极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估
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3 冰雪灾害对电网影响的综合评价模型
3.1 基于层次分析法的综合评价模型 冰雪灾害侵袭电网可能会恶化安全水平，甚至
导致停电。衡量电力系统因冰雪灾害而导致运行状 态改变的层面有多种，包括稳定性、安全性以及经 济性等。单项指标仅能代表某一方面的属性，需要 从整体上评价系统的运行状态变化，从而衡量气象 事件从宏观层面对电力系统运行的影响。
关键词：电力系统；气象事件；冰雪灾害；安全评估；混合 仿真
0 引言
绝大多数电力设备暴露于外界，极端冰雪灾害 侵袭电网过程中[1-2]，可能造成短路、闪络、断线等 电气扰动；输电走廊的破坏会改变电力输送路径， 导致运行方式变化，影响系统的安全稳定运行。智 能调度决策和安全防御系统需要预知气象事件并 对其进行综合评估，从而评价冰雪灾害等极端气象 事件对电力系统运行的影响。
影响。
冰雪灾害侵袭电网历时长短不一，可能几个小
时，也可能几天、十几天。气象动态与电气动态混
合仿真数学模型，为高维的非线性微分–代数方程
组。既能考虑冰雪灾害对电网的影响，又能高效求
解，是冰雪灾害下电力系统运行模拟系统的关键问
题之一。
PSS/E 具有灵活开放的程序架构、强大的模型
处理能力和自定义功能，以其为电气动态计算引
学科分类号：470·40
极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估
张恒旭，刘玉田
(山东大学电气工程学院，山东省 济南市 250061)
Comprehensive Assessment of Extreme Ice Disaster Affecting Power System Operation
ZHANG Hengxu, LIU Yutian
KEY WORDS: power system; weather event; snow-ice disaster; security assessment; hybrid numerical simulation
摘要：冰雪等极端气象事件可影响电力系统运行，甚至破坏 输变电设备。电力系统智能化调度决策和安全防御体系需要 预知气象事件，并对其影响做出量化评估。分析冰雪灾害侵 袭电网的过程特点，设计冰雪灾害下电力系统运行模拟程序 框架，开发了初步的冰雪气象条件下电力系统运行的模拟程 序。提出一种综合评价方法来评价气象事件对电网的影响， 从稳定性、安全性和经济性 3 方面进行考虑，并采用层次分 析法(analytic hierarchy process，AHP)对各层面的影响进行 综合评估。将所述方法用于冰雪灾害侵袭电网的各个典型阶 段的综合评估。仿真结果表明该方法可量化极端冰雪气象事 件对电网影响的程度和趋势。
擎，在 Python 环境下开发了冰雪气象条件下电力系
统运行模拟系统，主要模拟了线路覆冰的动态过程
及由其造成的线路开断影响，程序结构原理如图 1
所示。该系统基于 Python 开发了线路覆冰和线路受
力分析程序，并可以考虑输电走廊的外部气象信息
(环境温度、湿度、降水、风力等)以及负荷随时间
的变化因素。气象条件、负荷等因素随时间变化的
1 冰雪灾害侵袭电网过程的特点分析
不同类型气象事件的成因、侵袭电网的物理过 程各不相同，而且严重程度不一的气象事件对电网 造成的物理破坏和安全稳定威胁差别也很大。气象 事件对电力系统运行的影响通常为渐变过程，短则 几分钟，长则几天。应针对气象事件对电网影响进 程进行综合评估，把握气象事件影响电网的衍变过 程，评估不同严重程度的灾害对电网影响的差异， 为电网灾害防御提供参考。
冰雪灾害侵袭电网具有明显的累积特性，对电 网影响取决于前一段时间内的交互作用过程。考虑 外部冰雪灾害的影响，建立电力系统运行模拟数学 模型，由微分–代数方程组来近似描述：
⎧x = W (x, y, z, h)
⎪ ⎪
0
=
V
(
x,
y,
z,
h)
⎨ ⎪
z
=
F
(x,
y,
z,
h)
(1)
⎪⎩ 0 = G(x, y, z, h)
第 10 期
张恒旭等：极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估
53
本文分析了冰雪灾害侵袭电网的过程特点，提 出了一种冰雪灾害对电力系统运行影响的综合分 析方法，从稳定性、安全性和经济性 3 个层面分别 评估，并基于层次分析法对各属性进行综合，从而 在宏观层面对冰雪灾害的影响进行把握，以实现冰 雪灾害事件的预估和预警。
z. =F(x,y,z,h) 0=G(x,y,z,h)
图 1 冰雪灾害下电力系统运行模拟系统结构 Fig. 1 Schematic diagram of power system operating
simulation under extreme icing weather
54Leabharlann Baidu
中国电机工程学报
第 31 卷
过程以数据库的形式保存，在仿真计算中与仿真时
间进程进行匹配，及时更新，以考虑各因素变化对
覆冰过程的影响。
线路覆冰计算输入信息包括线路所处环境温
Python
线路覆冰 数学模型 x. =W(x,y,z,h) 0=V(x,y,z,h)
覆冰量
机械应力 计算
线路 负载
气象信息 负荷信息
PSS/E 电气稳态和动态 数学模型
电气稳态计算主要是针对线路开断事件重新 计算潮流分布。电气动态仿真为传统的机电暂态 时域仿真，计算在给定外部扰动下的动态过程， 判断安全稳定性，并将支路潮流信息返回到覆冰 计算模块。
在线路因覆冰开断前，往往伴随着大量的因绝 缘子覆冰而引发的闪络跳闸事件，绝缘子覆冰、闪 络发生临界条件的计算非常复杂，该仿真系统暂时 没有考虑闪络跳闸的模拟。由于输电走廊分布地域 广，气象动态随时间、地点变化巨大，而且气象信 息的动态准确获得非常困难，这也是影响运行模拟 系统仿真精度的重要因素。
式中： x 和 y 分别为冰雪事件的状态量和代数量；
W 和 V 分别为描述冰雪动态的微分方程组和代数方
程组；z 和 h 分别为电力系统状态量和代数量；F
和 G 分别为描述电力系统动态的微分方程组和代
数方程组。冰雪灾害下电力系统运行模拟建模中，
F 和 G 通常不显含 x 和 y，而是通过其达到临界值
后引发闪络跳闸和断线来体现冰雪灾害对电网的
第 31 卷 第 10 期 52 2011 年 4 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
文章编号：0258-8013 (2011) 10-0052-07 中图分类号：TM 71 文献标志码：A
Vol.31 No.10 Apr.5, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.
因此，极端冰雪灾害会在绝缘、机械受力等方 面影响主设备安全运行，在运行方式方面影响安全 稳定水平，又会在一次能源供给方面影响电力生 产，对电力系统运行的影响为长时间尺度、多物理 参量的复杂过程。
2 冰雪气象条件下电力系统运行的模拟系统
冰雪灾害的物理过程极其复杂，很难用数学模 型精确描述。可以从其与电网机械、电气作用关系 入手进行简化，建立数学模型。
冰雪冻雨灾害为小概率、大范围事件，仅靠 一次系统投资来抵御所有可能的冰雪灾害既不经 济，也不可能，因此，迫切需要从二次系统入手， 完善现有电力系统安全评估、预警及停电防御理 论和技术，丰富能量管理系统功能，使其智能感 知外部自然条件的变化，并对极端冰雪事件侵袭 电网的过程进行评估，必要时给出预警信息和建 议性防御方案。
冰雪、冻雨气象事件对电力系统运行影响的时 间尺度为几小时至几天，为渐进累积过程。在严重 冰雪灾害气象条件下，线路、杆塔、绝缘子等主设 备覆冰逐渐增加，机械部件受力逐渐增大，线路受 风面积增大，绝缘子绝缘水平降低，系统主设备的 安全水平逐渐降低。绝缘子覆冰到一定程度，开始 出现闪络跳闸；线路、杆塔持续覆冰增加最终会导 致机械部件受力超过限值而发生断线、倒塔。闪络 跳闸、线路断线会改变系统潮流分布、导致停电和 输电阻塞。长时间持续的冰雪灾害又会恶化交通运 输条件，威胁火电厂煤炭的及时供应和电力的充足 供给。
层次分析法是一种定性和定量相结合、系统 化、层次化的分析方法，它把复杂问题分解成各个 组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶 层次结构，通过两两比较的方式确定层次中各因素 的相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策 方案相对重要性的排序[12]。
度、降水类型、降水强度、风速以及线路负载等。 该模块根据上述信息确定线路等设备的覆冰动态 增长过程，将计算结果(线路覆冰量)送入机械应力 计算模块。机械应力计算用于分析线路/杆塔的受力 情况，给出线路两侧的关键机械连接部件以及杆塔 的所受应力，并根据杆塔自身结构、强度等信息判 断是否会发生断线等事故。如果发生断线，将其转 换为 PSS/E 的电网扰动信息，送入 PSS/E 并触发仿 真计算。
电力系统安全稳定评估[3]、停电防御系统设 计[4]和各种自然灾害的影响一直是国际电力界研究 的热点，但电网安全分析与冰雪灾害等极端气象事 件的研究基本呈割裂状态，并没有建立统一的仿 真、分析和评估体系。文献[5-6]基于现场实测数据 对覆冰模型以及影响覆冰的各种因素进行了分析。 文献[7]提出了导线覆冰的热平衡方程，并分析导线 覆冰与外界温度等因素的关系。文献[8]基于热平衡 方程研究了直流融冰电流与冰面温度的关系，总结 了影响融冰的各种因素。文献[9-10]强调了应该针 对传统防御系统进行改进以考虑极端气象事件的 影响。文献[11]提出了冰雪灾害下电网安全评估的 理论框架和气象–电气混合仿真的概念，并针对简 化模型初步编程实现。
(School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China)
ABSTRACT: Extreme meteorological events, such as icing weather, may influence the operation of power system, and even destroy power transmission equipment. Power system intelligent dispatching, optimal decision making and security defence system all need to predict meteorological events, and to quantitatively assess their impacts. The characteristics of ice disaster invading power grid were analyzed, and the framework for power system numerical simulation with extreme snow-icing weather was presented. The relevant simulation program was developed. Based on analytic hierarchy process (AHP), a comprehensive assessment method for assessing the influence of meteorological events on power system operation was proposed according to the stability, security, and economical attributes of power system. The proposed method was applied to the comprehensive assessment of the typical stages of ice disaster invading power system. Numerical results show that it can be used to quantify the extent and tendency of the impacts of extreme snow-icing weather event on power system.
3.1 基于层次分析法的综合评价模型 冰雪灾害侵袭电网可能会恶化安全水平，甚至
导致停电。衡量电力系统因冰雪灾害而导致运行状 态改变的层面有多种，包括稳定性、安全性以及经 济性等。单项指标仅能代表某一方面的属性，需要 从整体上评价系统的运行状态变化，从而衡量气象 事件从宏观层面对电力系统运行的影响。
关键词：电力系统；气象事件；冰雪灾害；安全评估；混合 仿真
0 引言
绝大多数电力设备暴露于外界，极端冰雪灾害 侵袭电网过程中[1-2]，可能造成短路、闪络、断线等 电气扰动；输电走廊的破坏会改变电力输送路径， 导致运行方式变化，影响系统的安全稳定运行。智 能调度决策和安全防御系统需要预知气象事件并 对其进行综合评估，从而评价冰雪灾害等极端气象 事件对电力系统运行的影响。
影响。
冰雪灾害侵袭电网历时长短不一，可能几个小
时，也可能几天、十几天。气象动态与电气动态混
合仿真数学模型，为高维的非线性微分–代数方程
组。既能考虑冰雪灾害对电网的影响，又能高效求
解，是冰雪灾害下电力系统运行模拟系统的关键问
题之一。
PSS/E 具有灵活开放的程序架构、强大的模型
处理能力和自定义功能，以其为电气动态计算引
学科分类号：470·40
极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估
张恒旭，刘玉田
(山东大学电气工程学院，山东省 济南市 250061)
Comprehensive Assessment of Extreme Ice Disaster Affecting Power System Operation
ZHANG Hengxu, LIU Yutian
KEY WORDS: power system; weather event; snow-ice disaster; security assessment; hybrid numerical simulation
摘要：冰雪等极端气象事件可影响电力系统运行，甚至破坏 输变电设备。电力系统智能化调度决策和安全防御体系需要 预知气象事件，并对其影响做出量化评估。分析冰雪灾害侵 袭电网的过程特点，设计冰雪灾害下电力系统运行模拟程序 框架，开发了初步的冰雪气象条件下电力系统运行的模拟程 序。提出一种综合评价方法来评价气象事件对电网的影响， 从稳定性、安全性和经济性 3 方面进行考虑，并采用层次分 析法(analytic hierarchy process，AHP)对各层面的影响进行 综合评估。将所述方法用于冰雪灾害侵袭电网的各个典型阶 段的综合评估。仿真结果表明该方法可量化极端冰雪气象事 件对电网影响的程度和趋势。
擎，在 Python 环境下开发了冰雪气象条件下电力系
统运行模拟系统，主要模拟了线路覆冰的动态过程
及由其造成的线路开断影响，程序结构原理如图 1
所示。该系统基于 Python 开发了线路覆冰和线路受
力分析程序，并可以考虑输电走廊的外部气象信息
(环境温度、湿度、降水、风力等)以及负荷随时间
的变化因素。气象条件、负荷等因素随时间变化的
1 冰雪灾害侵袭电网过程的特点分析
不同类型气象事件的成因、侵袭电网的物理过 程各不相同，而且严重程度不一的气象事件对电网 造成的物理破坏和安全稳定威胁差别也很大。气象 事件对电力系统运行的影响通常为渐变过程，短则 几分钟，长则几天。应针对气象事件对电网影响进 程进行综合评估，把握气象事件影响电网的衍变过 程，评估不同严重程度的灾害对电网影响的差异， 为电网灾害防御提供参考。
冰雪灾害侵袭电网具有明显的累积特性，对电 网影响取决于前一段时间内的交互作用过程。考虑 外部冰雪灾害的影响，建立电力系统运行模拟数学 模型，由微分–代数方程组来近似描述：
⎧x = W (x, y, z, h)
⎪ ⎪
0
=
V
(
x,
y,
z,
h)
⎨ ⎪
z
=
F
(x,
y,
z,
h)
(1)
⎪⎩ 0 = G(x, y, z, h)
第 10 期
张恒旭等：极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估
53
本文分析了冰雪灾害侵袭电网的过程特点，提 出了一种冰雪灾害对电力系统运行影响的综合分 析方法，从稳定性、安全性和经济性 3 个层面分别 评估，并基于层次分析法对各属性进行综合，从而 在宏观层面对冰雪灾害的影响进行把握，以实现冰 雪灾害事件的预估和预警。
z. =F(x,y,z,h) 0=G(x,y,z,h)
图 1 冰雪灾害下电力系统运行模拟系统结构 Fig. 1 Schematic diagram of power system operating
simulation under extreme icing weather
54Leabharlann Baidu
中国电机工程学报
第 31 卷
过程以数据库的形式保存，在仿真计算中与仿真时
间进程进行匹配，及时更新，以考虑各因素变化对
覆冰过程的影响。
线路覆冰计算输入信息包括线路所处环境温
Python
线路覆冰 数学模型 x. =W(x,y,z,h) 0=V(x,y,z,h)
覆冰量
机械应力 计算
线路 负载
气象信息 负荷信息
PSS/E 电气稳态和动态 数学模型
电气稳态计算主要是针对线路开断事件重新 计算潮流分布。电气动态仿真为传统的机电暂态 时域仿真，计算在给定外部扰动下的动态过程， 判断安全稳定性，并将支路潮流信息返回到覆冰 计算模块。
在线路因覆冰开断前，往往伴随着大量的因绝 缘子覆冰而引发的闪络跳闸事件，绝缘子覆冰、闪 络发生临界条件的计算非常复杂，该仿真系统暂时 没有考虑闪络跳闸的模拟。由于输电走廊分布地域 广，气象动态随时间、地点变化巨大，而且气象信 息的动态准确获得非常困难，这也是影响运行模拟 系统仿真精度的重要因素。
式中： x 和 y 分别为冰雪事件的状态量和代数量；
W 和 V 分别为描述冰雪动态的微分方程组和代数方
程组；z 和 h 分别为电力系统状态量和代数量；F
和 G 分别为描述电力系统动态的微分方程组和代
数方程组。冰雪灾害下电力系统运行模拟建模中，
F 和 G 通常不显含 x 和 y，而是通过其达到临界值
后引发闪络跳闸和断线来体现冰雪灾害对电网的
第 31 卷 第 10 期 52 2011 年 4 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
文章编号：0258-8013 (2011) 10-0052-07 中图分类号：TM 71 文献标志码：A
Vol.31 No.10 Apr.5, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.
因此，极端冰雪灾害会在绝缘、机械受力等方 面影响主设备安全运行，在运行方式方面影响安全 稳定水平，又会在一次能源供给方面影响电力生 产，对电力系统运行的影响为长时间尺度、多物理 参量的复杂过程。
2 冰雪气象条件下电力系统运行的模拟系统
冰雪灾害的物理过程极其复杂，很难用数学模 型精确描述。可以从其与电网机械、电气作用关系 入手进行简化，建立数学模型。
冰雪冻雨灾害为小概率、大范围事件，仅靠 一次系统投资来抵御所有可能的冰雪灾害既不经 济，也不可能，因此，迫切需要从二次系统入手， 完善现有电力系统安全评估、预警及停电防御理 论和技术，丰富能量管理系统功能，使其智能感 知外部自然条件的变化，并对极端冰雪事件侵袭 电网的过程进行评估，必要时给出预警信息和建 议性防御方案。
冰雪、冻雨气象事件对电力系统运行影响的时 间尺度为几小时至几天，为渐进累积过程。在严重 冰雪灾害气象条件下，线路、杆塔、绝缘子等主设 备覆冰逐渐增加，机械部件受力逐渐增大，线路受 风面积增大，绝缘子绝缘水平降低，系统主设备的 安全水平逐渐降低。绝缘子覆冰到一定程度，开始 出现闪络跳闸；线路、杆塔持续覆冰增加最终会导 致机械部件受力超过限值而发生断线、倒塔。闪络 跳闸、线路断线会改变系统潮流分布、导致停电和 输电阻塞。长时间持续的冰雪灾害又会恶化交通运 输条件，威胁火电厂煤炭的及时供应和电力的充足 供给。
层次分析法是一种定性和定量相结合、系统 化、层次化的分析方法，它把复杂问题分解成各个 组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶 层次结构，通过两两比较的方式确定层次中各因素 的相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策 方案相对重要性的排序[12]。
度、降水类型、降水强度、风速以及线路负载等。 该模块根据上述信息确定线路等设备的覆冰动态 增长过程，将计算结果(线路覆冰量)送入机械应力 计算模块。机械应力计算用于分析线路/杆塔的受力 情况，给出线路两侧的关键机械连接部件以及杆塔 的所受应力，并根据杆塔自身结构、强度等信息判 断是否会发生断线等事故。如果发生断线，将其转 换为 PSS/E 的电网扰动信息，送入 PSS/E 并触发仿 真计算。
电力系统安全稳定评估[3]、停电防御系统设 计[4]和各种自然灾害的影响一直是国际电力界研究 的热点，但电网安全分析与冰雪灾害等极端气象事 件的研究基本呈割裂状态，并没有建立统一的仿 真、分析和评估体系。文献[5-6]基于现场实测数据 对覆冰模型以及影响覆冰的各种因素进行了分析。 文献[7]提出了导线覆冰的热平衡方程，并分析导线 覆冰与外界温度等因素的关系。文献[8]基于热平衡 方程研究了直流融冰电流与冰面温度的关系，总结 了影响融冰的各种因素。文献[9-10]强调了应该针 对传统防御系统进行改进以考虑极端气象事件的 影响。文献[11]提出了冰雪灾害下电网安全评估的 理论框架和气象–电气混合仿真的概念，并针对简 化模型初步编程实现。
(School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China)
ABSTRACT: Extreme meteorological events, such as icing weather, may influence the operation of power system, and even destroy power transmission equipment. Power system intelligent dispatching, optimal decision making and security defence system all need to predict meteorological events, and to quantitatively assess their impacts. The characteristics of ice disaster invading power grid were analyzed, and the framework for power system numerical simulation with extreme snow-icing weather was presented. The relevant simulation program was developed. Based on analytic hierarchy process (AHP), a comprehensive assessment method for assessing the influence of meteorological events on power system operation was proposed according to the stability, security, and economical attributes of power system. The proposed method was applied to the comprehensive assessment of the typical stages of ice disaster invading power system. Numerical results show that it can be used to quantify the extent and tendency of the impacts of extreme snow-icing weather event on power system.