計及靈活性資源的配電網韌性研究評述

張海春,陳望達,沈浚,陳銘,朱新,郭楊瑾,趙鳳展

(1.國網浙江海寧市供電有限公司,浙江省嘉興市314400; 2.海寧金能電力實業有限公司,浙江省嘉興市 314400;3.中國農業大學信息與電氣工程學院,北京市100083)

0 引 言

隨著“雙碳”目標的提出,以風、光、生物質發電等新能源為主體、多種能源互補的供能形式將成為新型電力系統的主要特點之一[1]。電網中以風、光為主的分布式電源(distributed generation,DG)占比不斷提升,其出力的天氣強耦合性、隨機性與不確定性將導致配電網對DG消納困難、抗擾動壓力大,極高滲透率下的DG并網會改變區域電網的運行特性和源網交互機理,還可能帶來DG脫網、系統振蕩和電能質量惡化等問題;另外,有些地區極端天氣災害頻發和電力負荷激增,還會造成供用電設施損壞。以上這些都為配電網安全可靠運行帶來頗大的風險。

因此,電網需要具備更強的適配性、調節和傳輸能力,以應對臺風、冰雪等極端天氣擾動、高比例風光波動和多元負荷帶來的沖擊。于是,有學者提出“韌性電網”或“彈性電網”的概念,以表征對擾動具有一定應對能力的電網。歷史數據表明主要的大停電事故大多都發生在配電系統中,配電網相對于輸電網而言承受擾動的能力較弱[2],且與用戶負荷直接相關。因此著眼于配電網韌性研究,打造多元融合的新型電力系統,提升電力系統對各種擾動事件的感知、協同、抵御以及恢復能力,將有力支撐電網高質量轉型發展[3],也為用戶用電帶來更多直接效益。

近幾年,配電網韌性評估及提升方面的研究已成為熱點課題。現有韌性評估研究主要聚焦于極端災害下的小概率-高損失事件,強調極端災害下電網對關鍵負荷的支撐和恢復能力[4]。對于DG逐漸高比例接入的新型電力系統,由于天氣不確定性導致的DG出力波動大而且其出力曲線與負荷曲線錯配、電網穩定性差等問題,是電力系統韌性評估研究的一個新的重要方向。對于配電網韌性提升方面的研究,由于配電網源、網、荷、儲各側都有一定的靈活性資源,能通過相互協同減少擾動環境下的配電網負荷損失,為系統調整運行狀態提供了有利條件[5]。因此,將優化利用靈活性資源作為韌性提升的主要手段,研究其對配電網規劃[6]和運行[7-8]的調控作用,是韌性研究的另一重要問題。

目前,中國對韌性電網或彈性電網的實踐研究正處于蓬勃發展階段。其中,浙江省率先實踐彈性配電網建設,預計在2030年高質量建成多元融合的高彈性電網和中國特色國際領先的能源互聯網[9]。如浙江省海寧尖山多元融合高彈性電網建設工程,其負荷側通過光伏、儲能、充電樁等直流組網來提升配電網對DG的消納能力,網側進行主動配電網升級改造,同時建設源網荷儲協調控制系統進行控制策略分解及需求側響應,實現與省級調度平臺、系統等進行交互,最終構建以新能源為主體的新型電力系統。同時,國外對韌性電網或彈性電網的實踐探索也在不斷深入。美國芝加哥彈性電網建設工程投資和部署大規模智能電網技術,通過提高輸電系統輸送容量,整合輸電和配電層面的可再生能源,以靈活應對極端天氣或者其他擾動事件、適應變化的環境、維持盡可能高的運行功能,并能迅速、高效恢復電力系統性能。日本通過加強DG和新能源應用比例并建立多層次靈活的供用電結構開展彈性電網建設,旨在提高日本國內能源網絡恢復率,構建高彈性能源結構,最終實現能源系統互補的目標。歐盟在《靈活性如何支持電網的韌性?》[10]白皮書中討論了電力系統韌性范疇,并提出建設電力基礎設施、部署自動化設備、進行數據收集和交換等靈活性方法用于提升電網韌性。

盡管針對配電網韌性研究的項目愈來愈多,但目前研究仍更關注極端災害事件對配電網運行可靠性的影響,缺乏高比例DG不確定性造成配電網運行擾動的韌性研究,韌性評價指標也缺乏普適性。另一方面,廣泛分布于源、網、荷、儲各側的靈活性資源,賦予了配電網更為有效應對擾動、快速恢復的能力。因此,需要全面歸納各類擾動事件和現有韌性評價指標,并分析各類靈活性資源對配電網韌性的提升作用,以對未來新型配電網規劃建設和可靠運行提供指導。

綜上,本文將探討配電網韌性的基本概念,分析配電網所面臨的各類擾動及韌性配電網在擾動下所具有的特征,從擾動事件對配電網影響建模和韌性評估方法2個方面歸納韌性評估的研究情況,進而探討利用靈活性資源提升配電網韌性的關鍵技術,并對配電網韌性的未來研究方向進行展望。

1 配電網韌性概念

1.1 擾動概念及類型

研究配電網韌性,首先需明確配電網所面臨的擾動事件。擾動事件主要分3類:

1)第1類是發生頻率低、影響劇烈的極端事件,包括重大自然災害、恐怖襲擊、信息系統攻擊等,該類事件會對電網基礎設施和運行狀態造成較大沖擊,甚至引發大停電事故。

2)第2類是發生頻率高、影響較小的擾動事件,包括風光DG和電動汽車的高比例接入等,其DG出力和負荷的波動會對配電網安全可靠運行造成擾動。

3)第3類是電網設施自身故障帶來的運行擾動。

表1為配電網各類擾動及其影響[11]。其中,針對設備自身可靠性引起的配電網故障已有較多研究,不作為本文韌性研究的主要內容。

1.2 韌性定義與特征

英文“resilience”被譯為“恢復力、彈力、適應力、快速恢復的能力”,該詞最早出現在1973年,C.S.Holling將其定義為生態系統對外界擾動的抵御與吸收[12]。2003年M.Brunean著眼于災害研究,將該詞定義為社會機構應對災害的能力[13]。接著,韌性一詞陸續出現在工業系統、基礎設施等領域,2009年,美國能源部發布《智能電網報告》[14],首次明確提出智能電網在面對自然災害、蓄意攻擊、設備故障和人為失誤時應該具有韌性,這是韌性概念首次應用于電網。

在電力系統中“resilience”常譯為“韌性”或“彈性”,部分研究認為兩者間存在微小區別,“韌性”更強調電網遭受沖擊時的抵御能力,而“彈性”側重于電網遭受沖擊后的恢復能力[15];多數研究并未將“韌性”與“彈性”作明確區分,二者均表征電網對擾動的預警、抵御、恢復能力[16-18]。因此,本文將“彈性”納入“韌性”研究中。

現有研究對“韌性”的定義主要分為恢復韌性和運行韌性兩方面。恢復韌性衡量配電網在擾動事件中對關鍵負荷的支撐和恢復能力,由此,配電網韌性定義為配電網采取主動措施保證擾動中關鍵負荷供電,并迅速恢復失電負荷的能力[17]。運行韌性衡量配電網在運行中受到擾動時保障敏感負荷持續供電的能力,定義配電網韌性為發生頻率高的擾動,例如雷擊、外力破壞、大負荷啟動等事件造成的電壓暫降時系統的支撐力[19]。

隨著高比例DG接入,配電網韌性的概念有了更加豐富的內涵,即在新型電力系統逐漸接入高比例DG的環境下,充分調配源網荷儲各類靈活性資源,實現配電網抵御各種擾動和快速恢復,從而保障系統安全、穩定和高可靠運行的能力。

新型電力系統背景下,具有高韌性的配電網應具有以下特征:

1)高DG承載力:指通過綜合調控電網中的各類靈活性資源,承載更高比例的新能源上網。

2)高擾動承受力:指配電網承受擾動的能力,具體表現為配電網在擾動下的魯棒性和冗余性。魯棒性反映配電網在靈活性資源參與調配下能夠有效抵御擾動的能力;冗余性指通過增加系統備用元件和備用容量以增強系統在擾動下維持高可靠性和高電能質量的供電能力。

3)高擾動恢復力:指配電網通過協調各類靈活性資源,能夠快速且經濟地維持供需平衡,同時抑制由于高比例DG系統慣性不足導致頻率振蕩的問題,加快系統受干擾后迅速恢復到穩定狀態。

4)高效能:指配電網能夠挖掘、激勵、聚合各類靈活性資源并開展交易互動,使得最少容量投資產生最大電量供給,并獲得因多資源協同而產生的整體效率,提升發輸配的資源利用率、電網消納新能源能力和能效水平,進而支撐電網高質量轉型發展[9]。

5)源網荷儲高互動性:通過互聯網及通信技術實現電網中各類靈活性資源的充分聯接,喚醒沉睡的無序資源,實現配電網資源協同高效互動。

開展高比例新能源并網下配電網韌性評估研究,將有助于提出合理有效的抵御擾動對策,以及提高配電網消納高比例新能源能力,為高比例新能源接入下的配電網規劃和優化運行提供理論依據。配電網韌性研究具體內容框架如圖1所示。配電網韌性評估主要工作如下:

圖1 配電網韌性研究內容框架Fig.1 The framework for the content of distribution network resilience

1)首先構建擾動模型,量化擾動對配電網運行的不利影響;

2)然后選取表征配電網韌性的各階段狀態變化指標;

3)最后計算韌性評估指標值,采用合理方法評估配電網韌性。

2 配電網韌性評估

2.1 配電網受擾動影響模型的構建

開展韌性評估,首先需要建立合適的擾動模型,構建方法通常有2種。一種是基于統計分析方法,通過收集大量歷史數據樣本獲得基于概率統計的配電網受擾動故障模型,該方法的準確性主要取決于基礎數據的充分性。另一種方法是基于擾動發生的物理機理,構建反映擾動對配電網影響的模型,該方法的準確性主要取決于模型的適當性。因為氣候和其他自然因素是導致配電網異常的重要起因,因此建立擾動發生和系統響應的模型是配電網韌性評估的基礎。極端事件類和波動類擾動建模過程如圖2所示。

圖2 配電網擾動模型的構建過程Fig.2 The process of modeling distribution network disturbances

2.1.1 極端事件類擾動建模研究

許多文獻研究了極端事件下韌性配電網抗災及恢復的能力[2,20-22]。其中,極端事件包含不可預測事件和部分可預測事件。不可預測事件指事件發生時間地點和對電網影響完全不可知(如網絡攻擊[23]),由于難以表征該類事件的時空特性和發生機理,一般考慮事件發生最差場景下的配電網防御和恢復模式。部分可預測事件的建模主要分3步實現:

首先,針對部分可預測的極端災害事件如臺風[24]、暴雨[25]、冰雪[26]、雷電[27]、地震[28]等,可根據其事件演化的時空特性進行建模,研究災害對配電網的影響機理。導線抗拉強度和電桿抗彎強度均服從正態分布[18],因此導線與電桿的故障率如式(1)所示:

(1)

式中:pfl、pfp分別表示導線、電桿故障率;σl和Mp分別為導線抗拉強度和電桿抗彎強度;μl和δl分別為導線抗拉強度均值和標準差;μp和δp分別為電桿抗彎強度均值和標準差,這些參數可根據實際運行獲得;σg、MT分別為導線抗拉強度和電桿抗彎強度的最大限值。

線路等效為導線和電桿的串聯模型,以臺風災害為例,計算架空配電線路故障率[18]:

(2)

式中:pl,i為架空線路i的故障率;m1為線路i的電桿數;m2為線路i的導線檔數;pfp,k,i為線路i上的第k個電桿的故障率;pfl,k,i為線路i上的第k檔導線的故障率;pfp,k,i、pfl,k,i均為該導線上時變風速V的函數。

然后,基于配電系統總故障率,構建災害作用下的配電網故障場景模型。現有研究中常用蒙特卡洛法構建故障場景集[2,20],以體現電網故障和負荷變化的隨機性。此外,還有文獻用信息熵法[26,29]、故障遍歷法[30]等方法構建故障場景集。

最后,計算故障場景概率、元件故障情況、電網故障下拓撲結構、電網失負荷數據,確定配電網擾動狀態。

2.1.2 波動類擾動模型研究

配電網源荷波動具有隨機性和不確定性。源荷大幅波動會造成配電網運行風險,如陰天或云的遮擋可能造成光照強度的突降,導致DG出力迅速大幅降低,進而導致系統無法滿足負荷需求,引發系統供需失配的下行風險,出現切負荷,而當DG出力較大導致系統無法及時消納或存儲過量電能時,還會出現棄風棄光的情形,引發系統供需失配的上行風險[31]。同時源荷波動程度大時還可能引發暫態穩定問題,嚴重時將觸發保護元件動作,最終造成電網部分區域失電。

1)運行風險。

高滲透率DG接入下的源荷波動主要會造成電壓越限[32]、潮流倒送或潮流過載的運行風險,引發線路、變壓器設備過載等問題。

研究配電網受高比例DG擾動的電壓越限和潮流過載問題,一般分為2步:首先,構建DG出力較大波動的擾動模型,并通過隨機潮流法、最大功率法、連續潮流法、靈敏度法和奇異值分解法等方法[33]進行潮流分析,獲得系統穩定的臨界狀態,以此構建電壓、潮流越限下的多種配電網運行場景。然后,通過聚類方法抽取配電網運行的典型場景[19],獲得各場景發生概率,并計算各場景下電網越限概率、失負荷情況等,最終獲得配電網受擾動狀態。

2)暫態穩定問題。

新能源在大規模接入后將擠占常規機組的開機空間,使得系統轉動慣量降低、調頻能力下降,導致系統頻率、電壓失穩風險增加[34]。源荷波動造成的暫態穩定性問題,一般考慮電壓穩定、頻率穩定、功角穩定問題。

研究配電網受高比例DG擾動的暫態穩定性問題,一般基于微分代數方程,以小干擾分析法、仿真分析方法和能量函數法為代表[31],其中仿真分析法[35]是源荷波動暫態穩定性研究的最主要方法之一。仿真分析過程中首先研究暫態失穩機理、穩定性影響因素和穩定性判據,進而對DG控制系統及其接入的配電網系統進行建模與分析,常用的建模軟件有PSASP、DigSILENT、OpenDSS、Matlab/Simulink等。在模型中設計DG出力和負荷波動構建暫態失穩場景,模擬暫態失穩下的配電網運行狀態,將其作為配電網受擾動場景,再計算失穩場景概率、元件故障情況、電網失負荷情況等,確定配電網擾動狀態。

2.2 韌性評估方法研究

配電網韌性評估主要從靜態抵抗能力和動態特性2個方面進行。基于靜態抵抗能力的韌性評估反映配電網遭受擾動時基礎設施的魯棒性,用以衡量配電網元件抗擾能力。基于動態特性的配電網韌性評估方法是通過模擬擾動,生成不同階段的配電網絡拓撲結構和配電網狀態,分析在預防、抵御、恢復3個階段下的配電網運行情況,衡量配電網在擾動作用下維持運行和故障后快速恢復供電的能力。

2.2.1 基于配電網靜態抵抗能力的韌性評估

基于配電網靜態抵抗能力的韌性評估從網絡拓撲脆弱性入手,發現系統的重要節點和脆弱線路,以識別電網中的關鍵和薄弱環節,進而預估電網物理結構在擾動事件下的響應與擾動后的故障狀態,為配電網應急決策提供方向,配電網靜態韌性評估指標如圖3所示。

圖3 配電網靜態抵抗力層面韌性評估指標Fig.3 Resilience assessment indexes at the static resistance level of distribution network

節點重要性是評估配電網韌性靜態抵抗能力的一個重要方面,系統元件所處網架位置連通性越好、組件重要程度越高,擾動影響越大,如果重要節點故障,配電網絡會呈現出較大的脆弱性。節點度、節點介數、核數、中心性等韌性指標[21]可以衡量節點重要程度。通過連鎖故障理論[36]、圖論理論[37]、基于可靠性理論的馬爾科夫決策[38]等重要元件辨識方法可以對擾動狀態下的配電網的元件重要度進行分析。

此外,配電網架越堅強,對擾動的抵抗能力越強。通過擬合線路脆弱性曲線[29,39-40],獲取網絡脆弱性指標,如網絡連通性[41]、失負荷支撐重要度[42]、邊韌度[43]等,表征線路脆弱程度,以進行韌性評估。在此基礎上,考慮到“源網荷儲”靈活性資源的大量運用,配電網數學模型呈現高維、非凸非線性特點[44],常采用復雜網絡理論[22,26]分析電網拓撲結構、電氣特性、辨識電網脆弱線路、故障傳播的過程,以便于合理規劃新型配電網結構,預防和預測連鎖故障傳播所帶來的惡劣結果,表征配電系統物理結構脆弱性。

2.2.2 基于配電網動態特性的韌性評估

基于配電網動態特性的韌性評估主要從電網承受擾動后的響應過程角度出發,對擾動下配電網不同階段的運行狀態進行評估。

首先需獲取電網當前運行狀態信息。可采取態勢感知技術[45]對負荷預測數據、氣象數據及各類量測數據等配電系統運行相關數據進行挖掘和分析[11],從而獲取系統及各類電氣設備當前的運行狀態。

根據配電網運行狀態和設備信息,選取定量計算電網抵御沖擊、承載擾動、快速恢復的指標。其中,分析配電網在擾動前后的動態響應曲線變化,用擾動造成的狀態曲線缺失面積表征配電網韌性是一種主流的評估方法,主要有“韌性三角形”[46]和“韌性梯形”[47]兩種,見圖4(a)和圖4(b)。

圖4 配電網“韌性三角形”和“韌性梯形”Fig.4 “Resilient triangle” and “resilient trapezoid” of distribution network

圖中,R0表示配電網正常運行的狀態;Rt(t)表示在擾動影響下配電網帶故障運行的實際狀態曲線。Rt(t)可從不同層次表征,負荷層Rt(t)可表示隨時間變化的系統負荷量,設備層Rt(t)可表示隨時間變化的可正常工作設備數目,電源層Rt(t)可表示發電系統輸出功率變化;用戶層Rt(t)可表示可供電用戶數目和可供電量等。

因此,定量計算配電網韌性水平的配電網狀態曲線缺失面積計算公式如式(3):

(3)

式中:RL為擾動下的配電網韌性;tf為擾動發生時刻;T0為配電網受擾動影響的時間,包括擾動發生時間、配電網抵御和供電恢復時間,即圖4(b)中tf—T階段;SL表示正常運行狀態曲線和擾動發生下實際運行曲線之間的區域,即配電網狀態曲線的缺失面積。

“韌性三角形”忽略了擾動發生過程和電網故障過程,只考慮事故發生后電網恢復過程,具有一定的局限性。而“韌性梯形”將事件過程細化為不同階段以進行動態、多階段的韌性評估。

圖4(b)所示的“韌性梯形”動態響應曲線將系統在擾動前后劃分為5個階段:

第1階段,擾動前正常運行階段:t∈[t0,tf),擾動還未發生,配電網正常運行階段。

第2階段,擾動發生階段:t∈[tf,ts),tf時刻擾動出現,高魯棒性的系統可憑借其抵御力維持一段時間運行,但在擾動的嚴重沖擊下,系統無法維持擾動前正常運行狀態,逐漸削減負荷,表現為降額運行狀態,Rf表示為系統運行的最低狀態。

第3階段,電網故障階段:t∈[ts,tr),系統承受沖擊造成的不利影響,保持在最低運行狀態。

第4階段,電網恢復階段:t∈[tr,ti),系統通過應急響應措施優先恢復重要負荷;t∈[ti,T],采取儲能優化調控、網絡重構等自愈措施和檢修資源調度等檢修措施,使配電網逐步恢復全部負荷、修復故障設備。

第5階段,擾動后正常運行階段:t∈(T,∞],系統恢復到新的正常運行狀態。

在“韌性梯形”基礎上,韌性評估指標根據擾動的不同階段分為擾動前、中、后指標[48],選取負荷層面、時間層面、應急響應層面、網架層面和設備層面等不同層面的動態特性指標表征配電網的韌性,如圖5所示。負荷層面指標有抵御率[26]、適應率[26]、失負荷率[15,26,41]、失負荷速度[26]、重要負荷恢復率[26]、重要負荷恢復速度[26]、負荷恢復率[26,49]、平均負荷恢復速度[26]等;時間層面有配電網防御時間[50]、重要負荷中斷時間[39-40]、配電網恢復時間[15,26]等指標;應急響應層面指標有應急電源供電能力[49,51]、搶修資源分布合理性[49]、檢修資源完整性[29]、應急發電資源儲備率[49,51]等;網架層面指標主要有自然連通度[15]、網架抗毀性[50]、線路冗余度[24];設備層面有設備健康度[48]、控制操作復雜度[39]等。

圖5 配電網動態特性層面韌性評估指標Fig.5 Resilience assessment indexes at the level of dynamic characteristics of distribution network

2.2.3 韌性評估方法

現有研究中衡量配電網韌性評估的方法主要有兩種。一些文獻用單個或少數指標衡量配電網韌性,通過直接計算指標值,對比不同擾動場景、不同恢復措施下各指標值大小,表征配電網韌性。還有一些文獻選用一系列指標,從不同層面對配電網韌性進行綜合評價。這種綜合評價一般包含3個步驟:首先,計算各指標值。之后,對各評價指標賦權,獲取指標權重的主要方法為主客觀賦權法,主觀賦權法主要有層次分析法[47]、專家咨詢法等,客觀賦權法有熵權法[20]、反熵權法[47]、CRITIC賦權法[39]、主成分分析法等。最后,結合指標權重對配電網韌性進行打分或劃分等級,得到韌性評價結果。評價方法主要有TOPSIS法[50]、VIKOR法、灰色關聯分析法[28]、模糊綜合評判法、木桶理論等。

3 靈活性資源提升配電網韌性關鍵技術

根據擾動的前、中、后3個階段,可將配電網韌性提升關鍵技術分為擾動前預防、擾動中抵御、擾動后恢復技術,各階段韌性提升技術如圖6所示。其中,靈活性資源參與配電網調控可以優化電網潮流分布,減少擾動事件對系統運行造成的不利影響,提高運行經濟性、可靠性及安全性,進而提升配電網韌性。源側、儲側靈活性資源從擾動中、后階段實現失電負荷恢復,網側、荷側靈活性資源在擾動中抵御事件造成的影響以盡可能維持高水平供電。此外,以微電網為配電單元,整合各類源網荷儲靈活性資源實現分區重組,在預防擾動、抵御擾動、恢復供電中也起著重要作用,是提升韌性的主要手段之一[52]。

圖6 各階段韌性提升技術Fig.6 Resilience improvement techniques at each stage

3.1 擾動前預防技術

擾動前配電網通過預防技術可主動防范擾動造成的風險,以提升配電網韌性。各項技術特點如表2所示。

表2 擾動前預防階段韌性提升技術Table 2 Resilience improvement techniques in the pre-disturbance prevention phase

3.1.1 基礎設施加固和強化

基礎設施加固和強化是提升配電網韌性的基礎措施。首先,擾動前需預先評估配電網關鍵基礎設施(包含變電站、桿塔、線路等)的抗擾動能力,通過構建各設施和元件的脆弱性模型或評估設備的健康狀態,找出配電網中極易受損的設施和元件。然后,針對此提出預加固[51]、線路短時增容[53]、設備自動化改造的修繕方案,或計及建設成本提出選用防災配電元件、增加備用元件[54]、增加地下設備(電纜、光纖)投入的優化配置方案[29,55]。最后,通過潮流分析和安全校核驗證基礎設施和網架結構加固強化的有效性,提高電網設計和規劃魯棒性,進而提升配電網韌性[54]。

3.1.2 態勢感知與預測

電網態勢感知預測技術能夠實時覺察配電網受到擾動下的運行環境、設備狀況,分析引起態勢感知變化因素,并預測未來電網的變化趨勢,為提高配電網韌性提供信息支撐手段[40]。態勢感知與預測流程如圖7所示,主要包含5個步驟。

圖7 態勢感知與預測流程Fig.7 The process of situational awareness and forecasting

步驟1：挖掘歷史數據信息。挖掘分析氣象地理數據、配電網架數據及系統歷史故障數據,提取各類數據特征。

步驟2：數據處理。對歷史數據進行一致性檢驗,采取數據標準化、數據壓縮和提取等方式處理歷史數據和無效或缺失的數據[56]。

步驟3：構建訓練樣本模型。通常采用隨機森林算法、決策樹回歸算法、深度神經網絡學習方法、集成學習算法等機器學習方法,依據處理后的歷史數據特征構建訓練樣本模型。

步驟4：獲取擾動下實時數據。物理層面運行控制策略的有效實施(如緊急控制、負荷恢復)與信息層面獲取的系統運行狀態緊密相關[57],已有相關學者在電力網建模基礎上研究通信網建模,進而探究信息-物理系統耦合下的配電網韌性[58]。

步驟5：生成故障研判模型。將當前基礎數據和運行數據放入機器學習訓練模型中,生成具有預測和告警功能的故障研判模型,獲取配電網薄弱環節和相關原因,為擾動后配電網調度運行提供數據支撐。

3.1.3 風險評估

新型電力系統中,源荷不確定性造成的各類擾動將可能導致一定的故障或風險[31]。應用于配電網韌性評估和提升研究中的風險評估技術,能夠在擾動發生前量化可能造成配電網運行風險的不確定因素,辨識電網薄弱環節,定量評估擾動下短期內電網安全穩定水平,為配電網抵御擾動、快速恢復提供預警支持,從而提高配電網韌性。配電網風險評估流程如圖8所示,主要包含4個步驟。

圖8 風險評估流程Fig.8 The process of risk assessment

步驟1：多元不確定性因素的量化。構建元件隨機故障模型,主要從設備自身故障率、過負荷故障率、工作人員誤操作故障率和施工因素下故障率等層面考慮[44]。

步驟2：獲得系統狀態。基于不確定因素的量化,可構建擾動作用下的配電網場景模型[59],其構建方法與韌性評估場景構建方法類似。

步驟3：進行風險評估。風險評估就是綜合度量系統面臨的不確定性因素的可能性與嚴重性,其數學表達式為[60]:

(4)

式中:Xf為系統運行方式;Ei為第i個故障;pr(Ei)為故障Ei發生的概率;Sev(Ei,Xf)為在Xf的運行方式下發生第i個故障后系統的損失嚴重程度;R(Xf)為系統在Xf運行方式下的運行風險指標。

系統損失嚴重程度一般分為設備風險和運行風險兩個層面。設備風險多考慮設備抗災強度和設備所在節點和支路在網絡中的重要程度,主要指標有設備老化率[59]、網絡平均連通度[61]、加權平均最短路徑[61]、設備負載率[62]等;運行風險多將失電量作為量化系統損失的指標,主要指標有失負荷量[62]、停電用戶數[30]等。

步驟4：薄弱環節辨識。依據風險評估計算結果,獲得配電網薄弱環節,為后續承災減災措施提供指引。

3.2 擾動中抵御技術

擾動中配電網通過抵御技術盡可能維持重要負荷供電、減少停電時間和停電量,同時盡量維持較高電能質量指標,以提升配電網韌性。各技術特點如表3所示。

表3 擾動中抵御階段韌性提升技術Table 3 Resilience improvement technologies in the resistance phase of disturbances

3.2.1 網絡重構技術

饋線聯絡開關是網側實現網絡重構技術的一種靈活性資源。通過調控聯絡開關改變系統的拓撲結構和功率的流向[63],實現區域間的電力均衡和重要負荷供電,是提升配電網韌性的一種有效途徑,該方法調節功率的能力受線路負載率、線路傳輸容量和開關開斷能力約束。

開關類型主要有手動和自動2種,自動開關是實現配電網故障自愈的主要設備。在配電網發生故障時,依靠配電自動化終端和自動開關設備之間的邏輯配合快速地實現故障定位與隔離,以及非故障區域供電恢復,目的是減少停電損失[64]。文獻[65]以自動開關投資運維費用和配電系統韌性總成本最小為目標實現了自動開關的最優配置。

隨著電力電子技術的不斷發展,智能軟開關(soft open point, SOP)得到了一定關注,SOP以可控電力電子變換器代替基于斷路器的傳統開關,可以實現線路間柔性互聯,靈活調節饋線有功功率[66]。智能儲能軟開關在SOP的基礎上增加儲能設備,儲能通過DC/DC變換器向SOP輸入或輸出功率,這種開關包含了SOP的網架靈活性資源和儲能系統的功率增減能力,在配電網韌性提升上效果更優[67]。

3.2.2 需求側管理

需求側管理是負荷層面提升韌性的一種重要手段,主要包括負荷響應和負荷直控管理[68]:

1)負荷響應。

負荷響應是指在一定時間內,通過價格信號或激勵機制,需求側主動改變原有的用電計劃或模式,支撐電力系統源荷短期平衡[68],一般分為價格型需求響應和激勵型需求響應2類,具體如下:

a.價格型需求響應:通過價格信號引導客戶調整用電時段,達到削峰填谷的目的。

b.激勵型需求響應:通過經濟補償或優惠政策激勵用戶參與電力系統所需的負荷調整。當系統遭受擾動產生過負荷或發生故障切負荷時,激勵型需求響應可以通過用戶用電行為的調整減小影響范圍,改善電網的電壓降落以及功率分配,提升配電網韌性[69]。

2)負荷直控管理。

負荷直控管理是在用戶與供電公司簽訂的用電合同基礎上,在緊急情況或負荷高峰時為保障供電安全對約定的負荷進行削減[61]。這種措施具有響應速度快、量化性好的特點,但其供給能力受合同簽訂容量和最大中斷比例的影響[70]。

3.2.3 電壓無功調控技術

接入電網的DG一般要求具有一定的低電壓穿越能力。當配電網發生故障時,DG在短時間內可以保持供電[71]。同時DG應具有一定的快速無功調節能力,對擾動發生時的電壓暫降有一定補償作用,充分挖掘DG調節潛力,可以為電網提供更多電壓支撐[72]。

源荷不確定性常導致母線電壓波動。母線電壓波動較慢時,可以通過調節主變壓器分接頭或改變并聯電容器投切狀態,使電壓維持在合格范圍內;波動較快時,通過優化配置與控制基于電力電子技術的電壓治理裝置,如靜止無功發生器(static var generator, SVG)、動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer, DVR)、儲能設備或固態切換開關等,維持擾動下的電壓穩定,必要時還能兼顧諧波和三相不平衡等電能質量問題的綜合治理[73]。

3.3 擾動后恢復技術

配電網受擾動后可以通過一定的技術實現供電恢復,以提升配電網韌性,主要技術及其特點如表4所示。

表4 擾動后恢復階段韌性提升技術Table 4 Resilience improvement technologies in the recovery phase after disturbance

3.3.1 應急搶修

配電網通過應急搶修手段,能有效實現重要負荷的優先供給及故障后的快速供電恢復,以提高配電網韌性。

系統故障后,首先應保證重要負荷供電,主要采取應急搶修行動實現。根據擾動發生情況、配電網損壞程度、失負荷量和負荷重要度、搶修資源配置等因素,考慮時-空調度協同優化,制定應急搶修策略[74]。應急搶修資源主要有移動儲能、應急發電車、電動車輛、維修人員[75]等,計及搶修資源容量、搶修時間、搶修路徑等約束[76],進行應急調度資源的優化配置,可以實現最優負荷削減和重要負荷的快速復電。考慮到未來配電網將有交直流混合配電網模式,考慮交直流柔性互聯的應急供電恢復策略,將是未來韌性研究的重要方向[77]。

3.3.2 分布式電源供電

源側DG主要分為輸出功率可控型和輸出功率半可控型2種[63],分別如下:

1)輸出功率可控型DG。

輸出功率可控型DG主要為柴油機、小水電機組、微型燃氣輪機等常規發電機組,具有快速調節能力,響應時間尺度在秒級到分鐘級,能為系統提供一定的調峰、調頻、調壓能力。該類分布式電源常采用調度優化[78]或運行優化[39,79]的方法,其電能供給潛力主要受限于自身爬坡速率與其出力范圍。

2)輸出功率半可控DG。

輸出功率半可控DG主要包含風電和光伏,具有污染小、分布廣、接入位置靈活等優點,在良好天氣下能供給一定功率,但這類DG轉動慣量低,且輸出功率具有不確定性和波動性,受天氣影響較大。隨著新型電力系統的建設,含高比例DG系統的供能靈活性的需求將越來越大,需要準確感知DG出力的動態特性,采取多階段規劃與控制策略,并與其他靈活性資源協調控制,以提高源側的供電穩定程度和配電網韌性[51]。

3.3.3 儲能優化控制

儲能設備靈活性高、響應速度快,能夠為配電網故障恢復提供電力支撐,同時具有功率和能量的正負雙向調節能力。現有的儲能技術主要包括功率型儲能和能量型儲能,不同儲能設備的性能差異較大,可滿足不同時間尺度下的配電網供能需求。

在擾動過程中,儲能具有平抑擾動波動、加強電網穩定性的作用。儲能變流器控制模式可分為跟網型和構網型2種,跟網型變流器利用鎖相環測量并網點的相位信息,以實現與電網同步,在新型電力系統中存在穩定性問題。構網型變流器可提供同步電壓電流,為電網提供虛擬慣性,在極端擾動情況下,可以實現故障穿越、黑啟動及有功和無功穩定功能,同時減少備用線路的改造需求,最終實現100%可再生能源供電[71]。因此,構網型儲能對提升新型配電網韌性發揮著關鍵作用,將越來越受到青睞。

在擾動后恢復階段,現有研究主要從儲能裝置規劃[80]和調度運行優化[81]2個方面研究儲能對韌性的提升作用。

儲能規劃研究中,一般考慮計及經濟性的配電網最大供電能力下儲能位置和容量配置。在韌性提升研究中,以電池為主要儲能方式的移動式儲能,在時空維度上利用道路網絡傳遞電能,保障關鍵負荷電力供應[75,82],同時移動儲能還可提供電壓調節[83]等服務,以維持配電網運行穩定。

儲能運行優化研究中,常以運行成本最小和負荷恢復量最大為目標提出儲能調控策略[84]。此外,儲能的規劃需要與調度運行結合構建多層次規劃模型,上、下層分別考慮儲能選址定容和配電網最優調度[85],通過上層的投資決策層將規劃方案傳遞給下層,下層的運行調度將優化結果反饋給上層;也有研究考慮擾動影響,將最惡劣情況下復合擾動場景模型置于中間層,從而考慮最壞場景下儲能對配電網的韌性提升作用[80]。不同儲能設備的功率或能量補給能力不同,未來還可以計及不同時間尺度,挖掘不同儲能設備的組合在配電網韌性提升中的潛力,因地制宜推動各類型、多元化儲能科學配置,形成多時間尺度、多擾動應用場景的電力調節能力,提升擾動各階段下配電網韌性,保障電力系統安全穩定運行。

3.3.4 微電網

擾動事件發生前通過提前對并網運行的微電網進行預防性調控,利用儲備充足的備用容量確保離網后負荷的供電需求[86],減少連鎖故障對配電網的影響[87-88]。此外,較大的擾動事件會造成線路功率躍變,在微電網內產生階躍型功率沖擊,所造成的頻率失穩可能會導致微電網內無法正常運行。針對這類問題,有研究通過在擾動前進行機組組合、網架重構、限制線路上流通功率大小的方式,減少斷線故障發生時微電網內的功率沖擊,保證擾動后微電網內部的安全可靠供電[89]。

擾動發生過程中,微電網可優先為重要負荷供電,這是縮小停電范圍、提升配電網韌性的重要手段。通過微電網運行調度策略及各微電網間的功率互濟,可有效抵御擾動,使負荷損失最小[52]。

基于固定結構的微電網在發生多點故障時靈活調控能力有限,變結構微電網更適合多DG的新型電力系統[90]。系統部分區域故障后,可利用配電網中具有黑啟動能力的DG、儲能和未故障線路構建孤島微電網。孤島微電網形成前,針對DG和儲能機組啟動順序[91]與恢復路徑[92]提出黑啟動實時調度策略,建立關鍵節點與重要負荷協同恢復的優化模型[93]。構建孤島微電網過程中,提出擾動下孤島劃分的恢復策略[90],通過微電網內的DG和儲能實現分區供電,并結合聯絡開關實現網絡重構和重要負荷恢復[94]、非重構孤島/并網的差異化恢復運行[21]。在孤島構建中還有研究針對孤島融合提出了改進輻射狀拓撲約束,實現孤島數目的在線優化[95];此外,也有文獻構建了計及恢復過程多階段變化的分時段動態重構模型[96],以提升配電網的負荷恢復能力。

3.3.5 綜合能源系統

綜合能源系統作為一種源側靈活性資源,能夠調動電、熱和天然氣等多種能源子系統,在抵御擾動階段能為配電網提供替代能源[15]。相較于單一子系統,綜合能源系統具有更好的清潔性和韌性,有利于配電網加強應對負荷波動的能力[97],抵御擾動并快速恢復到正常供能狀態[55],對于綜合能源系統還需要考慮如何協調各子系統間的設備及能流,實現多源系統性能的維持與恢復[98]。

4 待研究的關鍵問題

隨著新型電力系統的建設,開展靈活性資源參與下的配電網優化規劃與運行研究,對確保能源安全尤其是供電安全,提升擾動事件下配電網韌性具有重要意義。本文總結了配電網韌性評估和提升方面迫切需要開展的一些研究工作,如圖9所示。

圖9 配電網韌性研究展望Fig.9 Research prospects of distribution network resilience

4.1 配電網韌性評估方面

配電網韌性評估方面,擾動模型精確量化、分階段多維度韌性指標體系的構建和各基礎設施深度融合對配電網韌性影響的分析將是未來亟需深入研究的重要方向。

1)擾動模型精確量化。

擾動模型量化研究能夠提高配電網韌性評估精確性。現有配電網韌性研究中大多針對極端事件類擾動進行建模,且一般僅考慮配電線路故障機理,對災害造成配電網連鎖故障的研究較少。另外,隨著高比例DG接入,風/光出力不確定性將導致失負荷和風/光棄電風險加劇[99],如何刻畫這種不確定性是高比例新能源配電網擾動模型量化研究的重點,有文獻提出構建風電不確定性多面體集來刻畫風電出力波動[100]。未來研究中,如何追蹤持續變化的擾動過程和配電網運行狀態,擬合時空相關性下源荷失配規律,準確刻畫非線性的擾動模型將是一個重點研究方向。

2)分階段多維度韌性指標體系的構建。

現有配電網韌性評估指標大多是單一場景下的確定性指標或基于均值的面積類指標。對韌性電網而言,單一場景指標缺乏普遍性,基于擾動全過程的均值類指標,不能區分擾動不同階段的配電網運行狀態變化。在未來電網韌性研究中,還需要開展覆蓋擾動前、中、后多階段全面的評估指標體系研究,進而開展分階段和多階段協調的韌性提升措施研究,在傳統的系統防災、減災措施基礎上,進一步提高電力系統對各類擾動事件的多階段主動防范意識,制定精準高效的系統治理方案,為應對短期擾動或長期配電網規劃提供支持。

3)各類基礎設施深度融合對配電網韌性影響研究。

配電網與城市交通、供水、通信、天然氣等基礎設施一起構建了相互協調的基礎設施網絡[101],保障社會生產和人民生活。各類基礎設施深度融合下,配電網韌性將受其他基礎設施狀態影響,各基礎設施子系統的運行狀態呈現出時空交疊特性及復雜耦合關系[102],負荷恢復決策時需要考慮關鍵基礎設施負荷的用電需求[103],這對評估配電系統韌性提出了新的要求。因此研究電力系統與其他系統的協同仿真框架有助于評估它們之間的相關性[104],如何通過學科交叉理論和技術融合創新,針對各基礎設施深度融合系統建立統一的復雜網絡拓撲演化模型,實現各基礎設施在多維時空交疊下協調運行,實現資源互補,也將是未來配電網韌性研究方向之一。

4.2 配電網韌性提升方面

基于數字孿生的配電網風險研判技術、信息-物理系統融合技術、新型網架拓撲以及靈活性資源規劃與源網荷儲協調互動技術都將有助于配電網韌性提升,應在未來研究中被給予高度重視。

1)基于數字孿生的配電網風險研判技術。

基于數字孿生的配電網風險研判技術,是加強擾動前風險預警的重要手段。基于數字孿生的電網風險分析與故障預判,通過數據驅動的實時態勢感知和超實時虛擬模擬,對電網運行狀態進行動態監控和整體分析與研判,并確定當前或近日由天氣等因素引起的系統風險或系統薄弱環節,有助于健全應對擾動的電力預警和應急響應機制,加強擾動預警預判和各方協調聯動,提前安排部署搶修的人力物資。這將是配電網韌性評估和提升的重要抓手。

2)信息-物理系統融合技術。

信息-物理系統融合技術,為擾動前配電網狀態評估和預警提供信息支撐。現代配電系統逐漸發展為信息-物理高度融合的系統,信息系統通過智能電子設備讀取電網設備狀態信息,通過通信鏈路傳輸到服務器,服務器對信息處理后生成控制指令下發到智能設備,控制物理設備改變狀態[44],實現擾動后應急資源快速調配,并能夠快速抑制系統擾動引發的頻率波動[23]。

此外,信息網可能受到虛假數據注入、拓撲維持及拒絕服務攻擊等網絡攻擊,出現通信故障,導致系統控制失效[102]。因此,提升網絡安全措施,充分利用信息-物理系統融合技術的優勢抵御和排除相關擾動,協同恢復故障,將對未來配電網的韌性提升起到重要作用[104]。

3)新型網架拓撲研究。

堅強的配電網網架結構對配電網應對擾動具有更強支撐能力。構建分層分區、安全可控、靈活高效的柔性電網網架,積極推動交直流柔性供電技術應用,可以增強電網結構強度,保持必要的靈活性和冗余度,同時具備與特高壓直流、新能源規模相適應的抗擾動能力。

蜂巢結構配電網是一種配電網新型拓撲,相較于環間接入結構,蜂巢配電網的網孔型結構,可實現多條饋線的互聯并進行實時功率互濟,潮流可控性更強,發生故障時功率轉供靈活性更強,同時還可以促進新能源的高比例消納[105],類似的新型配電網拓撲結構研究在配電網韌性提升方面將是一個重要的研究方向。

此外,微電網將成為提升配電網韌性的重要支撐。在大電網故障時,依靠分散的微電網連接和重組解決就近負荷或重要負荷供電,待大電網維修完成后,微電網再重新連接入電網,提升系統的供電可靠性。因此,如何實現微電網的連接和優化重組是提高新型配電系統供電可靠性和韌性的一個重要研究領域。

4)靈活性資源規劃與源網荷儲協調互動技術。

多種靈活性資源規劃與源網荷儲協調互動技術是實現擾動中抵御和擾動后恢復的重要途徑。

隨著新型電力系統中高比例DG的接入,配電網由“源隨荷動”的形式逐步向“源網荷儲”協調互動形式轉變。通過科學規劃新能源布局、統籌源網荷儲整體規劃,利用動態增容、柔性互動等技術“喚醒”閑置的系統資源,整合多種類靈活性資源,挖掘“源-網-荷-儲”互動潛力、保證內外部擾動下配電網電力供應和系統靈活性調節能力充裕,實現供電動態調整和各區域間功率互濟。因此,研究不同時間尺度下的多元協同靈活性資源規劃和協調互動技術,也是未來配電網韌性研究的重點工作。

此外,旨在提升配電網韌性、促進配電網各類靈活性資源開發和利用的新型電力市場和電力交易機制也有待深入研究。

5 結束語

新型電力系統大量源荷不確定性使得城鄉配電網韌性研究逐漸成為新的熱點課題。本文在已有配電網韌性研究的基礎上,探討了配電網韌性的基本概念,分析了配電網所面臨的各類擾動及在擾動下的特征。總結了配電網韌性評估的研究現狀,主要包括極端事件類擾動和波動類擾動模型構建以及韌性評估方法。從擾動前、中、后三個層面歸納了基于靈活性資源提升配電網韌性的關鍵技術。最后從韌性評估和韌性提升兩方面對未來配電網韌性的主要研究方向進行了展望。