基本電網(wǎng)脆弱性的情景構(gòu)建與應(yīng)急能力評(píng)估

戴光奮 安廣海

摘要：通過(guò)深入探究國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)事故原因和發(fā)生機(jī)理，全面對(duì)電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行綜合脆弱性分析，應(yīng)用突發(fā)事件情景構(gòu)建理論，對(duì)可能的危害進(jìn)行假設(shè)和模擬，提出具體可行的對(duì)策措施，形成情景任務(wù)清單，以此對(duì)照分析現(xiàn)有電網(wǎng)應(yīng)急體系現(xiàn)狀，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)應(yīng)急能力評(píng)估的目的，為決策者處理電網(wǎng)應(yīng)急事件提供綜合系統(tǒng)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(guān)鍵詞：電網(wǎng);脆弱性;情景構(gòu)建;應(yīng)急能力

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM711????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）28-0149-02

0? 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于對(duì)應(yīng)急管理的技術(shù)和方法研究比較多，同時(shí)關(guān)于電網(wǎng)的應(yīng)急管理也做了很多深入研究和探討。突發(fā)事件情景構(gòu)建理論已經(jīng)提出，就得到廣泛應(yīng)用。為提升電網(wǎng)事故應(yīng)急響應(yīng)能力，采用“情景構(gòu)建”的理論與方法，開(kāi)展戰(zhàn)略性研究和應(yīng)急準(zhǔn)備工作，探索電網(wǎng)重大突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)工作方法，從而提升應(yīng)對(duì)電網(wǎng)重大事故的應(yīng)對(duì)能力。

1? 電網(wǎng)典型事故案例分析

通過(guò)對(duì)美加“8.14”大面積停電、西歐“11·4”大停電和中國(guó)南方區(qū)域2008年冰凍災(zāi)害大停電等典型事故案例分析，普遍存在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性原因，隨著電網(wǎng)逐步發(fā)展擴(kuò)大，電網(wǎng)復(fù)雜性、運(yùn)行方式多樣性和不確定性增加，網(wǎng)架脆弱性逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，此外，還存在電網(wǎng)調(diào)度管理、檢（維）修管理、技術(shù)監(jiān)督管理等管理缺陷，上述案例中僅一例提到網(wǎng)絡(luò)安全漏洞的原因，相關(guān)分析資料中雖然未肯定該原因，但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更多地在電網(wǎng)中應(yīng)用，黑客攻擊手段的隱蔽性和破壞性風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加，網(wǎng)絡(luò)安全方面的脆弱性也要引起有關(guān)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行等單位以及政府管理部門(mén)的高度重視。

2? 電網(wǎng)典型事件脆弱性分析

作為復(fù)雜大系統(tǒng)的電力系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的、發(fā)展的，由于自身和相關(guān)元素間固有的缺陷，加之現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)時(shí)常因受外部觸發(fā)事件的激發(fā)，致使發(fā)生嚴(yán)重危急電力系統(tǒng)安全的事故，甚至發(fā)生大面積停電事故，這些系統(tǒng)中的不足被稱(chēng)之為電力系統(tǒng)脆弱點(diǎn)，從宏觀上反映的脆弱點(diǎn)集合便是所謂的電力系統(tǒng)脆弱性。電網(wǎng)作為典型的人造系統(tǒng)，是一個(gè)高維、非線(xiàn)性、時(shí)空大、跨越范圍廣的巨大復(fù)雜系統(tǒng)，電力系統(tǒng)故障發(fā)展與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、外在因素等有著緊密聯(lián)系，因而電網(wǎng)的脆弱性是必然存在的，從國(guó)內(nèi)外發(fā)生的大面積停電事件也證實(shí)了這一點(diǎn)。隨著電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)模不斷增大，電網(wǎng)運(yùn)行方式更加復(fù)雜多變，電網(wǎng)特性不斷呈現(xiàn)新的變化，電網(wǎng)的故障形態(tài)也復(fù)雜多樣。一旦發(fā)生嚴(yán)重故障，系統(tǒng)穩(wěn)定安全防線(xiàn)控制不當(dāng)，引發(fā)設(shè)備連鎖跳閘，將導(dǎo)致大面積停電巨災(zāi)事故的發(fā)生。

2.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)負(fù)荷較大的節(jié)點(diǎn)或線(xiàn)路是電網(wǎng)中的脆弱環(huán)節(jié)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越不均勻，某些節(jié)點(diǎn)或線(xiàn)路承擔(dān)的負(fù)荷占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷的比重越大，該節(jié)點(diǎn)或線(xiàn)路的脆弱性越明顯。因而，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的脆弱性是客觀存在的。任一電網(wǎng)內(nèi)各發(fā)電廠(chǎng)、變電所和開(kāi)關(guān)站的布局，以及連接它們的各級(jí)電壓電力線(xiàn)路的連接方式，構(gòu)成了固有的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電網(wǎng)中高度數(shù)、高介數(shù)的輸電單元，是網(wǎng)絡(luò)固有的脆弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)脆弱性是電力系統(tǒng)固有脆弱程度的一種反映。提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性水平，必須從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)高度數(shù)節(jié)點(diǎn)、高介數(shù)節(jié)點(diǎn)和線(xiàn)路進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，才能降低大規(guī)模停電事故發(fā)生概率

2.2 運(yùn)行管理脆弱性

電源并網(wǎng)管理、用電管理、調(diào)度運(yùn)行管理等，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。管理不到位，將存在管理脆弱特征。電網(wǎng)系統(tǒng)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身就是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的。如果不采取合理的運(yùn)行方式，強(qiáng)化電網(wǎng)運(yùn)行管理，那么在運(yùn)行的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生電磁環(huán)網(wǎng)交錯(cuò)等一些故障，一旦出現(xiàn)這些問(wèn)題就很難有效控制，尤其是在一些電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施比較落后的地區(qū)，電網(wǎng)一旦出現(xiàn)異常，很容易就會(huì)引起連鎖反應(yīng)，危及系統(tǒng)安全。因此必須做好電網(wǎng)的運(yùn)行管理，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)密切配合，統(tǒng)一調(diào)度。

2.3 電網(wǎng)技術(shù)脆弱性

繼電保護(hù)技術(shù)、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)及安全自動(dòng)裝置技術(shù)、直流偏磁、調(diào)度運(yùn)行及安全防護(hù)技術(shù)都存在脆弱性特征。電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致穩(wěn)定破壞時(shí)，依靠繼電保護(hù)裝置、過(guò)載切機(jī)切負(fù)荷穩(wěn)控裝置，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的安全自動(dòng)裝置、低頻低壓失步解列裝置，通過(guò)高速準(zhǔn)確地切除故障元件、自動(dòng)低頻、低壓減負(fù)或解列等措施，防止系統(tǒng)崩潰，避免造成大面積停電，減少負(fù)荷損失，這就是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的“三道防線(xiàn)”?！叭婪谰€(xiàn)”中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題，都會(huì)威脅系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 設(shè)備設(shè)施脆弱性

發(fā)電設(shè)備、變壓器、母線(xiàn)及附屬設(shè)備、輸電線(xiàn)路、斷路器、直流一次設(shè)備、繼電保護(hù)設(shè)備、安全穩(wěn)定自動(dòng)裝置設(shè)備、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、電網(wǎng)通信設(shè)備等，存在設(shè)備故障問(wèn)題、設(shè)備檢修能力問(wèn)題、設(shè)備超期服役問(wèn)題等脆弱性特征。電力系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施在運(yùn)行中的作用不同，其運(yùn)行工況會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生影響，設(shè)備設(shè)施質(zhì)量和性能不佳是構(gòu)成電網(wǎng)脆弱性因素之一。因設(shè)備設(shè)施損壞造成系統(tǒng)停電事件屢屢發(fā)生，設(shè)備設(shè)施質(zhì)量和性能是保證安全運(yùn)行的前提。

2.5 外部環(huán)境的影響

自然災(zāi)害的影響，如氣候變化、臺(tái)風(fēng)侵襲等因素可能造成負(fù)荷削減時(shí)，電網(wǎng)存在風(fēng)險(xiǎn)。負(fù)荷削減率越大，電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)越高。自然生物或社會(huì)活動(dòng)的干擾，可能引發(fā)設(shè)備設(shè)施的故障和損耗，亦會(huì)造成可靠性的削減。臺(tái)風(fēng)、雷暴、洪澇、泥石流等自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)威脅，構(gòu)成電網(wǎng)脆弱性的外部影響因素，國(guó)內(nèi)外都發(fā)生過(guò)因自然災(zāi)害造成電力系統(tǒng)大面積停電事故案例，輸電線(xiàn)路對(duì)樹(shù)木放電、外力破壞造成的短路事故也時(shí)有發(fā)生。因此，外部環(huán)境也是電網(wǎng)脆弱性因素之一。

3? 基于電網(wǎng)的典型事件情景構(gòu)建

3.1 情景選擇

由于設(shè)備故障、外力破壞或自然災(zāi)害的影響，導(dǎo)致某區(qū)域內(nèi)電氣介數(shù)較高的變電站失效，所有線(xiàn)路退出運(yùn)行，由于電網(wǎng)按“N-1”設(shè)計(jì)，此時(shí)電網(wǎng)能正常運(yùn)行，但電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常薄弱;現(xiàn)存電網(wǎng)中電氣介數(shù)最高的線(xiàn)路或變電站再次失效，此時(shí)電網(wǎng)中部分線(xiàn)路過(guò)載，安穩(wěn)裝置動(dòng)作，通過(guò)提高區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)出力或切除部分負(fù)荷來(lái)保證電網(wǎng)穩(wěn)定性;隨著余下電網(wǎng)中的線(xiàn)路或變電站持續(xù)失效，安穩(wěn)裝置不斷切除負(fù)荷，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)后，線(xiàn)路或變壓器因超載發(fā)生跳閘而形成連鎖反應(yīng)，電網(wǎng)解列成幾個(gè)小孤網(wǎng)，若孤網(wǎng)內(nèi)電源與負(fù)荷達(dá)到平穩(wěn)，維持孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，若孤網(wǎng)內(nèi)無(wú)電源或電源與負(fù)荷不匹配發(fā)生振蕩而瓦解，即形成大面積停電事件。本研究選定某一區(qū)域因臺(tái)風(fēng)侵襲，造成電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施遭到破壞，致使區(qū)域主干網(wǎng)嚴(yán)重失效，造成大面積停電進(jìn)行模擬推演。研究造成大面積停電邏輯機(jī)理，因臺(tái)風(fēng)侵襲，假設(shè)結(jié)構(gòu)或設(shè)備崩潰或失效，或由于技術(shù)、管理等因素引發(fā)系統(tǒng)其它設(shè)備、裝置等失效、誤動(dòng)或拒動(dòng)等致使設(shè)定區(qū)域輸電斷路，造成大面積停電。

3.2 情景模擬

現(xiàn)選點(diǎn)如下三種場(chǎng)景進(jìn)行情景模擬：臺(tái)風(fēng)登陸襲擊電網(wǎng)。此階段中某變電站220kV母線(xiàn)發(fā)生三相短路開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，母線(xiàn)失靈保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)母線(xiàn)所有開(kāi)關(guān)，大量線(xiàn)路被迫跳開(kāi)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生較大變化，尤其是向某地區(qū)供電的南線(xiàn)三回220kV線(xiàn)路退出運(yùn)行;龍卷風(fēng)襲擊加某電站。此階段500kV兩條線(xiàn)路及兩臺(tái)主變?nèi)刻l，220kV所有出線(xiàn)跳閘，最終導(dǎo)致某地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行，僅由某電廠(chǎng)通過(guò)220kV三個(gè)變電站向某站供電，其他電廠(chǎng)通過(guò)220kV兩個(gè)變電站向某站供電。全過(guò)程仿真模擬某電網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下由相繼故障跳入孤網(wǎng)運(yùn)行;某電網(wǎng)跳入孤網(wǎng)運(yùn)行后發(fā)生頻率振蕩，某電廠(chǎng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組因低頻保護(hù)動(dòng)作跳閘，頻率繼續(xù)下降，孤網(wǎng)內(nèi)其他發(fā)電機(jī)組相繼跳閘停機(jī)，系統(tǒng)瓦解，某電網(wǎng)全黑。

3.3 模擬結(jié)論

經(jīng)過(guò)模擬災(zāi)害情景，進(jìn)行RTDS仿真試驗(yàn)，結(jié)論如下：RTDS實(shí)時(shí)仿真反演了某片區(qū)多處站點(diǎn)停電的情景，模擬了臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)線(xiàn)路、變電站母線(xiàn)等關(guān)鍵元件的攻擊過(guò)程，復(fù)現(xiàn)故障演化的時(shí)序和細(xì)節(jié)，并且考慮了故障發(fā)展過(guò)程中機(jī)組低頻保護(hù)裝置的動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)的影響。在RTDS仿真平臺(tái)上進(jìn)行災(zāi)害情景反演，可直觀評(píng)估災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的影響，模擬情景邏輯成立;RTDS實(shí)時(shí)仿真對(duì)某黑啟動(dòng)方案各步驟進(jìn)行了仿真校驗(yàn)，證明了黑啟動(dòng)方案可行性，同時(shí)RTDS仿真也揭示了部分黑啟動(dòng)方案步驟中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并基于風(fēng)險(xiǎn)提出了相應(yīng)的控制手段建議。

4? 應(yīng)急能力評(píng)估

結(jié)合以上情景分析和模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)某電網(wǎng)應(yīng)急管理的預(yù)防與應(yīng)急準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)與預(yù)警、應(yīng)急處置與救援、事后恢復(fù)與重建四個(gè)階段，對(duì)每一階段任務(wù)、承擔(dān)該任務(wù)的主責(zé)部門(mén)、協(xié)同部門(mén)及其主要職責(zé)及資源清單進(jìn)行分析，形成任務(wù)清單，然后逐項(xiàng)進(jìn)行對(duì)照評(píng)估。依據(jù)情景演化過(guò)程，對(duì)照電網(wǎng)相關(guān)綜合應(yīng)急預(yù)案和電網(wǎng)大面積停電應(yīng)急預(yù)案，梳理應(yīng)急任務(wù)，查找應(yīng)急準(zhǔn)備、任務(wù)、處置等缺失，最后匯總存在問(wèn)題。根據(jù)對(duì)電網(wǎng)大面積停電事件情景展現(xiàn)，以及對(duì)其應(yīng)急準(zhǔn)備能力的評(píng)估結(jié)果，電網(wǎng)公司應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)完整，各應(yīng)急組織的相關(guān)職責(zé)明確，建立了相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)急隊(duì)伍，配備了相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)急設(shè)施，編制了總體應(yīng)急預(yù)案和相應(yīng)的專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，電網(wǎng)具備了相當(dāng)規(guī)模的重大突發(fā)事件應(yīng)急處置能力。

5? 結(jié)論

綜上，將突發(fā)事件情景構(gòu)建理論應(yīng)用于電網(wǎng)應(yīng)急管理中，不斷豐富和完善電網(wǎng)企業(yè)的應(yīng)急管理制度和體系，是一項(xiàng)非常必要和有益的探索和研究。不但創(chuàng)新了管理方法，也評(píng)估了電網(wǎng)企業(yè)的應(yīng)急能力，為應(yīng)急管理決策者提供了新思路和技術(shù)支撐。同時(shí)，也建議在情景構(gòu)建的細(xì)節(jié)和具體設(shè)定條件上做進(jìn)一步探索，確保其仿真結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

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