在圖1所示系統(tǒng)功能曲線中,魯棒性是指系統(tǒng)在災害中保持功能的程度,迅速性是指系統(tǒng)功能恢復到正常狀態(tài)的速度?？紤]這兩個因素,有不同的韌性指標定義方式[47]。值得注意的是,系統(tǒng)功能曲線描述了配電網(wǎng)在某個具體災害中的響應情況,所以由此定義的指標,也只能夠描述配電網(wǎng)在此災害下的韌性。將這些指標應用于配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計或是調(diào)度策略時,需要構(gòu)建配電網(wǎng)的故障場景集,通過綜合各個場景的指標得到用于規(guī)劃或調(diào)度的配電網(wǎng)韌性指標。

      3.2.1以面積定義韌性指標

      此指標是配電網(wǎng)韌性最為常見的定義方式,將指標定義為系統(tǒng)功能損害部分與時間的積分。

      此韌性指標的物理意義是系統(tǒng)功能在自然災害中的缺失面積,它同時考慮了系統(tǒng)的魯棒性和快速性。

      在簡化處理時,可以將系統(tǒng)功能曲線簡化為一個三角形,此時系統(tǒng)韌性指標就等于系統(tǒng)功能減低最大值和恢復時間乘積的一半[49]。對于韌性相同的系統(tǒng),其在系統(tǒng)功能降低最大值和恢復時間的平面上,就是一條雙曲線。后續(xù)還可以考慮在此平面的不同區(qū)域引入不同權(quán)重,以符合不同調(diào)度員的調(diào)度需求。

      3.2.2以概率定義韌性指標

      此指標將魯棒性和迅速性分開衡量。通過設(shè)定系統(tǒng)功能在災害中最低程度q*和最長恢復時間t*的容許值,將系統(tǒng)韌性指標定義為系統(tǒng)滿足設(shè)定值要求的概率[35],即

在配電網(wǎng)中存在不確定性時,可以采用此韌性指標。

      3.2.3考慮調(diào)控成本的韌性指標

      在根據(jù)功能曲線定義的韌性指標基礎(chǔ)上,可以進一步考慮配電網(wǎng)調(diào)控運行的成本[52],即

      式中:S為系統(tǒng)響應,即前文定義的韌性指標;T為恢復成本;α為權(quán)重。

      在配電網(wǎng)中,T一般取開關(guān)動作成本或功率傳輸成本等[53]。

      3.3提升配電網(wǎng)韌性的措施

      3.3.1提升配電網(wǎng)韌性的規(guī)劃措施

      配電網(wǎng)規(guī)劃可以提高配電網(wǎng)的冗余性和有源性,進而改善其在災害中的魯棒性和迅速性。為了提高冗余性,可以在配電網(wǎng)中配備燃氣輪機、柴油發(fā)電機等常規(guī)備用機組,以及風力發(fā)電機、光伏電池、儲能電池等分布式發(fā)電。在輸電網(wǎng)或上游線路遭到破壞時,這些發(fā)電設(shè)備可以從配電網(wǎng)末梢提供備用功率支持。同時,規(guī)劃時還可以在配電網(wǎng)中設(shè)置常開的饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān),在配電網(wǎng)故障時通過這些開關(guān)實現(xiàn)拓撲變換,提供備用供電路徑。

      另一方面,為了提高有源性,需要進一步推進配電網(wǎng)自動化。通過配備智能量測、遠程動作開關(guān)等設(shè)備,使得災害中配電網(wǎng)狀態(tài)信息獲取、開關(guān)動作可以更快完成,備用設(shè)備、恢復措施可以盡快投入,保證配電網(wǎng)在災害中的供電能力。

      在配電網(wǎng)投入經(jīng)費有限的條件下,如何選擇備用設(shè)備和智能設(shè)備的種類、接入方式和地點,在自然災害中給配電網(wǎng)調(diào)度運行以最有力的支持,是提升韌性的配電網(wǎng)規(guī)劃所應當解決的問題。

      3.3.2提升配電網(wǎng)韌性的調(diào)度運行措施

      在配電網(wǎng)調(diào)度運行中提升系統(tǒng)韌性的措施主要有兩種,分別是災前的預防措施(ex-antemitigation)和災中/后的恢復措施(ex-postadaptation),如圖1中所示[44,54]。

     預防措施是在自然災害到來前,根據(jù)災害預報信息和配電網(wǎng)運行狀態(tài),調(diào)整配電網(wǎng)運行方式,以盡可能縮小停電范圍、保持配電網(wǎng)關(guān)鍵負荷持續(xù)供電的調(diào)控方式。由于災害襲擊配電網(wǎng)時,調(diào)控中心一般難以及時獲取詳細的破壞狀況信息并采取針對性措施,故此時系統(tǒng)的響應情況是由配電網(wǎng)系統(tǒng)自身特性和災害前配電網(wǎng)的運行狀態(tài)所決定的。若配電網(wǎng)能通過調(diào)整潮流分布,最大限度地提高自然災害中存活的關(guān)鍵負荷功率,不僅可以直接提升魯棒性,還有助于提高配電網(wǎng)恢復速度,從而改善迅速性。

      恢復措施是在自然災害中或結(jié)束后,配電網(wǎng)逐步恢復關(guān)鍵負荷供電,使其盡快接近或者達到災前正常狀態(tài)的調(diào)控方式。此時,調(diào)控中心可以獲得較為準確的配電網(wǎng)破壞信息,所以可以對停電關(guān)鍵負荷采取針對性的恢復措施,如負荷轉(zhuǎn)移、投入備用設(shè)備等。有效的恢復措施可以顯著縮短關(guān)鍵負荷的停電時間,提高配電網(wǎng)的迅速性[55]。根據(jù)恢復時配電網(wǎng)維修是否完成,恢復措施又可以分為僅有部分配電網(wǎng)設(shè)備可用的重構(gòu)恢復,和全部設(shè)備均可用的配電網(wǎng)黑啟動恢復。
      通過預防措施和恢復措施的雙重作用和相互配合,可以有效提高配電網(wǎng)關(guān)鍵負荷的存活性并縮短停電時間、減小停電范圍,從魯棒性和迅速性兩方面同時提升配電網(wǎng)韌性。

      3.3.3完善配電網(wǎng)的災害應急體系

      為了應對電網(wǎng)中的重大突發(fā)災難事件,配電網(wǎng)的災害應急體系具體規(guī)定了電網(wǎng)公司應急管理工作的組織指揮體系,明確了突發(fā)事件的預警機制、處置程序、應急保障和恢復重建措施[56-57]。

      災害應急體系的依據(jù)是應急預案。應急預案以配電網(wǎng)突發(fā)災難的先驗知識為支撐,采用專家知識和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),根據(jù)預想情況規(guī)定了災害中電網(wǎng)公司的組織形式和所應采取的措施[58]。應急預案包括經(jīng)驗型的預案處理、分析型的預防管理和智能型的災變防御三個階段[59]。在災害發(fā)生后,電網(wǎng)公司根據(jù)災害的影響范圍與程度查找適用的預案條目,按照預案中的規(guī)定實現(xiàn)人員協(xié)調(diào)、資源分配和與交通、氣象、通信等部門的聯(lián)動,進而達到減小災害損失、加速災后恢復的目的。

      配電網(wǎng)的災害應急體系主要從組織、社會、經(jīng)濟維度提升配電網(wǎng)韌性。

      4 配電網(wǎng)韌性的關(guān)鍵問題和研究方向

      在配電網(wǎng)韌性研究領(lǐng)域,存在以下關(guān)鍵問題和主要研究方向。

      4.1配電網(wǎng)韌性的總體評估方法

      盡管韌性能夠描述配電網(wǎng)在特定自然災害中的響應,引入韌性的最終目的還是從總體上衡量配電網(wǎng)對極端災害這類低概率、大影響故障事件的應對能力。此時不僅需要考慮配電網(wǎng)在某個災害中具體的預防、恢復措施,還需要考慮配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、措施制定、調(diào)度實施在不同災害中對關(guān)鍵負荷的綜合支撐效果。

      由于自然災害發(fā)生概率比較小,因此韌性很難像可靠性那樣,通過大量實際故障案例對配電網(wǎng)規(guī)劃調(diào)控效果進行驗證。如何以有限的實際案例構(gòu)造出具有代表意義的故障場景集,進而產(chǎn)生對配電網(wǎng)韌性的綜合評估,是本項研究中需要解決的問題。在研究中可以考慮采用與輸電網(wǎng)連鎖故障類似的研究方式,由故障發(fā)展和傳導的機理入手,尋找維持配電網(wǎng)關(guān)鍵負荷供電的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)配電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)的分布和特性,考慮實際自然災害的影響范圍,構(gòu)建出對配電網(wǎng)破壞最為嚴重的故障場景集,并根據(jù)配電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)和天氣信息評估這些場景的發(fā)生概率。同時,也可以借鑒配電網(wǎng)規(guī)劃、運行可靠性等方面的場景構(gòu)建思路,構(gòu)造配電網(wǎng)災害響應的特定場景,進而給出對配電網(wǎng)韌性的整體評估。

      4.2提升配電網(wǎng)韌性的預防措施

      現(xiàn)有的配電網(wǎng)災害應對策略主要以系統(tǒng)重構(gòu)和黑啟動研究為主,屬于韌性提升中的恢復措施。在預防措施方面,相關(guān)研究很少。事實上,在自然災害襲擊前,配電網(wǎng)可以獲得部分災害預報信息。調(diào)度員可以根據(jù)此信息調(diào)整配電網(wǎng)潮流分布,提高其在災害中的存活概率。如將配電網(wǎng)預先分為幾個子分區(qū)系統(tǒng),并調(diào)整配電網(wǎng)潮流減小各個子分區(qū)間的功率交換。在災害襲擊時,配電網(wǎng)可以將被破壞的分區(qū)切除,從而在暫態(tài)波動不大的情況下保證其他分區(qū)關(guān)鍵負荷的正常供電、限制停電范圍。類似的分區(qū)思想已經(jīng)在文獻中有了初步討論。另一方面,配電網(wǎng)可以根據(jù)災害預計信息,事先制定重構(gòu)恢復策略預案。在災害結(jié)束后,就可以根據(jù)實際損壞情況對這些預案進行篩選,避免求解復雜的混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題,縮短停電時間。
 
     4.3微電網(wǎng)對配電網(wǎng)韌性的提升作用

      隨著主動配電網(wǎng)的發(fā)展,分布式能源越來越多地參與到配電網(wǎng)調(diào)度運行中[66-68]。由于新能源出力與自然條件密切相關(guān)、可控性不強,因此可以將微電網(wǎng)作為主動配電網(wǎng)的調(diào)控單元。通過微網(wǎng)內(nèi)部能量管理系統(tǒng)調(diào)控各分布式發(fā)電的出力,配以需求側(cè)響應和儲能控制,提高配電網(wǎng)對微電網(wǎng)整體的可控性。

      現(xiàn)階段,微電網(wǎng)可以在自然災害中離網(wǎng)運行,保證微網(wǎng)內(nèi)部關(guān)鍵負荷的持續(xù)供電[69]。隨著微網(wǎng)容量增加、可控性增強,微電網(wǎng)可以在配電網(wǎng)中起到“虛擬饋線”(virtualfeeder)的作用[61]。在災害中,微電網(wǎng)不僅可以維持內(nèi)部關(guān)鍵負荷供電,還可以為配電網(wǎng)中的臨近關(guān)鍵負荷提供電能。通過縮短關(guān)鍵負荷的停電時間和范圍,微電網(wǎng)可以提升配電網(wǎng)韌性。

      為了實現(xiàn)微電網(wǎng)對配電網(wǎng)的支持作用,需要研究微電網(wǎng)內(nèi)部能量管理與配電網(wǎng)調(diào)度的協(xié)調(diào)方法,實現(xiàn)微網(wǎng)功率輸出能力與配電網(wǎng)功率需求的匹配。

      考慮到自然災害的具體情況,還需要對微電網(wǎng)恢復配電網(wǎng)關(guān)鍵負荷的可行性展開評估,如設(shè)備是否損壞、系統(tǒng)存活性、功率限值約束等。此外,若微電網(wǎng)為用戶私有,那么需要設(shè)計合理的接入準則和價格協(xié)定[70]。從規(guī)劃層面,可以通過設(shè)計微網(wǎng)的接入點和接入方式,最大化微網(wǎng)對配電網(wǎng)關(guān)鍵負荷的支持效果。

      5 結(jié)語

      日益頻繁發(fā)生的極端災害及其所造成的重大影響使配電網(wǎng)韌性成為了國內(nèi)外的研究熱點。本文總結(jié)了工程韌性的相關(guān)文獻,并將其應用于配電網(wǎng)領(lǐng)域,介紹了配電網(wǎng)韌性的概念、意義、評估方法和提升措施。