【观点】什么是弹性电网及其恢复力？

2015-11-24 08:21 来源:电力系统自动化

1什么是弹性电网?

近年全球发生的诸多事故凸显了电力系统对难以预测的极端灾害事件的准备不足, 甚至极为脆弱的弱点。例如日本福岛大地震及海啸、美国加州Metcalf变电站恐怖袭击、2008年中国南方冰灾等极端事件的发生, 给电力系统带来了严重破坏, 造成大范围、长时间的停电, 严重影响居民生活以及负荷的供电。在此背景下, 构建有恢复力的弹性电网(resilient power system)之于智能电网的研究和建设逐渐成为各国政府着力发展的国家战略。

恢复力(resilience)的概念最早起源于生态学领域, 之后被广泛用于评价系统承受外部扰动以及扰动后快速恢复的能力。英文Resilience源自拉丁文resilio, 意思是弹性、回弹、恢复, 中文里常被译为“恢复力”。相比传统的运行风险, 恢复力需要面临的是系统规划阶段无法预料的小概率极端事件的能力, 这类事件包括日益频发的各类自然灾害和人为袭击。“弹性”形象的阐明了对电力系统提出的新要求: 即不仅需要增强系统抵御能力, 更强调在面临无法避免的故障时, 系统能有效利用各种资源灵活应对风险, 适应变化的环境, 维持尽可能高的运行功能, 并能迅速、高效恢复系统性能, 如图1所示。这些要求都是传统电力系统规划、运行所不曾涉及的。

图1 恢复力(resilience)图示

2009年, 美国智能电网报告明确指出resilient即具有恢复力是智能电网的特征之一, 但在当时恢复力的研究并未得到重视。弹性电网的提出并不是要取代或者涵盖智能电网, 而是更加关注智能电网对极端事件的应对, 关注其恢复力的特性。

具有恢复力的电网称为“弹性电网”, 其以应对小概率-高风险极端事件为目标, 能及时将事件影响范围最小化, 在灾害破坏无法避免的情况下, 还能灵活适应环境变化并有能力快速恢复电网供电能力。

另一方面, 智能电网的快速发展, 使电力系统具有更高的灵活性、安全性、更高的电能质量、自愈能力, 尤其是分布式电源、微网、主动配电网等技术赋予了电网更多灵活有效的故障应对策略, 使得弹性电网恢复力的主动提升成为可能。“恢复力”是智能电网的重要特征, 因此, 开展弹性电网恢复力的研究也是智能电网发展的必然趋势。

美国国土安全部、英国内阁、联合国减灾办公室等政府与国际机构均提出过恢复力的定义, 且各定义内涵是基本一致的, 结合电力系统特点可知, 恢复力指的是电力系统对于扰动事件的反应能力, 是弹性电网具有的主要特征, 应该具有以下三个方面:

一、当系统遭遇扰动事件前有能力针对其做出相应的准备与预防;

二、当系统遭遇扰动事件过程中系统有能力充分的抵御、吸收、响应以及适应;

三、当系统遭遇扰动事件后有能力快速恢复到事先设定的期望正常状态。

图2给出了弹性电网遭遇扰动到恢复的示意图, 并标明了恢复力在各阶段的具体表现。

图2 扰动事件发生前后弹性电网反应示意图

2国内外研究现状

目前恢复力的重要性已经成为全球共识。在这一方面, 美国已经从政府层面做了大量前期研究。在政府行动方面, 美国能源部在2009年发布的《智能电网报告》中首次明确了恢复力应该是智能电网的一个显著特征; 2011年、2013年美国签署的两项总统令要求国家基础设施提高灾害应对能力与恢复力, 并以国土安全部为首要执行机构。在研究实践方面, 自2009年美国出台《复兴与再投资法案》至今, 能源部联合私人企业共计对能源系统投资超过90亿美元, 用于智能电网技术在电网中的应用, 这些技术不仅提高了电网的可靠性, 也使电网具有更好的防灾、抗灾、灾后恢复的能力。2014年能源部召集学术界与工业界专家召开研讨会, 确立弹性电网的具体研究内容。日本、欧洲也已成立相应的政府机构与科研部门, 进行灾害恢复力方面的研究。2015年三月在日本举行的第三次联合国世界减灾大会中, 提高灾害恢复力作为重要议题多次出现在大会讨论中, 大会通过的《2015—2030年仙台减灾框架》也将在还恢复力列为全球减灾方面四大优先行动之一。

近几年我国学者积极开展电力系统灾变防御系统的研究, 为构建弹性电网积累了宝贵经验。我国灾变防御系统分为三道稳定防线: 经济运行与静态安全保障体系、紧急控制系统以及紧急解列控制系统; 但构建弹性电网, 对小概率-高风险的极端事件的防治是一个新挑战, 为此我国停电防御系统需要进一步考虑极端灾害, 将广域信息采集范围扩展到自然与社会环境, 针对高风险事件灾害等极端外部条件做出有效地预警, 并加强电力系统紧急协调控制、系统快速恢复的能力。

目前中国在弹性电网的基本研究框架以及在电力系统恢复力的评估理论和方法研究方面, 尚有待进一步的系统性成果, 以利于进一步提高我国电网的恢复力水平, 确保我国电力安全。

3关键技术与重要研究方向

电力系统作为国家重要基础设施, 亟需对极端自然灾害以及未来可能发生的人为袭击做好准备。为使弹性电网理论尽快成熟, 使研究结果能够切实指导未来弹性电网规划与运行, 各国应马上着手展开对弹性电网及其恢复力的研究。

结合弹性电网的研究现状以及实际应用, 本文建议弹性电网研究应从如下研究方向起步。

一、明确弹性电网需要应对的扰动事件: 电力系统是个复杂系统, 面临着各种各样的扰动事件, 各国、各地区研究弹性电网时应首先明确系统需要考虑的事件类型。为与传统的可靠性分析相区别, 弹性电网恢复力评估的是高风险-小概率事件, 如表1所示。

二、构建弹性电网评价指标体系与评估理论: 进一步完善弹性电网评估理论与评估指标是弹性电网研究的重要理论基础, 是进一步指导电力系统防灾减灾规划以及运行的基石。恢复力理论已广泛应用于灾害研究、社会学、经济学等诸多学科, 但不同领域中现行的评价指标差别很大。

三、弹性电网恢复力提升策略: 弹性电网恢复力与灾害类型、系统运行方式、系统元件冗余程度、系统防灾减灾计划等因素息息相关。几乎所有现有的弹性电网研究报告都将提高现有的配电网设计、建设标准、更新老旧电气设备作为首要建议。配电网位于电力系统末端, 相对于主网更为脆弱, 对灾害事件更为敏感, 加强配电网线路强度, 增加杆塔抗灾强度, 有选择性的将配电线路埋入地下, 选用防冰、防水配电元件是比较常见的选择。

四、弹性电网恢复力提升手段: 智能电网技术是实现弹性电网的重要手段。智能电网技术中的事故预警、故障检测、IT通信、故障定位等技术的应用将有效提升灾害发生前后各阶段有效应对灾害的能力。智能电表的停电报告功能可以提高配网发现故障的能力, 极端条件下的网架重构可以保证负荷快速供电。

4结论与展望

近年来, 自然灾害和人为袭击等扰动事件日益威胁着电力系统的安全可靠运行, 弹性电网的建立、恢复力的提升已成为电力系统发展的必然要求。智能电网技术的发展, 使其成为可能:

一、应构建中国的弹性电网研究框架和完整体系, 进一步提高我国电网的恢复力水平, 确保我国电力安全。

二、恢复力应对的是小概率-高风险的扰动事件, 其研究旨在考虑影响电网的各类事件的故障模式, 提出能够全面考虑电网特性的弹性电网恢复力评估方法及指标体系, 给出切实可行的弹性电网恢复力提升策略。

三、在未来弹性电网恢复力的研究中, 应以建立全面的评估体系为目标, 以智能电网技术、信息通信系统、状态监控系统为手段, 在传统的系统防灾、减灾措施的基础上, 进一步提高电力系统对各类扰动事件的主动防范意识, 在扰动灾害到来前提前规划电网的恢复力措施, 在破坏无法避免时, 降低灾害影响范围与影响时间, 实现快速高效的系统修复。