Finally, this paper gives significant suggestions for improvement in the perspective of risk assessment for electric power systems.

power system; reliability; operation security; risk assessment; stability criteria

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.025

TM712

A

1000-3886(2016)02-0080-04

刘平(1990-)，男，广东佛山人，博士生;主要研究方向为电力系统风险评估、电力系统保护与控制。冯雷(1993-)，男，广东广州人，硕士生;主要研究方向为电力系统风险评估。

朱林(1979-)，男，广西柳州人，副教授，博士;主要研究方向为电力系统保护与控制。

定稿日期: 2015-09-28