大面积停电事故防御方法研究综述

尹昌洁，王啸宇，王 维，贺 庆

(全球能源互联网发展合作组织，北京 100031)

0 引言

随着我国经济高速发展，电力需求保持持续快速增长，电网区域互联格局与分层的特点清晰，包括跨大区南北通道、东西通道等。近年来，虽然未发生过大规模停电事故，但也随时面临着大面积停电的风险和挑战。

电网的远距离互联有可能导致连锁故障以及大范围停电，必须考虑外部恶劣天气与灾害、电网自身结构问题、运行条件变化、新能源逐渐接入带来的波动性增加等因素造成连锁故障的风险。因此，加强连锁故障的深化研究对于提升大面积停电防御技术、保障电网安全稳定运行具有重要意义。

1 大面积停电事故危害

1.1 大面积停电事故统计

停电事故是电力系统可能会多次重复发生的事件，没有一个电力系统能保证百分百不发生停电事故。早期的停电事故，由于系统规模小、电压等级低、覆盖范围小，没有受到足够的重视，缺乏相应的记录和分析。20世纪60年代以来，欧美发达国家电力系统已初具现代电力系统规模，其停电影响不容忽视，开始有明确的记录。

从1965年至今，世界上大面积停电事件发生过54 次。2003-08-14 美国东北部和加拿大东部夏季高温天气下，因线路触树跳闸引起连锁跳闸，损失负荷达61 800 MW，影响了多个州，负荷轮停时间最长达29 h；2019-03-07 委内瑞拉关键电力设施因受人为破坏及网络攻击，造成全国电力中断超过24 h；2021-02-15 美国德克萨斯受极端严寒天气影响导致机组非计划停运，负荷损失达到20 GW，负荷轮停时间最长达70.5 h，超过450 万居民遭遇停电，电价涨到了平时的200 多倍，事故造成的直接和间接经济损失高达上千亿美元。

1.2 事故分析

一般情况下大面积停电的起因不是简单的单一事件，系统配备有故障保护和控制设施，在一般故障下电网即使受到影响也不会导致崩溃。电力系统故障可分为单重故障与多重故障，多重故障间存在时间接续的可定义为相继故障，相继故障间如有因果关系的则可称为连锁故障[1]。大面积停电事故作为突破电力系统三道防线的极端故障灾害，多个电力元件停运存在时间连续、因果关联的关系，属于连锁故障的一种表现形式。

根据以往发生的大面积停电事故案例分析，可发现常规大面积停电事故是一系列小的故障和偶然因素综合发展的结果，由具有因果关系的一系列连锁故障逐级演变导致的，一般可分为起始、扩大和崩溃三个阶段，如图1所示。

图1 常规大面积停电事故发展阶段

(1) 事故起始阶段。由于内外因导致系统供需不平衡、设备故障或工作异常，电压、频率、功角出现扰动，但扰动程度和影响范围有限，扰动后果可控。

(2) 事故扩大阶段。由于调度处置不当或者初始扰动引发其他设备运行状况异常并跳闸，部分元件(线路、机组)过载被切除，导致事故的影响范围扩大并使系统运行状况恶化，系统处于稳定边界。该阶段局部功率不平衡，潮流开始转移，但扰动属于部分可控，如果能执行正确的处置方案，则可将事故控制在有限范围内。

(3) 事故崩溃阶段。潮流大范围转移，引发大量线路跳闸，导致振荡甚至解列，机组可能因为保护动作而跳闸，系统电压、频率崩溃，全网大面积停电。

而非常规大面积停电事故是指受外力破坏直接导致大范围停电的事故，主要包括三类。

(1) 严重自然灾害(地震、海啸)，不仅导致大面积停电，还造成人员伤亡。

(2) 直接造成电力设施大范围破坏，例如1991年海湾战争中使用石墨炸弹对伊拉克电网进行的重点打击。

(3) 网络攻击操控电力系统，造成停电事故。

2 大面积停电研究理论

2.1 常用理论分析模型

研究大面积停电事故理论模型有很多，在方法论上主要可分为两大类，即宏观系统论和还原论。

(1) 宏观系统论。主要从整体特性分析电力系统安全性，研究模型主要基于复杂网络理论及自组织临界理论。

(2) 还原论。注重还原停电物理过程，研究模型主要基于模式搜索理论[2]。总的来说，随着我国电力系统层级结构越来越复杂、电力设备越来越智能，对大面积停电事故的研究与防御难度也越来越高，工作大体上可主要概括为三个部分，即广域的信息采集、电力系统大面积停电事故的风险评估以及应对事故的控制防御。

信息采集包括自然灾害信息、输电线路和元器件设计信息、输电线路和元器件地理环境信息、电力系统运行信息等，通过模型对采集的信息进行仿真分析，评估电力系统风险及设备故障概率等，从而采取控制预防、应急处置、紧急恢复等相关措施以防止发生大面积停电事故或减少大面积停电事故对系统所造成的影响或损失。

从仿真角度来看，对大面积停电事故防御的研究模型主要基于模式搜索理论，包括基于直流潮流或交流潮流的稳态模型、基于稳定计算的暂态模型以及两者交替计算的混合模型。其中，基于交流潮流的稳态模型兼顾了计算速度和准确度，在事故分析防御中引用得较多。

2.2 阶段侧重防御理论

本研究侧重从大面积停电事故防御的不同阶段进行分类分析。

2.2.1 提高设计标准

在规划阶段提高电力系统线路“生命线工程”的设计标准。在初始设定状态下提高规划设计标准是避免大面积停电事故较为直接的一种防御操作，但全面提高设计标准会导致造价成本过高。一些研究提出差异化的设计方法以提高线路设计经济性，但无法完全避免线路设备可能出现的故障。

2.2.2 预防控制降低初始故障概率

事先对电力系统采取预想的控制，称之为预防控制。随着电网规模的扩大，相继故障和连锁故障的发生概率急剧增加。一些研究主要通过在线分析故障组合问题，并根据相关故障情况动态生成预想故障集，在大面积停电事故发生前进行预防处理，从而降低初始故障概率；另一种研究角度则是通过释放压力远离系统临界态，模拟系统自组织临界特性，分析系统高风险运行的出现概率，并采取控制措施阻断故障传递来避免大面积停电事故的发生。

2.2.3 应急处置切断故障传播

当预防控制不能将所有故障限制在可控范围内，或系统出现严重故障需采取应急处置措施时，要及时有效地切机、切负荷、切断故障传播。一些研究基于大电网在线分布式计算的多智能体控制法，控制广域协同系统，提供切机、切负荷的最优配置方案，使系统损失达到最小化；另一种研究角度则是将合作博弈思想应用于故障控制，提前预设攻防两方对弈防御模型，模拟评估电网线路的脆弱性，并予以及时干预以达到大面积停电防御效果[3]。

2.2.4 黑启动恢复供电

当采取控制措施不能维持系统稳定导致局部停电事故时，可通过区域内黑启动电源快速恢复电网供电，降低电网压力，避免大面积停电事故发生。采用的方法包括对停电区域进行划分，并开展区域恢复优化、负荷恢复优化等[4]。

3 大面积停电防御的方法分析

3.1 弹性电网

弹性系统概念1973年由加拿大生态学家C.S.Holling 提出[5]，首次引入电力系统是2009年美国能源部发布的《智能电网报告》，2010年美国国土安全部发布的《能源领域专项计划》将弹性概念纳入其中，明确了建立弹性电网的目标。

国内外学术界和产业界分别从多个角度对弹性电网开展了相关研究，文献[6]对现有电力系统弹性定义进行了归纳和整理，认为弹性电网具有3 个主要特征。

(1) 遭遇扰动事件之前有能力做出相应的准备与预防。

(2) 扰动过程中有能力抵御及适应。

(3) 扰动后有能力快速恢复到期望的状态。

英国工程与物理研究委员会开展了英国弹性电网研究项目(RESNET)，旨在提高英国电网恢复力，应对气候变化。美国多个能源电力公司开展了极端天气下电力系统的停电响应能力研究，并且在2014年成功抵御了多个大型风暴对能源电力基础设施的危害。日本在仙台建立微网示范工程，利用微网实现了9.0 级强震后的快速恢复供电。常见的四类评估电网弹性水平的定量指标见表1。

表1 电力系统弹性评估的定量弹性指标

3.2 动态可靠性评估

在常规的电力系统可靠性评估理论中，元件的故障率等可靠性参数取恒定值(基于长期数据统计的均值)，未考虑不同元件之间健康状况差异及外部环境、运行条件对元件停运概率的影响，无法进一步评估电网实时运行状态下的短期可靠性。

目前，元件运行可靠性建模方面的研究虽然考虑了一些运行条件，如线路电流、母线电压对元件停运概率的影响，但仍然存在以下问题。

(1) 传统元件可靠性模型考虑的外部环境和系统方面因素不够全面。

(2) 元件时间相依的和运行条件相依的模型缺乏有机统一。

(3) 时间相依的老化模型是个长时间尺度，而外部环境和系统运行条件变化很快。

元件分为可修复元件和不可修复两大类，其组成的系统也可分为可修复系统和不可修复系统，电力系统必然满足可修复系统的要求。

影响设备停运的因素有设备自身条件、外部天气、电网运行方式等，大量研究提出了电力系统设备在单一因素影响下的停运概率模型。文献[7]采用模糊推理系统理论及基于证据理论的多因素融合方法完成了多因素影响的停运概率建模，并应用到电力系统风险评估、故障路径预测等领域。

3.3 应对停电的博弈论

博弈论主要研究多个决策主体之间存在利益关联或冲突的情况下，如何在决策过程中，根据自身能力大小和掌握的有限信息，做出最佳判断的理论。博弈论源于经济学，在电力系统规划、调度、控制等方面得到相继应用。随着众多新型电力系统的构建，如何保障电力系统安全稳定运行一直是极具挑战的课题。

在处理电力系统防御策略的研究中，基于博弈论的分析方法逐渐被接受。雷击、台风等自然因素以及人为蓄意破坏将导致电力系统物理或通信元件故障，其故障将影响区域电网其他元件，进而诱发系统连锁故障导致大面积停电。电网在大扰动过程中，调度采取及时正确的措施将事故控制住并切除故障，消除全网的停电风险则是正确的博弈过程。

文献[8]以断路器故障造成支路退运作为触发连锁故障的初始条件，利用Q-learning 强化学习寻求支路相继退运与调度控制双方多阶段动态博弈的纳什均衡，获得最优连锁故障相继跳闸序列，最终获得电网最优在线防御策略。文献[9]以线路故障作为触发连锁故障的初始条件，提出故障方的有限理性假设和故障方的关联性假设，提出一种考虑人为参与作用的多阶段动态博弈模型，验证人为作用对于防御的有效性。

文献[10]探究了连锁反应故障的演化规律与一般特征，以线路故障作为触发连锁故障的初始条件，提出故障方的完全理性假设，结合博弈论提出了连锁故障对弈模型。文献[11]以变压器退运作为触发连锁故障的初始条件，建立了基于序贯博弈的变压器柔性保护策略。

文献[12]提出一种电网设备和信息网络同时遭受攻击的场景，提出了电网攻防一体的动态博弈规划模型。文献[13]针对线路—线路与信息节点协同攻击，建立了两阶段多目标模型。文献[14]提出了网络攻击定量评估方法及防御手段最优分配策略。文献[15]分析了电力虚假数据注入攻击的可行性，并针对攻击方和防御方的多阶段动态交互过程，提出了一种基于博弈论的多个阶段动态防御方法。

4 结论与建议

连锁故障导致的大面积停电事故并不是某一单一原因引起的，而是牵涉电力系统规划和运行的方方面面。电力系统作为一个元件数量巨大、网络结构复杂、分布松散而有序的系统，任何扰动下如果没有及时正确的应对，都有可能导致停电事故的迅速扩散。为此，提出应对大面积停电的建议如下。

(1) 构建坚强合理的网架结构和网架拓扑是抵御连锁故障的首要条件。我国能源资源与能源消费逆向分布的基本国情，客观上决定了必须进行能源大范围优化配置，建设输电距离远且容量大的直流电网，并匹配强大的交流电网予以支撑。

(2) 坚持统一高效的调度制度及“安全第一，预防为主”原则，编制规范的事故处理预案，提高调度机构和调度员的应急处置能力；应强化应急演练工作，建立常态化支撑机制，确保电网故障或事故得到迅速正确处理，防止大面积停电事故的发生。

(3) 建立可靠的安全稳定防御体系。应继续加强电网“三道防线”建设，以及继电保护、安全稳定自动装置的管理；重视保护等二次系统装置的自检和在线监测、保护装置和安自装置整定值的实时校验；针对重要的联络线，要考虑过负荷保护在特定情况下的整定值问题，防止出现过负荷情况下的连锁跳闸；强化新能源、直流控保与系统控制之间的协调；采用先进的电网控制技术，完善信息通信系统，明确电网和设备存在的问题和薄弱环节，健全全国互联电网安全稳定运行的战略防御体系，达到有效的防御或抵御事故冲击的目的。

(4) 坚持更严格的电网安全稳定分析和运行标准，监控电网在线数据，合理安排运行方式；适当提高输电工程的建设标准以加强电网在极端条件下的抵抗能力。

(5) 加强防御电网连锁故障的跨专业联合攻关。电网连锁故障的发生发展受电网内外部因素共同影响，包括潮流、电压、频率、环境、温度、设备运行状态及人为因素，综合考虑电力系统在线稳定分析、电力气象预测、自然灾害预警、电力设备在线监测、继电保护隐性故障检测、重要输电通道环境管控等数据，跨专业联合预防和抵御因连锁故障诱发的大面积停电事故。