自然災害下電網運行風險控制策略探討

張居輝

摘要：停電防御框架向自然災害預警延伸已成為廣泛共識。自然災害演化的時空分布特征及其誘發電網故障的不確定性，迫切需要將基于確定性準則的安全穩定分析向電網運行風險評估拓展，將基于電力系統安全穩定控制技術導則確定性場景的三道防線控制向基于動態故障場景的風險控制延伸。針對自然災害下電網運行風險如何在線防御的問題，總結了當前自然災害下電網輸電元件故障概率特征及其評估技術以及自然災害下安全防御的困局與應對現狀。

關鍵詞：自然災害;電網運行風險;故障概率;預想故障集篩選

外部自然災害一直是導致電網發生故障的主要原因[1]。近年來，由自然災害誘發的停電事故時有發生，停電防御框架向自然災害預警延伸成為廣泛共識。自然災害演化的時空分布特征及其誘發電網故障的不確定性，迫切需要將基于確定性準則的安全穩定分析向電網運行風險評估拓展，將基于電力系統安全穩定控制技術導則確定性場景的三道防線控制向基于動態故障場景的風險控制延伸。

1、自然災害下輸電元件故障概率評估及其特征

1.1自然災害下輸電元件故障概率評估

自然災害下電網運行風險控制邏輯上包括如下過程∶融合廠域的外部災害數據、電網設備臺賬及運行狀態數據，建立外部災害、輸電設備、電網風險之間的關聯關系，實現自然災害下電網運行風險的精準辨識與科學防控。其中，傳統的電網可靠性評估采用固定不變的元件年均故障率模型，難以適應電力系統運行風險評估需求，如何求取災害下輸電元件時變停運概率是運行風險評估與防控首先要解決的關鍵技術[2]。

1.2自然災害下輸電元件故障概率特征

自然災害下輸電元件故障概率呈現如下特征：

1）模型復雜性。災害引發電網故障涉及耦合因素眾多、機理復雜，模型參數難以整定甚至有些難以解析表達。以山火災害下架空線路概率評估為例定性描述其機理復雜性及耦合因素多樣性。

山火引發線路閃絡機理一般可歸納為4種模型∶熱游離模型、空氣密度下降模型、電導率模型和顆粒觸發模型。前兩種模型的致災機理是火焰高溫使得空氣絕緣降低，后兩種模型的致災機理是空間顆粒使得空間電場畸變降低了擊穿電壓。而線路空氣間隙絕緣強度降低往往是火焰溫度、申子和離子以及固體顆粒等因素共同作用的結果。其引發電網故障的途徑可歸結為導線空氣間隙擊穿與絕緣子損壞。電力系統中接入的山火數據，主要來源于同步衛星、極軌衛星或者人工巡線上報，不管哪一種方式目前都無法做到實時上送。因此，山火蔓延行為及其與線路檔的關系預測也是概率評估中的重要一環。

2）數值非精確性。不同于設備可靠性中長時間尺度的故障率（次/百公里×年）的概念，本文討論的電網運行風險中的輸電元件故障概率，表示短時間尺度內（小時、分鐘）不同災害情形下輸電元件受災故障的可能性。但是由于申力設備由自然災害導致停運的有效樣本數量有限，因而大數定律成立的條件在現實中難以滿足。在這種情況下，任何精確的概率計算值都難以反映設備真實的停運可能性。這就進一步增加了短時間尺度輸電元件概率實用性的難度。目前主要是利用概率值在一定時間窗口內具有的相對性對輸電元件受災害影響程度進行排序篩選[3]。

2、適應災害下概率及損失變化特征的風險控制策略

2.1自然災害下控制代價計算特征及變化特征

按照各類控制措施應對場景的演化過程，可以把控制代價分為：事前對于預想不安全采取的預防控制、快速隔離故障的繼電保護、按照既定策略執行的緊急控制、穩定被破壞后的就地安自裝置緊急控制等。第一個稱為預防控制代價，后3種合稱為緊急控制代價。

再換一個維度來看這個過程，緊急控制代價可以劃分為原發故障損失和相繼故障損失。原發故障損失包括原發故障直接誘發的繼電保護裝置動作所導致的損失、因原發故障誘發安控動作導致的損失以及故障后動態過程所引起的安自裝置動作所造成的損失。相繼故障損失包括故障后動態過程中繼電保護動作損失及后續安自裝置動作損失。其特征是：前2類可以在事前可得，僅與運行方式及故障集有關，不需要詳細的時域仿真;后3類跟動態過程相關，需要完整計及保護及安自裝置模型進行時域仿真計算，

2.2自然災害下在線預防控制風險優化流程

該風險控制策略流程包括預想故障集排序、預想故障集分段處理、預防控制代價優化等幾個關鍵點。

排序的目的是降低遺漏應重點關注故障的可能性，因此需要將故障概率大的故障排序靠前，對于概率相同的故障，可根據災害引起的原發故障直接觸發的繼電保護及安控系統控制代價對應的事前預估風險值排序。該風險值不需進行安穩時域仿真，可按式（1）計算。

其中：n0為概率大于設定門檻值的預想故障全集F0中預想故障的數目;Lr.i和Lc.i分別為第i個預想故障發生后直接觸發的保護裝置動作所導致的損失代價、安自裝置動作所導致的損失代價;pf.i為第i個預想故障發生的概率;Rrc.i為第i個預想故障發生后因預想故障直接觸發的保護裝置和安自裝置動作所導致的風險。

結語：

當前自然災害下的安全防御以輸電元件故障概率為核心、以傳統三道防線為防御原則。在這種模式下，為了提升安全防御的可靠性，需要不斷擴大故障集、降低概率門檻，理論上如果計及小概率高風險事件的防御，那么需要防御的故障數量將是無窮多。另一方面，自然災害下的輸變電設備故障概率特征，也已經不符合三道防線關于不同故障形式故障概率差別很大的假設。在這種背景下，本文探討了以電網運行風險為核心、以風險防控代價比為防御原則的災害防控理念，提出了適應災害下概率及損失變化特征的風險控制策略，在預防控制與緊急控制間自動設置防御門檻。

參考文獻

[1]常康，徐泰山，郁琛，等.自然災害下電網運行風險控制策略探討[J].電力系統保護與控制，2019，47（10）：79-87.

[2]山火災害下電網輸電線路跳閘風險評估研究[D].華北電力大學（北京），2019.

[3]劉桂濤.電力調度運行安全風險與防范策略探討[J].建筑工程技術與設計，2018，000（021）：3019.

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