典型電力安全突發(fā)事件演化及推演方法研究

王海峰, 呂政權(quán), 陳怡君, 林 棟, 彭道剛

(1.國網(wǎng)上海市電力公司培訓(xùn)中心, 上海 200438; 2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

電力安全突發(fā)事件演變復(fù)雜,發(fā)展迅速,破壞嚴(yán)重。我國電力系統(tǒng)雖然不斷發(fā)展,但電力事故仍時有發(fā)生。國家最新發(fā)布的一系列文件都明確提出了要改善電力應(yīng)急管理水平,提高電力工作人員應(yīng)急處置能力。目前國內(nèi)電力安全推演以應(yīng)急預(yù)案為中心,不能直觀表現(xiàn)應(yīng)急處置措施對事件發(fā)展的影響。因此,在分析電力安全突發(fā)事件典型案例的基礎(chǔ)上,總結(jié)事件演化機制,探究情景之間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系及跳轉(zhuǎn)概率,設(shè)計能更好模擬真實事故的推演情景,并在情景分析的基礎(chǔ)上搭建電力安全突發(fā)事件的貝葉斯情景網(wǎng)絡(luò),通過概率推理實現(xiàn)推演的多路徑多結(jié)果發(fā)展,可以使工作人員清晰了解自己的應(yīng)急表現(xiàn)對事件發(fā)展路徑和推演結(jié)果的影響,從而提高我國電力工作人員的應(yīng)急處置能力。

1 典型電力安全突發(fā)事件

2003年8月14日發(fā)生的“美加大停電”是北美歷史上最大范圍的停電[1]。由于夏季空調(diào)負荷增加和部分線路檢修停運,導(dǎo)致俄亥俄州的電力負荷瀕臨閾值。一條345 kV線路因與樹枝短路而開斷,但FE電力公司監(jiān)控系統(tǒng)因故障未發(fā)出警報,且忽略合作公司的報警信息,導(dǎo)致多條線路過載跳閘。雖然之后FE電力公司意識到了自身的電網(wǎng)問題,但由于缺乏應(yīng)急經(jīng)驗,未能在有限時間做出有效應(yīng)對,導(dǎo)致輸電走廊過載跳閘。在之后的連鎖反應(yīng)中,負荷無計劃轉(zhuǎn)移,美國東北部電網(wǎng)成為電氣孤島,雖然有自動切機和減載,但最終因無法平衡,造成大面積停電。

2012年7月30日發(fā)生的印度大停電事故是由于印度電網(wǎng)西電北送,關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)線因繼電保護而斷開,后續(xù)潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致暫態(tài)功角失穩(wěn)而造成的[2]。由于北方城邦超計劃用電以及部分線路檢修停運,導(dǎo)致北部與西部輸電走廊因距離保護相繼跳閘,西部電力只能通過東部電網(wǎng)繞道送往北方。這一輸電路線因沿線潮流增加而導(dǎo)致距離保護動作斷開線路,隨后北部電網(wǎng)與主網(wǎng)功角失穩(wěn)而解列。西部-東部-東北部電網(wǎng)通過切除多余功率恢復(fù)穩(wěn)定,而已經(jīng)是電氣孤島的北部電網(wǎng)的自動保護設(shè)備因沒有切除足夠負荷而導(dǎo)致崩潰。

2015年3月27日發(fā)生的荷蘭大停電是樞紐變電站全站失壓而造成的[3]。Diemen變電站對人口聚集地區(qū)供電,而且在電網(wǎng)中處于樞紐位置。為了保障供電可靠性,變電站一半變電容量作為備用,主用和備用切換方便。事發(fā)當(dāng)天,為了對380 kV隔離開關(guān)A進行測試,需要提前將平行備用的隔離開關(guān)B轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)。由于開關(guān)B中一相電機故障導(dǎo)致此相沒有正確合閘,操作人員僅憑目測和開關(guān)B的正常運行記錄判定是二次系統(tǒng)故障并將報警信息屏蔽,導(dǎo)致隔離開關(guān)A一相出現(xiàn)開斷電弧。當(dāng)天的大風(fēng)將電弧吹動,進而引發(fā)了相間短路。由于全站主用和備用系統(tǒng)電氣連接,保護動作使整站退出運行,進而引發(fā)周圍線路和變電站過載,最終導(dǎo)致了大面積停電。

2019年3月,委內(nèi)瑞拉接連發(fā)生多次持續(xù)時間久、影響范圍大的停電事件。3月7日的初次停電是由于國內(nèi)最大的古里水電站發(fā)生故障而引起的?？偨y(tǒng)馬杜羅發(fā)表講話,稱電力系統(tǒng)遭到了來自美國的三段攻擊。一是攻擊古里水電站以及首都附近變電站的計算機系統(tǒng);二是電磁攻擊,使通信系統(tǒng)中斷;三是通過物理攻擊破壞樞紐變電站,進而癱瘓全國電力。后政府發(fā)表聲明稱,3月25日的再次停電是反對派對古里水電站的縱火破壞而導(dǎo)致的;而反對派認(rèn)為,停電是由于古里水電站送出線路發(fā)生火災(zāi)引起聯(lián)絡(luò)線跳閘,樞紐變電站失壓,導(dǎo)致送入負荷中心的主干線也全部失電。鑒于委內(nèi)瑞拉國內(nèi)國際局勢動蕩,電力運維能力薄弱,停電事故多發(fā),此次事故原因還不明確,演化過程還有待調(diào)查。

2 電力安全突發(fā)事件影響因素分析

2.1 典型電力安全突發(fā)事件規(guī)律歸納

(1) 大部分停電發(fā)生在自由連接的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,負荷可以通過聯(lián)絡(luò)線路任意傳輸?shù)狡渌麉^(qū)塊的電網(wǎng)。

(2) 大部分停電都經(jīng)歷了不受控制的相似的連鎖反應(yīng),結(jié)果導(dǎo)致電網(wǎng)被分裂成孤島。一般發(fā)展過程是:線路過載(低壓情況時)跳閘或故障(如與樹枝短路)跳閘,與故障線路并聯(lián)的線路接受轉(zhuǎn)移來的負荷,無功損耗增加,電壓大幅降低,觸發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致越來越多的線路過載跳閘和越來越多的負荷轉(zhuǎn)移,負荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致連鎖反應(yīng)的惡性循環(huán)。

(3) 不合理地設(shè)置繼電保護(原理和整定),特別是在低電壓下,不能防止過載誤動作。在失步震蕩期間,距離保護跳閘。但由于自由電網(wǎng)無法設(shè)置解列點,關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)線路斷開,系統(tǒng)被分裂成多個電氣孤島。孤島中發(fā)電、用電不平衡,依靠自動的高頻切機和低頻減載設(shè)備,如果不能維持平衡,將造成大面積停電。

2.2 典型電力安全突發(fā)事件影響因素歸納

(1) 人為因素 一般的人為因素包括電纜偷竊,電力盜竊,電氣設(shè)備的施工損壞,操作人員的誤用、誤判等。特殊的人為因素包括戰(zhàn)爭和恐怖襲擊等。2006年華中電網(wǎng)“5.29”事故和2008年南方地區(qū)的冰災(zāi)事故中,都出現(xiàn)了電力應(yīng)急決策人員調(diào)度和決策失誤的現(xiàn)象[4]。

(2) 設(shè)備因素 設(shè)備故障是威脅電力系統(tǒng)安全運行的主要因素。近年來,由設(shè)備故障引起的電力系統(tǒng)事故數(shù)量一直很高,占全年電力系統(tǒng)故障的一半以上[5]。設(shè)備故障主要分為3類:一次設(shè)備故障,發(fā)電機、輸電線、變壓器以及電抗器、電容器、互感器等設(shè)備因物理性硬件損壞而造成的停運故障;二次設(shè)備故障,安全控制自動裝置、繼電保護設(shè)備、電網(wǎng)通信設(shè)備、安全穩(wěn)定自動裝置等因判斷策略不合理,整定值設(shè)置不正確或動作執(zhí)行機構(gòu)出錯等原因造成的停運故障;三次設(shè)備故障,計算機軟硬件、通訊網(wǎng)絡(luò)等故障。

(3) 網(wǎng)架因素 網(wǎng)架因素是指當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時,因為結(jié)構(gòu)的不合理更加容易發(fā)生穩(wěn)定破壞的情況。易受擾動的結(jié)構(gòu)包括高低壓電磁環(huán)網(wǎng)、大電源集中遠程傳輸?shù)截撦d中心、單回線大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

(4) 自然因素 根據(jù)對過去幾年的案例研究發(fā)現(xiàn),我國電力系統(tǒng)可能引發(fā)重大安全事故的7大類自然災(zāi)害包括風(fēng)暴、洪水、雷擊、火災(zāi)、持續(xù)大霧、地震以及冰覆蓋。另外,由于嚴(yán)寒酷暑等極端天氣,造成供熱制冷負荷量增加,與其他故障結(jié)合,也可能導(dǎo)致大規(guī)模停電。國內(nèi)事故致災(zāi)主要自然因素如表1所示。

表1 國內(nèi)事故致災(zāi)自然因素

3 情景構(gòu)建和推演方法研究

黨的十九大以來,黨中央提出要加強、優(yōu)化、統(tǒng)籌國家應(yīng)急能力建設(shè),提高安全生產(chǎn)水平,維護公共安全,預(yù)防和減輕災(zāi)害。然而對于電力安全突發(fā)事件的演化機理和推演方案,目前還沒有系統(tǒng)的理論和方法。本文從應(yīng)急決策模式、演化機理、事件模型和推演方法等4個方面總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)研究進展。

3.1 應(yīng)急決策模式

(1) “經(jīng)驗-決策”模式 由于通信技術(shù)的限制,該模式最初由決策者將災(zāi)情與經(jīng)驗進行匹配而迅速做出決定。雖然后續(xù)進行了改善,但這種方法嚴(yán)重依賴于決策者的主觀判斷,面對變化迅速復(fù)雜的災(zāi)情,難以保證決定的正確性。

(2) “預(yù)測-應(yīng)對”模式 該模式是一種基于應(yīng)急預(yù)案的決策方法,即在災(zāi)害事故未發(fā)生之前,相關(guān)部門和人員參考以往的案例和經(jīng)驗編制應(yīng)急預(yù)案,將災(zāi)害情況和預(yù)案比對進行決策。2006年郭瑞鵬[6]建立了基于預(yù)案的應(yīng)急決策方法,但決策速度慢,靈活性不足。隨后金輝[7]提出了通過數(shù)字化預(yù)案系統(tǒng)自動生成應(yīng)急方案,提高了效率。2004年,ROSMULLER N等人[8]提出了群體決策方法,但沒有考慮到多部門之間的協(xié)同作用。杜磊等人[9]在解決多主體應(yīng)急協(xié)同交互問題時,提出了Petri網(wǎng)模型。目前,基于“預(yù)測-應(yīng)對”模式下的應(yīng)急決策方法已經(jīng)比較成熟,但該方法僅適用于發(fā)展過程簡單、可預(yù)測性較強、演變規(guī)律相對固定的常規(guī)災(zāi)害事故,對于發(fā)展過程多樣、不可預(yù)測、演變規(guī)律復(fù)雜的電力安全突發(fā)事件,該方法并不適用。

(3) “情景-應(yīng)對”模式 對電力安全突發(fā)事件的響應(yīng)主要涉及突發(fā)事件本身、災(zāi)害載體和應(yīng)急管理3個方面。 應(yīng)急管理決策機構(gòu)采取的應(yīng)急管理辦法和措施,對突發(fā)事件的發(fā)生、發(fā)展和災(zāi)害承載體的變化具有重要影響。應(yīng)急決策者必須對事件發(fā)展過程中實時發(fā)生的關(guān)鍵場景做出合理的決策,即采用“情景-應(yīng)對”模式。

舒其林[10]指出,“情景-應(yīng)對”模式更適用于非常規(guī)突發(fā)事件的應(yīng)急決策。姜卉等人[11]提出了以情景、處置目標(biāo)、處置措施三者構(gòu)建突發(fā)事件的演變網(wǎng)絡(luò)。2015年,夏登友等人[12]在姜卉的網(wǎng)絡(luò)表達模型的基礎(chǔ)上,加入了自身演變這一要素,建立了非常規(guī)突發(fā)事件動態(tài)情景網(wǎng)絡(luò)。CHANG M S等人[13]將情景規(guī)劃理論應(yīng)用于應(yīng)急決策中,并以洪澇災(zāi)害為例進行了應(yīng)用。張小趁等人[14]基于“情景-應(yīng)對”模式,對突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置方式進行了探討。王能等人[15]將“情景-應(yīng)對”模式引入應(yīng)急物流運輸協(xié)同決策體系中,解決了方案主觀性較強的問題。

3.2 演化機理

突發(fā)事件演化是對已經(jīng)發(fā)生的突發(fā)事件進行研究,通過對突發(fā)事件生命周期特點和特征進行總結(jié),歸納出突發(fā)事件生命周期的內(nèi)在規(guī)律。

(1) 自然科學(xué)視角 自然科學(xué)視角的演化機理強調(diào)不同類型突發(fā)事件所屬專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的機理,具有很強的領(lǐng)域特征。研究專業(yè)性演化機理需要專業(yè)領(lǐng)域知識的支撐,屬于自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)不同學(xué)科對突發(fā)事件演化機理的專業(yè)性研究。

(2) 社會學(xué)視角 社會視角的演化機理強調(diào)突發(fā)事件中人作為主體的演化規(guī)律。如輿情事件和社會群體性事件主要承災(zāi)體是人本身,同時人在這兩類突發(fā)事件過程中的表現(xiàn)及應(yīng)對會影響演化的結(jié)果。由于人與人之間的競爭博弈及心理活動的復(fù)雜性,導(dǎo)致了事件發(fā)展過程的復(fù)雜性。目前社會學(xué)視角的研究主要分為3個維度:一是從博弈論的視角研究人與人之間的相互作用對突發(fā)事件演化的影響;二是探討不同干預(yù)模式對突發(fā)事件演化的影響;三是研究網(wǎng)絡(luò)輿情的傳播機理與事件演化之間的關(guān)系[16]。

(3) 管理學(xué)視角 管理學(xué)視角的演化機理通常又稱為一般機理。雖然突發(fā)事件的類型、發(fā)生機理、初始條件可能不同,但演化過程中有許多相似的共性規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者就不同領(lǐng)域突發(fā)事件的發(fā)生、發(fā)展過程及相互作用的規(guī)律,開展了大量的研究工作,提出了許多不同的理論和模型。

3.3 事件模型

(1) 從數(shù)學(xué)層面對突發(fā)事件鏈建模 董華和楊衛(wèi)波[17]基于突變數(shù)學(xué)模型建立了系統(tǒng)的運動方程,并對系統(tǒng)的運動規(guī)律進行說明,以此來預(yù)測事故和災(zāi)害的發(fā)生。陸明明等人[18]基于離散隨機Petri網(wǎng),給出了我國典型電網(wǎng)應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的時間性能評價模型與方法。

(2) 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的突發(fā)事件連鎖反應(yīng)模型 陳小嬌[19]利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行了建模,基于OPA模型和自組織臨界性,研究了不同特征參數(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)對電力網(wǎng)絡(luò)故障的影響。在已有的連鎖故障模型的基礎(chǔ)上,求解標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和實際電網(wǎng)的連鎖故障臨界點,選取合理的臨界值。從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵元件等方面著手,探索抑制連鎖故障的有效措施。此外,大量文獻利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對電網(wǎng)建模并研究其連鎖反應(yīng)。但研究不同特征參數(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)對電力網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生概率的影響,是對現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的修正,不能模擬突發(fā)事件的演化過程。

(3) 基于知識元的突發(fā)事件連鎖反應(yīng)模型 于海峰[20]基于知識元理論,利用突發(fā)事件的一般發(fā)展結(jié)構(gòu),以系統(tǒng)熵為指標(biāo)模擬了突發(fā)事件的演化規(guī)律。但由于電力系統(tǒng)元件眾多且相互作用機理的復(fù)雜,難以建立起相互聯(lián)系的方程,導(dǎo)致決策者對事故發(fā)生的條件或發(fā)展態(tài)勢難以清晰把握,進而影響決策。

(4) 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的連鎖反應(yīng)模型 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種概率網(wǎng)絡(luò),可以通過概率推理預(yù)測事件結(jié)果并能清晰表示事件鏈的演化路徑和各個路徑的概率。例如方志耕等人[21]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)工具構(gòu)建了一種通用的災(zāi)害演化圖形評審技術(shù)(Technique Graphical Evaluation Review,TGER)模型,綜合考慮了災(zāi)害的自然演化過程與人類救災(zāi)搶險應(yīng)急活動。該研究主要從災(zāi)害演化的宏觀層面對模型進行了定義,并沒有給出實際的演化關(guān)系。董磊磊[22]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)工具對突發(fā)事件鏈展開了研究,將突發(fā)事件各個相關(guān)狀態(tài)要素作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點,并且以臺風(fēng)事件鏈為例驗證了該模型的合理性。裘江南等人[23]將各種緊急事件統(tǒng)一為具有輸入、狀態(tài)和輸出交互的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為建模工具,提出了一種具有相關(guān)關(guān)系的單事件貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的融合方法。孟勇[24]利用貝葉斯分析法,研究了礦難變化的規(guī)律,并通過對礦難發(fā)生次數(shù)拐點處的事件分析,構(gòu)建了礦難死亡事故變點預(yù)測模型。

3.4 推演方法

突發(fā)事件的推演是在對突發(fā)事件內(nèi)在規(guī)律認(rèn)知的基礎(chǔ)上,根據(jù)目前的狀況對未發(fā)生事件的發(fā)展過程進行推測,從而使人們及時地采取應(yīng)對措施,防止突發(fā)事件的發(fā)生或進一步擴大。

(1) 基于案例的推演 基于案例的推演(Case-Based Reasoning,CBR)的核心思想是模擬人類的類比思維。面對新問題,利用類似經(jīng)驗和實例進行基于相似性的類比推理,將最相似的解決方案經(jīng)過適當(dāng)修改和重用,用以解決當(dāng)前的問題。

(2) 基于規(guī)則的推演 規(guī)則推理通常由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗、知識建立起完備的領(lǐng)域知識規(guī)則庫,在求解領(lǐng)域問題時,主要通過快速搜索領(lǐng)域知識庫來匹配if規(guī)則,激活對應(yīng)的then子句,以完成次規(guī)則推演?；谝?guī)則推演的優(yōu)點是邏輯性較強,可以清楚地表示領(lǐng)域中對象間的關(guān)系;缺點是面對大規(guī)模領(lǐng)域時,知識的獲取和表達存在瓶頸。

(3) 基于情景和概率的推演 “情景-應(yīng)對”型應(yīng)急管理模式的核心在于情景的構(gòu)建和推演方法的選擇,更適用于電力安全突發(fā)事件。

綜合上述分析可知,在事件建模方面,突變理論側(cè)重災(zāi)害預(yù)測,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu),知識元難以確定作用關(guān)系函數(shù)。事件推演方面,基于案例的推演難以建立電力安全突發(fā)事件的案例庫,基于規(guī)則的推演難以建立規(guī)則庫。因此,應(yīng)基于情景分析法,選取典型電力安全突發(fā)事件中的關(guān)鍵情景建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò),根據(jù)專家經(jīng)驗和歷史案例確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和條件概率來進行概率推演。另外,考慮到社會和電網(wǎng)聯(lián)系緊密,推演中也要加入社會行動。例如對于基礎(chǔ)設(shè)施,社會將為緊急救援和事故現(xiàn)場封鎖道路;電網(wǎng)方面,設(shè)備將得到修復(fù),并將進行事故調(diào)查和分析。隨著事件的演化,社會上重要的用電單位可能會受到停電的威脅,因此對這些單位的電力供應(yīng)非常重要;電網(wǎng)方面,需要改變操作方式,通過調(diào)度盡可能地補充重要區(qū)域中的電源。如果事件演化為大面積停電,則需要進行黑啟動,完成電源的任務(wù)分配。最后,評估工作包括事故評估,每個單元的績效評估,以及參與者的表現(xiàn)評估。

4 推演系統(tǒng)框架設(shè)計和自學(xué)習(xí)模式

圖1為應(yīng)急推演系統(tǒng)框架,其中系統(tǒng)管理和推演管理子系統(tǒng)是整個推演系統(tǒng)的基礎(chǔ),存儲管理眾多信息,包括推演人員的組織機構(gòu)、用戶ID及角色,推演情景的基礎(chǔ)信息配置、腳本配置和信息匯集。作為核心部分的情景推演子系統(tǒng),主要用于實現(xiàn)典型電力安全突發(fā)事件情景表現(xiàn)和多路徑推演。推演評估子系統(tǒng)對推演后參演人員和事件處理措施進行綜合評價[25]。

圖1 應(yīng)急推演系統(tǒng)框架

由于電力行業(yè)風(fēng)險高,事故危害大,需要嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范,難免會陷入固定的過程和形式之中。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和條件概率由歷史案例和領(lǐng)域?qū)＜掖_定,易受主觀影響。圖2為自學(xué)習(xí)模式,對于特定的電力安全事件或電力故障,推演人員的應(yīng)急方案在時間或資源利用率上可能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)解決方案。

圖2 自學(xué)習(xí)模式

這是因為:一方面,自學(xué)習(xí)模式將處理方案與標(biāo)準(zhǔn)方案做對比,選取合理的部分來豐富應(yīng)急預(yù)案的專家系統(tǒng);另一方面,選取合理處理方案相關(guān)數(shù)據(jù)來修正貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和條件概率,使推演結(jié)果更符合實際,從而達到反事故演習(xí)無法實現(xiàn)的效果。

5 結(jié) 語

黨的十九大以來,黨中央提出要加強、優(yōu)化、統(tǒng)籌國家應(yīng)急能力建設(shè)。但電力安全突發(fā)事件涉及環(huán)節(jié)多,演變復(fù)雜,而目前關(guān)于電力安全事件建模和推演的研究仍較少,演練仍然停留在培訓(xùn)和實操階段。為此,本文提出了一種電力安全突發(fā)事件建模和推演的方法,設(shè)計了應(yīng)急推演系統(tǒng)框架,可是目前選取的推演方法仍有一定的缺陷,自學(xué)習(xí)模式還未實現(xiàn),有待后續(xù)進一步研究。