自然灾害下电网运行风险控制策略探讨

张居辉

摘要：停电防御框架向自然灾害预警延伸已成为广泛共识。自然灾害演化的时空分布特征及其诱发电网故障的不确定性，迫切需要将基于确定性准则的安全稳定分析向电网运行风险评估拓展，将基于电力系统安全稳定控制技术导则确定性场景的三道防线控制向基于动态故障场景的风险控制延伸。针对自然灾害下电网运行风险如何在线防御的问题，总结了当前自然灾害下电网输电元件故障概率特征及其评估技术以及自然灾害下安全防御的困局与应对现状。

关键词：自然灾害;电网运行风险;故障概率;预想故障集筛选

外部自然灾害一直是导致电网发生故障的主要原因[1]。近年來，由自然灾害诱发的停电事故时有发生，停电防御框架向自然灾害预警延伸成为广泛共识。自然灾害演化的时空分布特征及其诱发电网故障的不确定性，迫切需要将基于确定性准则的安全稳定分析向电网运行风险评估拓展，将基于电力系统安全稳定控制技术导则确定性场景的三道防线控制向基于动态故障场景的风险控制延伸。

1、自然灾害下输电元件故障概率评估及其特征

1.1自然灾害下输电元件故障概率评估

自然灾害下电网运行风险控制逻辑上包括如下过程∶融合厂域的外部灾害数据、电网设备台账及运行状态数据，建立外部灾害、输电设备、电网风险之间的关联关系，实现自然灾害下电网运行风险的精准辨识与科学防控。其中，传统的电网可靠性评估采用固定不变的元件年均故障率模型，难以适应电力系统运行风险评估需求，如何求取灾害下输电元件时变停运概率是运行风险评估与防控首先要解决的关键技术[2]。

1.2自然灾害下输电元件故障概率特征

自然灾害下输电元件故障概率呈现如下特征：

1）模型复杂性。灾害引发电网故障涉及耦合因素众多、机理复杂，模型参数难以整定甚至有些难以解析表达。以山火灾害下架空线路概率评估为例定性描述其机理复杂性及耦合因素多样性。

山火引发线路闪络机理一般可归纳为4种模型∶热游离模型、空气密度下降模型、电导率模型和颗粒触发模型。前两种模型的致灾机理是火焰高温使得空气绝缘降低，后两种模型的致灾机理是空间颗粒使得空间电场畸变降低了击穿电压。而线路空气间隙绝缘强度降低往往是火焰温度、申子和离子以及固体颗粒等因素共同作用的结果。其引发电网故障的途径可归结为导线空气间隙击穿与绝缘子损坏。电力系统中接入的山火数据，主要来源于同步卫星、极轨卫星或者人工巡线上报，不管哪一种方式目前都无法做到实时上送。因此，山火蔓延行为及其与线路档的关系预测也是概率评估中的重要一环。

2）数值非精确性。不同于设备可靠性中长时间尺度的故障率（次/百公里×年）的概念，本文讨论的电网运行风险中的输电元件故障概率，表示短时间尺度内（小时、分钟）不同灾害情形下输电元件受灾故障的可能性。但是由于申力设备由自然灾害导致停运的有效样本数量有限，因而大数定律成立的条件在现实中难以满足。在这种情况下，任何精确的概率计算值都难以反映设备真实的停运可能性。这就进一步增加了短时间尺度输电元件概率实用性的难度。目前主要是利用概率值在一定时间窗口内具有的相对性对输电元件受灾害影响程度进行排序筛选[3]。

2、适应灾害下概率及损失变化特征的风险控制策略

2.1自然灾害下控制代价计算特征及变化特征

按照各类控制措施应对场景的演化过程，可以把控制代价分为：事前对于预想不安全采取的预防控制、快速隔离故障的继电保护、按照既定策略执行的紧急控制、稳定被破坏后的就地安自装置紧急控制等。第一个称为预防控制代价，后3种合称为紧急控制代价。

再换一个维度来看这个过程，紧急控制代价可以划分为原发故障损失和相继故障损失。原发故障损失包括原发故障直接诱发的继电保护装置动作所导致的损失、因原发故障诱发安控动作导致的损失以及故障后动态过程所引起的安自装置动作所造成的损失。相继故障损失包括故障后动态过程中继电保护动作损失及后续安自装置动作损失。其特征是：前2类可以在事前可得，仅与运行方式及故障集有关，不需要详细的时域仿真;后3类跟动态过程相关，需要完整计及保护及安自装置模型进行时域仿真计算，

2.2自然灾害下在线预防控制风险优化流程

该风险控制策略流程包括预想故障集排序、预想故障集分段处理、预防控制代价优化等几个关键点。

排序的目的是降低遗漏应重点关注故障的可能性，因此需要将故障概率大的故障排序靠前，对于概率相同的故障，可根据灾害引起的原发故障直接触发的继电保护及安控系统控制代价对应的事前预估风险值排序。该风险值不需进行安稳时域仿真，可按式（1）计算。

其中：n0为概率大于设定门槛值的预想故障全集F0中预想故障的数目;Lr.i和Lc.i分别为第i个预想故障发生后直接触发的保护装置动作所导致的损失代价、安自装置动作所导致的损失代价;pf.i为第i个预想故障发生的概率;Rrc.i为第i个预想故障发生后因预想故障直接触发的保护装置和安自装置动作所导致的风险。

结语：

当前自然灾害下的安全防御以输电元件故障概率为核心、以传统三道防线为防御原则。在这种模式下，为了提升安全防御的可靠性，需要不断扩大故障集、降低概率门槛，理论上如果计及小概率高风险事件的防御，那么需要防御的故障数量将是无穷多。另一方面，自然灾害下的输变电设备故障概率特征，也已经不符合三道防线关于不同故障形式故障概率差别很大的假设。在这种背景下，本文探讨了以电网运行风险为核心、以风险防控代价比为防御原则的灾害防控理念，提出了适应灾害下概率及损失变化特征的风险控制策略，在预防控制与紧急控制间自动设置防御门槛。

参考文献

[1]常康，徐泰山，郁琛，等.自然灾害下电网运行风险控制策略探讨[J].电力系统保护与控制，2019，47（10）：79-87.

[2]山火灾害下电网输电线路跳闸风险评估研究[D].华北电力大学（北京），2019.

[3]刘桂涛.电力调度运行安全风险与防范策略探讨[J].建筑工程技术与设计，2018，000（021）：3019.

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