级联驱动受控解列提升电网运行韧性的决策框架研究

《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》：Cascading-Driven Intentional Controlled Islanding for Enhancing Power Grid Operational Resilience

本文针对极端天气引发的级联停电风险，提出了一种融合气象事件建模、级联故障量化与决策机制的一体化韧性提升框架。研究团队开发了基于准稳态仿真的级联分析模型，结合搜索空间缩减技术优化受控解列方案，在IEEE 39/118节点系统中验证了该方法对N-6等高阶故障的有效性，使负荷损失期望值降低45.6%，显著提升了电网应对高影响低概率事件的能力。

　　

当极端天气事件日益频繁地冲击现代电力系统时，电网正面临着前所未有的安全挑战。台风、冰雹等自然灾害往往引发连锁反应，导致多条输电线路同时故障，进而演变为大规模停电事故。这种被称为"级联故障"的现象，如同多米诺骨牌般在电网中蔓延，其破坏力已在全球多起大停电事件中得到印证。尽管电力系统运营商普遍将受控解列(Intentional Controlled Islanding, ICI)作为最后一道防线，但现有标准仍缺乏对极端天气驱动型级联故障的针对性应对策略。更关键的是，传统方法未能系统解决"何时解列、何处解列、如何解列"这三个核心问题，导致在真实灾害场景下决策效率低下。

发表于《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》的这项研究，创新性地提出了级联驱动受控解列框架，通过将气象建模、风险量化与优化决策有机结合，为电网韧性提升提供了全新解决方案。研究团队引入"高影响低概率(High-Impact Low-Probability, HILP)事件"概念，区别于常规可靠性分析中的普通故障，特别关注那些发生概率低但后果极端严重的灾害场景。该框架的独特之处在于，它既能用于小时级短期运行规划，也能适应分钟级实时操作需求，如同为电网装上了智能"手术刀"，可根据故障蔓延程度自动选择最佳控制策略——或局部减负荷，或精准解列电网。

关键技术方法主要包括：1）基于蒙特卡洛模拟的风暴事件生成器，利用 fragility曲线（脆弱性曲线）模拟线路受风速影响概率；2）AC-CFM（交流潮流级联故障模型）准稳态仿真技术，集成过载保护、低频减载等保护动作序列；3）阻抗加权相干机群识别算法，通过Dijkstra算法计算电气距离确保解列后稳定性；4）首创搜索空间缩减(Search Space Reduction, SSR)技术，将优化变量聚焦于边界节点提升计算效率。

系统架构设计

研究团队构建了如图1所示的双层决策架构。上层通过事件模拟器生成N-k（k∈[1,6]）故障集，下层则通过级联评估模块动态计算停电负荷(Demand Not Served, DNS)和故障元件数量(N_TE)两个关键指标。当检测到故障蔓延(N_TE>0)时，决策机制自动触发受控解列模式，否则采用比例减负荷控制。这种规则化设计使系统能在15秒内完成从故障识别到解列方案生成的全程决策，满足实时操作要求。

级联传播抑制

在IEEE 39节点系统测试中，当线路1-39、2-3、3-4发生三重故障时，传统运行方式下会出现13次后续连锁跳闸（图5），导致2348.2MW负荷损失。而采用本文方法后，仅通过解列线路14-15和26-27形成三个自治岛屿，就将停电负荷降至1287.4MW（图6）。动态仿真进一步验证：解列后各岛屿频率稳定在49.5-50.5Hz范围内，电压偏差控制在±5%以内，证明相干机群识别策略有效防止了功角失稳。

极端场景适应性

针对风暴引发的N-6极端故障，研究团队对比了预防性（提前2小时发电重构）与 corrective（实时频率响应）两种策略。如表I所示，预防性策略可将负荷损失从1287.4MW降至12.9MW，凸显了前瞻性规划的价值。更值得注意的是，通过对1000个随机场景的概率分析，该方法使停电负荷的条件风险价值(Conditional Value-at-Risk, CVaR_95%)从4426.86MW降至3241.87MW，证明其能有效压缩极端风险敞口。

大系统验证

在IEEE 118节点系统中，线路49-54等多重故障会引发电压崩溃（图13-14）。而采用所提方法后，系统成功解列为四个稳定岛屿（图15-18），恢复供电负荷从121.4MW提升至3960.6MW。与传统谱聚类方法相比，本文方法因考虑了黑启动机组(Blackstart Units, BSU)布局和动态约束，使停电负荷再降低22.3%（1659MW vs 1287.4MW）。

本研究通过机理建模与优化决策的深度融合，实现了电网解列操作从"经验驱动"到"数据驱动"的范式转变。其核心创新在于：首次建立了覆盖"事件预警-风险评估-决策执行"全链条的级联故障防控体系；提出的搜索空间缩减技术将优化计算时间控制在20秒内，破解了大系统实时应用的瓶颈；明确的决策规则使系统能自适应调整控制策略强度。这些突破为制定新一代电网韧性标准提供了理论依据，尤其对受台风频繁侵袭地区的电网安全具有重要实践价值。未来研究方向包括新能源接入下的低惯量岛屿稳定控制、通信延迟影响量化等挑战。