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1、电力系统及其自动化 3 战时电力系统脆弱性及抢修方案优化研究 许兆庆 吴军基 叶 杰 南京理工大学动力工程学院 江苏 南京 210094 【摘 要】 本文主要研究了战争状态下电力系统脆弱性及抢修方案的优化问题，论述了军事打击对电力 系统破坏的几种主要形式，针对这几种形式，提出相应的防护手段。研究了战争状态下电力 系统的脆弱性，通过脆弱性评估，得出应当加强防护的脆弱环节。指出在现代军事打击下， 对电力系统的修复必须满足军事上快速性的要求，因而战时抢修方案必须合理优化，达到最 节省时间的目的，考虑到电力系统模型的大规模和复杂性，以及受破坏节点的大量性，以及 优化计算时间的快速性，其优化的计算算法不
2、能采用传统的方式，应当采用启发式算法，提 出采用能并行运算的蚁群优化算法，在有限的计算时间内，得出满足要求的可行解。 【关键词】 电力系统 脆弱性 抢修方案 启发式算法 Research of the Vulnerability of the Grid and Rush Repair Method Optimization in the Wartime Xu Zhaoqing Wu Junji Ye Je Power Eng. College，NUST，Nanjing 210094，Jiangsu，China Abstract：The article analyzed the vulnerab
3、ility of the power system and the optimization method of rush repair in the wartime. The mostly form of power system destroyed by the military attack were discussed，and the corresponding defendable methods were brought forward. The vulnerability of the grid in the wartime was study. The vulnerabilit
4、y tache，which must be enhanced defense，was found through the vulnerability evaluation. Because of the military sudden requirement，the rush repair method must be optimized to save the time. And the time of optimization calculation must be short too，so the heuristics method can be accepted to get the
5、feasible result in the limited time，the ant colony optimization algorithms seems to be the best way for solving the problem. Key words：power system；vulnerability；rush repair；meta-heuristics 电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源，把生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连 接在一起而组成的整体称为电力系统，它包括从发电、变电、输电、配电直到用电这样一个过程 1。由 于受到电力系统自身原因和外部干扰的影响
6、，电网事故时有发生。而在战争状态下，由于外部原因对 电力系统的破坏更直接、更具有毁坏性，因而在战争状态下电力系统的脆弱性问题已越来越得到广泛 重视，相应的防护及快速修复手段也日臻成熟。 1 军事打击对电力系统破坏的几种主要形式 发生战争时，敌对方对电力系统的破坏方式主要应该有远程打击、近距离破坏、硬杀伤、软杀伤等。 作者简介：许兆庆，男，博士研究生， （1976） ，研究方向测量与控制。Email：XZQDJL 吴军基，男，教授，博士生导师。电话：025-84315837，Email：WJJ807 4 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 远程打击主要指采用巡航导弹、对地攻击机、无人机、
7、轰炸机等对电力系统的目标进行攻击。这 是目前战争中采用的主要方式。在对方没有有效的防空手段情况下，能实施精确打击。但需采用制导 武器，耗费高昂，只能对个别主要目标实施打击。 近距离破坏则是指派遣特工人员，潜入敌方境内，或收买敌方境内人员，直接到电力设施附近实 施破坏。该方式成本低廉，只需要携带常规的非制导武器就能造成预期的破坏效果，而且可以对任何 电力目标进行破坏。但风险大，容易被对方安全警卫力量抓获。在中东战争及海湾战争时，交战各方 都曾派出大量特工人员深入敌后，对电力及通讯线路进行破坏。 硬杀伤则是指传统的用杀爆弹等爆炸物对电力设施直接摧毁，以前经常采用，它破坏的只是电力 系统的一个局部，
8、需要精确打击或大面积轰炸，因而成本高昂，效费比相对较低。 软杀伤主要是采用碳纤维炸弹，俗称石墨炸弹、软炸弹（Soft Bomb） ，因其不以杀伤敌方兵员为 目的而得名。又因其对供电系统的强大破坏力而被称为断电炸弹（Blackout Bomb） 。是选用经过特殊 处理的碳丝制成，每根碳丝的直径相当小，仅有几千分之一厘米，因此，可在高空中长时间漂浮。由 于碳丝经过流体能量研磨加工制成，成丝条状，并卷曲成团，且又经过化学清洗，因此，极大地提高 了碳丝的传导性能。碳丝没有黏性，却能附在一切物体表面。航弹、导弹及远程火箭弹的战斗部内爆 炸或火药引爆散布在敌方阵地。当战斗部到达发电厂、配电站、输电网上空时
9、，战斗部内的低速炸药 或火药将碳纤维丝团抛出，这些碳纤维在空中飘落，落到发电厂和配电站高压电网上，碳丝可进入电 子设备内部、冷却管道和控制系统的黑匣子。碳丝弹头对包括停在跑道上的飞机、电子设备、发电厂 的电网等所有东西都产生破坏作用。 20 世纪 90 年代初，海湾战争时，石墨炸弹在“沙漠风暴”行动中首次登场。当时，美国海军发射 舰载战斧式巡航导弹，向伊拉克投掷石墨炸弹，攻击其供电设施，使伊拉克全国供电系统 85%瘫痪。 20 世纪 90 年代末，以美国为首的北约在对南斯拉夫的空袭中，美国空军使用的石墨炸弹型号为 BLU114/B，由 Fll7A 隐形战斗机于 1999 年 5 月 2 日首次
10、对南电网进行攻击，造成南全国 70%的地 区断电。随后在 5 月 7 日，美国空军再次使用石墨炸弹对南斯拉夫刚刚修复的供电系统实施打击。 海湾战争时期，美军采用“硬杀伤”战术，一轮轰炸攻势，只能令伊拉克一个城市 30%左右的电 力中断，而现在石墨炸弹的使用，即“软杀伤” ，北约空军竟可令整个战区 70%的电力中断。几乎在 南联盟民众听到爆炸声的同时，周围各个电厂相继停电，饮水供应也遭破坏，经济活动和社会生活陷 于瘫痪。尽管南联盟技术人员竭尽全力，奋力抢修数小时，只能恢复局部电力供应，而短路造成的超 高温、巨大电动力、高次谐波对电气设备的损坏，如：变压器燃烧、电缆击穿、开关爆炸、发电机或 母线变
11、形等，则无法短时修复。可见，巡航导弹没有办到的事，石墨炸弹则以更有效更经济的手段， 利用电力网自身强大的能量办到了2。 2 台湾的碳纤维炸弹在研状况 台湾“中科院”将从 2008 年开始研制用于攻击对方电力系统的碳纤维炸弹，研制经费约为 4 亿至 5 亿新台币，预计将于 2012 年研制成功。 台湾“立法院国防委员会”将审查“中科院”的预算，碳纤维炸弹据传就包括在本次预算案内，这是台湾 “中科院”继去年电磁脉冲炸弹之后第二个非杀伤性武器研究计划。虽然属于非杀伤性武器，但是碳纤维炸弹 的攻击对象不仅局限于军事目标，更可导致城市民用电网大范围停电，给被攻击方造成巨大的经济损失。 因而，更加要求我们
12、对战争状态下电力系统的稳定性与可靠性方面的研究。 3 电力系统脆弱性研究 电力系统是一个巨大的复杂系统，能够影响其安全稳定运行的因素很多。当一些偶然因素在特定环 电力系统及其自动化 5 境下叠加在一起时，往往导致网络中的某一个脆弱点发生故障，而这一节点的故障所引起的暂态变化 （如电压、频率或负荷的暂态峰值等）将立即影响到与其相关联的其他节点，同时这些相关联的节点可 能还存在自身的影响因素，在这些影响的共同作用下，可能导致许多继电保护装置和安全自动装置的相 继动作，使得故障影响在一定范围内传播和扩大，形成级联崩溃，最终导致大面积的连锁停电事故6。 在脆弱性评估中，薄弱环节的选择并不是凭借经验，而
13、是建立合适的模型，对电网中各点进行分 析和排序，从全局的角度来分析和把握电网的薄弱环节。这种办法使得电网运行安全人员能够很容易 找到电网薄弱环节，从而加以更多保护4。 由于在战争状态下，所有的节点都有可能遭到攻击，因而采用确定性方法，通常以最严重事故作 为判断标准。由于没有考虑事故发生的概率，因此得出的结果偏于保守。PSAT（Power System AnalysisToolbox）软件的 N-1 事故分析模块使用的就是确定性方法7。 本文采用 IEEE14 母线标准试验系统作为仿真测试系统5。该系统有 14 个节点，20 条支路，1 台 发电机，3 台变压器，一只并联电容组成。系统接线见图
14、1。 图 1 IEEE14 母线标准试验系统 使用 MATLAB 中的 PSAT 工具包，对该系统做潮流分析。将系统故障定义为 N-1 断线故障，该方 法往往不考虑系统事故发生的概率，并用最严重一条过载线路的过载情况作为指标。在这种传统方法 下，得到各个事故的指标。现在选取 ieee14 系统任意三个故障，7 号、8 号、12 号线路发生断路。用 传统 N-1 方法可以测出各种情况下线路最大过载数据，见表 1。 表 1 故障 N-1 评估结果 Tab.1 fault N-levaluation result 故 障 过 载 7 1.743 9 8 2.298 1 12 1.662 3 6 20
15、08 全国博士生学术论坛电气工程论文集 因而用 N-1 方法计算的系统事故对系统线路脆弱性影响从大到小的排序是故障 8故障 7故障 12。 对于脆弱性影响大的环节，要重点保护。 4 战争状态下电力系统的防护 通过脆弱性分析得出电力系统的脆弱环节，便可以考虑具体的防护措施了，在这方面，国内外的 相关部门都做了许多有益的研究工作。 针对硬杀伤及远程打击，首先应当作好主动防护措施，组织对破坏电力系统的高技术武器进行拦 截摧毁，保护电力系统免遭破坏；搞好伪装，针对敌方的侦察技术和手段采取相应的技术伪装，加强 对红外热辐射侦察的反侦察、电子侦察的反侦察及光学侦察的反侦察的伪装措施；设置假目标，搞好 人工
16、遮障伪装。其次应当减少电力系统中供配电设施的裸露设置。尽量转入地下或加防护罩， ，从而降 低受袭概率，全面提高战时生存能力8。 对于近距离的人员破坏，则要求各地加强安全警戒，对电力系统中的重要环节，如重要火力、水 力及核电厂枢纽变电所及主干送电线路等，在战时应纳入军事重点保护目标范围。由军队或民兵 24 小 时守护。 对于碳纤维炸弹的软杀伤，可在防护目标上方建立遮盖物将导电纤维与电力设备隔离，避免导电 纤维的破坏。针对我国电网线路大多是架空线，分布范围广、距离长、多为裸线的特点，需要加强针 对高压线路的新型绝缘材料的研究。目前有研究考虑采用风幕式防护方案。风幕防护的原理是利用电 机驱动贯流动轮转动而产生强大的气流，从设计的风口使风以幕状喷射而出，通过一定计算
