王則凱，丁 濤，李 立，王 康，遲方德

（1. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，規(guī)模也愈加龐大。一次能源與終端負(fù)荷在地域上的逆向分布，使得電能長(zhǎng)距離傳輸必不可免。大量輸電線路穿越植被覆蓋的林區(qū)和山區(qū)，人為、雷電與大風(fēng)等原因引發(fā)的山火嚴(yán)重影響輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。近年來(lái)，由電網(wǎng)發(fā)生短路故障、遭受雷擊而引發(fā)的山火事故頻頻發(fā)生，其中電網(wǎng)故障已成為引發(fā)山火事故的主要原因之一，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2019 年由于大風(fēng)吹動(dòng)樹枝引起輸電線路短路，導(dǎo)致輸電線路產(chǎn)生大量電火花，進(jìn)而導(dǎo)致美國(guó)加州南部圣費(fèi)爾南多谷爆發(fā)山火，致使2 人死亡，2 萬(wàn)多戶居民（約10 萬(wàn)人）撤離，洛杉磯北部邊緣的過(guò)火面積超過(guò)18 km2，至少有25 棟房屋被摧毀。2020 年8月美國(guó)加州北部森林中，雷擊引起輸電線路短路，進(jìn)而引發(fā)了美國(guó)歷史上規(guī)模最大的森林大火；同年12月，人為縱火等因素導(dǎo)致加州山火的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，截至2020年12月3日，加州山火燃燒了超過(guò)6000平方英里（155 km2）的土地，全州有超過(guò)96 000 名居民接到疏散命令［1］。

我國(guó)電網(wǎng)同樣極易誘發(fā)山火事故，近年來(lái)我國(guó)由于電力系統(tǒng)故障而引起的山火事故頻頻發(fā)生。2019 年3 月30 日四川省涼山州木里縣發(fā)生森林大火，火場(chǎng)總過(guò)火面積達(dá)0.02 km2，對(duì)連接涼山主網(wǎng)的110 kV 鹽喬線產(chǎn)生極大威脅，給木里縣城區(qū)和六鄉(xiāng)一鎮(zhèn)用戶的生產(chǎn)生活正常用電造成風(fēng)險(xiǎn)［2］。2020年3 月30 日，四川省涼山州再次爆發(fā)森林大火［3］，此次森林大火的成因?yàn)?10 kV 馬道變電站10 kV 電臺(tái)線85-1 號(hào)電桿架設(shè)的1 號(hào)導(dǎo)線的預(yù)留引流線，受特定風(fēng)向風(fēng)力作用與該電桿橫擔(dān)支撐架抱箍搭接，形成永久性接地放電故障，造成線體鋁質(zhì)金屬熔融、絕緣材料起火燃燒，在散落過(guò)程中引燃電桿基部地面的雜草和灌木，受風(fēng)力作用蔓延成災(zāi)。此次森林大火造成各類土地過(guò)火總面積30.48 km2，綜合計(jì)算受害森林面積7.91 km2，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)9 731.12 萬(wàn)元。由于山火事故對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成重大影響，電力系統(tǒng)極易受到嚴(yán)重的破壞，因此，必須加強(qiáng)對(duì)山火事故的重視，特別是要關(guān)注由電網(wǎng)故障而引發(fā)的山火事故，采取措施提高電力系統(tǒng)在面對(duì)山火事故時(shí)的恢復(fù)能力。

為防范由電網(wǎng)故障而引發(fā)的山火事故，降低山火對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提高電力系統(tǒng)對(duì)山火的應(yīng)對(duì)能力，需要結(jié)合山火特性，對(duì)電力系統(tǒng)的彈性進(jìn)行研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)山火的研究主要集中在山火的預(yù)測(cè)、監(jiān)控、評(píng)估，以及山火事故下的電力系統(tǒng)彈性提升技術(shù)等方面。具體而言，包括以下幾個(gè)方面。

在提升山火事故下電力系統(tǒng)的彈性方面，文獻(xiàn)［4-5］介紹山火對(duì)電網(wǎng)造成的破壞和負(fù)面影響，以及對(duì)電網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的干擾，對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行分析和分類，并回顧現(xiàn)有技術(shù)與應(yīng)對(duì)山火的方案，以最大限度防止和減少由電力系統(tǒng)引起的山火。文獻(xiàn)［6］針對(duì)山火的特性，模擬山火對(duì)導(dǎo)線溫度和輸電電流的影響，并結(jié)合情景削減算法，提出一種綜合考慮太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和風(fēng)向等不確定性的隨機(jī)優(yōu)化模型，以提高配電系統(tǒng)在山火逼近時(shí)的彈性。文獻(xiàn)［7］結(jié)合山火引起電力線路故障的機(jī)理，建立基于電網(wǎng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和天氣條件的事故評(píng)價(jià)體系，提出一種基于決策樹的彈性電力系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［8］研究我國(guó)架空輸電線路的山火分布規(guī)律，提出一種基于火點(diǎn)密度分布層、植被燃燒危害程度分布層和火險(xiǎn)分布層的電網(wǎng)火災(zāi)分布圖繪制方法，并繪制典型地區(qū)架空輸電線路山火分布圖，指出山火高發(fā)區(qū)段及其危害程度，為山火的防控提供有針對(duì)性的指導(dǎo)。文獻(xiàn)［9］則分析說(shuō)明由配電系統(tǒng)故障而引發(fā)山火的各種可能因素，并將山火發(fā)生的概率表征為配電線路發(fā)生故障的概率和故障導(dǎo)致線路周圍植被燃料被持續(xù)點(diǎn)火概率的組合，以降低由配電系統(tǒng)故障而引發(fā)山火的可能性。文獻(xiàn)［10］結(jié)合美國(guó)加州電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）對(duì)2020年加州山火停電事故的公開報(bào)告，梳理并總結(jié)事故的發(fā)展過(guò)程，分析此次事故的成因，并結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際情況，提出關(guān)于提前預(yù)防極端天氣、重點(diǎn)關(guān)注需求響應(yīng)常態(tài)化、合理推進(jìn)2060 年碳中和發(fā)展戰(zhàn)略、穩(wěn)步提升跨區(qū)域電力調(diào)度能力以及電網(wǎng)彈性方面的建議。

在山火的預(yù)測(cè)和評(píng)估方面，文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)電網(wǎng)山火綜合預(yù)警系統(tǒng)框架，對(duì)山火和輸電線路停電同時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在線路運(yùn)行層面說(shuō)明相關(guān)的擊穿機(jī)理。文獻(xiàn)［12］基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，通過(guò)利用不同類型的傳感器對(duì)區(qū)域內(nèi)的各類電力參數(shù)與環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析山火發(fā)生的可能性，并根據(jù)氣候參數(shù)的變化，預(yù)測(cè)山火的強(qiáng)度，從而避免山火對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。文獻(xiàn)［13］基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)一種山火概率預(yù)測(cè)方法，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性更新山火發(fā)生的概率，并在山火易發(fā)地區(qū)將山火發(fā)生概率反饋到電網(wǎng)的宏觀和微觀風(fēng)險(xiǎn)決策中。文獻(xiàn)［14］則根據(jù)山火造成電力設(shè)備故障的途徑和機(jī)理，建立輸電線路在山火災(zāi)害下的故障率修復(fù)模型，根據(jù)電網(wǎng)故障率提出時(shí)空分布預(yù)警防御算法，并將山火信息與地理環(huán)境及氣象信息相結(jié)合，預(yù)測(cè)山火的蔓延行為。文獻(xiàn)［15］構(gòu)建耦合山火排放清單模式、大氣化學(xué)傳輸模型、環(huán)境效益分析系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型的災(zāi)害足跡模型，系統(tǒng)評(píng)估2018 年加州山火的災(zāi)害足跡，揭示山火災(zāi)害所造成損失的構(gòu)成及損失的傳導(dǎo)機(jī)制，為山火災(zāi)害的預(yù)測(cè)與管理提供關(guān)鍵信息。

在山火的監(jiān)測(cè)方面，文獻(xiàn)［16］提出一種新型的山火監(jiān)測(cè)方法，在深度學(xué)習(xí)架構(gòu)中利用衛(wèi)星圖像在像素層面定位山火。文獻(xiàn)［17］提出一種基于卡爾曼濾波的方法，通過(guò)無(wú)人機(jī)收集的在線測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)和監(jiān)測(cè)山火的變化。文獻(xiàn)［18］結(jié)合電力線路的跳閘機(jī)理，提出輸電線路山火防治措施，并在電網(wǎng)傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的基礎(chǔ)上，建立電網(wǎng)山火災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和電網(wǎng)山火災(zāi)害后果模型。

本文基于2019 與2020 年美國(guó)加州多次由山火引起的典型停電事故，綜述并分析公共安全停電這一應(yīng)對(duì)山火的手段，并從山火事故與公共安全停電措施出發(fā)，梳理并探討加州多起山火事故對(duì)我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的啟示。具體地，本文首先介紹公共安全停電的定義；其次梳理公共安全停電的措施與操作流程；然后探討公共安全停電所采用的技術(shù)方法與具體的用戶用電服務(wù)；最后結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出公共安全停電對(duì)我國(guó)電網(wǎng)在建設(shè)彈性電力系統(tǒng)方面的啟示。本文的創(chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)如下。

1）總結(jié)并綜述美國(guó)加州為應(yīng)對(duì)山火所提出的公共安全停電措施，結(jié)合電力系統(tǒng)的安全校驗(yàn)流程與校驗(yàn)方式，厘清并探討在實(shí)際使用過(guò)程中公共安全停電所采用的山火預(yù)測(cè)、停電計(jì)劃與切負(fù)荷計(jì)劃指定流程、停電計(jì)劃修正與執(zhí)行的具體操作方式和電網(wǎng)操作流程。

2）針對(duì)美國(guó)加州所提出的公共安全停電策略，結(jié)合中美兩國(guó)的基礎(chǔ)條件差異，從技術(shù)層面和管理層面指出，在我國(guó)輸配電系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)均高于美國(guó)的條件下，美國(guó)加州公共安全停電措施對(duì)我國(guó)電網(wǎng)在預(yù)防山火等方面的借鑒意義，并指出未來(lái)需要重視并加強(qiáng)的研究方向。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)和以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)概念，分析并研究在新型電力系統(tǒng)下我國(guó)彈性電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，以及公共安全停電措施需要進(jìn)行的調(diào)整。

1 公共安全停電含義

公共安全停電的定義最先是由美國(guó)加州太平洋天然氣電力公司PG&E（Pacific Gas & Electric Company）提出的，主要目的是應(yīng)對(duì)發(fā)生在加州地區(qū)的山火自然災(zāi)害，進(jìn)而應(yīng)對(duì)美國(guó)各州頻繁發(fā)生的各類山火災(zāi)害［19］。近年來(lái)，多數(shù)山火事故是由電網(wǎng)故障引起的，例如：隨著高溫大風(fēng)天氣的出現(xiàn)，樹枝將會(huì)劇烈擺動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致線路短路故障并產(chǎn)生大量電火花，破壞主要設(shè)備，引發(fā)山火。而公共安全停電則通過(guò)主動(dòng)斷開一些可能造成山火的線路（可能十幾條）來(lái)預(yù)防山火的發(fā)生。從本質(zhì)上而言，公共安全停電相當(dāng)于對(duì)正常電網(wǎng)主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)N-k（N為系統(tǒng)線路總數(shù)，k為系統(tǒng)斷開線路數(shù)）線路斷開故障，雖然這會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的停電，但是該停電代價(jià)換來(lái)的是降低山火發(fā)生的可能性，避免系統(tǒng)出現(xiàn)由山火所引發(fā)的更大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)損失與安全威脅。

進(jìn)一步地，當(dāng)系統(tǒng)計(jì)劃性斷開k條線路后，調(diào)度員需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行相應(yīng)改變。北美電力可靠性公司NERC（North American Electric Reliability Corporation）對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行有嚴(yán)格規(guī)定，并要求系統(tǒng)安全運(yùn)行必須滿足N-1 安全運(yùn)行準(zhǔn)則。為此，在電網(wǎng)計(jì)劃N-k停電后，仍需要滿足電網(wǎng)N-1 安全運(yùn)行準(zhǔn)則。本質(zhì)上，公共安全停電是要求正常電網(wǎng)滿足N-k-1 安全校核，但是在校核過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)熱穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的要求是不同的。

2 公共安全停電措施和流程

公共安全停電是為了應(yīng)對(duì)山火發(fā)生而采取的一種主動(dòng)停電措施，為此，PG&E 所提出的公共安全停電措施主要包含山火預(yù)測(cè)與監(jiān)控、公共安全停電計(jì)劃的制定、預(yù)測(cè)調(diào)整與滾動(dòng)修正3 個(gè)層面［19］。具體而言，公共安全停電的主要措施和流程如下。

2.1 山火的預(yù)測(cè)與監(jiān)控

電網(wǎng)在制定公共安全停電計(jì)劃前，首先需要確定山火發(fā)生的地點(diǎn)和范圍。電網(wǎng)需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，確定山火的易發(fā)地區(qū)，進(jìn)而依靠該地區(qū)的溫度、濕度等各類傳感器，對(duì)氣象、溫度以及山林燃料條件等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況，將衛(wèi)星定位與人工智能分析算法和區(qū)域內(nèi)輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)結(jié)合，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)與大數(shù)據(jù)的分析方法，對(duì)山火發(fā)生的可能性、規(guī)模、預(yù)期發(fā)生時(shí)間與持續(xù)時(shí)間等信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 公共安全停電計(jì)劃的制定

當(dāng)通過(guò)預(yù)測(cè)確定某一地區(qū)存在爆發(fā)山火的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需制定該地區(qū)的公共安全停電計(jì)劃。該計(jì)劃主要由線路斷開計(jì)劃與切負(fù)荷計(jì)劃兩部分組成。

線路斷開計(jì)劃是指，根據(jù)山火預(yù)測(cè)結(jié)果，電網(wǎng)主動(dòng)斷開山火易發(fā)地區(qū)的部分易受損輸電線路，降低因電網(wǎng)故障而引發(fā)山火的概率，并降低山火對(duì)電力系統(tǒng)的影響。該計(jì)劃由地區(qū)政府與電網(wǎng)根據(jù)山火預(yù)測(cè)情況制定，電網(wǎng)需要嚴(yán)格按照該計(jì)劃執(zhí)行線路的斷開。

切負(fù)荷計(jì)劃主要包括2 個(gè)部分：在線路斷開過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)失負(fù)荷現(xiàn)象，這些因電網(wǎng)故障而引發(fā)的失負(fù)荷需要在線路斷開前主動(dòng)切除；公共安全停電相當(dāng)于正常電網(wǎng)主動(dòng)發(fā)生N-k線路斷開故障，系統(tǒng)斷開線路后將到達(dá)一個(gè)全新的狀態(tài)，這個(gè)新狀態(tài)可以認(rèn)為是電力系統(tǒng)為避免山火發(fā)生的特殊穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)電力系統(tǒng)可靠性要求，必須對(duì)線路斷開后的新狀態(tài)進(jìn)行安全校核，保證系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)潮流運(yùn)行要求與N-1 安全運(yùn)行準(zhǔn)則，若發(fā)生N-k停電后系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)安全校驗(yàn)，則需要主動(dòng)切除一部分負(fù)荷，保證系統(tǒng)滿足安全運(yùn)行的要求。

在切負(fù)荷計(jì)劃中，根據(jù)系統(tǒng)切負(fù)荷的原因與特點(diǎn)，通?？蓪⑾到y(tǒng)切負(fù)荷分為直接切負(fù)荷與間接切負(fù)荷2 類：當(dāng)系統(tǒng)中某些輸電線路斷開時(shí)，部分母線將斷開與主網(wǎng)的連接，同時(shí)這些母線上將發(fā)生切負(fù)荷現(xiàn)象，這類切負(fù)荷被稱為直接切負(fù)荷；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生停電故障時(shí)，系統(tǒng)潮流將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，部分母線電壓的標(biāo)幺值將不滿足電網(wǎng)運(yùn)行的要求，無(wú)法支撐該母線上負(fù)荷的正常運(yùn)行，此時(shí)該母線上的負(fù)荷將低壓減載，以保證電壓的標(biāo)幺值恢復(fù)到規(guī)定的運(yùn)行范圍內(nèi)，這類由電壓越限造成的切負(fù)荷被稱為間接切負(fù)荷。

另外，在制定切負(fù)荷計(jì)劃時(shí)，對(duì)于N-k停電，系統(tǒng)所采用的安全校驗(yàn)也與正常運(yùn)行的系統(tǒng)不同：穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)要求各輸電線路的潮流低于線路正常運(yùn)行時(shí)的熱穩(wěn)定極限，同時(shí)輸電線路末端電壓的標(biāo)幺值不得低于0.95 p.u.；N-1安全校驗(yàn)要求各輸電線路的潮流低于線路運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定極限，同時(shí)輸電線路末端電壓的標(biāo)幺值不得低于0.90 p.u.。

圖1 為制定公共停電計(jì)劃的流程圖。如圖所示，制定公共安全停電計(jì)劃可通過(guò)穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)、N-1安全校驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)3步來(lái)進(jìn)行。

圖1 公共安全停電計(jì)劃流程圖Fig.1 Flowchart of public safety power shutoff plan

1）穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)。首先，結(jié)合山火的預(yù)測(cè)信息，地方政府可確定公共安全停電的線路斷開計(jì)劃。在計(jì)劃斷開k條線路后，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)直接失負(fù)荷現(xiàn)象，此時(shí)需統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中的直接失負(fù)荷量LD1，并將其作為日后進(jìn)行直接切負(fù)荷的依據(jù)之一。然后，再對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行正常的潮流計(jì)算，并對(duì)穩(wěn)態(tài)潮流進(jìn)行校驗(yàn)，如果此時(shí)潮流計(jì)算結(jié)果無(wú)法通過(guò)穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)，則需進(jìn)行間接切負(fù)荷操作，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)此時(shí)的間接切負(fù)荷量LI1。隨后再次進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)，若仍不滿足要求，則需進(jìn)一步進(jìn)行間接切負(fù)荷操作并計(jì)算間接切負(fù)荷量，同時(shí)將此次間接切負(fù)荷累加到變量LI1中，循環(huán)該操作，直到系統(tǒng)能夠通過(guò)穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)為止。

2）N-1 安全校驗(yàn)。若N-k停電系統(tǒng)已通過(guò)穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)，則需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行N-1 安全校驗(yàn)。同樣地，在發(fā)生N-1故障后，需首先統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)此時(shí)的直接切負(fù)荷量LD2，然后再進(jìn)行N-1故障下的潮流計(jì)算，并判斷此時(shí)的潮流計(jì)算結(jié)果能否通過(guò)N-1 安全校驗(yàn)。如果系統(tǒng)中存在潮流越限、電壓過(guò)低等現(xiàn)象，無(wú)法通過(guò)N-1安全校驗(yàn)，則需再次進(jìn)行間接切負(fù)荷操作，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)間接切負(fù)荷量。隨后再次進(jìn)行潮流計(jì)算，若仍不滿足N-1 安全校驗(yàn)，則需進(jìn)一步進(jìn)行間接切負(fù)荷操作，同時(shí)將此次間接切負(fù)荷累加到變量LI2中，循環(huán)該操作，直到系統(tǒng)能夠通過(guò)N-1安全校驗(yàn)為止。

3）計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)。當(dāng)通過(guò)切負(fù)荷操作保證能夠系統(tǒng)在發(fā)生N-k停電故障時(shí)安全運(yùn)行后，需要對(duì)系統(tǒng)的線路斷開情況與切負(fù)荷操作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在公共安全停電過(guò)程中，系統(tǒng)的切負(fù)荷由穩(wěn)態(tài)潮流校驗(yàn)下的切負(fù)荷與N-1 安全校驗(yàn)下的切負(fù)荷兩部分組成。但由于直接切負(fù)荷與間接切負(fù)荷在停電后的恢復(fù)策略與賠償金額等方面存在差異，因此需要分別對(duì)2種切負(fù)荷方式進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，即系統(tǒng)總直接切負(fù)荷量LD=+，系統(tǒng)總間接切負(fù)荷量LI=+。

另外，在完成公共安全停電的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)后，需將系統(tǒng)應(yīng)斷開的線路與系統(tǒng)的2 種切負(fù)荷方式一并下發(fā)給電網(wǎng)調(diào)度員。電網(wǎng)調(diào)度員則需要在山火發(fā)生前，根據(jù)公共安全停電要求，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行切負(fù)荷操作，并同時(shí)斷開公共安全停電所要求的輸電線路，保證電網(wǎng)能夠順利度過(guò)山火災(zāi)害。

2.3 預(yù)測(cè)調(diào)整與滾動(dòng)修正

由于山火的發(fā)生存在一定的隨機(jī)因素，并且目前的山火預(yù)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)尚不完善，在山火預(yù)測(cè)的過(guò)程中仍會(huì)存在一定的誤差，因此電網(wǎng)需要根據(jù)山火發(fā)生前的氣象變化與山林燃燒條件變化情況，對(duì)上述公共安全停電計(jì)劃進(jìn)行滾動(dòng)修正與調(diào)整。

目前，PG&E 采取的方式主要分為4步：首先，根據(jù)山火預(yù)測(cè)結(jié)果，在山火預(yù)期發(fā)生的前1 周制定電網(wǎng)的線路斷開計(jì)劃與切負(fù)荷計(jì)劃；其次，在山火預(yù)期發(fā)生的前3 天對(duì)山火預(yù)測(cè)信息進(jìn)行滾動(dòng)更新，根據(jù)山火預(yù)測(cè)信息與環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)變化情況，不斷對(duì)公共安全停電下的電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行安全校核，并實(shí)時(shí)調(diào)整電網(wǎng)的切負(fù)荷計(jì)劃；然后，當(dāng)?shù)竭_(dá)山火預(yù)期發(fā)生的時(shí)間或通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)氣象條件與山林燃燒條件將要達(dá)到山火發(fā)生的閾值時(shí)，電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)已制定好的線路斷開計(jì)劃與切負(fù)荷計(jì)劃及時(shí)安排公共安全停電，并對(duì)山火的破壞與演化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且每經(jīng)過(guò)1～2 h，根據(jù)山火的變化情況對(duì)電網(wǎng)的切負(fù)荷安排進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與滾動(dòng)修正；最后，當(dāng)山火結(jié)束后，逐步安排停電線路與失負(fù)荷的恢復(fù)計(jì)劃與調(diào)度計(jì)劃。

3 公共安全停電措施探討

3.1 改進(jìn)公共安全停電措施的技術(shù)方法

公共安全停電本質(zhì)上是在預(yù)知山火可能發(fā)生地點(diǎn)的前提下，通過(guò)提前斷開該地區(qū)的易損線路，達(dá)到預(yù)防山火發(fā)生的目的，進(jìn)而保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。因此，電網(wǎng)所采取的公共安全停電措施必須同時(shí)滿足對(duì)山火的精確預(yù)測(cè)以及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全校核這2個(gè)條件。為了提高公共安全停電的可行性，保證采取公共安全停電措施后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，未來(lái)將會(huì)對(duì)以下技術(shù)方法進(jìn)行深入研究。

1）多元傳感器與大數(shù)據(jù)融合技術(shù)。公共安全停電下的電網(wǎng)安全校核需依賴山火的預(yù)測(cè)信息，但山火的預(yù)測(cè)受多元因素的影響，預(yù)測(cè)時(shí)間尺度越長(zhǎng)，精度越差。為提高預(yù)測(cè)的精度，可建立溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)向傳感器等多元?dú)庀髠鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)分析提高對(duì)山火的預(yù)測(cè)精度。

2）安全約束最優(yōu)潮流。目前，PG&E設(shè)計(jì)的直接和間接切負(fù)荷策略是基于人工經(jīng)驗(yàn)并采用基于潮流計(jì)算的啟發(fā)式方法進(jìn)行計(jì)算的，這樣計(jì)算非常耗時(shí)，每進(jìn)行1 次計(jì)算分析需耗時(shí)12 h 左右。由于山火預(yù)測(cè)信息在滾動(dòng)更新，因此公共安全停電下的電網(wǎng)安全校核需要不斷進(jìn)行計(jì)算，這進(jìn)一步增加了調(diào)度員的工作量，特別是日前或者日內(nèi)滾動(dòng)更新調(diào)度對(duì)算力的要求更高。此外，基于啟發(fā)式方法得到的安全校核以及切負(fù)荷結(jié)果只能保證一個(gè)可行方案，而并不一定能保證最優(yōu)性。為此，未來(lái)的研究可以考慮建立安全約束最優(yōu)潮流模型［20-21］，通過(guò)最優(yōu)化的方法精確分析安全校核和最優(yōu)切負(fù)荷。然而，基于交流潮流的安全約束最優(yōu)潮流模型是一個(gè)大規(guī)模非凸非線性最優(yōu)化問(wèn)題，其求解算法較為復(fù)雜，如何保證算法的收斂性和全局最優(yōu)性仍然需要進(jìn)一步研究。

3）預(yù)防控制與矯正控制。當(dāng)前，NERC 規(guī)定電網(wǎng)校核必須嚴(yán)格滿足N-1 安全運(yùn)行準(zhǔn)則，并且采用預(yù)防控制的策略，即設(shè)計(jì)電網(wǎng)調(diào)度策略以及最優(yōu)切負(fù)荷，保證電網(wǎng)N-1 故障下的安全，其切負(fù)荷是在N-1故障前完成的。從物理上看，相當(dāng)于尋找一組最優(yōu)地點(diǎn)和最優(yōu)量完成切負(fù)荷，保證電網(wǎng)在所有N-1故障下的安全性?？梢姡A(yù)防控制得到的結(jié)果較為保守，切負(fù)荷量較高，因此經(jīng)濟(jì)性也較差。近年來(lái)，隨著國(guó)外特殊保護(hù)系統(tǒng)SPS（Special Protection System）的發(fā)展［22-23］，系統(tǒng)的矯正控制得到應(yīng)用。SPS是一個(gè)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非正常或者預(yù)先定義的狀態(tài)，進(jìn)而通過(guò)自動(dòng)實(shí)行矯正控制或者隔離故障來(lái)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其中矯正控制包括再調(diào)度發(fā)電機(jī)或者負(fù)荷出力以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等維持系統(tǒng)穩(wěn)定性、可接受電壓水平以及潮流約束。物理上，矯正控制是在具體某個(gè)N-1 故障真正發(fā)生后，采取相應(yīng)的措施來(lái)改變系統(tǒng)非正常運(yùn)行狀態(tài)，不同的故障可以采取不同的矯正控制策略。因此，相較于預(yù)防控制，矯正控制的保守性較低，切負(fù)荷量較少，經(jīng)濟(jì)性較好。但是對(duì)于加州電網(wǎng)而言，安裝SPS 的費(fèi)用非常高昂，尚未能在系統(tǒng)中每條線路都安裝SPS，加州電網(wǎng)目前僅擁有幾十臺(tái)SPS 設(shè)備。因此，未來(lái)的研究可以考慮預(yù)防控制和矯正控制的混合機(jī)制，在部分關(guān)鍵線路利用SPS 進(jìn)行矯正控制，從而降低系統(tǒng)切負(fù)荷量。同時(shí)，在未來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，可以考慮SPS的最優(yōu)安裝位置來(lái)提高SPS的效率。

4）基于人工智能的在線應(yīng)用。如前文所述，基于公共安全停電的主動(dòng)停電策略需要較高的算力，并且在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中還需要考慮邊界條件的不確定性，分析不確定性對(duì)主動(dòng)停電策略的影響，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)運(yùn)算的復(fù)雜度。為此，后續(xù)的研究可以考慮采用人工智能的方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助決策。目前的研究中已有關(guān)于智能調(diào)度機(jī)器人的相關(guān)研究和報(bào)道［24-25］。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)人工智能設(shè)計(jì)離線計(jì)算和在線應(yīng)用2 個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)不同邊界條件進(jìn)行大量離線仿真，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而對(duì)未來(lái)可能邊界條件下的停電策略進(jìn)行預(yù)測(cè)。人工智能方法可以進(jìn)行輔助決策，其結(jié)果可作為調(diào)度員的參考依據(jù)或者初始條件，進(jìn)而對(duì)結(jié)果進(jìn)行再修正。

5）山火發(fā)生前后的電網(wǎng)彈性提升技術(shù)。山火作為一種典型的極端事件，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。采用公共安全停電的方法，雖然可降低系統(tǒng)在山火事故發(fā)生時(shí)的失負(fù)荷量，但公共安全停電僅能提高電力系統(tǒng)在山火發(fā)生過(guò)程中的彈性，在山火發(fā)生前、后也需要關(guān)注并研究電力系統(tǒng)的彈性提升技術(shù)：在山火發(fā)生前，可對(duì)電力系統(tǒng)采取薄弱環(huán)節(jié)強(qiáng)化的方式，加固電力系統(tǒng)中的埋地電纜與輸電線路，并合理安排分布式電源的接入，進(jìn)而提升山火發(fā)生前電網(wǎng)的彈性；在山火發(fā)生后，則需要優(yōu)化調(diào)度各火電機(jī)組與分布式電源的出力，對(duì)各類型機(jī)組進(jìn)行合理的機(jī)組組合，保證在山火發(fā)生后盡快恢復(fù)系統(tǒng)負(fù)荷，進(jìn)而提升山火發(fā)生后電網(wǎng)的彈性。

3.2 減小公共安全停電影響范圍的措施

公共安全停電措施雖然可通過(guò)提前安排線路的主動(dòng)斷開來(lái)降低山火發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，但也同時(shí)擴(kuò)大了停電范圍。顯然，在電網(wǎng)有充足資金的條件下，可采用強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的方式來(lái)提高應(yīng)對(duì)山火的能力，而公共安全停電本質(zhì)上是電網(wǎng)公司在有限的資金下被迫改變運(yùn)行方式來(lái)應(yīng)對(duì)山火。為減小公共安全停電事件帶來(lái)的影響，PG&E提出未來(lái)將采取如下措施［19］。

1）分段開關(guān)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。PG&E 于2020年在輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)中共增加了600 個(gè)分段開關(guān)，能夠在線路主動(dòng)斷開后將電網(wǎng)分割的部分縮小，從而減小故障影響的范圍。進(jìn)而，通過(guò)控制分段開關(guān)進(jìn)行快速網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障后的潮流轉(zhuǎn)供，保證在主動(dòng)斷開線路后減小用戶的用電損失。

2）臨時(shí)微電網(wǎng)。在線路主動(dòng)斷開后，系統(tǒng)可能被分割成若干個(gè)島，對(duì)缺乏發(fā)電機(jī)支撐的孤島可以建立臨時(shí)微電網(wǎng)進(jìn)行支撐，從而保證在采用公共安全停電措施后的電網(wǎng)不間斷供電，特別是對(duì)于重要的供電負(fù)荷，如醫(yī)院、政府、防火站、天然氣供應(yīng)站等，具有重要支撐作用。當(dāng)山火期結(jié)束后，線路會(huì)重新恢復(fù)供應(yīng)，此時(shí)所有島將重新合并為原來(lái)連通的電網(wǎng)。這樣的臨時(shí)微電網(wǎng)可以通過(guò)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)增加移動(dòng)儲(chǔ)能車或者移動(dòng)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)的供電。

3）社區(qū)微電網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)化微電網(wǎng)。社區(qū)微電網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)化微電網(wǎng)與臨時(shí)微電網(wǎng)不同，這些微電網(wǎng)是社區(qū)自發(fā)形成的微電網(wǎng)，可為多個(gè)用戶供電。這些社區(qū)的微電網(wǎng)也可自發(fā)形成網(wǎng)絡(luò)化微電網(wǎng)，在必要時(shí)可以互相救濟(jì)，互相支撐，從而保證可靠的供電。

4）電表后儲(chǔ)能發(fā)展。微電網(wǎng)等的發(fā)展必然促進(jìn)儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展，特別是分布式電表后儲(chǔ)能的發(fā)展。電表后儲(chǔ)能主要用于家用、醫(yī)院等小型區(qū)域。自2018 年起，加州地區(qū)電表后儲(chǔ)能的安裝量逐年增加，用戶自發(fā)在家中安裝儲(chǔ)能是為了應(yīng)對(duì)可能的自然災(zāi)害帶來(lái)的停電，這也包括山火。然而，儲(chǔ)能具有一定的容量限制，在停電初期有效降低負(fù)荷損失的同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行人員需采取必要措施快速恢復(fù)電網(wǎng)。

5）系統(tǒng)快速恢復(fù)。當(dāng)山火結(jié)束后，應(yīng)采取相關(guān)應(yīng)急措施對(duì)供電進(jìn)行快速恢復(fù)。加州電網(wǎng)致力于災(zāi)后12 h 內(nèi)快速恢復(fù)供電，該時(shí)間還在不斷縮短。在恢復(fù)供電的過(guò)程中，需要考慮調(diào)度人員調(diào)度、系統(tǒng)故障隔離和故障線路修復(fù)。

6）系統(tǒng)強(qiáng)化加固。系統(tǒng)強(qiáng)化加固可以通過(guò)尋找影響山火發(fā)生的關(guān)鍵架空線并將其改造成地下電纜，同時(shí)可強(qiáng)化一些變壓器等設(shè)備并增加智能傳感器等。PG&E 計(jì)劃在2020年加固387.85 km 的線路。系統(tǒng)強(qiáng)化加固可以有效降低公共安全停電帶來(lái)的影響?？梢灶A(yù)見，隨著強(qiáng)化系統(tǒng)規(guī)模的增大，公共安全停電將會(huì)逐漸被替代。但在當(dāng)前階段，由于美國(guó)整體基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展緩慢，系統(tǒng)加固資源有限，因此公共安全停電是一種有效的過(guò)渡措施。

7）增強(qiáng)環(huán)境預(yù)警能力。在實(shí)施公共安全停電之前，必須對(duì)山火的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析可能的輸電線路對(duì)山火發(fā)生的影響。因此，天氣預(yù)測(cè)尤為重要，新型預(yù)測(cè)技術(shù)以及先進(jìn)傳感技術(shù)是推進(jìn)公共安全停電的基礎(chǔ)。PG&E 預(yù)計(jì)將安裝756 座新型天氣預(yù)測(cè)工作站，并且加裝194 臺(tái)高清攝像機(jī)，從而捕捉天氣氣象、山火發(fā)生區(qū)域以及可能影響山火的輸電線路。

3.3 提升公共安全停電的用戶用電服務(wù)

公共安全停電會(huì)導(dǎo)致部分用戶的用電受到影響，為保障在斷開線路附近的用戶安全，需采取必要的措施提升用戶的用電服務(wù)，并且該服務(wù)應(yīng)在停電時(shí)間發(fā)生前后持續(xù)進(jìn)行。為了提高用戶的用電質(zhì)量，PG&E 將根據(jù)社區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的規(guī)模，在附近設(shè)置社區(qū)資源服務(wù)中心，為用戶提供信息和物資支持。PG&E采取的用戶用電服務(wù)措施也將以社區(qū)資源服務(wù)中心為基礎(chǔ)進(jìn)行，主要采取的措施包括以下幾個(gè)方面。

1）預(yù)先通知服務(wù)。在進(jìn)行公共安全停電之前，PG&E 將根據(jù)天氣氣象、山火危險(xiǎn)性等級(jí)等信息，提前1～3 d 通知公共安全停電的用戶。首先，PG&E 社區(qū)服務(wù)中心將提前48 h 通過(guò)電話或短信的方式，為用戶發(fā)布“停電關(guān)注”的通知，告知未來(lái)的停電時(shí)間和停電用戶；然后，社區(qū)服務(wù)中心將提前24 h通過(guò)電子郵件的方式，對(duì)用戶發(fā)布公共安全停電的“警告”通知，并要求用戶對(duì)信息進(jìn)行確認(rèn)；最后，對(duì)未確認(rèn)接收到停電信息的用戶，PG&E 將會(huì)采取用戶上門通知服務(wù)的方式，確認(rèn)用戶是否已經(jīng)接收到了停電通知。特別是對(duì)于依賴電力供應(yīng)的有醫(yī)療需求的人群，用戶上門通知服務(wù)可以確保這些“醫(yī)療敏感人群”提前做好醫(yī)療預(yù)案和應(yīng)急準(zhǔn)備，確保在停電期間保證醫(yī)療活動(dòng)的順利進(jìn)行。

2）網(wǎng)絡(luò)在線服務(wù)。在公共安全停電的過(guò)程中，PG&E 會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)的天氣氣象與電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整停電時(shí)間和停電用戶。PG&E 會(huì)通過(guò)短信、電子郵件、官方網(wǎng)站等途徑，將這類關(guān)鍵用電信息及時(shí)告知用戶，同時(shí)還會(huì)在停電期間，在Facebook、Nextdoor 與推特等社交媒體平臺(tái)上發(fā)布相關(guān)信息，實(shí)時(shí)更新公共安全停電的動(dòng)態(tài)。此外，PG&E 還會(huì)在報(bào)紙上刊登天氣狀況、社區(qū)資源中心的工作時(shí)間、電力系統(tǒng)設(shè)備的受損情況和電力恢復(fù)情況等信息，確保用戶能夠及時(shí)安排工作、生活和醫(yī)療的用電計(jì)劃。用戶同樣可以通過(guò)電子郵件、電話、短信等途徑，向PG&E 咨詢停電的持續(xù)時(shí)間與停電規(guī)模等信息，并向其尋求各類社區(qū)生活的服務(wù)。

3）自發(fā)電激勵(lì)項(xiàng)目。分布式電源對(duì)恢復(fù)用戶失負(fù)荷、提高用戶的用電質(zhì)量具有顯著的效果。PG&E為了提高用戶的用電質(zhì)量以及降低公共安全停電對(duì)電力系統(tǒng)的影響，設(shè)立了自發(fā)電激勵(lì)項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，PG&E 的用戶可在公司的官方網(wǎng)站上根據(jù)自身的收入情況、醫(yī)療需求和住宅位置，獲得可支撐電網(wǎng)運(yùn)行的大型蓄電池組，根據(jù)安裝的電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的規(guī)模和容量，申請(qǐng)自發(fā)電獎(jiǎng)勵(lì)。而對(duì)于易受到公共安全停電影響且能夠在停電過(guò)程中為系統(tǒng)提供發(fā)電支撐的用戶，PG&E 將提供額外的獎(jiǎng)勵(lì)。此外，為支持電力系統(tǒng)運(yùn)行，PG&E 還通過(guò)自發(fā)電激勵(lì)機(jī)制，宣傳和指導(dǎo)用戶安裝公益性的可攜帶備用電池，為更深層次的公共安全停電做準(zhǔn)備。

4）醫(yī)療需求服務(wù)。PG&E 與部分社區(qū)組織開展合作，幫助在停電過(guò)程中有需要的人群，特別是依賴電力供應(yīng)的有醫(yī)療需求的人群。這些用戶可以通過(guò)電話、網(wǎng)絡(luò)等方式聯(lián)系社區(qū)組織，PG&E 將根據(jù)用戶的醫(yī)療需求、預(yù)計(jì)停電時(shí)間等信息，為這些用戶提供備用的便攜式電源，并提前聯(lián)系醫(yī)院安排相關(guān)的救助計(jì)劃，保證用戶的用電與生活質(zhì)量。

5）殘障人群資源保障計(jì)劃。PG&E 通過(guò)與加州獨(dú)立生活中心基金會(huì)（CFILC）合作，發(fā)起了殘障人群災(zāi)害資源供給與保障計(jì)劃。對(duì)于殘疾和有額外生活資源需求的用戶，CFILC 將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和上門服務(wù)的方式，在公共安全停電期間為這些用戶提供額外服務(wù)。在該計(jì)劃中，PG&E 和CFILC 還與地方政府進(jìn)行合作，通過(guò)贈(zèng)款、租賃與金融貸款等方式，為殘障人群提供備用便攜式電池，滿足他們的生活需求。同時(shí)，交通資源、住宿和食物、醫(yī)療資源等的分配與共享也是該計(jì)劃所涵蓋的內(nèi)容。用戶可以通過(guò)在CFILC 的相關(guān)網(wǎng)站和平臺(tái)上提交生活資源申請(qǐng)，CFILC 的災(zāi)害資源咨詢委員會(huì)也將根據(jù)用戶的申請(qǐng)確定各類資源的分配方式。

6）講座以及宣傳普及。

PG&E 會(huì)定時(shí)舉辦山火與公共安全停電的網(wǎng)絡(luò)講座和研討會(huì)。用戶可以通過(guò)訪問(wèn)PG&E 的官方網(wǎng)站參與公共安全停電的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)了解和參與社區(qū)山火安全計(jì)劃的工作。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，用戶可以了解更多關(guān)于山火安全與應(yīng)急準(zhǔn)備的信息，并與PG&E 代表進(jìn)行線上交流，提出關(guān)于公共安全停電的問(wèn)題并分享意見和建議。

4 對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的啟示

針對(duì)近年來(lái)加州山火與四川涼山州森林大火所引發(fā)的停電事故，本文認(rèn)為山火對(duì)我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的啟示主要集中在應(yīng)重視對(duì)電力系統(tǒng)彈性的研究、重視對(duì)山火成因的多學(xué)科交叉研究以及對(duì)彈性電力系統(tǒng)計(jì)算算力的研究等方面。

4.1 重視對(duì)電力系統(tǒng)彈性的研究

山火災(zāi)害屬于一種小概率高損失的極端自然災(zāi)害事件。我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大，可能遇到山火、臺(tái)風(fēng)、地震、冰災(zāi)等各種不同類型的極端災(zāi)害事件，例如：2018 年我國(guó)廣東省由于臺(tái)風(fēng)引發(fā)大規(guī)模的電網(wǎng)故障；2019 年我國(guó)四川省發(fā)生森林大火，直接給用戶的正常用電造成風(fēng)險(xiǎn)；2020年3月，四川省涼山州西昌市由于風(fēng)力作用導(dǎo)致引流線與桿塔形成放電故障，再一次發(fā)生森林大火，給人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。以上幾個(gè)事件都表明電力系統(tǒng)面臨“滿足可靠性要求，但缺乏彈性”的嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，必須針對(duì)不同類型的極端事件，加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)彈性的研究。同時(shí)，2021 年3 月15 日，習(xí)近平總書記提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。隨著新能源逐漸成為電網(wǎng)主體，電力系統(tǒng)的隨機(jī)性與不確定性急劇增加，“雙高”特性將會(huì)成為電力系統(tǒng)的“新常態(tài)”，極端自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)功率平衡的破壞和影響程度將顯著提高，對(duì)電力系統(tǒng)彈性理論與恢復(fù)策略的研究也將會(huì)發(fā)生重大變化。

由于不同的極端事件具有不同的演化特性，其對(duì)電力系統(tǒng)的影響各不相同，所引發(fā)的電網(wǎng)故障類型、演化機(jī)理也不盡相同，因此在研究電力系統(tǒng)彈性的同時(shí)，必須對(duì)電力系統(tǒng)可能遇到的山火、臺(tái)風(fēng)、冰災(zāi)等各種不同的極端事件進(jìn)行精細(xì)化建模，逐一分析其對(duì)電力系統(tǒng)的影響機(jī)理，結(jié)合極端事件的概率特性、影響范圍、危害程度進(jìn)行獨(dú)立分析，并結(jié)合不同類型的極端事件模型對(duì)元件的故障機(jī)理與故障模式進(jìn)行定量研究，從而建立彈性電力系統(tǒng)在各類不同極端事件下的模型，準(zhǔn)確刻畫各類極端事件下電力系統(tǒng)的復(fù)雜故障模式。

同時(shí)，電力系統(tǒng)中存在多種不同的彈性提升策略。其中，電力系統(tǒng)彈性提升最明顯的方式是對(duì)電網(wǎng)中各輸電線路、變電站等元件進(jìn)行強(qiáng)化與加固，但是其投資成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。相應(yīng)地，公共安全停電則是一種在較低投資成本下，為應(yīng)對(duì)極端事件而采取的提升電網(wǎng)彈性的過(guò)渡性策略，該策略無(wú)法作為長(zhǎng)期提升電網(wǎng)彈性的有效手段。因此，公共安全停電始終是電網(wǎng)初期應(yīng)對(duì)極端事件、提升彈性的有效手段。未來(lái)針對(duì)彈性電力系統(tǒng)建設(shè)，應(yīng)采取循序漸進(jìn)、分周期投資加強(qiáng)的規(guī)劃方案，在初期時(shí)強(qiáng)化與加固成本較高，可對(duì)關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化，并以公共安全停電等措施作為輔助手段來(lái)有效地應(yīng)對(duì)極端事件，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。未來(lái)隨著電網(wǎng)不斷發(fā)展，資金不斷投入，可逐漸淘汰公共安全停電這類初期的應(yīng)急策略，并對(duì)我國(guó)電網(wǎng)進(jìn)行整體加固與強(qiáng)化，從本質(zhì)上提高電力系統(tǒng)的彈性。

隨著新型電力系統(tǒng)概念的提出，未來(lái)電力系統(tǒng)的形態(tài)與架構(gòu)將會(huì)發(fā)生重大變化，因此應(yīng)對(duì)山火的公共安全停電措施也將會(huì)因新能源的大規(guī)模并網(wǎng)而產(chǎn)生較大的變化。一方面，隨著新型電力系統(tǒng)概念的提出，由于新能源設(shè)備對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的支撐性較弱，這將會(huì)嚴(yán)重影響電力的供應(yīng)安全。因此，在新型電力系統(tǒng)的背景下，公共安全停電計(jì)劃需要在兼顧新能源強(qiáng)隨機(jī)性與波動(dòng)性的條件下，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行校驗(yàn)，并盡可能降低系統(tǒng)主動(dòng)停電對(duì)功率不平衡造成的影響。在這樣的情況下，公共安全停電策略不僅將面臨更高的安全性與可靠性要求，而且在制定停電計(jì)劃的過(guò)程中還要對(duì)新能源的出力進(jìn)行更精確的預(yù)測(cè)與調(diào)整，并采用更高效的策略與算法對(duì)新能源的不確定性進(jìn)行削弱與控制。另一方面，隨著未來(lái)風(fēng)電、光伏的發(fā)電成本逐漸降低，以儲(chǔ)氫為代表的儲(chǔ)能技術(shù)將具備足夠的經(jīng)濟(jì)性與靈活性，不僅能夠通過(guò)短期儲(chǔ)能和季節(jié)性儲(chǔ)能彌補(bǔ)新能源一定額度的功率缺口，而且在電力系統(tǒng)發(fā)生極端災(zāi)害時(shí)為電力系統(tǒng)恢復(fù)功率平衡并保持頻率穩(wěn)定提供一定的支撐。因此，未來(lái)公共安全停電措施和流程也將會(huì)與儲(chǔ)氫技術(shù)相結(jié)合并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以提高其應(yīng)對(duì)山火的靈活性與經(jīng)濟(jì)性。具體而言：在山火預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，不僅要對(duì)氣象條件與山林條件進(jìn)行預(yù)測(cè)與監(jiān)控，而且要時(shí)刻掌握輸配電系統(tǒng)內(nèi)的新能源出力和氫儲(chǔ)能的預(yù)測(cè)變化情況，以應(yīng)對(duì)未來(lái)公共安全停電下的負(fù)荷功率平衡需求；在停電計(jì)劃與切負(fù)荷計(jì)劃制定環(huán)節(jié)，則需要結(jié)合氫儲(chǔ)能的預(yù)測(cè)變化情況，根據(jù)安全校驗(yàn)過(guò)程中所有切除負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)順序，依次利用氫儲(chǔ)能對(duì)部分重要負(fù)荷進(jìn)行就地功率補(bǔ)償；在預(yù)測(cè)調(diào)整與滾動(dòng)修正停電計(jì)劃環(huán)節(jié)，則需要實(shí)時(shí)監(jiān)控氫儲(chǔ)能的系統(tǒng)存量，滾動(dòng)調(diào)整公共安全停電計(jì)劃與氫儲(chǔ)能的就地功率補(bǔ)償安排。

4.2 重視對(duì)山火成因的多學(xué)科交叉研究

根據(jù)2019 年與2020 年美國(guó)加州山火與我國(guó)四川省涼州縣爆發(fā)的多次山火事故可以看出，山火會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的破壞。但山火爆發(fā)的誘因多種多樣，高溫氣候、大風(fēng)天氣、雷擊等自然因素均會(huì)引發(fā)山火，輸電線路、桿塔上由于短路所激起的電火花同樣也是山火爆發(fā)的成因之一。另外，由于監(jiān)管不力而出現(xiàn)的人為縱火現(xiàn)象，也是山火爆發(fā)的主要原因之一。因此，對(duì)山火的研究不能僅局限于電力系統(tǒng)，還需要綜合各種不同的學(xué)科對(duì)山火進(jìn)行研究。

由于山火大多是由極端自然條件與電網(wǎng)故障所引發(fā)的，因此在對(duì)山火進(jìn)行預(yù)測(cè)的過(guò)程中，一方面要利用電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的理論，合理分析電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)與易發(fā)生短路故障的區(qū)域，另一方面要充分利用氣象學(xué)的研究思路，歸納天氣與氣候的統(tǒng)計(jì)信息，推測(cè)山火易發(fā)地區(qū)與易發(fā)時(shí)間。在對(duì)山火進(jìn)行預(yù)測(cè)與監(jiān)控時(shí)，需要利用大數(shù)據(jù)的分析方法，對(duì)山火可能的發(fā)生情況和區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)和推斷。此外，還要結(jié)合衛(wèi)星定位與成像技術(shù)，及時(shí)捕捉森林與電網(wǎng)中溫度存在異常的區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)山火的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與控制。

我國(guó)是山火高發(fā)的國(guó)家之一，近年來(lái)我國(guó)東北三省、湖南省、四川省等地區(qū)山火頻發(fā)。因此，我國(guó)電網(wǎng)需要充分吸取美國(guó)加州山火事故的教訓(xùn)，重視對(duì)山火爆發(fā)成因的分析，并加強(qiáng)對(duì)多學(xué)科的交叉研究，從不同學(xué)科的層面對(duì)山火進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)防。

4.3 重視對(duì)彈性電力系統(tǒng)計(jì)算算力的研究

電力系統(tǒng)故障可能會(huì)引發(fā)山火，然而山火的爆發(fā)和蔓延反過(guò)來(lái)也會(huì)破壞電力系統(tǒng)，因此，兩者相互影響。當(dāng)前的公共安全停電措施僅從災(zāi)前防御角度進(jìn)行研究，未來(lái)研究必須從彈性電力系統(tǒng)災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后全方位進(jìn)行計(jì)算和分析。該過(guò)程中存在大量的計(jì)算與校驗(yàn)，并且這些計(jì)算與傳統(tǒng)的N-1 安全校驗(yàn)存在一定差異。以公共安全停電為例，如前文所述，不僅在停電前需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行N-1安全校驗(yàn)，在電網(wǎng)主動(dòng)發(fā)生N-k停電后，仍需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行N-k-1安全校驗(yàn)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展，安全校核要求斷開的線路數(shù)量隨之增加，這會(huì)給彈性電力系統(tǒng)計(jì)算算力帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。在考慮故障分析和安全校核時(shí)需要采用交流潮流模型，交流最優(yōu)潮流為非凸非線性，求解更為復(fù)雜。此外，山火發(fā)生的過(guò)程較長(zhǎng)，時(shí)間尺度較大，需要在超過(guò)24 h甚至48 h的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行仿真計(jì)算與安全校驗(yàn)，計(jì)算時(shí)間超過(guò)12 h 將會(huì)進(jìn)一步提高對(duì)彈性電力系統(tǒng)計(jì)算算力的要求。

目前我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)基于我國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況成功研發(fā)了電力系統(tǒng)仿真計(jì)算平臺(tái)（PSASP），用于仿真模擬我國(guó)交直流混聯(lián)電網(wǎng)中存在的各種暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。但如何考慮小概率高損失的多重故障對(duì)彈性電力系統(tǒng)的影響是亟待研究的問(wèn)題，目前已有的仿真計(jì)算算法與平臺(tái)已經(jīng)無(wú)法滿足彈性電力系統(tǒng)高復(fù)雜性對(duì)算力的要求。因此，必須要加強(qiáng)對(duì)適應(yīng)彈性電力系統(tǒng)復(fù)雜計(jì)算的研究，例如采用人工智能與啟發(fā)式算法開發(fā)先進(jìn)的交流最優(yōu)潮流計(jì)算包等，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)遭遇極端事件后的電網(wǎng)進(jìn)行暫態(tài)分析，開發(fā)新型高效的彈性電力系統(tǒng)仿真算法，提高彈性電力系統(tǒng)計(jì)算能力。

5 結(jié)論

本文針對(duì)美國(guó)加州山火所引發(fā)的停電事故，分析加州山火發(fā)生的誘因，并在此基礎(chǔ)上，介紹美國(guó)加州PG&E 為應(yīng)對(duì)山火所采取的公共安全停電措施，其本質(zhì)是在對(duì)山火進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，主動(dòng)斷開潛在誘發(fā)山火的輸電線路，達(dá)到預(yù)防山火的目的。進(jìn)而提出降低公共安全停電對(duì)電力系統(tǒng)影響以及提升公共安全停電的用戶用電服務(wù)的措施。針對(duì)我國(guó)當(dāng)前同樣易發(fā)生山火這一類極端事件，指出未來(lái)可能的研究方向：針對(duì)山火與電力系統(tǒng)的交互影響，應(yīng)該重視對(duì)電力系統(tǒng)彈性的研究，從彈性電力系統(tǒng)災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后全方位視角應(yīng)對(duì)山火災(zāi)害；積極開展多學(xué)科交叉研究，從不同學(xué)科的角度分析山火等極端事件發(fā)生的原因，對(duì)極端事件進(jìn)行合理預(yù)測(cè)；結(jié)合我國(guó)特高壓交直流輸電與暫態(tài)分析等因素，基于國(guó)內(nèi)外已有的計(jì)算方法與仿真平臺(tái)，開發(fā)新型算法與技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)彈性電力系統(tǒng)計(jì)算算力的研究，穩(wěn)步提高電網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端事件的能力，防止類似事故的發(fā)生，避免山火等極端事件對(duì)社會(huì)造成重大影響。