電力系統(tǒng)的安全性及防治措施

代文章

（寧夏石嘴山供電局，寧夏 石嘴山 753000）

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民對電力需求日益擴大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行對經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定越來越重要，各國對電力的需求和依賴性日益增強，電網(wǎng)大規(guī)模互聯(lián)成為各國電力系統(tǒng)發(fā)展的重要特征和必然趨勢[1-2]。

然而，由于電力系統(tǒng)自身因素與外部干擾的影響，電力系統(tǒng)事故時有發(fā)生，不僅使電網(wǎng)發(fā)輸配企業(yè)的經(jīng)濟效益受到巨大損失，而且對電力用戶和整個社會都造成了嚴重的影響。近年來，世界上多個國家都發(fā)生過由于各種原因所導致的大規(guī)模停電事故[4-6]，比如1996年美國西部的2次大停電事故，美國政府認為這些停電事故已“危及國家安全”。2003年8月14日美加大停電、2005年5月25日的莫斯科大停電和2006年11月26日的歐洲大停電事故，震驚世界，特別是，美加大停電事故波及5000萬人口的供電范圍，造成重大經(jīng)濟損失，是美國歷史上最嚴重的停電事故。因此，保證大規(guī)模電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是一個重大而迫切的問題，必須重視電網(wǎng)的安全性和電網(wǎng)的安全防御措施。

1 電力系統(tǒng)的安全性問題

1.1 電力系統(tǒng)安全性的定義

傳統(tǒng)的電網(wǎng)安全性是指在發(fā)生故障情況下，電網(wǎng)能否回到原始運行點或者穩(wěn)定在一個新的運行點的風險程度，包括系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、系統(tǒng)解列、熱過載等。根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》，電力系統(tǒng)的安全性指電力系統(tǒng)在運行中承受故障擾動的能力，例如突然失去電網(wǎng)中的元件、發(fā)生短路故障等[7]。

電力系統(tǒng)安全性建立在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，電力系統(tǒng)只有處于穩(wěn)定的狀態(tài)，才能夠研究其安全性。IEEE/CIGRE穩(wěn)定定義聯(lián)合工作組將電力系統(tǒng)穩(wěn)定性定義為在給定的初始運行方式下，一個電力系統(tǒng)受到物理擾動后仍能夠回到初始運行平衡點或者重新獲得運行平衡點，且在該平衡點大部分系統(tǒng)狀態(tài)量都未越限，從而保持系統(tǒng)完整性的能力[7]。

1.2 電力系統(tǒng)安全性的分類

電力系統(tǒng)的安全性是基于一族稱之為預想事故集的隨機事件而定義的，該預事故集是所有可能發(fā)生的擾動的集合。如果一個系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，并且沒有在任何預想事故的情況下都不會轉(zhuǎn)到緊急狀態(tài)，則稱這個系統(tǒng)是安全的。根據(jù)這個概念，將電力系統(tǒng)的安全性分為系統(tǒng)靜態(tài)安全性和系統(tǒng)動態(tài)安全性[7]。

1）電網(wǎng)靜態(tài)安全

系統(tǒng)靜態(tài)安全即要求在電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，各個節(jié)點的注入功率大小、電壓幅值及相位、頻率等應(yīng)當滿足等式約束和不等式約束，即基本潮流方程和各種范圍約束。

假設(shè)某個電力系統(tǒng)中共有N個節(jié)點，則直角坐標系下的基本潮流方程為

平衡節(jié)點（swing bus）的電壓幅值和相角已知，不需要參加迭代求解。

為保證系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性以及電力用戶的電能質(zhì)量和供電安全，系統(tǒng)中所有電氣設(shè)備運行參數(shù)都必須運行在合理范圍之內(nèi)，所有節(jié)點的電壓幅值，電壓相角、有功功率和無功功率都要在允許偏差之內(nèi)，此時系統(tǒng)運行于一種安全方式下。

即對于 i = 1 ,2,… ,N ，都要滿足

根據(jù)電力系統(tǒng)運行中各種參數(shù)對約束條件的滿足程度，可分為正常、警告、緊急、危機、恢復等5種運行狀態(tài)[3-7]。

（1）正常狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，電力系統(tǒng)運行等式約束條件和不等約束條件完全得到滿足。在正常運行狀態(tài)下，系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備和輸變電設(shè)備容量留有欲度，即留有一定的備用容量；所有母線的電壓幅值必須在額定電壓附近，相鄰母線電壓相角差不能過大，系統(tǒng)保持適當?shù)陌踩６龋绯惺芤粋€合理的預想事故擾動，仍能滿足上述等式約束條件和不等式約束條件，因此，也稱這種運行狀態(tài)為安全狀態(tài)。

（2）警告狀態(tài)。這種運行狀態(tài)是正常運行情況下的極限狀態(tài)，雖然系統(tǒng)的各個運行參數(shù)仍然滿足等式約束條件和不等約束條件，但是由于發(fā)輸電設(shè)備通常允許有一定的過載時間，系統(tǒng)仍然能夠暫時繼續(xù)運行，但是一個偶然事故便會造成系統(tǒng)運行于非安全狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，應(yīng)及時采取適當?shù)拇胧瓜到y(tǒng)回到安全運行狀態(tài)。

（3）緊急狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)運行參數(shù)不能滿足約束條件，即某些運行參數(shù)超過允許范圍，如設(shè)備過載、某些母線電壓過低或者過大等等。緊急狀態(tài)下可以是靜態(tài)的，此時雖然所有系統(tǒng)變量仍在允許范圍內(nèi)，但是系統(tǒng)安全水平下降到了一個極限，安全裕度已很低，甚至為零，系統(tǒng)十分脆弱；緊急狀態(tài)也可能是暫態(tài)的，此時系統(tǒng)不僅某些參數(shù)超出了允許范圍，而且在不斷變化發(fā)展，如電壓幅值不斷下降、發(fā)電機功角不斷增大等，此時需要采用一定的措施使系統(tǒng)運行回到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

（4）危機狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)運行不正常狀態(tài)，系統(tǒng)絕大部分參數(shù)不滿足等式約束條件和不等式約束條件，系統(tǒng)必須采用一定的措施，并且經(jīng)過恢復狀態(tài)才能重新進入正常狀態(tài)，這種狀態(tài)可能引起連鎖反應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也難以保持完整性，需要迅速地進行調(diào)節(jié)和控制。此時通過采取切除負荷及有控制的使系統(tǒng)解列等控制措施將系統(tǒng)中盡可能多的部分從大范圍的停電中挽救過來。

（5）恢復狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)參數(shù)一般尚能符合運行約束條件，但由于經(jīng)歷了危機狀態(tài)，通過處理后，系統(tǒng)運行狀態(tài)雖不再繼續(xù)惡化，但正常狀態(tài)尚未確立，可能己經(jīng)損失部分負荷，電網(wǎng)某部分可能已經(jīng)解列。恢復狀態(tài)下，然后通過再同步、并網(wǎng)恢復所有用戶供電，使整個系統(tǒng)重新回到正常狀態(tài)運行。

2）電網(wǎng)動態(tài)安全

系統(tǒng)動態(tài)安全是在考慮系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生改變的過程情況下，各種參數(shù)均需要滿足要求。動態(tài)安全性要求系統(tǒng)在某種偶然性事件使電網(wǎng)運行方式從一種靜態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種靜態(tài)的過渡過程中，電力系統(tǒng)的基本潮流方程和各種不等式約束均能夠得到滿足，各項運行參數(shù)均保持在合理范圍，不發(fā)生發(fā)電機功角失穩(wěn)、局部電壓持續(xù)過低等現(xiàn)象。

電網(wǎng)中各種運行參數(shù)都具有一定的裕度是保證電網(wǎng)動態(tài)安全的本質(zhì)要求，設(shè)備退出運行或者電網(wǎng)其他擾動對電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響主要表現(xiàn)在各種運行參數(shù)發(fā)生一定的變化，根據(jù)給定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和發(fā)電機、負荷等元件的運行條件及切除方案，確定切除某些元件是否危及系統(tǒng)的安全，即電網(wǎng)中所有母線電壓是否在允許的范圍內(nèi)，足夠的裕度則可以保證運行參數(shù)在發(fā)生變化之后仍能夠維持在允許范圍之內(nèi)。對于式（3）所示的電網(wǎng)設(shè)備運行參數(shù)的約束條件，可以使各個參數(shù)處于各自的約束極限一定的距離之外，即

式中，Vd、Vu、Δθ、Pd、Pu、Qd、Qu分別表示相應(yīng)參數(shù)與約束極限的距離，即裕度大小

1.3 電力系統(tǒng)安全問題的影響因素

影響電力系統(tǒng)安全性的因素很多，對于組成現(xiàn)代電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施而言，可分為內(nèi)部因素和外部因素[1]。

1）內(nèi)部因素

（1）系統(tǒng)中的主要元件發(fā)生故障：發(fā)電機、變壓器和輸電線故障等。

（2）系統(tǒng)的控制和保護系統(tǒng)發(fā)生故障：如斷路器誤動作、保護繼電器的隱性故障和控制故障或誤操作等。

（3）計算機軟、硬件系統(tǒng)故障。

（4）系統(tǒng)中信息、通信系統(tǒng)故障：如信息系統(tǒng)故障或擁塞，不能進行自動控制和保護，外部侵入信息通信系統(tǒng)和與EMS系統(tǒng)失去通信等。

（5）電力市場競爭環(huán)境的因素：電力市場中各參與者間的競爭與不協(xié)調(diào)、發(fā)電裝置上缺少主動性或在更換舊的控制和保護系統(tǒng)。

（6）電力系統(tǒng)不穩(wěn)定：靜態(tài)、暫態(tài)、電壓、振蕩、瀕率不穩(wěn)定等。

2）外部因素

（1）氣候因素和自然災害：如發(fā)生冰雹、風暴、地震、雷雨、熱浪、洪水、森林火災等。

（2）人為因素：如控制和保護系統(tǒng)設(shè)置錯誤、操作人員誤操作，蓄意破壞（包括戰(zhàn)爭或恐怖活動）等。

2 安全性評價原則與分類

2.1 安全性評價原則

安全性評價的目的就是要準確地評價目標系統(tǒng)的安全性能，并且該評價必須能夠為目標系統(tǒng)的改善和進一步發(fā)展提供一定的參考和建議。針對電網(wǎng)系統(tǒng)，在整個評價過程中，從開始原始數(shù)據(jù)的準備到最后評價結(jié)果的分析，都必須采用科學的辦法，保持客觀公正的態(tài)度。為了達到這個目的，安全性評價必須遵循以下基本原則[8-9]：

1）科學性和客觀性原則。盡可能排除主觀因素的影響，客觀對待每一步評價過程，其安全性評價必須能夠準確地體現(xiàn)出不同電網(wǎng)不同運行狀態(tài)的安全程度，為電網(wǎng)的規(guī)劃、運行維護、擴建等工作提供必要的參考依據(jù)。

2）可比性原則。即在類似的系統(tǒng)之間，安全性評價的方法、模型等應(yīng)當具有一定橫向可比性，不同系統(tǒng)之間可以相互比較。

3）可行性原則。在評價過程中所采用的方法應(yīng)當簡便易行，在實際操作中不存在難以克服的巨大困難。

4）實用性和簡潔性原則，在評價方法和使用數(shù)據(jù)方面都需要注意該原則。評價方法需要抓住能夠反映目標系統(tǒng)安全性的主要矛盾，使用盡可能簡單的模型和方法得到系統(tǒng)盡可能全面而準確的安全性能。

5）系統(tǒng)性原則。即安全性評價要盡可能地涵蓋目標系統(tǒng)安全性的各方面內(nèi)容，從不同層次和不同角度反映出目標系統(tǒng)的安全狀況和主要特征。

2.2 安全性評價分類

安全性評價有多種分類方法，根據(jù)評價對象與評價過程的時間關(guān)系，可以分為事前評價、過程評價、事后評價和跟蹤評價[8-9]。

1）事前評價在系統(tǒng)設(shè)計階段進行。在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段，通過對系統(tǒng)將來可能會遇到的各種情況進行預測分析，對于典型的危險情況進行估計和仿真求解，盡可能客觀、全面、科學地衡量電網(wǎng)安全性各個方面，并且對不被允許的事故等進行理論分析和實施必要的防范措施，甚至根據(jù)評價的結(jié)果對原始設(shè)計做適當?shù)男薷摹?/p>

2）過程評價在系統(tǒng)運行過程中進行。在系統(tǒng)開始運行后，以一定的時間周期對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行評價，以期能夠及時發(fā)現(xiàn)在事前評價中沒有發(fā)現(xiàn)的問題和風險，采取必要的措施控制威脅因素，保障系統(tǒng)安全運行。

3）事后評價對系統(tǒng)過去狀態(tài)進行評價。系統(tǒng)經(jīng)過一段較長時間運行之后，對上一個階段內(nèi)系統(tǒng)的安全性等方面進行總結(jié)和評價，分析客觀已經(jīng)存在的運行狀態(tài)是否合理，對于已經(jīng)出現(xiàn)的問題進行總結(jié)和研究，找出問題的根本原因，為下一階段系統(tǒng)運行尋求安全狀況的改善方法或是為其他系統(tǒng)的建設(shè)提供參考依據(jù)。

4）跟蹤評價是系統(tǒng)投入運行后跟蹤調(diào)查評價。在系統(tǒng)開始運行后，以一定的時間周期對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行評價，與過程評價最主要的區(qū)別在于評價的目標不同，過程評價主要是為了能夠及時發(fā)現(xiàn)所評價系統(tǒng)當前出現(xiàn)了什么問題，能夠采取什么措施控制問題的發(fā)展，改善系統(tǒng)運行狀態(tài)，而跟蹤評價主要是為了今后在建設(shè)其他類似系統(tǒng)時擁有一定的參考依據(jù)。

根據(jù)評價過程中對數(shù)據(jù)和結(jié)果的不同要求以及評價方法的差異，安全性評價又可以分為定性評價、定量評價和模糊評價。

1）定性評價主要是判斷系統(tǒng)安全性方面在主觀上給人的感受，比如已經(jīng)發(fā)生的某種事故產(chǎn)生的后果是“嚴重”還是“一般”。定性評價不能確定系統(tǒng)的事故概率，但也有一定的量化因素，常常以某種方法將危險情況的威脅程度劃分為若干個等級。

2）定量評價對原始數(shù)據(jù)以及評價結(jié)果在數(shù)值方面的精度要求較高，而且評價過程也是采用精確數(shù)學方法求得系統(tǒng)發(fā)生某種事故的具體概率，符合一般邏輯思維，符合國際規(guī)范和國內(nèi)現(xiàn)行統(tǒng)計制度要求，以數(shù)學上的嚴格比較和論證來評價系統(tǒng)的安全狀況。

3）模糊評價是將模糊數(shù)學的方法應(yīng)用到安全性評價過程，模糊評價對于多個子系統(tǒng)和多因素綜合評價，提供一種利用模糊矩陣運算的科學方法。模糊評價仍屬定性評價的范疇，仍然需要依靠人腦處理模糊概念的能力，依靠專家群體的知識和經(jīng)驗。

電網(wǎng)安全性評價根據(jù)實際需要可以運用于電網(wǎng)規(guī)劃、實時安全監(jiān)測、事后安全分析等多個環(huán)節(jié)。電網(wǎng)安全性評價所采用的方法屬于包含定量因素的定性評價，評價結(jié)果不給出發(fā)生事故的具體概率，而是對一定的安全指標進行量化分析，由電網(wǎng)安全性綜合評價函數(shù)的取值大小判斷電網(wǎng)安全程度。因此，電網(wǎng)安全性評價類型如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)安全性評價分類

3 電力系統(tǒng)安全性的防治措施

電網(wǎng)運行的安全控制主要有三個方面：一是針對針對于正常狀態(tài)的安全經(jīng)濟控制；其次是針對預想事故集下的預防性控制；第三是針對存在不安全的某個事故后狀態(tài)的恢復控制即小正控制[10]。

安全經(jīng)濟控制的目標是在滿足足等式約束和不等式約束的條件下以及安全要求和質(zhì)量要求的條件下，實現(xiàn)運行費用最小或燃料消耗最少，在電力市場環(huán)境下則為市場購電費用最小，即實現(xiàn)運行的經(jīng)濟性，即實現(xiàn)目標最優(yōu)。

對于實際的大型電力系統(tǒng)而言，預防控制規(guī)模龐大，問題十分復雜，問題的求解十分復雜并目需要大量的計算機時間，且事故發(fā)生的概率通常很小，同時還需要較大地犧牲系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。因此學者們建議在電網(wǎng)的安全性基礎(chǔ)理論研究，電網(wǎng)的建設(shè)、監(jiān)控和管理方面做好預防性工作，然后再在關(guān)鍵區(qū)域進行預防性控制[11-12]。

3.1 重視電力系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)研究

電力系統(tǒng)是由不同容量的發(fā)電機、不同電壓等級和長度的輸配電線路以及不同特性的負荷組成的典型復雜大系統(tǒng)，是一個高維、時變、非線性、信息的不完全性、廣域互聯(lián)性和微分代數(shù)的復雜特性系統(tǒng)。通過研究新的理論和方法體系，尋找解決復雜電力系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵問題的方法和措施，以保證電力系統(tǒng)的安全、可靠的管理和運行。建立國家或電力企業(yè)的研究基金，解決電力系統(tǒng)安全性緊密相關(guān)的基礎(chǔ)研究的長期的高額的資金投入問題；此外將電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究列入國家中、長期科研發(fā)展規(guī)劃，開展國際間的合作，從已發(fā)生的電力事故中吸取有益的教訓，積累經(jīng)驗。

3.2 加強電網(wǎng)建設(shè)，降低事故風險

電力系統(tǒng)工業(yè)是一個需要長期和超前投資的工業(yè)，大型發(fā)電廠的建設(shè)周期是5～10年，使用壽命大約為30年。因此，要求廠（發(fā)電廠）網(wǎng)（電網(wǎng)）協(xié)調(diào)、統(tǒng)一規(guī)劃、超前建設(shè)、合理結(jié)構(gòu)，以保證電力系統(tǒng)的安全運行。特別要加強電網(wǎng)建設(shè)(加強遠距離輸電網(wǎng)、受端電網(wǎng)和二次系統(tǒng))以提高電網(wǎng)安全可靠性，降低事故概率，減少停電損失。

2003發(fā)生的美加大停電事故調(diào)查總結(jié)報告中，指出電網(wǎng)的“古老和陳舊”即設(shè)備的老化問題，是電力系統(tǒng)發(fā)生故障的原因所在。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達國家發(fā)電設(shè)備的壽命在30 年以上的由1990年的12%增加到2000年的31%，預計2010年將達到50%；此外，在輸電和配電領(lǐng)域，很大一部分的基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命已接近70年。另一方面，很多陳舊的設(shè)備已不適應(yīng)現(xiàn)代先進的數(shù)字化技術(shù)。所以，電力設(shè)備老化問題是各個國家普遍存在的問題。

3.3 重視電力系統(tǒng)的監(jiān)控與管理

電力系統(tǒng)的互聯(lián)實現(xiàn)了資源在大范圍內(nèi)進行優(yōu)化配置，相互支援和互通有無。但是，在緊密相連的互聯(lián)電力系統(tǒng)中，一個局部故障會引起連鎖反應(yīng)，并迅速向全系統(tǒng)傳播，進而導致大面積的停電事故。所以，在一個互聯(lián)的電力系統(tǒng)中，統(tǒng)一電網(wǎng)管理，統(tǒng)一電網(wǎng)調(diào)度，建立完善的安全運行制度是保證電力系統(tǒng)安全可靠運行的重要條件。

通過對調(diào)度和運行人員進行定期的培訓來不斷提高自身素質(zhì)，特別是應(yīng)對突發(fā)事件的能力。同時改善電網(wǎng)的運行環(huán)境，減少外力和自然界對電力系統(tǒng)設(shè)備的破壞，以及做好日常維護工作是保證電網(wǎng)安全運行的保證。

3.4 研究自然災害和人為破壞對電力系統(tǒng)安全運行的影響

在現(xiàn)代化社會中，電力供應(yīng)與社會活動和人民生活密切相關(guān)，電力工業(yè)與災害防御系統(tǒng)、軍事命令和控制系統(tǒng)、公共衛(wèi)生系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等一樣，都屬于有嚴重故障后果的國家基礎(chǔ)設(shè)施，這些系統(tǒng)的安全和可靠的運行是國家經(jīng)濟、安全和生活質(zhì)量的根本。所以，作為國家的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一，研究自然災害和人為破壞對電力系統(tǒng)安全運行的影響，是科學合理地區(qū)分各種預警和緊急狀態(tài)，建立相應(yīng)的反應(yīng)靈敏、高效統(tǒng)一的應(yīng)對策略和應(yīng)急措施的前提和關(guān)鍵。

4 結(jié)論

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民對電力需求日益擴大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行對經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定越來越重要，各國對電力的需求和依賴性日益增強，電網(wǎng)大規(guī)模互聯(lián)成為各國電力系統(tǒng)發(fā)展的重要特征和必然趨勢。因此保證大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行是一個重大而迫切的問題。本文首先介紹了電力系統(tǒng)安全性的定義和分類，在此基礎(chǔ)上回顧了電網(wǎng)安全性評價的原則和評價方法的分類。然后從內(nèi)部因素和外部因素兩個方面介紹了影響電力系統(tǒng)安全性的因素。最后結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀和技術(shù)手段，提出了加強電力系統(tǒng)的安全性，防治大停電事故的一系列措施，從根本上降低電網(wǎng)安全性的風險。

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