关于自然灾害下电力系统安全稳定防御方法的评

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　罗剑波1,2，郁琛1,2，谢云云3，陈彬4，黄伟5，程松6，吴勇军7

　　(1.南瑞集团(国网电力科学研究)有限公司，江苏南京211106;2.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏南京211106;3.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094;4.国家电网公司强台风环境抗风减灾实验室(培育)，福建福州350007;5.云南电力调度控制中心，云南昆明650011;6.国家电网公司西北分部，陕西西安710048;7.国网重庆市电力公司江北供电分公司，重庆401147)

　　摘要：输电线路的远距离送电使其频繁受到自然灾害的影响，极端自然灾害会造成电力系统大面积群发故障，严重影响电力系统的安全稳定运行，需要对自然灾害的防御方法进行研究。自然灾害的防御主要有提高一次系统设计标准以避免故障和通过安全稳定控制措施以减小停电损失两种方式。提高设计系统的标准需要较大的经济代价，且无法完全避免大面积输电线路故障。现有研究主要针对自然灾害的安全稳定控制方法进行研究，包括自然灾害防御所需的信息采集、自然灾害下电力系统风险评估以及应对自然灾害的电力系统安全稳定控制方法。为此，对现有自然灾害的安全稳定防御方法进行综述，并指出进一步研究方向，为后续的自然灾害的安全稳定防御方法研究提供参考。

　　关键词：自然灾害;故障率;风险评估;停电防御;外部信息采集

　　AreviewonriskassessmentofpowergridsecurityandstabilityundernaturaldisastersLUOJianbo1,2,YUChen1,2,XIEYunyun3,CHENBin4,HUANGWei5,CHENGSong6,WUYongjun7(1.NARIGroupCorporation/StateGridElectricPowerResearchInstitute,Nanjing211106,China;2.StateKeyLaboratoryofSmartGridProtectionandControl,Nanjing211106,China;3.SchoolofAutomation,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;4.StateGridCultivatingLaboratoryofWindResistanceandDisasterMitigationunderSevereTyphoonEnvironment,Fuzhou350007,China;5.YunnanPowerDispatchingandControlCenter,Kunming650011,China;6.NorthwestChinaGridCompanyLimited,Xi’an710048,China;7.JiangbeiPowerSupplyBureau,StateGridChongqingElectricPowerCorporation,Chongqing401147,China)Abstract:Long-distancetransmissionlinesfrequentlysufferfromnaturaldisasters,whichmayresultinlarge-scaleclusterfaultsinpowersystemsandfurtherinfluencethesecurityandstabilityofpowersystem.Consequently,itisnecessarytostudythedefensemethodsfornaturaldisasters.Thedefensemethodscanbedividedintotwocategories:improvingthedesignstandardforprimarysystemtoavoidfaults,andimplementingsecurityandstabilitycontrolmethodstoreducetheloss.However,improvingthesystemdesignstandardwillincreaselargeconstructioncostoftransmissionlines.Inaddition,theimprovementofdesignstandardcannotexhaustivelyeliminatefaultsoftransmissionlines.Asaresult,currentresearchpaymoreattentiononsecurityandstabilitycontrolmethodsfornaturaldisastersfromthefollowingaspects:informationcollectionfornaturaldisasterdefense,riskassessmentofthepowersystemundernaturaldisasters,securityandstabilitycontrolmethodsforcopingwithnaturaldisastersandsoon.Therefore,thispapersummarizesthesecurityandstabilitycontrolmethodsfornaturaldisasterandpointsoutsomefurtherresearchdirections,whichmayprovideareferenceforfuturestudy.ThisworkisjointlysupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.1507080),ScienceandTechnologyProjectofStateGridCorporationofChina(AnalysisofInteractiveInfluenceBetweenPowerSystemandExternalInformationandApplicationFunctionDesign),ScienceandTechnologyProjectofYunnanPowerGridCompany(No.YDTZ-F2014-105),ScienceandTechnologyProjectofNorthwestChinaGridCompanyLimited(No.52250115000v),andStateKeyLaboratoryofSmartGridProtectionandControl.

　　Keywords:naturaldisasters;faultprobability;riskevaluation;blackoutdefense;externalinformationcollection

　　0引言

　　电能的生成和消费往往不在同一地点，需要通基金项目：国家自然科学基金(1507080);国家电网公司科技项目(电力系统与相关外部信息交互影响的分析和应用功能设计);云南电网公司科技项目(YDTZ-F2014-105);国家电网公司西北分部科技项目(52250115000v);智能电网保护和运行控制国家重点实验室开放课题研究项目过高电压远距离输电线路输送到负荷中心。由于输电线路裸露于自然环境中，其经常受到各种自然灾害的影响。例如，从我国西南地区向华东地区送电的特高压输电线路，经常受到覆冰、雷电、暴雨、泥石流等自然灾害的影响。自然灾害会造成输电线路停运，严重时造成输电线路大面积群发故障，引起大停电事故。在过去几年中，已经发生了多起因自然灾害引起的大停电事故，如2011年日本因海啸

　　1自然灾害防御所需的信息采集

　　自然灾害的防御需要自然灾害的信息、电力系统设计信息、地理环境信息、电力系统备用物资和交通信息。这些信息中电力系统设计信息、地理环境信息、备用物资信息属于静态信息，更新周期较长，其他信息属于动态信息，需要在灾害发生过程中实时接入。由于这些信息分属不同的部门，电力系统安全稳定防御需要将这些信息接入统一的电力系统广域信息平台，为后续的风险预警和决策优化提供支持。本章介绍目前所需采集的信息类型以及目前信息获取情况。

　　1.2动态信息

　　1)自然灾害相关信息采集电力系统在正常运行过程中会受到多种自然灾害的影响，其中主要有：覆冰、雷电、暴雨、山火、台风、洪水、地震和磁暴等[25-26]。由于不同灾害作用于输电线路的媒介各不相同，如台风通过高速风、雷电通过落雷、磁暴通过磁场波动引起输电线路故障，针对不同的灾害需要采集不同的信息。

　　2电力系统风险评估

　　因为自然灾害的时间和空间分布特征，不同地区和位置的电力系统元件受灾害影响程度不同，在电力系统安全稳定防御前需要对受灾严重的元件进行评估。不同受灾元件故障后对电力系统的影响也不相同，需要根据不同元件故障后的影响对需要防御的故障进行综合风险评估，为安全稳定防御决策提供基础。本章从电力系统元件的故障概率评估和电力系统风险评估方面对现有研究进行总结。

　　2.1自然灾害下电力系统元件故障率

　　在电力系统运行过程中，80%以上的故障是由于自然灾害引起的输电线路故障[46]，导致其故障的主要因素是强风、暴雨等天气条件。外部环境变化使得元件故障率不再是一恒定的常数，在时间上是波动变化的，常常严重偏离统计平均值。因此，需要将原来一维横向连续时间(有效寿命期)下的恒定故障率模型，拓展到考虑纵向自然灾害等外部环境因素，以描述时间与外部环境相关联的元件故障率模型，如图3所示

　　3电力系统安全稳定控制

　　在自然灾害发生前、发生过程中和发生后需要通过不同的安全稳定控制方法减小故障损失。预防控制是在故障前调整系统运行方式，使高风险故障发生后系统依然保持稳定运行;应急控制是在故障发生后，一方面通过紧急控制措施保证电网的稳定，另一方面对自然灾害造成的电网设备故障进行修复;恢复控制是对因自然灾害造成的停电区域恢复供电，减小因停电造成的损失。本章对不同控制方法的研究情况进行总结。

　　3.1灾害的预防控制

　　预防控制首先需要根据灾害发生情况，动态生成预想故障集。文献[69]提出基于故障概率排序的预想故障集生产方法，但故障概率高的故障并非具有较高的风险。文献[70]提出台风灾害下输电线路预想故障集的动态生成方法。文献[21]中以风险排序结果中较为严重的故障作为预想故障集，并指出了自然灾害发生过程中经常发生群发性故障的特点，提出将群发性故障加入预想故障集中。文献[71]提出了N-2故障集的生成方法。文献[72]提出了预想故障集的自适应筛选方法。

　　4自然灾害下电网防御研究的趋势

　　4.1与大数据思维的融合

　　为了有效防御自然灾害引发大停电，需要利用卫星遥感数据，跟踪气象数据，掌握输电走廊的地形、地质及植被、电气设备的位置等非电信息。据此预测山火、台风、暴雨、山洪、滑坡和泥石流的时空演变，在线掌握断线、倒塔、闪络等故障率的变化，计算不同支路在自然灾害下的故障率及风险，在线动态修改安全分析的预想故障集。这样，跟随外部环境的变化来调整需要重点关注的故障，从而赋予停电防御系统一定的自适应能力[87]。此外还涉及检修计划调整、实时调度运行、人员物资统筹指挥、灾害可视化等多个方面，因此自然灾害下电网防御研究本质上讲是一个多源、海量、异构的大数据分析与决策问题[88]。

　　5结论

　　一直以来，对电力系统大停电的研究主要集中在电力系统内部，基于电力系统内部信息，对大停电进行防御。全球极端自然灾害事件的明显增多，严重威胁了电力系统的安全稳定运行，暴露了现有研究的不足：电网无法采集非电气信息，不能识别外部环境的变化;通过运行经验和历史数据统计的年平均故障率不能体现外部环境的变化对电网设备的影响;安全稳定防御的预想故障集不能根据自然灾害的影响范围和强度进行调整;无法对自然灾害引起的电网群发性故障和独立相继故障情况进行防御。

　　参考文献

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