王學軍，門永生，鄧　創(chuàng)

(1.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209；3.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610023)

0　引言

電力是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈，也是基礎性能源產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟、人民生活和抗災救災中具有舉足輕重的作用?，F(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展對電力的需求持續(xù)增加，一旦發(fā)生電力供應中斷事件，將給社會穩(wěn)定及人民生活帶來巨大影響。近年來，各類自然災害頻發(fā)，2008年以來發(fā)生的南方雨雪冰凍、汶川地震、玉樹地震、舟曲泥石流災害及每年登陸沿海地區(qū)的臺風等自然災害，都對電網(wǎng)設施造成嚴重破壞，同時，電網(wǎng)遭受外力破壞情況時有發(fā)生，嚴重影響到了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。鑒于電網(wǎng)大面積停電事件影響的嚴重性，國內(nèi)外有關(guān)學者在“情景構(gòu)建”、“應急演練”以及借助于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺開展的“數(shù)據(jù)挖掘”等相關(guān)理論、方法和技術(shù)方面開展了較為深入的研究。Fahey[1]認為1個情景應該包括：結(jié)束狀態(tài)(End-state)、策略(Plot or story)、驅(qū)動力(Driving force)和邏輯(Logics)4個要素，每個要素都可以多個方式發(fā)展；Gilber[2]將情景分析法分為:提出規(guī)劃的前提假設、定義時間軸和決策空間、回顧歷史等10個步驟；劉鐵民[3]從突發(fā)事件應急預案的視野，將非常規(guī)突發(fā)事件情景設計為三維結(jié)構(gòu)：情景概要、災害后果、應急任務；姜卉等[4]通過對突發(fā)事件的研究,提出了突發(fā)事件情景演變中的原素概念，包括情景、處置目標、事件自身的演變以及處置措施4個要素；王顏新、李向陽[5]從災害動力學的角度認識情景，分為構(gòu)成要素與驅(qū)動要素，具有較強的結(jié)構(gòu)性；袁曉芳等[6]運用PSR模型(壓力-狀態(tài)-響應)的思想，構(gòu)建非常規(guī)突發(fā)事件情景的新的表達框架；張輝等[7]基于相關(guān)研究成果的集成升華，對突發(fā)事件應急場景下數(shù)據(jù)集成、組織與存儲、數(shù)據(jù)共享方法進行了研究，綜合集成“情景-應對”型應急決策理論和方法；李群[12]提出在現(xiàn)有應急預案指導、事故模擬仿真、事故案例經(jīng)驗總結(jié)等方法基礎上，引入基于大數(shù)據(jù)分析與預測的突發(fā)事件應急情景推演方法，將突發(fā)事件情景構(gòu)建的結(jié)果與相關(guān)大數(shù)據(jù)預測模型相結(jié)合。

總結(jié)以上現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學者在情景構(gòu)建的理論與技術(shù)方面進行了多方面的研究，但是在情景構(gòu)建的一些關(guān)鍵技術(shù)方面仍需進一步深入，特別是針對電網(wǎng)大面積停電事件的情景構(gòu)建研究幾乎是空白。因此，本文擬在 “情景構(gòu)建”理論方法的指導下，梳理電網(wǎng)大面積停電事件的情景要素，并在歷史事故案例數(shù)據(jù)以及大量應急演練數(shù)據(jù)的基礎上，綜合運用數(shù)據(jù)挖掘方法，建立相關(guān)事件情景的邏輯與時間序列。

1　情景構(gòu)建整體思路

近些年，基于“情景構(gòu)建”開展相關(guān)應急預案的編制、應急演練的組織實施等工作已經(jīng)逐漸成為各級應急管理部門的共同選擇，如：2012年12月～2013年11月，北京市應急委以“某重要地鐵樞紐遭受沙林恐怖襲擊”為原型，在國內(nèi)率先開展了巨災情景構(gòu)建的實踐研究工作。隨后，由相關(guān)委辦局牽頭，開展了破壞性地震、特大洪澇災害、大范圍暴雪天氣交通中斷事件、水源嚴重污染事件、大面積停電事件、燃氣多門站停氣事件、大規(guī)模網(wǎng)絡信息安全事件、不明原因重大傳染病疫情、大規(guī)模群體性事件、民航空難事故等10個領域的情景構(gòu)建工作。而在這些應急管理實踐的基礎上，可以逐漸梳理出具有通用指導性的情景構(gòu)建思路與方法，如圖1所示。從圖1可知，從整體上來說，開展一次突發(fā)事件情景構(gòu)建工作，一般分為以下3個階段。

1)安全與應急基礎數(shù)據(jù)收集

無論是上到國家一級的情景構(gòu)建，還是下到具體企業(yè)一級的情景構(gòu)建，相關(guān)工作都無法脫離開情景構(gòu)建主體的安全與應急管理現(xiàn)狀，故首先需要從根本上收集本層面的安全與應急基礎數(shù)據(jù)，收集的主要范圍包括：歷史事故案例、應急預案、應急演練、同類應急情景構(gòu)建數(shù)據(jù)等，而由于這些數(shù)據(jù)來源的不同以及存儲形式的差異，所采用的數(shù)據(jù)收集方式也各有不同，譬如：對事故案例來說，往往除了最終的事故調(diào)查報告以外，還需盡可能的收集到事故應急過程中的真實數(shù)據(jù)，包括文字以及各種影像數(shù)據(jù)，對于一些復雜的突發(fā)事件，還需涉及當時的各種氣象、地理、水文等數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換加工與集成提取

由于應急情景構(gòu)建涉及多種數(shù)據(jù)來源與格式，故在進一步開展情景分析、情景挖掘前，需要對收集到的數(shù)據(jù)進行“清洗”，從邏輯層面與技術(shù)層面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與集成，并在此基礎上，從情景構(gòu)建的業(yè)務需求角度，提取出關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如：事故案例、應急預案等數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化(方便數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計)。

3)事故應急情景確定

從應急情景構(gòu)建的全過程來看，事故應急情景的確定是“情景構(gòu)建”工作的重要產(chǎn)出，而在情景確定的過程中，需要用到“專家知識”、“實驗檢測”、“仿真模擬”、“數(shù)據(jù)挖掘”等方法、技術(shù)與工具，而最終從邏輯層面上進行的情景分類與定義、情景演化規(guī)則的確定以及從技術(shù)層面上的情景表達與描述，均是最終應用情景構(gòu)建成果的重要條件。

在圖1所示構(gòu)建思路與方法的指導下，具體開展應急情景構(gòu)建工作，還需在各個層面進一步細化，本文主要從情景要素表達和情景要素序列的構(gòu)建2方面展開討論。

圖1　應急情景構(gòu)建思路與方法說明Fig.1　The mind and method of emergency scenarios construction

2　情景要素的表達方法

情景要素是指事件情景序列上的一個具體組成環(huán)節(jié)，而情景要素的表達作為情景構(gòu)建的基礎科學問題之一，是情景構(gòu)建工作能夠真正落地的重要條件之一，主要包括：邏輯上的情景要素構(gòu)成、技術(shù)上的情景要素信息的存儲與顯示。

2.1　情景要素構(gòu)成

在情景要素構(gòu)成方面，可以從劉鐵民[11]提出的基于三個維度的情景結(jié)構(gòu)與內(nèi)容上入手，即從狹義的角度上，將情景要素構(gòu)成簡化為：概要描述、地理要素、氣象要素、周邊環(huán)境要素、可能的關(guān)聯(lián)情景要素等內(nèi)容，以某省電力公司開展的大面積停電事件情景構(gòu)建為例，表1描述的即是1個具體的情景要素。

表1　情景要素構(gòu)成說明

2.2　情景要素信息的存儲與顯示

在情景要素構(gòu)成的基礎上，根據(jù)組成情景要素信息的各類數(shù)據(jù)特點，采用具有針對性的信息存儲與顯示方式，譬如：“情景概要描述”往往采用文本文字的形式存在，故可用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的文本字段類型進行存儲；“地理信息”往往具有明確的位置信息，可采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)字字段類型存儲其經(jīng)緯度坐標，同時也可在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基礎上，擴展至相關(guān)GIS平臺對應的空間數(shù)據(jù)庫上，如圖2所示；“氣象信息”往往來自于具體的氣象預報，故可從專業(yè)的角度定義相關(guān)數(shù)據(jù)庫字段進行存儲，如：風速、風向、溫度、濕度、地震震級等；“周邊環(huán)境”數(shù)據(jù)往往較為復雜，可采用多媒體文件進行描述和存儲。

圖2　表征地理信息的GIS地圖Fig.2　Geography information map

3　基于情景要素的序列構(gòu)建方法

在逐漸分析、細化各種情景要素的基礎上，以一定的邏輯關(guān)系和時間關(guān)系存在的情景要素序列是突發(fā)事件情景構(gòu)建的重要產(chǎn)出之一，也是情景構(gòu)建成果應用于應急響應和應急指揮的重要內(nèi)容。本文提到的情景序列，可以理解為一套具有時間屬性和邏輯屬性的情景要素集合，體現(xiàn)了不同突發(fā)事件情景下的事件演化規(guī)律。而由于突發(fā)事件自身的復雜性與難以預測性，相關(guān)情景要素序列的構(gòu)建，更多的是站在專家經(jīng)驗以及以往同類事故案例類別的角度上提出。而電網(wǎng)大面積停電事件往往具有高度復雜性，由此產(chǎn)生的次生衍生災害類型多樣、相關(guān)關(guān)系復雜，故在傳統(tǒng)的專家知識和事故案例類比的基礎上，引入基于歷史數(shù)據(jù)挖據(jù)的方法，對現(xiàn)有情景要素進行分類，并在此基礎上進行關(guān)聯(lián)分析，以便構(gòu)建復雜突發(fā)事件情景下的情景序列，具體的構(gòu)建步驟參見圖3所示，由圖3可知，基于歷史數(shù)據(jù)的情景構(gòu)建大體上包括數(shù)據(jù)清理和數(shù)據(jù)挖掘2個階段。

圖3　電網(wǎng)大面積停電事件情景規(guī)則挖掘說明Fig.3　Large scale blackouts emergency scenarios rule data mining

3.1　數(shù)據(jù)清理階段

步驟一：收集、理解電力行業(yè)相關(guān)的應急規(guī)則數(shù)據(jù)，包括：相關(guān)法律法規(guī)、應急體系、應急預案、規(guī)章制度、應急標準、基本原理、經(jīng)典案例等，為下一步分析現(xiàn)有歷史電力應急數(shù)據(jù)的質(zhì)量提供業(yè)務支撐。

步驟二：在步驟一確立的業(yè)務規(guī)則上，根據(jù)現(xiàn)有歷史電力應急數(shù)據(jù)的來源、格式以及用途的不同，抽取部分具有代表性的數(shù)據(jù)，并在此基礎上制定相應的數(shù)據(jù)質(zhì)量標準規(guī)范(涵蓋數(shù)據(jù)采集、錄入、傳輸與處理全過程)。

步驟三：在步驟二制定的數(shù)據(jù)質(zhì)量標準規(guī)范的基礎上，對現(xiàn)有歷史電力應急數(shù)據(jù)按照不同的質(zhì)量問題類型(單數(shù)據(jù)源定義層問題、單數(shù)據(jù)源實例層問題、多數(shù)據(jù)源定義層問題、多數(shù)據(jù)源實例層問題)進行分類。

步驟四：根據(jù)不同的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題類型，研究相應的數(shù)據(jù)清理方法與技術(shù)，并對現(xiàn)有歷史電力應急數(shù)據(jù)進行全面數(shù)據(jù)清理。

3.2　數(shù)據(jù)挖掘階段

步驟一：在現(xiàn)有歷史電力應急數(shù)據(jù)中，抽取相關(guān)的實際事故案例應急以及模擬演練過程數(shù)據(jù)。

步驟二：根據(jù)“情景構(gòu)建”理論，設計相應的事件情景列表結(jié)構(gòu)。

步驟三：根據(jù)相應的事件情景序列表的結(jié)構(gòu)要求，對現(xiàn)有歷史電力數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換及規(guī)約，構(gòu)建電網(wǎng)大面積停電事件前后的情景要素列表。

步驟四 ：結(jié)合大量的實際事故案例應急數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應突發(fā)事件生前后的事件情景演化過程數(shù)據(jù)集。

步驟五：在步驟四的事件情景演化過程數(shù)據(jù)集基礎上，生成相應挖掘所需訓練與測試集。

步驟六：在相應訓練集上開展監(jiān)督學習下的分類與預測模型構(gòu)建。

步驟七 ：用訓練集、測試對模型進行評估。

步驟八 ：對通過評估的模型進行業(yè)務邏輯解析，而形成情景規(guī)則庫和報告。

實現(xiàn)了應急預案的輔助編制功能，能夠結(jié)構(gòu)化地編制專項預案，基于事件的性質(zhì)特點、對事件的綜合預測以及相關(guān)案例經(jīng)驗知識等，編制針對某類事件應急處置的工作組配置、成員、流程、資源配置等方案。預案動態(tài)圖如圖3所示。

4　實際應用

在以上情景構(gòu)建思路、方法和技術(shù)的指導下，結(jié)合國家電網(wǎng)在各類突發(fā)事件應急預警、響應與處置方面的實際情況，針對“強對流天氣”、“地震”、“雨雪冰凍”、“臺風”、“洪澇”等多種自然災害，開展針對性的情景梳理、分析與構(gòu)建工作，主要包括：情景要素、情景演化規(guī)律、情景任務、應急能力等內(nèi)容，下面以國家電網(wǎng)開展的“國家電網(wǎng)公司總部處置大面積停電事件應急演練”中應用的具體情景(預警階段)為例進行簡要說明。

4.1　情景概要描述信息

11月10日(周四)凌晨起，超強冷空氣來襲，華北東北部地區(qū)氣溫驟降，并伴有6～7級大風，由于冷暖空氣交匯，燕山東部山區(qū)發(fā)生大范圍凍雨、暴雪天氣。10日14時，燕山東部山區(qū)部分輸電線路中度覆冰(10～15 mm),平原及風口地區(qū)線路輕度覆冰(5～10 mm)；預計凍雨、暴雪將持續(xù)加重，山區(qū)輸電線路將發(fā)生重度覆冰(20～30 mm)，平原及風口地區(qū)將發(fā)生中度覆冰(10～15 mm)，變電站設備覆冰。安全應急辦收到華北分部、冀北公司、運檢部、國調(diào)中心報告，冀北電網(wǎng)已有1條500千伏、2條220千伏輸電線路發(fā)生舞動跳閘，重合成功，輸電線路舞動呈增多趨勢；500千伏承德變電站因母線電壓互感器出現(xiàn)危急缺陷，現(xiàn)單母線運行，電網(wǎng)停電風險加大。

4.2　地理信息

華北東北部、燕山東部山區(qū)。

4.3　氣象信息

XXXX年11月8日(周二)9時，中央氣象臺發(fā)布凍雨、暴雪橙色預警，受西伯利亞強冷空氣和暖濕氣流影響，預計11月10日至11日，華北東北部、燕山東部山區(qū)將出現(xiàn)凍雨、暴雪天氣，并伴有6～7級大風，降水量30～40 mm，最低氣溫降至-6℃。

4.4　預警階段的主要關(guān)聯(lián)情景與任務

1)公司發(fā)布凍雨、暴雪橙色預警。

2)公司總部各部門、華北分部和冀北等相關(guān)省市公司按照氣象災害處置應急預案和部門職責、流程開展預警行動，加強設備覆冰監(jiān)測和電網(wǎng)運行監(jiān)測，做好應急準備。

3)公司發(fā)布大面積停電橙色預警，并向河北省政府提出大面積停電預警建議。

4)應急處組織安質(zhì)、運檢、營銷、信通、外聯(lián)部、國調(diào)中心開展應急值班，通知華北分部及冀北、北京、天津公司分管領導在各自應急指揮中心值班。

5)應急處向國家能源局匯報公司預警發(fā)布及預警行動情況。

6)應急處召集相關(guān)專家對本次凍雨、暴雪天氣可能產(chǎn)生的影響和發(fā)展趨勢進行研判分析。

7)調(diào)度處加強電網(wǎng)運行風險預想預控，合理安排電網(wǎng)運行方式，及時掌握華北、冀北電網(wǎng)運行情況。

8)檢修處組織冀北、北京、天津公司等做好設備特巡以及搶修隊伍、車輛、物資裝備等準備工作，做好防寒、防凍、防滑措施，重要變電站恢復有人值守。

9)客戶處組織冀北、北京、天津公司將預警信息逐戶告知，針對可能受本次災害天氣影響的政府機關(guān)、鋼廠等重要客戶，指導客戶檢查自備應急電源，做好停電應急準備，通知國網(wǎng)客服中心增加95598備班力量，做好客戶應答服務準備；密切關(guān)注事態(tài)發(fā)展，收集信息，做好專業(yè)信息報告。

10)物資供應處組織國網(wǎng)物資調(diào)配中心、冀北公司及相關(guān)省公司落實應急處置預案要求，開展應急庫集中盤庫和臺賬梳理，聯(lián)系協(xié)議供應商、常用承運商，加強信息溝通，確保應急物資需求響應迅速。

5　結(jié)論

1)在充分總結(jié)前人情景構(gòu)建思想理論基礎上,結(jié)合電網(wǎng)大面積停電事件情景構(gòu)建工作實踐,提出相應的應急情景構(gòu)建思路與方法。

2)在地震導致電網(wǎng)大面積停電事件情景構(gòu)建基礎上，提出具有一定通用性的情景要素的表達方法。

3)提出基于歷史電力數(shù)據(jù)的應急情景規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘思路和方法，將數(shù)據(jù)挖掘中的分類模型和關(guān)聯(lián)分析模型引入電網(wǎng)大面積停電情景序列構(gòu)建方法中，并以國家電網(wǎng)開展的“國家電網(wǎng)公司總部處置大面積停電事件應急演練”中應用的具體情景(預警階段)為例進行實際應用說明。

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