应对灾变的电力安全风险评估框架及其应用

侯 慧,张勇传,周建中,尹项根,游大海,陈庆前,,童光毅

（1.华中科技大学水电与数字化工程学院，武汉市，430074；2,华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市，430074；3.国家电力监管委员会南方监管局，广州市，510180)

0 引言

电力安全问题是一个关系到社会稳定和经济发展的世界共性问题，历来受到各国政府及相关电力企业的高度关注。电力系统一旦遭到各种灾变（包括稳定破坏、自然灾害及人为破坏等）的冲击，将可能引发大面积停电或电网解列，给国民经济、人民生活甚至国家安全带来严重损害。为提高电力系统的可靠性，评估和监管整个电力系统及其内部结构和设备潜在的危险，研究应对灾变的电力系统安全风险评估体系并制定防范对策，具有重要的理论意义和工程实用价值。

长期以来，电力系统在传统的稳定分析及技术对策方面已做了大量的研究，同时还引入了概率分析模型和方法作为系统安全保障问题的补充。然而，全球近年来连续发生的各种灾变导致的电力系统事故表明，以往的系统安全分析手段仅停留在技术层面上是不够的。除了继续完善现有各种分析方法外，还必须从实用化的角度建立更为完备的电力安全风险评估体系，建立政府、电力企业与用户端共同参与的风险评估机制，并将该机制置于相应的政策约束之下。

本文在建立这种实用化的政企合作应对灾变的电力安全风险评估体系方面展开了较为系统的研究，建立了新的电力系统安全风险评估框架，该框架由传统的稳定分析、可靠性概率分析以及系统在结构、技术、设备及管理等方面的风险分析等几个方面共同构成；然后，以广东省电力系统为例，结合广东省电力系统的实际特点，建立了广东省电力系统安全风险评估总体框架，目前已在广东省电力系统得到初步应用，证明了该体系框架的科学性和实用性。

1 现有电力系统安全风险评估体系的缺陷

在全世界的电力系统可靠性评估体系中，现在公认的N-X准则（即单元件故障准则，有的电力系统会根据需要校验到N-2、N-3或者更多）是普遍有效的。这也是最典型的确定性安全风险评估准则之一。

从20世纪90年代后期开始，国际大电网协会（CIGRE）、国际电工委员会（IEC）、北美电力可靠性协会（NERC）、美国西部协调委员会（WSCC）以及IEEE等国际电力组织都对电力系统可靠性及风险评估制订了相关标准或规范[1-7]，如表1所示，这些规范均给出了概率风险度的定义。我国也于2004年由国家发改委颁布了DL/T 861—2004《电力可靠性基本名词术语》[8]。由于这些规范所针对的电力系统环境、运行、市场等条件均不尽相同，各国电力系统的情况也相差很大，因而并未能形成国际上通用的电力系统可靠性及风险评估的体系。

现有的确定性评估准则及可靠性概率评估体系存在如下缺陷：

表1 国际电力组织几种主要电力系统可靠性评估准则Tab.1 Main power system reliability assessment standard developed by different international power organizations

（1）传统的确定性评估准则作为风险评估依据已显不够。

以确定性评估准则为依据的大电网传统规划和运行控制模型与方法，通常只重视最严重、最可信的事故，因而分析结果趋于保守[9]；现阶段电力系统的可靠性不仅仅需要依赖于这些传统的确定性评估准则（如单元件故障准则）来进行规划、运行、维护和资产管理等工作，更需要考虑大电网事故的随机性质，计及各种不确定性灾变事件带来的影响，在现有的评估准则和方法的基础上使用一些新的思路与方法来补充、改进和完善现有的评估方法。

（2）研究理论应用于工程实际存在瓶颈。

尽管学术界和工程界已经认识到确定性评估准则需要概率性模型和方法作补充，也已经在电力系统可靠性概率模型和应用研究领域开展了一些工作，但是由于电力系统随机行为的复杂性，使得这一领域的研究进展在工程实际应用方面仍然十分局限，理论与实际应用之间存在一段空白。

国际上没有统一的风险评估框架标准来作为行业规范，也使得系统的工程人员面临各种困境。一些研究领域的具体方法在工程实际应用中遇到了瓶颈，如何利用这些研究方法来建立真正实用化的电力系统风险评估体系是现阶段国际上未能解决的问题之一。

（3）现阶段使用的一些可靠性指标过于抽象。

对以上几种主要评估准则中的评估指标进行调研可知，对风险的评价主要还是集中在对负荷切除量、停电持续时间等电气量的期望值表示，对停电损失费用等考虑经济性因素在内的风险评估指标却考虑较少。事实上，IEEE及IEC推荐的这些可靠性指标并未得到广泛采用，究其原因可能是这些指标比较抽象，可能掩盖一些人们关心的实质问题，如损失电量带来的经济损失到底有多大，由于各地区、各不同负荷受国家政策调整、社会经济发展水平及环境变化等不平衡因素的影响，不可能仅仅通过损失电量来判断用户单位缺电量下缺电损失的实际情况。

（4）政府监管的缺失。

由电力学术界和工程界自发组织的安全风险评估固然起着极大的作用，产生了经典的单元件故障准则和概率评估等作为安全风险评估的理论基础。但对于维护电网安全稳定这样一个极其复杂的系统工程来说，没有引入政府部门的监管和用户端的参与，仅仅依靠电力企业自身来防范大面积停电的风险，还存在不足。美国等世界发达国家已经意识到这个问题，早在2002年即由美国国家能源部颁布了《电力系统脆弱性评估》[10]，使得电力系统安全风险评估成为全行业共同参与的评估模式，可供世界其他国家进行电力系统安全风险评估借鉴和参考。

综上所述，在新的形势下，电力系统急待解决的首要问题是如何将电力系统的安全风险评估体系及框架提升到政府监管下全行业实用化的阶段。本文在调研了大量国内外可靠性风险评估准则、行业标准、各种电力系统安全防护报告、电力安全报告以及各种稳定评价相关资料的基础上，对制订一套可适用于工程实际的政府与企业共同参与的电力系统安全风险评估框架及指标体系进行了有益的探索。

2 应对灾变的电力安全风险评估新体系

2.1 体系框架

本文建立的政府与电力企业合作应对灾变的电力安全风险评估新体系构成如图1[11]所示。

（1）新评估体系与传统评估体系的差异。

本文提出的电力安全风险评估新体系从政府主导的角度出发，与传统的电力企业自发为保障电网安全稳定运行而进行的风险评估与稳定分析的出发点不同：传统的企业自主进行的风险评估较注重保证大电网的完整性与稳定性；而政府主导的安全风险评估则并不重视系统本身是否解列或仍保持大电网稳定的问题，而更加关心大停电导致的事故后果，即停电导致的负荷损失，以及这一损失对人民生产、生活的影响。

这一根本理念的不同，必然导致新的评估体系必须采用一些新的方法、新的评估框架及手段来对电力系统安全风险进行更为完善的评估。新的评估框架不仅仅把工作集中在因稳定破坏引起的电网连锁故障等传统考虑较多的电网故障模式，同时还考虑了各种灾变，包括自然灾害及人为破坏，引起的电力系统大面积停电风险的影响。

在新的评估体系中，不仅需要电力企业本身的参与，还需要政府监管部门及用户端的共同参与，使得电力系统风险评估与预防变为一个全民共同参与的切实可行的行动计划，这样才能使得电力系统的风险降至最低，并且具有工程实用性。

（2）政企合作下的电力安全风险评估新框架。

现阶段电力系统存在的重要缺陷之一是：即使传统的稳定计算全部满足要求，仍然可能会有大面积停电事故等稳定破坏事件的发生。而且现阶段电力系统的稳定一旦遭到破坏，仅依靠传统的三道防线或电力企业的继电保护部门与运行方式部门的临时调整进行配合，已明显不足以应对。虽然这在一定条件下能缓解电力系统稳定破坏的引起的大面积停电风险，并在多年的研究和实践中取得了一定成效，但依靠二次系统来解决一次系统存在的缺陷和问题并非是解决系统大面积停电风险的根本途径，特别是在应对各种自然灾害、人为破坏等导致的系统大面积停电问题上。因此，在现阶段新的历史背景下，必须引入新的电力系统安全风险评估体系来解决这一重大难题。

新的风险评估体系以社会福利最大化为准则，因为政府并不真正关心电力系统的具体技术细节问题，如某种故障情况下电网是否会崩溃，而是更多地关心由这些问题带来的严重后果。例如，电网崩溃后，将导致的负荷损失量及负荷类型等；或者电网保持完整并未崩溃情况下，局部将削减负荷量及负荷类型等。在过去，这些数据对于政府来说都是不透明的，由电力企业内部掌控，但在新的风险评估要求下，这些数据对于政府来说至关重要，必须透明。新的风险评估框架的具体条款即要解决这类问题。

2.2 分析方法与评估内容

本文提出的应对灾变的电力安全风险评估将综合运用传统的稳定分析计算、可靠性概率分析以及对系统的脆弱性分析这3种手段，构成整个系统的安全风险评估体系，该体系中各部分的分析方法与评估内容如图2[11]所示。

由图2可知，全面的电力系统应对灾变的安全风险评估应包含3个维度的内容：（1）第1个维度为传统的电力系统稳定分析计算、热稳定计算、潮流计算等确定性准则下的评估；（2）第2个维度为概率性的风险评估，利用概率风险指标来表征系统安全度水平的概率值及其风险的严重程度；（3）第3个维度为系统脆弱性风险分析，涉及到电力系统风险评估实用化的各个方面，包括电力系统的结构、技术、设备及管理等。因为电力系统不仅仅需要数学表达式来表征系统所处的状态、概率值等，更需要对各个方面进行具体而全面的把握，使得系统人员及政府监管部门能够真正了解到某一方面是否存在隐患或问题，以及问题的根源，改善这些问题的方法，这些都是电力系统进行风险评估的初衷之一，也是政府主导与企业自主的安全风险评估框架所必须包含的内容。

2.3 评估指标体系

在建立了以上电力系统安全风险评估体系的基础上，把这个评估体系落实到微观的实际指标上，是电力系统风险评估理论研究与实际应用之间的重要一环。由于确定性准则指标和概率性风险指标属于电力企业长久以来已经发展相对成熟的领域，对于这2个维度上的评估已有成果报道[12-15]，本文对这2个维度上的典型评估指标不再介绍。

本文仅以第3个维度上“结构、技术、设备、管理”4个方面为例，说明该评估指标体系。根据国内电力系统运行几十年来所积累的工程实践经验和国内外有关文献的研究成果[1-8,12-15]，同时参考CIGRE、IEC、NERC、WSCC及IEEE的相关委员会等制订的一系列电力系统风险评估方面的规范、规程的有关规定，本文将评估指标按1级指标、2级指标、3级指标层层划分，结构脆弱性指标体系、设备脆弱性指标体系、技术脆弱性指标体系及管理脆弱性指标体系分别见图3～6。最后，按各项指标的权重进行综合评级。

上述4个方面的评估完成后，根据各项指标的权重，综合分析被评估对象的脆弱性，系统健康状态综合评估评分表如表2所示，表中各项内容及其权重可根据实际电力系统的具体情况而具体分析确定。

表2 综合评估Tab.2 Comprehensive assessment

根据最底层风险评估指标的计算结果确定该指标的风险程度（不同的风险程度代表指标的计算结果处在不同数值区间内），考虑到将定性和定量指标统一无量纲化，这里采用9分制进行评分，代表含义如表3所示。

表3 风险程度得分Tab.3 Risk level score

3 应对灾变的电力安全风险评估框架在广东省电力系统中的应用

3.1 广东省电力系统概况

广东电网是目前全国最大的省级电网。截止到2008年底，广东电网完成供电量3185亿kW·h，完成售电量2999.5亿kW·h；广东电网共有35 kV及以上变电站1885座、主变容量2.5亿kVA、输电线路5.9万km。广东电网目前已形成以珠江三角洲地区500 kV主干内环网为中心、向东西两翼及粤北辐射的形式，通过“八交四直”500 kV线路以及桥曲线与外部电网联网[16]。

广东电网作为远距离、大容量、超高压、交直流混合运行的受端电网，是全球最复杂的受端电网之一，调度难度相当大，确保全省电网安全稳定运行的难度很高。专家分析表明几乎所有500 kV厂站（至少有25个）的主保护故障都可能引发系统安全问题。受电网建设滞后、用电负荷增长快等因素影响，广东省新投产的电源或多或少地存在送出问题，粤东、粤北、粤西地区问题尤为明显，限电情况仍在相当长的一段时期内存在，给电网的安全调度带来很大困难。此外，随着供需矛盾的逐步加剧，系统的峰谷差将进一步拉大，调峰和厂网协调难度加大，给电网的安全运行带来了新的隐患。对于广东这样一个经济大省，一旦发生电网事故，其损失将是无法估量的。广东省电网地理接线图如图7所示，为简化起见，图中只表示出了500 kV主干网输电线路[16]。

3.2 广东省电力系统应对灾变的安全风险评估总体框架

广东省电力系统应对灾变的安全风险评估框架综合运用传统的稳定分析计算、可靠性概率分析以及复杂系统的脆弱性分析3种手段，构成对整个系统的安全风险及脆弱性评估体系。其中，政府主导、企业自查的组织形式及风险指标层次如图8所示，评估方法及框架如图9所示。

3.3 新框架下广东省电力系统应对灾变的安全风险评估的指标体系

如前所述，由于确定性准则指标和概率性风险指标属于电力企业长久以来已经发展相对成熟的领域，因此，本文此处也只对广东省在结构、技术、设备、技术4个方面的安全风险评估指标进行定义示例，如图10～13所示。限于篇幅，本文对具体各指标的计算方法[17]不再介绍。

4 结论

本文分析了现有电力安全风险评估存在的缺陷，指出传统的安全评估和稳定控制方法存在无法考虑系统随机性、缺乏政府参与及监管等问题。针对这些问题，本文提出电力系统安全风险评估必须引入政府与电力企业共同参与的评估模式，从理论和实用的角度建立了电力系统应对灾变的安全风险评估体系框架。该框架以“传统确定性准则”、“系统充裕度概率风险”以及“系统脆弱性风险”3个维度为基础，可以全面而切实可行地对各种类型的电力系统进行风险评估。在此框架基础上，本文重点分析了第3个维度即“系统脆弱性风险”的风险评估指标体系，从“结构、技术、设备、管理”4个方面建立了实用的安全风险评估指标，根据这4个方面的评估结果及各项指标的权重可综合分析出被评估对象的脆弱性。

最后以广东省电力系统为例，针对广东省电力系统的实际情况及特点，建立了广东省电力系统应对灾变的安全风险评估体系，对广东省在结构、技术、设备、技术4个方面的安全风险评估指标进行了定义。在此评估框架的基础上，可以进一步对广东省电力系统存在的风险进行分析计算。本文提出的应对灾变的电力系统安全风险评估框架已经在广东省电力系统进行了试点应用，证明了该框架的科学性和实用性。

由于电力系统安全风险评估体系是一个内容相当丰富、应用性极强的研究领域，因此还有很多问题有待于进一步讨论和研究，本文对应对灾变的电力系统安全风险评估进行了有益的探讨，可供我国各级电网建立安全风险评估体系时参考。

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