能源轉(zhuǎn)型下新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

別朝紅,潘超瓊,陳葉,李芙蓉

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西安交通大學(xué)陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安;4.英國(guó)巴斯大學(xué)電氣工程學(xué)院,BA2 7AY,英國(guó)巴斯)

我國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話[1],明確指出“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”,表明我國(guó)需進(jìn)一步加快能源變革轉(zhuǎn)型,以解決當(dāng)前我國(guó)面臨的能源結(jié)構(gòu)不合理、資源環(huán)境約束趨緊、能源安全風(fēng)險(xiǎn)高、能源利用效率低等嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的深層次矛盾與問(wèn)題。同時(shí),我國(guó)關(guān)于制定“十四五”規(guī)劃的建議[2]中也明確指出要“促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型,建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”。

能源轉(zhuǎn)型給我國(guó)能源行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。新能源由于其資源豐富、清潔低碳的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書指出要大力推進(jìn)低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源,優(yōu)先發(fā)展非化石能源,建設(shè)多元清潔的能源供應(yīng)體系[3]。同時(shí),隨著高比例新能源不斷接入電力系統(tǒng),其所具有的間歇性和波動(dòng)性給系統(tǒng)帶來(lái)了高度的不確定性。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估由于能夠準(zhǔn)確地刻畫電力系統(tǒng)所面臨的威脅、存在的弱點(diǎn)及造成的影響,而成為了確保系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地供應(yīng)電能的首要研究。然而,隨著高比例具有高度不確定性的新能源接入電力系統(tǒng),確定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新能源電力系統(tǒng)在規(guī)劃、運(yùn)行、交易、決策等領(lǐng)域的應(yīng)用需求,而概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是評(píng)估高度不確定性系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的有力工具,因此針對(duì)新能源電力系統(tǒng)的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成為非常必要的研究和亟待解決的難題。

本文立足于能源轉(zhuǎn)型下的新能源電力系統(tǒng),首先闡述了新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的迫切性,其次對(duì)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的含義和應(yīng)用現(xiàn)狀以及新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的特點(diǎn)進(jìn)行了概述,然后在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從風(fēng)險(xiǎn)建模、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)決策4個(gè)層面分析了新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題,最后對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望并總結(jié)。

1 新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的迫切性

對(duì)于新能源電力系統(tǒng)而言,在保障系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地供應(yīng)電能的基礎(chǔ)上,適應(yīng)高比例新能源接入的特點(diǎn)是其發(fā)展的核心要求之一。隨著新能源的不斷接入,系統(tǒng)將呈現(xiàn)高度的不確定性,同時(shí)電力系統(tǒng)的規(guī)模將不斷擴(kuò)大,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也將變得更加復(fù)雜,確保系統(tǒng)在如此不確定且復(fù)雜情況下的安全可靠供電,并避免低概率高損失故障的發(fā)生成為新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行過(guò)程中的首要任務(wù)。

針對(duì)上述新能源電力系統(tǒng)所要解決的在高度不確定性情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠供電的這一首要任務(wù),確定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在風(fēng)險(xiǎn)建模方面,新能源出力模型大多單獨(dú)考慮一種類型新能源的時(shí)空相關(guān)性,新能源故障模式多為單一故障模式;在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面,算法核心大多基于對(duì)高概率低損失和低概率高損失故障無(wú)差別對(duì)待的時(shí)序或者非時(shí)序蒙特卡羅模擬,算法加速大多是基于狀態(tài)抽樣層面的;在風(fēng)險(xiǎn)分析方面,風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)均基于長(zhǎng)期的平均數(shù)字特征,薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別一般使用可靠性跟蹤或者靈敏度分析法;在風(fēng)險(xiǎn)決策方面,無(wú)論是運(yùn)行方式安排還是設(shè)備備用規(guī)劃上,均使用確定性的原則且對(duì)不同類型的風(fēng)險(xiǎn)不作區(qū)分。綜上所述,確定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論和方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新能源電力系統(tǒng)在規(guī)劃、運(yùn)行、交易、決策等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

而后興起的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通過(guò)建立不確定性來(lái)源的模型、刻畫不確定性故障的發(fā)展過(guò)程、分析不確定性的最終結(jié)果、指導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)化決策等來(lái)開展具有極高不確定度系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由此而言,概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為解決含高比例新能源電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所面臨的瓶頸難題提供了一條可行的研究思路。雖然概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究已經(jīng)在航空航天、核能、化工、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但是由于新能源電力系統(tǒng)具有高度不確定性、元件數(shù)目繁多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁與機(jī)電暫態(tài)交織等眾多特點(diǎn),其他領(lǐng)域的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究成果難以直接應(yīng)用。針對(duì)新能源電力系統(tǒng)的上述特點(diǎn),從模型、方法、指標(biāo)和應(yīng)用等方面進(jìn)行深入研究,建立一套完整的新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法體系十分迫切。

2 新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估概述

2.1 概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的含義

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的概念最早于1972年在美國(guó)原子能委員會(huì)首次應(yīng)用事件樹和故障樹相結(jié)合的分析技術(shù),成功地對(duì)核電站的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量的綜合評(píng)估后得到廣泛應(yīng)用。隨后,美國(guó)核管理委員會(huì)和美國(guó)航空航天局開始使用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量的評(píng)估,用以實(shí)現(xiàn)工程系統(tǒng)的安全管理[4-6]。

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一種定量的概率性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,通過(guò)概率性建模綜合考慮系統(tǒng)中的各種定量信息和隨機(jī)因素,構(gòu)建量化的風(fēng)險(xiǎn)事件鏈模型,利用合理的不確定性分析方法,預(yù)測(cè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平,分析影響風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素,進(jìn)而為復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理提供決策支持[7-9]。概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心內(nèi)涵包括風(fēng)險(xiǎn)源概率建模、事件鏈建模、故障建模、模型量化與集成、不確定性與敏感性分析、結(jié)果分析,它們之間的內(nèi)在聯(lián)系如圖1所示。

圖1 概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心內(nèi)涵

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與傳統(tǒng)可靠性評(píng)估及危險(xiǎn)分析的區(qū)別和聯(lián)系如表1所示,概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估針對(duì)具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行完整、系統(tǒng)的概率性量化建模和分析,它不僅提供概率性的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),而且更加強(qiáng)調(diào)對(duì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)不確定性的來(lái)源、發(fā)展和影響的準(zhǔn)確描述,因此更能反映系統(tǒng)的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)水平,進(jìn)而為資源分配和風(fēng)險(xiǎn)決策提供更加合理的依據(jù)[10]。

表1 概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與可靠性評(píng)估及危險(xiǎn)分析的對(duì)比

2.2 概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在不確定復(fù)雜系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)建模、評(píng)估、分析、決策等方面的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在航空航天、核能、化工、國(guó)防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[11-14]在剖析概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在載人航天的范圍、對(duì)象、實(shí)施條件等方面工程實(shí)用性問(wèn)題的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)航天系統(tǒng)安全性分析的現(xiàn)狀,將該技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)航天系統(tǒng)并給出了具體的應(yīng)用示例。文獻(xiàn)[15-17]介紹了概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在反應(yīng)堆核設(shè)施和放射性物質(zhì)運(yùn)輸以及核電廠等方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)[18]分析了概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在國(guó)外污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的案例應(yīng)用,通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)確定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,進(jìn)一步說(shuō)明了概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在我國(guó)污染場(chǎng)地健康風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)用上的有效性。由此而言,概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為解決含高比例新能源電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目前的瓶頸問(wèn)題提供了可行的研究思路。

2.3 新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的特點(diǎn)

基于概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論的核心內(nèi)涵,欲構(gòu)建完整的新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法體系,需要從風(fēng)險(xiǎn)建模、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分析以及風(fēng)險(xiǎn)決策4個(gè)方面進(jìn)行深入研究。具體而言,它通過(guò)新能源的概率風(fēng)險(xiǎn)建模、復(fù)雜電力系統(tǒng)的概率風(fēng)險(xiǎn)建模及算法研究,提出全面反映系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)水平的多層次指標(biāo)體系及薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法,從而探索具有更高實(shí)用價(jià)值的新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用理論。其旨在突破確定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基于風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)期平均數(shù)字特征無(wú)法對(duì)高發(fā)生概率低嚴(yán)重后果和低發(fā)生概率高嚴(yán)重后果事件進(jìn)行區(qū)分的局限,全面精細(xì)地刻畫系統(tǒng)的不確定性,為高比例新能源接入的電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行提供合理的決策依據(jù)。新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在模型、算法、指標(biāo)和應(yīng)用方面的具體關(guān)鍵問(wèn)題將在下一章中展開詳述。

3 新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 新能源的概率風(fēng)險(xiǎn)建模

3.1.1 新能源出力模型研究現(xiàn)狀 新能源間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)給電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),隨著對(duì)新能源特點(diǎn)認(rèn)知的不斷深入,其風(fēng)險(xiǎn)模型也在逐步完善。其中,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)起步較早,風(fēng)險(xiǎn)模型發(fā)展較為成熟,從單一風(fēng)電場(chǎng)到多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、從僅考慮概率分布到考慮時(shí)空相關(guān)性等都有相應(yīng)的研究,現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)出力模型總結(jié)于表2中。

表2 風(fēng)電場(chǎng)出力模型

相對(duì)而言,光伏發(fā)電起步較晚。文獻(xiàn)[27]基于光伏電站出力服從的貝塔分布提出了光伏發(fā)電的概率分布函數(shù)抽樣法。文獻(xiàn)[28]根據(jù)季節(jié)判斷云朵的位置和降雨量,結(jié)合晴空系數(shù)和光透射比等天氣參數(shù),提出了每小時(shí)光輻照度數(shù)據(jù)的生成算法。

同時(shí)考慮風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力的模型方面也有相應(yīng)的研究成果。文獻(xiàn)[29]提出經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)速和光輻照度數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[30]分析了同一地區(qū)風(fēng)速和光輻照度序列的自相關(guān)性和互相關(guān)性。文獻(xiàn)[31]在考慮風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站空間相關(guān)性的基礎(chǔ)上對(duì)新能源場(chǎng)站進(jìn)行了容量規(guī)劃。文獻(xiàn)[32]考慮風(fēng)功率和負(fù)荷之間的不確定性及相關(guān)性研究了電力系統(tǒng)的概率多目標(biāo)優(yōu)化潮流。

3.1.2 新能源故障模式研究現(xiàn)狀 新能源場(chǎng)站作為電力系統(tǒng)的發(fā)電元件,其故障的不確定性給系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。目前新能源的故障模式多為單一故障模式,相依故障模型方面的研究較少考慮。實(shí)際上,相依故障后果嚴(yán)重,忽略新能源相依故障使得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀,無(wú)法反映其接入系統(tǒng)后風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)水平。

3.1.3 風(fēng)險(xiǎn)建模的關(guān)鍵問(wèn)題 現(xiàn)有的新能源出力模型中大多單獨(dú)考慮風(fēng)電場(chǎng)出力的時(shí)空相關(guān)性或者單獨(dú)考慮光伏電站出力的時(shí)空相關(guān)性,較少?gòu)幕パa(bǔ)的角度同時(shí)考慮風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力之間的時(shí)空相關(guān)性以及新能源出力與負(fù)荷之間的時(shí)空相關(guān)性;新能源故障模式多為單一故障模式,較少同時(shí)考慮內(nèi)、外部因素導(dǎo)致的相依故障模式。隨著高比例具有高度不確定性新能源的接入,電力系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大,現(xiàn)有的新能源出力和故障模型無(wú)法精確刻畫其不確定性,亟需進(jìn)一步完善新能源的風(fēng)險(xiǎn)模型,為系統(tǒng)的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做好準(zhǔn)備工作。

(1)在出力模型方面,由于Copula函數(shù)模型和其他考慮相關(guān)性的模型相比,能夠更好地保持歷史新能源出力數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)量、概率分布特性以及線性和非線性相關(guān)結(jié)構(gòu),故而可以利用其從互補(bǔ)的角度考慮風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力之間的時(shí)空相關(guān)性以及新能源出力與負(fù)荷之間的時(shí)空相關(guān)性。

(2)在故障模式方面,除考慮單一故障模式外,還需要借鑒常規(guī)元件故障模型研究極端天氣等外部因素對(duì)新能源故障停運(yùn)的影響,并基于可靠性理論中的共因故障和共模故障原理研究?jī)?nèi)部因素對(duì)故障停運(yùn)的影響,建立新能源的復(fù)雜相依故障模型。

3.2 概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

3.2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法研究現(xiàn)狀 現(xiàn)有的電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[33-38]均基于傳統(tǒng)的非時(shí)序或者時(shí)序蒙特卡羅框架,僅針對(duì)抽樣到的故障狀態(tài)進(jìn)行充裕度評(píng)估和狀態(tài)校正,不考慮故障的發(fā)展。對(duì)于電力系統(tǒng)而言,連鎖故障反映故障的進(jìn)一步發(fā)展,忽略連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果偏離真實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)水平。同時(shí),新能源的時(shí)序出力波動(dòng)性是連鎖事故鏈的重要觸發(fā)源,即系統(tǒng)故障時(shí)段內(nèi)新能源出力的波動(dòng)很可能引發(fā)進(jìn)一步故障,但目前同時(shí)考慮高比例新能源不確定性和連鎖故障之間相互作用對(duì)電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估影響的研究還較少。

另外,現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法大多基于風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)期平均數(shù)字特征,對(duì)高發(fā)生概率低嚴(yán)重后果和低發(fā)生概率高嚴(yán)重后果事件不作區(qū)分地抽樣評(píng)估,無(wú)法全面、深刻、真實(shí)地反映電力系統(tǒng)實(shí)際所面臨的風(fēng)險(xiǎn)特性。實(shí)際上,高概率低損失和低概率高損失故障發(fā)生的概率和對(duì)電力系統(tǒng)造成的后果不同,如圖2所示,決策者在面對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)類型時(shí)所做的決定也有很大的差別。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)類型

3.2.2 算法計(jì)算效率研究現(xiàn)狀 提高算法的計(jì)算效率也是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的重點(diǎn),蒙特卡羅模擬法的計(jì)算量與試驗(yàn)函數(shù)的方差成正比,與估計(jì)精度的平方成反比,即在一定的精度下,減小抽樣次數(shù)的唯一途徑就是減小方差。目前的研究大多是從狀態(tài)抽樣這一層面來(lái)加速算法的,包括控制變量法、分層抽樣法、重要抽樣法、故障智能篩選排序法等減小方差的研究,歸納于表3中。隨著電力系統(tǒng)越來(lái)越可靠,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的計(jì)算精度越來(lái)越小,所需要的計(jì)算量變大,僅依靠傳統(tǒng)的狀態(tài)抽樣層面減小方差的加速方法已經(jīng)不能滿足高比例新能源接入的電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算效率的要求。

表3 蒙特卡羅模擬加速方法

3.2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題 在算法核心方面,現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法不能同時(shí)考慮連鎖故障和新能源出力時(shí)序波動(dòng)性之間的相互作用對(duì)電力系統(tǒng)的影響,且評(píng)估時(shí)不能區(qū)分不同類型的風(fēng)險(xiǎn);在算法效率方面,傳統(tǒng)基于狀態(tài)抽樣層面的加速方法有待提高。因此,亟需建立針對(duì)新能源電力系統(tǒng)的系統(tǒng)化、高效的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法。

(1)在評(píng)估算法方面,需要研究能夠區(qū)分處于中心分布和尾部分布兩種不同風(fēng)險(xiǎn)類型的風(fēng)險(xiǎn)全分布評(píng)估算法。首先,對(duì)于中心分布的高概率低損失風(fēng)險(xiǎn),利用時(shí)序連鎖交叉蒙特卡羅方法考慮新能源時(shí)序出力波動(dòng)性和連鎖故障之間相互作用對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的影響;其次,可以利用極值原理來(lái)刻畫尾部分布的低概率高損失風(fēng)險(xiǎn)的特性。

(2)在計(jì)算效率方面,研究從蒙特卡羅模擬的全過(guò)程包括狀態(tài)抽樣、狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)校正3個(gè)方面全面提高概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法效率的方法。首先,在狀態(tài)抽樣環(huán)節(jié)可以通過(guò)子集模擬法引入合理的中間事件,從而精準(zhǔn)高效地捕捉低頻高危狀態(tài);其次,在狀態(tài)評(píng)估環(huán)節(jié)可以將解析法和模擬法相結(jié)合,從而減少每次狀態(tài)評(píng)估的時(shí)間;最后,在狀態(tài)校正環(huán)節(jié)可以通過(guò)對(duì)偶理論研究去除冗余約束的方法,從而減少優(yōu)化模型的求解時(shí)間。

3.3 多層次概率指標(biāo)體系和薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法

3.3.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系研究現(xiàn)狀 當(dāng)前,電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系主要以基于期望值的單一性風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為主[43-49],不能區(qū)分高概率低損失和低概率高損失故障,致使后者被前者湮沒(méi)。實(shí)際上,高概率低損失故障雖然發(fā)生概率高,但給系統(tǒng)造成的損失小,而低概率高損失故障雖然發(fā)生概率低,但帶來(lái)的后果格外嚴(yán)重且易引發(fā)連鎖事故,是電力系統(tǒng)運(yùn)行人員嚴(yán)格防控的對(duì)象。因此,面向不同的風(fēng)險(xiǎn)類型必須使用不同的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,目前的指標(biāo)體系還無(wú)法做到。

3.3.2 薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法研究現(xiàn)狀 識(shí)別系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),從而提出具有針對(duì)性的改善措施,對(duì)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行非常重要。在電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方面,現(xiàn)有的研究大致分為可靠性跟蹤和靈敏度分析兩種方法,總結(jié)歸納如表4所示。

表4 薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法

可靠性跟蹤法通過(guò)將系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)完全分?jǐn)偟矫總€(gè)元件上,來(lái)反映每個(gè)元件對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度,進(jìn)而識(shí)別出系統(tǒng)中最薄弱的元件。文獻(xiàn)[50]基于配電網(wǎng)分塊算法和可靠性跟蹤準(zhǔn)則,提出了配電網(wǎng)元件可靠性雙層分?jǐn)偰Ｐ汀Ｎ墨I(xiàn)[51]運(yùn)用可靠性跟蹤原理分析了省級(jí)電網(wǎng)各元件對(duì)系統(tǒng)不可靠性的分?jǐn)傟P(guān)系,辨識(shí)出了4種典型運(yùn)行方式下的系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)并提出針對(duì)性的改善方案。文獻(xiàn)[52]從部件的角度構(gòu)建了電力變壓器的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,并提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的多狀態(tài)變壓器可靠性跟蹤分析方法。文獻(xiàn)[53]基于Shapley值分?jǐn)偛煌＿\(yùn)對(duì)系統(tǒng)削負(fù)荷的影響,克服了傳統(tǒng)上基于比例分?jǐn)倻?zhǔn)則平均化處理元件對(duì)系統(tǒng)不可靠性貢獻(xiàn)度導(dǎo)致的精度不高的問(wèn)題。

靈敏度分析法通過(guò)求解可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)元件參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),研究系統(tǒng)可靠性對(duì)元件參數(shù)變化的敏感程度,從而識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[54]利用靈敏度分析法分析了配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)對(duì)于可量化和不可量化因素的靈敏度。文獻(xiàn)[55]基于靈敏度分析法比較了斷路器元件參數(shù)變化對(duì)變電站可靠性的影響。文獻(xiàn)[34]在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的場(chǎng)景下,從靈敏度分析的角度研究了儲(chǔ)能容量的規(guī)劃問(wèn)題。文獻(xiàn)[56]針對(duì)含風(fēng)電的交直流電力系統(tǒng),推導(dǎo)出了可靠性指標(biāo)對(duì)直流功率和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)有功出力靈敏度的解析表達(dá)式。

3.3.3 風(fēng)險(xiǎn)分析的關(guān)鍵問(wèn)題 總體而言,無(wú)論是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系還是薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方面,現(xiàn)有的研究均不能對(duì)高概率低損失和低概率高損失故障進(jìn)行區(qū)分,無(wú)法做到針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)類型給出相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)和薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法,運(yùn)行管理人員只能基于“大平均”的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行決策,不利于電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。特別是高比例具有高度不確定性新能源接入的場(chǎng)景下,電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和管控對(duì)薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別的要求更加嚴(yán)格,亟需建立能夠反映電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平的多層次概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和基于概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法。

(1)在多層次概率指標(biāo)體系方面,分割多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析理論將系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)劃分為多個(gè)區(qū)間,除了得到單一的平均風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)外,還可以得到不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)分布,有利于捕捉系統(tǒng)潛在的極端風(fēng)險(xiǎn)[57]。它引入了條件期望值的概念,例如高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)概率和條件風(fēng)險(xiǎn)分別如下

(1)

(2)

式中:Ph為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)概率;βh為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間劃分的起始風(fēng)險(xiǎn);P(x)為當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)為x時(shí)的概率;Rh為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的條件風(fēng)險(xiǎn)。其余風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的公式以此類推。基于此,可以利用分割多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析理論構(gòu)建多層次的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,以反映不同層次的風(fēng)險(xiǎn)水平。

(2)在薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方面,可以將概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的割集重要度、微分重要度等重要度辨識(shí)方法和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)可靠性靈敏度分析理論相結(jié)合,研究含新能源節(jié)點(diǎn)影響的全面薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別體系。

3.4 概率風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化決策

3.4.1 運(yùn)行方式安排研究現(xiàn)狀 推廣風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的應(yīng)用能夠最大程度地保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。在運(yùn)行方式安排的決策應(yīng)用方面,通常分為在目標(biāo)函數(shù)和約束條件中考慮風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)兩種方法。文獻(xiàn)[58]將切負(fù)荷費(fèi)用考慮在目標(biāo)函數(shù)最小化中,從而對(duì)社區(qū)微電網(wǎng)的儲(chǔ)能容量進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[59]在建筑熱動(dòng)力學(xué)背景下,將風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)考慮在目標(biāo)函數(shù)中來(lái)對(duì)社區(qū)微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[60]在約束條件中給出條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值的上下限范圍,從而實(shí)現(xiàn)自主分布式智能電網(wǎng)的電力采購(gòu)優(yōu)化。文獻(xiàn)[61-62]對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行約束,以達(dá)到優(yōu)化決策維護(hù)配電系統(tǒng)的目的。

3.4.2 設(shè)備備用規(guī)劃研究現(xiàn)狀 在電力系統(tǒng)備用規(guī)劃方面,文獻(xiàn)[63]提出了一種考慮燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行模式的綜合能源系統(tǒng)備用配置與校核模型,克服了傳統(tǒng)線性模型高估機(jī)組爬坡能力所導(dǎo)致的系統(tǒng)實(shí)際備用不足的問(wèn)題。文獻(xiàn)[64]基于條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值研究了綜合能源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)厭惡機(jī)組組合問(wèn)題,為電力系統(tǒng)設(shè)備備用規(guī)劃研究打下了基礎(chǔ)。

3.4.3 風(fēng)險(xiǎn)決策的關(guān)鍵問(wèn)題 傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)決策使用確定性的原則,如發(fā)電容量規(guī)劃的百分比備用原則和輸電規(guī)劃的N-1原則等[65]。同時(shí),仍存在無(wú)法區(qū)分高概率低損失和低概率高損失兩種不同風(fēng)險(xiǎn)類型的問(wèn)題,使得決策結(jié)果太過(guò)粗略,減弱了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)大規(guī)模停電事故的預(yù)防抵御作用。在高比例的具有高度不確定性的新能源接入之后,電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾愈發(fā)突出,這些確定性的應(yīng)用原則更加無(wú)法合理、全面地考慮新能源、系統(tǒng)元件故障和負(fù)荷的不確定性,故而無(wú)法滿足系統(tǒng)在規(guī)劃、運(yùn)行、交易、決策等領(lǐng)域的應(yīng)用需求,亟需探索和研究具有更高實(shí)用價(jià)值的新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策應(yīng)用理論,為規(guī)劃和運(yùn)行提供合理的決策依據(jù),進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體安全運(yùn)行水平。

將新能源的概率風(fēng)險(xiǎn)模型應(yīng)用到復(fù)雜電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法中,結(jié)合多層次的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法,同時(shí)考慮確定性和概率性的因素,通過(guò)在優(yōu)化決策模型的目標(biāo)函數(shù)或者約束條件中考慮概率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中不同層次風(fēng)險(xiǎn)決策的有效指導(dǎo),如

(3)

Rl≤R(t)≤Ru

(4)

式中:R′(t)為概率風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用;N為發(fā)電機(jī)組總數(shù);Ci(t)為t時(shí)刻發(fā)電機(jī)組i的燃料費(fèi)用;Si(t)為t時(shí)刻發(fā)電機(jī)組i的啟停費(fèi)用;R(t)為概率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo);Ru和Rl為概率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的上下界。

上述新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵問(wèn)題在風(fēng)險(xiǎn)建模、評(píng)估、分析和決策方面的具體內(nèi)容及4者之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題

4 新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估未來(lái)研究方向展望

隨著我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的不斷深入,高比例新能源的接入既是構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的必要手段,同時(shí)其高度的不確定性又給電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn),針對(duì)新能源電力系統(tǒng)的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就顯得尤為重要。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究現(xiàn)狀,新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估未來(lái)的研究重點(diǎn)如下。

(1)在風(fēng)險(xiǎn)建模方面:①?gòu)幕パa(bǔ)的角度考慮風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力之間的時(shí)空相關(guān)性以及新能源出力與負(fù)荷之間的時(shí)空相關(guān)性;②同時(shí)考慮新能源的單一故障模式以及由內(nèi)、外部因素導(dǎo)致的相依故障模式。

(2)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面:①研究風(fēng)險(xiǎn)全分布評(píng)估算法,對(duì)于中心分布的高概率低損失故障研究能夠考慮新能源時(shí)序波動(dòng)性與連鎖故障之間相互作用對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響的評(píng)估算法,并尋求能夠準(zhǔn)確刻畫低概率高損失故障尾部分布特性的方法;②研究從蒙特卡羅模擬的全過(guò)程包括狀態(tài)抽樣、狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)校正3個(gè)方面全面提高算法計(jì)算效率的方法。

(3)在風(fēng)險(xiǎn)分析方面:①基于分割多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析理論提出面向不同風(fēng)險(xiǎn)類型的多層次概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系;②將概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要度辨識(shí)方法與傳統(tǒng)的靈敏度分析理論相結(jié)合,來(lái)研究含新能源節(jié)點(diǎn)影響的全面薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別體系。

(4)在風(fēng)險(xiǎn)決策方面:同時(shí)考慮確定性的傳統(tǒng)優(yōu)化決策模型和概率性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo),通過(guò)在優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)或者約束條件中計(jì)及概率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中不同層次風(fēng)險(xiǎn)決策的有效指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估既是衡量高比例不確定性新能源接入系統(tǒng)所帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的亟需研究,又是確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵保障。概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估針對(duì)具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行完整和系統(tǒng)的概率性量化建模和分析,相對(duì)于傳統(tǒng)可靠性評(píng)估而言,它能夠提供概率性的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)且更加強(qiáng)調(diào)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展和影響的準(zhǔn)確描述,非常有利于確保新能源電力系統(tǒng)在高度不確定情況下的安全可靠運(yùn)行。未來(lái)應(yīng)結(jié)合我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的新特征,重點(diǎn)研究新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在新能源出力模型和故障模式、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估核心算法和計(jì)算效率、多層次概率指標(biāo)體系和薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方法、運(yùn)行方式安排和設(shè)備備用規(guī)劃決策等方面的關(guān)鍵技術(shù)。