电力系统的安全性及防治措施
随着社会经济的发展，科学技术的进步及人民生活水平的不断提高，人们对电力的需求和依赖性越来越大，对安全稳定供电的要求越来越强。然而,由于受到电力系统自身原因和外部干扰的影响，电网事故时有发生,这不但使电力经营企业的经济效益受到损失,而且对电力用户和整个社会都将造成严重的影响。自20世纪60年代以来，世界各国均发生过因电力系统稳定破坏而导致的大面积停电事故。1996年7~8月美国西部接连2次大停电事故，美国总统认为停电事故已“危及国家安全”。2003年下半年在北美和加拿大、英国伦敦、瑞典-丹麦、意大利都先后发生过大面积停电事故，震惊世界。特别是，2003年8月14日美加大停电波及5000万人口的供电范围，造成重大经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。
在我国，近20年来，各大电网发生的大停电事故有100余起。在西电东送，南北互联的条件下，我国将形成全国联网的巨型电力系统，如果出现电力系统重大事故，其规模和造成的损失有可能大幅度增加。因此，保证大规模互联电力系统的安全、稳定和经济运行是一个重大而迫切的问题，必须作为一个重大战略问题来解决。
2电力系统的安全性问题
2.1现代电力系统的安全性问题
电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下,系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度。传统的电力系统安全性主要是在发生故障情况下，研究电力系统本身的动态特性，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、热过载等。这类研究一般是针对单一故障的，而大面积停电事故则通常是连锁事件的复杂序列。
随着现代通讯技术和信息技术的发展，为了保障大电网的安全和经济运行，各种信息系统，如调度自动化（SCADA/EMS）、配电网自动化系统（DA）和变电站综合自动化系统（SA），电力市场技术支持系统等在电力系统领域里得到了广泛应用。图1给出了现代电力系统的整体构架，电力系统与信息系统、通信系统已经融合成为高度集成的混杂系统，电力系统的监测和控制越来越依赖于信息系统和通信系统的可靠运行。信息系统中的计算机系统是核心，计算机系统的维护不当是8.14美加大停电的基本原因之一。一个关键通信系统发生故障会使整个系统陷于瘫痪，进而失去可控性和可观测性。因此，必须把电力系统安全性的概念加以拓展。 最近一些研究人员提出了电力系统脆弱性（Vulnerability）的概念，作为电力系统动态安全评估的一种新的框架。脆弱性一词经常出现在环境、生态、计算机网络等领域的有关文献中,用来描述相关系统及其组成要素易于受到影响和破坏,并缺乏抗拒干扰、恢复初始状态（自身结构和功能）的能力。它们在不同的学科中有不同的含义。对于电力系统脆弱性，可定义为：电力系统因人为干预、信息、计算机（软、硬件）、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素，而潜伏着大面积停电的灾难性事故的危险状态。系统脆弱性与系统安全性的水平和在系统参数变化时系统安全性水平的变化趋势这两类信息密切相关。在这个概念中,人们对它们设定一个可被接受的基准值,当系统安全现状被评估后，系统安全性水平和它的变化趋势也就被确定下来。系统是否脆弱取决于它们是否高于或低于设定的基准值。
2.2电力系统安全性问题的影响因素
影响电力系统安全性的因素很多，对于组成现代电力系统的基础设施而言,可分为内部因素和外部因素。
（1）内部因素：
1）电力系统主要元件故障：发电机、变压器、输电线故障；
2）控制和保护系统故障：保护继电器的隐性故障、断路器误动作、控制故障或误操作等；
3)计算机软、硬件系统故障；
4）信息、通信系统故障：与EMS系统失去通信、不能进行自动控制和保护、信息系统的故障（造成信息的缺损或者得到的信息不可靠）或拥塞、外部侵入信息/通信系统（如黑客的入侵）；
5）电力市场竞争环境的因素：电力市场中各参与者间的竞争与不协调、在更换旧的控制和保护系统或发电装置上缺少主动性；
6）电力系统不稳定：静态/暂态/电压/振荡/频率不稳定等。
（2）外部因素：
1）自然灾害和气候因素：地震、冰雹、雷雨、风暴、洪水、热浪、森林火灾等；
2）人为因素：操作人员误操作，控制和保护系统设置错误、蓄意破坏（包括战争或恐怖活动）等。
3电力系统安全性的防治措施
3.1加强电网建设，降低事故概率
电力工业是需要长期和超前投资的工业，大的发电厂的建设要5~10年，寿命约为30年。所以，要求厂（发电厂）网（电网）协调、统一规划、超前建设、合理结构，以保证电力系统的安全运行。特别要加强电网建设（加强远距离输电网、受端电网和二次系统）以提高电网安全可靠性，降低事故概率，减少停电损失。
在2003年8月14日发生的美加大停电事故中美国官方提出电力供应网的“古老和陈旧”，也就是设备的老化问题，是电力系统发生故障的严重隐患。据统计，在发达国家中，发电设备的寿命在30年以上的自1990年的12增加到2000年的31，预计到2010年将达到50。同样地，在输电和配电领域，很大一部分的基础设施的寿命已接近70年。另一方面，很多几十年前设计的设备已不适应先进的数字化技术。所以，电力设备老化问题是发达国家普遍存在的问题。更换老化了的设备需要新的大规模投资。但是，电力工业市场化后，市场参与者关心的是今天和明天的利益，而不是20年以至30年的利益。在过去的十年中，由于竞争的压力、市场的不完备和管制的不确定性，在一些进行电力工业改革的国家中的投资已保持在一个较低的水平，以美国和瑞典为例，发电的高峰备用已由1990年的20降到2000年的10。所以，对于电力系统的建设要有全面规划，要建立一定的监管制度和投资激励机制，使电力工业的发展能满足电力系统运行安全性的要求。
3.2加强电力系统监控和管理
电力系统的互联使得在广阔的地域内进行资源的优化配置，互通有无，相互支援成为可能。但是，在紧密相连的互联电力系统中，一个局部故障能迅速向全系统传播，会导致大面积停电。所以，在事故处理上，要求反应迅速，高效统一。以美国为例，从1996年美国西部两次大停电和2003年8月14日大停电事故的情况来看，美国的电力系统监控和管理方面有很多值得改进的地方。在美国有3000多家电力公司在广袤的北美大地上各自经营着总容量约900GW的电力工业，虽然3000多家电力公司的电网是互联的，形成北美庞大的电力系统，但它们的调度和管理则是各自为政的，也没有一个监控全国或一个大区域互联电力系统的组织和机构来统一负责和协调全系统的安全运行和事故后的故障处理。在一个互联电力系统的某一部分出现故障后，互联的电力系统的其他部分在故障波及以前往往还不知道事故的发生。所以，在一个互联的电力系统中，统一电网管理，统一电网调度，建立完善的安全运行制度是保证电力系统安全可靠运行的重要条件。要通过定期的培训来不断提高调度和运行人员的素质，特别是应对突发事件的能力。美国Grid2030研究计划的研发项目中，建议2010年建成国家电网控制中心，强调输配电电网和通信信息网的结合。
为了改善电网的运行环境，减少外力和自然界对电力系统设备的破坏，要做好日常的维护工作，例如，及时修剪输电走廊的树枝，以免发生美国几次大停电事故中因导线与树枝间发生闪络而诱发的大面积停电事故。
3.3加强与电力系统安全紧密相关的基础研究
由不同容量发电机、不同电压等级和长度的输配电线路以及不同容量和特性负荷组成的电力系统是一个典型的复杂大系统，呈现高维、非线性、时变、信息的不完全性、广域（大范围跨越时空）互联性和微分代数的复杂特性。这个大系统的时空运行历来就是一个非常困难的学术和工程问题。目前急需建立新的理论和方法体系（建模、分析、模拟、仿真、预测、和控制方法），有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，比如跨区域电力系统长期动态行为分析与仿真，系统连锁故障防御与控制等等课题，以保证电力系统的安全、可靠的管理和运行。
要及早研究和开发广域的、智能的、自适应的电力系统的保护和控制系统，它集成了电力系统、广域保护和控制以及通信基础设施（包括GPS技术），能提供实时的关键和广泛信息，预见可能出现的问题，迅速地评价系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈合和自适应重构动作等的防御措施，将形成全国复杂联合电力系统的强大反事故能力。
在我国，近20年来，各大电网发生的大停电事故有100余起。在西电东送，南北互联的条件下，我国将形成全国联网的巨型电力系统，如果出现电力系统重大事故，其规模和造成的损失有可能大幅度增加。因此，保证大规模互联电力系统的安全、稳定和经济运行是一个重大而迫切的问题，必须作为一个重大战略问题来解决。
2电力系统的安全性问题
2.1现代电力系统的安全性问题
电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下,系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度。传统的电力系统安全性主要是在发生故障情况下，研究电力系统本身的动态特性，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、热过载等。这类研究一般是针对单一故障的，而大面积停电事故则通常是连锁事件的复杂序列。
随着现代通讯技术和信息技术的发展，为了保障大电网的安全和经济运行，各种信息系统，如调度自动化（SCADA/EMS）、配电网自动化系统（DA）和变电站综合自动化系统（SA），电力市场技术支持系统等在电力系统领域里得到了广泛应用。图1给出了现代电力系统的整体构架，电力系统与信息系统、通信系统已经融合成为高度集成的混杂系统，电力系统的监测和控制越来越依赖于信息系统和通信系统的可靠运行。信息系统中的计算机系统是核心，计算机系统的维护不当是8.14美加大停电的基本原因之一。一个关键通信系统发生故障会使整个系统陷于瘫痪，进而失去可控性和可观测性。因此，必须把电力系统安全性的概念加以拓展。 最近一些研究人员提出了电力系统脆弱性（Vulnerability）的概念，作为电力系统动态安全评估的一种新的框架。脆弱性一词经常出现在环境、生态、计算机网络等领域的有关文献中,用来描述相关系统及其组成要素易于受到影响和破坏,并缺乏抗拒干扰、恢复初始状态（自身结构和功能）的能力。它们在不同的学科中有不同的含义。对于电力系统脆弱性，可定义为：电力系统因人为干预、信息、计算机（软、硬件）、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素，而潜伏着大面积停电的灾难性事故的危险状态。系统脆弱性与系统安全性的水平和在系统参数变化时系统安全性水平的变化趋势这两类信息密切相关。在这个概念中,人们对它们设定一个可被接受的基准值,当系统安全现状被评估后，系统安全性水平和它的变化趋势也就被确定下来。系统是否脆弱取决于它们是否高于或低于设定的基准值。
2.2电力系统安全性问题的影响因素
影响电力系统安全性的因素很多，对于组成现代电力系统的基础设施而言,可分为内部因素和外部因素。
（1）内部因素：
1）电力系统主要元件故障：发电机、变压器、输电线故障；
2）控制和保护系统故障：保护继电器的隐性故障、断路器误动作、控制故障或误操作等；
3)计算机软、硬件系统故障；
4）信息、通信系统故障：与EMS系统失去通信、不能进行自动控制和保护、信息系统的故障（造成信息的缺损或者得到的信息不可靠）或拥塞、外部侵入信息/通信系统（如黑客的入侵）；
5）电力市场竞争环境的因素：电力市场中各参与者间的竞争与不协调、在更换旧的控制和保护系统或发电装置上缺少主动性；
6）电力系统不稳定：静态/暂态/电压/振荡/频率不稳定等。
（2）外部因素：
1）自然灾害和气候因素：地震、冰雹、雷雨、风暴、洪水、热浪、森林火灾等；
2）人为因素：操作人员误操作，控制和保护系统设置错误、蓄意破坏（包括战争或恐怖活动）等。
3电力系统安全性的防治措施
3.1加强电网建设，降低事故概率
电力工业是需要长期和超前投资的工业，大的发电厂的建设要5~10年，寿命约为30年。所以，要求厂（发电厂）网（电网）协调、统一规划、超前建设、合理结构，以保证电力系统的安全运行。特别要加强电网建设（加强远距离输电网、受端电网和二次系统）以提高电网安全可靠性，降低事故概率，减少停电损失。
在2003年8月14日发生的美加大停电事故中美国官方提出电力供应网的“古老和陈旧”，也就是设备的老化问题，是电力系统发生故障的严重隐患。据统计，在发达国家中，发电设备的寿命在30年以上的自1990年的12增加到2000年的31，预计到2010年将达到50。同样地，在输电和配电领域，很大一部分的基础设施的寿命已接近70年。另一方面，很多几十年前设计的设备已不适应先进的数字化技术。所以，电力设备老化问题是发达国家普遍存在的问题。更换老化了的设备需要新的大规模投资。但是，电力工业市场化后，市场参与者关心的是今天和明天的利益，而不是20年以至30年的利益。在过去的十年中，由于竞争的压力、市场的不完备和管制的不确定性，在一些进行电力工业改革的国家中的投资已保持在一个较低的水平，以美国和瑞典为例，发电的高峰备用已由1990年的20降到2000年的10。所以，对于电力系统的建设要有全面规划，要建立一定的监管制度和投资激励机制，使电力工业的发展能满足电力系统运行安全性的要求。
3.2加强电力系统监控和管理
电力系统的互联使得在广阔的地域内进行资源的优化配置，互通有无，相互支援成为可能。但是，在紧密相连的互联电力系统中，一个局部故障能迅速向全系统传播，会导致大面积停电。所以，在事故处理上，要求反应迅速，高效统一。以美国为例，从1996年美国西部两次大停电和2003年8月14日大停电事故的情况来看，美国的电力系统监控和管理方面有很多值得改进的地方。在美国有3000多家电力公司在广袤的北美大地上各自经营着总容量约900GW的电力工业，虽然3000多家电力公司的电网是互联的，形成北美庞大的电力系统，但它们的调度和管理则是各自为政的，也没有一个监控全国或一个大区域互联电力系统的组织和机构来统一负责和协调全系统的安全运行和事故后的故障处理。在一个互联电力系统的某一部分出现故障后，互联的电力系统的其他部分在故障波及以前往往还不知道事故的发生。所以，在一个互联的电力系统中，统一电网管理，统一电网调度，建立完善的安全运行制度是保证电力系统安全可靠运行的重要条件。要通过定期的培训来不断提高调度和运行人员的素质，特别是应对突发事件的能力。美国Grid2030研究计划的研发项目中，建议2010年建成国家电网控制中心，强调输配电电网和通信信息网的结合。
为了改善电网的运行环境，减少外力和自然界对电力系统设备的破坏，要做好日常的维护工作，例如，及时修剪输电走廊的树枝，以免发生美国几次大停电事故中因导线与树枝间发生闪络而诱发的大面积停电事故。
3.3加强与电力系统安全紧密相关的基础研究
由不同容量发电机、不同电压等级和长度的输配电线路以及不同容量和特性负荷组成的电力系统是一个典型的复杂大系统，呈现高维、非线性、时变、信息的不完全性、广域（大范围跨越时空）互联性和微分代数的复杂特性。这个大系统的时空运行历来就是一个非常困难的学术和工程问题。目前急需建立新的理论和方法体系（建模、分析、模拟、仿真、预测、和控制方法），有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，比如跨区域电力系统长期动态行为分析与仿真，系统连锁故障防御与控制等等课题，以保证电力系统的安全、可靠的管理和运行。
要及早研究和开发广域的、智能的、自适应的电力系统的保护和控制系统，它集成了电力系统、广域保护和控制以及通信基础设施（包括GPS技术），能提供实时的关键和广泛信息，预见可能出现的问题，迅速地评价系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈合和自适应重构动作等的防御措施，将形成全国复杂联合电力系统的强大反事故能力。
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