基于情景要素的電網大面積停電事件情景序列構建方法研究*

王學軍，門永生，鄧　創

(1.國家電網公司，北京 100031；2.全球能源互聯網研究院，北京 102209；3.國網四川省電力公司，四川 成都 610023)

0　引言

電力是國家經濟發展的命脈，也是基礎性能源產業，在國民經濟、人民生活和抗災救災中具有舉足輕重的作用?，F代經濟社會發展對電力的需求持續增加，一旦發生電力供應中斷事件，將給社會穩定及人民生活帶來巨大影響。近年來，各類自然災害頻發，2008年以來發生的南方雨雪冰凍、汶川地震、玉樹地震、舟曲泥石流災害及每年登陸沿海地區的臺風等自然災害，都對電網設施造成嚴重破壞，同時，電網遭受外力破壞情況時有發生，嚴重影響到了電網的安全穩定運行。鑒于電網大面積停電事件影響的嚴重性，國內外有關學者在“情景構建”、“應急演練”以及借助于物聯網、大數據平臺開展的“數據挖掘”等相關理論、方法和技術方面開展了較為深入的研究。Fahey[1]認為1個情景應該包括：結束狀態(End-state)、策略(Plot or story)、驅動力(Driving force)和邏輯(Logics)4個要素，每個要素都可以多個方式發展；Gilber[2]將情景分析法分為:提出規劃的前提假設、定義時間軸和決策空間、回顧歷史等10個步驟；劉鐵民[3]從突發事件應急預案的視野，將非常規突發事件情景設計為三維結構：情景概要、災害后果、應急任務；姜卉等[4]通過對突發事件的研究,提出了突發事件情景演變中的原素概念，包括情景、處置目標、事件自身的演變以及處置措施4個要素；王顏新、李向陽[5]從災害動力學的角度認識情景，分為構成要素與驅動要素，具有較強的結構性；袁曉芳等[6]運用PSR模型(壓力-狀態-響應)的思想，構建非常規突發事件情景的新的表達框架；張輝等[7]基于相關研究成果的集成升華，對突發事件應急場景下數據集成、組織與存儲、數據共享方法進行了研究，綜合集成“情景-應對”型應急決策理論和方法；李群[12]提出在現有應急預案指導、事故模擬仿真、事故案例經驗總結等方法基礎上，引入基于大數據分析與預測的突發事件應急情景推演方法，將突發事件情景構建的結果與相關大數據預測模型相結合。

總結以上現有研究發現，國內外學者在情景構建的理論與技術方面進行了多方面的研究，但是在情景構建的一些關鍵技術方面仍需進一步深入，特別是針對電網大面積停電事件的情景構建研究幾乎是空白。因此，本文擬在 “情景構建”理論方法的指導下，梳理電網大面積停電事件的情景要素，并在歷史事故案例數據以及大量應急演練數據的基礎上，綜合運用數據挖掘方法，建立相關事件情景的邏輯與時間序列。

1　情景構建整體思路

近些年，基于“情景構建”開展相關應急預案的編制、應急演練的組織實施等工作已經逐漸成為各級應急管理部門的共同選擇，如：2012年12月～2013年11月，北京市應急委以“某重要地鐵樞紐遭受沙林恐怖襲擊”為原型，在國內率先開展了巨災情景構建的實踐研究工作。隨后，由相關委辦局牽頭，開展了破壞性地震、特大洪澇災害、大范圍暴雪天氣交通中斷事件、水源嚴重污染事件、大面積停電事件、燃氣多門站停氣事件、大規模網絡信息安全事件、不明原因重大傳染病疫情、大規模群體性事件、民航空難事故等10個領域的情景構建工作。而在這些應急管理實踐的基礎上，可以逐漸梳理出具有通用指導性的情景構建思路與方法，如圖1所示。從圖1可知，從整體上來說，開展一次突發事件情景構建工作，一般分為以下3個階段。

1)安全與應急基礎數據收集

無論是上到國家一級的情景構建，還是下到具體企業一級的情景構建，相關工作都無法脫離開情景構建主體的安全與應急管理現狀，故首先需要從根本上收集本層面的安全與應急基礎數據，收集的主要范圍包括：歷史事故案例、應急預案、應急演練、同類應急情景構建數據等，而由于這些數據來源的不同以及存儲形式的差異，所采用的數據收集方式也各有不同，譬如：對事故案例來說，往往除了最終的事故調查報告以外，還需盡可能的收集到事故應急過程中的真實數據，包括文字以及各種影像數據，對于一些復雜的突發事件，還需涉及當時的各種氣象、地理、水文等數據。

2)數據轉換加工與集成提取

由于應急情景構建涉及多種數據來源與格式，故在進一步開展情景分析、情景挖掘前，需要對收集到的數據進行“清洗”，從邏輯層面與技術層面實現數據的融合與集成，并在此基礎上，從情景構建的業務需求角度，提取出關鍵數據，例如：事故案例、應急預案等數據的結構化(方便數據查詢與統計)。

3)事故應急情景確定

從應急情景構建的全過程來看，事故應急情景的確定是“情景構建”工作的重要產出，而在情景確定的過程中，需要用到“專家知識”、“實驗檢測”、“仿真模擬”、“數據挖掘”等方法、技術與工具，而最終從邏輯層面上進行的情景分類與定義、情景演化規則的確定以及從技術層面上的情景表達與描述，均是最終應用情景構建成果的重要條件。

在圖1所示構建思路與方法的指導下，具體開展應急情景構建工作，還需在各個層面進一步細化，本文主要從情景要素表達和情景要素序列的構建2方面展開討論。

圖1　應急情景構建思路與方法說明Fig.1　The mind and method of emergency scenarios construction

2　情景要素的表達方法

情景要素是指事件情景序列上的一個具體組成環節，而情景要素的表達作為情景構建的基礎科學問題之一，是情景構建工作能夠真正落地的重要條件之一，主要包括：邏輯上的情景要素構成、技術上的情景要素信息的存儲與顯示。

2.1　情景要素構成

在情景要素構成方面，可以從劉鐵民[11]提出的基于三個維度的情景結構與內容上入手，即從狹義的角度上，將情景要素構成簡化為：概要描述、地理要素、氣象要素、周邊環境要素、可能的關聯情景要素等內容，以某省電力公司開展的大面積停電事件情景構建為例，表1描述的即是1個具體的情景要素。

表1　情景要素構成說明

2.2　情景要素信息的存儲與顯示

在情景要素構成的基礎上，根據組成情景要素信息的各類數據特點，采用具有針對性的信息存儲與顯示方式，譬如：“情景概要描述”往往采用文本文字的形式存在，故可用關系型數據庫的文本字段類型進行存儲；“地理信息”往往具有明確的位置信息，可采用關系型數據庫的數字字段類型存儲其經緯度坐標，同時也可在關系型數據庫基礎上，擴展至相關GIS平臺對應的空間數據庫上，如圖2所示；“氣象信息”往往來自于具體的氣象預報，故可從專業的角度定義相關數據庫字段進行存儲，如：風速、風向、溫度、濕度、地震震級等；“周邊環境”數據往往較為復雜，可采用多媒體文件進行描述和存儲。

圖2　表征地理信息的GIS地圖Fig.2　Geography information map

3　基于情景要素的序列構建方法

在逐漸分析、細化各種情景要素的基礎上，以一定的邏輯關系和時間關系存在的情景要素序列是突發事件情景構建的重要產出之一，也是情景構建成果應用于應急響應和應急指揮的重要內容。本文提到的情景序列，可以理解為一套具有時間屬性和邏輯屬性的情景要素集合，體現了不同突發事件情景下的事件演化規律。而由于突發事件自身的復雜性與難以預測性，相關情景要素序列的構建，更多的是站在專家經驗以及以往同類事故案例類別的角度上提出。而電網大面積停電事件往往具有高度復雜性，由此產生的次生衍生災害類型多樣、相關關系復雜，故在傳統的專家知識和事故案例類比的基礎上，引入基于歷史數據挖據的方法，對現有情景要素進行分類，并在此基礎上進行關聯分析，以便構建復雜突發事件情景下的情景序列，具體的構建步驟參見圖3所示，由圖3可知，基于歷史數據的情景構建大體上包括數據清理和數據挖掘2個階段。

圖3　電網大面積停電事件情景規則挖掘說明Fig.3　Large scale blackouts emergency scenarios rule data mining

3.1　數據清理階段

步驟一：收集、理解電力行業相關的應急規則數據，包括：相關法律法規、應急體系、應急預案、規章制度、應急標準、基本原理、經典案例等，為下一步分析現有歷史電力應急數據的質量提供業務支撐。

步驟二：在步驟一確立的業務規則上，根據現有歷史電力應急數據的來源、格式以及用途的不同，抽取部分具有代表性的數據，并在此基礎上制定相應的數據質量標準規范(涵蓋數據采集、錄入、傳輸與處理全過程)。

步驟三：在步驟二制定的數據質量標準規范的基礎上，對現有歷史電力應急數據按照不同的質量問題類型(單數據源定義層問題、單數據源實例層問題、多數據源定義層問題、多數據源實例層問題)進行分類。

步驟四：根據不同的數據質量問題類型，研究相應的數據清理方法與技術，并對現有歷史電力應急數據進行全面數據清理。

3.2　數據挖掘階段

步驟一：在現有歷史電力應急數據中，抽取相關的實際事故案例應急以及模擬演練過程數據。

步驟二：根據“情景構建”理論，設計相應的事件情景列表結構。

步驟三：根據相應的事件情景序列表的結構要求，對現有歷史電力數據進行數據集成、數據變換及規約，構建電網大面積停電事件前后的情景要素列表。

步驟四 ：結合大量的實際事故案例應急數據，構建相應突發事件生前后的事件情景演化過程數據集。

步驟五：在步驟四的事件情景演化過程數據集基礎上，生成相應挖掘所需訓練與測試集。

步驟六：在相應訓練集上開展監督學習下的分類與預測模型構建。

步驟七 ：用訓練集、測試對模型進行評估。

步驟八 ：對通過評估的模型進行業務邏輯解析，而形成情景規則庫和報告。

實現了應急預案的輔助編制功能，能夠結構化地編制專項預案，基于事件的性質特點、對事件的綜合預測以及相關案例經驗知識等，編制針對某類事件應急處置的工作組配置、成員、流程、資源配置等方案。預案動態圖如圖3所示。

4　實際應用

在以上情景構建思路、方法和技術的指導下，結合國家電網在各類突發事件應急預警、響應與處置方面的實際情況，針對“強對流天氣”、“地震”、“雨雪冰凍”、“臺風”、“洪澇”等多種自然災害，開展針對性的情景梳理、分析與構建工作，主要包括：情景要素、情景演化規律、情景任務、應急能力等內容，下面以國家電網開展的“國家電網公司總部處置大面積停電事件應急演練”中應用的具體情景(預警階段)為例進行簡要說明。

4.1　情景概要描述信息

11月10日(周四)凌晨起，超強冷空氣來襲，華北東北部地區氣溫驟降，并伴有6～7級大風，由于冷暖空氣交匯，燕山東部山區發生大范圍凍雨、暴雪天氣。10日14時，燕山東部山區部分輸電線路中度覆冰(10～15 mm),平原及風口地區線路輕度覆冰(5～10 mm)；預計凍雨、暴雪將持續加重，山區輸電線路將發生重度覆冰(20～30 mm)，平原及風口地區將發生中度覆冰(10～15 mm)，變電站設備覆冰。安全應急辦收到華北分部、冀北公司、運檢部、國調中心報告，冀北電網已有1條500千伏、2條220千伏輸電線路發生舞動跳閘，重合成功，輸電線路舞動呈增多趨勢；500千伏承德變電站因母線電壓互感器出現危急缺陷，現單母線運行，電網停電風險加大。

4.2　地理信息

華北東北部、燕山東部山區。

4.3　氣象信息

XXXX年11月8日(周二)9時，中央氣象臺發布凍雨、暴雪橙色預警，受西伯利亞強冷空氣和暖濕氣流影響，預計11月10日至11日，華北東北部、燕山東部山區將出現凍雨、暴雪天氣，并伴有6～7級大風，降水量30～40 mm，最低氣溫降至-6℃。

4.4　預警階段的主要關聯情景與任務

1)公司發布凍雨、暴雪橙色預警。

2)公司總部各部門、華北分部和冀北等相關省市公司按照氣象災害處置應急預案和部門職責、流程開展預警行動，加強設備覆冰監測和電網運行監測，做好應急準備。

3)公司發布大面積停電橙色預警，并向河北省政府提出大面積停電預警建議。

4)應急處組織安質、運檢、營銷、信通、外聯部、國調中心開展應急值班，通知華北分部及冀北、北京、天津公司分管領導在各自應急指揮中心值班。

5)應急處向國家能源局匯報公司預警發布及預警行動情況。

6)應急處召集相關專家對本次凍雨、暴雪天氣可能產生的影響和發展趨勢進行研判分析。

7)調度處加強電網運行風險預想預控，合理安排電網運行方式，及時掌握華北、冀北電網運行情況。

8)檢修處組織冀北、北京、天津公司等做好設備特巡以及搶修隊伍、車輛、物資裝備等準備工作，做好防寒、防凍、防滑措施，重要變電站恢復有人值守。

9)客戶處組織冀北、北京、天津公司將預警信息逐戶告知，針對可能受本次災害天氣影響的政府機關、鋼廠等重要客戶，指導客戶檢查自備應急電源，做好停電應急準備，通知國網客服中心增加95598備班力量，做好客戶應答服務準備；密切關注事態發展，收集信息，做好專業信息報告。

10)物資供應處組織國網物資調配中心、冀北公司及相關省公司落實應急處置預案要求，開展應急庫集中盤庫和臺賬梳理，聯系協議供應商、常用承運商，加強信息溝通，確保應急物資需求響應迅速。

5　結論

1)在充分總結前人情景構建思想理論基礎上,結合電網大面積停電事件情景構建工作實踐,提出相應的應急情景構建思路與方法。

2)在地震導致電網大面積停電事件情景構建基礎上，提出具有一定通用性的情景要素的表達方法。

3)提出基于歷史電力數據的應急情景規則數據挖掘思路和方法，將數據挖掘中的分類模型和關聯分析模型引入電網大面積停電情景序列構建方法中，并以國家電網開展的“國家電網公司總部處置大面積停電事件應急演練”中應用的具體情景(預警階段)為例進行實際應用說明。

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