彈性電網基本理論

鞏政 劉志強 曾泰元 周健

摘 要：電力基礎設施是重要的生命線系統，對我們的日常生活至關重要。電力系統彈性表征抵御，適應并及時從中斷中恢復的能力。彈性動力系統旨在應對包括極端自然災害和人為攻擊在內的低概率，高風險極端事件。本文通過對彈性電網的闡述，分析了研究彈性電網的意義，最后描述了現有彈性電網的模型。

關鍵詞：彈性電網；恢復力；電網

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.135

1 引言

電力系統是任何現代社會的支柱，支持其他幾個關鍵基礎設施，如交通，通訊，水利等[1]。因此，正如過去幾十年來大量停電期間所經歷的那樣，供電的中斷將會產生災難性后果 [2]。但是，確保不間斷的電力供應具有挑戰性，因為電力系統面臨多種威脅。這些威脅可以主要分為典型的電力系統停電和極端事件，例如由自然災害、極端天氣。

2 彈性理論及彈性電網

彈性最早是由Holling教授在1972年講述生態系統中提出的一個概念，其中提到以“系統的持久性和應對變化及擾動的能力并仍然保持種群或狀態變量之間的相同關系。在過去的幾十年里，彈性廣泛地應用于環境科學、經濟學、心理學、材料科學、防災工程等等。據英國內閣辦公室報道，彈性是“預測、承受、適應或迅速恢復破壞性事件的能力”。彈性是由聯合國減災辦公室定義為：“一個系統的能力，社區或社會接觸危險的抵抗、承擔、容納和及時有效的從危險中恢復，包括通過保護及其基本結構和功能恢復的能力。

目前，雖然缺乏彈性定義的共識，但彈性定義的本質大體是一致的，也就是說，它是一個總體概念，包括災難性事件前后的系統性能。因此，彈性可以定義為“一個實體的預期、抵抗、承受、響應、適應和從擾動中恢復的能力”。近年來，彈性越來越被認為是關鍵基礎設施的新設計和運營目標。彈性的重點不同于可靠性，脆弱性等，因為極端事件很少發生，可能導致多個瞬時復合故障，并且需要相對復雜的恢復策略。對于能源基礎設施，特別是在電力系統中，人們提出了許多類似的基本定義，重點就是解決災害對電力系統的干擾問題。彈性電網應用于電力系統中是一個相對較新且正在興起的概念，電力系統的彈性可以定義為電力系統在災害中快速恢復或應對高影響、低概率事件，迅速地從這些破壞性的事件中恢復的能力。

3 彈性電網的意義

在美國，與天氣有關的停電每年導致估計250億美元的經濟損失。在中國，2014年7月襲擊廣東省的臺風將多條220千伏輸電線路停運。極端天氣事件在電力系統中的嚴重后果給電力系統的恢復力帶來了挑戰，引起了全球組織和政府的關注。美國政府在2011年6月強調了電網對抗強烈天氣事件影響的重要性。美國國家研究委員會（NRC）和英國上議院強調了彈性能源基礎設施的重要性。北美電力可靠性公司（NERC）和美國電力研究研究所（EPRI）都認識到系統彈性的功能。

經濟迅速發展和廣泛的全球化也使得自然災害和人為災害對地理區域的影響不受限制。這些因素導致基礎設施系統的敏感性和脆弱性日益增加給城市安全管理帶來巨大的困難和挑戰。彈性是系統安全中最重要的指標之一，有效的彈性測量為改進應急計劃和響應提供了基礎。開發綜合恢復力測量所面臨的挑戰是輸入輸出的多維和復雜性，例如時變和相互依賴的系統性能，不確定的系統后果，中斷情景的動態性和從歷史事件中學習的不完整信息。在實踐中，隨時間變化的恢復能力的評估是必要的，因為中斷的系統在由連鎖故障或中斷引起的后續事件中表現出不同的表現。此外，非線性關系在復雜的基礎設施系統中普遍存在，并且將能力并入彈性測量并非易事。

4 彈性電網模型

電力系統可能會受到不同程度的沖擊，例如自然災害或極端天氣。因此，確定這些狀態至關重要，以便能夠系統地評估和增強電力系統對這些事件的影響。

在這些前提下，圖1顯示了彈性梯形概念圖，它清楚地解釋了電力系統與外部干擾的相關狀態的時間序列和動作類型。將事件分解為不同階段（階段I，階段 II， 階段 III）可以進行動態的多階段彈性評估。電力系統狀態的各個階段可以精確地用彈性梯形模型表示：如果外部沖擊的時間和位置可以準確地預測出來，系統操作員應該在事件發生之前著手準備預防措施，目的是為了提高基礎設施抗風險恢復能力。在干擾發生期間（階段I，t∈[toe，tee]），緊急改進措施可以減輕外部沖擊對電力系統的影響。事件發生后，系統將處于事后干擾狀態（階段II，t∈[tee，tr]），正確有效的應急協調和準備可以使恢復階段（階段III， t ∈ [tr， T]）快速開始，如圖1所示，T表示網絡從危機后的完全恢復到彈性水平R0的時間或者可能達到與R0不同的期望彈性水平的時間。當系統從事干擾狀態中恢復時，需要對外部沖擊對系統恢復力及其性能的影響進行評估和分析，以便在未來類似或不可預見事件中采取適應性措施來增強基礎設施的彈性。

5 結論

本文通過對彈性電網理論的闡述，討論了研究彈性電網的意義。并對現有彈性電網的模型進行里論述。彈性電網的研究正處于剛剛起步的階段，因此需要對彈性電網進行深入研究，提高電網的恢復能力

參考文獻：

[1]舒印彪，湯涌，孫華東.電力系統安全穩定標準研究[J].中國電機工程學報，2013，33（25）：1-9.

[2]侯慧，尹項根，游大海，陳慶前，童光毅，鄭毅.國外經驗對中國電力系統應急減災機制的啟示[J].電力系統自動化，2008（12）：89-93.

作者簡介：鞏政（1992-），男，山東濟南人，研究生在讀，研究方向：智能電網。