大面積停電事故防御方法研究綜述

尹昌潔，王嘯宇，王 維，賀 慶

(全球能源互聯網發展合作組織，北京 100031)

0 引言

隨著我國經濟高速發展，電力需求保持持續快速增長，電網區域互聯格局與分層的特點清晰，包括跨大區南北通道、東西通道等。近年來，雖然未發生過大規模停電事故，但也隨時面臨著大面積停電的風險和挑戰。

電網的遠距離互聯有可能導致連鎖故障以及大范圍停電，必須考慮外部惡劣天氣與災害、電網自身結構問題、運行條件變化、新能源逐漸接入帶來的波動性增加等因素造成連鎖故障的風險。因此，加強連鎖故障的深化研究對于提升大面積停電防御技術、保障電網安全穩定運行具有重要意義。

1 大面積停電事故危害

1.1 大面積停電事故統計

停電事故是電力系統可能會多次重復發生的事件，沒有一個電力系統能保證百分百不發生停電事故。早期的停電事故，由于系統規模小、電壓等級低、覆蓋范圍小，沒有受到足夠的重視，缺乏相應的記錄和分析。20世紀60年代以來，歐美發達國家電力系統已初具現代電力系統規模，其停電影響不容忽視，開始有明確的記錄。

從1965年至今，世界上大面積停電事件發生過54 次。2003-08-14 美國東北部和加拿大東部夏季高溫天氣下，因線路觸樹跳閘引起連鎖跳閘，損失負荷達61 800 MW，影響了多個州，負荷輪停時間最長達29 h；2019-03-07 委內瑞拉關鍵電力設施因受人為破壞及網絡攻擊，造成全國電力中斷超過24 h；2021-02-15 美國德克薩斯受極端嚴寒天氣影響導致機組非計劃停運，負荷損失達到20 GW，負荷輪停時間最長達70.5 h，超過450 萬居民遭遇停電，電價漲到了平時的200 多倍，事故造成的直接和間接經濟損失高達上千億美元。

1.2 事故分析

一般情況下大面積停電的起因不是簡單的單一事件，系統配備有故障保護和控制設施，在一般故障下電網即使受到影響也不會導致崩潰。電力系統故障可分為單重故障與多重故障，多重故障間存在時間接續的可定義為相繼故障，相繼故障間如有因果關系的則可稱為連鎖故障[1]。大面積停電事故作為突破電力系統三道防線的極端故障災害，多個電力元件停運存在時間連續、因果關聯的關系，屬于連鎖故障的一種表現形式。

根據以往發生的大面積停電事故案例分析，可發現常規大面積停電事故是一系列小的故障和偶然因素綜合發展的結果，由具有因果關系的一系列連鎖故障逐級演變導致的，一般可分為起始、擴大和崩潰三個階段，如圖1所示。

圖1 常規大面積停電事故發展階段

(1) 事故起始階段。由于內外因導致系統供需不平衡、設備故障或工作異常，電壓、頻率、功角出現擾動，但擾動程度和影響范圍有限，擾動后果可控。

(2) 事故擴大階段。由于調度處置不當或者初始擾動引發其他設備運行狀況異常并跳閘，部分元件(線路、機組)過載被切除，導致事故的影響范圍擴大并使系統運行狀況惡化，系統處于穩定邊界。該階段局部功率不平衡，潮流開始轉移，但擾動屬于部分可控，如果能執行正確的處置方案，則可將事故控制在有限范圍內。

(3) 事故崩潰階段。潮流大范圍轉移，引發大量線路跳閘，導致振蕩甚至解列，機組可能因為保護動作而跳閘，系統電壓、頻率崩潰，全網大面積停電。

而非常規大面積停電事故是指受外力破壞直接導致大范圍停電的事故，主要包括三類。

(1) 嚴重自然災害(地震、海嘯)，不僅導致大面積停電，還造成人員傷亡。

(2) 直接造成電力設施大范圍破壞，例如1991年海灣戰爭中使用石墨炸彈對伊拉克電網進行的重點打擊。

(3) 網絡攻擊操控電力系統，造成停電事故。

2 大面積停電研究理論

2.1 常用理論分析模型

研究大面積停電事故理論模型有很多，在方法論上主要可分為兩大類，即宏觀系統論和還原論。

(1) 宏觀系統論。主要從整體特性分析電力系統安全性，研究模型主要基于復雜網絡理論及自組織臨界理論。

(2) 還原論。注重還原停電物理過程，研究模型主要基于模式搜索理論[2]。總的來說，隨著我國電力系統層級結構越來越復雜、電力設備越來越智能，對大面積停電事故的研究與防御難度也越來越高，工作大體上可主要概括為三個部分，即廣域的信息采集、電力系統大面積停電事故的風險評估以及應對事故的控制防御。

信息采集包括自然災害信息、輸電線路和元器件設計信息、輸電線路和元器件地理環境信息、電力系統運行信息等，通過模型對采集的信息進行仿真分析，評估電力系統風險及設備故障概率等，從而采取控制預防、應急處置、緊急恢復等相關措施以防止發生大面積停電事故或減少大面積停電事故對系統所造成的影響或損失。

從仿真角度來看，對大面積停電事故防御的研究模型主要基于模式搜索理論，包括基于直流潮流或交流潮流的穩態模型、基于穩定計算的暫態模型以及兩者交替計算的混合模型。其中，基于交流潮流的穩態模型兼顧了計算速度和準確度，在事故分析防御中引用得較多。

2.2 階段側重防御理論

本研究側重從大面積停電事故防御的不同階段進行分類分析。

2.2.1 提高設計標準

在規劃階段提高電力系統線路“生命線工程”的設計標準。在初始設定狀態下提高規劃設計標準是避免大面積停電事故較為直接的一種防御操作，但全面提高設計標準會導致造價成本過高。一些研究提出差異化的設計方法以提高線路設計經濟性，但無法完全避免線路設備可能出現的故障。

2.2.2 預防控制降低初始故障概率

事先對電力系統采取預想的控制，稱之為預防控制。隨著電網規模的擴大，相繼故障和連鎖故障的發生概率急劇增加。一些研究主要通過在線分析故障組合問題，并根據相關故障情況動態生成預想故障集，在大面積停電事故發生前進行預防處理，從而降低初始故障概率；另一種研究角度則是通過釋放壓力遠離系統臨界態，模擬系統自組織臨界特性，分析系統高風險運行的出現概率，并采取控制措施阻斷故障傳遞來避免大面積停電事故的發生。

2.2.3 應急處置切斷故障傳播

當預防控制不能將所有故障限制在可控范圍內，或系統出現嚴重故障需采取應急處置措施時，要及時有效地切機、切負荷、切斷故障傳播。一些研究基于大電網在線分布式計算的多智能體控制法，控制廣域協同系統，提供切機、切負荷的最優配置方案，使系統損失達到最小化；另一種研究角度則是將合作博弈思想應用于故障控制，提前預設攻防兩方對弈防御模型，模擬評估電網線路的脆弱性，并予以及時干預以達到大面積停電防御效果[3]。

2.2.4 黑啟動恢復供電

當采取控制措施不能維持系統穩定導致局部停電事故時，可通過區域內黑啟動電源快速恢復電網供電，降低電網壓力，避免大面積停電事故發生。采用的方法包括對停電區域進行劃分，并開展區域恢復優化、負荷恢復優化等[4]。

3 大面積停電防御的方法分析

3.1 彈性電網

彈性系統概念1973年由加拿大生態學家C.S.Holling 提出[5]，首次引入電力系統是2009年美國能源部發布的《智能電網報告》，2010年美國國土安全部發布的《能源領域專項計劃》將彈性概念納入其中，明確了建立彈性電網的目標。

國內外學術界和產業界分別從多個角度對彈性電網開展了相關研究，文獻[6]對現有電力系統彈性定義進行了歸納和整理，認為彈性電網具有3 個主要特征。

(1) 遭遇擾動事件之前有能力做出相應的準備與預防。

(2) 擾動過程中有能力抵御及適應。

(3) 擾動后有能力快速恢復到期望的狀態。

英國工程與物理研究委員會開展了英國彈性電網研究項目(RESNET)，旨在提高英國電網恢復力，應對氣候變化。美國多個能源電力公司開展了極端天氣下電力系統的停電響應能力研究，并且在2014年成功抵御了多個大型風暴對能源電力基礎設施的危害。日本在仙臺建立微網示范工程，利用微網實現了9.0 級強震后的快速恢復供電。常見的四類評估電網彈性水平的定量指標見表1。

表1 電力系統彈性評估的定量彈性指標

3.2 動態可靠性評估

在常規的電力系統可靠性評估理論中，元件的故障率等可靠性參數取恒定值(基于長期數據統計的均值)，未考慮不同元件之間健康狀況差異及外部環境、運行條件對元件停運概率的影響，無法進一步評估電網實時運行狀態下的短期可靠性。

目前，元件運行可靠性建模方面的研究雖然考慮了一些運行條件，如線路電流、母線電壓對元件停運概率的影響，但仍然存在以下問題。

(1) 傳統元件可靠性模型考慮的外部環境和系統方面因素不夠全面。

(2) 元件時間相依的和運行條件相依的模型缺乏有機統一。

(3) 時間相依的老化模型是個長時間尺度，而外部環境和系統運行條件變化很快。

元件分為可修復元件和不可修復兩大類，其組成的系統也可分為可修復系統和不可修復系統，電力系統必然滿足可修復系統的要求。

影響設備停運的因素有設備自身條件、外部天氣、電網運行方式等，大量研究提出了電力系統設備在單一因素影響下的停運概率模型。文獻[7]采用模糊推理系統理論及基于證據理論的多因素融合方法完成了多因素影響的停運概率建模，并應用到電力系統風險評估、故障路徑預測等領域。

3.3 應對停電的博弈論

博弈論主要研究多個決策主體之間存在利益關聯或沖突的情況下，如何在決策過程中，根據自身能力大小和掌握的有限信息，做出最佳判斷的理論。博弈論源于經濟學，在電力系統規劃、調度、控制等方面得到相繼應用。隨著眾多新型電力系統的構建，如何保障電力系統安全穩定運行一直是極具挑戰的課題。

在處理電力系統防御策略的研究中，基于博弈論的分析方法逐漸被接受。雷擊、臺風等自然因素以及人為蓄意破壞將導致電力系統物理或通信元件故障，其故障將影響區域電網其他元件，進而誘發系統連鎖故障導致大面積停電。電網在大擾動過程中，調度采取及時正確的措施將事故控制住并切除故障，消除全網的停電風險則是正確的博弈過程。

文獻[8]以斷路器故障造成支路退運作為觸發連鎖故障的初始條件，利用Q-learning 強化學習尋求支路相繼退運與調度控制雙方多階段動態博弈的納什均衡，獲得最優連鎖故障相繼跳閘序列，最終獲得電網最優在線防御策略。文獻[9]以線路故障作為觸發連鎖故障的初始條件，提出故障方的有限理性假設和故障方的關聯性假設，提出一種考慮人為參與作用的多階段動態博弈模型，驗證人為作用對于防御的有效性。

文獻[10]探究了連鎖反應故障的演化規律與一般特征，以線路故障作為觸發連鎖故障的初始條件，提出故障方的完全理性假設，結合博弈論提出了連鎖故障對弈模型。文獻[11]以變壓器退運作為觸發連鎖故障的初始條件，建立了基于序貫博弈的變壓器柔性保護策略。

文獻[12]提出一種電網設備和信息網絡同時遭受攻擊的場景，提出了電網攻防一體的動態博弈規劃模型。文獻[13]針對線路—線路與信息節點協同攻擊，建立了兩階段多目標模型。文獻[14]提出了網絡攻擊定量評估方法及防御手段最優分配策略。文獻[15]分析了電力虛假數據注入攻擊的可行性，并針對攻擊方和防御方的多階段動態交互過程，提出了一種基于博弈論的多個階段動態防御方法。

4 結論與建議

連鎖故障導致的大面積停電事故并不是某一單一原因引起的，而是牽涉電力系統規劃和運行的方方面面。電力系統作為一個元件數量巨大、網絡結構復雜、分布松散而有序的系統，任何擾動下如果沒有及時正確的應對，都有可能導致停電事故的迅速擴散。為此，提出應對大面積停電的建議如下。

(1) 構建堅強合理的網架結構和網架拓撲是抵御連鎖故障的首要條件。我國能源資源與能源消費逆向分布的基本國情，客觀上決定了必須進行能源大范圍優化配置，建設輸電距離遠且容量大的直流電網，并匹配強大的交流電網予以支撐。

(2) 堅持統一高效的調度制度及“安全第一，預防為主”原則，編制規范的事故處理預案，提高調度機構和調度員的應急處置能力；應強化應急演練工作，建立常態化支撐機制，確保電網故障或事故得到迅速正確處理，防止大面積停電事故的發生。

(3) 建立可靠的安全穩定防御體系。應繼續加強電網“三道防線”建設，以及繼電保護、安全穩定自動裝置的管理；重視保護等二次系統裝置的自檢和在線監測、保護裝置和安自裝置整定值的實時校驗；針對重要的聯絡線，要考慮過負荷保護在特定情況下的整定值問題，防止出現過負荷情況下的連鎖跳閘；強化新能源、直流控保與系統控制之間的協調；采用先進的電網控制技術，完善信息通信系統，明確電網和設備存在的問題和薄弱環節，健全全國互聯電網安全穩定運行的戰略防御體系，達到有效的防御或抵御事故沖擊的目的。

(4) 堅持更嚴格的電網安全穩定分析和運行標準，監控電網在線數據，合理安排運行方式；適當提高輸電工程的建設標準以加強電網在極端條件下的抵抗能力。

(5) 加強防御電網連鎖故障的跨專業聯合攻關。電網連鎖故障的發生發展受電網內外部因素共同影響，包括潮流、電壓、頻率、環境、溫度、設備運行狀態及人為因素，綜合考慮電力系統在線穩定分析、電力氣象預測、自然災害預警、電力設備在線監測、繼電保護隱性故障檢測、重要輸電通道環境管控等數據，跨專業聯合預防和抵御因連鎖故障誘發的大面積停電事故。