[科普中国]-电网生存性评估

简介

电网的安全高效运行是维持社会经济发展和安全稳定的保障。但近些年来，多发的大停电事故、极端自然灾害和蓄意攻击等严重威胁到电网的安全运行，复杂场景下电网的安全运行受到了极大威胁。生存性评估用于评价系统在遭受各种扰动下完成其关键任务的能力，在很多方面取得了显著的成果。电网对生存性评估的引入，给电网的安全评估带来了新思路，但这方面的研究仍然很少。从电网生存性评估研究背景着手，分析了三个严重威胁电网安全运行的场景以及它们揭示的电网当前面临的问题。综述了生存性研究的发展历程和电网生存性研究的最新进展。指出了电网生存性研究应该能够综合评估电网所面临的内外干扰因素，并能从的微观和宏观角度给出电网安全的评价指标。

生存性研究源于军事领域。随着日趋严重的网络以及信息系统安全问题的出现，Barnes等人于1993年正式提出了信息领域内的生存性概念，即系统的生存性指在遭受攻击、故障或意外事故时，系统能够及时完成其关键任务的能力 收入。生存性评估的研究对象最初主要是针对信息传输网络，然后被引入到对电网的信息系统进行分析，但仍不是电网本身。随着人们对电网安全的不断关注以及生存性技术研究的不断发展，针对电网生存性的研究也开始出现，并取得了一些成果。

从影响现在电网安全运行的复杂场景分析着手，分析了大停电、自然灾害以及针对电网的蓄意攻击等三个严重危害电网安全运行因素发生的背景及其它们揭示的电网面临的问题。综述了国内外关于电网生存性研究的思路、成果和它们的不足之处。分析了电网生存性评估研究与现有电网安全评估的区别、生存性评估的定位和今后的研究思路。

研究背景根据对1965年以来国际上的140次大停电事件的原因进行分析，其中设备故障与自然灾害是最主要的诱因，二者占比达79.5%;而系统保护等技术措施不当或处置不力直接造成了停电事故的扩大;电网结构规划不统一，电压等级混乱，长距离、弱电磁环网较多也造成一些国家电网事故频发，另外潮流转移也容易产生严重隐患，如连锁反应等;此外深层次原因有:电网管理体制分散、调度运行机制不顺畅。除上述情况外，自然灾害、人为破坏和战争等也是大停电的诱因之一，极端气候条件和人为的蓄意攻击也会对电网造成严重的破坏。这些能够对电网安全运行造成重大灾害的场景不仅揭示了电网所面临的问题和困境，也指出了对电网生存性评估研究的切入点。

大停电的发生揭示了电网本身存在固有的安全隐患

近年来，世界范围内的电网发生了许多大停电事故。2003年的美加大停电, 2011年巴西东北部大停电，2012年印度相继发生号称是世界上最大的停电事故。2006年我国华中电网发生了电网稳定破坏事故，损失负荷2.60 GW。2009年上海电网发生一起三相短路事故，切除负荷约1.435 GW。

尽管每次大停电事故的起因和发展过程各不相同，但大停电的发生仍然有其必然性，即大停电事故的内因是电网网架结构及元件设备长期潜藏的安全隐患。因此，大停电的发生揭示了电网本身存在固有的安全隐患，如何采取科学的方法发现这些隐患是必须面对的重要课题。

极端自然灾害暴露了电网应对恶劣外部环境时的脆弱性

极端自然灾害对输电系统的安全稳定运行构成了严重威胁，影响了输电系统的安全可靠运行，也给社会造成了巨大的经济损失 收入。1998年1月北美遭受冰风暴袭击，造成了350万用户全部失电 收入。2011年2月新西兰基督山地震造成该市80%的居民失电五天。2005年2月，湖南的冰风暴突袭严重影响了该省电网的安全可靠运行。2005年9月海南受台风的影响造成电厂解列，导致了海南省省内大范围的停电。2008年我国南方大范围的低温雨雪冰冻灾害对社会经济的实际影响已远超过人们的经验估计，电网在此次极端灾害天气条件下显得极为脆弱。

从冰灾可以推想其他自然灾害，如雷击、污闪、洪水、泥石流、台风和地震等极端自然灾害向电网安全评估和防御提出了新的挑战。

电网在蓄意攻击场景下的应对能力值得深思

关于自然灾害威胁电网安全的反思应该引伸到针对电网蓄意的暴力攻击，如大规模恐怖活动和战争等。这些以前没有引起人们重视的因素，现在正被更多的人意识到其发生的可能性以及危害的严重性。

事实上，国外已有针对电网的攻击事故。2013年10月，美国阿肯萨斯州一名男子破坏了3条电网，严重妨碍了居民正常生活和当地经济发展。美国国土安全部的报告显示，2012年美国共有198起针对电网设施和其他关键基础设施的袭击。针对电网的人为、有组织的攻击将使得破坏范围更广、持续时间更长，由此造成的后果会引起社会大规模的恐慌，并造成了巨大的损失。美国国家科学院的一份报告警告称，电力传输装置和变电站均存在被破坏的可能 收入。报告提到，电网是最容易受到攻击的公共设施，现代电网非常的脆弱。因为电网通常绵延数千公里使其很容易变为袭击的目标。另一方面由于现在电网采用实时监控和数据管理系统越来越开放，并从独立系统演变为与互联网连接的系统，这样使其会因为内在错误或来自互联网的恶意袭击而导致整个电网瘫痪。

尽管针对我国电网的蓄意攻击并造成严重破坏的事故还不多见，但围绕蓄意攻击对电网安全性的影响这一课题开展研究则是非常必要的。

通过对能够对电网安全运行造成重大危害的因素分析，可以把其概括为内因和外因。内因即电网本身存在网架结构设计或者运行方式不合理等方面的缺陷，此类缺陷表现在电网在正常运行状态下存在安全裕度偏低、电能阻塞和传输不畅。外因即电网运行过程中的来自外界的各类扰动因素，如恶劣的气象条件、严重的自然灾害和人为的蓄意攻击等，典型表现为电网局部的连锁停电甚至电网安全稳定遭受破坏。因此生存性的评估要能够综合考虑电网在这两方面的影响。

电网生存性评估的国内外研究现状电网生存性评估的国内研究现状国内关于电网生存性评估的研究方面，基于电网生存性评估的关键线路识别方法，该方法定义了骨干网架的概念，以描述维持系统生存性所必需的关键元件和网络结构，进而给出了骨干网架搜索的数学模型及相应求解方法。从电网网架的可抵抗性、可恢复性、安全性和连通性四方面出发，建立了差异化规划生存性评估指标体系以及二级指标的线性判别分析评估模型和一级指标的主成分分析评估模型，实现骨干网架综合生存性评估。提出了提升配电网生存性的切负荷策略。针对舰船电网拓扑结构及电网元件布置的优化设计问题，提出以电网生命力性能为主要优化目标的舰船电网双层规划模型。

上述研究针对电网的生存性分析的不同方面做出了深入的探索并形成了一系列研究成果，为生存性评估体系的建立提供了重要的研究基础。从整体来看，国内关于电网生存性的研究数量偏少，仍有许多空白需要填补。

电网生存性评估的国外研究现状国外关于电网生存性评估的研究也给出很多新的思路。提出了一个基于电压偏移、电压稳定指标、负荷供电可靠性指标加权和的配电网生存性指标，并基于该指标指导配电网重构策略。定义电网生存性为电网遭受多元件同时故障或者敌意攻击后保持供电的能力，并从提升生存性的角度提出了电网拓扑结构设计方法，还定义拓扑结构生存性的计算方法为计算系统遭受元件停运后仍然能维持运行的能力。考虑电网电气距离和电能传输路径冗余度的生存性指标，其中电气距离基于阻抗矩阵而定义，路径则依据电能分布系数而计算得到，但是该 只从电网拓扑结构的角度考虑电网脆弱性，没有考虑电网运行方式对脆弱性的影响。建立了电网的生存性模型，但没有给出具体的生存性定义和指标。智能电网生存性与控制成本之间的关系，而该 中提出的生存性(Survivability)概念为系统遭遇连锁故障后的仍然存活节点(Survivals)的比例。

纵观电网生存性的国外研究现状，可见国外也没有对于电网的生存性定义和研究范围的权威界定。尽管国外学者关于电网生存性的研究成果有许多思路，但都或多或少存在着一些不足之处。

现有电网安全评估研究角度分析从电网安全评估的分析角度来区分，现有的电网安全评估可以分为两大类。一类是从微观的角度，即深入到电网的各个元件，通过分析电网元件的特征量，如各个元件的电压、电流、功率和功角等电气量的绝对数值以及不同元件之间的电气量的相对差异，并试图建立不同元件的不同电气量之间的联系和相互影响机理，最终综合考虑各个元件的电气量的健康状态，见微知著地得出电网整体的安全状态。另一类则是从宏观的角度，即从电网整体的视角俯瞰式地分析电网拓扑结构的某些统计值的状态，如电网节点的节点度分布情况(小世界理论等)，并基于统计的思路建立起宏观指标与电网安全性或者脆弱性的联系。

经过研究者们的不断探索和努力，无论是微观式安全评估法还是宏观式安全评估法都形成了一些卓有成效的研究成果。然而，这两种思路的安全评估方法仍然存在着进一步完善的空间。

微观式安全评估法的主要研究对象通常为节点电压、支路潮流、发电机出力、发电机功角和负荷功率等可以直接观测、控制的电网中的电气量。而对于隐藏在输电潮流表面之下的发电机与负荷之间电能传输路径缺乏足够的关注。事实上，电网的主要任务正是保质保量地完成电能输送任务，尽管电能传输路径不易直接观测、控制，但是电能传输路径解析能够为电网安全评估提供更加深入和新颖的角度。

无论是基于复杂网络理论还是基于图论的宏观式安全评估法，在对电网建模时往往将电网抽象成一个简化的网络。在这类抽象的过程之后能够形成一种新的分析角度，分析出一些微观式安全评估法所难以察觉的现象和规律。然而需要注意的是，通过对电网做相当程度的简化也必然造成对电网本身诸多复杂性的忽略。如，许多基于图论或者复杂网络理论的安全评估方法难以考虑电网运行方式的差异对电网安全性的影响。另外，许多类似方法忽视了电网不同节点类型的差异，如发电机节点和负荷节点尽管都可以等效成一个节点，但其节点的功能以及功率流向都不尽相同，而某些基于图论或者复杂网络理论的宏观式安全评估方法忽略了该类差异，将会对评估结果的可信度造成影响。

电网生存性评估与现有安全评估方法的异同从电网安全评估的分析角度来区分，现有的电网安全评估可以分为2大类。一类是从微观的角度，即深入到电网的各个元件，通过分析电网的元件的特征量，如各个元件的电压、电流、功率、功角等电气量的绝对数值以及不同元件之间的电气量的相对差异，并试图建立不同元件的不同电气量之间的联系和相互影响机理，最终综合考虑各个元件的电气量的健康状态，见微知著地得出电网整体的安全状态。另一类则是从宏观的角度，即从电网整体的视角俯瞰式地分析电网拓扑结构的某些统计值的状态，如电网节点的节点度分布情况(小世界理论等)，并基于统计的思路建立起宏观指标与电网安全性或者脆弱性的联系。

传统的电网可靠性评估、概率性安全评估、不断发展完善的风险评估以及基于安全域的电网安全评估等方法大多偏重于从微观的角度分析电网安全性。而基于复杂网络理论和基于图论等以电网拓扑结构为主要研究对象的安全评估方法则主要侧重于从宏观的角度分析电网安全性。

经过研究者们的不断探索和努力，无论是微观式安全评估法还是宏观式安全评估法都形成了一些卓有成效的研究成果。然而，这两种思路的安全评估方法仍然存在着进一步完善的空间。

微观式安全评估法的主要研究对象通常为节点电压、支路潮流、发电机出力、发电机功角、负荷功率等可以直接观测、可以直接控制的电网中的“显性”电气量。而对于隐藏在输电潮流表面之下的发电机与负荷之间电能传输路径缺乏足够的关注。事实上，电网的主要任务正是保质保量地完成电能输送任务，尽管电能传输路径不易直接观测和控制，但是电能传输路径解析能够为电网安全评估提供更加深入和新颖的角度。

无论是基于复杂网络理论还是基于图论的宏观式安全评估法，在对电网建模时往往将电网抽象成一个简化的网络。必须承认，在这类抽象的过程之后能够形成一种新的分析角度，分析出一些微观式安全评估法所难以察觉的现象和规律。然而需要注意的是，通过对电网做相当程度的简化也必然造成对电网本身诸多复杂性的忽略。如，许多基于图论或者复杂网络理论的安全评估方法难以考虑电网运行方式的差异对电网安全性的影响。另外，许多类似方法忽视了电网不同节点类型的差异，如发电机节点和负荷节点尽管都可以等效成一个节点，但其节点的功能以及功率流向都不尽相同。

电网生存性评估指标体系整体架构电网生存性是对于电网电能传输畅通性和电网脆弱性的综合考虑。一个电能传输较为畅通的电网，通常具有更多的枢纽程度较高的节点和支路，然而当高枢纽程度的节点或者支路失效后，电网遭受的冲击也更严重。此外，一个在正常运行条件下的电能传输畅通性水平较高的电网，可能故障在网络中的传播扩散程度也越剧烈，当重要元件遭受攻击或者失效时电网整体性能的下降程度更严重，脆弱性也更高。为此，考量一个电网的生存性水平，应当结合畅通性和脆弱性两方面来综合考虑1。

电网生存性指标体系建立在电网畅通性指标体系和电网脆弱性指标体系的基础之上。从电网整体的角度对电网畅通性的全局指标加以提炼和完善，从电能传输路径数、电能传输总加权距离和电能传输效率三个方面实现电网畅通度的测度。在电网脆弱性评估的关键指标基础上派生出电网均衡度指标集和电网强健度指标集。电网均衡度指标集从电网整体结构均衡度和关键元件空间分布均衡性两方面提出包括关键节点空间均衡度、关键支路空间均衡度和电网结构均衡度在内的三个指标。电网强健度指标集旨在考量重要元件遭受攻击或因故障失效后电网整体性能的变化程度，包括关键节点失效承受度、关键支路失效承受度、关键节点攻击强健度和关键支路攻击强健

电网生存性评估指标定义(1)电能传输效率指标

电能传输效率指标为电网整体畅通度指标，该指标为电能传输路径数指标Npa,,,和电网总传输功率的乘积与电能传输总加权距离指标的比值。

(2)关键节点空间均衡度指标。

关键节点的空间分布均衡度评估指标

定义为关键节点之间的空间距离的平均值，空间均衡度指标值越大说明关键节点分布越分散，电网应对集中攻击的鲁棒性越强。

(3)关键支路空间均衡度指标

与关键节点的空间均衡度指标类似，关键支路的空间分布均衡度评估指标`}brmrc5定义为关键支路之间的空间距离的平均值。

(4)电网结构均衡度指标2

将电网畅通性评估中的离差指标的加权和作为电网结构均衡度评估指标以SDI,，电网结构均衡度指标值越大则说明电网中节点和支路的重要度分布越平均。

(5)关键节点失效承受度

关键节点失效承受度旨在评估电网中k个关键节点失效后整体性能的下降程度。

(6)关键节点攻击强健度

假定电网受到蓄意节点攻击模式，电网性能随着节点失效数的增加而下降。关键节点攻击强健度，是电网性能下降到一定程度时所需的节点失效数，如果节点失效数越少则关键节点攻击强健度越差，如果使得电网性能下降到一定程度的节点失效数越多则关键节点攻击强健度越好。