尹昌潔，王嘯宇，王 維，賀 慶

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，電力需求保持持續(xù)快速增長，電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)格局與分層的特點清晰，包括跨大區(qū)南北通道、東西通道等。近年來，雖然未發(fā)生過大規(guī)模停電事故，但也隨時面臨著大面積停電的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。

電網(wǎng)的遠距離互聯(lián)有可能導(dǎo)致連鎖故障以及大范圍停電，必須考慮外部惡劣天氣與災(zāi)害、電網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)問題、運行條件變化、新能源逐漸接入帶來的波動性增加等因素造成連鎖故障的風(fēng)險。因此，加強連鎖故障的深化研究對于提升大面積停電防御技術(shù)、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 大面積停電事故危害

1.1 大面積停電事故統(tǒng)計

停電事故是電力系統(tǒng)可能會多次重復(fù)發(fā)生的事件，沒有一個電力系統(tǒng)能保證百分百不發(fā)生停電事故。早期的停電事故，由于系統(tǒng)規(guī)模小、電壓等級低、覆蓋范圍小，沒有受到足夠的重視，缺乏相應(yīng)的記錄和分析。20世紀60年代以來，歐美發(fā)達國家電力系統(tǒng)已初具現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模，其停電影響不容忽視，開始有明確的記錄。

從1965年至今，世界上大面積停電事件發(fā)生過54 次。2003-08-14 美國東北部和加拿大東部夏季高溫天氣下，因線路觸樹跳閘引起連鎖跳閘，損失負荷達61 800 MW，影響了多個州，負荷輪停時間最長達29 h；2019-03-07 委內(nèi)瑞拉關(guān)鍵電力設(shè)施因受人為破壞及網(wǎng)絡(luò)攻擊，造成全國電力中斷超過24 h；2021-02-15 美國德克薩斯受極端嚴寒天氣影響導(dǎo)致機組非計劃停運，負荷損失達到20 GW，負荷輪停時間最長達70.5 h，超過450 萬居民遭遇停電，電價漲到了平時的200 多倍，事故造成的直接和間接經(jīng)濟損失高達上千億美元。

1.2 事故分析

一般情況下大面積停電的起因不是簡單的單一事件，系統(tǒng)配備有故障保護和控制設(shè)施，在一般故障下電網(wǎng)即使受到影響也不會導(dǎo)致崩潰。電力系統(tǒng)故障可分為單重故障與多重故障，多重故障間存在時間接續(xù)的可定義為相繼故障，相繼故障間如有因果關(guān)系的則可稱為連鎖故障[1]。大面積停電事故作為突破電力系統(tǒng)三道防線的極端故障災(zāi)害，多個電力元件停運存在時間連續(xù)、因果關(guān)聯(lián)的關(guān)系，屬于連鎖故障的一種表現(xiàn)形式。

根據(jù)以往發(fā)生的大面積停電事故案例分析，可發(fā)現(xiàn)常規(guī)大面積停電事故是一系列小的故障和偶然因素綜合發(fā)展的結(jié)果，由具有因果關(guān)系的一系列連鎖故障逐級演變導(dǎo)致的，一般可分為起始、擴大和崩潰三個階段，如圖1所示。

圖1 常規(guī)大面積停電事故發(fā)展階段

(1) 事故起始階段。由于內(nèi)外因?qū)е孪到y(tǒng)供需不平衡、設(shè)備故障或工作異常，電壓、頻率、功角出現(xiàn)擾動，但擾動程度和影響范圍有限，擾動后果可控。

(2) 事故擴大階段。由于調(diào)度處置不當或者初始擾動引發(fā)其他設(shè)備運行狀況異常并跳閘，部分元件(線路、機組)過載被切除，導(dǎo)致事故的影響范圍擴大并使系統(tǒng)運行狀況惡化，系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界。該階段局部功率不平衡，潮流開始轉(zhuǎn)移，但擾動屬于部分可控，如果能執(zhí)行正確的處置方案，則可將事故控制在有限范圍內(nèi)。

(3) 事故崩潰階段。潮流大范圍轉(zhuǎn)移，引發(fā)大量線路跳閘，導(dǎo)致振蕩甚至解列，機組可能因為保護動作而跳閘，系統(tǒng)電壓、頻率崩潰，全網(wǎng)大面積停電。

而非常規(guī)大面積停電事故是指受外力破壞直接導(dǎo)致大范圍停電的事故，主要包括三類。

(1) 嚴重自然災(zāi)害(地震、海嘯)，不僅導(dǎo)致大面積停電，還造成人員傷亡。

(2) 直接造成電力設(shè)施大范圍破壞，例如1991年海灣戰(zhàn)爭中使用石墨炸彈對伊拉克電網(wǎng)進行的重點打擊。

(3) 網(wǎng)絡(luò)攻擊操控電力系統(tǒng)，造成停電事故。

2 大面積停電研究理論

2.1 常用理論分析模型

研究大面積停電事故理論模型有很多，在方法論上主要可分為兩大類，即宏觀系統(tǒng)論和還原論。

(1) 宏觀系統(tǒng)論。主要從整體特性分析電力系統(tǒng)安全性，研究模型主要基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及自組織臨界理論。

(2) 還原論。注重還原停電物理過程，研究模型主要基于模式搜索理論[2]?？偟膩碚f，隨著我國電力系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、電力設(shè)備越來越智能，對大面積停電事故的研究與防御難度也越來越高，工作大體上可主要概括為三個部分，即廣域的信息采集、電力系統(tǒng)大面積停電事故的風(fēng)險評估以及應(yīng)對事故的控制防御。

信息采集包括自然災(zāi)害信息、輸電線路和元器件設(shè)計信息、輸電線路和元器件地理環(huán)境信息、電力系統(tǒng)運行信息等，通過模型對采集的信息進行仿真分析，評估電力系統(tǒng)風(fēng)險及設(shè)備故障概率等，從而采取控制預(yù)防、應(yīng)急處置、緊急恢復(fù)等相關(guān)措施以防止發(fā)生大面積停電事故或減少大面積停電事故對系統(tǒng)所造成的影響或損失。

從仿真角度來看，對大面積停電事故防御的研究模型主要基于模式搜索理論，包括基于直流潮流或交流潮流的穩(wěn)態(tài)模型、基于穩(wěn)定計算的暫態(tài)模型以及兩者交替計算的混合模型。其中，基于交流潮流的穩(wěn)態(tài)模型兼顧了計算速度和準確度，在事故分析防御中引用得較多。

2.2 階段側(cè)重防御理論

本研究側(cè)重從大面積停電事故防御的不同階段進行分類分析。

2.2.1 提高設(shè)計標準

在規(guī)劃階段提高電力系統(tǒng)線路“生命線工程”的設(shè)計標準。在初始設(shè)定狀態(tài)下提高規(guī)劃設(shè)計標準是避免大面積停電事故較為直接的一種防御操作，但全面提高設(shè)計標準會導(dǎo)致造價成本過高。一些研究提出差異化的設(shè)計方法以提高線路設(shè)計經(jīng)濟性，但無法完全避免線路設(shè)備可能出現(xiàn)的故障。

2.2.2 預(yù)防控制降低初始故障概率

事先對電力系統(tǒng)采取預(yù)想的控制，稱之為預(yù)防控制。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大，相繼故障和連鎖故障的發(fā)生概率急劇增加。一些研究主要通過在線分析故障組合問題，并根據(jù)相關(guān)故障情況動態(tài)生成預(yù)想故障集，在大面積停電事故發(fā)生前進行預(yù)防處理，從而降低初始故障概率；另一種研究角度則是通過釋放壓力遠離系統(tǒng)臨界態(tài)，模擬系統(tǒng)自組織臨界特性，分析系統(tǒng)高風(fēng)險運行的出現(xiàn)概率，并采取控制措施阻斷故障傳遞來避免大面積停電事故的發(fā)生。

2.2.3 應(yīng)急處置切斷故障傳播

當預(yù)防控制不能將所有故障限制在可控范圍內(nèi)，或系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障需采取應(yīng)急處置措施時，要及時有效地切機、切負荷、切斷故障傳播。一些研究基于大電網(wǎng)在線分布式計算的多智能體控制法，控制廣域協(xié)同系統(tǒng)，提供切機、切負荷的最優(yōu)配置方案，使系統(tǒng)損失達到最小化；另一種研究角度則是將合作博弈思想應(yīng)用于故障控制，提前預(yù)設(shè)攻防兩方對弈防御模型，模擬評估電網(wǎng)線路的脆弱性，并予以及時干預(yù)以達到大面積停電防御效果[3]。

2.2.4 黑啟動恢復(fù)供電

當采取控制措施不能維持系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)致局部停電事故時，可通過區(qū)域內(nèi)黑啟動電源快速恢復(fù)電網(wǎng)供電，降低電網(wǎng)壓力，避免大面積停電事故發(fā)生。采用的方法包括對停電區(qū)域進行劃分，并開展區(qū)域恢復(fù)優(yōu)化、負荷恢復(fù)優(yōu)化等[4]。

3 大面積停電防御的方法分析

3.1 彈性電網(wǎng)

彈性系統(tǒng)概念1973年由加拿大生態(tài)學(xué)家C.S.Holling 提出[5]，首次引入電力系統(tǒng)是2009年美國能源部發(fā)布的《智能電網(wǎng)報告》，2010年美國國土安全部發(fā)布的《能源領(lǐng)域?qū)ｍ椨媱潯穼椥愿拍罴{入其中，明確了建立彈性電網(wǎng)的目標。

國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界分別從多個角度對彈性電網(wǎng)開展了相關(guān)研究，文獻[6]對現(xiàn)有電力系統(tǒng)彈性定義進行了歸納和整理，認為彈性電網(wǎng)具有3 個主要特征。

(1) 遭遇擾動事件之前有能力做出相應(yīng)的準備與預(yù)防。

(2) 擾動過程中有能力抵御及適應(yīng)。

(3) 擾動后有能力快速恢復(fù)到期望的狀態(tài)。

英國工程與物理研究委員會開展了英國彈性電網(wǎng)研究項目(RESNET)，旨在提高英國電網(wǎng)恢復(fù)力，應(yīng)對氣候變化。美國多個能源電力公司開展了極端天氣下電力系統(tǒng)的停電響應(yīng)能力研究，并且在2014年成功抵御了多個大型風(fēng)暴對能源電力基礎(chǔ)設(shè)施的危害。日本在仙臺建立微網(wǎng)示范工程，利用微網(wǎng)實現(xiàn)了9.0 級強震后的快速恢復(fù)供電。常見的四類評估電網(wǎng)彈性水平的定量指標見表1。

表1 電力系統(tǒng)彈性評估的定量彈性指標

3.2 動態(tài)可靠性評估

在常規(guī)的電力系統(tǒng)可靠性評估理論中，元件的故障率等可靠性參數(shù)取恒定值(基于長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計的均值)，未考慮不同元件之間健康狀況差異及外部環(huán)境、運行條件對元件停運概率的影響，無法進一步評估電網(wǎng)實時運行狀態(tài)下的短期可靠性。

目前，元件運行可靠性建模方面的研究雖然考慮了一些運行條件，如線路電流、母線電壓對元件停運概率的影響，但仍然存在以下問題。

(1) 傳統(tǒng)元件可靠性模型考慮的外部環(huán)境和系統(tǒng)方面因素不夠全面。

(2) 元件時間相依的和運行條件相依的模型缺乏有機統(tǒng)一。

(3) 時間相依的老化模型是個長時間尺度，而外部環(huán)境和系統(tǒng)運行條件變化很快。

元件分為可修復(fù)元件和不可修復(fù)兩大類，其組成的系統(tǒng)也可分為可修復(fù)系統(tǒng)和不可修復(fù)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)必然滿足可修復(fù)系統(tǒng)的要求。

影響設(shè)備停運的因素有設(shè)備自身條件、外部天氣、電網(wǎng)運行方式等，大量研究提出了電力系統(tǒng)設(shè)備在單一因素影響下的停運概率模型。文獻[7]采用模糊推理系統(tǒng)理論及基于證據(jù)理論的多因素融合方法完成了多因素影響的停運概率建模，并應(yīng)用到電力系統(tǒng)風(fēng)險評估、故障路徑預(yù)測等領(lǐng)域。

3.3 應(yīng)對停電的博弈論

博弈論主要研究多個決策主體之間存在利益關(guān)聯(lián)或沖突的情況下，如何在決策過程中，根據(jù)自身能力大小和掌握的有限信息，做出最佳判斷的理論。博弈論源于經(jīng)濟學(xué)，在電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面得到相繼應(yīng)用。隨著眾多新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，如何保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行一直是極具挑戰(zhàn)的課題。

在處理電力系統(tǒng)防御策略的研究中，基于博弈論的分析方法逐漸被接受。雷擊、臺風(fēng)等自然因素以及人為蓄意破壞將導(dǎo)致電力系統(tǒng)物理或通信元件故障，其故障將影響區(qū)域電網(wǎng)其他元件，進而誘發(fā)系統(tǒng)連鎖故障導(dǎo)致大面積停電。電網(wǎng)在大擾動過程中，調(diào)度采取及時正確的措施將事故控制住并切除故障，消除全網(wǎng)的停電風(fēng)險則是正確的博弈過程。

文獻[8]以斷路器故障造成支路退運作為觸發(fā)連鎖故障的初始條件，利用Q-learning 強化學(xué)習(xí)尋求支路相繼退運與調(diào)度控制雙方多階段動態(tài)博弈的納什均衡，獲得最優(yōu)連鎖故障相繼跳閘序列，最終獲得電網(wǎng)最優(yōu)在線防御策略。文獻[9]以線路故障作為觸發(fā)連鎖故障的初始條件，提出故障方的有限理性假設(shè)和故障方的關(guān)聯(lián)性假設(shè)，提出一種考慮人為參與作用的多階段動態(tài)博弈模型，驗證人為作用對于防御的有效性。

文獻[10]探究了連鎖反應(yīng)故障的演化規(guī)律與一般特征，以線路故障作為觸發(fā)連鎖故障的初始條件，提出故障方的完全理性假設(shè)，結(jié)合博弈論提出了連鎖故障對弈模型。文獻[11]以變壓器退運作為觸發(fā)連鎖故障的初始條件，建立了基于序貫博弈的變壓器柔性保護策略。

文獻[12]提出一種電網(wǎng)設(shè)備和信息網(wǎng)絡(luò)同時遭受攻擊的場景，提出了電網(wǎng)攻防一體的動態(tài)博弈規(guī)劃模型。文獻[13]針對線路—線路與信息節(jié)點協(xié)同攻擊，建立了兩階段多目標模型。文獻[14]提出了網(wǎng)絡(luò)攻擊定量評估方法及防御手段最優(yōu)分配策略。文獻[15]分析了電力虛假數(shù)據(jù)注入攻擊的可行性，并針對攻擊方和防御方的多階段動態(tài)交互過程，提出了一種基于博弈論的多個階段動態(tài)防御方法。

4 結(jié)論與建議

連鎖故障導(dǎo)致的大面積停電事故并不是某一單一原因引起的，而是牽涉電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行的方方面面。電力系統(tǒng)作為一個元件數(shù)量巨大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布松散而有序的系統(tǒng)，任何擾動下如果沒有及時正確的應(yīng)對，都有可能導(dǎo)致停電事故的迅速擴散。為此，提出應(yīng)對大面積停電的建議如下。

(1) 構(gòu)建堅強合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架拓撲是抵御連鎖故障的首要條件。我國能源資源與能源消費逆向分布的基本國情，客觀上決定了必須進行能源大范圍優(yōu)化配置，建設(shè)輸電距離遠且容量大的直流電網(wǎng)，并匹配強大的交流電網(wǎng)予以支撐。

(2) 堅持統(tǒng)一高效的調(diào)度制度及“安全第一，預(yù)防為主”原則，編制規(guī)范的事故處理預(yù)案，提高調(diào)度機構(gòu)和調(diào)度員的應(yīng)急處置能力；應(yīng)強化應(yīng)急演練工作，建立常態(tài)化支撐機制，確保電網(wǎng)故障或事故得到迅速正確處理，防止大面積停電事故的發(fā)生。

(3) 建立可靠的安全穩(wěn)定防御體系。應(yīng)繼續(xù)加強電網(wǎng)“三道防線”建設(shè)，以及繼電保護、安全穩(wěn)定自動裝置的管理；重視保護等二次系統(tǒng)裝置的自檢和在線監(jiān)測、保護裝置和安自裝置整定值的實時校驗；針對重要的聯(lián)絡(luò)線，要考慮過負荷保護在特定情況下的整定值問題，防止出現(xiàn)過負荷情況下的連鎖跳閘；強化新能源、直流控保與系統(tǒng)控制之間的協(xié)調(diào)；采用先進的電網(wǎng)控制技術(shù)，完善信息通信系統(tǒng)，明確電網(wǎng)和設(shè)備存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，健全全國互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的戰(zhàn)略防御體系，達到有效的防御或抵御事故沖擊的目的。

(4) 堅持更嚴格的電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析和運行標準，監(jiān)控電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)，合理安排運行方式；適當提高輸電工程的建設(shè)標準以加強電網(wǎng)在極端條件下的抵抗能力。

(5) 加強防御電網(wǎng)連鎖故障的跨專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)。電網(wǎng)連鎖故障的發(fā)生發(fā)展受電網(wǎng)內(nèi)外部因素共同影響，包括潮流、電壓、頻率、環(huán)境、溫度、設(shè)備運行狀態(tài)及人為因素，綜合考慮電力系統(tǒng)在線穩(wěn)定分析、電力氣象預(yù)測、自然災(zāi)害預(yù)警、電力設(shè)備在線監(jiān)測、繼電保護隱性故障檢測、重要輸電通道環(huán)境管控等數(shù)據(jù)，跨專業(yè)聯(lián)合預(yù)防和抵御因連鎖故障誘發(fā)的大面積停電事故。