李寧,安卓爾,張世乾,肖子涵,王曄琳,李壯

(西安理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 西安 710048)

0 引 言

電力系統(tǒng)是國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,需要在常規(guī)工況下保證穩(wěn)定運(yùn)行,更需要在遭遇突發(fā)災(zāi)害或損壞時(shí)具有基本恢復(fù)功能[1]。面對(duì)日益復(fù)雜多變的自然災(zāi)害,傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)難以靈活準(zhǔn)確地維持基本的運(yùn)行狀態(tài),更無(wú)法保證用戶(hù)和電力企業(yè)愈發(fā)嚴(yán)格的用電質(zhì)量需求。為在最大程度上減小電網(wǎng)在遭遇突發(fā)災(zāi)害小概率事件時(shí)的損失,提升系統(tǒng)的抗災(zāi)抗擾動(dòng)能力,具備彈性恢復(fù)力的彈性電網(wǎng)(resilient power grid)已成為現(xiàn)代電力行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。

“彈性電網(wǎng)”的核心是其彈性恢復(fù)力,該能力可在系統(tǒng)遭遇突發(fā)災(zāi)害或擾動(dòng)時(shí)幫助系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急處理,并及時(shí)且最大程度地減小受災(zāi)后的影響范圍和程度,是一種直觀反映系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)快速響應(yīng)、支援的能力[2]。另外,遇到無(wú)法避免的災(zāi)害時(shí),彈性電網(wǎng)可根據(jù)實(shí)時(shí)工況或環(huán)境做出預(yù)判并靈活對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行恢復(fù)供電[3]。

進(jìn)入新世紀(jì),海量可再生資源與電力電子設(shè)備的納入使電網(wǎng)發(fā)展突飛猛進(jìn),呈現(xiàn)出負(fù)荷多元化、信息融合化的形態(tài),但根據(jù)2012年印度和2019年委內(nèi)瑞拉發(fā)生大規(guī)模停電事件不難發(fā)現(xiàn),即使在現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的今天,電力系統(tǒng)仍無(wú)法規(guī)避所有災(zāi)害或確保處于災(zāi)害時(shí)的可靠運(yùn)行,說(shuō)明電網(wǎng)急需變得富有“彈性”,這樣才能確保對(duì)關(guān)鍵負(fù)荷的供電。為了提高電網(wǎng)彈性恢復(fù)力進(jìn)而提升電網(wǎng)性能,文獻(xiàn)[4]通過(guò)建模對(duì)單一系統(tǒng)在不失去運(yùn)行能力的前提下,對(duì)彈性恢復(fù)力的極限進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]為了分析系統(tǒng)的彈性與魯棒性,將遭遇擾動(dòng)后t時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)的性能與系統(tǒng)因擾動(dòng)損失的性能的比定義為彈性恢復(fù)力指標(biāo);文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了一種年恢復(fù)力評(píng)估體系,即每年系統(tǒng)處于擾動(dòng)時(shí)依舊可維持基本運(yùn)行的時(shí)間占常規(guī)運(yùn)行時(shí)間的比。盡管針對(duì)其研究的項(xiàng)目愈來(lái)愈多,但目前提升彈性恢復(fù)力的手段依舊有限,電網(wǎng)彈性評(píng)價(jià)指標(biāo)也缺乏普適性,對(duì)精準(zhǔn)區(qū)分小概率-小損失與小概率-大損失的事件更是無(wú)從下手。為更好地應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn),提高電網(wǎng)彈性恢復(fù)力并建設(shè)彈性電網(wǎng)已經(jīng)刻不容緩。另一方面,分布式電源以及微電網(wǎng)等技術(shù)的逐漸成熟賦予了電網(wǎng)更為有效的故障應(yīng)對(duì)能力,給予了彈性電網(wǎng)恢復(fù)力研究更加多樣的選擇[7],彈性電網(wǎng)的研究正處于良好境遇下,結(jié)合對(duì)電網(wǎng)前沿的認(rèn)知不難發(fā)現(xiàn)未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)是發(fā)展靈活可靠的彈性電網(wǎng)。

綜上,為使我國(guó)可從容面對(duì)電網(wǎng)發(fā)展日益復(fù)雜、威脅與日俱增的新形態(tài),從彈性恢復(fù)力理論與彈性電網(wǎng)基本內(nèi)涵、彈性電網(wǎng)研究的關(guān)鍵技術(shù)以及彈性電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)等方面展開(kāi)闡述,分析了電網(wǎng)中彈性與其他評(píng)估性質(zhì)的異同,探討了基于智能電網(wǎng)技術(shù)彈性電網(wǎng)的研究潛力。

1 彈性恢復(fù)力理論

1.1 電力系統(tǒng)領(lǐng)域下彈性恢復(fù)力的定義

基于各式各樣的自然災(zāi)害或人為失誤的威脅層出不窮,對(duì)災(zāi)害后恢復(fù)力的研究逐漸引起科研人員的高度重視,特別是基礎(chǔ)設(shè)施或系統(tǒng)在遭受極端情況下的恢復(fù)力更需要投入大量的研究精力。

加拿大生態(tài)學(xué)家Honing在1972年率先提出了彈性恢復(fù)力的概念,分析了系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)擾動(dòng)時(shí)維持內(nèi)部穩(wěn)定的時(shí)間與恢復(fù)至初始狀態(tài)的關(guān)系,彈性恢復(fù)力理論就此被引入了生態(tài)科學(xué)、材料科學(xué)、防災(zāi)工程等科學(xué)領(lǐng)域[8]。由于彈性對(duì)系統(tǒng)極具優(yōu)化作用,該理論提出至今現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)學(xué)科之中,目前對(duì)彈性恢復(fù)力的定義在學(xué)術(shù)上缺乏共識(shí),本文因其包括災(zāi)難性事件前后的系統(tǒng)性能,同時(shí)是一個(gè)總體的概念[9],將彈性恢復(fù)力理論定義為一個(gè)個(gè)體或系統(tǒng)可抵抗、吸收、響應(yīng)擾動(dòng)以及從擾動(dòng)中恢復(fù)的能力。

在電力系統(tǒng)領(lǐng)域下,彈性基本思想是提高系統(tǒng)的容災(zāi)能力,即允許電力系統(tǒng)在遭遇突發(fā)的小概率極端事件時(shí)負(fù)荷損失,但通過(guò)各種數(shù)據(jù)資料的調(diào)度與運(yùn)行策略的優(yōu)化,系統(tǒng)可在受災(zāi)后迅速恢復(fù)。為了獲得更佳的災(zāi)后恢復(fù)能力并對(duì)未知的極端事件做出有效的預(yù)防準(zhǔn)備,文獻(xiàn)[10]基于彈性電網(wǎng)提出了彈性恢復(fù)力評(píng)估指標(biāo),分別為災(zāi)害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)、緊急恢復(fù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)和系統(tǒng)整體恢復(fù)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[11]基于彈性概念,對(duì)電網(wǎng)故障響應(yīng)的脆弱性及其修復(fù)過(guò)程進(jìn)行了建模;文獻(xiàn)[12]把極端擾動(dòng)影響下的電網(wǎng)分為具備穩(wěn)健性的預(yù)防、智能性的響應(yīng)和適應(yīng)性的恢復(fù)三個(gè)研究階段。目前大部分文獻(xiàn)的所提的評(píng)估體系或評(píng)價(jià)指標(biāo)都停留在理論階段,現(xiàn)有指標(biāo)的實(shí)用價(jià)值亟待提高。

1.2 電力系統(tǒng)中彈性與其他評(píng)估指標(biāo)的關(guān)系

研究日益復(fù)雜的電力系統(tǒng)需要綜合考慮各個(gè)評(píng)估指標(biāo),只有充分權(quán)衡所有指標(biāo)的收益價(jià)值才能切實(shí)平衡整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)。為了明晰彈性和其他評(píng)估指標(biāo)的關(guān)系,同時(shí)為后續(xù)說(shuō)明在彈性電網(wǎng)的研究過(guò)程中其關(guān)鍵技術(shù)和目前主流技術(shù)的異同提供參考,選取了可靠性、魯棒性以及柔性三種典型的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析說(shuō)明,如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)中三種典型評(píng)估指標(biāo)與彈性及彈性電網(wǎng)的關(guān)系

大部分評(píng)估指標(biāo)都是基于限定時(shí)間內(nèi)的參考項(xiàng),一旦響應(yīng)或處理的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則系統(tǒng)和用戶(hù)利益均會(huì)受損。為了更直觀地體現(xiàn)各評(píng)估指標(biāo)在系統(tǒng)功能中的貢獻(xiàn),將受擾動(dòng)期間系統(tǒng)功能的波動(dòng)在時(shí)間量度上進(jìn)行展開(kāi),如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)中部分評(píng)估指標(biāo)貢獻(xiàn)圖

2 彈性電網(wǎng)基本內(nèi)涵

傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中,為了使系統(tǒng)在面對(duì)擾動(dòng)時(shí)仍能保持一定程度額的正常運(yùn)行,一般會(huì)為考慮系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)并留有相應(yīng)裕度,電力系統(tǒng)正屬于這類(lèi)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行范圍的工程[13]。區(qū)別于傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn),彈性恢復(fù)力主要面對(duì)的是系統(tǒng)此刻規(guī)劃內(nèi)無(wú)法預(yù)料的小概率-高損失事件[14],此類(lèi)事件主要由突發(fā)的各類(lèi)自然災(zāi)害和人為損壞構(gòu)成。將能夠多層次、全方位精準(zhǔn)感知電網(wǎng)運(yùn)行模式,聯(lián)通電網(wǎng)內(nèi)外部信息,在遭受突發(fā)災(zāi)害、擾動(dòng)時(shí)能夠做出超前預(yù)判、抵御保護(hù)和快速恢復(fù),并且后期可通過(guò)自我學(xué)習(xí)進(jìn)行自我提升的電網(wǎng)稱(chēng)之為彈性電網(wǎng),基本流程如圖2所示。

圖2 彈性電網(wǎng)框架流程圖

圖2可知,彈性電網(wǎng)運(yùn)行流程應(yīng)遵循如下順序：

1)系統(tǒng)遭遇災(zāi)害或擾動(dòng)前,彈性電網(wǎng)具備一定的預(yù)判能力,可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的模擬結(jié)果做出相應(yīng)準(zhǔn)備措施。

2)系統(tǒng)遭遇災(zāi)害或擾動(dòng)中,系統(tǒng)先進(jìn)行抵御和吸收,有效緩解系統(tǒng)運(yùn)行壓力,隨后及時(shí)響應(yīng)對(duì)應(yīng)裝置以適應(yīng)當(dāng)前工況和環(huán)境。

3)系統(tǒng)遭遇災(zāi)害或擾動(dòng)后,有效利用各控制技術(shù)與應(yīng)急手段迅速恢復(fù)至穩(wěn)定的初始狀態(tài)。

圖3是彈性恢復(fù)力的梯形概念圖[15],在0～t1期間系統(tǒng)的操作人員實(shí)施預(yù)備措施,包括但不限于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)出外部擾動(dòng)的時(shí)間與位置。在擾動(dòng)或沖擊發(fā)生的t1～t2期間,系統(tǒng)性能開(kāi)始下降,緊急改進(jìn)運(yùn)行方案以削弱干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。沖擊后系統(tǒng)處于短時(shí)間的干擾狀態(tài)即t2～t3期間,此時(shí)系統(tǒng)迅速適應(yīng)突變工況并積極協(xié)調(diào)各項(xiàng)資源以確定恢復(fù)措施。進(jìn)入恢復(fù)階段的t3～t4期間,系統(tǒng)正確有效地提高系統(tǒng)性能,最后在t5時(shí)刻完全恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài),彈性恢復(fù)力停止作用,此時(shí)需要對(duì)外部沖擊對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)力及其性能的影響進(jìn)行評(píng)估和分析,以防備日后的類(lèi)似事件。

根據(jù)圖3可制定彈性提升策略的大體流程,首選假設(shè)自然災(zāi)害的損害盡可能地不損害到天然氣管道等重要傳輸管道,在電網(wǎng)抵御、吸收的故障階段時(shí)斷電是實(shí)時(shí)發(fā)生的,則系統(tǒng)一旦遇障便即刻進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行模式。按照預(yù)先設(shè)計(jì)的離網(wǎng)斷電機(jī)制,各個(gè)單元開(kāi)始調(diào)度并進(jìn)行能量互補(bǔ),只將關(guān)鍵負(fù)荷作為供給單元進(jìn)行供能作業(yè),此時(shí),電網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)微網(wǎng)獨(dú)立,呈分散控制狀態(tài);一旦災(zāi)害終止,管運(yùn)者對(duì)故障位置和故障原因等進(jìn)行排查,控制電網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)遇障斷電至故障適應(yīng)的恢復(fù)措施,在完全恢復(fù)正常后進(jìn)行二次排查、復(fù)盤(pán),研發(fā)新方案確保下次遭遇同類(lèi)故障時(shí)仍可呈集中控制狀態(tài)。

圖3 電網(wǎng)彈性梯形圖

基于上述分析,不難發(fā)現(xiàn)彈性電網(wǎng)應(yīng)該具有在災(zāi)害發(fā)生前的識(shí)別能力、在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的抵御、適應(yīng)能力以及災(zāi)害發(fā)生后的恢復(fù)能力。其中,識(shí)別能力彈性電網(wǎng)的基礎(chǔ)能力,在識(shí)別能力范圍內(nèi)抵御、適應(yīng)能力體現(xiàn)靈活性,恢復(fù)力體現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)性。可以通過(guò)該彈性梯形模型表征系統(tǒng)各階段的運(yùn)行階段,實(shí)時(shí)根據(jù)擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)間順序以及動(dòng)作類(lèi)型對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行階段性的彈性評(píng)估,檢測(cè)系統(tǒng)是否完成設(shè)定的彈性恢復(fù)目標(biāo)。較于傳統(tǒng)電網(wǎng),基于彈性恢復(fù)力理論的彈性電網(wǎng)能有效提高系統(tǒng)的抵御力,同時(shí)能更好地在系統(tǒng)遭遇突發(fā)災(zāi)害或擾動(dòng)時(shí)充分利用各種技術(shù)資源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速響應(yīng),使系統(tǒng)在維持基本運(yùn)行狀態(tài)的前提下迅速適應(yīng)當(dāng)前工況[16],并在匹配到最佳恢復(fù)措施后,使系統(tǒng)迅速恢復(fù)預(yù)定性能。

3 彈性電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

彈性電網(wǎng)的研究和建設(shè)重點(diǎn)集中在配電網(wǎng)上,具體而言,此處的彈性主要是用來(lái)衡量配電網(wǎng)在極端情況時(shí)處理關(guān)鍵負(fù)荷的抵御能力和恢復(fù)能力。同時(shí),電網(wǎng)的彈性也可被認(rèn)為是配電網(wǎng)能否主動(dòng)采取措施以保證遭遇突發(fā)災(zāi)害時(shí)為區(qū)域中的關(guān)鍵負(fù)荷供電,并迅速恢復(fù)斷電負(fù)荷的能力。

得益于電力系統(tǒng)的技術(shù)更新和電力電子設(shè)備的迭代,目前我國(guó)對(duì)于提升彈性恢復(fù)力的研究初見(jiàn)成效,但復(fù)雜的現(xiàn)代電力系統(tǒng)依舊難以對(duì)突發(fā)災(zāi)害做到規(guī)避或大面積包容,故在擾動(dòng)時(shí)增強(qiáng)抵御和災(zāi)害后恢復(fù)能力是相對(duì)合理的選擇。為了未來(lái)安全有效地提升彈性電網(wǎng)恢復(fù)力并改善電網(wǎng)性能,以下關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)被給予高度重視。

3.1 基于智能電網(wǎng)的識(shí)別技術(shù)

智能電網(wǎng)雖然充分地考慮了單一或多重故障模式,但對(duì)如何應(yīng)對(duì)極端事件并未做出過(guò)多解釋。

為了在極端事件到來(lái)之前制定電網(wǎng)的恢復(fù)力策略、降低災(zāi)害的影響程度,有必要建立健全基于智能電網(wǎng)的災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù),在擾動(dòng)發(fā)生的前、中、后階段應(yīng)依次識(shí)別出擾動(dòng)的類(lèi)型、位置等。文獻(xiàn)[17]結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù),對(duì)配電網(wǎng)的遭遇各種工況時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了模擬,隨后將模擬的結(jié)果保存作為電網(wǎng)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)的資源,豐富了彈性策略選擇的靈活。文獻(xiàn)[18]基于現(xiàn)有的潮流數(shù)據(jù),利用智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析了輸入功率與電壓之間的關(guān)系,模擬了電壓峰值時(shí)的彈性,提高了電網(wǎng)識(shí)別高壓危機(jī)的預(yù)判能力。合理應(yīng)用基于智能電網(wǎng)的識(shí)別技術(shù),可提升系統(tǒng)的識(shí)別能力,有利于對(duì)預(yù)測(cè)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固處理,進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)極端事件的自主防范意識(shí),進(jìn)而提升彈性電網(wǎng)容災(zāi)能力。

同時(shí),需要對(duì)有目的的通信系統(tǒng)襲擊等電力系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn),可通過(guò)識(shí)別后數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行利弊權(quán)衡進(jìn)而規(guī)劃出最合理的恢復(fù)力提升措施[19]。

3.2 基于故障容錯(cuò)的恢復(fù)技術(shù)

彈性電網(wǎng)允許電力系統(tǒng)在遭遇突發(fā)的小概率極端事件時(shí)出現(xiàn)負(fù)荷損失,但不允許在故障后喪失基本的運(yùn)行功能[20]。

為了切實(shí)增強(qiáng)電網(wǎng)彈性并使系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)作業(yè),完善對(duì)故障后的處理與恢復(fù)技術(shù)不可忽視。文獻(xiàn)[21]基于電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)性提出了一種魯棒控制技術(shù),通過(guò)模擬負(fù)荷損失的最壞情況讓系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)其他擾動(dòng)時(shí)擁有更強(qiáng)的彈性恢復(fù)力;文獻(xiàn)[22]分析了災(zāi)害后電網(wǎng)的損耗,基于對(duì)損失數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)提出了一種優(yōu)化的魯棒算法,可有效地使電網(wǎng)可靠、靈活地運(yùn)行;文獻(xiàn)[23]考慮了分布式電源的復(fù)雜接法,通過(guò)故障時(shí)重構(gòu)接納計(jì)算出最佳重構(gòu)方案,使得電網(wǎng)彈性大幅提升。根據(jù)目前電網(wǎng)發(fā)生故障后的應(yīng)急處理手段,從彈性電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)和用戶(hù)用電質(zhì)量?jī)煞矫婵紤],利用數(shù)據(jù)的冗余性識(shí)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、修復(fù)誤差數(shù)據(jù),增補(bǔ)缺失數(shù)據(jù),能有效實(shí)現(xiàn)彈性電網(wǎng)故障全過(guò)程的分析、定位及恢復(fù),進(jìn)而提升電力系統(tǒng)彈性恢復(fù)力,確保彈性電網(wǎng)安全。

3.3 基于配電網(wǎng)的設(shè)備挖潛技術(shù)

電網(wǎng)末端的配電網(wǎng)是與用戶(hù)負(fù)荷關(guān)系最緊密的單位,提升配電網(wǎng)彈性并使其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)用電用戶(hù)和電網(wǎng)公司均具有重要意義[24]。配電網(wǎng)因自動(dòng)化程度和冗余度較低,相應(yīng)的保護(hù)措施也較為匱乏,因此較輸電網(wǎng)更脆弱對(duì)擾動(dòng)也更敏感。

為了提升配電網(wǎng)的彈性與魯棒性,可以利用基于配電網(wǎng)的設(shè)備挖潛技術(shù),文獻(xiàn)[25]利用多元感應(yīng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)運(yùn)行的所有信息,對(duì)實(shí)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)了設(shè)備動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)增容、潮流實(shí)時(shí)柔性控制、配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)估等。此項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性,對(duì)配電網(wǎng)的反饋越及時(shí)彈性電網(wǎng)的彈性越大,魯棒性越強(qiáng)。

3.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的“云”技術(shù)

以獲得最佳的彈性效益為目的,基于物聯(lián)網(wǎng)背景下的云端信息存儲(chǔ)、計(jì)算能力和用戶(hù)大數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合也是一個(gè)需克服的技術(shù)難題。

考慮用電區(qū)域內(nèi)的影響因素,利用互聯(lián)網(wǎng)通信、“云”存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行分析,對(duì)潮流進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)將要出現(xiàn)的新型柔性負(fù)荷,如智慧樓宇、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等進(jìn)行分布排列?；谏鲜霰尘?文獻(xiàn)[26]為了提高彈性效益,將關(guān)鍵負(fù)荷在災(zāi)害前進(jìn)行合理配置,在災(zāi)害后進(jìn)行移動(dòng)儲(chǔ)能,有效提升了系統(tǒng)故障前的預(yù)防能力和故障后的恢復(fù)能力;不難發(fā)現(xiàn),保證新型負(fù)荷的合理分布,可從源頭上緩解電網(wǎng)彈性壓力,提升彈性電網(wǎng)的魯棒性;文獻(xiàn)[27]通過(guò)系統(tǒng)受擾動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),針對(duì)電網(wǎng)彈性恢復(fù)速度提出了一種多元化的存儲(chǔ)優(yōu)化,可及時(shí)通過(guò)云端保存系統(tǒng)受損前的運(yùn)行數(shù)據(jù),系統(tǒng)穩(wěn)定后迅速響應(yīng)至初始運(yùn)行狀態(tài)。

值得注意的是,在彈性電網(wǎng)未觸發(fā)彈性恢復(fù)力的運(yùn)行狀態(tài)時(shí),首先使用“云”技術(shù)實(shí)時(shí)搜集所有能源模塊的工作數(shù)據(jù),通過(guò)大數(shù)據(jù)模擬仿真技術(shù)來(lái)對(duì)能源模塊間的能量進(jìn)行預(yù)測(cè),其次利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)計(jì)算分析出彈性評(píng)估值,針對(duì)該區(qū)域的電能質(zhì)量結(jié)合歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化,最后擬定出合理的建設(shè)方案,應(yīng)用各控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)的資源調(diào)度,圖4所示為目前實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)彈性運(yùn)行合理性、可行性較高的技術(shù)方案。

圖4 高彈性電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)與其關(guān)鍵技術(shù)

3.5 基于高壓的柔性交直流輸電技術(shù)

隨著綠色清潔發(fā)電設(shè)備在電力系統(tǒng)中的占比越來(lái)越高,用戶(hù)對(duì)用電可靠性的要求越來(lái)越嚴(yán),建設(shè)一套普適、綜合的彈性電網(wǎng)架構(gòu)已迫在眉睫[28]。文獻(xiàn)[29]提出了柔性交直流輸電技術(shù)建設(shè)交直流混合的新體系,在新體系下通過(guò)電力電子變壓器聯(lián)絡(luò)交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)可有效提升了電網(wǎng)的彈性.這種方法緩解了負(fù)荷高密度地區(qū)的運(yùn)行壓力,從而提高了電力系統(tǒng)的彈性與魯棒性;文獻(xiàn)[30]通過(guò)在彈性電網(wǎng)中進(jìn)行柔性輸電模擬,一定程度上控制電網(wǎng)系統(tǒng)潮流、解耦功率和調(diào)節(jié)電壓幅值,提高了電網(wǎng)性能,但為了滿(mǎn)足今后彈性電網(wǎng)大規(guī)模并網(wǎng)及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?統(tǒng)籌高彈性電網(wǎng)規(guī)劃和骨干網(wǎng)架構(gòu)等方面的理論,建設(shè)用于高壓的柔性交直流輸電骨干網(wǎng)十分必要。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)跨入柔性交直流輸電的快速發(fā)展期,對(duì)用于高壓的柔性交直流輸電技術(shù)的發(fā)展與改良必會(huì)對(duì)高彈性電網(wǎng)的建設(shè)起到重要作用。

3.6 基于新型電力電子裝置的自適應(yīng)技術(shù)

新型用電設(shè)備的靈活接連使得電網(wǎng)形態(tài)愈發(fā)復(fù)雜,高壓交直流混聯(lián)工程大的規(guī)模并網(wǎng)也導(dǎo)致供電壓力高度緊張[31]。為了在遭遇擾動(dòng)時(shí)讓系統(tǒng)免受高額損失,可通過(guò)新型電力電子裝置替代傳統(tǒng)設(shè)備的方式,充分結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部的靈活性和互補(bǔ)性,進(jìn)一步增強(qiáng)了彈性恢復(fù)力與系統(tǒng)自適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[32]提出當(dāng)電力電網(wǎng)局部受擾時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)智能軟開(kāi)關(guān)SNOP(soft normally open point)的控制模式,靈活地為系統(tǒng)提供電壓與頻率,完成對(duì)非故障區(qū)域的持續(xù)供電,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)由故障至正常狀態(tài)的彈性運(yùn)行.分布式電源的靈活接入、多變壓器運(yùn)行方式帶來(lái)的雙向潮流、系統(tǒng)阻抗變化等問(wèn)題也是彈性電網(wǎng)的日后發(fā)展路上的阻礙;文獻(xiàn)[33]借助新型傳感器技術(shù)獲取反饋量,以?xún)?yōu)化抵御算法和縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)長(zhǎng),進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的彈性恢復(fù)速度;文獻(xiàn)[34]根據(jù)故障類(lèi)型提出了一種混合型多電平換流器,在擾動(dòng)發(fā)生后換流器以同步補(bǔ)償器的方式工作,增強(qiáng)了電網(wǎng)的魯棒性;文獻(xiàn)[35]考慮了智能軟開(kāi)關(guān)的控制策略,通過(guò)在系統(tǒng)中聯(lián)合使用軟開(kāi)關(guān),取得了優(yōu)異的潮流控制效果,進(jìn)而提高了系統(tǒng)的故障恢復(fù)力,保證了彈性電網(wǎng)的高效運(yùn)行。

另一方面,彈性恢復(fù)力的提升方案的全面展開(kāi)必然會(huì)伴隨著高額的成本,成本問(wèn)題是開(kāi)設(shè)推廣路上不可忽視的問(wèn)題。因此,為了保證彈性電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的成本在用戶(hù)與電網(wǎng)公司接受的范圍內(nèi),同時(shí)開(kāi)展經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的恢復(fù)方案也應(yīng)被重視。

基于彈性電網(wǎng)的定義,在對(duì)配電網(wǎng)恢復(fù)力進(jìn)行評(píng)估和提升時(shí)所用的關(guān)鍵技術(shù)較主流技術(shù)側(cè)重系統(tǒng)的可靠性和魯棒性,但是對(duì)彈性的關(guān)注不夠充分。除去技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)不同,在彈性電網(wǎng)的研究過(guò)程中其關(guān)鍵技術(shù),具體包括但不限于電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知與事故預(yù)警技術(shù)、電網(wǎng)災(zāi)害抵御技術(shù)、電網(wǎng)孤島運(yùn)行技術(shù)、多資源協(xié)同的快速供電恢復(fù)技術(shù)以及電網(wǎng)信息安全技術(shù)等均與主流技術(shù)大體相同,這降低了“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)和“云”技術(shù)整合連接的難度,體現(xiàn)了“彈性”本身具備的包容性和適應(yīng)性。

4 彈性電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)展望

4.1 彈性電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

電網(wǎng)的發(fā)展終會(huì)趨于智能化,為了對(duì)彈性電網(wǎng)有更為深入的了解,這里簡(jiǎn)單闡述一下智能電網(wǎng)和彈性電網(wǎng)的區(qū)別和聯(lián)系。

智能電網(wǎng)(smart grid)是一種通過(guò)使用各種數(shù)控技術(shù)使電能從電廠(chǎng)輸配到用電用戶(hù),并進(jìn)行智能管理和運(yùn)營(yíng)的新型能源節(jié)約型電力網(wǎng)絡(luò),其本質(zhì)是能源替換和信息兼容。發(fā)展智能電網(wǎng)首先需要有足夠的投資,即需要在龐大的輸電網(wǎng)上安裝足夠數(shù)量的傳感器以及可雙向通信的智能電能表,這樣才能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。其次需配備十分健全的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng),目前做到集成化通信的統(tǒng)一因?qū)嶋H情況復(fù)雜多變還存在著一定難度。最后需要運(yùn)算器具有足夠的運(yùn)算能力,可精準(zhǔn)計(jì)算出作為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)和安全管理的可靠數(shù)據(jù)。

彈性電網(wǎng)的研發(fā)主要是探究各種影響電網(wǎng)事件的故障模式,并基于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)際情況提出合理的彈性恢復(fù)力評(píng)估方法或指標(biāo),給出可行的電網(wǎng)的彈性提升策略。近年來(lái),全球已因電力系統(tǒng)對(duì)難以預(yù)測(cè)的極端災(zāi)害事件準(zhǔn)備不足而頻發(fā)事故,這無(wú)疑體現(xiàn)了用追求發(fā)電和輸配電的投資冗余來(lái)規(guī)避事故、保障電網(wǎng)的性?xún)r(jià)比較低。相比之下,彈性電網(wǎng)可喚醒電網(wǎng)中海量低成本沉睡資源的,在應(yīng)對(duì)小概率-高影響事件時(shí)可做到可靠運(yùn)行,綠色運(yùn)營(yíng)。

智能電網(wǎng)顧名思義是電網(wǎng)的智能化,是基于集成高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過(guò)使用各種先進(jìn)的傳感、測(cè)量技術(shù)和控制技術(shù)等來(lái)全面支撐、支持系統(tǒng)完成電網(wǎng)安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)的電力網(wǎng)絡(luò)。其主要特征包括抵御自愈干擾、保障保護(hù)用戶(hù)、提供優(yōu)質(zhì)電能、以及優(yōu)化電力市場(chǎng)資源等。顯然,具備彈性的彈性電網(wǎng)無(wú)疑是電網(wǎng)智能化的重要表現(xiàn)形式,即高彈性電網(wǎng)是更具備發(fā)展?jié)摿Φ闹悄茈娋W(wǎng)。

未來(lái)高彈性電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)可分為三個(gè)階段,每個(gè)階段的發(fā)展情況如下：

1)交聯(lián)化：在柔性交直流混合的新型配電網(wǎng)框架下,通過(guò)集中配置或分布消納完成海量一次能源與電能的轉(zhuǎn)換流通[36],進(jìn)而避免絕大多數(shù)大規(guī)模斷電事件,是高彈性電網(wǎng)發(fā)展的初級(jí)形態(tài)。

2)數(shù)據(jù)化：使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能“云”技術(shù)等先進(jìn)科技,對(duì)電網(wǎng)中電力的生產(chǎn)傳輸、轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)等單元進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),對(duì)電網(wǎng)中用戶(hù)柔性負(fù)荷進(jìn)行單元化的精準(zhǔn)控制[37],電網(wǎng)彈性得到顯著提升,是高彈性電網(wǎng)發(fā)展的中級(jí)形態(tài)。

3)集成化：多元融合的分布式電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)成本大幅降低,電力用戶(hù)側(cè)的資源被充分利用,電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性、彈性以及魯棒性大幅提升,是高彈性電網(wǎng)發(fā)展的高級(jí)形態(tài)。

4.2 彈性電網(wǎng)研究展望

傳統(tǒng)的故障策略固然可在短時(shí)間內(nèi)有效修正遇障元件,但考慮到實(shí)際工況下不一定保證與恢復(fù)的供電協(xié)調(diào)性,諸如斷電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致關(guān)鍵負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間不能得到補(bǔ)給供能,這必然影響到系統(tǒng)其他性能的可靠性進(jìn)而造成彈性的下降[38]。若每一次只是為了解決遇障而去修正,則系統(tǒng)無(wú)法得到真正優(yōu)化,其可靠性也沒(méi)有下限保證,這顯然不是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。相反,每一次遇障后運(yùn)營(yíng)下限越來(lái)越高的彈性電網(wǎng)才是目前急需關(guān)注的研發(fā)對(duì)象[39]。

抓住了高彈性電網(wǎng)的發(fā)展,就是抓住了整個(gè)電力行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。為了早日完成傳統(tǒng)電網(wǎng)到智能彈性電網(wǎng)的過(guò)渡,克服系統(tǒng)源荷缺乏互動(dòng)、安全依賴(lài)冗余以及提效手段單一等復(fù)雜難題,研發(fā)具備源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元高互動(dòng)能力、高承載穩(wěn)定運(yùn)行能力以及強(qiáng)自主抵御-恢復(fù)能力的高彈性電網(wǎng)是核心任務(wù)[40]。

多元融合高彈性電網(wǎng)具有高承載、高互動(dòng)、高自愈、高效能四大核心能力,是云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、源網(wǎng)荷緊密聯(lián)系、可靠性極大提高的高彈電網(wǎng)[41]。建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)即利用配電網(wǎng)資源供應(yīng)平臺(tái)去結(jié)合各類(lèi)能源技術(shù)服務(wù)平臺(tái),使可提升資源整體利用效率的元素參與電量平衡的過(guò)程[42],合理建設(shè)此類(lèi)電網(wǎng)可為調(diào)節(jié)電網(wǎng)提供更多方案,進(jìn)而激發(fā)電網(wǎng)潛力,提升電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效益?，F(xiàn)根據(jù)我國(guó)建設(shè)智能電網(wǎng)的基本需求、發(fā)展思路和戰(zhàn)略目標(biāo),以改善電網(wǎng)服務(wù)能力、為電網(wǎng)賦能及提高電網(wǎng)抗擾動(dòng)能力為目標(biāo),對(duì)建設(shè)我國(guó)高彈性電網(wǎng)做出以下展望：

1)基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)防災(zāi)工程技術(shù),發(fā)展擾動(dòng)預(yù)判預(yù)識(shí)別技術(shù),如文獻(xiàn)[43]基于電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系提出了一種復(fù)雜元素下電網(wǎng)運(yùn)行的識(shí)別、報(bào)警方法。文獻(xiàn)[44]針對(duì)突發(fā)災(zāi)害提出了一種基于災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)的自識(shí)別保護(hù)策略,通過(guò)迅速匹配到數(shù)據(jù)庫(kù)的資源進(jìn)行識(shí)別對(duì)比,完成系統(tǒng)自身的應(yīng)急響應(yīng)。這樣可以從源頭對(duì)電網(wǎng)靈活響應(yīng)、高效調(diào)節(jié)及穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)等能力進(jìn)行改善,并根據(jù)地區(qū)發(fā)展的差異制定對(duì)應(yīng)的恢復(fù)力目標(biāo)與提升策略。

2)深化與豐富高彈性電網(wǎng)的恢復(fù)力理論,提升彈性電網(wǎng)的承載能力,如文獻(xiàn)[45]根據(jù)滲透理論提出了一種數(shù)據(jù)化彈性效益提升的評(píng)估指標(biāo),并結(jié)合彈性恢復(fù)力理論改善了電網(wǎng)彈性;文獻(xiàn)[46]通過(guò)優(yōu)化架空線(xiàn)和分布式電源的配置,提高了電力系統(tǒng)的抵御力;文獻(xiàn)[47]提出了一種加固傳輸線(xiàn)路的魯棒優(yōu)化控制手段,對(duì)較容易受擾動(dòng)影響的電氣裝置進(jìn)行加固處理,保證了系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力。為了在運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并建立普適、綜合的恢復(fù)力評(píng)估體系,力保電網(wǎng)處于低冗余、高承載狀態(tài)時(shí)仍能具備最基礎(chǔ)的運(yùn)行功能。

3)充分利用用戶(hù)大數(shù)據(jù),積極調(diào)動(dòng)負(fù)荷側(cè)資源,如文獻(xiàn)[48]對(duì)電力用戶(hù)用電行為進(jìn)行科學(xué)分類(lèi),豐富可控負(fù)荷種類(lèi),對(duì)負(fù)荷集匯進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)估,以強(qiáng)交互能力為電網(wǎng)的彈性提供支持。文獻(xiàn)[49]對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分,遭遇擾動(dòng)時(shí)通過(guò)分布式電源對(duì)損失負(fù)荷開(kāi)展恢復(fù)作業(yè),進(jìn)而提高電網(wǎng)彈性。

4)將電網(wǎng)中分布式管理系統(tǒng)作為核心輔助系統(tǒng)盡力優(yōu)化[50],避免因大量使用即插即用的分布式組件在復(fù)合電網(wǎng)中的子網(wǎng)出現(xiàn)全局信息計(jì)算冗雜的問(wèn)題,力保電網(wǎng)數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性,在信息傳遞的速度上為電網(wǎng)的彈性保駕護(hù)航[51]。為了做到上述系統(tǒng)的優(yōu)化,在可靠的設(shè)計(jì)和管理上獲得最大的靈活性,文獻(xiàn)[52]研究了電網(wǎng)的自動(dòng)配置系統(tǒng),分析了基于自調(diào)節(jié)與自動(dòng)配置系統(tǒng)上的電力分配與運(yùn)營(yíng)。文獻(xiàn)[53]為提升配電網(wǎng)彈性以及促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型下高滲透率可再生能源的接入,提出了分布式可再生能源電源的優(yōu)化配置模型。

未來(lái)高彈性電網(wǎng)恢復(fù)力的研究發(fā)展中,應(yīng)以建立多元融合高彈性電網(wǎng)框架為目的[54],以故障容錯(cuò)的恢復(fù)技術(shù)、高壓的柔性直流輸電技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的“云”技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為手段,深度提升電力系統(tǒng)對(duì)各種擾動(dòng)事件的抵御、吸收以及恢復(fù)能力[55],使擾動(dòng)或?yàn)?zāi)害的影響范圍、程度和時(shí)間顯著降低,實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的自適應(yīng)修復(fù)過(guò)程。為提高電網(wǎng)彈性恢復(fù)力并確保用電安全,高彈性電網(wǎng)的全面建設(shè)必將成為世界各國(guó)電力系統(tǒng)建設(shè)的基本方式,其實(shí)際效益將不可小覷。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了彈性恢復(fù)力理論以及彈性電網(wǎng)的基本概念,說(shuō)明了在電力系統(tǒng)中彈性電網(wǎng)較傳統(tǒng)電網(wǎng)擁有更強(qiáng)的抵御力,在系統(tǒng)遭遇突發(fā)災(zāi)害可更好地進(jìn)行恢復(fù)作業(yè)。隨后為了充分提升彈性電網(wǎng)的恢復(fù)力并改善電網(wǎng)性能,在我國(guó)電力電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀上分析了目前和未來(lái)彈性電網(wǎng)發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)。最后基于研究現(xiàn)狀將彈性電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)分為交聯(lián)化、數(shù)據(jù)化與集成化三個(gè)階段并對(duì)其研究進(jìn)行了展望。

彈性電網(wǎng)的研究在我國(guó)尚且處于起步階段,很多理論仍需要豐富完善,為同國(guó)際研究水平保持同步甚至占據(jù)優(yōu)勢(shì),我國(guó)應(yīng)大力開(kāi)展彈性電網(wǎng)的相關(guān)研究。