城市電力安全韌性量化評估體系研究

中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司 錢曉棟 徐峰達 陳 麗 徐 展

1 引言

在熱力學第二定律的限制下，人類汲取高品位能源消耗產生的負熵開展生產和生活，對于能源的利用形式也逐步由直接可獲取的薪柴、流水、煤炭等一次能源，拓展至電力、蒸汽等經過加工轉化的二次能源。自電氣革命以來，電力因其在傳輸、使用等方面的便利性，已成為最常用的能源形式。以互聯網信息系統為代表的新一輪科技革命進一步加深了人們對電力的依賴。與此同時，隨著生產力水平的提升，全球人口逐步由農村向城市集中，特別在我國這樣高速發展的經濟體中，城市化發展進程尤為迅速，城市化率已由21世紀初的36.22%提升至2022年的65.22%。關于電力安全評估目前大致有三種方法：基于概率場景的暫態穩定性風險評估，依托元件發生故障的隨機模型，計算一系列后果，邏輯因果性強[1-2]；基于風險管理的分析評估，結合定量和定性分析，可操作性強，易于發揮專家經驗優勢[3-4]；基于人工智能新理論的評估方法，具有較高的科學性和客觀性，且相對節省人力[5]。

評估指標體系的建立是城市電力安全韌性評估中的重要環節，科學、合理的評估指標體系是準確掌控城市安全狀況的必要前提。因此，本文就此開展研究，為后續工作進行鋪墊。

2 指標體系構成

目前普遍認可的系統韌性四大特性可總結為4R，分別為堅韌性（Robustness）、冗余性（Redundancy）、智慧性（Resourcefulness）和迅速性（Rapidity）。堅韌性：城市能夠對災害進行預測、預報和預警，同時又能夠抵抗災害，減輕由災害導致的城市在經濟、社會、人員、物資等多方面的損失。冗余性：城市設置關鍵功能設施時，應當預留備用模塊，當突發災害導致部分設施受損不能正常執行功能時，備用模塊可以起到補充替代的作用，使系統功能水平維持于可控與閾值內，而不至于徹底停擺。智慧性：留有基本救災資源，并建立擁有智慧可靠的應急調配機制，確保在資源受限情況下，通過合理優化調配，平衡各方需求，最大化利用效益。迅速性：控制損失并阻止未來損失進一步擴大的響應速度，發生災害之后城市能夠從中快速恢復部分功能，保障市內基本活動水平的能力。根據這四大特性，構建城市電力安全韌性評估指標體系。具體則為橫向覆蓋電力的建設、轉供、監控和應急四個方面，構建1套（4×4）的矩陣體系，形成覆蓋各維度，可獲取、可跟蹤的指標體系。城市電力安全韌性評估體系矩陣見表1。

表1 城市電力安全韌性評估體系矩陣

3 指標體系內容

3.1 電力系統建設

電力是關乎社會發展和人民生活水平的基礎資源，在工、農、商及其他生產消費活動中不可或缺，作為動力來源更是城市經濟生活持續運行的關鍵支柱。電力系統從電源開始到各類負荷，共包含發、輸、變、配和用等五個主要環節，覆蓋電能的生產、傳輸、分配和消費全部過程，指標體系也圍繞這四個方面進行建立。

3.1.1 供電類

一是上級電網電力充裕度，指上級電網提供最大電力容量相較最大負荷的比例；二是上級電網電量充裕度，指上級電網提供電量的最大能力，相較年用電量的比例。

3.1.2 電網類

一是 220kV容載比，指特定供電分區之內220kV電壓等級電網的變電設備總容量與該分區最大用電有功負荷的比值，以此反映主網供電能力技術經濟性；二是 35～110kV容載比，指特定供電分區35kV到110kV電壓等級電網的變電設備總容量與該分區最大用電有功負荷的比值；三是 重過載電網設備占比，指負載大于80%的10～220kV電網設備比重；四是外力破壞造成故障停電比例，指全年內由外部因素導致電網發生故障停電的次數與當年故障停電總次數的比值。

3.1.3 用電類

一是年用電量增長率，指區域年用電量相較去年同期的增長率；二是用電量彈性系數，指用電量增長率與GDP年增長率的比值，計算連續三年平均水平；三是供電可靠率RS3，指排除電力系統中因計劃檢修造成的局部停電時間段，統計用戶有效供電時間總時長與統計期間時長的比值。

3.1.4 儲電類

儲能建設，以儲能配置達到新能源項目裝機容量的比例分段評估。

3.2 電力轉供

電力轉供即電網負荷轉供，具體含義為當電網發生故障并完成隔離之后，通過開關動作切除部分非關鍵負荷，進而可以在滿足安全約束的情況下，快速優先恢復故障下游受故障影響而失電的重要負荷供電，同時盡量多恢復其他負荷供電。因此，負荷轉供可以顯著降低故障產生負面影響，降低后續損失，提高系統供電可靠性。

3.2.1 高壓電網供電類

110～220kV設備N-1通過率，城市110kV到220kV電壓等級的電網中，任意某一獨立設備（發電機、輸電線路、變壓器等）因故障脫離電網后，電力系統應能繼續穩定運行和保證其他用戶供電，同時其他變電設備不發生負荷過載，其他線路不出現連鎖跳閘，造成用戶停電。

3.2.2 中低壓電網重構類

一是 10～35kV電網可轉供率，指可轉供線路所占比例；二是中心城區全停全轉比例，中心城區是指市區范圍內政治、經濟和社會、文化活動的核心區域，其范圍由城市規劃確定，全停全轉是指在特殊條件下（如檢修或故障），變電站母線全部停電，線路也依然可以實現變電站負荷全部轉移。

3.2.3 用電自供類

重要的電力用戶應當按規定自備應急電源，符合規范要求配置自備電源的重要用戶戶數與重要用戶總數的比值即為規范配置率，其中重要電力用戶按特級、一級、二級劃分，此外還包括臨時性重要電力用戶。

3.3 電力監控與管理

隨著數字化技術的發展，電力監控和管理由傳統定期巡查、手工抄檢的方式逐漸轉變為集中化遠程管理、不間斷檢測、自動記錄、實時上報的模式，逐步實現電網可觀、可測、可控，將有效提升能源利用效率、保障供電安全。

3.3.1 電網監測管理類

一是配電自動化覆蓋率，配電網自動化的含義為：在配電網監控系統之內，運用計算機技術、自動控制技術、電力電子技術、通信技術以及新型高性能配電設備的水平；二是配電通信網覆蓋率，配電通信網是配電自動化系統的重要組成部分，配電網運行狀態的監視、控制和故障處理都依賴通信網來實現。三是電壓合格率，屬于Q/GDW 10650.8中規定在各監測點測量的物理量，通過統計物理量的符合性，評估電能質量水平。

3.3.2 用電安全監控類

一是用電引發消防安全事故，指年用電引發消防安全事故與用電人口數量的比例；二是智能電表覆蓋率，智能電表是電網中集電能數據采集、計量和傳輸多項功能為一體的二次側設備，是后續實現信息整合、統計分析，以及發布展示的基礎。三是電力需求側響應能力，具體指電力批發市場價格變化或電力尖峰保供困難時，用戶基于事前或當前與供電單位協商達成一致，確認減少用電負荷可以獲得補償，或基于電力價格情況，主動改變原用電模式，達到改變負荷大小或者推移用電時間，從而匹配電力供應，保障電網穩定的能力。

3.4 電力應急與恢復

發生如重大施工事故、公共緊急事件、性質惡劣的違章操作、地震、洪澇等事件后，電力系統極易因局部故障擴散而崩潰，同時引發大規模停電事故。根據《國家處理電網大面積停電事件應急預案》規定，各省（市、自治區）政府應當對照國家處置電網大面積停電事件的應急預案，結合本地實際情況，制定完備應急預案并預先針對潛在大面積停電事件成立應急指揮機構，健全相關救援與處置體系。電力應急搶修類別如下。

一是電力搶險救災應急機制，評估電力搶險救災制度保障能力，完善電力應急管理責任制度；二是極端天氣保供機制，強降雨、冰雪災害、高溫熱浪等極端天氣狀況對電力設施造成損害，或影響其正常運行，威脅電力保供，須建立極端天氣保供機制；三是災害導致重大以上大面積停電事故恢復時間，表征了電力公司應進行系統恢復建設的能力，可以通過完善黑啟動方案，提升應災調度技術，優化恢復策略加快電力恢復供應；四是運行、維護和搶修人員/裝備配備情況，涉及負責電力設施設備運行、維護和事故搶險搶修的操作人員完備和裝備先進程度。

4 案例分析

基于本文指標體系并征求意見進行各項賦值后，對某市電力安全韌性水平進行了評估，城市電力安全韌性評分如圖1所示。

圖1 城市電力安全韌性評分

分析評價結果后發現，市電力安全韌性領域的主要問題主要體現在供電、電網、用電、儲電和用電安全監控等方面，總結而言可以歸結為電力供需形勢緊張和電氣火災風險較高兩方面，而電力供需在“供、網、用、儲”不同角度均有短板。具體表現為：在供應側電源性缺電風險大，規劃對需求側增長幅度估計不足；高/中低壓配電網發展不均衡；儲能發展未能緊跟可再生能源發展；由用電引發的消防安全事故未得有效遏制。

建議在保障電力供需安全方面：推動應急電源建設；促進外來清潔電力引入，加強本地清潔電源發展；強化中長期負荷預測精度。在強化城市配網建設方面：深化各電壓等級電網協調發展，突破充電設施接入、清潔能源消納等關鍵技術；構建交直微混合中壓網絡，構建源荷協調低壓自治網絡。在增進電網靈活性方面，大力發展儲能、需求側響應，加快儲蓄建設，推廣應用新型儲能，建設“虛擬電廠”實現時空資源協調。在加強電氣火災預防方面，強化用電安全教育和電氣火災預防，規范電氣線路安裝，選用合格電器設備，汰換老舊產品。

5 結語

本文考慮韌性系統評估具備堅韌性、冗余性、智慧性和迅速性等特征，提出了一套覆蓋電力系統建設、電力轉供、電力監控與管理，以及電力應急與恢復等多方面情況的城市電力安全韌性指標體系。可為評估城市電力安全韌性水平提供基礎支撐，對各責任方的改善措施起到指導幫助。