面向風險的電力系統(tǒng)穩(wěn)定標準對比分析

王延緯， 錢峰， 楊銀國， 陳睿， 劉平， 馮雷， 朱林

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州　510600; 2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州　510640)

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面向風險的電力系統(tǒng)穩(wěn)定標準對比分析

王延緯1， 錢峰1， 楊銀國1， 陳睿1， 劉平2， 馮雷2， 朱林2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州510600; 2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640)

圍繞電力系統(tǒng)風險評價工作，對比了我國和其他主要發(fā)達國家及發(fā)展中國家的電力系統(tǒng)穩(wěn)定評價標準，通過多角度分析和比對各國穩(wěn)定標準的主要特征，表明了電力系統(tǒng)穩(wěn)定標準對電網(wǎng)風險評估效果具有重要的支撐作用。最后立足于風險視角，為電力系統(tǒng)風險評估提出有意義的改進建議。

電力系統(tǒng)；可靠性；運行安全；風險評估；穩(wěn)定標準

0　引　言

現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模伴隨著國民經濟的發(fā)展而不斷擴大，高壓直流輸電、分布式能源等一系列新興技術的融入加深了現(xiàn)代電網(wǎng)結構的復雜性，這為電網(wǎng)的安全可靠運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。縱觀近十年來世界范圍內的大停電事故時有發(fā)生，暴露了在電網(wǎng)的運行安全管理與防御方面仍存在薄弱環(huán)節(jié)。不斷深化電網(wǎng)運行的風險評估工作，有針對性地制定事故防控和反事故措施方案，可有效降低大面積停電的發(fā)生幾率，促使電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

目前主流的電力系統(tǒng)運行風險評價理論主要分為兩大類：一是基于復雜系統(tǒng)理論的分析方法，例如OPA模型、Cascade模型、Hidden Failure模型等[1-3]；二是基于圖論和復雜網(wǎng)絡理論的分析方法，其中包括相隔中心模型、有效性能模型及小世界模型等[4-6]。這些模型都側重于對電力系統(tǒng)不同風險特征的研究，只對特定的運行場景具有適用性。但在實際的工程應用中，由于電力系統(tǒng)拓撲結構及元件動態(tài)的復雜性，這些方法難以全面地評估電網(wǎng)運行安全的風險，也較難適應實際電力企業(yè)的風險分析需求。事實上，電網(wǎng)公司結合相關運行安全規(guī)范及實際運行經驗形成了一套實用的風險評價方法。以廣東電網(wǎng)調度中心為例，其風險評價體系依據(jù)典型故障集合作為源發(fā)故障，通過計算因故障后潮流轉移引發(fā)的元件過載而導致的負荷損失量，最終實現(xiàn)風險點快速識別和風險值的有效量化。典型故障集合通常以《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》及企業(yè)規(guī)范為運行風險的約束條件，并基于歷史事故的經驗而提煉得到的。典型故障集合的完備與否直接影響風險評估結果的是否全面、有效。在這種評價體系下，為了完善典型故障集的完備性，提高風險評估的精度，對國內外電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定規(guī)范進行深入分析顯然具有重要的意義。

目前，已有一些文獻[7-10]對中外主要的穩(wěn)定標準從技術層面和管理層面進行比較詳細的對比研究，但這些研究工作側重于分析這些標準在電網(wǎng)規(guī)劃方面的特點和改進建議，鮮有涉及到電網(wǎng)運行風險評估方面的內容。因此，本文立足于電網(wǎng)風險評估的視角，通過研究國內外主流的安全穩(wěn)定技術規(guī)范，對比分析各自在風險評價方面的特點，并從中提煉有益的借鑒內容，力求進一步推動和提升電網(wǎng)運行風險評估工作。

1　中國安全穩(wěn)定標準淺析

我國在電力運行安全方面的標準主要為《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》[11]。自該導則頒布以來，為電力系統(tǒng)的規(guī)劃設計與安全穩(wěn)定運行構建基本的約束框架。同時也是我國電力企業(yè)為制定更嚴格的企業(yè)標準的重要參考和規(guī)范性指導文件，同時也是開展電力系統(tǒng)風險分析和評估工作的依據(jù)，在保證電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行中發(fā)揮著突出的作用。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》考慮電力系統(tǒng)中發(fā)生故障種類及故障嚴重程度的不同，依次劃分出了三個不同的安全穩(wěn)定標準等級，并明確了各標準等級所包含的各類故障，其體系如圖1所示。

各等級所考慮因素、故障發(fā)生概率情況均有差異，具體如下：第一級安全穩(wěn)定標準主要考慮線路、變壓器、發(fā)電機等元件發(fā)生N-1故障時，該類故障發(fā)生概率較高，但對系統(tǒng)影響較小，因而要求系統(tǒng)應保持穩(wěn)定運行且各項參數(shù)均不越限；第二級標準考察母線故障、同塔線路跳開等概率較低但影響嚴重的故障，此時要求系統(tǒng)通過出力和負荷的調整來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定；第三級標準以分析多重故障、開關拒動等容易造成系統(tǒng)破壞的故障為重點，采取必要的措施，以防止系統(tǒng)崩潰為首要任務并盡量降低負荷損失，該類故障發(fā)生的概率很低，但導致的事故后果卻十分嚴重。

圖1　電力系統(tǒng)三級安全穩(wěn)定標準體系

2　國外安全穩(wěn)定標準淺析

2.1英國安全穩(wěn)定標準

英國《國家輸電系統(tǒng)安全與供電質量標準》(National Electricity Transmission System Security and Quality of Supply Standards，簡稱SQSS標準)[12]結合英國電網(wǎng)的實際運行情況，劃分了陸上(Onshore)輸電系統(tǒng)及海上(Offshore)輸電系統(tǒng)。從主網(wǎng)設計、電網(wǎng)運行、發(fā)電廠接入和負荷接入等方面對二者分別提出了具體的設計標準和運行準則。本文結合SQSS標準給出的陸上輸電系統(tǒng)相關運行要求進行探討。

在電網(wǎng)運行規(guī)劃部分SQSS標準按運行情況細分為正常運行準則以及條件運行準則。正常運行準則為當電網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)下(包括計劃停運及非計劃停運)，系統(tǒng)發(fā)生輸電線路、發(fā)電機、分段母線等設備的“N-1”故障或是架空雙回線停運的情況時，規(guī)定負荷切除的限值，同時要求系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行且各設備和參數(shù)不發(fā)生過載和越限。對于單一元件故障，SQSS標準按組負荷的規(guī)模詳細規(guī)定了最大負荷切除量，如表1所示。

表1　發(fā)生安全事件允許最大負荷切除量

條件運行準則考慮英國電網(wǎng)運行在架空雙回線故障更為易頻發(fā)等惡劣條件下，在系統(tǒng)運行以及反事故措施方面所做出的要求和規(guī)定。該準則認為架空雙回線故障為較嚴重的安全事件，允許在不造成重大經濟損失下有限度切除負荷，并規(guī)定保證電壓不越限及系統(tǒng)不失穩(wěn)。對于事故風險較高的時期，采取減少系統(tǒng)功率遠距離傳輸、增加備用容量等措施，降低機網(wǎng)聯(lián)動跳閘的風險，盡可能確保同塔雙回線的安全運行。

2.2美國安全穩(wěn)定標準

為保證大型電力系統(tǒng)在各種運行條件能夠可靠運行并防范各種可能發(fā)生的事故，美國北美電力可靠性公司(NERC)制定了《輸電系統(tǒng)規(guī)劃性能準則》(Transmission System Planning Performance Requirements)。該準則與我國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定標準》相似，采用了分級的方式衡量各類事故事件的嚴重程度及應對措施[9]128。在即將實施的TPL-001-4準則[13]，明確輸電系統(tǒng)規(guī)劃方以及規(guī)劃協(xié)調方的職能，并對電網(wǎng)規(guī)劃的模型、安全穩(wěn)定標準、規(guī)劃評估等方面給出了詳細的要求，采用全新的規(guī)劃標準與極端事故校核標準相結合的評價方式，以取代原有的四級穩(wěn)定標準。

規(guī)劃標準通過定義不同初始運行場景，分析發(fā)生不同故障的可能及所造成的影響，歸納分類為八種規(guī)劃事件(Planning Events)，如表2所示。其中P0級為無故障類別，其余類別故障發(fā)生時可允許因該故障所直接導致的負荷或出力的損失。此外，根據(jù)不同電壓等級網(wǎng)絡的故障，對因穩(wěn)控裝置等所切除負荷也做出了詳細的規(guī)定。對于發(fā)生各類規(guī)劃事件，要求系統(tǒng)能保持穩(wěn)定運行，各項參數(shù)不越限，且應避免連鎖孤島事件的發(fā)生。

表2　TPL-001-4準則規(guī)劃事件分級

系統(tǒng)除了需要滿足TPL-001-4規(guī)定的P0～P7各類故障檢驗要求外，還需根據(jù)可能發(fā)生的極端情況進行校驗。TPL-001-4的極端事故校核標準根據(jù)美國的地理環(huán)境、發(fā)電構成、網(wǎng)架組成以及高度信息化等特點設想了一系列對系統(tǒng)帶來潛在威脅的極端事件(Extreme Events)。其中包括了同塔多回線路停運、重要氣電廠停運、發(fā)電機冷卻用水停供以及森林大火、颶風等惡劣自然災害，還包括了網(wǎng)絡攻擊等情況。

2.3印度安全穩(wěn)定標準

印度電網(wǎng)采用《輸電規(guī)劃標準指南》[14](Manual on Transmission Planning Criteria)作為電力系統(tǒng)規(guī)劃及可靠性運行等方面的指導性要求和標準。在經歷了2012年7月的兩次大停電后，使得印度電網(wǎng)充分意識到自身電網(wǎng)的脆弱性，運行安全必須適應電力系統(tǒng)的日益發(fā)展。因此，相關當局對該指南重新修訂，并引入了可再生能源接入等新要求。針對電網(wǎng)運行的可靠性規(guī)范中，該指南主要圍繞電網(wǎng)運行在N-0，N-1，N-1-1等情況下提出相應的安全穩(wěn)定。

N-0情況為無故障狀態(tài)，系統(tǒng)保持正常穩(wěn)定運行。N-1標準則為主網(wǎng)線路、變壓器、雙極直流的單極等設備發(fā)生單一元件故障時，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)下應滿足的要求。穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)保持正常穩(wěn)定運行，不發(fā)生切機切負荷；暫態(tài)則要求系統(tǒng)需承受主網(wǎng)單回線路的永久性故障、直流單極故障、單臺發(fā)電機停運等故障形式所帶來的擾動。N-1-1標準中假定系統(tǒng)已發(fā)生N-1的情況下，再發(fā)生單回主網(wǎng)線路瞬時性或永久性故障時，通過必要的切機切負荷措施，使系統(tǒng)承受擾動或者過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

3　穩(wěn)定標準體系對比研究

前述了四個主要發(fā)達國家和發(fā)展中國家在電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和安全運行方面的指導性文件?？傮w而言，各國的規(guī)范文件在考察電力系統(tǒng)的基本要求方面，一般圍繞“滿足N-1保持安全運行不越限”及“N-2穩(wěn)定運行降低負荷損失”為目標制定相應的標準和約束。同時，結合各自電力系統(tǒng)的特點和具體國情，各國所制定的標準針對特定運行條件的評價要求嚴寬不一，各有側重，具體對比如表3所示。

表3　英美印中四國電力系統(tǒng)安全標準體系對比

*主要交流一次設備包括交流母線，交流線路，交流變壓器，發(fā)電機。

英國的SQSS標準對陸上輸電系統(tǒng)的規(guī)劃與運行的要求上，設想了正常工況與惡劣工況兩個不同場景，考察發(fā)生故障的區(qū)域的不同而提出不同的標準。正常工況下，通常要求系統(tǒng)能承受N-1事故的發(fā)生，并保證系統(tǒng)各參數(shù)運行在額定范圍內，同時根據(jù)負荷比重有條件的切除負荷。而對于主網(wǎng)，則要求能承受架空雙回線N-2故障或分段母線故障的發(fā)生，同時保證系統(tǒng)各參數(shù)運行在額定范圍并盡量降低負荷損失。對于架空雙回線故障概率較高的惡劣工況下，要求采取必要的措施保證系統(tǒng)不發(fā)生過載越限并能保持穩(wěn)定運行?？梢?，英國SQSS標準重點考察系統(tǒng)對N-1與N-2的承受能力，要求系統(tǒng)在故障情況下均維持正常的熱穩(wěn)定水平并保持穩(wěn)定運行。

美國的TPL-001-4準則從規(guī)劃事件與極端事件兩方面考察系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。規(guī)劃事件根據(jù)系統(tǒng)初始條件的不同，計及了開關拒動、繼保失靈等具體因素，劃分為7級事故等級，結合故障所處電網(wǎng)的電壓等級限制負荷的損失。規(guī)劃事件主要校驗系統(tǒng)發(fā)生N-1和N-2事故的情況，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定運行。TPL-001-4準則的極端事件屬于校核標準，要求電網(wǎng)規(guī)劃與管理方應從為系統(tǒng)帶來重大影響的局部事故，乃至容易造成大擾動、導致電網(wǎng)拓撲發(fā)生較大變化的重大事故進行充分評估。這些事故涵蓋了網(wǎng)架脆弱性、人為蓄意破壞、環(huán)境劇烈變化、設備裝置缺陷等各類因素所帶來的風險。

印度《輸電規(guī)劃標準指南》在輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求方面從N-0，N-1以及N-1-1三種場景規(guī)定了相應的標準。N-1標準主要考察各電壓等級線路、變壓器、直流單極等單一元件退運后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能應保持正常的熱穩(wěn)定水平且不造成負荷或出力的損失；暫態(tài)性能則要求各電壓等級線路單條故障、直流單極閉鎖或損失重要發(fā)電機時系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定運行。N-1-1標準則是在N-1標準基礎上，再假想主網(wǎng)單條線路發(fā)生三相故障的情景，根據(jù)發(fā)生故障的性質不同，通過有效的切機切負荷措施確保系統(tǒng)取得新的穩(wěn)定狀態(tài)。

我國《安穩(wěn)導則》根據(jù)電力系統(tǒng)事故類型及其嚴重程度，按等級劃分了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定要求。重點要求考察線路、母線、變壓器、發(fā)電機、直流系統(tǒng)等重要輸電設備N-1與N-2故障下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及要求防范由于開關拒動、保護失靈、多重故障等惡劣條件所造成的系統(tǒng)崩潰。從表3四國標準體系的對比可以看出，我國的《安穩(wěn)導則》對電力系統(tǒng)運行的評價標準較為嚴格，對于事故元件的考察基本涵蓋了電力系統(tǒng)各類重要設備，整體上與美國的TPL-001-4準則較為一致。

4　穩(wěn)定標準的風險視角評價

通過表3對四國標準的比較分析各自特點，可為我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行方面以及電網(wǎng)運行風險評估工作的開展提供有益的借鑒：

(1) 考慮系統(tǒng)初始運行方式

我國《安穩(wěn)導則》的三級標準主要考察正常運行方式下元件故障停運對系統(tǒng)的影響。但電力系統(tǒng)的運行方式復雜多樣，根據(jù)運行方式的不同，發(fā)生相同的故障也會對系統(tǒng)帶來不同程度的影響。英美兩國安全標準在計及不同的系統(tǒng)運行初始狀態(tài)的基礎上，依據(jù)N-1和N-2原則劃分安全等級。值得指出的是，美國TPL-001-4準則中的規(guī)劃標準將元件故障狀態(tài)與開關拒動、繼保失靈等情況充分組合，以此劃分為7級事故等級，更貼近實際電力系統(tǒng)的故障情景。在開展電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定或運行風險的評估工作中，充分結合系統(tǒng)的初始運行狀態(tài)將有利于提高評估結果有效性以及評價精度。

(2) 具體量化事故指標

在我國三級安穩(wěn)標準中第一級標準要求發(fā)生N-1故障后，不允許發(fā)生切機切負荷的情況。而第二級與第三級標準則要求防止系統(tǒng)崩潰，并盡可能減少負荷的切除量。但我國《安穩(wěn)導則》對各類故障的極限切除時間以及負荷切除量的規(guī)定較為模糊，未給出具體的量化。而英國的SQSS標準明確規(guī)定了N-1事故的最大允許負荷切除量；印度的《輸電規(guī)劃標準手冊》在考察N-1-1的穩(wěn)定情況下要求結合故障后開關動作時間及故障切除時間進行分析。建立預想事故的具體量化指標，有助于統(tǒng)一事故的評價標準，提高評估工作的可操作性，同時也使評價結果更具說服力。

(3) 綜合多角度因素進行校核

《安穩(wěn)導則》對事故類型的考核涵蓋了電力系統(tǒng)的主要一次側設備，并在第三級標準中要求重點分析開關拒動、繼保失靈等裝置所造成的系統(tǒng)重大事故。但導致嚴重事故的原因較為復雜，不僅有源于系統(tǒng)內部的原因，也包括來自系統(tǒng)外部環(huán)境所帶來的影響。美國的TPL-001-04準則除了規(guī)劃標準外，還制定了校核標準。該校核標準主要用于考察發(fā)生極端事件下系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定運行。其中涉及了重要系統(tǒng)元件多重故障的情況，并將極端天氣、人為蓄意破壞等誘因加以考慮。開展電力系統(tǒng)的安全性評價工作，尤其是研究系統(tǒng)中所存在的風險時，從多角度的因素綜合考慮可更為全面、準確地識別出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和風險點，并根據(jù)誘發(fā)事故的原因還可有針對性的制定風險防控對策，對進一步促進系統(tǒng)運行的安全水平具有重要的意義。

5　結束語

電網(wǎng)安全穩(wěn)定規(guī)范涵蓋了常見的故障類別和運行要求。對這些規(guī)范的分析和提煉，可為電力系統(tǒng)的風險防控工作帶來積極的意義。本文在充分研究我國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》及英國、美國、印度等國家的電網(wǎng)穩(wěn)定標準的基礎上，圍繞安全水平要求、事故量化方法、故障元件等方面對比分析了各國標準的主要特點。結合各國穩(wěn)定標準的特點和優(yōu)勢，立足于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及電網(wǎng)運行風險分析的角度提出有益的改進意見。

[1] DOBSON I, CHEN J, THORP J S, et al. Examining criticality of blackouts in power system models with cascading events[C]// IEEE, Proceedings of the 35th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, Hawaii, January 7-10, 2002.

[2] DOBSON I, CARRERAS B A, NEWMAN D E. IEEE, A probabilistic loading-dependent model of cascading failure and possible implications for blackouts[C]// IEEE, Proceedings of the 36th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, Hawaii, January 6-9, 2003: 65-74.

[3] 丁理杰,劉美君,曹一家,等.基于隱性故障模型和風險理論的關鍵線路辨識[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(6): 1-5,22.

[4] HOLME P. Edge overload breakdown in evolving networks[J]. Physical Review E, 2002, 66(3): 162-173.

[5] CRUCITTI P, LATORA V, MARCHIORI M. Model for cascading failures in complex networks[J]. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2004, 69(4):1-4.

[6] DING M, HAN P. Reliability assessment to large-scale power grid based on small-world topological model[C]// IEEE Power System Technology. International Conference on PowerCon, Chongqing, October 22-26, 2006:1-5.

[7] 舒印彪,湯涌,孫華東.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定標準研究[J].中國電機工程學報,2013,33(25): 1-8.

[8] 王姍姍,孫華東,易俊,等.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定相關標準對大電網(wǎng)的適用性綜述[J].電網(wǎng)技術,2013,37(11): 3144-3150.

[9] 李鵬,黃河,吳小辰,等.中國與歐美輸電網(wǎng)安全穩(wěn)定標準比對[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(1): 127-133.

[10] 鄭秀波,林勇.中外輸電網(wǎng)規(guī)劃標準對比研究[J].電網(wǎng)技術,2013,37(8): 2355-2361.

[11] 電力行業(yè)電網(wǎng)運行與控制標準化技術委員會.DL 755-2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則[S].北京:中國電力出版社, 2001.

[12] National Grid Company. National Electricity Transmission System Security and Quality of Supply Standard (Version 2.3)[S]. London: the Office of Gas and Electricity Markets, 2014.

[13] North American Electric Reliability Corporation. TPL-001-4 Transmission System Planning Performance Requirements[S]. New Jersey: North American Electric Reliability Corporation, 2014.

[14] Central Electricity Authority of India. Manual on Transmission Planning Criteria[S]. New Delhi: Central Electricity Authority of India, 2013.

A Comparative Analysis of Risk-oriented Power System Stability Criteria

WANG Yan-wei1, QIAN Feng1, YANG Yin-guo1, CHEN Rui1, LIU Ping2, FENG Lei2, ZHU Lin2

(1. Power Dispatching Center, Guangdong Grid Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510600, China;2. College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

With respect to risk assessment for electric power systems, this paper compares the power system stability criteria between China and several major developed and developing countries. Multi-dimensional analysis and comparison of main features of their stability criteria reveals that stability criteria of electric power systems play an important supporting role in the grid risk assessment effect. Finally, this paper gives significant suggestions for improvement in the perspective of risk assessment for electric power systems.

power system; reliability; operation security; risk assessment; stability criteria

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.025

TM712

A

1000-3886(2016)02-0080-04

劉平(1990-)，男，廣東佛山人，博士生;主要研究方向為電力系統(tǒng)風險評估、電力系統(tǒng)保護與控制。馮雷(1993-)，男，廣東廣州人，碩士生;主要研究方向為電力系統(tǒng)風險評估。

朱林(1979-)，男，廣西柳州人，副教授，博士;主要研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制。

定稿日期: 2015-09-28