基本电网脆弱性的情景构建与应急能力评估

戴光奋 安广海

摘要：通过深入探究国内外电网事故原因和发生机理，全面对电网的风险点进行综合脆弱性分析，应用突发事件情景构建理论，对可能的危害进行假设和模拟，提出具体可行的对策措施，形成情景任务清单，以此对照分析现有电网应急体系现状，并对其实现应急能力评估的目的，为决策者处理电网应急事件提供综合系统思路和方法。

Abstract： Through in-depth exploration of the causes and mechanisms of power grid accidents at home and abroad， this paper conducts comprehensive vulnerability analysis of the risk points of the power grid， applies emergencies scenario construction theory to make assumptions and simulations of possible hazards， and proposes specific feasible countermeasures to form a scenario task list which is used to compare and analyze the current status of the existing power grid emergency system and achieve the purpose of emergency response capability assessment， in order to provide comprehensive system ideas and methods for decision makers to handle power grid emergency events.

关键词：电网;脆弱性;情景构建;应急能力

Key words： power grid;vulnerability;scenario construction;emergency response capability

中图分类号：TM711                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）28-0149-02

0  引言

近年来国内外关于对应急管理的技术和方法研究比较多，同时关于电网的应急管理也做了很多深入研究和探讨。突发事件情景构建理论已经提出，就得到广泛应用。为提升电网事故应急响应能力，采用“情景构建”的理论与方法，开展战略性研究和应急准备工作，探索电网重大突发事件应急响应工作方法，从而提升应对电网重大事故的应对能力。

1  电网典型事故案例分析

通过对美加“8.14”大面积停电、西欧“11·4”大停电和中国南方区域2008年冰冻灾害大停电等典型事故案例分析，普遍存在电网结构脆弱性原因，随着电网逐步发展扩大，电网复杂性、运行方式多样性和不确定性增加，网架脆弱性逐渐显现出来，此外，还存在电网调度管理、检（维）修管理、技术监督管理等管理缺陷，上述案例中仅一例提到网络安全漏洞的原因，相關分析资料中虽然未肯定该原因，但是随着网络技术更多地在电网中应用，黑客攻击手段的隐蔽性和破坏性风险会显著增加，网络安全方面的脆弱性也要引起有关设计、安装、调试和运行等单位以及政府管理部门的高度重视。

2  电网典型事件脆弱性分析

作为复杂大系统的电力系统是动态的、发展的，由于自身和相关元素间固有的缺陷，加之现有的经济技术条件的限制，系统的薄弱环节时常因受外部触发事件的激发，致使发生严重危急电力系统安全的事故，甚至发生大面积停电事故，这些系统中的不足被称之为电力系统脆弱点，从宏观上反映的脆弱点集合便是所谓的电力系统脆弱性。电网作为典型的人造系统，是一个高维、非线性、时空大、跨越范围广的巨大复杂系统，电力系统故障发展与其拓扑结构、运行方式、外在因素等有着紧密联系，因而电网的脆弱性是必然存在的，从国内外发生的大面积停电事件也证实了这一点。随着电网运行规模不断增大，电网运行方式更加复杂多变，电网特性不断呈现新的变化，电网的故障形态也复杂多样。一旦发生严重故障，系统稳定安全防线控制不当，引发设备连锁跳闸，将导致大面积停电巨灾事故的发生。

2.1 电网结构脆弱性

电网结构负荷较大的节点或线路是电网中的脆弱环节。当网络结构越不均匀，某些节点或线路承担的负荷占整个网络总负荷的比重越大，该节点或线路的脆弱性越明显。因而，电网结构的脆弱性是客观存在的。任一电网内各发电厂、变电所和开关站的布局，以及连接它们的各级电压电力线路的连接方式，构成了固有的电网拓扑结构，电网中高度数、高介数的输电单元，是网络固有的脆弱环节，结构脆弱性是电力系统固有脆弱程度的一种反映。提高整个电网的可靠性水平，必须从电网结构出发，对高度数节点、高介数节点和线路进行重点防护，才能降低大规模停电事故发生概率

2.2 运行管理脆弱性

电源并网管理、用电管理、调度运行管理等，对系统的安全运行至关重要。管理不到位，将存在管理脆弱特征。电网系统和网架结构本身就是动态的、复杂的。如果不采取合理的运行方式，强化电网运行管理，那么在运行的过程中就会产生电磁环网交错等一些故障，一旦出现这些问题就很难有效控制，尤其是在一些电网基础设施比较落后的地区，电网一旦出现异常，很容易就会引起连锁反应，危及系统安全。因此必须做好电网的运行管理，各级网络密切配合，统一调度。

2.3 电网技术脆弱性

继电保护技术、安全稳定控制系统及安全自动装置技术、直流偏磁、调度运行及安全防护技术都存在脆弱性特征。电网发生故障导致稳定破坏时，依靠继电保护装置、过载切机切负荷稳控装置，保障电网安全运行的安全自动装置、低频低压失步解列装置，通过高速准确地切除故障元件、自动低频、低压减负或解列等措施，防止系统崩溃，避免造成大面积停电，减少负荷损失，这就是电力系统安全稳定的“三道防线”。“三道防线”中的任何一个环节出现技术问题，都会威胁系统稳定运行。

2.4 设备设施脆弱性

发电设备、变压器、母线及附属设备、输电线路、断路器、直流一次设备、继电保护设备、安全稳定自动装置设备、调度自动化系统、电网通信设备等，存在设备故障问题、设备检修能力问题、设备超期服役问题等脆弱性特征。电力系统设备设施在运行中的作用不同，其运行工况会在一定范围内产生影响，设备设施质量和性能不佳是构成电网脆弱性因素之一。因设备设施损坏造成系统停电事件屡屡发生，设备设施质量和性能是保证安全运行的前提。

2.5 外部环境的影响

自然灾害的影响，如气候变化、台风侵袭等因素可能造成负荷削减时，电网存在风险。负荷削减率越大，电网风险越高。自然生物或社会活动的干扰，可能引发设备设施的故障和损耗，亦会造成可靠性的削减。台风、雷暴、洪涝、泥石流等自然灾害对电网运行带来威胁，构成电网脆弱性的外部影响因素，国内外都发生过因自然灾害造成电力系统大面积停电事故案例，输电线路对树木放电、外力破坏造成的短路事故也时有发生。因此，外部环境也是电网脆弱性因素之一。

3  基于电网的典型事件情景构建

3.1 情景选择

由于设备故障、外力破坏或自然灾害的影响，导致某区域内电气介数较高的变电站失效，所有线路退出运行，由于电网按“N-1”设计，此时电网能正常运行，但电网结构已经非常薄弱;现存电网中电气介数最高的线路或变电站再次失效，此时电网中部分线路过载，安稳装置动作，通过提高区域内发电机出力或切除部分负荷来保证电网稳定性;随着余下电网中的线路或变电站持续失效，安稳装置不断切除负荷，当达到临界状态后，线路或变压器因超载发生跳闸而形成连锁反应，电网解列成几个小孤网，若孤网内电源与负荷达到平稳，维持孤网稳定运行，若孤网内无电源或电源与负荷不匹配发生振荡而瓦解，即形成大面积停电事件。本研究选定某一区域因台风侵袭，造成电网设备设施遭到破坏，致使区域主干网严重失效，造成大面积停电进行模拟推演。研究造成大面积停电逻辑机理，因台风侵袭，假设结构或设备崩溃或失效，或由于技术、管理等因素引发系统其它设备、装置等失效、误动或拒动等致使设定区域输电断路，造成大面积停电。

3.2 情景模拟

现选点如下三种场景进行情景模拟：台风登陆袭击电网。此阶段中某变电站220kV母线发生三相短路开关拒动，母线失灵保护动作跳开母线所有开关，大量线路被迫跳开，导致系统运行方式发生较大变化，尤其是向某地区供电的南线三回220kV线路退出运行;龙卷风袭击加某电站。此阶段500kV两条线路及两台主变全部跳闸，220kV所有出线跳闸，最终导致某地区电网孤网运行，仅由某电厂通过220kV三个变电站向某站供电，其他电厂通过220kV两个变电站向某站供电。全过程仿真模拟某电网在联网状态下由相继故障跳入孤网运行;某电网跳入孤网运行后发生频率振荡，某电厂一台发电机组因低频保护动作跳闸，频率继续下降，孤网内其他发电机组相继跳闸停机，系统瓦解，某电网全黑。

3.3 模拟结论

经过模拟灾害情景，进行RTDS仿真试验，结论如下：RTDS实时仿真反演了某片区多处站点停电的情景，模拟了台风灾害对电网线路、变电站母线等关键元件的攻击过程，复现故障演化的时序和细节，并且考虑了故障发展过程中机组低频保护装置的动作对电网的影响。在RTDS仿真平台上进行灾害情景反演，可直观评估灾害对电网的影响，模拟情景逻辑成立;RTDS实时仿真对某黑启动方案各步骤进行了仿真校验，证明了黑啟动方案可行性，同时RTDS仿真也揭示了部分黑启动方案步骤中可能存在的风险，并基于风险提出了相应的控制手段建议。

4  应急能力评估

结合以上情景分析和模拟计算结果，对某电网应急管理的预防与应急准备、监测与预警、应急处置与救援、事后恢复与重建四个阶段，对每一阶段任务、承担该任务的主责部门、协同部门及其主要职责及资源清单进行分析，形成任务清单，然后逐项进行对照评估。依据情景演化过程，对照电网相关综合应急预案和电网大面积停电应急预案，梳理应急任务，查找应急准备、任务、处置等缺失，最后汇总存在问题。根据对电网大面积停电事件情景展现，以及对其应急准备能力的评估结果，电网公司应急组织机构完整，各应急组织的相关职责明确，建立了相应的专业应急队伍，配备了相应的专业应急设施，编制了总体应急预案和相应的专项应急预案，电网具备了相当规模的重大突发事件应急处置能力。

5  结论

综上，将突发事件情景构建理论应用于电网应急管理中，不断丰富和完善电网企业的应急管理制度和体系，是一项非常必要和有益的探索和研究。不但创新了管理方法，也评估了电网企业的应急能力，为应急管理决策者提供了新思路和技术支撑。同时，也建议在情景构建的细节和具体设定条件上做进一步探索，确保其仿真结果的真实性和准确性。

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作者简介：戴光奋（1974-），男，广东罗定人，本科，高级工程师，广东省电力应急指挥中心，主要从事电力应急管理工作。