作者：杨太华
出版社：东南大学出版社
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区域电网建设安全风险识别及规避策略研究（以华东电网为例）试读：
前言
伴随着人类的生存和发展，人类自身也在不断地追求安宁和幸福。马斯洛把人的需求按其重要性和发生的先后顺序排列成五个层次，而其中安全是仅次于生理的基本需求。随着社会经济的不断发展，电力需求也在不断增加，电网的规模迅速扩大，技术的复杂性相应增加，电网运行故障、人身事故、大停电事故、设备事故时有发生，事故所造成的损失还相当严重。电网建设安全事关国家和人民的生命财产安全和社会的稳定，因此，加强电网建设的安全风险研究，实施安全管理创新，探索并逐步建立与现代电力工业相适应的现代化管理体系，对确保我国电网建设和安全稳定运行具有重要意义。
本书主要研究区域电网的规划投资、设计建造和质量控制的风险识别技术及规避策略。研究工作从风险管理理论和经济学的角度，对电网规划设计、建造和运行管理中的经济合理性和安全可靠性进行分析，通过电网建设项目安全风险的测度、辨识、评价，构建了区域安全风险评价体系，并提出区域电网防灾减灾策略，特别是应对突发性特大停电事故的预防预测措施。
本书内容共分15章，主要包括：
第1章为绪论。根据国内外关于电网建设安全风险研究进展，系统深入地整理了相关的资料和研究成果。研究主要以电网系统为基础，对电网建设安全风险的概念及其发展进行详细论述。研究电力安全从以定性评价为主，逐步转向定量评价，并以定性与定量相结合，解决安全风险的评价问题。研究工作从电网规划建设安全风险研究进展、电网事故安全风险的复杂性研究、电力系统连锁故障安全风险研究进展、电网系统大停电事故的预防研究等几个方面展开，最后综合国内外电力安全风险的最新进展，指出了未来电网建设安全风险可能的研究方向。
第2章为国内外典型大停电事故对我国电网建设安全风险防范的启示。主要探讨了美加“8·14”、莫斯科“5·25”、欧洲“11·4”、2008年我国南方冰冻灾害和2011年日本地震海啸引起的大停电等事故的成因及影响因子，并借鉴安全工程学中的“5M”模型对这些事故的成因进行解读。通过输电网本身的抗灾能力、电网的保护系统建设、安全风险管理等方面的详细分析，提出了应对大停电事故的策略措施。
第3章为区域电网安全风险评价体系的构建。主要从区域电网安全风险评价体系的总体设计、安全风险评价体系的基本结构、安全风险评价的基本要素、安全风险值的量化与分级、电网性能化安全风险评价、电网系统安全风险评价标准的制定等方面，对区域电网安全风险评价体系进行了系统的研究和初步构建。研究过程中主要以华东电网为依据进行讨论分析。
第4章为电网建设安全风险识别。主要从电网建设安全风险辨识应遵循的原则、安全风险识别过程、安全风险识别方法与技术、安全风险识别成果、电网建设项目安全风险识别、电网建设项目施工安全风险辨识清单等方面展开研究，研究的背景以华东电网建设施工组织设计和输电网的主要安全危险辨识风险源为参考依据。
第5章为电网建设安全风险测度原理与方法。主要从建设项目安全风险测度过程、安全风险发生的统计和概率测度方法、安全风险损失测度方法和应用实例分析来对安全风险测度的统计和概率方法进行实证分析。研究主要以数据的处理和挖掘分析为基础，理论公式参考了相关的概率和数理统计理论。
第6章为电网建设安全风险识别的分层全息建模。主要引进美国学者Haimes（1981）提出来的分层全息建模思想和方法。目前，在国内还未见这方面报道。该方法将该理论应用于电网建设工程的安全风险识别研究。主要从分层全息建模理论和方法的理解入手，基于可持续发展的电网建设安全风险识别、电网建设分层全息辨识理论框架的构建、电网建设工程施工的安全风险分层全息辨识等方面展开研讨，许多内容和思考具有创新性。
第7章为电网建设安全风险评价及AHP方法的应用。主要从电网建设安全风险评价的作用和评价步骤、电网建设安全风险水平、AHP方法原理、电网建设AHP方法应用实例分析等方面探讨了电网建设安全风险评价方法原理，及其应用效果。
第8章为模糊故障树方法及其在华东电网建设安全风险分析中的应用。主要从故障树的含义、电网建设风险与可靠性比较、故障树的构成、故障树的分析程序、模糊故障树模型、电网建设故障树风险分级以及在华东电网上海复兴东路越江隧道工程和江苏电网倒塔事故安全风险分析实证分析等方面展开研究，并探讨了相应的安全风险对策研究。
第9章为区域电网建设安全风险的自组织临界特性分析。主要从区域电力供应系统与沙堆模型原理、区域电力供应自组织临界特性分析、电力供应系统安全风险分析等方面展开研究。研究的主体思想是以电力系统的复杂性为基础。
第10章为电网建设项目安全风险的模糊神经网络模型分析。这一章实际是电网建设安全风险评价的扩展。主要引进人工神经网络方法，从BP神经网络基本原理及其典型网络模型、电网建设安全风险控制效果状态集合、电网建设工程指标体系的确定、电网建设安全风险评价神经元网络的实现和工程应用实例等方面展开研究。
第11章为区域电网大停电事故的耗散结构特征及演化机理分析。该研究突破了传统的工程技术层面的研究，将系统科学和耗散结构理论（complexityscience）运用于复杂电网大停电事故的发生发展规律分析，在此基础上，应用熵变理论来揭示事故的演化机理，建立了熵流模型，从而为电网停电事故的预测预防奠定了理论基础。
第12章为基于脆弱性的电网建设项目安全风险评估。主要从现有脆弱性概念分析入手，提出了电网建设项目脆弱性的概念；根据建设项目各因素之间的相互关联作用，对电网建设项目的脆弱性进行识别，构建电网建设项目脆弱性的度量模型。并运用矩阵方法，通过项目安全事件的可能性、项目脆弱性的等级划分以及损失程度的计算，建立安全风险等级，以反映项目安全风险的严重程度，并运用实例计算进行了分析研究。
第13章为地下变电站安全风险的可拓物元模型分析。主要通过地下变电安全风险的影响因素分析，较系统地建立了地下变电站安全风险评价指标体系，提出了5大类12个影响因子作为地下变电站安全风险的评价指标，并应用可拓学中的物元理论对地下变电站安全风险进行研究，建立了基于物元模型的地下变电站安全风险评价体系。与其他方法相比，物元模型能够直观地反映评价对象的定性与定量的关系，从而比较完整地揭示地下变电站安全状况的综合水平，同时易于用计算机进行编程处理，扩大安全风险评价的范围。通过应用实例分析，对该评价模型进行了论证，这为提高地下变电站的安全管理水平，确保城市电网的正常运行提供了新的安全评估思路。
第14章为电网建设安全风险规避策略。主要从电网建设安全风险应对计划的编制、电网建设安全风险对策措施、电网建设安全风险规避、电网建设安全风险转移、电网建设安全风险减缓、电网建设风险自留与利用、电网建设的保险选择以及电网建设安全风险管理的科学决策等方面开展研究，分析各种策略的优越性和局限性。
第15章为结论。主要总结本书的研究结论和研究成果、存在的问题以及进一步研究的设想。
本书作者自1992年师从同济大学土木学院、中科院院士孙钧教授，1995年取得博士学位，主要从事土木工程防灾减灾、施工技术和工程管理的教学和科研工作，在岩土工程、隧道及地下建筑工程，建设安全管理方面有较为深入的研究，现为上海电力学院教师。本书的主要内容和研究思路得益于导师中科院院士孙钧教授及其教学团队的师兄弟和同事的关心和指教。尽管离开母校已有多年，但作者在工作和学习中，仍然得到导师和学长的关心和指导，这些都为本书的选题、调查和试验研究、理论分析以及论文的撰写和定稿起到了“定海神针”的作用，在此，谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的感谢。作者的研究和论文工作还得到了上海电力学院李国荣教授、施泉生教授等多位老师的支持和帮助，在此深表谢意。书中的部分内容参考了河海大学工程管理专家王卓甫教授等人的文献和著作（书中均有标注）。本书的后期研究工作还得到了上海电力学院工程管理教研室汪洋、王素芳、刘樱、孙建梅、谢婷等多位老师的帮助，在此深表感谢。
本书有关研究工作得到上海市哲学社会科学规划基金的资助（批准号：2008BZH004）、上海市教委085工程以及上海电力学院科研启动基金的资助，工作过程中得到了国家电网上海电力公司、华东电网公司的大力协助，上海电力学院各级领导高度重视，并给予大力支持。最后，上海电力学院出版基金为本书的出版提供资助，在此深表谢意。
作者还要感谢东南大学出版社对本书进行了认真细致的编辑加工，使本书质量大大提高。
本书希望能对从事电力工程规划和建设、输电线路工程施工和维护、能源工程管理、土木工程防灾减灾、安全工程、工程管理领域教学科研的有关人员起到一点抛砖引玉的作用。由于作者水平及经验有限，书中难免存在这样那样的错误，恳请前辈及同仁不吝赐教。作者2013年10月于上海第1章 绪论1.1 研究的提出
随着我国国民经济的不断发展，跨区域电网大规模互联的形成和发展是电网发展的必然趋势。我国地域辽阔，各地区能源分布、电源结构和经济发展很不平衡。可开发和建设的电源呈北煤西水分布，而用电负荷中心主要集中在东部和南部。区域电网间有很大的互补性，对跨地区送电的需求很大。为充分利用我国丰富但分布极不平衡的动力资源，积极推进和实施“西电东送、南北互供、全国联网”的发展战略，加快区域电网间和区域电网与省电网间联网工程建设，是我国电力建设事业发展的重点。跨区域电网的形成，一方面提高了电力系统的运行效率，另一方面却也增加了系统运行的不确定性，任何局部安全事故都可能使系统受到扰动而波及范围更广的相邻电网，且电网事故的后果更加严重。总体上看，我国还是一个发展中国家，电网的总体规划设计水平与发达国家相比，还有很大的差距，电网结构薄弱，电气主设备和线路故障率较高，部分电网电源供应紧张，应对电网突发事件的运行风险备用不足；此外，由于我国电网东西、南北地域跨距大，特性差异大，系统运行方式变化大，电网结构复杂（图1.1），已成为世界上最复杂的网络之一，该复杂网络存在不少薄弱环节，如何保证系统安全稳定运行将是各区域电网以及全国电网互联建设所面临的重大研究和艰巨任务。
近年来，国内外区域电网事故造成灾难性的后果和不良影响是众所周知的（表1-1）。2003年8月14日，美国中西部和东北部的大部分地区、加拿大的安大略地区经历了一次大停电事故。该停电事故影响到估计有5 000万人口的地区，包括俄亥俄、密执安、宾夕法尼亚、纽约、佛蒙特、马萨诸塞、康涅狄格和新泽西以及加拿大安大略省的约61 800MW的电力负荷。估计在美国的总损失范围为40亿～100亿美元之间。在加拿大，8月份的国内生产总值下降了0.7％，损失了1 890万个净工作小时，安大略制造业运输量下降了23亿加元。2003年8月28日伦敦南部发生一起停电事故，起因是由于某变压器瓦斯继电器动作，需要进行一系列的倒闸操作调度，倒闸操作期间，NewCross和Hurst变电站暂时由一条线路供电，而这条线路却在倒闸操作期间被线路保护误动作切除。2003年9月5日东伯明翰的Ham's Hall变电站由于一起非常罕见的故障组合（三台主变中，一台由于过热被调度切除退出运行，另外一台由于保护的误动作而跳闸，导致剩下的一台变压器由于过负荷跳闸）引起整个变电站停电，失去全部负荷。2003年9月28日，意大利发生大面积停电，停电故障的起因是Oskashamm电厂故障停机，损失1 200MW。2006年7月1日我国发生的华中电网停电事故，再次为我们敲响了警钟，这次事故发生在华中电网的河南省电网部分，500kV嵩郑两回线路突然发生故障先后跳闸引起大规模潮流转移，造成豫西、豫中部分220kV线路连锁过载跳闸，导致了大面积停电事故。2008年1月中旬以后，我国贵州、湖南、湖北、安徽、江西、浙江等南方省份出现罕见的低温雨雪冰冻极端灾害天气。这次灾害天气持续时间长、影响范围广、危害程度深，给人民群众生命财产和工农业生产造成重大损失。图1.1 全国联网示意图表1-1 近年来大停电事故
国内外的历次大停电事故说明电网建设从一开始就应该有风险的认识，但事实是我们并没有足够的考虑，特别是2008年我国南方罕见的覆冰灾害，电网故障的地点主要分布在山区，抢修起来比较困难，这次冻害既是一个世界性技术问题，也是中国电力建设制度的风险管理问题。这一风险到底是技术性的，还是制度性的？到底存在哪些技术风险，哪些制度性风险？它们怎样分布？应该采取怎样的对策措施才能减少损失和预防这些风险？这些是目前电网建设迫切需要解决的问题。
区域电网建设风险管理是对区域电网建设实施过程中各个环节、各个阶段可能出现的风险事件进行系统管理，旨在辨识出区域电网投资项目中现实的潜在的风险事件，并加以分析评价，控制这些风险事件对项目的实施产生的负面影响，降低损失发生的可能性，减弱风险发生的强度，减小波及面，达到电网建设的目标。同时，也可为电网企业决策者提供有利的决策依据。区域电网建设项目由于具有连续性、复杂性、少参照性等特点，其风险程度较高。各种灾难性事故的发生凸显了区域电网安全的重要性，使人们认识到电网建设规划在考虑投资费用的同时，还应考虑系统的稳定性。评估电网系统所面临的安全风险，这也是目前国内外许多研究工作者关注较多的一个问题。因此，对区域电网建设安全风险的影响因素进行分析，提出较合理的识别方法和应对策略措施，建立有效的风险综合评价指标体系和数学预测模型，对于以特高压电力网络为主干的坚强智能电网建设，建立电网建设风险的防控预控体系，保障电力系统健康稳定运行，促进经济发展和社会稳定和谐，具有重要意义。1.2 研究现状及文献综述1.2.1 安全风险概念及其发展
作为工业文明的重要标志，电力工程的建设和发展突飞猛进，电网系统的安全问题一直是人们关注的重点，特别是随着经济社会的不断发展，电力安全与人们的日常生活越来越密切。电力系统在给人们带来科学技术的进步和财富的同时，也伴随着灾害事故，并对人类的生命财产构成威胁。安全是相对于危险而言的，是一定条件下事故发生在人的可接受范围内的一种状态。安全与危险是相互依存，互为对立的统一体。安全是相对的，危险是绝对的，随着生产和技术的发展，出现了安全工程的概念。安全工程是以人类生产、生活活动中发生的各种事故为主要研究对象，综合运用自然科学、技术科学和管理科学等方面的有关知识和成就，辨识和预测生产、生活活动中存在的不安全因素，并采取有效的控制措施，防止事故发生或减轻事故损失的工程领域。安全风险是安全概念的延伸，是安全科学与风险管理理论的交叉结合，它包含两层含义：一是事故发生的概率，二是事故发生的后果及损失程度。安全风险研究是伴随着风险管理理论的发展而逐步发展起来的。
风险的研究最早可追溯到公元前916年的共同海损制度。直到20世纪40～50年代，风险管理的思想在美国的保险行业广泛应用。其中，1950年莫布雷（Mowbray）等人在《Insurance》一书中，较为系统地阐述了风险管理的概念及应用研究成果。1975年美国保险管理协会（ASIM）改名为风险与保险管理协会（Risk & Insurance Management Society，RIMS），这标志着风险管理学科的逐步成熟。20世纪70年代西方工业国家将风险管理理论应用于一些大型能源工程项目的建设，其中具有代表性的是70年代中期至80年代北美北部地区的极地管线项目，以及英国石油公司的北海海底管线铺设项目，在这些能源工程建设过程中，大量应用风险管理的理论和方法，使得工程项目风险管理理论逐步成熟。从20世纪80年代中期到现在，项目风险管理的理论开始运用于国防建设、核能工程、市政工程、房屋建筑和房地产开发与管理等各个方面。20世纪80年代以来，风险管理的理论研究和应用的发展较快，特别是在美英等发达国家，风险管理研究十分活跃。1987年，英国查普曼（C．B．Chapman）教授在《Risk Analysis for Large Projects：Models，Methods and Cases》一书中提出了“风险工程”的概念，这也是风险管理理论在工程领域的应用和发展。风险工程是对各种风险分析技术的集成，以更有效地进行风险管理为目的，使得在较高层次上大规模地应用风险科学的研究成果成为可能。此外风险管理理论在大型工程项目决策，工程结构设计、工程投标、工程承包等过程被广泛应用和研究。1987年为推动风险管理理论在发展中国家的推广和应用，联合国出版了《The Promotion of Risk Management in Developing Countries》研究报告，其影响较大。在我国，风险理论的教学、研究和应用始于20世纪80年代后期，主要研究保险行业和企业的经营管理问题。随着国家大型水利工程项目“三峡工程”的立项建设，国外风险管理理论开始引入，并逐步在一些工程项目的决策和管理中得到应用，相继出版了多本有关专著，大大地推动了建设项目风险管理理论和方法的应用和发展。
90年代初，风险理论开始应用于电网系统。研究电网建设安全风险必然涉及职业健康安全问题、投资规划和建设问题、电网运行管理问题等等，影响因素包括技术、组织、伦理、社会、法律和经济。受多种条件的制约，长期以来，电力安全一直是以定性评价为主，自引入风险理论后，电力安全的认识才逐步从定性评价转向定量评价，并以定性与定量相结合的方法，解决安全风险的评价问题。1.2.2 电网规划建设安全风险研究现状及进展
电网建设规划是电力系统规划的重要组成部分，其任务是根据电源和负荷增长情况，在现有电网结构基础上，合理地选择扩建线路以满足电力系统安全运行和经济性最优。随着我国区域电网的发展，电源建设规模逐年扩大，电网规划和建设滞后。电网整体投入严重不足，增加了大停电的安全风险，因此，加快电网规划建设，已经刻不容缓。各种停电事故表明：输电网络是电力系统中最薄弱的环节。跨地区的电力市场和复杂多样的交易方式对电网的安全稳定提出了更高的挑战，电网容量的紧张加之调峰电量的不足使电网调节、应急能力进一步减弱。各种灾难性事故的发生凸显了输电网安全的重要性，使人们认识到输电规划在考虑投资费用的同时，还应考虑系统的安全稳定性，评估输电系统所面临的停电事故安全风险。
20世纪70年代末，美国最早开始探索电力工业的改革。1989年英国开始进行电力工业经营管理体制改革，传统的发电和输电垂直一体化体制逐渐被打破。世界各国纷纷效仿，很多国家已经或正在把市场竞争机制引入电力工业。90年代开始，我国实行“厂网分开、竞价上网”的改革措施，电厂与电网分离，成立了独立的发电公司和具有自然垄断地位的电网公司，这些独立的企业将与电力用户一样，以市场参与者的身份参与电力市场交易，电力市场的形成将使电网建设规划的不确定性大大增加。2002年的国际大电网会议（CIGRE）第39届委员会曾专门对电力系统规划、发展问题进行讨论，讨论集中在：面向快速发展的电力系统的挑战；规划、技术和体制的改革问题；发电、输电的新技术和新需求；电力市场对电网结构和电力系统发展的影响。由于电网结构、电压选择及交直流输电的配合是一个相当复杂的问题，取决于国民经济的发展和现代科学技术水平，目前电网系统规划建设安全风险的研究主要表现在如下几个方面：（1）电网建设规划的安全可靠性
电力系统可靠性是指电力系统按照电能质量标准，不间断地向电力用户供应所需电力和电量的能力，包括充裕度和安全性两个方面。充裕度是指在静态条件下满足用户对电力和电量需求的能力；安全性是指在动态条件下电力系统抗干扰的能力。为了使电力系统能够安全稳定运行，世界各国都制订了详细的规划可靠性准则。俄罗斯在制订可靠性准则时主要突出系统的稳定性。由于俄罗斯电网跨度很大，单独依靠加强电网来提高安全性有时并不经济，因此，其主要手段是加强系统反事故保护措施，规划的重点放在抗干扰的反事故自动装置设计上。欧洲各国电网普遍跨度小，输电线路短和稳定裕度大，在其制订准则时电力系统稳定问题并未特别强调，规划时更多地考虑系统的其他特性，稳定问题只在电网互联运行时被着重考虑。英国的输电网规划标准有所不同，主联网的静态可靠性采用N-2准则，而且规定在任何时刻系统必须在三相故障后保持暂态稳定。按照大电网可靠性观点，NERC发布的《NERC规划标准》，对规划的互联大电网提出基本要求，指出规划的主要目标是：系统在受到发生概率较高的事故干扰时，能保持规划的负荷需求和预期的输电水平；在发生严重的但较小概率的事故时，避免系统崩溃。该标准考虑到了影响系统可靠性的各个方面，分别从系统充裕度和安全度、系统模型数据要求、系统保护和控制、系统恢复四个方面提出了具体标准。而文献［32］在对输电线路阻塞程度与网络可靠程度综合权衡的基础上，研究了市场条件下的电网建设规划问题。
从各国现行输电规划准则来看，基本上是以确定性准则为主，以技术条款和事件校验的方法来评价电网的可靠性，普遍采用的是N-1可靠性准则，以保证输电网发生故障或扰动时的安全运行。故障概率作为电网系统安全可靠性的定量指标，是各国学者和专家研究的重点，但目前尚未将概率性准则纳入电网建设规划之中。（2）市场环境下的电网建设规划问题
电力市场的形成，使得发电市场、电网企业和电力用户之间的利益共同体被打破，市场成员间既相互竞争，又相互合作。电网建设规划的根本目标是，在保证电网系统安全可靠性的前提下，直接由市场需求决定。从而减少了电网系统的输电容量限制，降低了发电厂的地区性市场支配力（Market Power）。由于电网系统技术参数、经济参数等不确定因素增多，电网建设规划问题变得更加复杂，主要体现在：
①电网建设规划与发电规划相互间的协调难度增大
在传统体制下，电网规划作为整个电力系统规划的一部分，服从于发电和输电垂直一体化的经济实体，相互之间比较容易协调。在市场环境下，发电公司或潜在的发电投资者、电网企业和电力用户各自为独立的经济实体，因而发电规划与电网建设规划分属于不同的决策企业，为各自的经济利益服务，相互间的协调非常困难，特别在对一些新电厂的兴建和老电厂的关闭进行协调时变得更加困难。尽管政府主管部门或监管机构可以给出一些指导性的发电规划方案，但这些规划方案一般不是强制性的，从而增加了电网建设规划的风险。
②电网建设规划与投资模式的选择
市场经济条件下，对电网建设投资方式可以归纳为两种：基于管制的方法和基于市场的方法。
在基于管制的方法中，电网系统的调度运行和所有权由一个机构负责，同时该机构要受到一定的监管。在这种机制下，电网公司为电网系统所产生的阻塞成本负责，并需要以投资的方式来加以缓解，输电公司有最小化阻塞的激励，并对最优的电网扩展进行投资。采用这种方法的一个典型例子是英国电力市场。在这个市场中，国家电网公司（NGC）是受管制的垄断输电公司，其所采用的输电价格结构中没有显示包含输电阻塞费用分量。当电网容量不足时，电力市场运营机构将根据相关调度条例来分配输电容量。在这种情况下，电网建设投资是通过行政或管理方式确定，而其成本回收和投资回报是由既定的管制方案确定，一般可以得到保证。由于经济、技术和地理环境等因素的影响，包括我国在内的大多数国家依然将电网企业作为一个垄断企业处理，输电网的运营仍然要受到政府或相关机构的严格监管，相应地，负责电网建设投资规划的主体也仅限于垄断企业。
在基于节点电价市场的方法中，可以通过市场需求信号来驱动电网建设投资与规划。投资者主要以对价格所产生的激励信号做出响应的方式来进行电网建设投资决策。对投资者而言，增加新的输电设备就是要获取潜在的阻塞成本或费用。在这种方式下，输电网建设投资是自愿的，其投资成本和回报不是通过管制的输电电价来获取的，而是通过所谓的“可交易输电权”来获得。节点电价之差就定义了输电的机会成本，或者输电权的价值。不管在理论还是实践上，目前还不存在单一的机制能够保证电网系统的最优扩展。文献［35］把各国电力市场环境下解决电网系统扩展的方法分为三种：长期金融输电权方法、统一管制方法和市场力方法，每种方法对应于不同的市场机制。文献［36］认为应该采用商业和管制相结合的办法，小规模的电网系统扩建工程采用商业方法，大规模建设工程采用统一管制的方法，无论采取何种方式，电网系统扩建规划的监管必不可少。
③电网建设投资成本的回收问题
合理的输电服务定价体系是实现市场条件下电网建设投资回收的前提。对基于管制的输电投资，已经提出了很多成本回收方法，且这些方法与管制政策密切相关。固定成本定价方法主要有三种：嵌入式方法、基于边际成本的方法、嵌入式和边际成本相结合的方法。总的来讲，国际上电力市场仍处于一个研究发展阶段，输电服务定价还没有一个完善的解决方法，这种情况很大程度上制约了电网建设规划的顺利实现。例如，挪威电网自1991年实行改革至1996年的统计数据表明，电网的投资总额减小了十分之九（从4亿挪威克朗降到4 000万挪威克朗），这主要是由于挪威电网的计费方法导致电网建设投资者无法获取足够的利润而引起的。
文献［37］通过研究竞争性双边市场模式下未来规划年的发电和负荷模式，建立了市场激励下的电网建设规划模型。文献［38］建立了拍卖市场下基于拍卖结果的电网建设规划。以投资费用及缺电费用最小为目标，文献［39］分析了系统的成本—收益率，并将其作为一种可靠性指标加入到电网建设规划目标中去。文献［40］以市场条件下社会运行成本最小化作为电网建设规划的目标。文献［41］介绍了一个面向对象的电力市场仿真模型，可用于研究电力市场环境下的电网系统动态规划问题。文献［42］指出为保证电网系统的长期建设投资和电力系统的安全运行，需要对提供输电服务的输电设备供应商进行合理的经济补偿，这部分补偿包括两部分：对短期运行成本（网损和阻塞成本）的补偿和对长期的输电网扩展提供资金。该文对输电网扩建规划进行了建模，所建模型可同时解决输电网长期边际成本的计算问题，可采用模拟退火法进行求解。模拟退火法可以求得长期边际成本（反映建设投资和运行成本），从而解决输电设备供应商的协调问题。文献［43］提出了一种市场环境下电网建设规划和投资的多层分析框架，以最大化的社会福利为目标，新框架在阻塞分析的基础上增加了输电网扩展建设投资层的分析，一共分为四层：网络物理层、商品市场层、金融市场层和输电投资层，能够评估输电网建设投资风险，并可以通过市场运行模拟的方法来检验输电设备投资前后的变化情况。（3）电网建设规划中的风险因素
与传统的规划过程相比，市场环境下的电网建设规划面临更多的市场不确定性因素，主要包括规划期内的电源建设、负荷变化和系统运行方式变化等不确定性，新的市场环境下如何处理这些不确定性因素，使得规划方案具有较好的灵活性和鲁棒性，相对于传统的电网规划来说提出了更高的要求。
①电源建设的不确定性
传统的电源建设规划由垂直一体化的电力企业来决定。电网建设规划是建立在发电规划基础上的。市场环境下，随着电厂与电网的分离，各自的规划都是相对独立的。老机组的退役和新增发电机组不再是集中式的统一规划。新增发电机组的规划取决于对未来节点电价的市场预测、管制政策的变化和季节变化。新建电厂的位置、容量和投运时间，以及旧电厂的关闭，都取决于发电公司或投资者自己的决策。这些因素对电网规划来说都是不确定的，也给电网规划带来很大的困难和影响，从而大大地增加了电网建设的投资风险。
②电力负荷变化的不确定性
电力市场中实时电价会发生波动，甚至会发生剧烈的变化，如果考虑用户的需求弹性，则负荷水平也会随着电价的波动而变化。另外，当用户从价格、供电质量等因素出发改变其负荷需求时，将导致系统资源在一定程度上的重新分配，这也增加了电网建设规划的不确定性。
③电力系统运行方式的不确定性
在市场竞争中，电网调度的原则是根据市场成员报价的高低来确定成交量、成交价格和优先调度次序。电力市场中，发电厂生产的目标是使其利润最大化，从各自的利益出发，发电厂会不断调整自己的竞价策略，导致市场平衡点在一定范围内不断变化。伴随着跨区电力供求关系的出现，可能产生大规模的远距离输电交易，这就要求电网有足够的区域间输电容量，所有这些都会导致系统运行方式的不确定性。1.2.3 电网系统安全事故的复杂性研究（1）电网系统的复杂性
复杂系统研究始于20世纪80年代，1998年两位年轻的物理学家华兹（D．J．Watts）和史楚盖兹（S．H．Strogatz）在《Nature》杂志发表了一篇关于网络的论文，1999年《Science》上又发表了另外两位年轻的物理学家（A．L．Barabasi和R．Albert）关于网络的另一篇论文，这两篇论文引发了关于复杂网络的研究热潮。因此，也孕育了一门新学科——复杂性科学。这门科学不完全遵从于牛顿定律，它探讨的是复杂系统中各组成部分之间相互作用所凸显的统计学特性。目前，关于复杂性和复杂系统没有统一的严格定义，但一般认为复杂系统是由大量彼此相互联系又相互作用的基本单元组成的，这些基本单元涉及非常多的影响因素，其影响因素彼此之间又错综复杂，相互交织，所以不但不能进行动力学的解析求解，而且考虑近似的“理想精确”数值“从头计算”也不大可能。复杂性就是复杂系统的行为、组织特性。钱学森认为，复杂系统是一个开放的巨系统，复杂性是开放的复杂巨系统的动力学特性。复杂系统的基本特征一般表现为：组成单元数量庞大；单元之间存在相互作用；具有多层次；具有开放性；具有自适应性和进化能力（指适应复杂系统）；具有复杂的动力学特性。复杂性理论作为一门新兴的交叉学科，在物理学、生物学、地质学、气象学和经济学等领域得到了广泛应用。研究网络的几何性质、网络的形成机制、网络演化的统计规律、网络模型性质、网络的结构稳定性以及这些特性在具体网络中的影响对于研究电力系统的安全与稳定有着积极的意义。
近年来，关于网络复杂性的研究正处于蓬勃发展的阶段。其中，“小世界”（Small-world）网络模型是一个新兴的热点。在对网络拓扑结构分析的过程中，华兹和史楚盖兹于1998年在《Nature》上提出了小世界网络模型，和随机网络相比，小世界网络具有相似的特征路径长度，而且具有大得多的聚类系数。人们发现小世界网络广泛存在于生物学领域中的神经系统、基因网络，以及社会领域中科学协作网络、人际关系网中，在一些人工建造的物理系统中，例如世界航空网、互联网等也呈现出小世界特性。另外，在复杂网络领域研究中，有一个重大发现，就是很多大型的复杂网络都呈现出无标度（Scale-free）特性。无标度特性是指节点度概率分布遵循幂规律，即-γP（k）～k。很多现实网络中的节点度数呈现幂分布规律，比如引用网、万维网、新陈代谢网等。为了解释这种幂分布规律，巴拉巴西（Barabasi）和艾伯特（Albert）构建了一种无标度网络模型。他们指出无标度网络自组织的两个重要因素是增长和择优连接，即不断地有新的节点加入网络中，新加入的节点优先与网络中已有节点中度数较大者连接（即所谓的“富者更富”现象）。
实际上，从1882年法国人M．德波列茨建成世界上第一个电力系统雏形到现代电力系统的形成，电力网络已经发展成为世界上规模最为庞大、结构最为复杂的网络系统之一。以北美电网2003年数据为例，115～765kV电网中就拥有多达14 099个变电站和19 657条支路。电网系统本身的结构及其演化规律具有内在的本质特性，一旦确定下来，必然对电网系统的性能及安全性产生深刻的影响。文献［58］验证了美国西部电网是一个小世界网络。文献［118］对巴西电网进行了分析，证明其具有小世界特性。鲁宗相等对中国电网的分析发现中国部分电网也是小世界网络。复杂电网系统传播的是电能，如果从网络动力学角度看，各种网络行为在具有小世界特性的电力网络上的传播将会是十分迅速的。这是因为小世界电网所特有的较小特征路径长度和较高聚类系数等特性，对故障的传播起推波助澜的作用。这是由于，聚类系数对应着故障传播的广度，特征路径长度代表着故障传播的深度，而特征路径越小，故障在网络中传播的深度越大。小世界网络兼具大的深度和宽的广度，所以传播的速度和影响范围要大大高于相应的规则网络和随机网络。这就意味着一旦电力系统中某一元件发生故障，那么就很有可能在整个网络的范围内快速蔓延扩大，如果没有及时有效的预防和控制手段，即使是微小的局部故障都有可能演化为恶性的大故障，从而导致整个网络系统的崩溃。目前，基于小世界网络的电网研究还比较集中于电网拓扑分析、特征参数对电网安全性的影响，小世界网络的动力学行为对电网连锁故障的影响等。
1999年，巴拉巴西在《Science》上发表文章认为美国西部的高压电网（包括4 914个节点）度分布近似服从幂律形式，其幂指数r=4.0。大停电事故发生以后，艾伯特等人对北美115kV以上电力网络（包括14 099个节点，19 657条线路）进行了更为细致的统计研究，认为电力网络度分布更趋向于指数形式，并且可以近似表示为-0.5kp（k）～e。文献［63］在艾伯特等人研究基础上，研究了200kV以上北美电网的分布特性，统计发现高电压等级的电网能更好地满足无标度分布，并得到北美东部互联电网的幂指数r=3.09。文献［64］分别统计了1995和2002年全国电力网的顶点度分布。发现处在“尾部”的各个数据点相当好地落在双对数平面上的一条直线上，γ分别等于4.9、5.2；对华中电网1990、1995及2002年的统计数据显示，华中电网也呈现无标度特性，幂指数r∈［2.4，3］。在无标度网络中，高度数连接的节点在统计上是有重要意义的。无标度网络的大多数节点只有少数的连接，而仅有少数的节点有非常多的连接。这些高度连接的节点（中心）完全控制网络的连接性和拓扑，和同等规模的随机网络相比，电力网络中高度数节点出现的概率较大，处于指数分布与无标度分布之间，这一点在中国电力网络实际数据中得到了验证。文献［65—68］从广义物理网络的角度认为，正是由于网络节点分布的异构性（Heterogeneity），才使得电网具有无标度网络的连锁故障特性。文献［65］通过仿真得到，由于许多高度数节点控制着网络的拓扑，所以它对随机故障是有抵抗力的。一个随机节点出现故障或许只是小范围的（大多数节点如此），这样的代价是可以牺牲的，另一方面，这样的网络又容易受到对中心节点有预谋的进攻的破坏。文献［48］首次从电网节点度分布的角度分析了高度数节点对连锁故障的影响，后来作者在文献［60］里进一步比较了高度数节点及高度数节点对电网连锁故障的影响。文献［67］研究了当电网平均度数不变，如何通过调节网络节点度分布来优化电网结构，减少负荷损失的问题。文献［69］指出，利用复杂网络理论，特别是节点度数、节点介数、线路介数等概念，可能有助于搜索电网中的关键元件（Hub点），快速分析不同拓扑结构以及运行状态对Hub点的影响。
网络的小世界特性和无标度特性并不完全冲突，小世界特性主要反映节点间联系的紧密程度；而无标度特性反映的是节点边的分布特性，只是两者的侧重点不同。正如美国西部电网所示，其很好地满足了小世界特性，又能一定程度上满足无标度特性，只是其幂指数γ达到4.0（趋近指数分布），网络主要体现的是小世界特性。为此，文献［70］提出了一种既有小世界特性又能体现节点无标度分布的网络生成模型。曹一家等人考虑了广泛存在的“邻域”现象，建立了一个邻域网络模型。这种网络模型通过参数变化可以使节点获得从指数分布到幂律分布的过渡，研究成果有望更好地模拟现实世界电网的演化过程。Yook等人则提出了复杂加权网络，即在复杂网络中不同节点间作用的强度是不同的，通过引入边的权值更好地反映了网络的耦合强度。复杂加权网络能够更贴切地描述实际复杂系统，提供了人们深入探索实际复杂系统特性和复杂行为的一个数学工具，也拓展了复杂网络在实际中的应用。汪晓帆等认为，实际世界的复杂网络大多数是时变的，不同的边不但具有不同的耦合强度而且还是时变的，从而提出了一个广义时变的复杂动力网络模型。该模型在研究复杂网络动力学行为上获得了广泛应用。
研究表明，电网系统安全事故的复杂性主要表现在：
①电网的大规模性和行为的统计性。
②电网连接结构的复杂性。电网虽然是一个人工网络，但其连接结构却显然既非完全规则，又非完全随机，具有其内在的自组织规律。
③电网节点动力学行为的复杂性。电网拓扑模型中的节点为发电机、变压器和变电站，各个节点本身就是典型的非线性系统，均可以表现出复杂的非线性动力学行为。
④电力故障的不可预测性。电网与复杂多变的外界环境密切相关，它随时随地都可能受到来自自然或人为因素的干扰，具有不可预测性。
⑤电力网络结构时空演化的复杂性。
⑥电网安全事故时空分布的复杂性。
上述特征①～④属于存在复杂性，特征⑤、⑥则主要体现了演化复杂性。在复杂电力网络的时空演化中，包括安全事故引起的大停电机理及其演化特征在内的复杂性，是迄今尚未解决的一类难题。因此，电网系统的复杂性给复杂性科学、非线性动力学等交叉科学提出了一系列极富挑战性的新研究。（2）电网系统安全事故的自组织临界性
近年来，复杂系统理论成为研究的热点，其代表性的成果之一是自组织理论。自组织理论主要包括耗散结构理论、协同学原理、超循环理论等。自组织理论认为：客观实际存在的系统都是开放系统，即系统与外界环境存在着物质交换、能量和信息交换。对于开放系统来说，系统受外界环境的影响，有可能从无序态向着有序态方向发展，也可能从某一个有序态向另一种新的有序态方向发展，从而自发形成宏观有序现象。自组织临界性（Self-organized criticality，简称SOC）是丹麦科学家帕·巴克（Per Bak）等1987年在Physical Review Letters 杂志上提出来的，主要用以解释广义耗散动力学系统的行为特征。在这种耗散动力系统中包含众多发生短程作用的组元，自发地朝着临界状态演化。在临界状态下，小事件会引起连锁反应，甚至能对系统中任何数目的组元产生影响，最终形成宏观规模的连锁反应，这是自组织临界系统动态特性的本质。能说明这一现象的最简单例子可能是沙堆模型（Sandpile）。设想在一个平台上通过任意加沙子来堆砌一个沙堆，一次加一粒，随着沙堆的升高，它的坡度逐渐增加，当斜坡的斜率达到某一数值时，沙子就会滑落到地面，如果达不到这一阈值，沙子会继续沉积。因此，可以认为沙堆斜率存在一个稳定阈值。一旦沙堆斜率小于该阈值时，不会显示宏观的流动，运动相对无序；斜率大于该阈值时，一定显示宏观的流动，表示相对有序运动，就会出现沙堆坍塌。沙子的沉积最终使系统演化到一个临界状态，系统恰好处于稳定性的边缘上，此时每增加一粒沙子就有可能产生具有各种时间和空间尺度的沙堆坍塌，它们满足幂定律分布。这个动力学吸引子就是所谓的自组织临界状态。达到这样的状态以后，系统的时空动力学行为不再具有特征时间和特征空间尺度，而表现出覆盖整个系统的满足幂定律分布的时空关联，它包括四种现象，如突变事件的规则性、分形、1/f噪声、标度律。在宏观表现上，小事件的发生概率比大事件大，但大小事件都起源于同一机理。也就是说外界一系列的微小扰动都有可能使得系统发生大大小小的“雪崩”（Avalanche）事件。如果这些雪崩事件在空间上表现出分形结构，在时间上出现1/f噪声，即出现时空幂律（Power-law）分布，则表明系统呈现自组织临界性。
卡雷拉斯（Carreras）、纽曼（Newman）和多布森（Dobson）等人首先将自组织临界理论引入电网大停电机理研究。他们分析了北美地区停电事故数据，认为停电规模的概率分布服从幂指数律，初步证明了北美电网具有自组织临界特性。例如，图1.2表现了美国东部电网负荷损失的幂律尾现象。他们进一步对比了电网和沙堆模型的行为特征，发现二者具有高度一致性，并从物理学角度解释了这种相似性，见表1-2。
我国学者也相继开展了电网系统的自组织临界特性研究。文献［82］综述了电网复杂性和连锁故障机理的研究进展，提出预防电网连锁故障，须寻找降低系统风险的作用力。文章认为，这种作用力包含非常复杂的社会和经济等外部因素，以及电网众多设备与运行环境和运行人员的交互作用。文献［83—84］应用自组织临界性的概念，深入探讨了电网大停电的两个基本特征——时间效应的1/f噪声和大停电规模分布演化的标度不变自相似性（分形），并结合Hurst指数，说明存在预测大停电的可能。文献［81］利用中国电网的停电事故资料，基于分形思想，构建了停电事故的损失负荷数与频度的关系模型。文章认为停电事故的自组织临界特性客观存在，而分形的幂律值是一个依赖于不同标度的相对变化的数值。通过同一“标度—频度”下的比较，发现东北与西北电网的幂律值相近，华中与南方电网的幂律值相近。文献［85］将极值统计理论应用于电网停电事故的自组织临界性研究，证明了在电网停电事故的“标度—频度”幂律分布特征下，停电规模的极值分布是极限收敛于I型渐进分布，并将这一结论用于我国电网的事故预测分析。文献［86］从停电持续时间分布的角度，对电网停电事故的1/f噪声特点做了进一步证明。文献［87］定性地认为，电网大停电的演化具有符合协同学理论的自组织过程，并借用山体滑坡理论，提出一种协同学预测模型，对电网的崩溃时间进行预测。图1.2 美国东部电网负荷损失的幂律尾现象表1-2 电网系统与沙堆模型的相似性
由于电力系统所表现出来的存在复杂性和演化的复杂性，特别是大停电的自组织临界性，使得传统的还原论方法无法全面地评估日趋复杂的大电网结构安全性及演化的安全性。对于具有自组织临界特性的电网而言，除非有作用力促使系统得到改进，否则系统就会趋向临界状态。而这种促进系统风险降低的作用力，包含了非常复杂的社会和经济等外部因素，以及电网的众多设备与运行环境和运行人员的交互作用，从快速的继电保护装置，到中长期的电网建设规划，都属于这种作用力的根源。如何找出有效又经济的改进措施避免系统进入临界态，是复杂性科学的相关理论在电力系统灾变研究中扮演的重要角色。1.2.4 电力系统连锁故障安全风险研究进展
电力系统连锁故障是造成电网停电事故的重要原因之一，也是研究电网故障机理和安全风险的热点。连锁故障（cascading failure），又称连锁停运（cascading outage）。根据北美电力系统可靠性委员会（NERC）的定义，连锁故障是指系统中两个或多个元件相继停运的故障情况。换句话说，电力系统中第一个元件的失效引起第二个元件失效，而第二个元件的失效又引起第三个元件失效，以此类推。长期以来，对电力系统连锁故障的研究都集中在单个元件的安全性，通过对系统中各元件建立数学模型，以时域仿真形式对系统进行动态分析。这种分析方法对简单故障模拟起到了很好的作用，但在深入分析电力系统连锁反应事故和大停电事故等系统动态行为方面有明显的局限性。过分注重各元件的个体特性，很难揭示系统整体的动态行为特征。事实上，电网本身的结构及演化规律具有内在本质特性，一旦确定下来，必然对电网的性能及安全性产生深刻的影响。随着区域电网系统规模的不断扩大，一些偶然性因素的相互叠加总是超出了人们的预测和实际的可控范围，常规的N-1或N-k规则校验及安全分析，很难适应这种要求。因此，迫切需要发展新的系统分析方法，从安全风险理论的角度来研究复杂电网系统的动态行为。
目前，国内外关于电网连锁故障的研究，绝大多数所考虑的电网连锁故障的发展模式为：“初始故障后，电网因大负荷转移而造成了继电保护相继动作跳开电网元件”这种模式。但由于电网的连锁故障形式多样，故障参数各异，故障深度不定，且搜索连锁故障需要模拟保护动作性能和安全自动装置的控制措施及随机因素，因此连锁故障模式的搜索和分析十分困难。为解决该难题，研究人员通过抽象、简化、降阶、统计等各种方法建立了多种分析模型。文献［92—93］介绍了美国南方电网公司使用的一种大规模系统输电可靠性评估工具TRELSS（Transmission reliability evaluation of large scale systems）。通过筛选，设定了600个一般的初始扰动事件和250个严重事件，用潮流计算判断节点电压越限及支路的过负荷情况来分析系统可能发生的连锁故障，并制定相应的风险分析指标。文献［98］提出了一种针对连锁事件快速响应的动态决策事件树（Dynamic decision-event tree，DDET）的思想来分析和处理连锁故障。目前，电力系统的连锁故障模型除了经典的模式搜索法外，还有基于复杂系统理论的建模法。（1）OPA模型
OPA模型由美国橡树岭国家实验室ORNL（Oak Ridge National Laboratory）、威斯康星大学电力系统工程研究中心PSERC（Power System Engineering Research Center）和Alaska大学的多位研究人员共同提出的，简称OPA模型。OPA模型的核心是以研究负荷、发电机、传输能力变化为基础，探讨输电系统系列大停电的全局动力学行为特征。主要思路是，随着电力系统的发展，系统发电能力和负荷水平不断上升，线路潮流相应增加，当线路潮流接近线路传输极限时会以一定概率开断，而一条线路的开断又会导致其他线路潮流增加，继而导致其他线路相继开断，最终形成级联的连锁故障；另一方面，由于过载而开断的线路会被认为需要进行建设改造，以增加线路的安全性。OPA模型涵盖了慢速和快速两个时间量程。慢过程描述的是几天到几年时间段内负荷增长和针对故障的电网性能改善，这两种作用力都可能将电力系统的自组织推向动态平衡；快过程描述的是几分钟到几小时的时间段内线路连锁故障的大停电过程。连锁故障研究和电力系统复杂性研究的时间尺度差别很大，OPA模型很好地兼顾了这两个时间尺度。利用OPA模型对IEEE118母线系统和人造382母线树状网络的仿真结果显示，其概率分布的幂尾区域与NERC停电数据是高度一致的。（2）隐性故障模型
隐性故障（Hidden failure）模型首先由索普（J．S．Thorp）等提出，用于研究电力系统继电保护装置误动对系统的影响，应属于模式搜索法的范畴。为了更好模拟保护特性对大停电自组织临界性的影响，凯尔特（Jie Chert）等人简化了隐性故障模型，采用直流潮流仿真连锁故障过程，进一步解释了电力系统的自组织特性。电力系统中线路有功潮流的大规模转移和保护的不恰当动作是连锁故障发生的主要原因，而保护系统中存在的隐性故障则直接推动了连锁故障的发生。隐性故障是指保护装置中存在的一种永久缺陷，这种缺陷只有在系统发生故障等不正常运行状态时才会表现出来，其直接后果是被保护元件错误断开。电力系统的隐性故障通常由其他事件触发，发生频率不高，但其结果却可能是很严重的。文献［104—105］则进一步考虑了频率变化对负荷影响、调度人员对故障反应等因素建立了改进的隐性故障模型，丰富了连锁故障搜索模式。（3）CASCADE模型
CASCADE模型是抽象概率模型，用以模拟连锁故障下，系统可靠性不断被削弱的过程。CASCADE模型所模拟系统初始具有n个相同的元件，各元件具有随机初始负荷L，所有初始负荷均匀分布于minmaxfail区间［L，L］内。当元件的负荷大于阈值L时元件发生故障，该元件所承载的一部分负荷P转移至其他未故障元件，导致其他元件由于过负荷而发生故障，由此引发连锁故障过程。CASCADE模型中，引发连锁故障的初始扰动为使所有元件的负荷增加d，d的大小为节点初始负荷的一定比例。CASCADE模型推导出故障元件数的概率分布的解析表达式。该概率分布是归一化初始扰动d、归一化负荷转移量P和系统的元件数n的函数。文献［106］表明，随着故障时每一元件转移负荷增加量的不断加大，可以得到故障元件数量概率分布曲线：该概率分布曲线由“指数尾”变化到“幂律尾”，再变化到包含了系统崩溃的概率分布。而一旦“幂律尾”或系统崩溃概率的情况发生，产生连锁故障的风险会显著增加。
尽管CASCADE模型并未完全反映出电力系统的固有特性，然而只要选择恰当的负荷水平，该模型所产生的故障元件数的概率分布会呈现出与NERC历史故障数据概率分布相似的幂律分布特征。（4）分支过程模型
分支过程（Branching process）模型与CASCADE模型相似，分支过程引入参数λ给出了连锁故障传播定量分析方法，简化了数学模型。Galton—Watson分支过程认为故障由进程产生。每个进程的故障按照概率分布进一步独立地产生故障。分支过程是短暂的离散时间k-1马尔科夫过程，其行为由参数λ控制。第k阶段的平均故障数目是θλ。次临界状态λ＜1，故障消失阶段的平均故障数目呈几何数下降。超临界状态λ＞1，尽管有可能这个过程会停止，但故障通常是无止境增长的。对于普通的分支过程（假定不是每个故障引发的后继故障都符合泊松分布），在临界点上，故障数的概率分布呈现指数为-1.5的幂律，分支过程中这一幂律普遍性是连锁故障的直接表现。
分支过程中的临界性和超临界性表明存在高风险连锁故障。在分支过程中根据简单的准则，保持足够的亚临界状态可以限制故障的传播并降低风险。然而使用这样的准则来降低连锁故障风险要求降低系统的可传输量，这个损失是严重的。事实上，对于大停电，经济性、工程和社会的压力会使系统向自组织临界发展，降低风险必须考虑这些更宽泛的动态特性。分支过程近似抓住了连锁故障的主要特征，并提出了通过限制平均故障传播来降低连锁故障的方法。
此外，在传统OPA模型的基础上，还衍生出了多种连锁故障模型。文献［108］认为直流潮流无法反映无功及电压对潮流计算的影响，提出了基于交流潮流的Manchester模型。梅生伟等进一步认为，Manchester模型没有考虑运行的经济调度，从而提出了基于最优交流潮流（OPF）的OPA模型。文献［60，62］以网络平均连通度作为评价指标，建立了电网的连锁故障模型。P．Crucitti对电网的每条支路定义了传输效率ε电能沿两节点间传输效率之和最大的路径传ij输，节点被效率最大路径通过的次数记为该节点负荷。节点的负荷受其容量限制，负荷一旦超出容量，就设定为故障状态。模型以故障结束后整个电网的平均输电效能为连锁故障规模的评价指标。文献［112］结合上述两个模型，把电力系统FACTS装置引入故障模型中。即当节点的介数超过其运行容量而低于其运行极限时，按过负荷比例增大与过负荷节点相关的线路的电抗，从而减小最短路径通过该节点次数；而当节点的介数超过其运行极限时，所有与之相关的线路的电抗值均变为无穷大，该节点退出运行。最后采用因节点退出运行而导致的失负荷（用户损失功率）来评估故障后果。1.3 电网系统大停电事故的预防研究
现实的电网系统与外在复杂环境具有密切的联系，它随时都可能受到来自自然灾害的影响或人为因素的干扰，要完全防止事故的发生是不可能的。加强电网系统的规划建设，增强系统本身的抵抗力，减少电网系统连锁故障发生的可能性，使系统事故的范围尽可能小、持续的时间尽可能短是区域电网安全风险预防与控制研究的目标。预防电网事故风险是一个系统工程，就系统建设和管理而言，从宏观上规划建设阶段就要考虑未来系统的安全，以减少系统建成后的隐患，同时还需要考虑系统中长期的运行稳定；从微观上需要提高系统在扰动状态下的稳定能力。以特高压电力网络为主干的坚强智能电网系统，在这方面具有明显优势。
事实上，每次大停电事故都存在一定的内在演化规律，可以划分成若干阶段，每个阶段又都存在着终止多米诺骨牌效应的几率，只是未能及时把握住它们。若能有效地掌握导致灾变的全局特性以及由偶然故障演变为灾难的规律和机理，就能针对各个演化阶段的特点，优化统筹各阶段对策，有效预防和减少大停电事故。
目前，国内外电网多采用确定性的安全校验方法来预防电力系统发生连锁反应事故：即潮流、稳定计算检验是否会发生连锁性大面积停电事故，从而提出预防措施。国外不少电网（如美国的BPA）及我国现行的《电力系统安全稳定导则》都是这种模式。《电力系统安全稳定导则》定义了经典的“三道防线”概念，意在不同的时刻通过不同的手段预防连锁故障的发生，降低故障损失。在一般故障发生时，由第一道防线保证不中断供电；在严重故障发生时，由第二道防线保证系统完整性；在发生特别严重的故障时，由第三道防线确保系统解列后尽量减少大停电的规模和时间。第一道防线中，除了系统规划和运行优化外，还需要考虑继电保护特性；第二道防线由区域型紧急控制装置组成；第三道防线包含振荡解列和低频/低压切负荷等分散控制。其中第三道防线的目标是针对那些难以预计的复杂故障。
随着计算机技术、通信技术的快速发展，以太网（Ethernet）正逐步取代工业控制的现场总线。许多地区在高压变电站间铺设了SDH（Synchronous Digital Hierarchy）光纤环网，可将信号传输延时控制在4m/s以内。文献［113］提出了能满足“三道防线”要求，由快速保护、安全自动控制和紧急控制以及系统振荡检测构成的广域保护系统。该系统基于以太网和SDH光纤环网的广域保护系统构架，采用分布式控制模式。文献［114—116］提出了自愈（Self-healing）电网控制的概念，认为电力系统的自愈控制满足：①及时发现、诊断和消除故障隐患；②具有故障情况下维持系统连续运行的能力，不造成系统的运行损失。依托先进的信息技术和SCADA/EMS的发展完善，文献［116］采用快速的分布式实时监测、控制和慢速的全局控制相结合的策略，提出了电网自愈控制系统“2-3-6”控制框架。
薛禹胜认为现代电力系统应该能够将监控和数据采集（SCADA）系统及能量管理系统（EMS）扩展到动态范畴的DSCADA/DEMS；能实现在线的稳定量化分析和预决策；实现预防控制、继电保护、紧急控制、校正控制和恢复控制的自适应优化及协调。基于此，提出了一个广域监视分析保护系统的大停电防御框架。该框架包括广域的静态和动态测量、安全稳定性的量化分析、各道防线（即控制措施）在空间中的协调问题、各道防线在控制时间上的优化协调等。文献［120］也强调当发生故障时，快速准确的保护动作可以防止故障的进一步扩大，建立一个基于广域网测量的保护和安全控制系统，可以从根本上预防电网连锁故障引起的停电事故。1.4 电网建设安全风险研究发展趋势
综合国内外电力安全风险的最新进展，可以看出，电网安全管理水平在不断提高，电力系统稳定破坏事故的次数明显下降。随着现代科学技术的发展，各种新能源的开发，区域大电网的建设和发展，特别是智能电网建设和应用，电网建设安全风险将在如下几个方面取得显著进展：（1）未来电网建设的安全风险将伴随着智能电网的发展，从一个全新的角度展现出来。电网已成为工业化、信息化社会发展的基础和重要组成部分。同时，电网也在不断吸纳工业化、信息化成果，使各种先进技术在电网中得到集成应用，极大提升了电网系统功能。智能电网必须能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用。它应该不容易受到自然灾害的影响。智能电网必须运行在供求平衡的基本规律之下，保证价格公平且供应充足。智能电网必须利用投资，控制成本，减少电力输送和分配的损耗，电力生产和资产利用更加高效。通过控制潮流的方法，智能电网以减少输送功率拥堵和允许低成本的电源包括可再生能源的接入。智能电网的最终目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全。解决这些问题本身不是一朝一夕的事，还有很多的工作要做，安全风险问题是每一项内容首先要考虑的。（2）市场环境下的电网建设规划面临更多的市场不确定因素，包括规划期内的电源建设、负荷变化和系统运行方式变化等不确定性，新的市场环境下如何处理这些不确定性因素，仍将是电网建设安全风险的重要研究之一。（3）随着区域大电网的建设和发展，电网事故更多的表现为自然灾害的冲击和电源结构的不确定性，以及影响的范围和破坏程度的不确定性。为抵御日益频繁的自然灾害和外界干扰，电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。如何运用传感器技术和现代信息技术解决这一问题仍将是未来电网建设安全风险的研究重点之一。（4）在实现智能电网的管理过程中，通信网络的完善和用户信息采集技术的推广应用，促进了电网与用户的双向互动，信息的安全风险问题将是未来电网面临的新问题，如何在电网结构脆弱性方面进行现代电网的信息安全风险评估、预测和预防，将是未来电网建设的一大研究。（5）现代新兴学科，如：非线性科学、自组织理论主要包括耗散结构理论、协同学原理、超循环理论等，虽然在解释电网系统复杂性，以及电网事故发生的不确定性方面取得了一些进展，但在电网安全事故的定量预测和风险分析方面仍停留在理论上，离实际应用还有一定的距离，这是目前面临的一大研究。（6）在智能电网运行模式下，如何加强电网系统的规划建设，增强系统本身的抵抗力，减少电网系统连锁故障发生的可能性，使系统事故的范围尽可能小、持续的时间尽可能短是区域电网安全风险预防与控制研究的目标。在目前三道防线的基础上如何进行优化设计，国外电网（如美国的BPA）及我国现行的《电力系统安全稳定导则》控制模式是否适用，如何完善，都是未解决的问题。（7）随着现代科学技术的发展，电力系统的安全稳定问题还涉及一些相关的社会问题，如智能电网运行模式下，人们的风险意识及社会责任将如何界定，电网事故对经济系统的影响如何，电力安全、电力设施及管理系统的相关法律法规将有哪些变化等等，都是未来需要解决的。“安而不忘危，治而不忘乱，存而不忘亡”是中国历史上“防灾克难”的重要经验。正如司马相如所言：“明者远见于未萌，而智者避危于无形”，电网要防患于未然，必须做好电网系统的安全风险防范，提高电网防灾减灾能力。结合电网的规划、设计、建设和安全运营管理，从自然因素、技术因素、社会因素、法律因素、经济因素、管理因素等方面全面认识电网安全风险，提出更为科学、更为有效的应对策略措施将是区域电网建设安全风险研究的必然趋势。第2章 国内外典型大停电事故对我国电网建设安全风险防范的启示2.1 前言
随着科学技术的不断发展，电网系统逐步完善，电网建设和管理水平在不断提高，电网的安全稳定性和可靠性大大增强，电网停电事故的次数明显下降。但是自然灾害、一次和二次设备故障、局部电网结构薄弱等事故因子客观存在，仍是威胁电网安全的主要因素。由此引发的电网大面积停电事故也时有发生，这些事故主要有：自然灾害引发事故、一次设备故障引发事故、安全自动装置及继电保护装置异常引发事故、控制及辅助系统故障引发事故、通信及自动化设备事故、安全管理责任事故、外力破坏事故、发电厂事故、电网振荡事故等，其中自然灾害引起的事故占到70％左右。很多自然灾害都对电网具有极强的破坏性，特别是2011年日本特大地震及引发的海啸灾害造成核电设施破坏、电网大面积停电等等。这些事故不但会对电网本身造成巨大的损害，而且，由供电故障引发的其他设施瘫痪等问题也会造成巨大经济灾害损失和社会影响，给经济发展和人民生活造成严重影响。
本章将以美加“8·14”、莫斯科“5·25”、欧洲“11·4”、中国南方冰冻灾害引起的大停电事故以及日本大地震引发的系列停电事故的形成过程为背景，借用安全工程学中的“5M模型”进行分析解读，并提出电网建设应对大面积停电安全风险的策略措施。2.2 国内外典型大停电事故分析2.2.1 美加“8·14”大停电事故分析（1）事故概况
2003年8月14日，美加大停电是历史上典型的停电事故。事故影响到美国俄亥俄、密执安、宾夕法尼亚、纽约、佛蒙特、马萨诸塞、康涅狄格和新泽西及加拿大安大略省的约61 800MW的电力负荷，该地区估计有5 000万人口。停电在美国东部夏令时间下午4点多开始，一直持续到16时10分46秒。估计此次事故给美国造成的总损失在40亿～100亿美元之间。在加拿大，8月份的国内生产总值下降了0.7％，安大略制造业运输量下降了23亿加元。（2）事故发展过程根据美加联合调查报告，此次事故经历了如下几个阶段：第一阶段：事故当天12时15分，MISO SE出现问题，线路状态估计错误。13时31分31秒Eastlake 5#机组停止图2.1 停电事故发生时的纽约街头运行。14时02分，由于与树木发生接触，Stuart-Atlanta 345kV线路跳闸。从14时14分开始，具有警报功能的主计算机发生故障，而备用计算机在14时54分停止运行。
第二阶段：15时5分到15时57分，由于输电线路重载自然下垂加剧，输电走廊植物生长超限，与导线发生接触，Harding-Chamberlin的345kV输电线路过载跳闸。由于计算机故障，缺乏FE系统数据，IT报警系统失效。PJM和AEP没有认识到系统的危险程度。
第三阶段：15时39分到16时8分，由于345kV和138kV输电线路停止供电，138kV总线上实际电压下降，使得大量工业用户对电压敏感的设备因电压下降而自动离线，最终有约600MW的负荷离线。16时5分57秒，Dale-West Akron的138kV线路和Sammis-Star的345kV线路跳闸。16时08分，FE的输电系统解列，产生了意外的电涌。在巨大的负荷作用下，俄亥俄东北部的一系列线路因3区阻抗继电器的动作而加速跳闸。
第四阶段：16时10分36秒后，俄亥俄西部线路跳闸。之后，跳闸发展到密执安，将密执安的西部和东部分离。安大略的东西部联络线也出现过载和跳闸，使安大略西北部与Manitoba和明尼苏达连接。整个美国东北部和安大略省东部与互联电网其他部分隔离，形成大孤岛。
第五阶段：16时10分46秒，东北部的大电气孤岛发电能力小于负荷，并因较大电涌和频率，加上电压波动而变得不稳定，造成故障地区多条线路和发电机组跳闸，并将整个地区解列，分成几个电气孤岛。部分较小的孤岛内部出现发电和负荷的不平衡，线路和发电机组不断跳闸，直到在每一个孤岛内建立起平衡，并开始供电。（3）事故安全因子分析
8月15日，由美国和加拿大政府部门组成了此次停电事故的联合调查组，对事故进行了全面调查。根据调查结果分析，事故的起因受到如下安全因子的影响：
①输电网因子本身的影响
输电网因子的影响是造成本次事故的重要原因。该电网是一个跨国互联电网，连接了美国东北部和加拿大安大略地区，包括345kV线路和138kV线路若干条。首先，在俄亥俄内的其他输电线路停电和电压状况变坏之后，俄亥俄境内的Sammis-Star 345kV线路停电引发了其他多条线路跳闸。其次，3区阻抗继电器因过载而动作致使许多关键线路跳闸。再次，美国东北部输电线路、发电机组和欠频负荷削减的继电器整定可能不完全合适。另外大批发电机组停运，许多线路因重负荷和低电压，由距离3段跳闸，长线甚至出现距离1段跳闸，加剧了事故后果。
②电网保护系统因子的影响
保护系统因子的影响也是造成该事故的重要原因。低压减载未曾设置，发电机组的保护措施与系统没有进行很好协调。
电网保护系统设计不完善，在线静态安全分析和状态估计工具不力。FE由于计算机故障没有进行N-1事故分析，报警装置失效，调度员对电网系统的实时状态失去监视。MISO没有及时维护状态估计设备，未对系统危险状态进行密切监视，也未向FE提供正确的电网系统信息。MISO采用离线数据进行输电断面输送容量的计算，没有掌握准确的系统信息。
③风险管理系统因子的影响
风险管理系统因子的影响是造成此次事故的又一重要因素。FE和MISO调度员缺少良好培训，特别是应对恶性紧急事故的培训。MISO未能及时掌握断路器的操作信息。PJM和MISO缺少处理控制区域之间联络线过载的预案。系统缺乏应对防御线路连锁跳闸、系统稳定破坏和大面积停电的意识和措施。
④外部环境因子的影响
输电走廊维护不够，沿线树木超过规定的高度，没有及时修剪，这是造成停电事故的重要因素。故障伊始，多条线路对树放电跳闸。故障使得故障线路产生了低电压和大电流，并迅速触发了断路器，使该线路与电力系统的其余部分切除。2.2.2 莫斯科“5·25”停电事故分析（1）事故概况
莫斯科当地时间2005年5月25日上午10时，莫斯科东南部卡波特尼区内恰吉诺变电站由于超负荷运行，站内一个配电设施发生短路，引起爆炸和起火连锁反应。为避免发生更大事故，电网自动启动防险装置，切断了低压线路，同时引起其他变电站和110kV及220kV线路跳闸，从莫斯科市南部地区开始引发大面积停电事故。莫斯科南部地区卡波特尼、马里伊诺、比柳列沃、切尔塔诺沃地区首先发生停电事故，之后莫斯科南部的列宁大街、梁赞公路、恩图济阿斯托夫公路、奥尔登基区及其他地区先后停电，莫斯科市附近图拉州、波多尔斯克州、卡卢加州的25个城市也随之断电。此次大规模停电事故，影响2人口约200万，莫斯科市以南200km范围内的地区受到影响。停电地区的电车和部分地铁线路停运，移动通讯信号受到影响，很多商场也停止营业，俄罗斯政府部门、医院等设施受到影响。停电事故还导致莫斯科的公寓楼和商业中心内的电梯停开，并致使莫斯科的外汇交易所暂停业务交易时间长达2h。到26日下午14时，莫斯科的电力供应才完全恢复。（2）事故因子分析
根据此次事故的调查报告及相关资料分析，引起此次停电事故的安全因素包括：
①输电网因子本身的影响
电力设备的老化问题是事故发生的直接原因。发生故障的变电站是运行了多年的变电站，按照设计使用年限，1997年就应将相关设备报废或进行更新，实际直到2003年才进行相应的更新改造工作，这很难保证设备具有良好的运行状态。
调度安排不合理。在变电站只有一台变压器维持供电的情况下，调度人员应该考虑到该变压器的承受能力和当地的负荷特性，必要时应严格按照调度规程依次切除居民负荷、工业负荷以及重要负荷，确保大电网的安全稳定运行。
②保护系统因子的影响
没有设置报警系统，消防设施也不健全，还出现变电站无人值守的情形，因而没有对事故现场和变电站火灾情况做到很好的把握与控制。
③用户因子的影响
炼油厂是重要的电力用户，在实际运行过程中，为确保对炼油厂的供电而使变压器过载并发生爆炸，最终牺牲了所有负荷，发生大面积停电。
由于当时俄罗斯经济不景气，多年来大量用户拖欠电费严重，造成绝大多数电力公司的财务指标不断恶化，因缺少资金而无法保证正常的设备维修，更谈不上技术改造和建设新项目。
④风险管理系统的影响
风险管理不健全是造成此次事故的重要因素。这次事故中，风险管理因子主要包括调度管理和设备维护管理。调度管理主要是变电站人员工作协调不当和缺乏明确的操作规程。
从设备维护管理来看，没有对电力设备进行及时维修和采取相关预防措施。电网系统缺乏明确的操作规程，在事故发生前电力系统已处于超负荷运转状态，但变电站工作人员既未接到任何提示，也没有保持应有的警惕，特别是对老化设备的维护管理不到位。
⑤外在环境因子的影响
对电网建设的投资严重不足。据莫斯科电力公司2001年6月的统计，其固定资产平均老化率已经达到45％～47％。加上天气炎热，用电负荷快速增加，变电站不堪重负而引发事故，最终造成大面积停电。2.2.3 欧洲“11·4”停电事故分析（1）事故概况
本次停电事故起源于德国西北部，德国是由4个控制区组成，分别属于E．ON、RWE、EnBW和Vattenfall 4家电网公司管辖。2006年9月18日，Meyerwerft公司致函德国E．ON公司，称由于“挪威珍珠”号客轮要通过埃姆斯河进入北海，需要停运跨越该河的Conneforde-Diele双回380kV线路。德国E．ON公司通过计算校核，同意在11月5日1:00，拉停Conneforde-Diele双回380kV线路，并配合调整了11月5日0:00～6:00荷兰与德国的售电交易计划，并将该情况通报给相关的德国RWE公司和荷兰TenneT公司，2家公司的N-1的计算校核表明系统是安全的。
11月3日，Meyerwerft公司改变了原来的申请，要求客轮提前3h穿越线路。E．ON对自己的电网进行了安全校验，未发现N-1超限，便同意了造船厂的申请，但没有及时通报RWE公司和荷兰TenneT公司，一直到11月4日晚19:00，E．ON公司才将此情况通知RWE公司和TenneT公司。按照UCTE市场交易规则，8h以内的交易计划不能改变，因此，该线路停运期间无法改变德国与荷兰原有的输电计划。
11月4日21:39左右，E．ON电网公司调度人员停运了Conneforde-Diele双回380kV线路。21:41，德国RWE公司通知E．ON公司，临近的Wehrendorf-Landesbergen线路潮流很重。而实际上，E．ON侧（Landesbergen）保护设备动作电流设置为3 000A，与此相应的RWE侧（Wehrendorf）的保护设备动作电流只有2 100A。E．ON公司并不知道线路两侧的保护定值不同，因此，在此前的状态评估中，并未考虑此因素。在22:05之后，调度人员观察到Wehrendorf-Landesbergen线路电流超过警告限额，RWE和E．ON的调度人员通过电话联系，决定在380kV Landesbergen变电站进行合母操作，以减少线路的负载。由于时间有限，调度人员在合上开关前并未进行相应的仿真计算。然而该操作不仅没有像预期那样降低该线路的负载，反而增加了其负载，因电流超过了RWE公司的保护动作电流，致使该线路立即跳闸。
由于以上2条高压输电线跳闸，断面上其他联络线出现过负荷，连锁反应造成近20条线路在十几秒之内相继跳闸，导致UCTE电网解列为东北部、西部和南部电网3部分。在此情况下，各孤岛系统中发电和负荷严重不均衡。为保持系统频率稳定，除了南部电网规模较小，供需大体平衡外，其他各系统均采取了切除发电机组或切除负荷等紧急措施，从而造成大面积停电事故。
系统恢复过程中，在德国REW公司和E．ON公司、奥地利、克罗地亚、罗马尼亚和乌克兰电网公司运营机构的共同努力下，首先在西部电网和东北部电网成功并列，随后完成和南部电网的并列。欧洲UCTE电网在解列38min后重新并网，恢复供电。（2）事故影响因子分析
事故的直接原因是操作人员未严格遵循操作规程造成的。根据此次事故的调查结果分析，影响停电事故的安全因素主要有：
①输电网因子的影响
E．ON公司人员未严格执行N-1标准。E．ON及相邻电网在Conneforde-Diele双回线停运后的系统状态不满足N-1准则。
供电电源结构分布不均。在UCTE电网系统中，西部电网缺电较多，风电机组规模又很大，其中大部分连接在配电网上，而输电网调度对此又没有实时的调控能力。东部电网电力过剩，造成严重线路过载，从而造成电网的进一步解列。
②保护系统因素的影响
电网系统标准不统一。Wehrendorf-Landesbergen线路两侧保护定值不一致，尽管RWE和E．ON都是德国电力公司，但其技术规范尚有很大的区别。调度人员在事故中处理电网阻塞时，受到相关法规限制。
在UCTE电网中，大批2003年之前安装的风力机组采用旧的接入系统，还保持着原来的保护方式，紧急情况下实时调控风电场的能力不足。
③用户因子的影响
此次事故中，东北部电网、西部电网、南部电网解列后，可以看出，南部电网内部的供需大体平衡，原因在于其电网规模较小，用户的耗电较少，没有停电。东北部电网和西部电网都受到影响。
④风险管理因素的影响
E．ON公司临时变更停电计划，使得相关单位未能做好充分准备和计算校验。E．ON公司在Landesbergen变电站的合母操作前未及时与相关电网公司进行沟通，因此，相关电网公司之间的协调不当，造成相关单位准备不足。调度人员缺少良好的培训。
⑤外在环境因素的影响
很显然，跨越该河的Conneforde-Diele双回380kV线路，必然受到船舶航行的影响。为避开船舶通行的影响，不得不拉闸停电，这对电网系统的安全是一个值得关注的问题。2.2.4 2008年中国南方部分地区雨雪冰冻灾害停电事故分析（1）事故过程
2008年1月至2月，我国南方部分地区遭遇50年一遇的严重低温雨雪冰冻灾害，给电网造成了巨大的灾难。湖南、贵州、广西、江西、浙江、福建等省市的覆冰倒塔、断线事故，导致了电网的大面积停电、限电。大范围的冰雪灾害给我国南方各地区造成了巨大危害，骨干电网遭受严重破坏。从1月18日起已发展成近50年来最大面积、最严重的冰冻灾害。
罕见的冰冻灾害，使部分地区输电线路覆冰厚度甚至达到了80mm，短时间内倒塔、断线集中发生，对我国南方地区电网造成了极其严重的破坏。据统计，国家电网公司系统因覆冰造成的高压线路杆塔倒塌17.2万基，受损1.2万基；低压线路倒塔断杆51.9万基，受损线路15.3万km；各级电压等级线路停运15.3万条，变电站停运884座。南方电网公司系统杆塔损毁12万基，受损线路7 000多条，变电站停运859座。此次冰灾持续时间之长、影响范围之广、覆冰强度之大、危害程度之深实属历史罕见。受灾较重的湖南、江西、贵州电网最大负荷约为灾前正常负荷的70％左右，多条线路（含联络线）停运，此次受灾影响的电力用户涉及湖南127个县级供电企业，江西95个县级供电企业，贵州50个县级供电企业。此次电网受灾影响直到3月初才基本恢复。图2.2 2008年中国南方冰冻灾害引发的倒塔、断线事故（2）事故原因分析
根据事故调查结果分析，造成此次事故的重要因素有：
①输电线路因子的影响
电网抵御灾害的设计标准偏低是造成此次事故的内因。根据气象部门统计，2008年初，我国南方地区大范围持续低温雨雪冰冻灾害天气超过50年一遇，局部地区达到100年一遇，超过了我国现行规范规定的500kV电压等级线路30年一遇、220kV及以下电压等级线路15年一遇设计标准。本次冰冻灾害造成导线覆冰严重，现场实测受损输电线路覆冰厚度绝大多数超过了30mm，最大达到110mm，普遍为设计标准的4～5倍。这次灾害的极端气候条件超出了现行的电网设计标准，造成线路跳闸，线路倒塔，导致大面积停电。
一些地区电网装备水平偏低，以及设备老化，不能及时更换。一些运行30年以上的老旧线路有单杆单地线线路，普遍存在水泥杆裂纹，横担锈蚀，导线截面偏小等问题。如果设备自身存在的隐患不能及时消除，一旦发生自然灾害，可能引发更大的事故。
②保护系统因子的影响
在设计方面，有些220kV及以下线路未提供土壤电阻率，接地电阻设计值随意性大，有的线路整条线一个设计值；在基建方面，突出表现在水泥杆内部的钢筋上下不导通，接地体埋深不足或不按设计要求；一些输电线路接地电阻较高，线路接地装置缺乏必要的保护设施。
③风险管理系统因子的影响
在电网安全风险管理方面，一些省电网尚未有效地建立电网防灾减灾及应急管理机制，不能有效地预警灾害发生，不能及时监控灾情，很多情况下都是由巡线员或护线员在灾害发生时通过语音通信方式在现场描述灾情，这给电力系统的防灾减灾及应急指挥工作带来了困难，导致救灾工作延误、低效，甚至引发二次灾害。
④环境因素的影响
输电线路覆冰的危害主要表现为：引起闪络，断线、断股，杆塔倒塌、变形及横担损坏，绝缘子及金具损坏，线路舞动或对跨越物的闪络放电，对电力系统通信的影响等。我国南方地区广泛分布在低温冻雨气候环境，容易形成雨凇，这种气候导致了输电线路严重覆冰，覆冰厚度越厚，危害越大。
变电站选点及线路走廊选择不当是造成输电线路灾害的另一个重要因素。部分变电站的选点选在喇叭口、洼地、泄洪道弓背部、山脚等，是覆冰可能成灾区，规划和设计时输电线路走廊要尽可能避开这些地区，实在避不开时，输电线路要进行重点复核，特别在微地形特征较明显的地区要考虑加强杆塔设计。2.2.5 2011年日本东京停电事故分析（1）事故概况
北京时间2011年3月11日13时46分，日本本州岛仙台港以东130公里处发生里氏9.0级地震并引发海啸，根据相关报道，造成日本岩手县、宫城县、茨城县、福岛县沿海城市电力设施破坏，大面积停电。受地震和海啸影响，东京电力公司福岛核电站自动停止运转，并出现放射性物质泄漏，东京电力公司宣布，对东京市电网实施间断性停电的决定。受停电和灾害影响，包括日本新干线、东京地铁、部分企业等都出现了停止生产和运营的状况，至3月底，大面积停电仍未完全恢复。（2）事故影响因子分析
①输电网因子的影响
此次停电事故除了地震海啸对主要输电线路的破坏以外，主要供电电源——福岛核电站的停运（日本30％的电力来自核能），大量核辐射泄漏，也是导致此次事故的直接原因。
②保护系统因素的影响
日本属于地震活跃地带，作为一个大型的区域电网系统，作为防震等级较高的国家，东京电网应该对其所属重要输电线路进行足够的抗震设防，并制定有较高等级的海啸预防系统，此次大地震，刚好暴露了东京电网在这方面的缺陷。
③风险管理系统
应该说日本电力公司在应对地震风险方面是相对先进的，但在电源建设和安全管理方面，特别是地震和海啸同时来袭时，核电机组内部的安全设防，还是较薄弱的，此次地震和海啸的冲击，暴露出核电风险管理方面存在严重漏洞。
④环境影响因素
很显然，日本本身是一个地震多发地带，而且属一个大群岛组成的国家，在这样的环境中如何设计安全的供电电源是一个具有挑战性的研究，此次事故造成的大面积停电和核泄漏，本身也是一个值得关注的环境问题。2.3 国内外大停电事故对电网建设安全风险防范的启示
美加大停电事故、莫斯科大停电事故、欧洲大停电事故、2008年我国南方冰冻灾害停电事故以及2011年东京大停电事故既给我们敲响了警钟，也给了我们在电网建设安全风险防范方面很多的启示。（1）统筹协调，消除输电网自身原因造成停电事故的影响因子
一是我国电力发展长期“重电厂轻电网”，电网发展相对滞后，网架薄弱，抵御自然灾害能力不强，需要全社会高度重视，加快电网建设。
二是强化跨省跨地区电网紧急电力调度功能，支援抢险救灾和灾后重建。
三是要深入研究各电压等级和电网建设标准，保证严重自然灾害条件下主网安全稳定运行和对重要用户的持续供电，保障社会稳定和人民基本生活需要。
四是输电线路走廊，特别是主电网线路走廊要尽量避开崇山峻岭、线路高差较大、建设维护困难的自然恶劣环境。
五是随着区域内500kV网架的加强和发展，合理规划区域内主网架和负荷中心，合理分布电源点，避免故障时大范围潮流转移。电网规划应贯彻受端电源分层分区接入的原则，加强电源支撑，保留一定数量的主干电源装机接入220kV电网，提高区域电网的自我平衡能力。
六是尽可能分散电源接入或电网受电方向，特别是远距离输电，分散注入受端枢纽，避免重要断面、重要通道占受端负荷比重过大，以降低风险。
七是提高风电场、太阳能等机组接入技术，确保机网协调。随着我国新能源机组的不断增多，欧洲“11·4”停电事故的教训应引起重视。（2）规划完善电网保护系统，保障大电网供电安全
①推动电网跨区多通道多点互联，提高相互支援能力
从全局和大电网整体观念出发，加强不同区域、不同地区电网的联网规划，提高电网在严重故障下的区外来电和区内互供能力，避免大面积停电。加强受端电网建设，使其具备接受大规模电力支援的能力。
②优化电力结构布局，确保受端电网供电安全
为确保受端电网安全可靠供电，应优化电力结构布局，远距离输电与受端电源供电相结合，电网与铁路运输合理分工，形成输煤输电并举的能源输送方式，降低缺煤停电的风险。
③提高电网设计标准，增强输电网的抗灾能力
加强防风、防洪、防雷、防污闪、防覆冰的研究。对易发生倒塔、断线的输电线路，根据电网事故多发的原因，以及相关规则，结合相应的研究成果，制定区域内新的设计实施标准，提高设防等级。根据输电线路电压等级和重要性的不同，研究电网输变电工程建设和改造的技术标准，提高工程差异化设计水平，增强电网抵御自然灾害的能力。
④建立全网统一时钟的故障录波信息系统，以利于及时提出针对性的应对措施
加快区域内调主站和地调辅站调度端高级应用软件的开发，建立全网统一时钟的故障录波信息系统，以利于尽快分析和查明事故原因，隔离事故源，提出针对性的应对措施。
⑤加强电网“三道防线”，防止发生全网性事故
加强电网“三道防线”建设，提高电网的安全稳定水平和供电能力。建设一个网架结构坚强，电源布局合理的电网，在自然灾害导致电网发生极端严重故障时，通过预设措施，有序减载和解列，控制故障范围，保证重要地区和用户的供电，防止全网事故。
⑥加大设备检测改造力度，提高电网整体防减灾水平
对主设备在线运行跟踪监测，建立相应的电网设备在线检测的管理机制，确保及时发现和消除重大设备隐患。加强对不良绝缘子的检测及排除。加大接地装置检测工作力度，及时消除隐患。
对输电线路走廊的维护和专项清理整治，排查安全距离。对可疑点进行风偏校核，防止线路对超高植物或构筑物放电或超高植物在风灾、冰灾时倒伏在输电线路上，通过排查外部隐患和危险点以及杆塔补强、防风偏改造等提高线路抗灾能力。（3）加强电网建设安全风险管理，提高停电事故的应急处置能力
①建立健全电网重大事故应急处理机制，开展应急演习
电网是涉及公共安全的基础设施，关系公众利益，区域内政府要统筹考虑组建电网重大事故的应急处置机构，建立健全应急处理机制，加强应急管理，保证公共安全。同时，要加强对公众的应急教育，增强自助自救意识。电网企业也要进一步完善突发事故处理预案及“黑启动”方案，开展反事故演习，缩短停电时间。重点部门和单位要配置可靠的备用电源，保证在紧急情况下能够正常运转，最大限度地减少损失。
②开展电网系统的实时安全风险评估研究，实现最优调度技术支持
现代电网的安全运行状态已经很难想象仅凭经验判断。可以在设计、生产与技术部门之间组成统一领导、统一协调的研究组，充分利用生产和调度丰富的实时运行状态信息资源，紧密结合生产，研制一套完善的、优化的多目标电力系统安全风险评估系统，对电网系统的安全稳定性进行实时量化评估，实现最优调度技术支持。
③加强对并网发电企业的技术监督管理
建立严格的技术监督管理制度，加强对大型电厂、大容量机组监督力度。在设备选型、电力建设、生产运行、检修、技术改造等实施全过程监督，特别要加强并网发电机组的技术监督管理。并入电网的发电设备必须定期接受电网的安全风险评估，必须达到所在电网规定的并网必备条件和评分，并且不得带有影响机组和电网运行安全稳定的缺陷和隐患。加强网机协调管理。
④加强电网统一调度，优化“黑启动”方案
各有关电力生产运行单位必须服从电网统一调度，下级调度必须服从上级调度指挥，对违反调度纪律者要严肃处理。任何单位和个人不得非法干预电网调度。定期安排技术演练，不断优化全电网“黑启动”方案。（4）加强用户侧的供电设备建设和安全管理
针对重要负荷供电的安全性问题，供电部门要配合政府主管部门对重点用户、重要设施进行供电安全检查，确保不发生因停电事故造成重大的政治、社会问题。针对电力用户供用电设施安全管理薄弱问题，电力行政管理部门要依法实施供用电监督，加强用电安全管理。
对重要用户供电方式的安全隐患要及时进行排查。要加强特殊运行方式下停电措施的准备和落实，在需要预试、检修而采用单电源供电的情况下，及时与用户沟通，共同做好应急措施。
对重要用户实施多电源供电方案，设置应急备用电源，适当增加供电回路、采用多端供电加备用电源的自动投入方式，保障重要用户供电安全。2.4 分析与讨论
本章作为电网建设安全风险分析的基础，主要从国内外大大小小的电力工程事故中去认识电网建设安全管理的不确定性，从典型停电事故的应对中汲取经验教训，探寻重大事故风险的影响因素和应对策略措施。（1）美加“8·14”大停电事故发生的过程表明，主要输电网因子本身的影响是造成事故的重要原因。首先，在俄亥俄内的其他输电线路停电和电压状况变坏之后，俄亥俄境内的Sammis-Star 345kV线路停电引发了其他许多线路跳闸。其次，3区阻抗继电器因过载动作而使许多关键线路跳闸。再次，美国东北部输电线路、发电机组和欠频负荷削减的继电器整定可能不完全合适。另外大批发电机组停运。许多线路因重负荷和低电压，由距离3段跳闸，长线甚至出现距离1段跳闸，加剧了事故后果。
保护系统因子的影响也是造成该事故的重要原因。低压减载未曾设置。发电机组的保护措施与系统没有进行很好协调。电网保护系统设计不完善，在线静态安全分析和状态估计工具不力。FE由于计算机故障没有进行N-1事故分析，报警装置失效，调度员对电网系统的实时状态失去监视。
风险管理系统因子的影响是造成此次事故的又一重要因素。FE和MISO调度员缺少良好培训，特别是应对恶性紧急事故的培训。系统缺乏应对防御线路连锁跳闸、系统稳定破坏和大面积停电的措施。
输电走廊维护不够，沿线树木超过规定的高度，没有及时修剪。故障伊始，多条线路对树放电跳闸。故障使得故障线路产生了低电压和大电流，并迅速触发了断路器，使该线路与电力系统的其余部分切除。（2）莫斯科“5·25”大停电和2008年我国南方冰冻灾害气候引起的停电事故反映出，输电网设备老化严重、设计标准偏低，调度系统不完善，电网缺乏系统的风险管理。（3）欧洲“11·4”停电事故除了与线路直接在船舶航行路线的威胁之下有关外，还与风险管理意识薄弱，电源结构与输电网、系统调度组织协调不好有关。（4）2011年日本地震海啸引发大停电事故，也与对灾害估计不足、设计标准偏低、保护系统不完善等影响因素有关。（5）国内外典型大停电事故造成了巨大的经济损失和社会影响，教训是深刻的。很明显，确保电网安全是一项复杂的系统工程，必须从提高输电线路本身的抗灾能力入手，对相关发电机组及其并网系统进行监督管理，补充完善电网本身的保护系统和预警系统，加强输变电工程安全风险的管理和人员安全培训，健全安全生产应急管理机制，同时也要对重点用户的用电安全实施监督，确保电网的安全稳定运行。第3章 区域电网安全风险评价体系的构建3.1 前言
安全问题始终是电力系统研究的热点，自20世纪60年代以来，世界范围内的各种大停电事故频繁发生，特别是近年来，我国南方出现的低温雨雪冰冻灾害和四川大地震灾害给电网系统造成了严重影响，因此，越来越多的专家、学者致力于电力系统安全评估的研究，并取得了大量研究成果。继《中华人民共和国电力法》实施以来，国家电网公司相继颁布了供电企业、输电网、电力系统安全评价标准，2008年以后，最新发布了供电企业安全风险辨识防范手册和电网建设风险管理实施指南，这些成果的应用大大地提高了电力系统的安全可靠性和电网运行的稳定性。随着高压电网的发展，超高压设备、大机群、大受端电网以及新技术新产品引入电力系统，与此同时电力市场改革的步伐加快、电网联系日趋紧密，受电网建设相对滞后、网架结构薄弱、发电燃料供应紧张、恶劣气候和外力破坏问题日益突出等因素影响，电网发生稳定破坏和大面积停电事故的风险始终存在，这就需要从宏观上系统地对电网的安全运行状态进行整体评估。
安全风险评估体系是对安全性评价工作的进一步拓展、延伸和规范，主要从强化企业安全管理、规范人员行为、完善外部环境等全方位入手，分析电网安全风险，提高企业安全风险防范水平，促进安全管理从事后管理向以预防为主转变。传统的电力系统安全评估方法多用于一般电力系统安全稳定评价，这些方法没有考虑电力系统的复杂性、电网的特殊性、负荷变化的随机性和重要用户分布的不确定性，不能对复杂电网的运行和管理提供系统完备的安全风险控制和决策依据。结合大机群、大受端电网安全管理的实践，将传统的电力系统安全性评价概念和技术加以拓展归纳，建立系统的电网安全风险评价体系，是复杂电网安全风险评估的新思路。
本章将深入分析影响电网系统安全风险的主要因素：输电网安全性、外部环境、用户性质、保护系统、安全管理系统等，提出不确定性影响因素的定量分析方法，建立电网安全风险评估的指标体系，在此基础上提出基于层次分析法的区域电网系统整体评估模型和指标取值方法，以及评估体系标准的制定。3.2 区域电网安全风险评价体系的总体设计
由于电网的运行安全受到电源方、用户侧、电网内部及电网之间的联系等各种因素的综合影响，因此，通过详细分析各部分的影响因素，建立电网安全评估的指标体系，结合指标体系与评估原则，运用现代数学综合评判法，参照现有安全性评价标准及各项规程，进行风险建模和隶属度分析。在电网安全多指标评估问题中，各指标权重的确定是关键，权重的确定是否合理将直接影响评估结果的可靠性与有效性。运用基础理论知识和研究方法，建立针对不同等级电网的安全风险评价系统，为电网安全保障和损失控制提供依据，并据此编制操作性强的应用软件，在不同等级的电网系统和用电企业推广。主要工作包括以下三个方面：（1）通过电网安全风险评价指标体系的研究，可以将防灾学、管理学、经济学、安全工程学的基本原理引入电网系统的管理之中，对不同类别的电网系统建立安全风险专家评价系统，为预防电网事故，减少损失的风险决策提供科学依据，为完善我国电网系统的安全性评价管理体系提供理论与方法上的指导。（2）应用层次分析法，结合计算机编程技术，建立针对不同类别电网的安全风险评价体系，定量与定性相结合，为电网的安全性进行系统管理提供科学手段。（3）编制操作性较好的应用软件，为发电企业、电网公司、电力用户提供服务，并为制定国家标准提供技术支持。
电网安全风险评价指标体系的总体设计思路如图3.1所示。图3.1 区域电网安全风险评价指标体系的总体设计图3.3 安全风险评价体系的基本结构
建立评价指标体系是进行安全风险性评价的基础，建立的指标体系是否科学、合理，直接影响到安全风险评价的可靠性及其应用。由于影响整体电网安全风险的因素是一个涉及多方面的因素集，且诸多指标之间各有隶属关系，形成一个有机的多层系统，因此，建立一套科学、合理的指标体系是电网安全风险评价的关键性一环。
按照风险理论，应先根据电网的结构性质对主要的电网类别进行划分，然后构建相应的评价指标体系，再采用专家意见和合理的评价方法，确定各指标的风险值与权重，进而计算出电网系统的综合风险等级。电网安全风险评价的基本步骤如图3.2所示。图3.2 区域电网安全风险评价的基本步骤3.4 区域电网安全风险评估的基本要素3.4.1 安全风险评价系统的划分
根据现有的分区电网管理体制，可以将区域电网安全风险评价系统分为省网系统、城网系统以及下属供电企业三个层次，每个层次又包括若干类别，每个类别分别建立指标体系，如图3.3所示。图3.3 区域电网安全风险评价系统的划分3.4.2 电网安全风险评估的基本要素
借鉴系统安全工程分析中的“5M”模型，即电网的性质、人群因素、硬件与软件设施、周围环境、管理等因子，可建立区域电网安全风险综合评价系统的层次结构如图3.4所示。
对于供电企业，除图3.4中的基本要素之外，供电企业还要对劳动安全、作业环境、供电的性质以及安全风险发生的后果进行评估。
对有些复杂因子，还要进行三级指标的划分。表3-1为输电网安全风险评价因子的三级指标的划分情况。图3.4 区域电网安全风险评价系统层次结构表3-1 输电网安全风险评价因子的三级指标3.5 安全风险值的量化及分级3.5.1 量化分析法
目前用的较多的是层次分析法（Analysis Hierarchy Process，AHP）。层次分析法是由美国学者A．L．萨坦于20世纪70年代提出的一种多目标评价决策方法，是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法。它将决策者对复杂系统的评价决策思维过程数学化，对于基本符合现行电力安全规范的电网系统，该方法具有简便、可操作的特点，具体应用将在第7章讨论。（1）基本模型
设目标电网的安全风险值如下：
式中，n表示风险因素（指标）的个数；S表示第i个指标的风险i值，该评价体系中取值分布为区间［0，5］的整数，分值越大，表示电网的风险越大、安全度越低，即0表示最安全的情况，5表示最危险的情况；W表示第i个评价指标的权重，即该评价指标对整体电i网安全风险的影响大小，取值区间为［0，1］。通过式（3-1）算得的电网总风险值R的取值区间为［0，5］，风险值与风险等级的对应关系如下表所示。表3-2 电网安全风险等级的划分
因此，一个完整的安全评价体系应包括下列三个组分：指标、各指标的风险值及其权重。（2）各指标风险值的确定
对于区域电网系统，主要从以下三方面考虑影响安全的因素：
①发生事故或危险事件的可能性（用L表示）；
②暴露于潜在危险环境的频次（用E表示）；
③可能产生风险损失后果的分数值（用C表示）。
用上述三个值的积来表示电网安全风险值S的大小，即iS=L×E×C （3-2）i
发生事故或危险事件的可能性L的取值见表3-3。表3-3 L的取值
暴露于潜在危险环境的频次E的取值见表3-4。表3-4 E的取值
可能出现损失后果的分数值C的取值见表3-5。表3-5 C的取值
每一指标的风险值S的取值见表3-6。i表3-6 S的取值i
采用专家打分法，按照分数值的划分，从最底层各项指标进行打分。分值对应的风险值取值区间为［0，5］整数，分值越大，表示电网事故风险越大、安全度越低。对于具体评价系统，要对每项指标取不同分值的情况作具体说明。（3）各指标权重的确定
指标权重体现了指标层各因子影响风险水平的重要程度。基于以往电网事故案例、电力系统专家和研究者的知识积累和工作经验，针对指标因子体系中每层因子对上一层因子影响的重要程度进行打分，构造出判断矩阵，然后运用层次分析法计算出各层因子间的相对权重，最后计算出最低层评价指标对于总目标的累积权重，层次分析法的主要步骤如图3.5所示。图3.5 层次分析法主要流程图
由专家打分的结果，根据层次分析法的计算步骤，通过计算各层权重向量、判断矩阵最大特征向量值以及一致性比率。一般地，咨询的专家应不少于5人，建议电网评价体系咨询专家为20名。通过上面的步骤，采用算术平均法，对底层每个指标进行打分，根据分值权重W（k表示第k个专家）按式（3-3）进行计算，从而得出底层每个指k标的最终权重值为：3.5.2 电网“性能化”的评价方法
电网“性能化”的评价方法是安全工程学在电网事故风险综合评价中的应用。在国外，主要应用于建筑火灾风险评估系统，如：美国的建筑防火评估方法（BF-SEM，Building Fire Safety Evaluation Method）；澳大利亚的风险评估模型（RAM，Risk Assessment Modeling）；加拿大的 FIRE CAM 方法；英国的Crisp 模型等。在电网系统的安全评估中，有一部分是超出电网规划设计安全规范和要求的，尤其是针对一些电网结构和功能复杂，或存在特殊情况，难以在一般情况下进行事故风险评价的电网，可以运用这一方法进行补充评价。电网“性能化”评价方法主要是根据设定的事故场景，利用安全工程学的理论，对电网系统的整体安全性进行评估，包括：接入电源的安全性、电网结构的安全性、过电压、继电保护装置、自动恢复和保护系统、防灾系统、应急装置、环境的适应性等。图3.6为基于电网系统安全性的风险“性能化”评估方法。图3.6 基于电网系统安全风险的“性能化”评估方法3.5.3 安全风险评价应用软件的编制及推广
在建立安全风险评价模型的基础上，编制应用软件，是实现其应用和推广的重要途径，主要包括：（1）结合应用层次分析法与C语言等计算机技术，建立针对不同类别电网系统的安全风险评价专家系统，为电网事故保险费率的合理厘定提供依据。（2）在已有的安全评价软件基础上，完善和编制电网系统操作手册，提高应用软件的可靠性，为制定电网安全风险评价体系国家标准提供技术支持。3.6 电网系统安全风险评价标准的制定
区域电网安全风险评价体系的应用和推广，还需要制定一套切实可行的统一标准。制定电网安全风险评价体系标准主要涉及以下内容：（1）术语，主要包括：安全风险、可能性、后果、风险评价、定量方法、定性方法、半定量方法、层次分析法、权重等。（2）安全风险评价基本程序，主要包括：安全风险的识别、安全风险的评估、安全风险评价方法等。（3）电网安全风险评估的基本要素，主要包括：输电网因子、保护系统因子、管理系统因子、用户群因子、外部环境因子等。（4）安全风险评估的基本方法，主要包括：定性分析方法、半定性分析方法、定量分析法等。（5）安全风险分级的基本方法，主要包括：电网事故发生的可能性、电网事故损失后果的评估，层次分析法和安全风险矩阵等基本方法。3.7 分析与讨论
区域电网风险评价体系的建立和有效运作，将大大提升电网系统各个层面应对电力事故风险的能力，特别是在安全管理各项活动中，通过“作业流程再造，危险因素辨识，评价及控制”将大大降低人的不安全行为和物的不安全状态及管理缺陷，有效保证电网系统安全稳定运行。通过研究可以得出如下结论：（1）区域电网安全风险评价指标体系的建立是进行安全风险评价的前提和基础，主要包括：电网评价系统类别的划分、风险评估的基本要素的确定等。（2）层次分析法可以为各评价因子权重的确定提供帮助，最后计算出最低层评价指标对于总目标的累积权重，得出某个电网系统安全风险评价综合分值，进而划分其风险等级。（3）对于超出电网系统设计安全规范要求，或者结构和功能复杂的电力系统，可以采用“性能化”评价方法进行评价。（4）区域电网安全风险专家评价系统以及计算机应用软件的开发和应用，为我国电网系统安全风险评价国家标准的制定奠定基础，为我国建立电网事故保险与安全保障工作协调的互动机制提供理论与方法上的指导。第4章 电网建设安全风险识别4.1 前言
电网建设安全风险识别是对其进行风险管理的第一步，也是十分重要的一步。电网建设安全风险识别就是确定电网安全风险事件及其影响因素，并形成安全风险识别清单，以判断安全风险的来源、安全风险发生的条件、描述风险的特征以及风险影响的过程。安全风险识别主要就是确定三个相互关联的因素：一是风险来源——时间、费用、技术、法律等；二是风险事件——给电网建设带来积极或消极影响的事件；三是风险征兆：又称为危险源，是安全风险来源的触发器。大多数情况下电网系统的安全风险并不显而易见，往往隐藏在电网建设的各个环节，或被种种假象所掩盖。因此，识别安全风险必须采用一定的科学方法和技术手段，特别要根据电网建设项目安全风险的特点，采用具有针对性的识别方法和手段。4.2 电网建设安全风险识别应遵循的原则
在电网建设过程中危险因素的辨识是安全风险识别的基础，按照电网建设危险因素的辨识的“3346”法则，可以将电网建设安全风险识别的原则归纳为如下几个方面：（1）三个所有
①输变配电施工过程中所有作业活动，包括常规作业活动和非常规作业活动；
②所有参与电网建设的单位和参与人员，包括合同方人员和进入该项目的非合同人员的活动；
③电网建设所涉及的所有设施，包括备用发电系统、输变电系统和配电系统，电网施工所有的机械设备，无论是本企业还是外界所提供的设施。（2）三种时态
①电网建设的过去时态，即设施、设备和作业活动曾经发生或遗留的安全危险状态；
②电网建设的现在时态，即现在的设施、设备和作业活动可能带来的安全危险状态；
③电网建设的将来时态，即企业将来在规划设计、实施、维护等活动过程中可能产生的安全状态。（3）三种状态
①正常状态，如正常运行、维护、施工作业可能出现的安全危险状态；
②异常状态，如处于故障和质量异常，需要应急抢修作业等带来的安全危险状态；
③紧急状态，即出现不可预见何时发生、如何发生的电网安全状态，如紧急处理作业可能出现的重大安全危险状态。（4）电网建设的四个方面
①人的不安全行为，参与电网建设的人员操作和实施过程处于不安全状态；
②物的不安全状态，电网系统设施、设备和操作工具处于不安全状态；
③有害的环境因素，电网建设处于有害或不安全的环境之中，随时有安全的危险；
④管理上的缺陷，即电网建设的管理系统不完善，或比较混乱，或缺乏安全风险意识。（5）影响电网建设安全风险的六种因素
①物理性安全危险因素；
②化学性安全危险因素；
③生物性安全危险因素；
④理性和生理性安全危险因素；
⑤行为性安全危险因素；
⑥其他方面。4.3 安全风险识别过程
电网建设安全风险识别过程就是发现风险、确认风险、描述风险的一种活动和方法。电网安全风险识别过程可以看成是一个系统，我们可以从两个视角来描述电网建设安全风险的识别过程：外部视角详细说明过程控制、输入、输出和机制；内部视角详细说明用机制将输入转变为输出的活动。
电网工程自身及其外部环境的复杂性，给人们全面地、系统地识别工程风险带来了许多具体的困难，同时也要求人们明确电网建设安全风险识别的过程。
由于电网建设安全风险识别的方法与风险管理理论中提出的一般的风险识别方法有所不同，因而其风险识别的过程也有所不同。电网建设安全风险识别往往是通过对经验的分析、风险调查、专家咨询以及实验论证等方式，在对电网工程安全风险进行多维分解的过程中，认识工程风险，建立电网工程风险清单。
电网建设中安全风险识别的过程可用图4.1表示。图4.1 电网建设安全风险识别的过程
由图4.1可知，风险识别的结果是建立电网工程安全风险清单。在电网建设安全风险识别过程中，核心是“电网工程安全风险分解”和“识别电网建设安全风险因素、风险事件及后果”。
安全风险识别是工程项目风险管理中的一项经常性工作。安全风险识别主要包括数据或信息的收集、不确定性因素分析、确定风险事件、形成风险识别清单等。（1）数据或信息收集
一般认为安全风险是数据或信息的不完备引起的。虽然，收集和风险事件直接相关的信息可能是困难的，但是风险事件总不是孤立的，可能会存在一些与其相关的信息，或与其有间接联系的信息，或是与本工程项目可以类比的信息。可以从如下几个方面入手收集相关的数据或信息。
①工程项目环境方面的数据资料
电网建设项目的实施和建成后的运营与其所处的自然和社会环境密切相关。特别是自然环境方面的气象、水文、地质地貌环境等，对电网工程的实施有较大影响；社会环境方面的政治、经济、法律、文化等对工程建设也有重要影响，如：经常下雨会影响工程项目施工的进度，甚至会影响工程的成本和质量安全；地质地貌条件的复杂变化常常会引起工程量和工程造价的上升，也可能会威胁到施工的安全和进度。因此，在安全风险识别时，有必要收集和分析电网工程建设环境方面的资料。
②同类工程项目的有关数据资料收集
以前建成的一些工程项目的数据资料，以及类似工程项目的数据资料都是风险识别时必须收集的。特别是一些亲身经历过的项目，一定有很多经验教训，这些经验和体会对识别本项目的安全风险是有帮助的。因此，在安全风险识别时，要注重类似工程项目数据资料的收集，包括过去建设过程中的档案记录、工程总结、工程验收资料、工程质量与安全事故处理文件，以及工程变更施工索赔资料等。
③工程设计和施工文件的收集
工程设计文件和施工文件是重要技术资料，它规定工程项目的结构形式、尺寸大小，以及材质方面的要求、规范和质量标准等，对这些内容的改变将直接引起安全风险。因此，必须收集相关信息和资料，一旦出现相关的差异和变化，必须进行技术分析，明确这些差异和变化对于项目的进度、成本、质量和安全目标所带来的风险。（2）不确定性因素分析
在基本数据或信息资料收集的基础上，从如下几方面对项目的不确定性因素进行分析：
①建设项目各阶段的不确定性因素分析。电网建设项目具有明显的阶段性，而在各个不同阶段，不论是不确定性事件的种类，还是不确定性事件的影响因素和影响的程度，都具有明显的差别，应该分别进行不确定性分析。
②不同目标的不确定性分析。电网建设项目有进度、质量安全和费用三个目标，影响因素既有相同之处，也有不同之处，要具体问题具体分析，针对不同的目标客观分析。
③项目结构的不确定性分析。影响项目结构的因素很多，结构不同，其影响因素也不一样，即使是相同的结构，也可能有不同的影响因素。
④项目环境的不确定性分析。工程建设环境是引起安全风险的重要因素。应对建设环境进行较为详尽的不确定性分析，进而分析引发的工程项目风险。（3）确定风险事件，并建立安全风险识别清单
在工程项目不确定性分析基础上，进一步分析这些不确定因素引发的工程项目风险的大小，然后对这些安全风险进行归纳、分类，最后形成安全风险识别清单。4.4 安全风险识别方法与技术
除了采用风险管理理论中所提出的德尔菲法、头脑风暴法、情景分析法、SWOT分析法、敏感分析法等风险识别的基本方法之外，对电网工程安全风险的识别，还可以根据其自身特点，采用相应的方法。综合起来，电网建设中安全风险识别的方法有专家调查法、财务报表法、流程图法、初始清单法、经验数据法和风险调查法。以下对电网建设安全风险识别的一般方法仅作简单介绍，而对电网建设工程中安全风险识别的具体方法作较详细的说明。（1）专家调查法
这种方法又有两种方式：一种是召集有关专家开会，让专家各抒己见，充分发表意见，起到集思广益的作用；另一种是采用问卷调查，各专家不知道其他专家的意见。采用专家调查法时，所提出的问题应具有指导性和代表性，并具有一定深度，还应尽可能具体些。专家所涉及的面应尽可能广泛些，并有一定的代表性。对专家发表的意见要由风险管理人员加以归纳分类、整理分析，有时可能要排除个别专家的个别意见。（2）财务报表法
财务报表有助于确定一个特定企业或特定的建设工程可能遭受哪些损失以及在何种情况下遭受这些损失。通过分析资产负债表、现金流量表、营业报表及有关补充资料，可以识别企业当前所有资产、责任及人身损失风险。将这些报表与财务预测、预算结合起来，可以发现企业或建设工程未来的风险。
采用财务报表法进行风险识别，要对财务报表中所列的各项会计科目作深入的分析研究，并提出分析研究报告，以确定可能产生的损失，还应通过一些实地调查以及其他信息资料来补充财务记录。由于电网工程财务报表与企业财务报表不尽相同，因而需要结合电网工程财务报表的特点来识别电网建设安全风险。（3）流程图法
将一项特定的生产或经营活动按步骤或阶段顺序以若干个模块形式组成一个流程图系列，在每个模块中都标出各种潜在的风险因素或风险事件，从而给决策者一个清晰的总体印象。一般来说，对流程图中各步骤或阶段的划分比较容易，关键在于找出各步骤或各阶段不同的风险因素或风险事件。
这种方法实际上是将图4.2中的时间维与因素维相结合。由于建设工程实施的各个阶段是确定的，因而关键在于对各阶段电网建设风险因素或风险事件的识别。
由于流程图的篇幅限制，采用这种方法所得到的风险识别结果较模糊。图4.2 电网建设项目三维分解图（4）初始清单法
如果对每一个电网工程中安全风险的识别都从头做起，至少有以下三方面缺陷：一是耗费时间和精力多，风险识别工作的效率低；二是带有随意性，其结果缺乏规范性；三是风险识别成果资料不便积累，对今后的风险识别工作缺乏指导作用。因此，为了避免以上缺陷，有必要建立初始风险清单。
建立电网工程的初始风险清单有两种途径：
一是常规途径，指采用保险公司或风险管理学会（或协会）公布的潜在损失一览表，即任何企业或工程都可能发生的所有损失一览表。以此为基础，风险管理人员再结合本企业或某项工程所面临的潜在损失对一览表中的损失予以具体化，从而建立特定工程的安全风险一览表。我国至今尚没有这类一览表，即使在发达国家，一般也都是对企业风险公布潜在损失一览表，对建设工程风险则没有这类一览表。因此，这种潜在损失一览表对电网工程中安全风险的识别作用不大。
二是通过适当的风险分解方式来识别风险。对于大型、复杂的电网工程，首先将其按单项工程、单位工程分解，再对各单项工程、单位工程分别从时间维、目标维和因素维进行分解，可以较容易地识别出电网工程主要的、常见的风险。从初始风险清单的作用来看，因素维仅分解到各种不同的电网建设风险因素是不够的，还应进一步将各风险因素分解到风险事件。这里用电网工程初始风险清单（表4-1）作为示例。表4-1 电网工程初始风险清单
初始风险清单只是为了便于人们较全面地认识电网工程安全风险的存在，而不至于遗漏重要的工程风险，但并不是电网建设风险识别的最终结论。在初始风险清单建立后，还需要结合特定电网工程风险清单作一些必要的补充和修正。为此，需要参照同类电网工程风险的经验数据（若无现成的资料，则要多方收集）或针对具体建设工程的特点进行风险调查。（5）经验数据法
经验数据法也称为统计资料法，即根据与风险有关的统计资料来识别拟建电网工程的安全风险。不同的风险管理主体应有自己关于电网工程风险的经验数据或统计资料。在电力工程建设领域，可能有电网建设风险经验数据或统计资料的风险管理主体包括咨询公司（含设计单位）、承包商以及长期有工程项目的业主（如电力投资人）。由于这些不同的风险管理主体的角度不同、数据或资料来源不同，其各自的初始风险清单多少有些差异。但是，电网工程安全风险本身是客观事实，有客观的规律性，当经验数据或统计资料足够多时，这种差异性就会大大减小。何况，风险识别只是对电网工程风险的初步认识，还是一种定性分析，因此，这种基于经验数据或统计资料的初始风险清单可以满足对电网建设安全风险识别的需要。
例如，根据电网建设的经验数据或统计资料可以得知，减少投资风险的关键在设计阶段，尤其是在初步设计以前的阶段，因此，方案设计和初步设计阶段的投资风险应当作为重点进行详细的风险分析；设计阶段和施工阶段的质量风险最大，需要对这两个阶段的质量风险作进一步的分析；施工阶段存在较大的进度风险，需要作重点分析。由于施工活动是由一个个分部分项工程按一定的逻辑关系组织实施的，因此，进一步分析各分部分项工程对施工进度或工期的影响，更有利于风险管理人员识别建设工程进度风险。图4.3是某风险管理主体根据电厂房屋建筑工程各主要分部分项工程对工期影响的统计资料绘制的。图4.3 各主要分部分项工程对工期的影响（6）因果分析法
风险识别可以从原因查找结果，也可以从结果查找原因。
因果分析法就是根据核查表等方式分析风险的存在，或者，假定风险存在，追溯风险起因的方法，一般通过因果图表现出来，因果图又称特性要因图、鱼刺图或石川图。图4.4是混凝土强度达不到设计标号时用的因果分析图。（7）风险调查法
由电网工程安全风险识别的个别性可知，两个不同的电网工程不可能有完全一致的安全风险。因此，在建设工程风险识别的过程中，花费人力、物力、财力进行风险调查是必不可少的，这既是一项非常重要的工作，也是电网建设安全风险识别的重要方法。
风险调查应当从分析具体电网工程的特点入手，一方面对通过其他方法已识别出的风险（如初始风险清单所列出的风险）进行鉴别和确认，另一方面，通过风险调查有可能发现尚未识别出的重要的电网工程风险。
通常，风险调查可以从组织、技术、自然及环境、经济、合同等方面分析拟建电网工程的特点以及相应的潜在安全风险。
风险调查并不是一次性的。由于风险管理是一个系统的、完整的循环过程，因而安全风险调查也应该在电网工程实施全过程中不断地进行，这样才能了解不断变化的条件对安全风险状态的影响。当然，随着电网建设的进展，不确定性因素越来越少，风险调查的内容亦将相应减少，风险调查的重点有可能不同。图4.4 建设工程中混凝土强度不足的因果分析图
对于电网建设中安全风险识别来说，仅仅采用一种风险识别方法是远远不够的，一般运用识别方法组合。无论哪一种组合，都必须包含风险调查法。从某种意义上讲，前五种风险识别方法的主要作用在于建立初始风险清单，而风险调查法的作用则在于建立最终的风险清单。4.5 安全风险识别成果
项目风险识别之后要把结果整理出来，写成书面文件，为风险分析的其余步骤和管理作准备。风险识别的成果应包括下列内容：（1）风险来源表。表中应罗列所有风险，罗列应尽可能全面，不管风险事件发生的频率和可能性、收益或损失、损害或伤害有多大，都要一一列出。对于每一种风险来源，都要有文字说明。说明中一般要包括：风险事件的可能后果，对预期发生时间的估计，该来源产生的风险事件预期发生次数的估计。（2）风险的分类或分组。风险识别之后，对该风险进行分组或分类，分类结果应便于进行风险分析的其余步骤和风险管理。（3）风险征兆。风险征兆就是风险事件的外在表现，如苗头和前兆等。施工现场混乱，材料、工具随便乱丢，无人及时回收整理就是安全事故和项目质量、成本超支风险的症状。（4）对项目管理其他方面的要求。在风险识别过程中可能会发现项目管理其他方面的问题，需要进一步改进或完善，这些要求可作为其他管理变更或完善的依据。4.6 电网建设项目目标风险识别
建设项目一般具有进度、质量安全和费用三个目标。三个目标并不是完全独立的，在实施过程中，由于多种因素的影响，使得实现项目目标存在较大的风险。因此，识别这三个目标的风险是工程管理的重要任务。（1）建设项目进度风险的识别
影响电网建设项目进度的因素很多，涉及的面很广，包括：建设环境、项目业主、建设项目设计和工程项目施工等。一般情况下，项目施工阶段进度风险因素可以参照表4-2的核查表。表4-2 建设项目进度风险核查表
对于工期风险的识别则要进一步深入分析和识别相关的进度风险因素。研究表明，并不是每一个进度影响因素都会对工程工期产生影响，要具体识别工程项目中哪些活动或子项目受到进度风险的影响，影响的程度有多大等。然后，根据项目进度计划、质量要求、投资目标，借助于网络技术和优化技术，综合分析建设项目的工期风险。（2）电网建设技术和质量安全风险识别
不同的项目具有不同的技术性能和质量安全问题，其工程质量安全风险可以有多种原因，一般包括：项目环境原因、业主原因、设计原因和安全施工原因等。对工程施工阶段的质量安全风险，其引发的风险因素又可具体分为施工环境、操作及管理人员、施工机械、建筑材料、施工工艺或方案等。对比较粗略的质量安全风险识别可用检查表法；对某一具体施工过程或子项工程的质量安全风险可用流程图，或流程图加检查表进行识别。表4-3 工程施工质量安全风险核查表
引起建设项目质量安全风险的原因很多，从整体上考虑，可以归纳为若干方面。对于具体施工过程或子项工程施工质量安全风险识别，除核查表外，还可用流程图这一工具进行识别。表4-3为项目质量风险核查表。（3）项目投资风险
工程项目投资风险贯穿于工程建设的全过程，涉及多个方面。可用核查表对其进行分析，如表4-4。表4-4 建设项目投资风险核查表4.7 电网建设项目施工安全风险辨识清单
电网建设中，危险因素辨识是安全风险管理的基础。风险管理机制的建立和有效运作，主要考虑现场作业的方案实施和标准化管理。电网建设安全风险的识别清单如表4-5，根据每个工程重大危险因素辨识清单绘制成雷达图（图4.5）。表4-5 电网建设项目安全风险识别清单图4.5 电网建设安全风险事件识别雷达图4.8 分析与讨论
本章通过对电网建设过程中安全风险的识别原则、安全识别流程、安全风险识别方法与技术、项目目标的安全风险识别等方面进行研究，得出如下认识：（1）在电网建设过程中危险因素的辨识是安全风险识别的基础，按照电网建设危险因素的辨识的“3346”法则，即“三个所有”（所有设施、所有人员、所有过程）、“三个时态”（过去时、现在时、将来时）、“三种状态”（正常状态、异常状态、紧急状态）、“四个方面”（人的不安全行为、物的不安全状态、环境有害因素、管理缺陷）、“六个影响因素”（物理性安全危险因素、化学性安全危险因素、生物性安全危险因素、心理和生理性安全危险因素、行为性安全危险因素）来识别。（2）安全风险识别主要包括数据或信息的收集、不确定性因素分析、确定风险事件、形成风险识别清单等。电网建设安全风险识别的成果是建立安全风险识别清单。（3）电网建设中安全风险识别的方法除了采用风险管理理论中所提出的德尔菲法、头脑风暴法、情景分析法、SWOT分析法、敏感分析法等风险识别的基本方法之外，对电网工程安全风险的识别，还可以根据其自身特点，采用专家调查法、财务报表法、流程图法、初始清单法、经验数据法和风险调查法等。对于电网建设来说，仅仅采用一种风险识别方法是远远不够的，一般运用识别方法组合，无论哪一种组合，都必须包含风险调查法。从某种意义上讲，前五种风险识别方法的主要作用在于建立初始风险清单，而风险调查法的作用则在于建立最终的风险清单。（4）建设项目一般具有进度、质量安全和费用三个目标。三个目标并不是完全独立的，在实施过程中，由于多种因素的影响，使得实现项目目标存在较大的风险。因此，识别这三个目标的风险是工程管理的重要任务。（5）电网建设中，危险因素辨识是安全风险管理的基础。风险管理机制的建立和有效运作，主要考虑现场作业的方案实施和标准化管理的识别清单，根据每个工程重大危险因素辨识清单，可以绘制电网建设安全风险雷达图。第5章 电网建设安全风险测度原理与方法5.1 前言
电网建设安全风险的识别仅解决了项目安全风险的影响因素和相关事件，但风险事件是否发生，以及风险事件发生后可能出现的后果及影响范围等，还需要通过安全风险的估计来定量描述。
电网建设项目安全风险测度（Risk Measurement）是对项目各个阶段的风险事件发生可能性的大小、可能出现的后果、可能发生的时间和影响范围的大小等进行估算。
电网建设项目安全风险测度的作用是为分析整个项目安全风险或某一类风险提供基础，并进一步为制定安全风险管理计划、安全风险评价、确定安全风险应对措施和进行安全风险监控提供依据。5.2 建设项目安全风险度量过程
电网建设项目安全风险度量过程如图5.1所示。图5.1 电网建设项目安全风险度量过程（1）资料和数据的收集
电网建设项目安全风险测度的第一步是要收集与安全风险相关的数据和资料。这些资料和数据可以从类似已建项目的经验总结或记录中取得，可以从气象、水文、建设市场、社会经济发展的历史资料中取得，也可以从一些勘测和试验研究中取得，还可以在建设项目实施过程中取得。所收集的资料和数据要求客观、真实，最好具有可统计性。由于建设项目具有单件性和固定性的特点，在某些情况下，有价值的、可供使用的历史数据资料不一定十分完备。此时可采用专家调查等方法获得具有经验性的客观评价资料。（2）建立安全风险模型
以取得的相关风险事件的数据资料为基础，对风险事件发生的可能性和可能的结果给出明确的量化描述，即建立安全风险模型。安全风险模型又分为不确定性模型和损失模型。（3）安全风险发生的概率和后果的度量
电网建设项目安全风险模型建立以后，就可以用适当的方法去度量每一风险事件发生的概率和可能造成的后果。通常用概率来表示风险事件发生的可能性；可能的后果则用费用损失或建设项目工期拖后来表示。（4）安全风险评价
电网建设安全风险测度的目的就是要对项目的整体风险，或某一部分风险，或某一阶段风险进行评价，通常情况下，是将风险事件发生的概率和可能的损失后果结合起来进行评价。5.3 安全风险发生的概率测度方法
安全风险事件发生的概率或概率分布分析是进行建设项目风险度量的基础。一般而言，安全风险事件的发生概率或概率分布应由历史资料和数据来确定，但当历史资料和数据缺乏时，就很难确定安全风险事件发生的概率或概率分布，可以采用理论概率分布或主观概率进行风险度量。5.3.1 数据加工处理
要对电网建设项目安全风险进行度量，保存和收集相关资料和数据是必不可少的环节。这些数据不仅是项目安全风险发生概率分析的基础，也是安全风险损失概率发生的基础，而且是风险决策的直接依据。人们在掌握这些数据后一般首先对其进行加工、整理、分析，以了解数据的基本特点，从中找出某些规律。通常加工的内容有：制作频率直方图与累积频率分布图，以及计算数据特征值。（1）制作频率直方图与累积频率分布图
频率直方图与累积频率分布图的制作步骤如下：
①将数据排序，并计算极差。
收集到的一批数据可能是杂乱无章的，因此首先要将这些数据xi按从小到大进行排序。通过排序找到其中的最大值x和最小值maxx，并得到这批数据的极差（即该批数据的极大值x与极小值xminmaxmin之差x-x）。maxmin
②将数据分组。
某批数据分组的组数k、组间距h和极差有如下关系：
一批数据的分组数k和样本个数n相关。可参考经验数据：当数据n为50～100个时，分为5～10组；当数据n为100～200个时，分为7～12组。也可参考下列2个公式：
对二项式分布总体，史特吉斯（Sturges）提出的计算k的公式：k=1+3.32lgn （5-2）
对正态总体，分组数k用下式计算0.4k=1.87（n-1） （5-3）
一般h值的精度可以比数据低一个数量级。以尽可能减少数据刚好落在分组界线上的概率。
③统计落在每组范围内的数据个数m，并计算每组的频数f。ii
可采用“唱票法”统计落在每组范围内的数据个数m，即频数if，并由下式计算频率：i
④画直方图。
在频率f和数据值大小x的直角坐标系下画直方图。首先要确定第i一组下界值。应注意使最小值x被包含在第一组中，且要防止数据min正好落在分组界线上，故取第一组下界值为x-h/2，然后依次加组min间距h，即可得到各组上下界限值，同样，最后一组应包含最大值x。max
⑤累积频率分布图
有了每组的频率f，在累积频率F和数据大小x的直角坐标系下，ii类似于直方图的画法，可得到累积频率F（x）分布图。图5.2和图5.3分别是某风险因素的频率直方图和累积频率分布图。图5.2 频率直方图图5.3 累积频率分布图（2）计算数据特征值
频率直方图和累计频率分布图是样本数据分布规律的反映。在数据处理过程中，还经常用到某些特征数字来反映样本数据的各种性质。
①位置特征数
位置特征数反映了样本数据的集中位置，用均值、中位数等来表示。
Ⅰ. 均值，即数据的简单算术平均值，计算式为：
Ⅱ. 中位数，即当数据从大到小，或从小到大排序后，位于中间的数，表示为：
②离散程度特征数
离散程度的特征数反映样本中数据波动幅度的大小，它们有极差、方差或标准差等。
Ⅰ. 极差，为样本数据中最大者与最小者之差，即x-x。maxmin2
Ⅱ. 方差或标准差，是总体方差或标准差的有偏估计，分别用σ2和σ表示，见式（5-7）。总体方差或标准差的无偏估计分别用S和S表示，见式（5-8）。
σ计算公式为
S计算公式为
Ⅲ. 离差系数C，亦称为变异系数。样本的方差或标准差描述了v样本数据的绝对波动性。在风险管理中，常常用到样本数据标准差的相对值，这就是样本离差系数C。定义为v
③两个随机变量相关特征数
在建设项目风险管理中经常会遇到2个或2个以上的随机变量问题。对于2个随机变量（X，Y），除了仿照一个随机变量分别研究其均值、方差和离差系数等特征数外，一般还需讨论其相关的数字特征值，这就是协方差S（XY）和相关系数ρ。协方差S（XY）的计算式xy为
相关系数ρ的计算式为xy
式中相关系数具有下列性质：
a. ρ≤1。xy
b. 若随机变量X与Y不相关，ρ=0。xy
c. 其充要条件是随机变量X与Y依概率1线性相关。
相关系数实质上表示2个随机变量之间线性相关的程度，当一个变量的取值增大时，另一个变量的取值按线性关系增大（ρ＞0）或xy减小（ρ＜0）的趋势。当接近于1或-1时，这种趋势尤为明显。当xyρ=0时，称随机变量X与Y不相关。当随机变量X与Y独立时，它们一xy定是不相关的，但其逆不正。5.3.2 建设项目风险管理常用的概率分布
建设项目风险管理中常用到如下概率分布及特征值的计算。（1）连续型概率分布
①均匀分布U（a，b）
Ⅰ. 密度函数：
均匀分布的密度函数曲线如图5.4。图5.4 均匀分布密度函数
Ⅱ. 分布函数：
式（5-12）和（5-13）中：a和b为实数，且a＜b；a是位置参数；b-a是比例参数。
Ⅲ. 均值
Ⅳ. 方差2
②正态分布N（μ，σ）
Ⅰ. 密度函数2
式中：参数μ和σ分别称为均值和方差。
正态分布的密度函数曲线如图5.5。
Ⅱ. 分布函数22
特别的，当μ=0，σ=1时，N（μ，σ）称为标准正态分布，记为N（0，1）。标准正态分布的密度函数为
标准正态分布函数为
式中：Φ（x）称为拉普拉斯函数，可由正态分布查得。
一般正态分布和标准正态分布有着密切关系。引进变量代换：，则
上式是一重要的关系式。要计算F（x），只要将其转化为，便可查标准正态分布表了。
正态分布的标准差σ和概率值P的一些特殊值在工程项目风险管理中有时会直接应用，它们是：P（μ-σ＜x≤μ+σ）=Φ（1）-Φ（-1）=0.683P（μ-2σ＜x≤μ+2σ）=Φ（2）-Φ（-2）=0.954P（μ-3σ＜x≤μ+3σ）=Φ（3）-Φ（-3）=0.997
这些值如图5.5所示。图5.5 正态分布密度曲线
无论在理论上，还是在实际中，正态分布在工程项目风险管理中起着非常重要的作用，其在各种分布的应用中居于首位。例如，许多质量管理专家的研究表明，在正常生产条件下，工程项目施工工序质量的计量值数据服从正态分布；土工试验得到的一些参数，如抗剪强度、凝聚力等被认为近似服从正态分布；工程项目施工工期一般也认为是近似服从正态分布的。
③指数分布E（β）
Ⅰ. 密度函数
式中：比例参数β＞0
Ⅱ. 分布函数
Ⅲ. 均值μ=β （5-22）
Ⅳ. 方差22σ=β （5-23）
④三角分布Triangular（a，b，c）
Ⅰ. 密度函数
三角分布密度函数曲线如图5.6。图5.6 三角分布密度函数
Ⅱ. 分布函数
式（5-24）和式（5-25）中：a、b和c均为实数，且a＜c＜b；a为位置参数；b-a为比例参数；c为形状参数。
当c=b时，为右三角分布；当c=a时，为左三角分布。
Ⅲ. 均值
Ⅳ. 方差
三角分布在工程项目风险管理中也经常使用。
⑤极值分布（Ⅰ型）G（υ，α）
Ⅰ. 密度函数f（x）=αexp｛-α（x-υ）-exp［-α（x-υ）］｝ （5-28）
Ⅱ. 分布函数F（x）=exp｛-exp［-α（x-υ）］｝ （5-29）
Ⅲ. 均值
Ⅳ. 方差
极值分布指的是n次观测中的极大值或极小值的概率分布。理论上，极值分布有3种可能的渐近极值分布，其中此处介绍的极值分布（Ⅰ型）为指数原型极值分布，其在气象、水文和地震的风险分析中应用较为广泛。
⑥标准β分布β（r，s）
Ⅰ. 密度函数
Ⅱ. 均值
Ⅲ. 方差
⑦β分布β（a，b，r，s）
Ⅰ. 密度函数
式中：参数a和b决定分布区间；参数r和s决定分布的形状。令：x=a+（b-a）y，并考虑到x=（b-a）y，然后代入式（5-35），则得标准β分布。
分布的形状决定于r和s，由此可以得出不同的β分布曲线。反映出β分布具有较好的适应性，只要选择适当的r和s，就可以描述不同的分布。因此，目前在工程项目风险分析中经常用到β分布。
由标准β分布的均值和方差，并利用x=a+（b-a）y关系，可求β2分布的均值μ和方差σ。
Ⅱ. 均值：由关系式x=a+（b-a）y得
Ⅲ. 方差：由关系式x=a+（b-a）y得
Ⅳ. 众数m，经常将众数m定义为：在样本中有最大频数的那个数据。根据这一定义，众数m可由来决定，即
即得（x-a）r-2=0，即x=a（b-x）s-2=0，即x=b（r-1）（b-x）-（s-1）（x-a）=0
即
因x=a和x=b时，f（x）=0，所以
Ⅴ 偏倚系数K：β分布的偏倚系数定义为
从上式可见，当r=s时，K=0，即β分布不偏，为对称分布。（2）离散型概率分布
①伯努利分布Ber（p）
Ⅰ. 分布律：
伯努利分布律如图5.7。图5.7 伯努利分布律
Ⅱ. 分布函数：
Ⅲ. 均值μ=p （5-42）
Ⅳ. 方差2σ=p（1-p） （5-43）
伯努利随机变量是伯努利试验的结果，其只有2个取值，用1代表成功，用0代表失败。
②二项分布Bin（n，p）
Ⅰ. 分布律：kkn-k
p（k）=P（X=k）=Cpq，k=0，1，2，…，n （5-44）n
式中：p为每次试验成功概率，0≤p≤1，p+q=1。
二项分布的分布律如图5.8。图5.8 二项分布分布律
Ⅱ. 分布函数：
式（5-44）和式（5-45）中：参数n是正整数。
Ⅲ. 均值：μ=np （5-46）
Ⅳ. 方差：2σ=npq=np（1-p） （5-47）
二项分布是n次独立伯努利试验中成功次数的概率分布。
③泊松分布Poinson（λ）
Ⅰ. 分布律：
泊松分布的分布律如图5.9。图5.9 泊松分布图
Ⅱ. 分布函数：
Ⅲ. 均值：μ=λ （5-50）
Ⅳ. 方差：2σ=λ （5-51）
可以证明，当n很大时，二项分布可以近似地看做是以λ=np为参数的泊松分布。因此，当n很大且p较小时，可用泊松分布来近似替代二项分布进行计算。因泊松分布函数较简单，故这一结论在工程项目质量风险分析中经常使用。（3）经验概率分布
当不能得到足以拟合理论分布的实测数据时，可用所得实测数据直接确定其概率分布，即所谓经验概率分布。在模拟仿真时，可由经验概率分布进行随机抽样。建立经验分布函数的方法很多，这里仅介绍常用的两种。
①阶梯形经验分布
对给定原始数据x，x，…，x的实际值，按递增方式排列、编12n号，即x≤x≤…≤x，阶梯形经验分布函数为12n
式中：n为样本量，i=1，2，…，n-1，式（5-52）的分布曲线为阶梯形，因此而得名。阶梯形经验分布曲线如图5.10。图5.10 阶梯形经验分布曲线图
②逐段线性连续经验分布
将阶梯形经验分布进行逐段线性内插，可得到逐段线性连续分布函数。当设x=0，由式（5-52）可得下列逐段线性连续经验分布函数0为
当x＜x时，F（x）=0，内插从x开始，其逐段线性连续经验分11布函数为5.3.3 分布类型的选择
在工程项目风险发生概率的模拟仿真分析中，首先要由给定的随机变量的概率分布去生成随机量，然后进行计算。此处，选择什么样的随机变量概率分布至关重要，直接关系到分析计算的精确程度。可以毫不夸张地说，任何概率模型的误差通过提高计算方法的精度都是无法弥补的。
风险发生概率的分析计算中，选择概率分布的主要依据是对风险因素特征和属性的认识，以及实际占有的数据。一般而言，首先应根据对风险因素产生过程的认识，选择总体上比较适宜的概率分布；其次根据所掌握的实际数据，进一步确定该分布的参数。
数据在选择概率分布的过程中起决定性的作用。有了足够的数据，才可较好地去选择概率分布，起码可以作出经验分布。即使根据常规或经验可以方便地确定概率分布，但一般还需用数据去检验所选择的概率分布的正确性或根据数据去确定其参数。
事实上，较精确地选择概率分布并不是一件简单事情，需要借助一些方法去推定。此处介绍两种简单的方法。（1）直方图法
直方图的制作方法和一些特点在前文作了介绍。直方图实质上是相应于所获数据x，x，…，x密度函数的图形估计方法。在数据量12n较大的情况下，它能以很大的概率接近随机变量的密度函数。根据直方图的形状，可找到与其相近的连续分布的密度函数曲线。该方法较简单，不受分布形式的限制，而且很直观，因此应用较多。（2）概率图法
直方图法是根据估计的密度曲线的形状来估计理论分布，概率图法则是根据经验分布函数来估计理论分布函数。
一般由经验分布曲线估计理论分布曲线要比用直方图方法由经验密度曲线估计理论密度曲线困难。因为连续分布函数的分布曲线几乎均是“S”形的，不同分布没有明显的差别。但概率纸就不同了。概率纸的横坐标是实际数据，纵坐标是累积概率，其横坐标和纵坐标的刻度不一定是均匀的，而是根据分布函数构造的。对不同类型概率分布横坐标和纵坐标的刻度可能是不一样的，其目的是要使不同类型的概率分布曲线在概率纸上总是一直线，以便于观察分析。
概率图法的具体步骤如下：
①估计累积概率分布。由原始数据估计累积概率分布的方法为：
将原始数据x从小到大进行排序、编号，得到：ix≤x≤…≤x12n
计算对应x的累积概率F（x）。当实际数据量n较大时，用下式ii计算：
当实际数据量n较小，如10≤n＜20时，可考虑用下式计算较适当：
当实际数据量n很小，如n＜10，更多的人喜欢用下式计算更加简单：
当实际数据量n较小时，更多的人喜欢用下式计算使其简单
②选择适当概率纸。根据项目风险因素数据，估计其总体分布，选择适当的概率纸。若估计分布分别是正态分布、对数正态分布、指数分布或极值分布时，则分别应选择对应的正态概率纸、对数正态概率纸、指数概率纸或极值概率纸。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]