電網生存性評估

電網生存性評估是指對電網安全穩定運行能力的評估。電網的安全高效運行是維持社會經濟發展和安全穩定的保障。

基本介紹

• 中文名：電網生存性評估
• 外文名：電網生存性評估
• 學科：電氣工程
• 類型：電網性能評估
• 作用：降低提供儲能服務的成本
• 領域：能源

簡介

近些年來，多發的大停電事故、極端自然災害和蓄意攻擊等嚴重威脅到電網的安全運行，複雜場景下電網的安全運行受到了極大威脅。生存性評估用於評價系統在遭受各種擾動下完成其關鍵任務的能力，在很多方面取得了顯著的成果。電網對生存性評估的引入，給電網的安全評估帶來了新思路，但這方面的研究仍然很少。從電網生存性評估研究背景著手，分析了三個嚴重威脅電網安全運行的場景以及它們揭示的電網當前面臨的問題。綜述了生存性研究的發展歷程和電網生存性研究的最新進展。指出了電網生存性研究應該能夠綜合評估電網所面臨的內外干擾因素，並能從的微觀和巨觀角度給出電網安全的評價指標。

生存性研究源於軍事領域。隨著日趨嚴重的網路以及信息系統安全問題的出現，Barnes等人於1993年正式提出了信息領域內的生存性概念，即系統的生存性指在遭受攻擊、故障或意外事故時，系統能夠及時完成其關鍵任務的能力 收入。生存性評估的研究對象最初主要是針對信息傳輸網路，然後被引入到對電網的信息系統進行分析，但仍不是電網本身。隨著人們對電網安全的不斷關注以及生存性技術研究的不斷發展，針對電網生存性的研究也開始出現，並取得了一些成果。

從影響現在電網安全運行的複雜場景分析著手，分析了大停電、自然災害以及針對電網的蓄意攻擊等三個嚴重危害電網安全運行因素髮生的背景及其它們揭示的電網面臨的問題。綜述了國內外關於電網生存性研究的思路、成果和它們的不足之處。分析了電網生存性評估研究與現有電網安全評估的區別、生存性評估的定位和今後的研究思路。

研究背景

根據對1965年以來國際上的140次大停電事件的原因進行分析，其中設備故障與自然災害是最主要的誘因，二者占比達79.5%;而系統保護等技術措施不當或處置不力直接造成了停電事故的擴大;電網結構規劃不統一，電壓等級混亂，長距離、弱電磁環網較多也造成一些國家電網事故頻發，另外潮流轉移也容易產生嚴重隱患，如連鎖反應等;此外深層次原因有:電網管理體制分散、調度運行機制不順暢。除上述情況外，自然災害、人為破壞和戰爭等也是大停電的誘因之一，極端氣候條件和人為的蓄意攻擊也會對電網造成嚴重的破壞。這些能夠對電網安全運行造成重大災害的場景不僅揭示了電網所面臨的問題和困境，也指出了對電網生存性評估研究的切入點。

大停電的發生揭示了電網本身存在固有的安全隱患

近年來，世界範圍內的電網發生了許多大停電事故。2003年的美加大停電, 2011年巴西東北部大停電，2012年印度相繼發生號稱是世界上最大的停電事故。2006年我國華中電網發生了電網穩定破壞事故，損失負荷2.60 GW。2009年上海電網發生一起三相短路事故，切除負荷約1.435 GW。

儘管每次大停電事故的起因和發展過程各不相同，但大停電的發生仍然有其必然性，即大停電事故的內因是電網網架結構及元件設備長期潛藏的安全隱患。因此，大停電的發生揭示了電網本身存在固有的安全隱患，如何採取科學的方法發現這些隱患是必須面對的重要課題。

極端自然災害暴露了電網應對惡劣外部環境時的脆弱性

極端自然災害對輸電系統的安全穩定運行構成了嚴重威脅，影響了輸電系統的安全可靠運行，也給社會造成了巨大的經濟損失 收入。1998年1月北美遭受冰風暴襲擊，造成了350萬用戶全部失電 收入。2011年2月紐西蘭基督山地震造成該市80%的居民失電五天。2005年2月，湖南的冰風暴突襲嚴重影響了該省電網的安全可靠運行。2005年9月海南受颱風的影響造成電廠解列，導致了海南省省內大範圍的停電。2008年我國南方大範圍的低溫雨雪冰凍災害對社會經濟的實際影響已遠超過人們的經驗估計，電網在此次極端災害天氣條件下顯得極為脆弱。

從冰災可以推想其他自然災害，如雷擊、污閃、洪水、土石流、颱風和地震等極端自然災害向電網安全評估和防禦提出了新的挑戰。

電網在蓄意攻擊場景下的應對能力值得深思

關於自然災害威脅電網安全的反思應該引伸到針對電網蓄意的暴力攻擊，如大規模恐怖活動和戰爭等。這些以前沒有引起人們重視的因素，現在正被更多的人意識到其發生的可能性以及危害的嚴重性。

事實上，國外已有針對電網的攻擊事故。2013年10月，美國阿肯薩斯州一名男子破壞了3條電網，嚴重妨礙了居民正常生活和當地經濟發展。美國國土安全部的報告顯示，2012年美國共有198起針對電網設施和其他關鍵基礎設施的襲擊。針對電網的人為、有組織的攻擊將使得破壞範圍更廣、持續時間更長，由此造成的後果會引起社會大規模的恐慌，並造成了巨大的損失。美國國家科學院的一份報告警告稱，電力傳輸裝置和變電站均存在被破壞的可能 收入。報告提到，電網是最容易受到攻擊的公共設施，現代電網非常的脆弱。因為電網通常綿延數千公里使其很容易變為襲擊的目標。另一方面由於現在電網採用實時監控和數據管理系統越來越開放，並從獨立系統演變為與網際網路連線的系統，這樣使其會因為內在錯誤或來自網際網路的惡意襲擊而導致整個電網癱瘓。

儘管針對我國電網的蓄意攻擊並造成嚴重破壞的事故還不多見，但圍繞蓄意攻擊對電網安全性的影響這一課題開展研究則是非常必要的。

通過對能夠對電網安全運行造成重大危害的因素分析，可以把其概括為內因和外因。內因即電網本身存在網架結構設計或者運行方式不合理等方面的缺陷，此類缺陷表現在電網在正常運行狀態下存在安全裕度偏低、電能阻塞和傳輸不暢。外因即電網運行過程中的來自外界的各類擾動因素，如惡劣的氣象條件、嚴重的自然災害和人為的蓄意攻擊等，典型表現為電網局部的連鎖停電甚至電網安全穩定遭受破壞。因此生存性的評估要能夠綜合考慮電網在這兩方面的影響。

研究現狀

國內研究現狀

國內關於電網生存性評估的研究方面，基於電網生存性評估的關鍵線路識別方法，該方法定義了骨幹網架的概念，以描述維持系統生存性所必需的關鍵元件和網路結構，進而給出了骨幹網架搜尋的數學模型及相應求解方法。從電網網架的可抵抗性、可恢復性、安全性和連通性四方面出發，建立了差異化規劃生存性評估指標體系以及二級指標的線性判別分析評估模型和一級指標的主成分分析評估模型，實現骨幹網架綜合生存性評估。提出了提升配電網生存性的切負荷策略。針對艦船電網拓撲結構及電網元件布置的最佳化設計問題，提出以電網生命力性能為主要最佳化目標的艦船電網雙層規劃模型。

上述研究針對電網的生存性分析的不同方面做出了深入的探索並形成了一系列研究成果，為生存性評估體系的建立提供了重要的研究基礎。從整體來看，國內關於電網生存性的研究數量偏少，仍有許多空白需要填補。

國外研究現狀

國外關於電網生存性評估的研究也給出很多新的思路。提出了一個基於電壓偏移、電壓穩定指標、負荷供電可靠性指標加權和的配電網生存性指標，並基於該指標指導配電網重構策略。定義電網生存性為電網遭受多元件同時故障或者敵意攻擊後保持供電的能力，並從提升生存性的角度提出了電網拓撲結構設計方法，還定義拓撲結構生存性的計算方法為計算系統遭受元件停運後仍然能維持運行的能力。考慮電網電氣距離和電能傳輸路徑冗餘度的生存性指標，其中電氣距離基於阻抗矩陣而定義，路徑則依據電能分布係數而計算得到，但是該 只從電網拓撲結構的角度考慮電網脆弱性，沒有考慮電網運行方式對脆弱性的影響。建立了電網的生存性模型，但沒有給出具體的生存性定義和指標。智慧型電網生存性與控制成本之間的關係，而該 中提出的生存性(Survivability)概念為系統遭遇連鎖故障後的仍然存活節點(Survivals)的比例。

縱觀電網生存性的國外研究現狀，可見國外也沒有對於電網的生存性定義和研究範圍的權威界定。儘管國外學者關於電網生存性的研究成果有許多思路，但都或多或少存在著一些不足之處。

角度分析

從電網安全評估的分析角度來區分，現有的電網安全評估可以分為兩大類。一類是從微觀的角度，即深入到電網的各個元件，通過分析電網元件的特徵量，如各個元件的電壓、電流、功率和功角等電氣量的絕對數值以及不同元件之間的電氣量的相對差異，並試圖建立不同元件的不同電氣量之間的聯繫和相互影響機理，最終綜合考慮各個元件的電氣量的健康狀態，見微知著地得出電網整體的安全狀態。另一類則是從巨觀的角度，即從電網整體的視角俯瞰式地分析電網拓撲結構的某些統計值的狀態，如電網節點的節點度分布情況(小世界理論等)，並基於統計的思路建立起巨觀指標與電網安全性或者脆弱性的聯繫。

經過研究者們的不斷探索和努力，無論是微觀式安全評估法還是巨觀式安全評估法都形成了一些卓有成效的研究成果。然而，這兩種思路的安全評估方法仍然存在著進一步完善的空間。

微觀式安全評估法的主要研究對象通常為節點電壓、支路潮流、發電機出力、發電機功角和負荷功率等可以直接觀測、控制的電網中的電氣量。而對於隱藏在輸電潮流表面之下的發電機與負荷之間電能傳輸路徑缺乏足夠的關注。事實上，電網的主要任務正是保質保量地完成電能輸送任務，儘管電能傳輸路徑不易直接觀測、控制，但是電能傳輸路徑解析能夠為電網安全評估提供更加深入和新穎的角度。

無論是基於複雜網路理論還是基於圖論的巨觀式安全評估法，在對電網建模時往往將電網抽象成一個簡化的網路。在這類抽象的過程之後能夠形成一種新的分析角度，分析出一些微觀式安全評估法所難以察覺的現象和規律。然而需要注意的是，通過對電網做相當程度的簡化也必然造成對電網本身諸多複雜性的忽略。如，許多基於圖論或者複雜網路理論的安全評估方法難以考慮電網運行方式的差異對電網安全性的影響。另外，許多類似方法忽視了電網不同節點類型的差異，如發電機節點和負荷節點儘管都可以等效成一個節點，但其節點的功能以及功率流向都不盡相同，方法的異同

從電網安全評估的分析角度來區分，現有的電網安全評估可以分為2大類。一類是從微觀的角度，即深入到電網的各個元件，通過分析電網的元件的特徵量，如各個元件的電壓、電流、功率、功角等電氣量的絕對數值以及不同元件之間的電氣量的相對差異，並試圖建立不同元件的不同電氣量之間的聯繫和相互影響機理，最終綜合考慮各個元件的電氣量的健康狀態，見微知著地得出電網整體的安全狀態。另一類則是從巨觀的角度，即從電網整體的視角俯瞰式地分析電網拓撲結構的某些統計值的狀態，如電網節點的節點度分布情況(小世界理論等)，並基於統計的思路建立起巨觀指標與電網安全性或者脆弱性的聯繫。

傳統的電網可靠性評估、機率性安全評估、不斷發展完善的風險評估以及基於安全域的電網安全評估等方法大多偏重於從微觀的角度分析電網安全性。而基於複雜網路理論和基於圖論等以電網拓撲結構為主要研究對象的安全評估方法則主要側重於從巨觀的角度分析電網安全性。

經過研究者們的不斷探索和努力，無論是微觀式安全評估法還是巨觀式安全評估法都形成了一些卓有成效的研究成果。然而，這兩種思路的安全評估方法仍然存在著進一步完善的空間。

微觀式安全評估法的主要研究對象通常為節點電壓、支路潮流、發電機出力、發電機功角、負荷功率等可以直接觀測、可以直接控制的電網中的“顯性”電氣量。而對於隱藏在輸電潮流表面之下的發電機與負荷之間電能傳輸路徑缺乏足夠的關注。事實上，電網的主要任務正是保質保量地完成電能輸送任務，儘管電能傳輸路徑不易直接觀測和控制，但是電能傳輸路徑解析能夠為電網安全評估提供更加深入和新穎的角度。

無論是基於複雜網路理論還是基於圖論的巨觀式安全評估法，在對電網建模時往往將電網抽象成一個簡化的網路。必須承認，在這類抽象的過程之後能夠形成一種新的分析角度，分析出一些微觀式安全評估法所難以察覺的現象和規律。然而需要注意的是，通過對電網做相當程度的簡化也必然造成對電網本身諸多複雜性的忽略。如，許多基於圖論或者複雜網路理論的安全評估方法難以考慮電網運行方式的差異對電網安全性的影響。另外，許多類似方法忽視了電網不同節點類型的差異，如發電機節點和負荷節點儘管都可以等效成一個節點，但其節點的功能以及功率流向都不盡相同。

整體架構

電網生存性是對於電網電能傳輸暢通性和電網脆弱性的綜合考慮。一個電能傳輸較為暢通的電網，通常具有更多的樞紐程度較高的節點和支路，然而當高樞紐程度的節點或者支路失效後，電網遭受的衝擊也更嚴重。此外，一個在正常運行條件下的電能傳輸暢通性水平較高的電網，可能故障在網路中的傳播擴散程度也越劇烈，當重要元件遭受攻擊或者失效時電網整體性能的下降程度更嚴重，脆弱性也更高。為此，考量一個電網的生存性水平，應當結合暢通性和脆弱性兩方面來綜合考慮。

電網生存性指標體系建立在電網暢通性指標體系和電網脆弱性指標體系的基礎之上。從電網整體的角度對電網暢通性的全局指標加以提煉和完善，從電能傳輸路徑數、電能傳輸總加權距離和電能傳輸效率三個方面實現電網暢通度的測度。在電網脆弱性評估的關鍵指標基礎上派生出電網均衡度指標集和電網強健度指標集。電網均衡度指標集從電網整體結構均衡度和關鍵元件空間分布均衡性兩方面提出包括關鍵節點空間均衡度、關鍵支路空間均衡度和電網結構均衡度在內的三個指標。電網強健度指標集旨在考量重要元件遭受攻擊或因故障失效後電網整體性能的變化程度，包括關鍵節點失效承受度、關鍵支路失效承受度、關鍵節點攻擊強健度和關鍵支路攻擊強健

指標定義

(1)電能傳輸效率指標

電能傳輸效率指標為電網整體暢通度指標，該指標為電能傳輸路徑數指標Npa,,,和電網總傳輸功率的乘積與電能傳輸總加權距離指標的比值。

(2)關鍵節點空間均衡度指標。

關鍵節點的空間分布均衡度評估指標

定義為關鍵節點之間的空間距離的平均值，空間均衡度指標值越大說明關鍵節點分布越分散，電網應對集中攻擊的魯棒性越強。

(3)關鍵支路空間均衡度指標

與關鍵節點的空間均衡度指標類似，關鍵支路的空間分布均衡度評估指標`}brmrc5定義為關鍵支路之間的空間距離的平均值。

(4)電網結構均衡度指標

將電網暢通性評估中的離差指標的加權和作為電網結構均衡度評估指標以SDI,，電網結構均衡度指標值越大則說明電網中節點和支路的重要度分布越平均。

(5)關鍵節點失效承受度

關鍵節點失效承受度旨在評估電網中k個關鍵節點失效後整體性能的下降程度。

(6)關鍵節點攻擊強健度

假定電網受到蓄意節點攻擊模式，電網性能隨著節點失效數的增加而下降。關鍵節點攻擊強健度，是電網性能下降到一定程度時所需的節點失效數，如果節點失效數越少則關鍵節點攻擊強健度越差，如果使得電網性能下降到一定程度的節點失效數越多則關鍵節點攻擊強健度越好。