摘要:极端自然灾害的日益频繁发生和由此造成的大规模停电经济损失,使配电网的灾害应对能力得到了广泛关注。为了评估配电网应对极端自然灾害的能力,配电网引入了韧性的概念。

在综述配电网与相关工程领域韧性研究文献的基础上,介绍了配电网韧性的概念和内涵,通过与可靠性的对比和与输电网连锁故障的类比,阐述了韧性对配电网的意义。

随后,介绍了配电网韧性的评估矩阵,给出了用于规划和调度的韧性定量指标,并提出了提升配电网韧性的规划和调度措施。最后,针对现有研究的不足,指出了当前配电网韧性的关键问题和可能的研究方向。

引言

现代社会的繁荣发展依赖于一系列基础工程设施,它们维系着人们的正常生产和生活。这些基础工程设施被称为生命线设施(lifelineinfrastructure),例如电力、交通、通信、供水、供暖等。电力系统是生命线设施的重要组成部分,负责电能的产生和传输,是其他生命线设施正常运转的基础。大规模的停电事故,不仅会造成巨大的经济损失,还可能造成政治、社会影响乃至人身伤亡。

大规模停电事故,可能由设备故障、人为操作引起,还可能因极端自然灾害导致。极端自然灾害,包括飓风(台风)、地震、洪涝、海啸和冰灾等,都可能给电力系统造成巨大破坏,进而引发大面积停电。近些年来,极端自然灾害的发生概率和所造成的停电经济损失急剧增长。

以美国为例,极端灾害已成为导致电网大停电事故的首要因素。据统计,1980年以来,美国共遭受了178起停电损失超过10亿美元的自然灾害,总损失超过1万亿美元。在10起造成最大损失的自然灾害中,7起发生在2004年到2014年之间。2002年以来,58%的大停电事故中,87%造成5万户以上的停电事故均由极端灾害引起。仅在2012年,停电损失超过10亿美元以上的自然灾害就有11起。

极端自然灾害也给中国电网带来了很大冲击。

1980年以来,全球十大成本最为高昂的自然灾害中,中国就占了3席[4]。典型的例子如2008年席卷华南、西南、华中、华东的冰灾中,20个省市受到影响,13个省市的电力设施遭到破坏,停运线路36740条、变电站2018座,563236基杆塔倒塌,断线353731处,超过170个县市停电,直接经济损失超过104.5亿元[5-6]。

为了限制自然灾害造成的大规模停电范围、减小停电损失,需要提高电网应对极端自然灾害的能力[7]。配电网处于电网末端,与用户负荷密切相关,提高配电网的灾害应对能力能够有效缩小负荷停电范围。与输电网相比,配电网的灾害应对能力较弱[8-9],主要体现在:①配电网自动化程度较低,远程测量、开关配备不齐全;②配电网的冗余较低,不满足N-1校验;③配电网中控制保护手段较为匮乏,特别是低电压等级配电网的停电恢复仍以人工维修为主;④现有配电网重构、黑启动研究并不完全适用于极端自然灾害下的配电网恢复。

智能电网的发展对提升配网自动化和智能化、满足负荷在各种情况下的可靠持续供电提出了更高的要求,配电网在极端自然灾害下的应对措施也因此成为了近些年的研究热点。特别是2012年“桑迪”飓风造成重大经济损失后,工业界和学术界开始重新审视极端自然灾害对配电网的影响,相关研究更是呈现井喷之势。在这些研究中提出了“韧性(resilience)”的概念,用以衡量这些应对措施的效果,进而评估配电网应对极端自然灾害的能力。

1 配电网韧性的概念

韧性是衡量系统在出现严重扰动或故障情况下,是否可以改变自身状态以减少故障过程系统损失,并在故障结束后尽快恢复到原有正常状态的能力[10-11]。1973年,生态学家Holling首次将这个概念引入生态学研究领域。随后在1996年,他又将韧性区分为“生态韧性”和“工程韧性”两个不同概念。其中,后者的概念已被广泛应用于涉及人类和自然相互作用的多工程学科中,例如工程技术、组织行为、灾难管理和环境演变响应等[12-14]。沿用美国国土安全部的概念,韧性可以定义为系统预防和适应变化条件,并且承受这些扰动及迅速恢复的能力[15]。韧性包含了系统对蓄意攻击、事故或者自然灾害等的承受和恢复能力。

近年来,随着极端自然灾害造成大规模停电的日益频繁,韧性在电力系统中得到了日渐广泛的关注。电力系统韧性是指电网遭受重大灾害(例如飓风、地震等)的情况下,是否可以减少故障过程损失,并尽快恢复到正常供电状态的能力。一个具有韧性的电力系统可以在外部灾害加剧时逐步降低自身能力,并迅速恢复到原有状态[16]。

从广义上讲,在电力系统韧性的定义中,电网所遭受的冲击可能包括极端自然灾害、系统严重故障、人为破坏与恐怖袭击,甚至误操作等发生概率较小、而影响很大的事件[13,17-18]。但现有研究大多关注较为狭义的电力系统韧性概念,亦即极端自然灾害下电网的应对情况。因此,本文中的电力系统韧性将特指其较为狭义的概念,但所综述内容对其广义概念同样适用。具体到配电网中,韧性主要衡量配电网在自然灾害中对关键负荷(criticalload)的支撑和恢复能力,配电网韧性也由此定义为配电网是否可以采取主动措施保证灾害中的关键负荷供电,并迅速恢复断电负荷的能力[18-20]。其中,关键负荷是指对于社会正常运转或是抗震救灾十分重要的用户负荷,例如政府、救灾应急机构等行政机关,以及医院、自来水厂、信号基站、照明和取暖设备等生命线设施。

值得指出的是,国内对配电网韧性的研究处于起始状态,对“韧性”一词的翻译方式尚未达成共识。

在电力领域,有文献将resilience一词翻译为“适应能力”[21],而有文献所讨论的韧性却对应resistant,其概念同resilience并不完全相同[22];在其他工程领域,resilience也有“弹性”[23]、“恢复力”[24]和“韧性”[25]等对应翻译。从概念上讲,电力行业中将resilience翻译为“弹性”似乎比较合适,但是已有文献中的电网弹性大多指电力弹性系数。为避免混淆,本文将resilience一词翻译为韧性。

2 配电网韧性的意义

2.1配电网韧性与可靠性的区分

除了韧性,配电网还存在其他相关性质,例如鲁棒性、灵活性、脆弱性、存活性和适应性等。这些概念之间的差别和关系,有很多文献对此进行了讨论[11,26-30]。这些概念分别描述了系统在不同侧面的特性,并不存在明确的区分界限。

对配电网而言,最关键的是可靠性与韧性的区分。可靠性是配电网的重要指标,也是配电网能否满足用户供电需求的直接衡量。现有配电网的规划和调度策略,大多都以可靠性为优化目标,可靠性指标也一直是配电网整体供电质量的有效衡量方式。但是,配电网可靠性并不能代替韧性。一个可靠性很高的配电网,其韧性并不一定很高[31]。配电网可靠性指标是通过用户停电的时间和频率来计算的,最常用的为系统平均停电频率(SAIFI)和系统平均停电持续时间(SAIDI)[32]。如果负荷的停电时间很短(一般设定为小于5min),这些停电事故就不会被计入可靠性指标中。所以对于一个自动化程度很高的配电网,由于重构恢复可以通过远程操作开关执行,它的可靠性指标可能很高,换言之,它具有很高的可靠性。但是,此配电网的韧性并不一定高。在极端自然灾害中,配电网的很多元件可能遭到破坏,远程开关无法正常开断,甚至配电网的远程调度和控制也失效。此时该配电网很难保证关键负荷的正常供电和断电恢复,所以其韧性并不高。究其原因,韧性是衡量配电网在低概率、破坏性较大的特殊情况(例如极端自然灾害)下的响应和调节情况,而可靠性只关注经常发生、对配电网影响较小的典型故障。所以配电网韧性与可靠性的关注重点并不相同,并不能够相互替代,它们分别描述了配电网安全性的不同方面。

2.2韧性对配电网的意义

引入配电网韧性,是为了从总体上评估配电网受极端自然灾害这类低概率事件的影响程度及其应对能力。其对配电网的意义,类似于连锁故障脆弱性对输电网的价值,如表1所示。可见,对于发生概率较大的常见故障(例如线路短路、单一设备损坏),配电网和输电网都是用可靠性来衡量:配电网常用的可靠性指标包括SAIDI,SAIFI以及供电可靠性是多少个“9”;输电网虽然没有计算具体指标,但是采用了N-1校验标准,用保守的运行边界限制确保输电网具有足够高的可靠性。

对于发生概率较小但影响很大的故障而言,输电网进行了连锁故障相关研究,在探究其发生、发展机理的基础上,提出了连锁故障的阻断措施并用连锁故障脆弱性从总体上衡量这类故障对输电网的影响大小及后者的应对能力[33];类似地,在配电网中以韧性衡量其对这类故障的应对水平,进而可以研究不同规划与调控措施对配电网应对极端灾害能力的提升作用,进而给出配电网极端灾害应对能力的总体评估。

值得指出的是,以上类比仅仅是从故障特性及其对网络的影响和意义方面进行的。由于输电网和配电网在规划设计、运行特性等方面并不相同,故在具体的研究内容和处理方式上,以上类比不再成立。

3 配电网韧性的评估与提升

本节给出了配电网韧性的评估矩阵,以此提出用于配电网规划调度的韧性指标,随后讨论了提升配电网韧性的措施。

3.1配电网韧性的评估矩阵

评估矩阵是从十分宽泛的角度,对整个配电公司的韧性管理进行评估。它不仅包括配电网本身的韧性,还包括公司组织、人员分配等方面对配电网灾害应对的支持作用[34-37]。

评估矩阵从技术(technical)、组织(organizational)、社会(social)和经济(economical)4个维度(简称TOSE)对配电网韧性展开评估。其中,技术维度描述了配电网(包括电力设备、它们之间的相互联系,以及整体系统)遭受极端灾害时维持原有运行状态的能力;组织维度是指电网公司管理重要设备,执行灾害决策、行动措施等关键行为的能力;社会维度是指灾害引起公司、政府等机构正常服务缺失所造成的影响及其应对能力;经济维度是指减小灾害所造成直接或间接经济损失的能力。

另一方面,对于TOSE的每个维度,韧性又包含鲁棒性(robustness)、冗余性(redundancy)、有源性(resourcefulness)和迅速性(rapidity)4个属性(简称4R’s)。其中,鲁棒性描述系统在维持自身功能的情况下,承受外界压力或扰动的能力;冗余性描述备用设备或系统在灾害中的可用性;有源性描述投入资源(人力、物力)维持系统关键功能的能力;迅速性描述系统快速恢复关键功能、减小停电损失的能力。

将TOSE和4R’s相互组合成4×4阶的矩阵,矩阵中的每个元素代表了配电网韧性的一个评估方面。配电网韧性就可以用这个矩阵进行评估,评估结果涉及配电网的规划运行、电网公司的应急管理、停电造成的用户经济损失等多个方面。

3.2用于配电网规划和调度的韧性指标

在配电网规划和调度中,需要设计定量计算指标,作为规划方案与调度策略的评价标准和优化目标。

由于规划调度的目的是提高配电网自身的灾害应对能力,因此选取评估矩阵的技术维度设计韧性指标。在技术维度的4个韧性属性中,鲁棒性和迅速性描述的是系统在极端灾害中的动态过程,亦即系统受灾害影响的结果;而冗余性和有源性描述的是系统在灾害中影响结果的手段,它们的作用效果最终体现在系统的动态响应中[38]。因此,可以利用配电网在灾难后的动态响应曲线,从鲁棒性和迅速性两方面定义用于配电网调度运行的韧性指标[39-43],它可以体现韧性4个属性的共同影响。

配电网系统在灾害过程中的典型响应曲线见图1。图中,t0为灾害发生时刻;t1为配电网功能恢复正常的时刻;Q(t)为配电网的功能函数。

对于不同的配电网控制目标,纵轴系统功能的选取可能不同[45-46]。当研究配电网在极端灾害中的韧性时,系统功能通常选择为配电网负荷、特别是配电网关键负荷的供电功率或供电收益[18-20]。

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。