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近幾十年來，全世界范圍內(nèi)地震災(zāi)害頻發(fā)，其中具有破壞性的大地震雖然只占小部分，但其危害性極大。歷次大地震的震害表明，電力系統(tǒng)在地震中一旦遭受破壞，不僅造成巨大的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失，影響人民群眾的正常生活和社會(huì)生產(chǎn)，還給震后的抗震救災(zāi)和應(yīng)急救援帶來極大困難。

例如，2008年汶川8.0級大地震導(dǎo)致四川電網(wǎng)茂縣1座500kV變電站停運(yùn)，13座220kV變電站停運(yùn)，2座220kV用戶站停運(yùn)，500kV線路3條、220kV線路56條故障跳閘，高達(dá)563.5萬kW裝機(jī)容量的機(jī)組解列，累計(jì)停電用戶246萬戶。電力系統(tǒng)直接經(jīng)濟(jì)損失106.62億元，由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失難以估量。

隨著全球自然災(zāi)害的頻發(fā)，在各種小概率-高損失的極端災(zāi)害事件下，基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的損壞風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對措施的研究逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)。其中，臺風(fēng)和冰災(zāi)對電力系統(tǒng)的破壞及防護(hù)措施得到廣泛而深入的研究，并已取得一定成效。電力系統(tǒng)可有效地應(yīng)對臺風(fēng)和冰災(zāi)，主要原因在于氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，以及這兩種災(zāi)害從發(fā)生到對電力設(shè)施損害具有一定時(shí)延性。由于地震災(zāi)害本身的隨機(jī)性、難以預(yù)測性及快速破壞性，對電力系統(tǒng)的影響研究造成極大困難。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對電力系統(tǒng)在抗震性能方面的分析手段正逐漸從定性向定量分析發(fā)展，但尚處于初級階段；研究主要集中在電氣設(shè)備級，而對電力網(wǎng)絡(luò)的研究相對較少；在電網(wǎng)的研究中以輸電網(wǎng)居多，配電網(wǎng)鮮有。

有學(xué)者利用某次實(shí)際地震的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析地震對電網(wǎng)的損壞程度，并定性提出抗震方案和災(zāi)后快速恢復(fù)供電措施，但普適性有限。有學(xué)者根據(jù)汶川實(shí)際地震強(qiáng)度和電力設(shè)備損失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了變壓器和母線所處地點(diǎn)的峰值地面加速度（PGA）與設(shè)備易損性的關(guān)系。有學(xué)者通過地震中設(shè)備損害和潮流的估計(jì)推算了輸電網(wǎng)的可靠性。

歷次地震災(zāi)害結(jié)果表明，雖然發(fā)電和輸電級別的損害對電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響更大，但直接連接終端供電用戶的配電網(wǎng)由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、災(zāi)后修復(fù)時(shí)間長，致使快速恢復(fù)供電非常困難。災(zāi)前加固的預(yù)防措施可以降低災(zāi)害程度，但全網(wǎng)的改造對配電網(wǎng)建設(shè)來說資金投入太大，為了尋求地震中的配電網(wǎng)薄弱點(diǎn)，給災(zāi)前預(yù)防控制策略提供依據(jù)，配電網(wǎng)在地震災(zāi)害情況下的風(fēng)險(xiǎn)評估非常重要。

基于此，有學(xué)者建立了考慮共因失效的電力系統(tǒng)地震災(zāi)害分析理論框架，并提出風(fēng)險(xiǎn)評估算法和指標(biāo)體系。傳統(tǒng)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法通常只考慮電氣狀態(tài)量等物理特性，而有學(xué)者將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析中，綜合考慮了電網(wǎng)的運(yùn)行特性及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有安全性評估方法的不足。

還有學(xué)者引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中的節(jié)點(diǎn)度與線路介數(shù)，分析了電網(wǎng)在遭受不同攻擊下的脆弱性，從而辨識出電網(wǎng)中的薄弱節(jié)點(diǎn)以及薄弱線路，分析了電力系統(tǒng)在極端事件下的抗毀性。可見，借助復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論可進(jìn)行有效的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估，并彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法無法體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵ο到y(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估影響的不足。

西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院、國網(wǎng)四川省電力公司阿壩供電公司的研究人員提出了地震場景的模擬方法和配電網(wǎng)在地震災(zāi)害下的風(fēng)險(xiǎn)評估方法。

首先，他們詳細(xì)介紹了地震災(zāi)害場景的建模過程，通過地震PGA來描述地震動(dòng)強(qiáng)度，以此進(jìn)行地震場景的模擬；其次，建立地震動(dòng)強(qiáng)度和配電網(wǎng)設(shè)備脆弱性之間的關(guān)系模型，分析設(shè)備的受損比例，并通過蒙特卡洛模擬隨機(jī)地震場景，找出合理的配電網(wǎng)設(shè)備故障重?cái)?shù)；然后，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，引入網(wǎng)絡(luò)中心性量化地震災(zāi)害對配電網(wǎng)的影響，進(jìn)行地震災(zāi)害下配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，尋求配電網(wǎng)的薄弱點(diǎn)；最后，通過實(shí)際案例分析配電網(wǎng)在地震災(zāi)害下的風(fēng)險(xiǎn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖1 隨機(jī)生成的1個(gè)地震源及配電網(wǎng)位置

圖2 配電網(wǎng)設(shè)備故障重?cái)?shù)概率分布

同時(shí)，通過地震動(dòng)參數(shù)衰減模型獲得了描述地震強(qiáng)度的方法，并結(jié)合地震目錄模擬各種地震場景。利用美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署開發(fā)的HAZUS技術(shù)手冊獲得配電網(wǎng)設(shè)備的地震脆弱性曲線，根據(jù)配電網(wǎng)設(shè)備受損比例的計(jì)算，通過蒙特卡羅模擬得到配電網(wǎng)設(shè)備在地震災(zāi)害下發(fā)生概率最大的故障重?cái)?shù)。在計(jì)算配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，考慮了配電網(wǎng)運(yùn)行特性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，如果是主干支路或帶有較大負(fù)荷的支路損壞，就可能造成較高的失負(fù)荷。

研究人員提出的地震災(zāi)害下配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)分析并不針對個(gè)體設(shè)備的損壞分析，而是從全網(wǎng)的角度分析受損設(shè)備比例，從而獲得網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對配電網(wǎng)的防災(zāi)減災(zāi)具有指導(dǎo)意義。在今后的研究中，他們還將結(jié)合災(zāi)前規(guī)劃和運(yùn)行方式以降低地震的受損比例，并考慮優(yōu)化修復(fù)策略提高配電網(wǎng)對地震災(zāi)害的抵抗能力，從而使系統(tǒng)性能恢復(fù)過程中負(fù)荷的損失達(dá)到最小化，以實(shí)現(xiàn)災(zāi)后的盡快恢復(fù)供電。

以上研究成果發(fā)表在2020年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“地震災(zāi)害模擬及配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評估”，作者為鄭國鑫、雷霞、王湘、羅小春。