邱愛慈， 別朝紅， 李更豐， 李俊娜

(1. 西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室， 西安 710049； 2. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室， 西安 710024)

1 強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境

1.1 強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境簡介

電磁脈沖(EMP)是多種瞬變電磁現(xiàn)象的統(tǒng)稱，描述的是以瞬變電磁場形式出現(xiàn)，能對電子/電力系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性電磁效應(yīng)的能量傳遞。IEC SC77C定義電場強(qiáng)度大于100 V·m-1的電磁輻射環(huán)境為高功率電磁環(huán)境(HPEM)。隨著技術(shù)發(fā)展，電磁兼容考慮的電磁環(huán)境電場強(qiáng)度已逐步提升至約200 V·m-1。區(qū)別于電磁兼容環(huán)境，本文所述強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境一般指電場強(qiáng)度大于1 kV·m-1的瞬態(tài)電磁輻射環(huán)境。核武器爆炸、高功率微波武器攻擊及雷電放電產(chǎn)生各具特征的電磁脈沖。其中，由外大氣層核爆產(chǎn)生的高空核爆電磁脈沖(HEMP)因覆蓋范圍廣(半徑為103km量級)、攻擊強(qiáng)度高和破壞目標(biāo)多，是威脅最嚴(yán)重的電磁脈沖。因此，本文重點關(guān)注HEMP環(huán)境。

高空核爆炸在起始瞬間釋放γ射線。因高空大氣極其稀薄，這些γ射線幾乎不受阻礙地直線傳播，其中,向下傳播的部分在離地面20～40 km高度才逐漸被大氣吸收。瞬發(fā)γ射線與空氣作用產(chǎn)生康普頓電流，電流在地磁場作用下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電磁輻射，即HEMP早期環(huán)境(E1)。在此之后，緩發(fā)γ射線，繼續(xù)形成康普頓電流，并在地磁偏轉(zhuǎn)作用下持續(xù)產(chǎn)生電磁輻射，構(gòu)成HEMP中期環(huán)境(E2)。核爆炸形成的高溫等離子體火球向外膨脹時將排斥“擠壓”地磁場，在地面產(chǎn)生強(qiáng)度較弱的感應(yīng)電場，同時核爆炸導(dǎo)致上層稀薄大氣電離和膨脹上升，進(jìn)而在地面感應(yīng)出地電場和電流，以上過程持續(xù)時間在1～100 s量級，產(chǎn)生的電磁場構(gòu)成HEMP晚期環(huán)境(E3)，又稱為磁流體動力學(xué)電磁脈沖。

HEMP環(huán)境典型參數(shù)如圖1所示[1]。E1電場強(qiáng)度大(104V·m-1量級)、上升時間快(10-9s)，持續(xù)數(shù)百納秒，能量的頻域主要分布在0.1～100 MHz頻段。E2電場降到1～100 V·m-1，變化的時間尺度在1 μs～10 ms，能量的頻域主要分布在100 kHz以下。E3的地電場強(qiáng)度由磁場擾動變化率及大地電導(dǎo)率等決定，幅度在0.01 V·m-1量級，脈沖持續(xù)可達(dá)100 s，主要頻段在0.01～1 Hz之間[2]。

圖1 典型HEMP時間波形Fig.1 Typical HEMP waveform

1.2 環(huán)境相關(guān)性

HEMP兼具多種電磁環(huán)境的特點，還存在協(xié)同效應(yīng)。其中， E1與靜電電磁脈沖均為納秒時間尺度，但覆蓋范圍可達(dá)103km量級；靜電電磁脈沖衰減非?？?，范圍非常小。E2環(huán)境與自然界常見的雷擊通道中感應(yīng)產(chǎn)生的雷電電磁脈沖(LEMP)在頻譜范圍上類似，但峰值強(qiáng)度比LEMP小很多。LEMP主要頻段在10 MHz以下，主頻低于1 MHz，電磁場強(qiáng)度與雷電流幅值正相關(guān)，且隨距離增加而衰減。雷電流峰值可達(dá)100 kA量級，在離雷擊通道數(shù)十米的位置，電場強(qiáng)度可達(dá)100 kV·m-1量級，有效作用范圍(1～10 km量級)也小得多。太陽風(fēng)暴引起的地磁暴在地磁場擾動幅度、時間特征、作用范圍及感應(yīng)產(chǎn)生地電場的特性等方面，都可與E3環(huán)境相比擬。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，特大等級以上的地磁暴產(chǎn)生的地電場強(qiáng)度可達(dá)1～10 V·km-1，低于大當(dāng)量核爆E3(目前標(biāo)準(zhǔn)38 V·km-1)。區(qū)別在于，一次地磁暴活動可能持續(xù)較長時間，能在一兩天內(nèi)反復(fù)多次出現(xiàn)強(qiáng)擾動，而E3只持續(xù)數(shù)百秒。

2 強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)機(jī)理及對電力系統(tǒng)的危害

2.1 效應(yīng)機(jī)理和主要損傷對象

E1可直接破壞電子信息設(shè)備，也能危及電力系統(tǒng)。而E2和E3主要作用于電力系統(tǒng)等廣域分布基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致節(jié)點故障或整網(wǎng)癱瘓。HEMP通過天線、電源線、數(shù)據(jù)線、電力線等的傳導(dǎo)耦合作用，或與設(shè)備殼體上的孔縫耦合，將電磁能量傳遞到電子/電力系統(tǒng)內(nèi)部，在線路上產(chǎn)生大電流,在器部件端口產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)致局部放電擊穿或燒毀，最終造成系統(tǒng)故障失效或癱瘓。圖2給出了HEMP與目標(biāo)作用的機(jī)理示意圖。

圖2 HEMP與目標(biāo)作用機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic diagram of HEMP damage mechanism on target

E1峰值場強(qiáng)高，主要頻段在1～100 MHz，能有效地耦合作用于地面暴露的大多數(shù)導(dǎo)體線纜(典型長度1 ～100 m量級或以上)。對于一般的架空電力線，E1作用產(chǎn)生的耦合開路電壓可達(dá)103kV量級，耦合短路電流可達(dá)4 000 A，脈寬100 ns[3]。輸變電系統(tǒng)中，電壓110 kV等級以下的線路、變電站對雷電沖擊的絕緣電壓要求一般為幾百千伏。E1產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓會對110 kV等級以下的線路，產(chǎn)生危害。一般電子設(shè)備通常連接長度幾米到幾十米不等的控制線或信號線，在早期HEMP作用下耦合開路電壓可達(dá)幾十千伏。大部分設(shè)備在電磁兼容設(shè)計時一般要求耐受1 kV量級瞬變電壓，如果屏蔽、接地等措施不到位，線纜端口防護(hù)沒有足夠裕度，很容易被E1引起的浪涌損傷。

因此，E1的損傷機(jī)理主要包含2個方面：第一，控制保護(hù)和通信等電網(wǎng)二次設(shè)備被擾亂或損壞，出現(xiàn)拒動或誤動作，不能繼續(xù)快速隔離故障、保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；第二，在110 kV及以下的輸配電線路和設(shè)備上，感應(yīng)過電壓引起絕緣損壞和短路。損傷對象主要包括：1)電網(wǎng)調(diào)度控制中心，包括計算機(jī)、SCADA/EMS、通信、控制等自動化設(shè)備/系統(tǒng)、發(fā)電廠DCS及PLC；2)樞紐變電站的二次保護(hù)控制設(shè)備，如繼電保護(hù)器、無功補(bǔ)償裝置；3)智能化配電網(wǎng)控制、通信、在線檢測等設(shè)備/系統(tǒng)；4)直流輸電換流閥、光伏發(fā)電廠等大型電力電子裝備；5)110 kV以下的線路設(shè)備，如變壓器、絕緣子、斷路器等電力設(shè)備。

E3主要與長度100 km量級的接地導(dǎo)體回路(如電力系統(tǒng)中的高壓輸電線路)耦合，能在線路中產(chǎn)生近似直流的地磁感應(yīng)電流(GIC)，峰值可達(dá)1 KA[3]，對遠(yuǎn)距離的高壓輸電線路本身影響很小，但對線路末端的大型變壓器、斷路器及互感器等關(guān)鍵器/部件危害很大。以變壓器為例，當(dāng)GIC流過變壓器時，使變壓器產(chǎn)生直流偏磁，可造成變壓器局部過熱，振動、噪聲加劇，機(jī)械性能及抗短路性能下降甚至故障，引發(fā)更大的電網(wǎng)事故。

2.2 國內(nèi)外評估初步結(jié)論

考慮到電力供應(yīng)的重要性，美國評估認(rèn)為電力系統(tǒng)的易損性是所有基礎(chǔ)設(shè)施中最關(guān)鍵的。圖3為美國評估電力系統(tǒng)在HEMP攻擊下易損性的一個典型案例[1]。由圖3可見，在美國中北部俄亥俄州首府哥倫布市上空發(fā)生百萬噸級核爆炸時，產(chǎn)生的HEMP攻擊可以覆蓋美國中東部1 700余座高壓和超高壓變電站，導(dǎo)致圖中黑色環(huán)線所示區(qū)域電力完全崩潰，停電區(qū)域面積約178.7 km2，受影響人口1.3億，占總?cè)丝诩s40%，完全恢復(fù)可能要數(shù)年。

圖3 美國評估電力系統(tǒng)在HEMP攻擊下的易損性典型案例Fig.3 Typical case of power system vulnerability evaluation under HEMP in the United States

圖4為我國評估電力系統(tǒng)在HEMP攻擊下易損性的一個典型案例，以某電網(wǎng)為例，模擬HEMP造成系統(tǒng)500 kV變電站故障時，系統(tǒng)失負(fù)荷的情況。算例系統(tǒng)共有49座500 kV變電站，負(fù)荷水平為89 800 MW。由圖4可見，當(dāng)受到影響的變電站超過25座時，網(wǎng)絡(luò)多處解列，系統(tǒng)無法保持供需平衡，處于崩潰狀態(tài)。

圖4 我國評估電力系統(tǒng)在HEMP攻擊下的易損性典型案例Fig 4 Typical case of power system vulnerability evaluation under HEMP

以陜西電網(wǎng)部分區(qū)域為例，模擬HEMP造成系統(tǒng)330 kV變電站故障時，系統(tǒng)失負(fù)荷的情況。算例系統(tǒng)共有750 kV變電站4座，330 kV變電站110座，電網(wǎng)總裝機(jī)21 279 MW，負(fù)荷水平為16 890 MW。模擬電網(wǎng)中某5座變電站受到影響，導(dǎo)致電網(wǎng)全停時的黑啟動過程，不同恢復(fù)策略下的負(fù)荷恢復(fù)曲線如圖5所示。幾種方案下全面復(fù)電時長均超過5 h，系統(tǒng)損失負(fù)荷超過40 000 MW·h。因此，初步評估認(rèn)為，HEMP攻擊引起的電力系統(tǒng)大面積故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，造成災(zāi)難性的后果。

圖5 電力系統(tǒng)極端事件后的故障恢復(fù)過程模擬Fig.5 Restoration process simulation of power system from blackout caused by extreme events

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)對策略

3.1 美國研究現(xiàn)狀

美國將強(qiáng)電磁脈沖防御納入國家安全戰(zhàn)略，重視威脅評估、關(guān)鍵節(jié)點加固減緩、應(yīng)急響應(yīng)及快速恢復(fù)綜合策略,已形成較為完善的組織管理體系和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，具備完善的實驗設(shè)施和設(shè)備等。

在國家層面，美國于2001，2006，2015，2018年4次成立電磁脈沖委員會，積極推進(jìn)強(qiáng)電磁脈沖的防御，提出快速恢復(fù)策略和行動計劃。主要包括：2009年，能源部《智能電網(wǎng)報告》首次明確恢復(fù)力是智能電網(wǎng)顯著特征之一[4]；2010年，國土安全部發(fā)表《能源領(lǐng)域?qū)ｍ椨媱潯穂5]；2013年，總統(tǒng)政策令PPD-21要求聯(lián)邦政府統(tǒng)籌協(xié)調(diào)提高重要基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)力[6]；2014年，能源部舉行國家彈性電力系統(tǒng)研討會[7]；2015年，總統(tǒng)簽署法案，有關(guān)電力安全和戰(zhàn)略變壓器儲備[8]；2016年，能源部發(fā)布《電磁脈沖恢復(fù)力聯(lián)合戰(zhàn)略》[9]；2017年，能源部頒布《電磁脈沖恢復(fù)力行動計劃》[10]；2018年，能源部設(shè)立網(wǎng)絡(luò)安全、能源安全和應(yīng)急響應(yīng)辦公室(CSEER)；國防部陸續(xù)公布新的“電磁脈沖對美國攻擊威脅評估委員會”報告[11]；2019年，總統(tǒng)簽署“協(xié)調(diào)國家對電磁脈沖應(yīng)變能力”的行政命令[12]；2020年，總統(tǒng)簽署行政命令，要求保護(hù)美國大電網(wǎng)的安全性、完整性和可靠性[13]。

技術(shù)層面主要涉及3方面。1)美國國防部投資7 700萬美元啟動彈性電力系統(tǒng)建設(shè)計劃，目標(biāo)是發(fā)展出能應(yīng)對電力損失的自動化系統(tǒng)，能在電網(wǎng)遭受攻擊情況下7天內(nèi)恢復(fù)電力供應(yīng)。提出對大型電力變壓器、應(yīng)急移動變電站等進(jìn)行戰(zhàn)略儲備的計劃。有消息表明，該技術(shù)已投入應(yīng)用[14]。2)以提高快速恢復(fù)力為導(dǎo)向，研發(fā)新技術(shù)，制定強(qiáng)電磁脈沖防御行動計劃。提出了彈性電網(wǎng)(REG)建設(shè)計劃，提高電網(wǎng)的快速恢復(fù)能力，核心技術(shù)是研發(fā)具有浪涌電流限制的高溫超導(dǎo)電纜，使配電級多個變電站能夠互聯(lián)，為系統(tǒng)潮流提供多條通路，并于2014年在紐約州楊克斯進(jìn)行安裝與測試[15]。3)加強(qiáng)對數(shù)據(jù)中心的保護(hù)。2014年，ETS-Lindgren 公司聯(lián)手 Page Southerland Page 公司，建成紅邊脈沖防護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)兩層樓的數(shù)據(jù)中心[16],并達(dá)到MIL-STD-188-125(美國國防部接口標(biāo)準(zhǔn)--基于C4I設(shè)施高空電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn))要求。

在試驗條件層面，美國擁有齊備的試驗設(shè)施。針對通信設(shè)備/系統(tǒng)的各種HEMP輻照試驗，美國研發(fā)數(shù)十臺/套不同用途的輻照環(huán)境模擬裝置。針對電力系統(tǒng)等長線纜電壓耦合效應(yīng)研究，美國研發(fā)車載高壓注入試驗設(shè)施，用于開展變壓器、絕緣子等的絕緣耐受能力考核。另外，美國防部建設(shè)長脈沖電流注入試驗平臺，用于變壓器E3損傷試驗。

3.2 我國現(xiàn)狀與差距

我國學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界在過去很長時間內(nèi)集中于冰、雪及雷電等自然災(zāi)害對電力安全危害的研究，對HEMP等電磁脈沖環(huán)境對電力安全危害的關(guān)注不夠。2013年開始，本文第一作者帶領(lǐng)研究團(tuán)隊開始關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全問題，先后在中國工程院重點和重大咨詢項目的支持下，以電力系統(tǒng)為重點研究關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施面臨的電磁脈沖威脅和應(yīng)對策略，提出將關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的電磁脈沖防御研究列入國家重點研發(fā)計劃，分行業(yè)建設(shè)國家電磁脈沖防護(hù)研究中心等建議，在行業(yè)內(nèi)具有一定的影響力。

在應(yīng)對策略方面，本文第一作者帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊開展了一系列開創(chuàng)性工作[17-19]。2015年11月，在我國首次提出彈性電網(wǎng)與恢復(fù)力的基本概念，探討我國的彈性電網(wǎng)建設(shè)，并提出建議與意見。以“小概率-高損失”極端事件為出發(fā)點，結(jié)合電力系統(tǒng)可靠性分析和風(fēng)險評估領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，開展了一系列彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[17]。2016年，科技部啟動國家重點研發(fā)計劃--“公共安全風(fēng)險防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”專項，設(shè)置項目“重大事故災(zāi)難次生衍生與多災(zāi)種耦合致災(zāi)機(jī)理與規(guī)律”。西安交通大學(xué)牽頭承擔(dān)了該項目的課題三“地磁暴對油氣管網(wǎng)和電網(wǎng)的致災(zāi)機(jī)理與規(guī)律”。2019年，由西安交通大學(xué)和中國電力科學(xué)研究院共同承擔(dān)的中國工程院咨詢研究項目“能源轉(zhuǎn)型下彈性電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”，先后聯(lián)合國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司和中國華能集團(tuán)有限公司，開展效應(yīng)研究和試驗裝備研制。

在彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究方面，國家電網(wǎng)公司大力開展彈性電力系統(tǒng)研究，立項研究能源轉(zhuǎn)型下的彈性電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略；中國電力科學(xué)研究院成立電力系統(tǒng)非常規(guī)狀態(tài)研究中心，推進(jìn)電力系統(tǒng)安全防御頂層設(shè)計；南方電網(wǎng)公司建設(shè)保底電網(wǎng)，力保核心區(qū)域和關(guān)鍵用戶在極端自然災(zāi)害下不停電或少停電；南方電網(wǎng)公司總調(diào)設(shè)立電力安全風(fēng)險管控辦公室，應(yīng)對基準(zhǔn)風(fēng)險及極端情況下電力安全風(fēng)險；2020年4月，國家電網(wǎng)公司浙江省分公司創(chuàng)新性地提出建設(shè)“能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合的高彈性電網(wǎng)”，并將此作為國家電網(wǎng)戰(zhàn)略在浙江落地的主陣地。

綜上所述，與美國相比，我國能源轉(zhuǎn)型背景下的安全風(fēng)險更加突出。因電源側(cè)靈活性有待提高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍有短板，與互聯(lián)網(wǎng)高度融合的發(fā)展趨勢使電力系統(tǒng)風(fēng)險面增加。另外，與美國相比，我國在試驗設(shè)施和試驗數(shù)據(jù)等方面差距依然較大。但我國電力系統(tǒng)仍具有自身的優(yōu)勢：1)我國電網(wǎng)是近20年唯一未發(fā)生重大停電事故的大型電網(wǎng)。2)我國電網(wǎng)具有全盤統(tǒng)籌建設(shè)和集中管控調(diào)度的體制優(yōu)勢，具有以特高壓輸變電為代表的制造產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。3)我國能源科技創(chuàng)新成果豐碩，包含特高壓輸電、風(fēng)光儲一體化示范、綜合能源服務(wù)、虛擬電廠及智慧電廠等。4)我國電網(wǎng)具有推進(jìn)電網(wǎng)電磁防御的堅實基礎(chǔ)和重要發(fā)展契機(jī)，并具備人才隊伍優(yōu)勢。綜合分析認(rèn)為，我國電網(wǎng)目前處于大力發(fā)展階段，及早啟動電網(wǎng)HEMP防御適時且必要。

3.3 國內(nèi)彈性電力系統(tǒng)的提出與發(fā)展現(xiàn)狀

電力安全關(guān)乎國計民生，需要高度重視。電力系統(tǒng)容易遭受各種自然災(zāi)害的影響，如2012年的颶風(fēng)桑迪，導(dǎo)致了美國大規(guī)模停電、通信中斷、火災(zāi)和交通事故，造成了上百億美元的損失；2018年的臺風(fēng)山竹，也造成我國5省(區(qū))近300萬人受災(zāi)。此外，電力系統(tǒng)也容易遭受人為攻擊的影響，如2015年烏克蘭電力部門遭受到惡意代碼攻擊，造成了數(shù)小時的停電事故；2019年3月7日至27日，委內(nèi)瑞拉電網(wǎng)連續(xù)發(fā)生了2次大范圍停電事故。根據(jù)國外媒體報道，委內(nèi)瑞拉電網(wǎng)停電的原因是陸續(xù)遭到了5輪攻擊，古里水電站、變電站、變壓器及輸電線路都成為了攻擊目標(biāo)。由于停電，委內(nèi)瑞拉部分地區(qū)供水、通信及公共交通等受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致民眾無法進(jìn)行正常生活和生產(chǎn)。此次委內(nèi)瑞拉大面積停電持續(xù)時間之長，影響范圍之大，十分罕見，使電力安全受到社會的廣泛關(guān)注。

電力安全的相關(guān)研究已取得了一系列的成果，應(yīng)對以強(qiáng)電磁脈沖為典型代表的極端事件的相關(guān)研究也已起步。電力系統(tǒng)作為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，亟需對極端自然災(zāi)害及未來可能發(fā)生的人為襲擊做好準(zhǔn)備，在此背景下，彈性電力系統(tǒng)與恢復(fù)力的概念應(yīng)運(yùn)而生。學(xué)術(shù)界對恢復(fù)力的準(zhǔn)確定義尚沒有定論，在電力系統(tǒng)研究中，普遍認(rèn)同將恢復(fù)力定義為電力系統(tǒng)針對小概率高損失極端事件的預(yù)防、抵御及快速恢復(fù)負(fù)荷的能力，將彈性電力系統(tǒng)定義為具有恢復(fù)力的電力系統(tǒng)[17-22]?；謴?fù)力應(yīng)對的是小概率高風(fēng)險的擾動事件，其研究旨在考慮影響電網(wǎng)的各類事件的故障模式，提出能夠全面考慮電網(wǎng)特性的彈性電網(wǎng)恢復(fù)力評估方法及指標(biāo)體系，給出切實可行的彈性電網(wǎng)恢復(fù)力提升策略。圖6為彈性電力系統(tǒng)應(yīng)對極端事件的基本過程，包括預(yù)先準(zhǔn)備、抵御、響應(yīng)與適應(yīng)和快速恢復(fù)4個階段。

圖6 彈性電力系統(tǒng)應(yīng)對極端事件的基本過程Fig.6 Basic process of resilient power system against extreme events

圖7為極端事件發(fā)生前后彈性電力系統(tǒng)狀態(tài)示意圖[23]，可以反映彈性電力系統(tǒng)的基本特點，描述了電力系統(tǒng)的負(fù)荷損失在極端事件發(fā)生前、中、后的變化情況，其中，虛線是常規(guī)電力系統(tǒng)負(fù)荷損失變化曲線，實線為彈性電力系統(tǒng)負(fù)荷損失變化曲線。由圖7可見，與常規(guī)電力系統(tǒng)相比，彈性電力系統(tǒng)在極端事件下系統(tǒng)負(fù)荷損失累積量更小，表現(xiàn)為下降幅度低和持續(xù)時間短，這是彈性電力系統(tǒng)的主要特征和優(yōu)勢。彈性電力系統(tǒng)應(yīng)對極端事件主要有2個方面的措施，即硬件設(shè)施上的加強(qiáng)和軟件上的恢復(fù)策略。前者成本高但效果好，后者成本低但提升效果有限。因此，需要在成本與效果中尋找平衡。彈性電力系統(tǒng)正是尋求這樣一種平衡，它在加強(qiáng)重要元件的基礎(chǔ)上，通過資源調(diào)度及運(yùn)行策略的優(yōu)化，提高系統(tǒng)容災(zāi)能力，使系統(tǒng)在故障后能快速恢復(fù)。

圖7 極端事件發(fā)生前后彈性電力系統(tǒng)狀態(tài)示意圖Fig.7 Schematic diagram of power system performance during an extreme events

4 彈性電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展目標(biāo)、關(guān)鍵 技術(shù)及發(fā)展路徑

4.1 彈性電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展目標(biāo)

為更有效地應(yīng)對強(qiáng)電磁脈沖威脅等極端事件，我國彈性電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略需要綜合考慮電力系統(tǒng)的資源需求、發(fā)展趨勢、技術(shù)現(xiàn)狀及國情特點等因素，體現(xiàn)發(fā)展彈性電力系統(tǒng)的重要性、前瞻性與可行性。能源轉(zhuǎn)型下系統(tǒng)的不確定性、開放性和復(fù)雜性不斷增加，電力系統(tǒng)在極端事件威脅下的運(yùn)行風(fēng)險急劇增大，立足于我國電力系統(tǒng)規(guī)模大、傳輸距離長、電壓等級高及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，結(jié)合能源轉(zhuǎn)型的背景，在綜合分析彈性電力系統(tǒng)的各項基礎(chǔ)條件下，提出我國彈性電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略與發(fā)展目標(biāo)。

彈性電力系統(tǒng)的建設(shè)可采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，大力推行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，挖掘電力系統(tǒng)彈性資源，盡快開展工程示范，促進(jìn)我國電力系統(tǒng)向彈性電力系統(tǒng)模式的轉(zhuǎn)變，力爭將現(xiàn)有電力系統(tǒng)提升為具有高抵抗能力、強(qiáng)恢復(fù)能力及快響應(yīng)能力的彈性電力系統(tǒng)，實現(xiàn)在極端事件攻擊下電力系統(tǒng)全面恢復(fù)與核心區(qū)域電網(wǎng)恢復(fù)的時間目標(biāo)。

4.2 彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

開展彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)注重系統(tǒng)性與整體性，開展強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境模擬、風(fēng)險和薄弱環(huán)節(jié)辨識、電力系統(tǒng)恢復(fù)力評估和電力系統(tǒng)恢復(fù)力提升等關(guān)鍵技術(shù)研究，有效提升電力系統(tǒng)應(yīng)對重大災(zāi)變的恢復(fù)能力，全方位保障我國能源轉(zhuǎn)型下的電力安全。

1) 強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境模擬技術(shù)

為明確強(qiáng)電磁脈沖下系統(tǒng)的易損關(guān)鍵設(shè)備及其損傷概率和風(fēng)險等級，需要構(gòu)建強(qiáng)電磁脈沖模擬環(huán)境，包括典型設(shè)備/系統(tǒng)的機(jī)動式試驗環(huán)境、高電壓注入試驗環(huán)境、大電流長脈沖試驗環(huán)境和設(shè)備級傳導(dǎo)注入環(huán)境等，發(fā)展以效應(yīng)特征為導(dǎo)向的試驗和測試方法，研究損傷效應(yīng)機(jī)理，通過試驗梳理易損關(guān)鍵設(shè)備及其損傷概率和風(fēng)險等級。研究極端事件作用機(jī)理，搭建環(huán)境模擬、試驗效應(yīng)和仿真平臺，通過模擬仿真等手段明確強(qiáng)電磁脈沖等極端事件對電力系統(tǒng)的影響范圍與作用方式。

2) 風(fēng)險與薄弱環(huán)節(jié)識別技術(shù)

提升電力系統(tǒng)彈性的前提是準(zhǔn)確識別我國電力系統(tǒng)應(yīng)對極端事件面臨的最大風(fēng)險和薄弱環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)風(fēng)險評估是基于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)的平均結(jié)果，而針對小概率-高損失極端事件，需要提出相應(yīng)的最大風(fēng)險識別方法，才能準(zhǔn)確預(yù)判最壞場景，提出應(yīng)對策略?，F(xiàn)有的識別方法存在2方面不足：一是和最大風(fēng)險評估類似，考慮的因素較為單一，很少考慮到新能源和新型負(fù)荷等能源轉(zhuǎn)型特征的影響；二是衡量指標(biāo)還是基于“大平均”下的正常運(yùn)行狀態(tài)，不能識別出極端事件下的薄弱環(huán)節(jié)。因此，需要結(jié)合我國電力系統(tǒng)發(fā)展特點，從電源特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及信息自動化等方面分析應(yīng)對極端事件的最大風(fēng)險。在風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上，考慮極端事件對電力系統(tǒng)的影響機(jī)理，對電力系統(tǒng)進(jìn)行易損性分析與關(guān)鍵環(huán)節(jié)辨識，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析確定我國電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

3) 電力系統(tǒng)恢復(fù)力評估技術(shù)

構(gòu)建電力系統(tǒng)恢復(fù)力模型，研究評估理論與方法。對極端自然災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響建模，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后三階段電力系統(tǒng)恢復(fù)力評估框架。極端事件下的恢復(fù)力評估方法基于多源數(shù)據(jù)，并結(jié)合元件狀態(tài)模型，根據(jù)電力系統(tǒng)的故障后果對恢復(fù)力進(jìn)行評估。電力系統(tǒng)的多源多層次恢復(fù)力評估指標(biāo)體系包含負(fù)荷、網(wǎng)架、設(shè)備、彈性資源、應(yīng)急管理、氣象監(jiān)測等層面。

4) 電力系統(tǒng)恢復(fù)力提升技術(shù)

現(xiàn)階段開展電力系統(tǒng)恢復(fù)力提升研究應(yīng)注重對現(xiàn)有資源的有效利用，將彈性電力系統(tǒng)研究融入已有或正在發(fā)展的技術(shù)，從系統(tǒng)加固、應(yīng)急響應(yīng)和快速恢復(fù)等3個方面開展彈性電力系統(tǒng)的研究。引入“容災(zāi)”思想，不追求系統(tǒng)的全面加固，采取“關(guān)鍵節(jié)點加固+應(yīng)急響應(yīng)”的思路，爭取減緩效應(yīng)，快速恢復(fù)。在系統(tǒng)加固方面，進(jìn)行電力系統(tǒng)重要節(jié)點識別、加固及關(guān)鍵設(shè)備冗余化；為實現(xiàn)更高彈性的加固效果，分析識別電力系統(tǒng)關(guān)鍵元件，進(jìn)行重點加固與強(qiáng)化，需要重點關(guān)注通信、控制和保護(hù)等二次系統(tǒng)。在應(yīng)急響應(yīng)與控制策略方面，采取棄線保桿和變電站主動停運(yùn)等主動響應(yīng)措施，機(jī)組組合優(yōu)化、緊急負(fù)荷削減、廣域保護(hù)和控制、主動孤島運(yùn)行等緊急控制策略，注重不同基礎(chǔ)設(shè)施間的信息共享和協(xié)調(diào)指揮，提升電力系統(tǒng)對極端事件的響應(yīng)與恢復(fù)能力。減小極端事件對電力系統(tǒng)的影響，同時為災(zāi)后快速恢復(fù)做好充分準(zhǔn)備。在快速恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)方面，基于氣象信息、用戶側(cè)反饋、系統(tǒng)脆弱性分析和現(xiàn)場監(jiān)測等多信息源融合的系統(tǒng)狀態(tài)感知技術(shù)可有效提升極端事件后電力系統(tǒng)的恢復(fù)能力。高級量測體系(advanced metering infrastructure, AMI)、綜合應(yīng)用故障指示器、微型相量測量裝置(micro-phasor measurement units, μPMU)及智能電表等設(shè)備/系統(tǒng)及時將停電信息通報給電力公司。此外，發(fā)展電力系統(tǒng)快速恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)注重源、網(wǎng)、荷協(xié)同恢復(fù)，通過發(fā)電、輸電和用電協(xié)調(diào)制定系統(tǒng)防御與恢復(fù)策略也是重要的研究方向。

5) 完善市場對恢復(fù)力提升的激勵補(bǔ)償機(jī)制

電力市場及需求側(cè)響應(yīng)能提高電力系統(tǒng)彈性。美國PJM公司在2014年極地大氣漩渦(Porla Vortex，一種發(fā)生于極地上空的大規(guī)模氣旋)中曾3次啟動需求側(cè)響應(yīng)[24]，盡管電價一度被抬高到1.8 美元/(kW·h)，但成功保障了供電。極端天氣下的需求側(cè)響應(yīng)比傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)節(jié)方法更可靠、響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)更靈活，因此，能更有效地提升電力系統(tǒng)彈性，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本?，F(xiàn)有電力市場機(jī)制并沒有對恢復(fù)力的提升措施建立相應(yīng)的激勵機(jī)制，需進(jìn)一步完善對恢復(fù)力提升的激勵與補(bǔ)償機(jī)制，將電力市場的激勵機(jī)制引入網(wǎng)架強(qiáng)化及災(zāi)后恢復(fù)中。加快彈性電力系統(tǒng)與電力、能源市場的融合，未來研究的重點包括彈性資源的聚集、彈性參與的電力市場機(jī)制設(shè)計、基于電力市場的應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后恢復(fù)方法，構(gòu)建極端事件下基于各類彈性資源的更加完善的市場機(jī)制。

6) 結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等新技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等新技術(shù)在應(yīng)對極端事件、提升彈性方面具有強(qiáng)大潛力。如人工智能技術(shù)構(gòu)建的地震模擬、評估和響應(yīng)系統(tǒng)能減少基礎(chǔ)設(shè)施因地震造成的損失[25]。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)災(zāi)害實時數(shù)據(jù)的廣泛收集，提高海量數(shù)據(jù)的融合處理能力，為應(yīng)急人員提供實時動態(tài)策略，從而構(gòu)建彈性城市[26]。在風(fēng)險分析、薄弱環(huán)節(jié)辨識以及應(yīng)急響應(yīng)決策等環(huán)節(jié)中與數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等新興技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步提升評估和決策的效率和準(zhǔn)確性。例如通過對極端事件影響的用戶數(shù)和停電時間數(shù)據(jù)等分析可以辨識關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施存在的薄弱環(huán)節(jié)[27]，如圖8所示。

圖8 通過大規(guī)模數(shù)據(jù)分析辨識基礎(chǔ)設(shè)施薄弱環(huán)節(jié)Fig.8 Weaknesses identify of infrastructure via large-scale data analysis

7) 開展系統(tǒng)級數(shù)字仿真和示范驗證及彈性電力系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)仿真驗證示范

開展系統(tǒng)級數(shù)字仿真和示范驗證及彈性電力系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)仿真驗證示范，推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)整體建設(shè)。研究彈性配電網(wǎng)實時監(jiān)測、在線風(fēng)險評估和精細(xì)化預(yù)警的技術(shù)原理提升系統(tǒng)風(fēng)險感知能力。完成對極端事件的建模，明確極端災(zāi)害對彈性配電網(wǎng)的影響，建立極端事件下配電網(wǎng)彈性的評價指標(biāo)體系，并提出有效的評估算法，用于指導(dǎo)配電系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行。建立彈性配電網(wǎng)全景信息可視化平臺，集成配電網(wǎng)事故演變及快速恢復(fù)仿真平臺、潛力用戶柔性價值評估及柔性控制軟件模塊，開展彈性配電網(wǎng)全景信息可視化系統(tǒng)平臺的建設(shè)與示范。

4.3 彈性電力系統(tǒng)發(fā)展路徑

彈性電力系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)采取有序發(fā)展的思路，采取“基礎(chǔ)理論—關(guān)鍵技術(shù)—項目示范”的“三步走”發(fā)展路線，力爭在2035年完成彈性電力系統(tǒng)的整體建設(shè)。第1階段，加快推進(jìn)基礎(chǔ)理論研究與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成，研究極端事件模型，分析電力系統(tǒng)元件故障機(jī)理，建立環(huán)境模擬條件，梳理最大風(fēng)險點與薄弱環(huán)節(jié)，在行業(yè)內(nèi)形成防范應(yīng)對極端事件、建設(shè)彈性電力系統(tǒng)的共識，為新技術(shù)和新設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。第2階段，推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與核心裝備研發(fā)，針對梳理的薄弱環(huán)節(jié)，提高彈性電力系統(tǒng)的投資與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)二次系統(tǒng)基礎(chǔ)建設(shè)，構(gòu)建起堅強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，滿足重要用戶設(shè)備防災(zāi)與快速復(fù)電要求。第3階段，統(tǒng)籌推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)整體規(guī)劃建設(shè)，以基礎(chǔ)理論指導(dǎo)實踐工作，開展關(guān)鍵技術(shù)在行業(yè)的試點應(yīng)用，以點帶面逐步推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)建設(shè)，努力加快彈性電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)向?qū)嵺`工作的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)彈性電力系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。

第1階段(2020年～2025年)：建立環(huán)境模擬條件，確定系統(tǒng)最大風(fēng)險點與薄弱環(huán)節(jié)，開展基礎(chǔ)理論研究。

明確極端事件對電力系統(tǒng)的影響機(jī)理，研究極端事件下電力系統(tǒng)復(fù)雜故障模式，建立電力系統(tǒng)元件故障概率模型，形成應(yīng)對極端事件的電力系統(tǒng)彈性評估理論與評估方法。基于極端事件與元件故障的建模成果建立環(huán)境模擬條件，明確對極端事件影響進(jìn)行分析所必要的試驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定維持電力系統(tǒng)基本功能的關(guān)鍵設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，評估哪些設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)易受到電磁脈沖等極端事件的影響。

加強(qiáng)各界對電力系統(tǒng)彈性重要性的認(rèn)識，構(gòu)建彈性電力系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系，推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，完善現(xiàn)有的電力系統(tǒng)應(yīng)對極端事件的評價方法，建立彈性電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的基礎(chǔ)分析、系統(tǒng)規(guī)劃、技術(shù)要求、項目評估等標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的形成，提升決策科學(xué)性。

第2階段(2025年～2030年)：對電力系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行加固，推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究與核心裝備研發(fā)，建立模擬仿真平臺。

針對梳理的薄弱環(huán)節(jié)，提高彈性電力系統(tǒng)的投資與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)二次系統(tǒng)基礎(chǔ)建設(shè)，構(gòu)建起堅強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，盡量避免核心區(qū)域與重要用戶在極端事件與嚴(yán)重故障情況下失負(fù)荷現(xiàn)象的發(fā)生，滿足重要用戶設(shè)備防災(zāi)與快速復(fù)電要求，提高供電安全與嚴(yán)重故障下的快速復(fù)電能力。

以“平時預(yù)”、“災(zāi)前防”、“災(zāi)中守”、“災(zāi)后搶”和“事后評”為導(dǎo)向統(tǒng)籌推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。研究先進(jìn)傳感測量與通信技術(shù)，提高電力系統(tǒng)的感知力和恢復(fù)力；大力發(fā)展極端事件中電力系統(tǒng)的應(yīng)急抵御關(guān)鍵技術(shù)，建立一套應(yīng)對極端事件的防御體系；研究資源優(yōu)化配置、應(yīng)急物資調(diào)度及關(guān)鍵受損元件識別等優(yōu)化和分析理論，構(gòu)建一套完善的極端事件下彈性電力系統(tǒng)響應(yīng)、調(diào)度及修復(fù)的策略體系；研究故障診斷、輸配電網(wǎng)協(xié)同恢復(fù)技術(shù)、主動配電網(wǎng)及微網(wǎng)恢復(fù)策略為代表的電力系統(tǒng)快速恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)；充分挖掘機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、5G通信及規(guī)?；畔⒇?fù)荷的跨區(qū)域快速轉(zhuǎn)移等新興技術(shù)在彈性電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，如彈性電力系統(tǒng)可視化模擬仿真平臺、災(zāi)害模擬推演平臺及防災(zāi)減災(zāi)仿真平臺、液態(tài)金屬儲能、電力電子變壓器和超導(dǎo)電纜等設(shè)備，為彈性電力系統(tǒng)建設(shè)提供有力支撐。

第3階段(2030年～2035年)：推動彈性電力系統(tǒng)項目示范落地，實現(xiàn)彈性電力系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。

推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)項目的示范應(yīng)用，完善配套的管理體系及工作機(jī)制，探索能源轉(zhuǎn)型背景下高供電可靠性區(qū)域的供電解決方案，及時總結(jié)分析彈性電力系統(tǒng)新技術(shù)與新設(shè)備在實際應(yīng)用過程中的優(yōu)勢、適用場景和存在的關(guān)鍵問題，積累相關(guān)經(jīng)驗，推進(jìn)彈性電力系統(tǒng)整體規(guī)劃建設(shè)，最終實現(xiàn)彈性電力系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。

5 小結(jié)

本文以HEMP環(huán)境特征、效應(yīng)、危害及初步評估結(jié)果為切入點，兼顧能源轉(zhuǎn)型下電力系統(tǒng)面臨的安全問題，分析了國內(nèi)外在電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁脈沖防御工作的差距和優(yōu)勢，建議盡早啟動HEMP防御工作。在應(yīng)對策略方面，提出采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，大力推行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，挖掘電力系統(tǒng)彈性資源，盡快開展工程示范，促進(jìn)我國電力系統(tǒng)向彈性電力系統(tǒng)模式的轉(zhuǎn)變，力爭將現(xiàn)有電力系統(tǒng)提升為具有高抵抗能力、強(qiáng)恢復(fù)能力和快響應(yīng)能力的彈性電力系統(tǒng)，實現(xiàn)在極端事件攻擊下電力系統(tǒng)全面恢復(fù)與核心區(qū)域電網(wǎng)恢復(fù)的時間目標(biāo)。期望經(jīng)過全行業(yè)15年的努力，建成具備快速恢復(fù)力的彈性電力系統(tǒng)。