供應鏈視角下的城市輸電供應網絡應急管理研究

摘要：文章將電力供應網絡與供應鏈網絡相結合，借助供應鏈突發事件應急管理的思想，從供應鏈的視角分析了城市輸電供應網絡，提出輸電供應網絡應急管理的基本構架，利用復雜網絡、應急選址和系統優化方法，針對由于外界破壞可能造成的城市輸電供應網絡電力供應中斷問題，提出相應事前預警和事后快速恢復的應對策略。

關鍵詞：供應鏈應急管理；輸電供應網絡；復雜網絡；應急選址

一、 引言

本文將電力網絡與供應鏈網絡相結合，應用供應鏈突發事件應急管理的思想，系統地分析了應急管理機制和策略，提出輸電供應網絡應急管理的基本構架。

二、 供應鏈視角下的輸電供應網絡本質

1. 電力供應網絡。電力作為一種特殊的商品，也有一個生產、傳輸和消費的過程，由于其不可見性，本文以傳輸不同電壓等級下的電力容量作為其產品的代名詞。在電力長距離傳輸過程中，根據歐姆定律可知減少電力損耗有兩種：第一，提高電壓等級；第二，減小輸電線路的電阻。由目前工程技術的限制，只能通過提高電壓等級來實現，故將發電廠發出的電力升高至220kV及以上電壓等級（即輸電供應網絡）后進行長距離傳輸，以降低在途損失。將整個電力生產、傳輸和消費看作一個供應鏈，其供應鏈上各節點依次為：發電廠、輸電供應網絡、配電網、用戶，整個電力供應鏈示意圖參見圖1。從供應鏈角度來看，發電廠的上游為煤炭、水力、核能等供應，其產品為向輸電供應網絡提供220kV及以上電壓等級的電力容量；輸電供應網絡的上游為發電廠供給的220kV及以上電壓等級的電力容量，其產品為向配電網提供110kV或35kV電壓等級的電力容量；配電網的上游為110kV及以下電壓等級的電力容量，其產品為提供最終用戶使用的220V或其他低壓等級的電力容量。在整個電力生產、供應及最終消費的過程中，電力供應鏈由多個發電廠、較為單一的輸電供應網絡、多個配電網以及眾多的終端電力用戶組成。

電力供應鏈區別于一般供應鏈，它是介于生產型供應鏈和服務型供應鏈之間的一種特殊的供應鏈，其特點有：產品生產流程的同步和瞬時性、不能庫存、不可儲存、即發即送即用、不可見性、電力輸送走廊的自然壟斷性、較強的信息傳遞和溝通能力（如圖1）。

2. 影響城市供電安全的主要因素。近年來，世界范圍內發生了多次影響重大的停電事故，給經濟、政治和文化等領域造成了極其惡劣的影響。

U.S.-Canada Power System Outage Task Force（2004）在其報告中詳細描述了人類有史以來停電范圍最大、影響最為廣泛的2003年8月14日的美加大停電，據統計，事故全過程損失負荷共計61 800萬千瓦，停電范圍為9 300多平方公里，斷電事故給美國造成的經濟損失預計近百億美元；其事故起因是由于持續高溫造成的線路負荷快速增長，一條345kV輸電線路弧垂下降與長高的樹枝發生斷路故障，多家電力單位缺乏相關實踐經驗，缺少相應設備，未能及時進行決斷，缺乏合作機制，從而導致的電網連鎖故障。

National Technical University of Athens（2004）在其報告中描述了2004年7月12日，離第28屆奧運會開幕還有一個月時間，主辦城市希臘首都雅典發生了該國十年來規模最大的一次停電事故，擁有近500萬人口的雅典遭遇大面積停電，并波及多個奧運場館；其根本原因正是受持續高溫天氣影響下由于超高壓輸電線路管理混亂造成的。

江秀麗（2008）統計了2008年1月至2月發生在我國南方的冰雪災害對電網的影響情況，由于連續暴雪和凍雨，輸電線路及鐵塔覆冰大大超過供電線路設防標準，致使110kV-500kV輸電供應網絡鐵塔8 381基倒塌，我國缺電從13個省份最多擴大至17個省份，約1.1億人口停電，給經濟、社會和人民生活造成了極為嚴重的影響。

歐洲電力傳輸協調聯盟UCTE（2006）詳述了2006年11月4日發生的西歐大停電事故，事故起因是由于系統潮流的大范圍轉移導致電網在薄弱的聯絡點上引起電網設備相繼跳閘脫離運行，而最終導致電網基本網架遭受破壞迫使發、用電失衡而造成大量負荷損失。

Cornell University（2005）描述了2005年5月25日由于樞紐500kV變電站設備突發故障造成的莫斯科的大面積停電事故。

唐斯慶等（2006）詳述了2005年9月25日強臺風造成輸電線路大量跳閘進而導致的海南電網全網崩潰。

綜上，可以看到近年來國內外的大停電事故的起源都是由于輸電供應網絡的故障所直接導致的；輸電供應網絡線路短路、輸電供應網絡線路和鐵塔的損壞造成的斷路以及輸電供應網絡中的大型變電站設備突發故障是左右整個社會供電安全的主要因素。這些因素的發生帶有極強的不確定性、突發性和極大地破壞性；這些不確定因素的發生通常會造成整個電力供應鏈的中斷，進而造成大面積停電事故的發生。

3. 輸電供應網絡主營業務分析。馬士華、林勇（2005）認為，供應鏈是圍繞核心企業，通過對信息流、物流、資金流的控制，從采購原材料開始，制成中間產品以及最終產品，最后由銷售網絡把產品送到消費者手中的將供應商、制造商、分銷商、零售商、直到最終用戶連成一個整體的功能網絡結構。

根據中國電力供應的特點，作為城市輸電供應網絡，擔負著城市用電源頭絕大多數的供電任務，其主營業務是發電廠商提供的220kV及以上電壓等級電力容量轉化為110kV或35kV電力容量。主營業務的關鍵是保證電力轉換及傳輸的穩定性，以及一旦發生電力供應中斷時以較快速度恢復電力供應。

作為城市輸電供應網絡，其電力供應鏈特點分析如下：

（1）上游發電商方面，多個發電商可以增加供電可靠性，當一路或某幾路輸電走廊中斷，其中斷的原因可能是由于上游發電商本身的原因無法供電也可能是輸電走廊故障造成的供應中斷；前者是供應商本身問題，后者是輸電供應網絡運營脆弱性問題?？赏ㄟ^其他供應商彌補，這一方面是數量柔性，另一方面由于電力供應的自然壟斷性，不是輸電供應網絡企業本身可以左右的，也不能通過自身定價的方式較為方便的通過定價策略解決根本問題；且不可能通過庫存解決問題。

（2）下游配電商，由于電力供應的特殊性，必須保證供電，且不能通過自身定價或改變產品特點來分散風險，比如原提供110kV，現在提供220v；且不可能通過庫存解決問題。

從自身產品生產的角度分析，將特、超高壓電壓等級轉化為較低電壓等級，存在的問題包括輸電線路外部因素引起的故障和變電站內設備故障，解決這些故障是輸電供應網絡企業可以考慮的主要問題。

三、 城市輸電供應網絡應急管理研究內容界定

1. 城市輸電供應網絡面臨的主要問題。王振偉（2010）以上海輸電網為例，擔負著上海地區95％的電力供應；截至2010年上半年，其運營變電站97座，線路305條、總長4 273.437公里，桿塔總數8 517基；輸電網環節中任一環一旦遭遇外界突發事件引起某一環節的電力供應中斷，極易造成整個城市的大面積停電。

建成世界一流的輸電網企業，其重要考核指標包括兩方面內容：（1）極其苛刻的停電時間，（2）極高的人均產值。在這兩方面我國電網企業都較為落后，以針對用戶的停電時間為例，東京電力公司和新加坡電力公司為7分鐘~8分鐘/年，上海市電力公司為40多分鐘，國內平均水平4個小時~5個小時。如何用較少的企業內部人力資源，盡可能減少和避免外部因素造成的電力供應中斷，是提高上述考核指標的重要途徑。

2. 城市輸電供應網絡應急管理研究的主要內容。基于輸電供應網絡在整個電力供應鏈中的核心作用和角色，從輸電供應網絡企業的角度提高其應急能力，以便處理不確定突發事件造成可能整個電力供應鏈的中斷是本文研究的核心內容。研究的內容包括城市輸電供應網絡的網絡特性分析、事故隱患的預警策略（事前）以及事故發生后的快速恢復策略（事后）。從電學角度（如電網某些環節故障造成的整個電網潮流、電壓、電流、有功功率和無功功率的變化）研究電網的應急管理不是本文考慮的范疇。

整個研究過程采取實證研究的方式，通過數學模型和脆弱性指標體系的建立和仿真分析的方式，得出城市輸電供應網絡絡的網絡特性結論，分析其脆弱環節并以此考慮事前預防和事后應對策略；事故隱患的預警策略（事前）主要考慮輸電供應網絡中的輸電線路（對應復雜網絡模型中的邊）發生潛在外力破壞時，在現場發出預警信號后，相關人員從事前規劃的預警駐點（該類型駐點內布置一般性的人員）在規定時間（比如5分鐘）內趕赴現場制止，避免外部因素破壞造成電網的電力供應中斷；事故發生后的快速恢復策略（事后）主要考慮根據上述脆弱性分級結果，按照滿足輸電線路（對應復雜網絡模型中的邊）和變電站（對應復雜網絡模型中的節點）發生故障后，相關搶修人員從事前規劃的搶修駐點（該類型駐點內布置規定數量的技術人員和搶修設備）在規定最短時間（比如40分鐘）內趕道現場的限制要求，依此為依據制定應對措施。

四、 城市輸電供應網絡應急管理的研究方法

1. 復雜網絡理論的應用。復雜網絡的研究日新月異，WATTS DJ和STROGATZS（1998）引入了小世界（Small-World）網絡模型；BARABáSI AL和ALBERT（1999）提出了無標度網絡（Scale-Free Network）的概念。以這兩項開創性工作為標志，復雜網絡研究進入了一個新時代。

WATTS DJ（1998）驗證了美國西部電網是個小世界電網，Amaral LAN等（2000）驗證了美國西部網絡具有大的集群系數；SURDUTOVICH等（2002）證明了巴西電網也具有小世界特性；Crucitti等（2004）也驗證了意大利電網也具有類似的小世界特性。孟仲偉、魯宗相等（2004）從電網拓撲統計特性入手，在深入討論小世界網絡模型后，對美國西部電網和中國北方互聯電網進行比較分析，得出中、美兩國的大區電網都屬于小世界網絡的結論。研究表明不同國家具有類似的小世界特性，這說明是電力網絡的普遍特性。

Albert等（2000）在Nature的一篇文章中最早地考察了網絡遭受突發故障（隨機選中部分節點并將其移除）和蓄意攻擊（選擇部分最大度節點并將其移除）后拓撲結構的變化，文章指出度分布服從冪律的網絡（無標度網絡）對于突發故障是魯棒的，但對于蓄意攻擊是非常脆弱的；文中使用剩余圖中最大連通子圖的相對尺寸和網絡平均距離的相對變化來表征網絡的抗毀能力。Cohen等（2001）利用渝滲理論和平均場假設，解析得到了網絡拓撲結構與抗毀性之間的關系，根據Cohen的結論可以知道，電力網絡在遭受突發故障時比完全隨機網絡魯棒性好，但是在遭受蓄意攻擊時則更為脆弱。

根據中國城市電網的運行特點以及面臨的實際問題，以上海輸電供應網絡為實證研究對象，以復雜網絡為仿真理論基礎，220kV及以上電壓等級變電站為構建的網絡架構上的節點，220kV及以上電壓等級變電站之間的傳輸線路為網絡架構上的邊，電力系統中上游的發電廠商、配電網絡以及終端用戶不在仿真模型的范疇中，以該仿真網絡上任意一個點或邊遭遇人為破壞（即外在破壞）為假設，通過對該仿真網絡節點平均度、度分布、最短路徑、平均最短路徑長度、聚類系數等進行描述，研究城市輸電供應網絡特性，進而為下階段的應對策略提供理論依據。

2. 應急選址理論的應用。針對從外部因素造成的輸電網絡供應鏈中斷的性質，解決事故隱患的預警策略（事前）和事故發生后的快速恢復策略（事后），考慮的也是事前預防的制止事故發生的駐點問題以及事后快速恢復的專業人員及設備的駐點問題。

選址研究中的典型問題，如Weber問題、中值問題、覆蓋問題、中心問題、多目標選址、競爭選址、不受歡迎的設施選址、選址-分配、選址-路線等，都是引起廣泛關注和深入研究的熱點課題，研究的也較為成熟，Brandeau M和Chiu S. S（1989）綜述了50多種有代表性的選址問題。在公共部門范圍內，應急服務設施（如醫療急救中心、消防站等）的選址問題是重要的研究領域之一，這些在方磊和何建敏（2003）以及常玉林和王煒（2000）中都有較詳細的描述。Toregas等人（1971）等人正式提出了應急服務設施選址這一問題：一個城市要建立應急服務設施，比如消防站，如何在已知數目的位置中選取最少的位置建立設施，使得在規定時間或者距離內能夠給所有需要緊急服務的地區提供緊急服務；在該文獻中首先提出的集合覆蓋模型，即用最少的設施安置費去覆蓋所有需求點，當每個設施的安置費相同時，問題簡化為用最少的設施覆蓋所有的需求點，通常研究后者。

由于傳統的應急服務設施選址模型并沒有考慮到重大突發事件的特點，通過研究城市輸電供應網絡的外部脆弱性，針對相應網絡特性分析，建立輸電網絡脆弱性測度體系，結合應急服務設施選址，規劃相應事前預警駐點和事后搶修駐點，可以提供新的途徑解決應對外界突發事件造成的輸電供應網絡供電中斷所需要研究的應急管理策略問題。

五、 結束語

城市輸電供應網絡的安全運行關系到國計民生，目前業界對電力應急管理的研究更多的是從電力技術的角度去考慮電力系統內部引起的供電故障，然而現實中作為影響城市供電安全的另一主要因素，針對外界人為破壞造成的大面積停電事故的應急管理研究仍較少受到關注。本文從供應鏈的視角初步解釋了電力供應的運行特點，分析明確了城市輸電供應網絡在整個電力供應鏈中的核心地位和研究其運營安全的重要性；并針對危害城市輸電供應網絡的外在破壞因素，嘗試提供結合復雜網絡理論、應急選址理論和系統優化方法的研究思路，從系統管理的角度豐富了電力應急管理的研究內容。

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基金項目：國家自然科學基金重點項目“應急運作管理和魯棒計劃”（70732003）。

作者簡介：季建華，上海交通大學安泰經濟與管理學院教授、博士生導師；何冰，上海交通大學安泰經濟與管理學院博士生，國家一級建造師，上海市電力公司超高壓輸變電公司工程師、技師；孫琦，上海交通大學安泰經濟與管理學院博士生；劉新平，上海市電力公司超高壓輸變電公司副總工程師；侯曉明，上海市電力公司超高壓輸變電公司工程師。

收稿日期：2010-12-28。