張居輝

摘要：停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警延伸已成為廣泛共識。自然災(zāi)害演化的時(shí)空分布特征及其誘發(fā)電網(wǎng)故障的不確定性，迫切需要將基于確定性準(zhǔn)則的安全穩(wěn)定分析向電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估拓展，將基于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則確定性場景的三道防線控制向基于動態(tài)故障場景的風(fēng)險(xiǎn)控制延伸。針對自然災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)如何在線防御的問題，總結(jié)了當(dāng)前自然災(zāi)害下電網(wǎng)輸電元件故障概率特征及其評估技術(shù)以及自然災(zāi)害下安全防御的困局與應(yīng)對現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：自然災(zāi)害;電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn);故障概率;預(yù)想故障集篩選

外部自然災(zāi)害一直是導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障的主要原因[1]。近年來，由自然災(zāi)害誘發(fā)的停電事故時(shí)有發(fā)生，停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警延伸成為廣泛共識。自然災(zāi)害演化的時(shí)空分布特征及其誘發(fā)電網(wǎng)故障的不確定性，迫切需要將基于確定性準(zhǔn)則的安全穩(wěn)定分析向電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估拓展，將基于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則確定性場景的三道防線控制向基于動態(tài)故障場景的風(fēng)險(xiǎn)控制延伸。

1、自然災(zāi)害下輸電元件故障概率評估及其特征

1.1自然災(zāi)害下輸電元件故障概率評估

自然災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制邏輯上包括如下過程∶融合廠域的外部災(zāi)害數(shù)據(jù)、電網(wǎng)設(shè)備臺賬及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立外部災(zāi)害、輸電設(shè)備、電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自然災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)辨識與科學(xué)防控。其中，傳統(tǒng)的電網(wǎng)可靠性評估采用固定不變的元件年均故障率模型，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估需求，如何求取災(zāi)害下輸電元件時(shí)變停運(yùn)概率是運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估與防控首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

1.2自然災(zāi)害下輸電元件故障概率特征

自然災(zāi)害下輸電元件故障概率呈現(xiàn)如下特征：

1）模型復(fù)雜性。災(zāi)害引發(fā)電網(wǎng)故障涉及耦合因素眾多、機(jī)理復(fù)雜，模型參數(shù)難以整定甚至有些難以解析表達(dá)。以山火災(zāi)害下架空線路概率評估為例定性描述其機(jī)理復(fù)雜性及耦合因素多樣性。

山火引發(fā)線路閃絡(luò)機(jī)理一般可歸納為4種模型∶熱游離模型、空氣密度下降模型、電導(dǎo)率模型和顆粒觸發(fā)模型。前兩種模型的致災(zāi)機(jī)理是火焰高溫使得空氣絕緣降低，后兩種模型的致災(zāi)機(jī)理是空間顆粒使得空間電場畸變降低了擊穿電壓。而線路空氣間隙絕緣強(qiáng)度降低往往是火焰溫度、申子和離子以及固體顆粒等因素共同作用的結(jié)果。其引發(fā)電網(wǎng)故障的途徑可歸結(jié)為導(dǎo)線空氣間隙擊穿與絕緣子損壞。電力系統(tǒng)中接入的山火數(shù)據(jù)，主要來源于同步衛(wèi)星、極軌衛(wèi)星或者人工巡線上報(bào)，不管哪一種方式目前都無法做到實(shí)時(shí)上送。因此，山火蔓延行為及其與線路檔的關(guān)系預(yù)測也是概率評估中的重要一環(huán)。

2）數(shù)值非精確性。不同于設(shè)備可靠性中長時(shí)間尺度的故障率（次/百公里×年）的概念，本文討論的電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)中的輸電元件故障概率，表示短時(shí)間尺度內(nèi)（小時(shí)、分鐘）不同災(zāi)害情形下輸電元件受災(zāi)故障的可能性。但是由于申力設(shè)備由自然災(zāi)害導(dǎo)致停運(yùn)的有效樣本數(shù)量有限，因而大數(shù)定律成立的條件在現(xiàn)實(shí)中難以滿足。在這種情況下，任何精確的概率計(jì)算值都難以反映設(shè)備真實(shí)的停運(yùn)可能性。這就進(jìn)一步增加了短時(shí)間尺度輸電元件概率實(shí)用性的難度。目前主要是利用概率值在一定時(shí)間窗口內(nèi)具有的相對性對輸電元件受災(zāi)害影響程度進(jìn)行排序篩選[3]。

2、適應(yīng)災(zāi)害下概率及損失變化特征的風(fēng)險(xiǎn)控制策略

2.1自然災(zāi)害下控制代價(jià)計(jì)算特征及變化特征

按照各類控制措施應(yīng)對場景的演化過程，可以把控制代價(jià)分為：事前對于預(yù)想不安全采取的預(yù)防控制、快速隔離故障的繼電保護(hù)、按照既定策略執(zhí)行的緊急控制、穩(wěn)定被破壞后的就地安自裝置緊急控制等。第一個(gè)稱為預(yù)防控制代價(jià)，后3種合稱為緊急控制代價(jià)。

再換一個(gè)維度來看這個(gè)過程，緊急控制代價(jià)可以劃分為原發(fā)故障損失和相繼故障損失。原發(fā)故障損失包括原發(fā)故障直接誘發(fā)的繼電保護(hù)裝置動作所導(dǎo)致的損失、因原發(fā)故障誘發(fā)安控動作導(dǎo)致的損失以及故障后動態(tài)過程所引起的安自裝置動作所造成的損失。相繼故障損失包括故障后動態(tài)過程中繼電保護(hù)動作損失及后續(xù)安自裝置動作損失。其特征是：前2類可以在事前可得，僅與運(yùn)行方式及故障集有關(guān)，不需要詳細(xì)的時(shí)域仿真;后3類跟動態(tài)過程相關(guān)，需要完整計(jì)及保護(hù)及安自裝置模型進(jìn)行時(shí)域仿真計(jì)算，

2.2自然災(zāi)害下在線預(yù)防控制風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化流程

該風(fēng)險(xiǎn)控制策略流程包括預(yù)想故障集排序、預(yù)想故障集分段處理、預(yù)防控制代價(jià)優(yōu)化等幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

排序的目的是降低遺漏應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注故障的可能性，因此需要將故障概率大的故障排序靠前，對于概率相同的故障，可根據(jù)災(zāi)害引起的原發(fā)故障直接觸發(fā)的繼電保護(hù)及安控系統(tǒng)控制代價(jià)對應(yīng)的事前預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)值排序。該風(fēng)險(xiǎn)值不需進(jìn)行安穩(wěn)時(shí)域仿真，可按式（1）計(jì)算。

其中：n0為概率大于設(shè)定門檻值的預(yù)想故障全集F0中預(yù)想故障的數(shù)目;Lr.i和Lc.i分別為第i個(gè)預(yù)想故障發(fā)生后直接觸發(fā)的保護(hù)裝置動作所導(dǎo)致的損失代價(jià)、安自裝置動作所導(dǎo)致的損失代價(jià);pf.i為第i個(gè)預(yù)想故障發(fā)生的概率;Rrc.i為第i個(gè)預(yù)想故障發(fā)生后因預(yù)想故障直接觸發(fā)的保護(hù)裝置和安自裝置動作所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語：

當(dāng)前自然災(zāi)害下的安全防御以輸電元件故障概率為核心、以傳統(tǒng)三道防線為防御原則。在這種模式下，為了提升安全防御的可靠性，需要不斷擴(kuò)大故障集、降低概率門檻，理論上如果計(jì)及小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件的防御，那么需要防御的故障數(shù)量將是無窮多。另一方面，自然災(zāi)害下的輸變電設(shè)備故障概率特征，也已經(jīng)不符合三道防線關(guān)于不同故障形式故障概率差別很大的假設(shè)。在這種背景下，本文探討了以電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)為核心、以風(fēng)險(xiǎn)防控代價(jià)比為防御原則的災(zāi)害防控理念，提出了適應(yīng)災(zāi)害下概率及損失變化特征的風(fēng)險(xiǎn)控制策略，在預(yù)防控制與緊急控制間自動設(shè)置防御門檻。

參考文獻(xiàn)

[1]?？?，徐泰山，郁琛，等.自然災(zāi)害下電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制策略探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（10）：79-87.

[2]山火災(zāi)害下電網(wǎng)輸電線路跳閘風(fēng)險(xiǎn)評估研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2019.

[3]劉桂濤.電力調(diào)度運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)與防范策略探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018，000（021）：3019.

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