典型電力安全突發事件演化及推演方法研究

王海峰, 呂政權, 陳怡君, 林 棟, 彭道剛

(1.國網上海市電力公司培訓中心, 上海 200438; 2.上海電力學院, 上海 200090)

電力安全突發事件演變復雜,發展迅速,破壞嚴重。我國電力系統雖然不斷發展,但電力事故仍時有發生。國家最新發布的一系列文件都明確提出了要改善電力應急管理水平,提高電力工作人員應急處置能力。目前國內電力安全推演以應急預案為中心,不能直觀表現應急處置措施對事件發展的影響。因此,在分析電力安全突發事件典型案例的基礎上,總結事件演化機制,探究情景之間的跳轉關系及跳轉概率,設計能更好模擬真實事故的推演情景,并在情景分析的基礎上搭建電力安全突發事件的貝葉斯情景網絡,通過概率推理實現推演的多路徑多結果發展,可以使工作人員清晰了解自己的應急表現對事件發展路徑和推演結果的影響,從而提高我國電力工作人員的應急處置能力。

1 典型電力安全突發事件

2003年8月14日發生的“美加大停電”是北美歷史上最大范圍的停電[1]。由于夏季空調負荷增加和部分線路檢修停運,導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電力公司監控系統因故障未發出警報,且忽略合作公司的報警信息,導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問題,但由于缺乏應急經驗,未能在有限時間做出有效應對,導致輸電走廊過載跳閘。在之后的連鎖反應中,負荷無計劃轉移,美國東北部電網成為電氣孤島,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日發生的印度大停電事故是由于印度電網西電北送,關鍵聯絡線因繼電保護而斷開,后續潮流轉移導致暫態功角失穩而造成的[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繞道送往北方。這一輸電路線因沿線潮流增加而導致距離保護動作斷開線路,隨后北部電網與主網功角失穩而解列。西部-東部-東北部電網通過切除多余功率恢復穩定,而已經是電氣孤島的北部電網的自動保護設備因沒有切除足夠負荷而導致崩潰。

2015年3月27日發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供電,而且在電網中處于樞紐位置。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。事發當天,為了對380 kV隔離開關A進行測試,需要提前將平行備用的隔離開關B轉為運行狀態。由于開關B中一相電機故障導致此相沒有正確合閘,操作人員僅憑目測和開關B的正常運行記錄判定是二次系統故障并將報警信息屏蔽,導致隔離開關A一相出現開斷電弧。當天的大風將電弧吹動,進而引發了相間短路。由于全站主用和備用系統電氣連接,保護動作使整站退出運行,進而引發周圍線路和變電站過載,最終導致了大面積停電。

2019年3月,委內瑞拉接連發生多次持續時間久、影響范圍大的停電事件。3月7日的初次停電是由于國內最大的古里水電站發生故障而引起的。總統馬杜羅發表講話,稱電力系統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;二是電磁攻擊,使通信系統中斷;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致的;而反對派認為,停電是由于古里水電站送出線路發生火災引起聯絡線跳閘,樞紐變電站失壓,導致送入負荷中心的主干線也全部失電。鑒于委內瑞拉國內國際局勢動蕩,電力運維能力薄弱,停電事故多發,此次事故原因還不明確,演化過程還有待調查。

2 電力安全突發事件影響因素分析

2.1 典型電力安全突發事件規律歸納

(1) 大部分停電發生在自由連接的電網結構中,負荷可以通過聯絡線路任意傳輸到其他區塊的電網。

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

(3) 不合理地設置繼電保護(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。但由于自由電網無法設置解列點,關鍵聯絡線路斷開,系統被分裂成多個電氣孤島。孤島中發電、用電不平衡,依靠自動的高頻切機和低頻減載設備,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爭和恐怖襲擊等。2006年華中電網“5.29”事故和2008年南方地區的冰災事故中,都出現了電力應急決策人員調度和決策失誤的現象[4]。

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

(3) 網架因素 網架因素是指當電網系統發生擾動時,因為結構的不合理更加容易發生穩定破壞的情況。易受擾動的結構包括高低壓電磁環網、大電源集中遠程傳輸到負載中心、單回線大環網結構。

(4) 自然因素 根據對過去幾年的案例研究發現,我國電力系統可能引發重大安全事故的7大類自然災害包括風暴、洪水、雷擊、火災、持續大霧、地震以及冰覆蓋。另外,由于嚴寒酷暑等極端天氣,造成供熱制冷負荷量增加,與其他故障結合,也可能導致大規模停電。國內事故致災主要自然因素如表1所示。

表1 國內事故致災自然因素

3 情景構建和推演方法研究

黨的十九大以來,黨中央提出要加強、優化、統籌國家應急能力建設,提高安全生產水平,維護公共安全,預防和減輕災害。然而對于電力安全突發事件的演化機理和推演方案,目前還沒有系統的理論和方法。本文從應急決策模式、演化機理、事件模型和推演方法等4個方面總結了國內外相關研究進展。

3.1 應急決策模式

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

(2) “預測-應對”模式 該模式是一種基于應急預案的決策方法,即在災害事故未發生之前,相關部門和人員參考以往的案例和經驗編制應急預案,將災害情況和預案比對進行決策。2006年郭瑞鵬[6]建立了基于預案的應急決策方法,但決策速度慢,靈活性不足。隨后金輝[7]提出了通過數字化預案系統自動生成應急方案,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同作用。杜磊等人[9]在解決多主體應急協同交互問題時,提出了Petri網模型。目前,基于“預測-應對”模式下的應急決策方法已經比較成熟,但該方法僅適用于發展過程簡單、可預測性較強、演變規律相對固定的常規災害事故,對于發展過程多樣、不可預測、演變規律復雜的電力安全突發事件,該方法并不適用。

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

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

3.2 演化機理

突發事件演化是對已經發生的突發事件進行研究,通過對突發事件生命周期特點和特征進行總結,歸納出突發事件生命周期的內在規律。

(1) 自然科學視角 自然科學視角的演化機理強調不同類型突發事件所屬專業領域內的機理,具有很強的領域特征。研究專業性演化機理需要專業領域知識的支撐,屬于自然科學領域內不同學科對突發事件演化機理的專業性研究。

(2) 社會學視角 社會視角的演化機理強調突發事件中人作為主體的演化規律。如輿情事件和社會群體性事件主要承災體是人本身,同時人在這兩類突發事件過程中的表現及應對會影響演化的結果。由于人與人之間的競爭博弈及心理活動的復雜性,導致了事件發展過程的復雜性。目前社會學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事件演化的影響;二是探討不同干預模式對突發事件演化的影響;三是研究網絡輿情的傳播機理與事件演化之間的關系[16]。

(3) 管理學視角 管理學視角的演化機理通常又稱為一般機理。雖然突發事件的類型、發生機理、初始條件可能不同,但演化過程中有許多相似的共性規律。國內外學者就不同領域突發事件的發生、發展過程及相互作用的規律,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) 從數學層面對突發事件鏈建模 董華和楊衛波[17]基于突變數學模型建立了系統的運動方程,并對系統的運動規律進行說明,以此來預測事故和災害的發生。陸明明等人[18]基于離散隨機Petri網,給出了我國典型電網應急輔助決策系統的時間性能評價模型與方法。

(2) 基于復雜網絡理論的突發事件連鎖反應模型 陳小嬌[19]利用復雜網絡理論對電網拓撲結構進行了建模,基于OPA模型和自組織臨界性,研究了不同特征參數和拓撲結構對電力網絡故障的影響。在已有的連鎖故障模型的基礎上,求解標準系統和實際電網的連鎖故障臨界點,選取合理的臨界值。從網架結構、網絡關鍵元件等方面著手,探索抑制連鎖故障的有效措施。此外,大量文獻利用復雜網絡對電網建模并研究其連鎖反應。但研究不同特征參數和拓撲結構對電力網絡故障發生概率的影響,是對現有電網結構的修正,不能模擬突發事件的演化過程。

(3) 基于知識元的突發事件連鎖反應模型 于海峰[20]基于知識元理論,利用突發事件的一般發展結構,以系統熵為指標模擬了突發事件的演化規律。但由于電力系統元件眾多且相互作用機理的復雜,難以建立起相互聯系的方程,導致決策者對事故發生的條件或發展態勢難以清晰把握,進而影響決策。

(4) 基于貝葉斯網絡的連鎖反應模型 貝葉斯網絡是一種概率網絡,可以通過概率推理預測事件結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]利用貝葉斯網絡工具構建了一種通用的災害演化圖形評審技術(Technique Graphical Evaluation Review,TGER)模型,綜合考慮了災害的自然演化過程與人類救災搶險應急活動。該研究主要從災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系。董磊磊[22]利用貝葉斯網絡工具對突發事件鏈展開了研究,將突發事件各個相關狀態要素作為網絡中的節點,并且以臺風事件鏈為例驗證了該模型的合理性。裘江南等人[23]將各種緊急事件統一為具有輸入、狀態和輸出交互的3層網絡結構,以貝葉斯網絡作為建模工具,提出了一種具有相關關系的單事件貝葉斯網絡的融合方法。孟勇[24]利用貝葉斯分析法,研究了礦難變化的規律,并通過對礦難發生次數拐點處的事件分析,構建了礦難死亡事故變點預測模型。

3.4 推演方法

突發事件的推演是在對突發事件內在規律認知的基礎上,根據目前的狀況對未發生事件的發展過程進行推測,從而使人們及時地采取應對措施,防止突發事件的發生或進一步擴大。

(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過適當修改和重用,用以解決當前的問題。

(2) 基于規則的推演 規則推理通常由領域專家根據經驗、知識建立起完備的領域知識規則庫,在求解領域問題時,主要通過快速搜索領域知識庫來匹配if規則,激活對應的then子句,以完成次規則推演。基于規則推演的優點是邏輯性較強,可以清楚地表示領域中對象間的關系;缺點是面對大規模領域時,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-應對”型應急管理模式的核心在于情景的構建和推演方法的選擇,更適用于電力安全突發事件。

綜合上述分析可知,在事件建模方面,突變理論側重災害預測,復雜網絡研究電網拓撲結構,知識元難以確定作用關系函數。事件推演方面,基于案例的推演難以建立電力安全突發事件的案例庫,基于規則的推演難以建立規則庫。因此,應基于情景分析法,選取典型電力安全突發事件中的關鍵情景建立貝葉斯網絡,根據專家經驗和歷史案例確定網絡結構和條件概率來進行概率推演。另外,考慮到社會和電網聯系緊密,推演中也要加入社會行動。例如對于基礎設施,社會將為緊急救援和事故現場封鎖道路;電網方面,設備將得到修復,并將進行事故調查和分析。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非常重要;電網方面,需要改變操作方式,通過調度盡可能地補充重要區域中的電源。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,以及參與者的表現評估。

4 推演系統框架設計和自學習模式

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

圖1 應急推演系統框架

由于電力行業風險高,事故危害大,需要嚴格遵循行業標準和操作規范,難免會陷入固定的過程和形式之中。貝葉斯網絡節點和條件概率由歷史案例和領域專家確定,易受主觀影響。圖2為自學習模式,對于特定的電力安全事件或電力故障,推演人員的應急方案在時間或資源利用率上可能優于標準解決方案。

圖2 自學習模式

這是因為:一方面,自學習模式將處理方案與標準方案做對比,選取合理的部分來豐富應急預案的專家系統;另一方面,選取合理處理方案相關數據來修正貝葉斯網絡的網絡結構和條件概率,使推演結果更符合實際,從而達到反事故演習無法實現的效果。

5 結 語

黨的十九大以來,黨中央提出要加強、優化、統籌國家應急能力建設。但電力安全突發事件涉及環節多,演變復雜,而目前關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和實操階段。為此,本文提出了一種電力安全突發事件建模和推演的方法,設計了應急推演系統框架,可是目前選取的推演方法仍有一定的缺陷,自學習模式還未實現,有待后續進一步研究。