基本電網脆弱性的情景構建與應急能力評估

戴光奮 安廣海

摘要：通過深入探究國內外電網事故原因和發生機理，全面對電網的風險點進行綜合脆弱性分析，應用突發事件情景構建理論，對可能的危害進行假設和模擬，提出具體可行的對策措施，形成情景任務清單，以此對照分析現有電網應急體系現狀，并對其實現應急能力評估的目的，為決策者處理電網應急事件提供綜合系統思路和方法。

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.

關鍵詞：電網;脆弱性;情景構建;應急能力

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

中圖分類號：TM711????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0149-02

0? 引言

近年來國內外關于對應急管理的技術和方法研究比較多，同時關于電網的應急管理也做了很多深入研究和探討。突發事件情景構建理論已經提出，就得到廣泛應用。為提升電網事故應急響應能力，采用“情景構建”的理論與方法，開展戰略性研究和應急準備工作，探索電網重大突發事件應急響應工作方法，從而提升應對電網重大事故的應對能力。

1? 電網典型事故案例分析

通過對美加“8.14”大面積停電、西歐“11·4”大停電和中國南方區域2008年冰凍災害大停電等典型事故案例分析，普遍存在電網結構脆弱性原因，隨著電網逐步發展擴大，電網復雜性、運行方式多樣性和不確定性增加，網架脆弱性逐漸顯現出來，此外，還存在電網調度管理、檢（維）修管理、技術監督管理等管理缺陷，上述案例中僅一例提到網絡安全漏洞的原因，相關分析資料中雖然未肯定該原因，但是隨著網絡技術更多地在電網中應用，黑客攻擊手段的隱蔽性和破壞性風險會顯著增加，網絡安全方面的脆弱性也要引起有關設計、安裝、調試和運行等單位以及政府管理部門的高度重視。

2? 電網典型事件脆弱性分析

作為復雜大系統的電力系統是動態的、發展的，由于自身和相關元素間固有的缺陷，加之現有的經濟技術條件的限制，系統的薄弱環節時常因受外部觸發事件的激發，致使發生嚴重危急電力系統安全的事故，甚至發生大面積停電事故，這些系統中的不足被稱之為電力系統脆弱點，從宏觀上反映的脆弱點集合便是所謂的電力系統脆弱性。電網作為典型的人造系統，是一個高維、非線性、時空大、跨越范圍廣的巨大復雜系統，電力系統故障發展與其拓撲結構、運行方式、外在因素等有著緊密聯系，因而電網的脆弱性是必然存在的，從國內外發生的大面積停電事件也證實了這一點。隨著電網運行規模不斷增大，電網運行方式更加復雜多變，電網特性不斷呈現新的變化，電網的故障形態也復雜多樣。一旦發生嚴重故障，系統穩定安全防線控制不當，引發設備連鎖跳閘，將導致大面積停電巨災事故的發生。

2.1 電網結構脆弱性

電網結構負荷較大的節點或線路是電網中的脆弱環節。當網絡結構越不均勻，某些節點或線路承擔的負荷占整個網絡總負荷的比重越大，該節點或線路的脆弱性越明顯。因而，電網結構的脆弱性是客觀存在的。任一電網內各發電廠、變電所和開關站的布局，以及連接它們的各級電壓電力線路的連接方式，構成了固有的電網拓撲結構，電網中高度數、高介數的輸電單元，是網絡固有的脆弱環節，結構脆弱性是電力系統固有脆弱程度的一種反映。提高整個電網的可靠性水平，必須從電網結構出發，對高度數節點、高介數節點和線路進行重點防護，才能降低大規模停電事故發生概率

2.2 運行管理脆弱性

電源并網管理、用電管理、調度運行管理等，對系統的安全運行至關重要。管理不到位，將存在管理脆弱特征。電網系統和網架結構本身就是動態的、復雜的。如果不采取合理的運行方式，強化電網運行管理，那么在運行的過程中就會產生電磁環網交錯等一些故障，一旦出現這些問題就很難有效控制，尤其是在一些電網基礎設施比較落后的地區，電網一旦出現異常，很容易就會引起連鎖反應，危及系統安全。因此必須做好電網的運行管理，各級網絡密切配合，統一調度。

2.3 電網技術脆弱性

繼電保護技術、安全穩定控制系統及安全自動裝置技術、直流偏磁、調度運行及安全防護技術都存在脆弱性特征。電網發生故障導致穩定破壞時，依靠繼電保護裝置、過載切機切負荷穩控裝置，保障電網安全運行的安全自動裝置、低頻低壓失步解列裝置，通過高速準確地切除故障元件、自動低頻、低壓減負或解列等措施，防止系統崩潰，避免造成大面積停電，減少負荷損失，這就是電力系統安全穩定的“三道防線”。“三道防線”中的任何一個環節出現技術問題，都會威脅系統穩定運行。

2.4 設備設施脆弱性

發電設備、變壓器、母線及附屬設備、輸電線路、斷路器、直流一次設備、繼電保護設備、安全穩定自動裝置設備、調度自動化系統、電網通信設備等，存在設備故障問題、設備檢修能力問題、設備超期服役問題等脆弱性特征。電力系統設備設施在運行中的作用不同，其運行工況會在一定范圍內產生影響，設備設施質量和性能不佳是構成電網脆弱性因素之一。因設備設施損壞造成系統停電事件屢屢發生，設備設施質量和性能是保證安全運行的前提。

2.5 外部環境的影響

自然災害的影響，如氣候變化、臺風侵襲等因素可能造成負荷削減時，電網存在風險。負荷削減率越大，電網風險越高。自然生物或社會活動的干擾，可能引發設備設施的故障和損耗，亦會造成可靠性的削減。臺風、雷暴、洪澇、泥石流等自然災害對電網運行帶來威脅，構成電網脆弱性的外部影響因素，國內外都發生過因自然災害造成電力系統大面積停電事故案例，輸電線路對樹木放電、外力破壞造成的短路事故也時有發生。因此，外部環境也是電網脆弱性因素之一。

3? 基于電網的典型事件情景構建

3.1 情景選擇

由于設備故障、外力破壞或自然災害的影響，導致某區域內電氣介數較高的變電站失效，所有線路退出運行，由于電網按“N-1”設計，此時電網能正常運行，但電網結構已經非常薄弱;現存電網中電氣介數最高的線路或變電站再次失效，此時電網中部分線路過載，安穩裝置動作，通過提高區域內發電機出力或切除部分負荷來保證電網穩定性;隨著余下電網中的線路或變電站持續失效，安穩裝置不斷切除負荷，當達到臨界狀態后，線路或變壓器因超載發生跳閘而形成連鎖反應，電網解列成幾個小孤網，若孤網內電源與負荷達到平穩，維持孤網穩定運行，若孤網內無電源或電源與負荷不匹配發生振蕩而瓦解，即形成大面積停電事件。本研究選定某一區域因臺風侵襲，造成電網設備設施遭到破壞，致使區域主干網嚴重失效，造成大面積停電進行模擬推演。研究造成大面積停電邏輯機理，因臺風侵襲，假設結構或設備崩潰或失效，或由于技術、管理等因素引發系統其它設備、裝置等失效、誤動或拒動等致使設定區域輸電斷路，造成大面積停電。

3.2 情景模擬

現選點如下三種場景進行情景模擬：臺風登陸襲擊電網。此階段中某變電站220kV母線發生三相短路開關拒動，母線失靈保護動作跳開母線所有開關，大量線路被迫跳開，導致系統運行方式發生較大變化，尤其是向某地區供電的南線三回220kV線路退出運行;龍卷風襲擊加某電站。此階段500kV兩條線路及兩臺主變全部跳閘，220kV所有出線跳閘，最終導致某地區電網孤網運行，僅由某電廠通過220kV三個變電站向某站供電，其他電廠通過220kV兩個變電站向某站供電。全過程仿真模擬某電網在聯網狀態下由相繼故障跳入孤網運行;某電網跳入孤網運行后發生頻率振蕩，某電廠一臺發電機組因低頻保護動作跳閘，頻率繼續下降，孤網內其他發電機組相繼跳閘停機，系統瓦解，某電網全黑。

3.3 模擬結論

經過模擬災害情景，進行RTDS仿真試驗，結論如下：RTDS實時仿真反演了某片區多處站點停電的情景，模擬了臺風災害對電網線路、變電站母線等關鍵元件的攻擊過程，復現故障演化的時序和細節，并且考慮了故障發展過程中機組低頻保護裝置的動作對電網的影響。在RTDS仿真平臺上進行災害情景反演，可直觀評估災害對電網的影響，模擬情景邏輯成立;RTDS實時仿真對某黑啟動方案各步驟進行了仿真校驗，證明了黑啟動方案可行性，同時RTDS仿真也揭示了部分黑啟動方案步驟中可能存在的風險，并基于風險提出了相應的控制手段建議。

4? 應急能力評估

結合以上情景分析和模擬計算結果，對某電網應急管理的預防與應急準備、監測與預警、應急處置與救援、事后恢復與重建四個階段，對每一階段任務、承擔該任務的主責部門、協同部門及其主要職責及資源清單進行分析，形成任務清單，然后逐項進行對照評估。依據情景演化過程，對照電網相關綜合應急預案和電網大面積停電應急預案，梳理應急任務，查找應急準備、任務、處置等缺失，最后匯總存在問題。根據對電網大面積停電事件情景展現，以及對其應急準備能力的評估結果，電網公司應急組織機構完整，各應急組織的相關職責明確，建立了相應的專業應急隊伍，配備了相應的專業應急設施，編制了總體應急預案和相應的專項應急預案，電網具備了相當規模的重大突發事件應急處置能力。

5? 結論

綜上，將突發事件情景構建理論應用于電網應急管理中，不斷豐富和完善電網企業的應急管理制度和體系，是一項非常必要和有益的探索和研究。不但創新了管理方法，也評估了電網企業的應急能力，為應急管理決策者提供了新思路和技術支撐。同時，也建議在情景構建的細節和具體設定條件上做進一步探索，確保其仿真結果的真實性和準確性。

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作者簡介：戴光奮（1974-），男，廣東羅定人，本科，高級工程師，廣東省電力應急指揮中心，主要從事電力應急管理工作。