應對災變的電力安全風險評估框架及其應用

侯 慧,張勇傳,周建中,尹項根,游大海,陳慶前,,童光毅

（1.華中科技大學水電與數(shù)字化工程學院，武漢市，430074；2,華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢市，430074；3.國家電力監(jiān)管委員會南方監(jiān)管局，廣州市，510180)

0 引言

電力安全問題是一個關系到社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展的世界共性問題，歷來受到各國政府及相關電力企業(yè)的高度關注。電力系統(tǒng)一旦遭到各種災變（包括穩(wěn)定破壞、自然災害及人為破壞等）的沖擊，將可能引發(fā)大面積停電或電網(wǎng)解列，給國民經(jīng)濟、人民生活甚至國家安全帶來嚴重損害。為提高電力系統(tǒng)的可靠性，評估和監(jiān)管整個電力系統(tǒng)及其內(nèi)部結構和設備潛在的危險，研究應對災變的電力系統(tǒng)安全風險評估體系并制定防范對策，具有重要的理論意義和工程實用價值。

長期以來，電力系統(tǒng)在傳統(tǒng)的穩(wěn)定分析及技術對策方面已做了大量的研究，同時還引入了概率分析模型和方法作為系統(tǒng)安全保障問題的補充。然而，全球近年來連續(xù)發(fā)生的各種災變導致的電力系統(tǒng)事故表明，以往的系統(tǒng)安全分析手段僅停留在技術層面上是不夠的。除了繼續(xù)完善現(xiàn)有各種分析方法外，還必須從實用化的角度建立更為完備的電力安全風險評估體系，建立政府、電力企業(yè)與用戶端共同參與的風險評估機制，并將該機制置于相應的政策約束之下。

本文在建立這種實用化的政企合作應對災變的電力安全風險評估體系方面展開了較為系統(tǒng)的研究，建立了新的電力系統(tǒng)安全風險評估框架，該框架由傳統(tǒng)的穩(wěn)定分析、可靠性概率分析以及系統(tǒng)在結構、技術、設備及管理等方面的風險分析等幾個方面共同構成；然后，以廣東省電力系統(tǒng)為例，結合廣東省電力系統(tǒng)的實際特點，建立了廣東省電力系統(tǒng)安全風險評估總體框架，目前已在廣東省電力系統(tǒng)得到初步應用，證明了該體系框架的科學性和實用性。

1 現(xiàn)有電力系統(tǒng)安全風險評估體系的缺陷

在全世界的電力系統(tǒng)可靠性評估體系中，現(xiàn)在公認的N-X準則（即單元件故障準則，有的電力系統(tǒng)會根據(jù)需要校驗到N-2、N-3或者更多）是普遍有效的。這也是最典型的確定性安全風險評估準則之一。

從20世紀90年代后期開始，國際大電網(wǎng)協(xié)會（CIGRE）、國際電工委員會（IEC）、北美電力可靠性協(xié)會（NERC）、美國西部協(xié)調(diào)委員會（WSCC）以及IEEE等國際電力組織都對電力系統(tǒng)可靠性及風險評估制訂了相關標準或規(guī)范[1-7]，如表1所示，這些規(guī)范均給出了概率風險度的定義。我國也于2004年由國家發(fā)改委頒布了DL/T 861—2004《電力可靠性基本名詞術語》[8]。由于這些規(guī)范所針對的電力系統(tǒng)環(huán)境、運行、市場等條件均不盡相同，各國電力系統(tǒng)的情況也相差很大，因而并未能形成國際上通用的電力系統(tǒng)可靠性及風險評估的體系。

現(xiàn)有的確定性評估準則及可靠性概率評估體系存在如下缺陷：

表1 國際電力組織幾種主要電力系統(tǒng)可靠性評估準則Tab.1 Main power system reliability assessment standard developed by different international power organizations

（1）傳統(tǒng)的確定性評估準則作為風險評估依據(jù)已顯不夠。

以確定性評估準則為依據(jù)的大電網(wǎng)傳統(tǒng)規(guī)劃和運行控制模型與方法，通常只重視最嚴重、最可信的事故，因而分析結果趨于保守[9]；現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的可靠性不僅僅需要依賴于這些傳統(tǒng)的確定性評估準則（如單元件故障準則）來進行規(guī)劃、運行、維護和資產(chǎn)管理等工作，更需要考慮大電網(wǎng)事故的隨機性質(zhì)，計及各種不確定性災變事件帶來的影響，在現(xiàn)有的評估準則和方法的基礎上使用一些新的思路與方法來補充、改進和完善現(xiàn)有的評估方法。

（2）研究理論應用于工程實際存在瓶頸。

盡管學術界和工程界已經(jīng)認識到確定性評估準則需要概率性模型和方法作補充，也已經(jīng)在電力系統(tǒng)可靠性概率模型和應用研究領域開展了一些工作，但是由于電力系統(tǒng)隨機行為的復雜性，使得這一領域的研究進展在工程實際應用方面仍然十分局限，理論與實際應用之間存在一段空白。

國際上沒有統(tǒng)一的風險評估框架標準來作為行業(yè)規(guī)范，也使得系統(tǒng)的工程人員面臨各種困境。一些研究領域的具體方法在工程實際應用中遇到了瓶頸，如何利用這些研究方法來建立真正實用化的電力系統(tǒng)風險評估體系是現(xiàn)階段國際上未能解決的問題之一。

（3）現(xiàn)階段使用的一些可靠性指標過于抽象。

對以上幾種主要評估準則中的評估指標進行調(diào)研可知，對風險的評價主要還是集中在對負荷切除量、停電持續(xù)時間等電氣量的期望值表示，對停電損失費用等考慮經(jīng)濟性因素在內(nèi)的風險評估指標卻考慮較少。事實上，IEEE及IEC推薦的這些可靠性指標并未得到廣泛采用，究其原因可能是這些指標比較抽象，可能掩蓋一些人們關心的實質(zhì)問題，如損失電量帶來的經(jīng)濟損失到底有多大，由于各地區(qū)、各不同負荷受國家政策調(diào)整、社會經(jīng)濟發(fā)展水平及環(huán)境變化等不平衡因素的影響，不可能僅僅通過損失電量來判斷用戶單位缺電量下缺電損失的實際情況。

（4）政府監(jiān)管的缺失。

由電力學術界和工程界自發(fā)組織的安全風險評估固然起著極大的作用，產(chǎn)生了經(jīng)典的單元件故障準則和概率評估等作為安全風險評估的理論基礎。但對于維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定這樣一個極其復雜的系統(tǒng)工程來說，沒有引入政府部門的監(jiān)管和用戶端的參與，僅僅依靠電力企業(yè)自身來防范大面積停電的風險，還存在不足。美國等世界發(fā)達國家已經(jīng)意識到這個問題，早在2002年即由美國國家能源部頒布了《電力系統(tǒng)脆弱性評估》[10]，使得電力系統(tǒng)安全風險評估成為全行業(yè)共同參與的評估模式，可供世界其他國家進行電力系統(tǒng)安全風險評估借鑒和參考。

綜上所述，在新的形勢下，電力系統(tǒng)急待解決的首要問題是如何將電力系統(tǒng)的安全風險評估體系及框架提升到政府監(jiān)管下全行業(yè)實用化的階段。本文在調(diào)研了大量國內(nèi)外可靠性風險評估準則、行業(yè)標準、各種電力系統(tǒng)安全防護報告、電力安全報告以及各種穩(wěn)定評價相關資料的基礎上，對制訂一套可適用于工程實際的政府與企業(yè)共同參與的電力系統(tǒng)安全風險評估框架及指標體系進行了有益的探索。

2 應對災變的電力安全風險評估新體系

2.1 體系框架

本文建立的政府與電力企業(yè)合作應對災變的電力安全風險評估新體系構成如圖1[11]所示。

（1）新評估體系與傳統(tǒng)評估體系的差異。

本文提出的電力安全風險評估新體系從政府主導的角度出發(fā)，與傳統(tǒng)的電力企業(yè)自發(fā)為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行而進行的風險評估與穩(wěn)定分析的出發(fā)點不同：傳統(tǒng)的企業(yè)自主進行的風險評估較注重保證大電網(wǎng)的完整性與穩(wěn)定性；而政府主導的安全風險評估則并不重視系統(tǒng)本身是否解列或仍保持大電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，而更加關心大停電導致的事故后果，即停電導致的負荷損失，以及這一損失對人民生產(chǎn)、生活的影響。

這一根本理念的不同，必然導致新的評估體系必須采用一些新的方法、新的評估框架及手段來對電力系統(tǒng)安全風險進行更為完善的評估。新的評估框架不僅僅把工作集中在因穩(wěn)定破壞引起的電網(wǎng)連鎖故障等傳統(tǒng)考慮較多的電網(wǎng)故障模式，同時還考慮了各種災變，包括自然災害及人為破壞，引起的電力系統(tǒng)大面積停電風險的影響。

在新的評估體系中，不僅需要電力企業(yè)本身的參與，還需要政府監(jiān)管部門及用戶端的共同參與，使得電力系統(tǒng)風險評估與預防變?yōu)橐粋€全民共同參與的切實可行的行動計劃，這樣才能使得電力系統(tǒng)的風險降至最低，并且具有工程實用性。

（2）政企合作下的電力安全風險評估新框架。

現(xiàn)階段電力系統(tǒng)存在的重要缺陷之一是：即使傳統(tǒng)的穩(wěn)定計算全部滿足要求，仍然可能會有大面積停電事故等穩(wěn)定破壞事件的發(fā)生。而且現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的穩(wěn)定一旦遭到破壞，僅依靠傳統(tǒng)的三道防線或電力企業(yè)的繼電保護部門與運行方式部門的臨時調(diào)整進行配合，已明顯不足以應對。雖然這在一定條件下能緩解電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞的引起的大面積停電風險，并在多年的研究和實踐中取得了一定成效，但依靠二次系統(tǒng)來解決一次系統(tǒng)存在的缺陷和問題并非是解決系統(tǒng)大面積停電風險的根本途徑，特別是在應對各種自然災害、人為破壞等導致的系統(tǒng)大面積停電問題上。因此，在現(xiàn)階段新的歷史背景下，必須引入新的電力系統(tǒng)安全風險評估體系來解決這一重大難題。

新的風險評估體系以社會福利最大化為準則，因為政府并不真正關心電力系統(tǒng)的具體技術細節(jié)問題，如某種故障情況下電網(wǎng)是否會崩潰，而是更多地關心由這些問題帶來的嚴重后果。例如，電網(wǎng)崩潰后，將導致的負荷損失量及負荷類型等；或者電網(wǎng)保持完整并未崩潰情況下，局部將削減負荷量及負荷類型等。在過去，這些數(shù)據(jù)對于政府來說都是不透明的，由電力企業(yè)內(nèi)部掌控，但在新的風險評估要求下，這些數(shù)據(jù)對于政府來說至關重要，必須透明。新的風險評估框架的具體條款即要解決這類問題。

2.2 分析方法與評估內(nèi)容

本文提出的應對災變的電力安全風險評估將綜合運用傳統(tǒng)的穩(wěn)定分析計算、可靠性概率分析以及對系統(tǒng)的脆弱性分析這3種手段，構成整個系統(tǒng)的安全風險評估體系，該體系中各部分的分析方法與評估內(nèi)容如圖2[11]所示。

由圖2可知，全面的電力系統(tǒng)應對災變的安全風險評估應包含3個維度的內(nèi)容：（1）第1個維度為傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算、熱穩(wěn)定計算、潮流計算等確定性準則下的評估；（2）第2個維度為概率性的風險評估，利用概率風險指標來表征系統(tǒng)安全度水平的概率值及其風險的嚴重程度；（3）第3個維度為系統(tǒng)脆弱性風險分析，涉及到電力系統(tǒng)風險評估實用化的各個方面，包括電力系統(tǒng)的結構、技術、設備及管理等。因為電力系統(tǒng)不僅僅需要數(shù)學表達式來表征系統(tǒng)所處的狀態(tài)、概率值等，更需要對各個方面進行具體而全面的把握，使得系統(tǒng)人員及政府監(jiān)管部門能夠真正了解到某一方面是否存在隱患或問題，以及問題的根源，改善這些問題的方法，這些都是電力系統(tǒng)進行風險評估的初衷之一，也是政府主導與企業(yè)自主的安全風險評估框架所必須包含的內(nèi)容。

2.3 評估指標體系

在建立了以上電力系統(tǒng)安全風險評估體系的基礎上，把這個評估體系落實到微觀的實際指標上，是電力系統(tǒng)風險評估理論研究與實際應用之間的重要一環(huán)。由于確定性準則指標和概率性風險指標屬于電力企業(yè)長久以來已經(jīng)發(fā)展相對成熟的領域，對于這2個維度上的評估已有成果報道[12-15]，本文對這2個維度上的典型評估指標不再介紹。

本文僅以第3個維度上“結構、技術、設備、管理”4個方面為例，說明該評估指標體系。根據(jù)國內(nèi)電力系統(tǒng)運行幾十年來所積累的工程實踐經(jīng)驗和國內(nèi)外有關文獻的研究成果[1-8,12-15]，同時參考CIGRE、IEC、NERC、WSCC及IEEE的相關委員會等制訂的一系列電力系統(tǒng)風險評估方面的規(guī)范、規(guī)程的有關規(guī)定，本文將評估指標按1級指標、2級指標、3級指標層層劃分，結構脆弱性指標體系、設備脆弱性指標體系、技術脆弱性指標體系及管理脆弱性指標體系分別見圖3～6。最后，按各項指標的權重進行綜合評級。

上述4個方面的評估完成后，根據(jù)各項指標的權重，綜合分析被評估對象的脆弱性，系統(tǒng)健康狀態(tài)綜合評估評分表如表2所示，表中各項內(nèi)容及其權重可根據(jù)實際電力系統(tǒng)的具體情況而具體分析確定。

表2 綜合評估Tab.2 Comprehensive assessment

根據(jù)最底層風險評估指標的計算結果確定該指標的風險程度（不同的風險程度代表指標的計算結果處在不同數(shù)值區(qū)間內(nèi)），考慮到將定性和定量指標統(tǒng)一無量綱化，這里采用9分制進行評分，代表含義如表3所示。

表3 風險程度得分Tab.3 Risk level score

3 應對災變的電力安全風險評估框架在廣東省電力系統(tǒng)中的應用

3.1 廣東省電力系統(tǒng)概況

廣東電網(wǎng)是目前全國最大的省級電網(wǎng)。截止到2008年底，廣東電網(wǎng)完成供電量3185億kW·h，完成售電量2999.5億kW·h；廣東電網(wǎng)共有35 kV及以上變電站1885座、主變?nèi)萘?.5億kVA、輸電線路5.9萬km。廣東電網(wǎng)目前已形成以珠江三角洲地區(qū)500 kV主干內(nèi)環(huán)網(wǎng)為中心、向東西兩翼及粵北輻射的形式，通過“八交四直”500 kV線路以及橋曲線與外部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)[16]。

廣東電網(wǎng)作為遠距離、大容量、超高壓、交直流混合運行的受端電網(wǎng)，是全球最復雜的受端電網(wǎng)之一，調(diào)度難度相當大，確保全省電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的難度很高。專家分析表明幾乎所有500 kV廠站（至少有25個）的主保護故障都可能引發(fā)系統(tǒng)安全問題。受電網(wǎng)建設滯后、用電負荷增長快等因素影響，廣東省新投產(chǎn)的電源或多或少地存在送出問題，粵東、粵北、粵西地區(qū)問題尤為明顯，限電情況仍在相當長的一段時期內(nèi)存在，給電網(wǎng)的安全調(diào)度帶來很大困難。此外，隨著供需矛盾的逐步加劇，系統(tǒng)的峰谷差將進一步拉大，調(diào)峰和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)難度加大，給電網(wǎng)的安全運行帶來了新的隱患。對于廣東這樣一個經(jīng)濟大省，一旦發(fā)生電網(wǎng)事故，其損失將是無法估量的。廣東省電網(wǎng)地理接線圖如圖7所示，為簡化起見，圖中只表示出了500 kV主干網(wǎng)輸電線路[16]。

3.2 廣東省電力系統(tǒng)應對災變的安全風險評估總體框架

廣東省電力系統(tǒng)應對災變的安全風險評估框架綜合運用傳統(tǒng)的穩(wěn)定分析計算、可靠性概率分析以及復雜系統(tǒng)的脆弱性分析3種手段，構成對整個系統(tǒng)的安全風險及脆弱性評估體系。其中，政府主導、企業(yè)自查的組織形式及風險指標層次如圖8所示，評估方法及框架如圖9所示。

3.3 新框架下廣東省電力系統(tǒng)應對災變的安全風險評估的指標體系

如前所述，由于確定性準則指標和概率性風險指標屬于電力企業(yè)長久以來已經(jīng)發(fā)展相對成熟的領域，因此，本文此處也只對廣東省在結構、技術、設備、技術4個方面的安全風險評估指標進行定義示例，如圖10～13所示。限于篇幅，本文對具體各指標的計算方法[17]不再介紹。

4 結論

本文分析了現(xiàn)有電力安全風險評估存在的缺陷，指出傳統(tǒng)的安全評估和穩(wěn)定控制方法存在無法考慮系統(tǒng)隨機性、缺乏政府參與及監(jiān)管等問題。針對這些問題，本文提出電力系統(tǒng)安全風險評估必須引入政府與電力企業(yè)共同參與的評估模式，從理論和實用的角度建立了電力系統(tǒng)應對災變的安全風險評估體系框架。該框架以“傳統(tǒng)確定性準則”、“系統(tǒng)充裕度概率風險”以及“系統(tǒng)脆弱性風險”3個維度為基礎，可以全面而切實可行地對各種類型的電力系統(tǒng)進行風險評估。在此框架基礎上，本文重點分析了第3個維度即“系統(tǒng)脆弱性風險”的風險評估指標體系，從“結構、技術、設備、管理”4個方面建立了實用的安全風險評估指標，根據(jù)這4個方面的評估結果及各項指標的權重可綜合分析出被評估對象的脆弱性。

最后以廣東省電力系統(tǒng)為例，針對廣東省電力系統(tǒng)的實際情況及特點，建立了廣東省電力系統(tǒng)應對災變的安全風險評估體系，對廣東省在結構、技術、設備、技術4個方面的安全風險評估指標進行了定義。在此評估框架的基礎上，可以進一步對廣東省電力系統(tǒng)存在的風險進行分析計算。本文提出的應對災變的電力系統(tǒng)安全風險評估框架已經(jīng)在廣東省電力系統(tǒng)進行了試點應用，證明了該框架的科學性和實用性。

由于電力系統(tǒng)安全風險評估體系是一個內(nèi)容相當豐富、應用性極強的研究領域，因此還有很多問題有待于進一步討論和研究，本文對應對災變的電力系統(tǒng)安全風險評估進行了有益的探討，可供我國各級電網(wǎng)建立安全風險評估體系時參考。

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