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.國家電力監管委員會南方監管局，廣州市，510180)

0 引言

電力安全問題是一個關系到社會穩定和經濟發展的世界共性問題，歷來受到各國政府及相關電力企業的高度關注。電力系統一旦遭到各種災變（包括穩定破壞、自然災害及人為破壞等）的沖擊，將可能引發大面積停電或電網解列，給國民經濟、人民生活甚至國家安全帶來嚴重損害。為提高電力系統的可靠性，評估和監管整個電力系統及其內部結構和設備潛在的危險，研究應對災變的電力系統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，電力系統在傳統的穩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安全保障問題的補充。然而，全球近年來連續發生的各種災變導致的電力系統事故表明，以往的系統安全分析手段僅停留在技術層面上是不夠的。除了繼續完善現有各種分析方法外，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的研究，建立了新的電力系統安全風險評估框架，該框架由傳統的穩定分析、可靠性概率分析以及系統在結構、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，以廣東省電力系統為例，結合廣東省電力系統的實際特點，建立了廣東省電力系統安全風險評估總體框架，目前已在廣東省電力系統得到初步應用，證明了該體系框架的科學性和實用性。

1 現有電力系統安全風險評估體系的缺陷

在全世界的電力系統可靠性評估體系中，現在公認的N-X準則（即單元件故障準則，有的電力系統會根據需要校驗到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，國際大電網協會（CIGRE）、國際電工委員會（IEC）、北美電力可靠性協會（NERC）、美國西部協調委員會（WSCC）以及IEEE等國際電力組織都對電力系統可靠性及風險評估制訂了相關標準或規范[1-7]，如表1所示，這些規范均給出了概率風險度的定義。我國也于2004年由國家發改委頒布了DL/T 861—2004《電力可靠性基本名詞術語》[8]。由于這些規范所針對的電力系統環境、運行、市場等條件均不盡相同，各國電力系統的情況也相差很大，因而并未能形成國際上通用的電力系統可靠性及風險評估的體系。

現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可靠性評估準則Tab.1 Main power system reliability assessment standard developed by different international power organizations

（1）傳統的確定性評估準則作為風險評估依據已顯不夠。

以確定性評估準則為依據的大電網傳統規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]；現階段電力系統的可靠性不僅僅需要依賴于這些傳統的確定性評估準則（如單元件故障準則）來進行規劃、運行、維護和資產管理等工作，更需要考慮大電網事故的隨機性質，計及各種不確定性災變事件帶來的影響，在現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，也已經在電力系統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。

國際上沒有統一的風險評估框架標準來作為行業規范，也使得系統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風險評估體系是現階段國際上未能解決的問題之一。

（3）現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、停電持續時間等電氣量的期望值表示，對停電損失費用等考慮經濟性因素在內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問題，如損失電量帶來的經濟損失到底有多大，由于各地區、各不同負荷受國家政策調整、社會經濟發展水平及環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）政府監管的缺失。

由電力學術界和工程界自發組織的安全風險評估固然起著極大的作用，產生了經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。但對于維護電網安全穩定這樣一個極其復雜的系統工程來說，沒有引入政府部門的監管和用戶端的參與，僅僅依靠電力企業自身來防范大面積停電的風險，還存在不足。美國等世界發達國家已經意識到這個問題，早在2002年即由美國國家能源部頒布了《電力系統脆弱性評估》[10]，使得電力系統安全風險評估成為全行業共同參與的評估模式，可供世界其他國家進行電力系統安全風險評估借鑒和參考。

綜上所述，在新的形勢下，電力系統急待解決的首要問題是如何將電力系統的安全風險評估體系及框架提升到政府監管下全行業實用化的階段。本文在調研了大量國內外可靠性風險評估準則、行業標準、各種電力系統安全防護報告、電力安全報告以及各種穩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共同參與的電力系統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，與傳統的電力企業自發為保障電網安全穩定運行而進行的風險評估與穩定分析的出發點不同：傳統的企業自主進行的風險評估較注重保證大電網的完整性與穩定性；而政府主導的安全風險評估則并不重視系統本身是否解列或仍保持大電網穩定的問題，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、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定破壞引起的電網連鎖故障等傳統考慮較多的電網故障模式，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，不僅需要電力企業本身的參與，還需要政府監管部門及用戶端的共同參與，使得電力系統風險評估與預防變為一個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。

現階段電力系統存在的重要缺陷之一是：即使傳統的穩定計算全部滿足要求，仍然可能會有大面積停電事故等穩定破壞事件的發生。而且現階段電力系統的穩定一旦遭到破壞，僅依靠傳統的三道防線或電力企業的繼電保護部門與運行方式部門的臨時調整進行配合，已明顯不足以應對。雖然這在一定條件下能緩解電力系統穩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，但依靠二次系統來解決一次系統存在的缺陷和問題并非是解決系統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大面積停電問題上。因此，在現階段新的歷史背景下，必須引入新的電力系統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的具體技術細節問題，如某種故障情況下電網是否會崩潰，而是更多地關心由這些問題帶來的嚴重后果。例如，電網崩潰后，將導致的負荷損失量及負荷類型等；或者電網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，這些數據對于政府來說都是不透明的，由電力企業內部掌控，但在新的風險評估要求下，這些數據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的穩定分析計算、可靠性概率分析以及對系統的脆弱性分析這3種手段，構成整個系統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容如圖2[11]所示。

由圖2可知，全面的電力系統應對災變的安全風險評估應包含3個維度的內容：（1）第1個維度為傳統的電力系統穩定分析計算、熱穩定計算、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個維度為系統脆弱性風險分析，涉及到電力系統風險評估實用化的各個方面，包括電力系統的結構、技術、設備及管理等。因為電力系統不僅僅需要數學表達式來表征系統所處的狀態、概率值等，更需要對各個方面進行具體而全面的把握，使得系統人員及政府監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，這些都是電力系統進行風險評估的初衷之一，也是政府主導與企業自主的安全風險評估框架所必須包含的內容。

2.3 評估指標體系

在建立了以上電力系統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，是電力系統風險評估理論研究與實際應用之間的重要一環。由于確定性準則指標和概率性風險指標屬于電力企業長久以來已經發展相對成熟的領域，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。根據國內電力系統運行幾十年來所積累的工程實踐經驗和國內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風險評估方面的規范、規程的有關規定，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，根據各項指標的權重，綜合分析被評估對象的脆弱性，系統健康狀態綜合評估評分表如表2所示，表中各項內容及其權重可根據實際電力系統的具體情況而具體分析確定。

表2 綜合評估Tab.2 Comprehensive assessment

根據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值區間內），考慮到將定性和定量指標統一無量綱化，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中的應用

3.1 廣東省電力系統概況

廣東電網是目前全國最大的省級電網。截止到2008年底，廣東電網完成供電量3185億kW·h，完成售電量2999.5億kW·h；廣東電網共有35 kV及以上變電站1885座、主變容量2.5億kVA、輸電線路5.9萬km。廣東電網目前已形成以珠江三角洲地區500 kV主干內環網為中心、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聯網[16]。

廣東電網作為遠距離、大容量、超高壓、交直流混合運行的受端電網，是全球最復雜的受端電網之一，調度難度相當大，確保全省電網安全穩定運行的難度很高。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系統安全問題。受電網建設滯后、用電負荷增長快等因素影響，廣東省新投產的電源或多或少地存在送出問題，粵東、粵北、粵西地區問題尤為明顯，限電情況仍在相當長的一段時期內存在，給電網的安全調度帶來很大困難。此外，隨著供需矛盾的逐步加劇，系統的峰谷差將進一步拉大，調峰和廠網協調難度加大，給電網的安全運行帶來了新的隱患。對于廣東這樣一個經濟大省，一旦發生電網事故，其損失將是無法估量的。廣東省電網地理接線圖如圖7所示，為簡化起見，圖中只表示出了500 kV主干網輸電線路[16]。

3.2 廣東省電力系統應對災變的安全風險評估總體框架

廣東省電力系統應對災變的安全風險評估框架綜合運用傳統的穩定分析計算、可靠性概率分析以及復雜系統的脆弱性分析3種手段，構成對整個系統的安全風險及脆弱性評估體系。其中，政府主導、企業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長久以來已經發展相對成熟的領域，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

本文分析了現有電力安全風險評估存在的缺陷，指出傳統的安全評估和穩定控制方法存在無法考慮系統隨機性、缺乏政府參與及監管等問題。針對這些問題，本文提出電力系統安全風險評估必須引入政府與電力企業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應對災變的安全風險評估體系框架。該框架以“傳統確定性準則”、“系統充裕度概率風險”以及“系統脆弱性風險”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為例，針對廣東省電力系統的實際情況及特點，建立了廣東省電力系統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安全風險評估框架已經在廣東省電力系統進行了試點應用，證明了該框架的科學性和實用性。

由于電力系統安全風險評估體系是一個內容相當豐富、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安全風險評估進行了有益的探討，可供我國各級電網建立安全風險評估體系時參考。

[1]CIGRE Working Group 38.03.State of the Art of Composite System Reliability Evaluation,1990.

[2]CIGRE Task Force 38.03.12.Power system security assessment,a position paper,Electra,1997,175∶49-77.

[3]International Electrotechnical Commission. IEC 60050-191 International Electrotechnical Vocabulary- Chapter 191∶Dependability and Quality of Service,1990.

[4]IEEE Std 1366-1998.IEEE trial-use guide for electric power distribution reliability indices,1999.

[5]NERC.Reliability Assessment 2003–2012,2003.

[6]EPRI.KCPL and Midwest ISO Use Probabilistic Reliability Assessment to Enhance Transmission Planning,2005.

[7]白同朔，蔡建壯.美國西部協調委員會可靠性準則簡介[J].電力系統自動化，1998，22（9）：1-4.

[8]DL/T 861—2004電力可靠性基本名詞術語（中華人民共和國電力行業標準）[S].北京：中國電力出版社，2004.

[9]李文沅.電力系統風險評估模型、方法和應用[M].北京：科學出版社，2006.

[10]U.S.Department of Energy Office of Energy Assurance.Vulnerability assessment methodology electric power infrustructure,2002.

[11]侯慧.應對災變的電力安全風險評估與應急處置體系[D].武漢：華中科技大學，2009.

[12]袁季修.防御大停電的廣域保護和緊急控制[M].北京：中國電力出版社，2007.

[13]McCalley,J.D.,Vittal,etal.An overview of risk based security assessment[C].Proceeding of IEEE Power Engineering Society Summer Meeting,Edmonton,Canada,1999.

[14]Sermanson V.,Maruejouls N.,Lee S,et al.Probalilistic reliability assessment of the North American Eastern Interconnection Transmission Grid[C].Proceeding of CIGRE Conf.Paris,France,2002.

[15]張沛.基于概率的可靠性評估方法[J].電力系統自動化，2005，29（4）：92-96.

[16]廣東電網公司.廣東電網“十一五”規劃[R].廣州：廣東電網公司，2006.

[17]國家電監會南方監管局.廣東電力安全風險評估與對策研究技術報告[R].廣州：國家電監會南方監管局，2009.