電力系統(tǒng)連鎖故障分析理論與應(yīng)用（二）——關(guān)鍵特征與研究啟示

劉友波，胥威汀，丁理杰，劉俊勇，胡 斌，宋兆歐，許立雄

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610065；3.云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011）

0 引言

電力系統(tǒng)大面積停電幾乎都是由連鎖故障引發(fā)的。從歷次大停電事故形成過程來看，各類關(guān)聯(lián)事 件的相繼誘發(fā)是其主要表現(xiàn)形式，故障由此得以快速擴散，并最終達到調(diào)度員無法進行有效控制的狀態(tài)。因此，對處于連鎖故障中的電力系統(tǒng)而言，眾多關(guān)聯(lián)事件的關(guān)鍵演變特征決定了系統(tǒng)最終的發(fā)展態(tài)勢[1]，也決定了事故最終影響程度。研究大停電中連鎖故障的關(guān)鍵演變特征有利于輔助理解電力系統(tǒng)故障級聯(lián)傳播現(xiàn)象，總結(jié)實際系統(tǒng)行為特點。本文選取近年來影響較大的8 次國內(nèi)外電網(wǎng)連鎖故障樣本作為集中分析對象，研究其連鎖故障過程的主導(dǎo)發(fā)展模式、關(guān)鍵演變特點，分析各自相繼事件間的關(guān)聯(lián)觸發(fā)特征與系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)展態(tài)勢。這8 次大停電事件樣本按發(fā)生時間依次是：①2003年8月15日美加大停電；②2003年8月28日倫敦地區(qū)大停電；③2003年9月28日意大利大停電；④2005年5月25日莫斯科大停電；⑤2006年7月1日華中電網(wǎng)大面積停電；⑥2006年11月4日歐洲大停電；⑦2009年11月10日巴西大停電；⑧2011年2月4日巴西大停電。在前文所梳理的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合真實的電力系統(tǒng)連鎖故障案例與相關(guān)模型分析，明確現(xiàn)有連鎖故障研究的功能缺失與理論瓶頸，提出電力系統(tǒng)連鎖故障分析與防御領(lǐng)域若干需要進一步突破的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向。

1 實際連鎖故障的關(guān)鍵特征

1.1 大停電樣本案例基本信息與分類

將8 次大停電樣本簡稱如下：①2003 北美[2-4]，②2003 倫敦[5-6]，③2003 意大利[7]，④2005 莫斯科[8]，⑤2006 華中[9]，⑥2006 歐洲[10]，⑦2009 巴西[11-12]，⑧2011 巴西[13]。8 次大停電事件的關(guān)鍵基本信息如表1 所列。

表1 大停電事件的基本信息Table 1 Basic information of studied blackouts

從實際大停電案例的基本信息可知，連鎖故障通常源發(fā)于簡單故障，并非安全校驗中常用的三相短路、意外切機等重大擾動。惡劣氣候條件（高溫、暴風(fēng)雨、冰雪）在一定程度上助推了故障擴散強度，如2003 北美和2005 莫斯科都是大規(guī)模潮流意外轉(zhuǎn)移加之高溫負荷驟增后形成的，此類連鎖故障持續(xù)時間長，過程中可控性高，故障擴散前期防御機會較多。此外，保護裝置整定錯誤與動作可靠性、安控裝置邏輯的正確執(zhí)行與否、調(diào)度員保守運行策略是否控制到位等條件在連鎖故障傳播中起到了重要的推波助瀾作用，除2003 意大利大停電外，保護裝置的非可靠動作或廠網(wǎng)保護配合不當(dāng)均在故障演變中扮演了關(guān)鍵角色，這類事件(整定或配合錯誤、保護裝置可靠性低)極難預(yù)測，容易造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)突變，難以防御。

1.2 連鎖故障演變過程與關(guān)鍵特征分析

1.2.1 演變過程與主導(dǎo)模式

連鎖故障包含了若干具有時序性關(guān)聯(lián)的復(fù)雜邏輯事件，這些事件主要指各類元件相繼退出運行，包括線路/變壓器保護動作、切機切負荷、安控裝置動作。圖1 描繪了隨著事件ei的發(fā)展系統(tǒng)脆弱性逐步增強、元件失效規(guī)模不斷增大、運行安全水平持續(xù)降低的必然過程，直到事件en發(fā)生，元件切除規(guī)模與系統(tǒng)脆弱性驟升，系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)無法控制的快速變化，最終體現(xiàn)出復(fù)雜系統(tǒng)自組織臨界特征。

圖1 連鎖故障演變過程與系統(tǒng)狀態(tài)特征Fig.1 Evolution of cascading failure and power system operation characteristics

當(dāng)事件en發(fā)生后，伴隨參數(shù)劇烈變化，系統(tǒng)運行將進入難以控制的局面，將en定義為該事故鏈中的臨界事件，其概率可表示為Pen=P(en|e1e2…en-1)。若以wi、V(t,en)、M(t,en)分別表示被切除元件i的重要性權(quán)重、系統(tǒng)在t時刻綜合脆弱性和安全裕度，則可用以下廣義表達式描述連鎖故障臨界風(fēng)險。

其中：t為連鎖故障事件時序；M(t,en)對t的偏導(dǎo)表征系統(tǒng)安全運行水平隨故障時序的變化水平，針對不同系統(tǒng)和連鎖故障模型，選用適當(dāng)分類指標(biāo)代入Rcr表達式中，隨著故障擴大，Rcr理論上應(yīng)成指數(shù)級增長，可觀察運行風(fēng)險及臨界事件前后的狀態(tài)拐點。

歷次大停電的起因與故障擴散模式各異，元件切除后的潮流轉(zhuǎn)移致使其他元件相繼過載并引發(fā)一系列保護裝置動作是其中最重要的表現(xiàn)形式。在此過程中，繼保隱型故障是故障擴散的重要推動力，北美電力可靠性協(xié)會NERC 認為近70%的N-2 停運事故由繼保誤動造成，而隱型故障是其重要原因[14]。此外，故障位置與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系亦對事故擴大產(chǎn)生重大影響，關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)元件的級聯(lián)故障更易引發(fā)嚴重的后果。因此，根據(jù)源發(fā)誘因、臨界事件性質(zhì)與故障傳播主要助推因素，可將連鎖故障形態(tài)劃分為以下3 種類型，如表2所示。

表2 引發(fā)大停電的連鎖故障類型劃分Table 2 Classification of cascading failures type

表2 粗略地將連鎖故障類型進行了劃分，并根據(jù)大停電樣本進行了案例歸集。需要指出的是，類型劃分只是依據(jù)主要誘發(fā)因素，并不是絕對不具有其他類型的特征，即隨著故障在系統(tǒng)中的演化，3種類型的邊界逐漸模糊。例如過載型和配合失當(dāng)型最終都將造成大電網(wǎng)解列，對系統(tǒng)造成結(jié)構(gòu)性破壞，進而引起系統(tǒng)失穩(wěn)、崩潰。

1.2.2 過載主導(dǎo)型大停電

過載主導(dǎo)型大停電的關(guān)鍵演變過程在于有功潮流轉(zhuǎn)移(逆轉(zhuǎn))引起的熱穩(wěn)定相繼越限，保護裝置依次切除過載元件，致使輸電能力驟降，持續(xù)拉低全局電壓，直至系統(tǒng)電壓崩潰或失穩(wěn)解列。

2003年北美大停電中，源發(fā)事故后的15:32～ 16:08 近40 min 內(nèi)(占故障傳播時間的61.5%)，多倫多-密歇根-俄亥俄互聯(lián)電網(wǎng)共有6 條345 kV 線路相繼過載跳閘，造成2.4 GW 潮流輪番轉(zhuǎn)移，致使密歇根電網(wǎng)局部電壓崩潰，與機組跳閘形成惡性循環(huán)，最終系統(tǒng)全黑。臨界事件(critical event)出現(xiàn)在16:08時美加2 回聯(lián)絡(luò)線因功率搖擺切除后，引發(fā)密歇根電網(wǎng)電壓驟降，致使兩座電廠共1.8 GW 機組在15 s內(nèi)陸續(xù)跳閘。

2003年意大利電網(wǎng)連鎖故障中，凌晨3:01～3:25出現(xiàn)兩條380 kV 線路相繼過載跳閘，因調(diào)度中心切負荷不到位，第2 條線路切除后(臨界事件)的12 s內(nèi)，大批鄰近線路陸續(xù)過載被切，導(dǎo)致意大利機群與歐洲剩余機群失穩(wěn)，聯(lián)絡(luò)線被開斷，150 s 內(nèi)大批意大利機組跳閘，全國停電。

2005年莫斯科大停電源于110 kV、220 kV 系統(tǒng)元件爆炸，造成相關(guān)設(shè)備負載潮流意外陡增，出現(xiàn)變壓器過負荷，隨著上午用電高峰到來，過載和高溫致使線路弧垂不斷增大，若干分鐘內(nèi)多條線路重載跳閘，致使13 個電廠(1 個水電廠、12 個火電廠)全部切機，導(dǎo)致全系統(tǒng)電壓崩潰。

由上述實例可看出，過載主導(dǎo)型處于源發(fā)與緩慢相繼動作的時間較長，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對完整，且一般處于穩(wěn)定狀態(tài)，供電能力被逐步削弱直到觸發(fā)臨界事件，才發(fā)生極快的、難以逆轉(zhuǎn)的崩潰，以無法控制的無序切機甩負荷及電壓崩潰現(xiàn)象最為常見。過載主導(dǎo)實質(zhì)上是一個N-1-1…-1-x的過程，故障擴散過程可用圖2 示意。

圖2 過載主導(dǎo)型連鎖故障過程示意簡圖Fig.2 Diagram of the process of overload controlling cascading failures mode

圖中灰色圈表示源發(fā)故障，黑色圈表示臨界事件，無色圈泛指如相繼過載等其他關(guān)聯(lián)事件，圖1基本反映了過載主導(dǎo)型連鎖故障的事故傳播態(tài)勢。過載主導(dǎo)型的關(guān)鍵特征在于線路相繼過載以及擴散時間逐步緊湊，依據(jù)復(fù)雜事件處理技術(shù)，其在電氣關(guān)聯(lián)與時間關(guān)聯(lián)上具有強特性[15]。

1.2.3 結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型大停電

結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型是指引發(fā)大停電的關(guān)鍵臨界事件表現(xiàn)為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重大損害，如區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線意外切除、在故障初期解列裝置過早動作等。此類模式往往極易導(dǎo)致各子系統(tǒng)供需不平衡程度在短時間內(nèi)加劇，各自出現(xiàn)頻率、電壓失穩(wěn)，比單純的過載主導(dǎo)型連鎖故障危害更大，防御更為困難。

2006年歐洲大停電中，因德國E.ON 和RWE兩家電力公司網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線過載被切，引起大范圍潮流轉(zhuǎn)移，僅90 s 內(nèi)歐洲電網(wǎng)多條聯(lián)絡(luò)線被相繼開斷，整個歐洲電網(wǎng)UCTE 在極短時間內(nèi)被解列為3 個子系統(tǒng)，后因各自內(nèi)部功率嚴重不平衡，相繼出現(xiàn)頻率惡化、振蕩失步、電壓大幅波動，進而引發(fā)大規(guī)模脫機、切負荷，直至大規(guī)模停電發(fā)生。

2009年巴西大停電，一連串單相短路導(dǎo)致巴西最大水電輸送通道內(nèi)的5 臺機組在0.5 s 內(nèi)被全部切除，立即引發(fā)南部與東南部電網(wǎng)間劇烈振蕩，在1.2 s、1.26 s、1.78 s 時刻3 條525 kV 聯(lián)絡(luò)線被開斷(臨界事件)，巴西電網(wǎng)被解列成北部-東北與東南部-中西部3 個子網(wǎng)，各自因電壓、頻率、功角失穩(wěn)進一步大規(guī)模切機、解列、開斷線路(直流閉鎖)、甩負荷，最終形成大停電。

這兩次大停電的形成均和各自電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性[16]密切相關(guān)。從時間來看，兩次源發(fā)故障的擾動都在極短時間內(nèi)(秒級別)因潮流轉(zhuǎn)移或功率振蕩波及到了子網(wǎng)間關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)線，2006年歐洲停電是因其源發(fā)故障本身就出現(xiàn)在此類線路上，因電氣距離較近造成了關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)線集群相繼開斷，而2009年巴西則是因特大型水電通道被切，引發(fā)子網(wǎng)機群間失步，各區(qū)域聯(lián)絡(luò)線被安穩(wěn)裝置切除。結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型故障擴散過程可用圖3 簡要示意。

圖3 結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型連鎖故障過程示意簡圖Fig.3 Diagram of the process of structure controlling cascading failures mode

與圖2 相比，結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型大停電從源發(fā)故障到臨界事件的時間間隔遠小于過載主導(dǎo)型，前者的臨界事件往往有多個，且一般都是對全系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞的元件失效，進而在各子系統(tǒng)中發(fā)生連鎖故障，機-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)能力較差的子網(wǎng)在多級故障擴散情況下極易形成大停電。

1.2.4 配合主導(dǎo)型大停電

繼電保護、安控等二次裝置整定失誤、設(shè)備可靠性低下（如裝置失靈、拒動、誤動）、隱型故障等必然導(dǎo)致故障擴大化，就連鎖故障實例來看，此類事件通常出現(xiàn)在源發(fā)故障階段，是具有條件關(guān)系的極小概率獨立事件序列[17]。二次裝置的配合失效對系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展影響極大，一般是連鎖故障的臨界事件。圖4 揭示了配合主導(dǎo)型連鎖故障的典型過程。其中，兩個黑色圈分別代表出現(xiàn)在源發(fā)故障階段和故障擴散階段的二次裝置配合失誤事件。

2003年倫敦大停電即是典型的二次設(shè)備配合失當(dāng)造成事故擴大化(N-2)的后果。在其源發(fā)故障至階段2 狀態(tài)演變的10 min 內(nèi)的運行策略完全正確，當(dāng)?shù)归l操作引起的潮流變化波及Wimblidon 變電站，因Wimblidon 至New Cross 2 號線后備保護繼電器實際安裝額定值僅為設(shè)計額定值的1/5，導(dǎo)致動作定值電流1 020 A 小于觸發(fā)電流1 460 A 而出現(xiàn)意外動作切除了正常運行的一次設(shè)備(圖3 中第二個黑色圈)。按照設(shè)計，1 460 A 也遠小于電纜4 450 A運行容量，而正常保護動作閾值應(yīng)為5 100 A。

圖4 配合主導(dǎo)型連鎖故障過程示意簡圖Fig.4 Diagram of the process of mis-action controlling cascading failures mode

500 kV 嵩鄭Ⅱ線保護裝置無故障誤動是導(dǎo)致2006年華中“7·1”連鎖故障事故的直接原因。保護誤動后處于3/2 接線同串的鄭祥線也隨之開斷，形成N-2 故障，致使周邊線路相繼過負荷，之后500 kV 嵩山變安控裝置拒動，未能及時切除關(guān)聯(lián)機組，導(dǎo)致多條重要220 kV 線路過載被切，引發(fā)華中電網(wǎng)振蕩，致使區(qū)域電網(wǎng)解列。

2011年巴西大停電是另一個配合主導(dǎo)型案例。該事故源發(fā)故障為Luiz Gonzaga 變電站Sobradinho C1 線路與一側(cè)母線間開關(guān)失靈保護誤動跳閘，因未及時消除故障，在重合閘過程中，該線路與另一側(cè)母線間開關(guān)保護誤動，導(dǎo)致該變電站兩條母線全停，引起3 回500 kV 出線停運，致使系統(tǒng)振蕩失步，解列為東北、北部、東南部3 個部分。

由上述分析可以看出，對于連鎖故障引發(fā)的大停電，其故障擴展與演變模式并非一致，不同模式下電網(wǎng)的響應(yīng)與風(fēng)險亦有很大區(qū)別，如同樣是巴西電網(wǎng)，2009年與2011年大停電的形成因素、時間、規(guī)模都相差甚遠。此外，主導(dǎo)模式具有不同的時間階段和調(diào)度可防御性，過載主導(dǎo)型因穩(wěn)態(tài)時段較長，調(diào)度可防御性較強，配合主導(dǎo)型次之，結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型因在故障源發(fā)于或直接波及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄弱點，若沒有很好的安穩(wěn)控制裝置(策略)和區(qū)域機-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)性能，造成大停電的風(fēng)險極高。

1.3 共性特征分析

挖掘形成大停電的連鎖故障共性有助于梳理其基本物理特征，尋找當(dāng)前缺乏理論支撐的環(huán)節(jié)，并有利于明確相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向。除上文分析中所提基于臨界事件性質(zhì)的連鎖故障主導(dǎo)模式各自共性外(如臨界事件出現(xiàn)時間、受影響線路的電氣位置等)，還具有以下幾個基本共性。

1.3.1 氣候因素

前述8 次源于連鎖故障的大停電有3 次是由極端氣候因素直接誘發(fā)，極端高溫氣候容易導(dǎo)致負荷驟升，極大增加電網(wǎng)運行壓力與源發(fā)故障風(fēng)險；而暴雨、山火、臺風(fēng)、冰雪等氣候容易引發(fā)多組元件共因停運而造成N-x故障或孤島[18]，我國部分省市電網(wǎng)近年遭受的重要線路覆冰導(dǎo)致大面積停電說明了此類問題的嚴重性。

1.3.2 二次系統(tǒng)因素

從實際連鎖故障事件可知，二次設(shè)備的非正確動作、隱型故障極大地助推了故障擴散，只是有些案例(如2003 北美)保護裝置誤動或拒動出現(xiàn)在緩慢相繼開斷階段，未對穩(wěn)定直接造成惡劣影響。而2006 華中事故中一次保護誤動和隨后的一次安控裝置拒動最終導(dǎo)致了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)性的破壞，由此可見關(guān)鍵二次系統(tǒng)在電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與復(fù)雜故障模擬中的建模仍是一個非常重要的課題[19-21]。

1.3.3 線路相繼過載

線路過載切除引發(fā)其余關(guān)聯(lián)線路相繼開斷是連鎖故障的最主要形式，所有大停電都或多或少有線路相繼過載出現(xiàn)，其機理與模型較為清晰，源于潮流意外轉(zhuǎn)移，若不及時控制，容易在較短時間內(nèi)造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)重大損失。在相繼過載初期，系統(tǒng)行為相對緩慢，易于分析與控制，是抑止故障進一步擴散的最佳時機。若相繼過載發(fā)生在互聯(lián)系統(tǒng)關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)斷面(2006 歐洲)、大容量送/受端斷面(2009 巴西)或電磁環(huán)網(wǎng)密集地區(qū)(2006 華中)，造成系統(tǒng)中同集群線路關(guān)鍵結(jié)構(gòu)嚴重受損[22]，則更易加速故障的擴散速度與范圍。

1.3.4 調(diào)度控制

調(diào)度人員錯誤決策也是連鎖故障演變的重要推動因素，其中調(diào)度員切負荷不及時、不到位或地點不正確是最主要問題，例如經(jīng)事故后調(diào)查，若調(diào)度員在正確位置及時切除一定量的負荷，2003年北美大停電是完全能夠避免的。對于具有較緩慢相繼過載開斷過程的連鎖故障，若能及時切除正確的負荷讓系統(tǒng)快速重歸保守運行方式，大多不會導(dǎo)致大停電的發(fā)生。而面對連鎖故障紛繁的信號，調(diào)度人員要從中判定系統(tǒng)當(dāng)前態(tài)主要矛盾、選擇正確控制策略并非易事。此外，在現(xiàn)有理論模型中加入能反映調(diào)度員決策過程與實施控制的環(huán)節(jié)也無疑加大了算法難度。

1.3.5 慢動態(tài)過程

一般來說，在輸電系統(tǒng)連鎖故障中后期，在多時間尺度控制行為、狀態(tài)變量變化等因素的共同作用下，系統(tǒng)將進入顯著的慢動態(tài)過程，關(guān)鍵線路功率振蕩、重要母線電壓持續(xù)降低、機群慣性中心起振是其常見形式[23]，標(biāo)志著系統(tǒng)已逐步進入臨界狀態(tài)，安全穩(wěn)定水平降低明顯，這在前述連鎖故障導(dǎo)致的大停電案例中均有所體現(xiàn)。

1.3.6 系統(tǒng)解列

在發(fā)生大規(guī)模失負荷之前，歷次大停電中均出現(xiàn)了系統(tǒng)解列，只是導(dǎo)致解列的臨界事件出現(xiàn)時間有較大差異，如2006年歐洲和2009年巴西大停電僅在若干秒內(nèi)系統(tǒng)就被解列，2003年北美和2006年華中則是在幾分鐘到十幾分鐘才發(fā)生解列。因連鎖故障中后期與計劃運方偏離已經(jīng)很大，非自適應(yīng)預(yù)置解列點難以符合當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)[24]，解列效果往往并不好，容易導(dǎo)致各子系統(tǒng)進一步的功率振蕩與電壓崩潰[10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究展望

正如前文相關(guān)理論綜述中所介紹，經(jīng)過多年發(fā)展，電力系統(tǒng)連鎖故障研究方法已形成了一系列理論，基于復(fù)雜系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))理論的關(guān)鍵元件識別(Critical Element Identification)和基于圖5 多層次結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵性能指標(biāo)(Key Performance Indices，KPI)的系統(tǒng)仿真方法已成為主要的兩大技術(shù)路線。

圖5 基于系統(tǒng)仿真與KPI 評估的連鎖故障研究框架Fig.5 Cascading failure research framework based on the power system behavior simulation and KPI assessment

然而當(dāng)前理論如OPA、CASCADE、Manchester、隱型故障法等都有各自明顯的缺陷，或相關(guān)參數(shù)難以獲取，或假設(shè)條件過于理論，或忽略了重要的系統(tǒng)行為，均未能很好滿足連鎖故障研究需求，在某些方面仍缺乏關(guān)鍵技術(shù)支撐，尤其是面向調(diào)度員的連鎖故障在線預(yù)警及防御分析手段缺少理論算法研究，結(jié)合前述多起大停電實例的啟示，依據(jù)待研究技術(shù)和基礎(chǔ)平臺發(fā)展，可用圖6 描述未來一段時期內(nèi)需要深入研究的電力系統(tǒng)連鎖故障分析技術(shù)體系。

圖6 連鎖故障分析關(guān)鍵技術(shù)研究展望Fig.6 Research prospect of important technology for power system cascading failure analysis

其中，危機調(diào)度與極端預(yù)案演練更偏向電網(wǎng)調(diào)度管理[25]，本節(jié)不再贅述，重點對脆弱性評估、智能告警、全過程風(fēng)險評估及防御等方面進行研究展望。

2.1 電力系統(tǒng)脆弱性的深度分析技術(shù)

連鎖故障是系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)被暴露、穩(wěn)定性惡化、脆弱性逐步加深的過程，電力系統(tǒng)脆弱性分析作為一個理論方向近年取得了長足的發(fā)展，在運行狀態(tài)[1]、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[26]、災(zāi)害侵襲[18]、暫態(tài)穩(wěn)定水平[27]、關(guān)鍵斷面識別[28]等多個方面建立了一系列理論算法。當(dāng)前電力系統(tǒng)脆弱性研究多以單一元件狀態(tài)或單一擾動為對象，探索其對系統(tǒng)各方面的影響，對于大規(guī)模輸電系統(tǒng)，單一元件的狀態(tài)或故障對系統(tǒng)的影響極為有限，因此討論一連串相繼關(guān)聯(lián)事件(N-1-1…-1 Contingency)或多個元件同時停運(N-xContingency)對系統(tǒng)的動/靜態(tài)安全的影響以及剩余系統(tǒng)支撐能力(Sustainability)，是具有實際意義的工作。時序事件和多重故障場景下的電力系統(tǒng)脆弱性深入分析技術(shù)當(dāng)前仍處于起始階段，文獻[17,29]提出面向電氣接線結(jié)構(gòu)功能分組的N-k仿真方法，以“功能分組”有效計及不同擾動下重要場站接線方式的影響；文獻[30]建立了基于事故鏈的電力系統(tǒng)脆弱性分析通用模型，但基于線路過載的時序事件判據(jù)理論假設(shè)條件較強，在此基礎(chǔ)上文獻[31-32]分別建立了考慮惡劣氣候與低頻振蕩因素的電網(wǎng)事故鏈脆弱性計算模型，為電力系統(tǒng)脆弱性的深度分析提供了新思路。然而，如何在事故序列挖掘中納入更多反映系統(tǒng)真實行為的因素，如二次動作邏輯、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)效果，以客觀量化系統(tǒng)運行的動靜態(tài)短板，則還需深入研究。

2.2 連鎖故障在線診斷與智能告警

當(dāng)系統(tǒng)遭受故障，尤其是連鎖性故障，有一系列時序事件在短期內(nèi)相繼發(fā)生，有大量二次信號傳入調(diào)度控制室，“數(shù)據(jù)有余而信息不足”使得現(xiàn)有告警方式飽受詬病，如何從中快速定位故障及其性質(zhì)、梳理故障關(guān)聯(lián)原委是調(diào)度員關(guān)心的首要問題和決策依據(jù)。因此，故障診斷作為一個研究方向得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界長期重視，但多傾向于針對單一故障、以“實時獲取擾動特征狀態(tài)，在線進行特征匹配”的應(yīng)用形式出現(xiàn)。然而，由于連鎖故障的時空復(fù)雜性與不確定性，面向連鎖故障場景的故障診斷與告警技術(shù)卻仍然缺乏理論支撐。文獻[15]建立了基于復(fù)雜事件處理技術(shù)的和連鎖故障診斷模型，對連鎖故障初始階段的相繼故障事件進行了時間、空間以及電氣的關(guān)聯(lián)聚合分析，提出了反應(yīng)層、設(shè)備動作分析層、設(shè)備故障診斷層、系統(tǒng)級認知層等復(fù)雜事件層面關(guān)聯(lián)分析；文獻[33]提出告警信息分層優(yōu)化和綜合分析技術(shù)，并構(gòu)建了基于知識庫的智能告警輔助決策專家系統(tǒng)，形成“信號采集—知識匹配—模式推理—結(jié)果解釋”智能變電站技術(shù)框架，為運行人員快速篩選關(guān)鍵信息；文獻[34]針對現(xiàn)有EMS告警能力不足，提出從故障類別、篩選、原因追蹤與展示、信息處理5 個方面定義智能告警內(nèi)涵，區(qū)分元件級與系統(tǒng)級2 類對象的單一、串聯(lián)、并發(fā)、組合、靈敏度和梯度告警類型，以實現(xiàn)調(diào)度員對系統(tǒng)的態(tài)勢感知(Situation Awareness)。這些理論探索為連鎖故障在線診斷與智能告警提供了發(fā)展方向和很好的研究思路。

2.3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、建模與預(yù)警

連鎖故障的事故擴大化多是一個漸進的過程，伴隨著相關(guān)變壓器、輸電線等主要元件運行狀態(tài)的快速惡化。例如，如能在2003年北美大停電在事故初期提供給調(diào)度員相關(guān)345 kV 線路弧垂預(yù)警，則能為其及時疏導(dǎo)負荷提供決策依據(jù)。因此，在部署相關(guān)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)(如弧垂、覆冰或風(fēng)偏張力、變壓器油溫)基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)建模，將其融入電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定仿真分析中，為辨別當(dāng)前態(tài)下的薄弱設(shè)備及故障擴散依據(jù)提供更多的風(fēng)險度量工具，但此領(lǐng)域當(dāng)前仍缺乏系統(tǒng)的理論研究。此外，對繼電保護設(shè)備隱型故障的監(jiān)測手段也在不斷發(fā)展中，例如，文獻[35]較早地提出了建立隱型故障監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測高危保護裝置的初步設(shè)想，文獻[36]從風(fēng)險評估角度提出建立計及隱型故障的電網(wǎng)監(jiān)測控制系統(tǒng)的思路。文獻[37]應(yīng)用較為成熟的模糊綜合評判方法對繼保裝置狀態(tài)進行了量化評估，為二次設(shè)備的狀態(tài)檢修與風(fēng)險評估提供了一定的科學(xué)依據(jù)。但當(dāng)前對相關(guān)設(shè)備性能、繼保裝置不可靠動作造成連鎖故障的研究仍有很多不足，多采用理論假設(shè)條件較強的概念分析法，對保護裝置隱型故障的在線診斷、識別、建模研究還相當(dāng)缺乏。此外，各類電力信息化平臺的可靠性對一次系統(tǒng)安全運行關(guān)聯(lián)甚密，但其也受到系統(tǒng)本身、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、外部壞境、人為及自然條件的威脅，是導(dǎo)致電力系統(tǒng)在故障情況下遭受額外風(fēng)險的因素[38]。文獻[39]提出了WAMS 故障對電力系統(tǒng)可靠性影響的評估模型，并給出了連鎖故障情景下的仿真算例，具有啟發(fā)意義。

2.4 基于全過程仿真的風(fēng)險評估及防御

目前已有較多研究嘗試從風(fēng)險的角度揭示連鎖故障特征[40]，通常定義風(fēng)險為出現(xiàn)事件序列概率與其所造成損失的乘積，并以圖7所示閉環(huán)流程作為主要算法框架。

圖7 連鎖故障風(fēng)險評估算法框架Fig.7 General framework for the algorithm of power system cascading failure risk assessment

在線進行連鎖故障風(fēng)險評估，尤其是源發(fā)故障發(fā)生后給予調(diào)度員正確的風(fēng)險預(yù)警信息與事故擴大防御策略，能有力地阻止大停電的發(fā)生。當(dāng)前此類研究的局限在于：①對場站內(nèi)接線拓撲的處理仍然較為理想化，站內(nèi)可靠性因素?zé)o法有效計及；②對二次系統(tǒng)，如各類保護、安控裝置、低頻低壓減載、解列裝置等動作邏輯與條件考慮得仍不充分，遠未達到實用標(biāo)準(zhǔn)；③多以靜態(tài)安全分析為工具，對系統(tǒng)動態(tài)過程考慮較少，難以在風(fēng)險項中體現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險；④所得風(fēng)險項結(jié)果缺乏具有明確意義的閾值，亦缺乏相應(yīng)控制操作的啟動判據(jù)。因此，基于全過程、多控制因素、多時間尺度的連鎖故障仿真與風(fēng)險評估技術(shù)，并依據(jù)系統(tǒng)主導(dǎo)矛盾識別與風(fēng)險偏好提供可行的防御方案是未來一段時間值得深入研究的課題。

2.5 三道防線的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制研究

“三道防線”是電力系統(tǒng)防御控制的基礎(chǔ)，分別對應(yīng)繼電保護與運行優(yōu)化、區(qū)域性的緊急控制、分散性的振蕩解列與低頻低壓減載控制，是全系統(tǒng)賴以生存的安全屏障。然而這些控制方式在研究和應(yīng)用時一直被割裂成相對獨立的理論體系，而很少考慮縱向的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題。離線整定的基于設(shè)定故障下保守運行的控制策略在連鎖故障場景下反而可能進一步造成故障擴大化[41]，這一點在2006年歐洲、2009年巴西大停電中均能找到印證，控制失當(dāng)也是大停電最終形成的重要風(fēng)險之一。文獻[42]對這一領(lǐng)域的問題作了非常有價值的評述與研究展望，并以故障解列與失步解列作為實例，給出了二者如何進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的具體算法[43]。在廣域信息日益完備條件下，如何運用各類動態(tài)參數(shù)，研究各道防線的自適應(yīng)協(xié)調(diào)機理使之始終準(zhǔn)確地符合系統(tǒng)當(dāng)前態(tài)的運行規(guī)則，是未來大型互聯(lián)電網(wǎng)連鎖故障防御的關(guān)鍵技術(shù)之一，此領(lǐng)域仍有很大理論空白。另一方面，根據(jù)我國電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)特點，在此過程中如何有效納入?yún)^(qū)域間交直流輸電系統(tǒng)并考慮其在極端運行工況下的緊急支援策略[44-45]、FACTS 裝置[46]的協(xié)調(diào)控制、大規(guī)模間隙性能源沖擊風(fēng)險[47]以共同抑制特大型互聯(lián)交流系統(tǒng)故障擴散，也是亟需關(guān)注的研究方向。此外，對面向大停電防御的調(diào)度、監(jiān)控、物資、搶修綜合分析與事后應(yīng)急處置的研究也方興未艾，文獻[48]提供了較好的研究思路。

3 結(jié)束語

電力系統(tǒng)是一個元件眾多、動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地域分布極廣的大型系統(tǒng)，任何意外擾動若無正確應(yīng)對措施，都有可能導(dǎo)致事故擴散并迅速波及全系統(tǒng)，造成重大損失風(fēng)險，而當(dāng)前仍缺乏對連鎖故障分析與防御的系統(tǒng)性理論支撐。本文對8次大停電樣本關(guān)鍵特征進行了細致剖析，分析并闡述了其演變過程、臨界事件、主導(dǎo)模式、基本共性，這些方面正是未來連鎖故障理論研究需密切關(guān)注的過程對象。在此基礎(chǔ)上，對照前文“電力系統(tǒng)連鎖故障分析理論與應(yīng)用(一)”中相關(guān)理論的應(yīng)用性不佳、對系統(tǒng)行為考慮過于簡化等弱點，提出從電網(wǎng)脆弱性深度分析、連鎖故障在線診斷與智能告警、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與建模等研究方面構(gòu)建未來一段時期內(nèi)需要深入研究的電力系統(tǒng)連鎖故障分析技術(shù)支撐體系，以期為后續(xù)電力系統(tǒng)連鎖故障理論研究拋磚引玉。

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