基于电网脆弱性的级联故障评估规则分析

【摘要】近年来，国内外电力系统多次发生大规模停电事故，这些事故常常始发于电网系统中的某一个元件故障，继而在级联结构中产生连锁性故障。在一些已有大停电事故案例中，初期的故障线路潮...

摘 要：在电力系统网络中，那些由于自然灾害以及大规模物理攻击引起的线路故障往往会带来严重的后果。在这些电网中，一条线路的中断可能导致其他线路的过载，从而最终导致整个网络超负荷停机，引发灾难性事故。本文通过对大型互联电网模型进行研究分析，从网络生存能力分析角度出发，旨在识别出电网中最脆弱的节点。同时估计中断线路和相关地理特征的相互影响，通过设置级联故障评估规则，给出电网大规模连锁故障的缓解方法，对智能电网网络的基础设施部署给出参考依据。

关键词：级联故障；电网脆弱性；复杂网络

中图分类号：TM711

电网的宕机事件表明，大规模的电网故障所带来的毁灭性的打击几乎会影响到现代生活中的所有方面，甚至包括与其相互依赖的系统，例如电信网络，交通运输通信等。研究基于电网脆弱性的级联故障评估规则，通过对电网节点的生存能力进行分析，改善电网的适应能力将直接影响相互依存的网络间的共同安全。

1 电网级联结构

近年来，国内外电力系统多次发生大规模停电事故，这些事故常常始发于电网系统中的某一个元件故障，继而在级联结构中产生连锁性故障。在一些已有大停电事故案例中，初期的故障线路潮流将逐步转移到电网中的脆弱环节上，随着部分节点相继失效，电网的稳定性变差，连锁性故障迅速传播最终导致了电网的大面积崩溃。级联结构的连锁故障模型是电网脆弱性参数分析和级联故障评估规则的基础。本文依据常用的故障潮流转移、线路相继过载以及输电断面的破坏这一连锁故障的典型发展模式，以线路故障作为基本事件完成每一级事故链中间环节的预测，考虑到事故链中间环节全部触发将造成系统失稳，因此采用暂态稳定判据确定事故链生成状态。在基于复杂网络理论的电网系统模型中，将电网抽象为一个拓扑模型。系统的节点分为以下三类：发电节点集合、传输变电节点集合和配电变电节点集合。将电网化为无权无向稀疏连通图，其中输电线和变压器支路是边，边均为无向无权边，研究中只考虑高压输电网，忽略输电线路电压等级和参数差异。

2 电网脆弱性分析

脆弱性（vulnerability）是用于描述一个系统易受攻击或易被破坏的特性。电力系统脆弱性是指系统在正常运行情况或各种随机因素的作用下，系统承受干扰或故障的能力及系统不能维持正常运行的可能趋势及其影响。一般评估电网的可靠性或安全性只是对电网整体进行评估。若能够分析找出电网的脆弱性节点，即在一些未知干扰或突况下，找出电网的脆弱环节，对其采取相应的控制措施，提前实施预防措施，以保持电网持续提供服务的能力，这将是电力系统的安全运行的理论依据。

由于对电网分析重点的不同，脆弱性评估的角度也不同，例如从暂态能量分析的角度，从电压稳定的角度，从风险分析的角度以及复杂网络的角度等。本文将复杂网络理论应用于电力系统，设定了一个基于地理特征的模型，利用此模型分析电网级联故障。为定量评估电网结构脆弱性，本文将着重对网络结构拓扑统计特征进行描述和分析，从网络拓扑结构统计特性角度研究电网结构脆弱性，以网络平均距离描述网络性能指标，找到失效节点对网络性能的影响，即通过网络平均距离的影响辨识电网中的脆弱环节。

3 电网适应能力

3.1 参数设置。在级联故障模型中，某条线路的功率容量是一个给定的先验值。在实际工作中，这些功率容量很难获得，通常是基于实际的运行电网来估计。在考虑线路容量的过度供应中可以对每一条线路的需求能力设置一个超载参数。这个超载参数定义为K，通常被称为网格的安全系数。实际的电网中通常认为安全系数的最小值K≈1.2。

3.2 识别脆弱的位置。我们考虑一个确定的圆形故障模型，其中一个半径为r的故障圆心区域中的所有线路和节点都从网络有向图中移除。为了找到网络图中余下的候选者中谁是最脆弱的环节，可以通过使用计算几何方法确定在光纤网络的脆弱的位置。对于每一条线路，定义一个与r竞争值有关的参数r-h。通过竞争值r-h的排序确定相应的顶点。当然，这个检查所有候选节点的过程（每一个都有不同的初始失败事件）可以很容易地进行并行化处理。为了找到脆弱环节的位置所在，必须要充分考虑的顶点排序状态。特别是，对于任何节点p∈R2来说，都有一个顶点v使得 。

4 级联故障评估规则

我们使用以下四个指标对级联故障的严重程度进行评估：电网系统的收益值；超载线路的，这个值是预示了恢复网格级联后所花费的时间：超载线路数越多，则实际的恢复时间越长；连接元件的数量；达到稳定状态的循环操作次数。由于使用了修改的网格地图，因此结果并不一定会明确的指向一个具体的电网脆弱性环节，但是它们提供的这些度量值以及数据之间的关系仍然具有很高的参考价值。

4.1 确定性故障规则。一般来说，安全系数越高，停电造成的影响就越严重。尽管失效范围的扩展非常缓慢，但是在边界区域上的电网失效仍然会导致电网系统的收益值很低。一旦稳定级联故障的严重程度，在这种情况下，绝大多数的故障导致的电网收益率也在较低范围内。与此同时，电网收益和失效线路的总数之间也存在一种相反的关系。最初故障线路的数量和恢复系统的循环次数之间的关系表明：当早期故障线路的数量很小时，线路恢复稳定状态的时间可大可小，并不确定。然而，最初故障线路的数量越大，线路恢复稳定状态的时间值的分布变得更加集中。因此，实际中并没有明确的最终电网收益和最初故障线路的数量之间的相关性。

4.2 随机故障规则。关于敏感性的故障规则，对于相同的故障中心来说，当使用随机规则时获得的平均收益率显著降低。数据显示当随机故障规则与确定性故障规则一致时，电网收益范围也是一个确定值。然而，在这个范围之外，随机故障规则导致收益率值偏小，并且用确定性故障规则获得的收益率。

4.3 严重故障半径。针对最初的故障半径的范围区域和由此产生的电网收益，我们确定为了获得收益的价值所需的故障半径低于某一阈值。结果表明，对于一些攻击中心之一，半径10公里的故障足够导致毁灭性的影响，而对于某些中心点，半径50公里的故障甚至只有轻微的影响。

5 结束语

在本文中，我们给定了一个基于复杂网络理论的电网模型，使用网络生存能力分析技术对不同的网络相关地理位置失效的脆弱性进行研究，在电网中控制使用正确的节点可以缓解大规模的电网失稳。此外，我们还将研究扩展到级联模型中，根据电网脆弱性定义，提出了基于大规模电网的级联故障评估规则，以脆弱节点为监控对象，将级联故障的预防监控转化为对电网中的脆弱线路节点的监控，从脆弱环节处切断级联故障发生的根源，避免大规模的电网失稳状态。当前的电力系统的规模日趋庞大，结构复杂，研究电网中的大停电事故原因并找到合适的应对措施，缓解电网故障是一项长期、系统的工程，需要进一步研究和实践。

参考文献：

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[4]于洋.电力系统连锁故障及相关问题的研究[D].浙江大学，2008.

作者简介：刘伟（1981-），男，硕士，工程师，主要从事网络信息安全维护方面的研究。

作者单位：江西省电力公司吉安供电分公司信通部，江西吉安 343009