探究配电网韧性的意义及问题

      在图1所示系统功能曲线中,鲁棒性是指系统在灾害中保持功能的程度,迅速性是指系统功能恢复到正常状态的速度。考虑这两个因素,有不同的韧性指标定义方式[47]。值得注意的是,系统功能曲线描述了配电网在某个具体灾害中的响应情况,所以由此定义的指标,也只能够描述配电网在此灾害下的韧性。将这些指标应用于配电网的规划设计或是调度策略时,需要构建配电网的故障场景集,通过综合各个场景的指标得到用于规划或调度的配电网韧性指标。

      3.2.1以面积定义韧性指标

      此指标是配电网韧性最为常见的定义方式,将指标定义为系统功能损害部分与时间的积分。

      此韧性指标的物理意义是系统功能在自然灾害中的缺失面积,它同时考虑了系统的鲁棒性和快速性。

      在简化处理时,可以将系统功能曲线简化为一个三角形,此时系统韧性指标就等于系统功能减低最大值和恢复时间乘积的一半[49]。对于韧性相同的系统,其在系统功能降低最大值和恢复时间的平面上,就是一条双曲线。后续还可以考虑在此平面的不同区域引入不同权重,以符合不同调度员的调度需求。

      3.2.2以概率定义韧性指标

      此指标将鲁棒性和迅速性分开衡量。通过设定系统功能在灾害中最低程度q*和最长恢复时间t*的容许值,将系统韧性指标定义为系统满足设定值要求的概率[35],即

在配电网中存在不确定性时,可以采用此韧性指标。

      3.2.3考虑调控成本的韧性指标

      在根据功能曲线定义的韧性指标基础上,可以进一步考虑配电网调控运行的成本[52],即

      式中:S为系统响应,即前文定义的韧性指标;T为恢复成本;α为权重。

      在配电网中,T一般取开关动作成本或功率传输成本等[53]。

      3.3提升配电网韧性的措施

      3.3.1提升配电网韧性的规划措施

      配电网规划可以提高配电网的冗余性和有源性,进而改善其在灾害中的鲁棒性和迅速性。为了提高冗余性,可以在配电网中配备燃气轮机、柴油发电机等常规备用机组,以及风力发电机、光伏电池、储能电池等分布式发电。在输电网或上游线路遭到破坏时,这些发电设备可以从配电网末梢提供备用功率支持。同时,规划时还可以在配电网中设置常开的馈线联络开关,在配电网故障时通过这些开关实现拓扑变换,提供备用供电路径。

      另一方面,为了提高有源性,需要进一步推进配电网自动化。通过配备智能量测、远程动作开关等设备,使得灾害中配电网状态信息获取、开关动作可以更快完成,备用设备、恢复措施可以尽快投入,保证配电网在灾害中的供电能力。

      在配电网投入经费有限的条件下,如何选择备用设备和智能设备的种类、接入方式和地点,在自然灾害中给配电网调度运行以最有力的支持,是提升韧性的配电网规划所应当解决的问题。

      3.3.2提升配电网韧性的调度运行措施

      在配电网调度运行中提升系统韧性的措施主要有两种,分别是灾前的预防措施(ex-antemitigation)和灾中/后的恢复措施(ex-postadaptation),如图1中所示[44,54]。

     预防措施是在自然灾害到来前,根据灾害预报信息和配电网运行状态,调整配电网运行方式,以尽可能缩小停电范围、保持配电网关键负荷持续供电的调控方式。由于灾害袭击配电网时,调控中心一般难以及时获取详细的破坏状况信息并采取针对性措施,故此时系统的响应情况是由配电网系统自身特性和灾害前配电网的运行状态所决定的。若配电网能通过调整潮流分布,最大限度地提高自然灾害中存活的关键负荷功率,不仅可以直接提升鲁棒性,还有助于提高配电网恢复速度,从而改善迅速性。

      恢复措施是在自然灾害中或结束后,配电网逐步恢复关键负荷供电,使其尽快接近或者达到灾前正常状态的调控方式。此时,调控中心可以获得较为准确的配电网破坏信息,所以可以对停电关键负荷采取针对性的恢复措施,如负荷转移、投入备用设备等。有效的恢复措施可以显著缩短关键负荷的停电时间,提高配电网的迅速性[55]。根据恢复时配电网维修是否完成,恢复措施又可以分为仅有部分配电网设备可用的重构恢复,和全部设备均可用的配电网黑启动恢复。
      通过预防措施和恢复措施的双重作用和相互配合,可以有效提高配电网关键负荷的存活性并缩短停电时间、减小停电范围,从鲁棒性和迅速性两方面同时提升配电网韧性。

      3.3.3完善配电网的灾害应急体系

      为了应对电网中的重大突发灾难事件,配电网的灾害应急体系具体规定了电网公司应急管理工作的组织指挥体系,明确了突发事件的预警机制、处置程序、应急保障和恢复重建措施[56-57]。

      灾害应急体系的依据是应急预案。应急预案以配电网突发灾难的先验知识为支撑,采用专家知识和数据挖掘技术,根据预想情况规定了灾害中电网公司的组织形式和所应采取的措施[58]。应急预案包括经验型的预案处理、分析型的预防管理和智能型的灾变防御三个阶段[59]。在灾害发生后,电网公司根据灾害的影响范围与程度查找适用的预案条目,按照预案中的规定实现人员协调、资源分配和与交通、气象、通信等部门的联动,进而达到减小灾害损失、加速灾后恢复的目的。

      配电网的灾害应急体系主要从组织、社会、经济维度提升配电网韧性。

      4 配电网韧性的关键问题和研究方向

      在配电网韧性研究领域,存在以下关键问题和主要研究方向。

      4.1配电网韧性的总体评估方法

      尽管韧性能够描述配电网在特定自然灾害中的响应,引入韧性的最终目的还是从总体上衡量配电网对极端灾害这类低概率、大影响故障事件的应对能力。此时不仅需要考虑配电网在某个灾害中具体的预防、恢复措施,还需要考虑配电网规划设计、措施制定、调度实施在不同灾害中对关键负荷的综合支撑效果。

      由于自然灾害发生概率比较小,因此韧性很难像可靠性那样,通过大量实际故障案例对配电网规划调控效果进行验证。如何以有限的实际案例构造出具有代表意义的故障场景集,进而产生对配电网韧性的综合评估,是本项研究中需要解决的问题。在研究中可以考虑采用与输电网连锁故障类似的研究方式,由故障发展和传导的机理入手,寻找维持配电网关键负荷供电的薄弱环节。根据配电网中薄弱环节的分布和特性,考虑实际自然灾害的影响范围,构建出对配电网破坏最为严重的故障场景集,并根据配电网历史数据和天气信息评估这些场景的发生概率。同时,也可以借鉴配电网规划、运行可靠性等方面的场景构建思路,构造配电网灾害响应的特定场景,进而给出对配电网韧性的整体评估。

      4.2提升配电网韧性的预防措施

      现有的配电网灾害应对策略主要以系统重构和黑启动研究为主,属于韧性提升中的恢复措施。在预防措施方面,相关研究很少。事实上,在自然灾害袭击前,配电网可以获得部分灾害预报信息。调度员可以根据此信息调整配电网潮流分布,提高其在灾害中的存活概率。如将配电网预先分为几个子分区系统,并调整配电网潮流减小各个子分区间的功率交换。在灾害袭击时,配电网可以将被破坏的分区切除,从而在暂态波动不大的情况下保证其他分区关键负荷的正常供电、限制停电范围。类似的分区思想已经在文献中有了初步讨论。另一方面,配电网可以根据灾害预计信息,事先制定重构恢复策略预案。在灾害结束后,就可以根据实际损坏情况对这些预案进行筛选,避免求解复杂的混合整数非线性优化问题,缩短停电时间。
 
     4.3微电网对配电网韧性的提升作用

      随着主动配电网的发展,分布式能源越来越多地参与到配电网调度运行中[66-68]。由于新能源出力与自然条件密切相关、可控性不强,因此可以将微电网作为主动配电网的调控单元。通过微网内部能量管理系统调控各分布式发电的出力,配以需求侧响应和储能控制,提高配电网对微电网整体的可控性。

      现阶段,微电网可以在自然灾害中离网运行,保证微网内部关键负荷的持续供电[69]。随着微网容量增加、可控性增强,微电网可以在配电网中起到“虚拟馈线”(virtualfeeder)的作用[61]。在灾害中,微电网不仅可以维持内部关键负荷供电,还可以为配电网中的临近关键负荷提供电能。通过缩短关键负荷的停电时间和范围,微电网可以提升配电网韧性。

      为了实现微电网对配电网的支持作用,需要研究微电网内部能量管理与配电网调度的协调方法,实现微网功率输出能力与配电网功率需求的匹配。

      考虑到自然灾害的具体情况,还需要对微电网恢复配电网关键负荷的可行性展开评估,如设备是否损坏、系统存活性、功率限值约束等。此外,若微电网为用户私有,那么需要设计合理的接入准则和价格协定[70]。从规划层面,可以通过设计微网的接入点和接入方式,最大化微网对配电网关键负荷的支持效果。

      5 结语

      日益频繁发生的极端灾害及其所造成的重大影响使配电网韧性成为了国内外的研究热点。本文总结了工程韧性的相关文献,并将其应用于配电网领域,介绍了配电网韧性的概念、意义、评估方法和提升措施。