摘要:極端自然災(zāi)害的日益頻繁發(fā)生和由此造成的大規(guī)模停電經(jīng)濟損失,使配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)對能力得到了廣泛關(guān)注。為了評估配電網(wǎng)應(yīng)對極端自然災(zāi)害的能力,配電網(wǎng)引入了韌性的概念。

       在綜述配電網(wǎng)與相關(guān)工程領(lǐng)域韌性研究文獻的基礎(chǔ)上,介紹了配電網(wǎng)韌性的概念和內(nèi)涵,通過與可靠性的對比和與輸電網(wǎng)連鎖故障的類比,闡述了韌性對配電網(wǎng)的意義。

      隨后,介紹了配電網(wǎng)韌性的評估矩陣,給出了用于規(guī)劃和調(diào)度的韌性定量指標,并提出了提升配電網(wǎng)韌性的規(guī)劃和調(diào)度措施。最后,針對現(xiàn)有研究的不足,指出了當前配電網(wǎng)韌性的關(guān)鍵問題和可能的研究方向。

      引言

      現(xiàn)代社會的繁榮發(fā)展依賴于一系列基礎(chǔ)工程設(shè)施,它們維系著人們的正常生產(chǎn)和生活。這些基礎(chǔ)工程設(shè)施被稱為生命線設(shè)施(lifelineinfrastructure),例如電力、交通、通信、供水、供暖等。電力系統(tǒng)是生命線設(shè)施的重要組成部分,負責電能的產(chǎn)生和傳輸,是其他生命線設(shè)施正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。大規(guī)模的停電事故,不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失,還可能造成政治、社會影響乃至人身傷亡。

      大規(guī)模停電事故,可能由設(shè)備故障、人為操作引起,還可能因極端自然災(zāi)害導(dǎo)致。極端自然災(zāi)害,包括颶風(臺風)、地震、洪澇、海嘯和冰災(zāi)等,都可能給電力系統(tǒng)造成巨大破壞,進而引發(fā)大面積停電。近些年來,極端自然災(zāi)害的發(fā)生概率和所造成的停電經(jīng)濟損失急劇增長。

      以美國為例,極端災(zāi)害已成為導(dǎo)致電網(wǎng)大停電事故的首要因素。據(jù)統(tǒng)計,1980年以來,美國共遭受了178起停電損失超過10億美元的自然災(zāi)害,總損失超過1萬億美元。在10起造成最大損失的自然災(zāi)害中,7起發(fā)生在2004年到2014年之間。2002年以來,58%的大停電事故中,87%造成5萬戶以上的停電事故均由極端災(zāi)害引起。僅在2012年,停電損失超過10億美元以上的自然災(zāi)害就有11起。

      極端自然災(zāi)害也給中國電網(wǎng)帶來了很大沖擊。

      1980年以來,全球十大成本最為高昂的自然災(zāi)害中,中國就占了3席[4]。典型的例子如2008年席卷華南、西南、華中、華東的冰災(zāi)中,20個省市受到影響,13個省市的電力設(shè)施遭到破壞,停運線路36740條、變電站2018座,563236基桿塔倒塌,斷線353731處,超過170個縣市停電,直接經(jīng)濟損失超過104.5億元[5-6]。

      為了限制自然災(zāi)害造成的大規(guī)模停電范圍、減小停電損失,需要提高電網(wǎng)應(yīng)對極端自然災(zāi)害的能力[7]。配電網(wǎng)處于電網(wǎng)末端,與用戶負荷密切相關(guān),提高配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)對能力能夠有效縮小負荷停電范圍。與輸電網(wǎng)相比,配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)對能力較弱[8-9],主要體現(xiàn)在:①配電網(wǎng)自動化程度較低,遠程測量、開關(guān)配備不齊全;②配電網(wǎng)的冗余較低,不滿足N-1校驗;③配電網(wǎng)中控制保護手段較為匱乏,特別是低電壓等級配電網(wǎng)的停電恢復(fù)仍以人工維修為主;④現(xiàn)有配電網(wǎng)重構(gòu)、黑啟動研究并不完全適用于極端自然災(zāi)害下的配電網(wǎng)恢復(fù)。

      智能電網(wǎng)的發(fā)展對提升配網(wǎng)自動化和智能化、滿足負荷在各種情況下的可靠持續(xù)供電提出了更高的要求,配電網(wǎng)在極端自然災(zāi)害下的應(yīng)對措施也因此成為了近些年的研究熱點。特別是2012年“桑迪”颶風造成重大經(jīng)濟損失后,工業(yè)界和學術(shù)界開始重新審視極端自然災(zāi)害對配電網(wǎng)的影響,相關(guān)研究更是呈現(xiàn)井噴之勢。在這些研究中提出了“韌性(resilience)”的概念,用以衡量這些應(yīng)對措施的效果,進而評估配電網(wǎng)應(yīng)對極端自然災(zāi)害的能力。

      1 配電網(wǎng)韌性的概念

      韌性是衡量系統(tǒng)在出現(xiàn)嚴重擾動或故障情況下,是否可以改變自身狀態(tài)以減少故障過程系統(tǒng)損失,并在故障結(jié)束后盡快恢復(fù)到原有正常狀態(tài)的能力[10-11]。1973年,生態(tài)學家Holling首次將這個概念引入生態(tài)學研究領(lǐng)域。隨后在1996年,他又將韌性區(qū)分為“生態(tài)韌性”和“工程韌性”兩個不同概念。其中,后者的概念已被廣泛應(yīng)用于涉及人類和自然相互作用的多工程學科中,例如工程技術(shù)、組織行為、災(zāi)難管理和環(huán)境演變響應(yīng)等[12-14]。沿用美國國土安全部的概念,韌性可以定義為系統(tǒng)預(yù)防和適應(yīng)變化條件,并且承受這些擾動及迅速恢復(fù)的能力[15]。韌性包含了系統(tǒng)對蓄意攻擊、事故或者自然災(zāi)害等的承受和恢復(fù)能力。

      近年來,隨著極端自然災(zāi)害造成大規(guī)模停電的日益頻繁,韌性在電力系統(tǒng)中得到了日漸廣泛的關(guān)注。電力系統(tǒng)韌性是指電網(wǎng)遭受重大災(zāi)害(例如颶風、地震等)的情況下,是否可以減少故障過程損失,并盡快恢復(fù)到正常供電狀態(tài)的能力。一個具有韌性的電力系統(tǒng)可以在外部災(zāi)害加劇時逐步降低自身能力,并迅速恢復(fù)到原有狀態(tài)[16]。

      從廣義上講,在電力系統(tǒng)韌性的定義中,電網(wǎng)所遭受的沖擊可能包括極端自然災(zāi)害、系統(tǒng)嚴重故障、人為破壞與恐怖襲擊,甚至誤操作等發(fā)生概率較小、而影響很大的事件[13,17-18]。但現(xiàn)有研究大多關(guān)注較為狹義的電力系統(tǒng)韌性概念,亦即極端自然災(zāi)害下電網(wǎng)的應(yīng)對情況。因此,本文中的電力系統(tǒng)韌性將特指其較為狹義的概念,但所綜述內(nèi)容對其廣義概念同樣適用。具體到配電網(wǎng)中,韌性主要衡量配電網(wǎng)在自然災(zāi)害中對關(guān)鍵負荷(criticalload)的支撐和恢復(fù)能力,配電網(wǎng)韌性也由此定義為配電網(wǎng)是否可以采取主動措施保證災(zāi)害中的關(guān)鍵負荷供電,并迅速恢復(fù)斷電負荷的能力[18-20]。其中,關(guān)鍵負荷是指對于社會正常運轉(zhuǎn)或是抗震救災(zāi)十分重要的用戶負荷,例如政府、救災(zāi)應(yīng)急機構(gòu)等行政機關(guān),以及醫(yī)院、自來水廠、信號基站、照明和取暖設(shè)備等生命線設(shè)施。

      值得指出的是,國內(nèi)對配電網(wǎng)韌性的研究處于起始狀態(tài),對“韌性”一詞的翻譯方式尚未達成共識。

      在電力領(lǐng)域,有文獻將resilience一詞翻譯為“適應(yīng)能力”[21],而有文獻所討論的韌性卻對應(yīng)resistant,其概念同resilience并不完全相同[22];在其他工程領(lǐng)域,resilience也有“彈性”[23]、“恢復(fù)力”[24]和“韌性”[25]等對應(yīng)翻譯。從概念上講,電力行業(yè)中將resilience翻譯為“彈性”似乎比較合適,但是已有文獻中的電網(wǎng)彈性大多指電力彈性系數(shù)。為避免混淆,本文將resilience一詞翻譯為韌性。

      2 配電網(wǎng)韌性的意義

      2.1配電網(wǎng)韌性與可靠性的區(qū)分

      除了韌性,配電網(wǎng)還存在其他相關(guān)性質(zhì),例如魯棒性、靈活性、脆弱性、存活性和適應(yīng)性等。這些概念之間的差別和關(guān)系,有很多文獻對此進行了討論[11,26-30]。這些概念分別描述了系統(tǒng)在不同側(cè)面的特性,并不存在明確的區(qū)分界限。

      對配電網(wǎng)而言,最關(guān)鍵的是可靠性與韌性的區(qū)分。可靠性是配電網(wǎng)的重要指標,也是配電網(wǎng)能否滿足用戶供電需求的直接衡量。現(xiàn)有配電網(wǎng)的規(guī)劃和調(diào)度策略,大多都以可靠性為優(yōu)化目標,可靠性指標也一直是配電網(wǎng)整體供電質(zhì)量的有效衡量方式。但是,配電網(wǎng)可靠性并不能代替韌性。一個可靠性很高的配電網(wǎng),其韌性并不一定很高[31]。配電網(wǎng)可靠性指標是通過用戶停電的時間和頻率來計算的,最常用的為系統(tǒng)平均停電頻率(SAIFI)和系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間(SAIDI)[32]。如果負荷的停電時間很短(一般設(shè)定為小于5min),這些停電事故就不會被計入可靠性指標中。所以對于一個自動化程度很高的配電網(wǎng),由于重構(gòu)恢復(fù)可以通過遠程操作開關(guān)執(zhí)行,它的可靠性指標可能很高,換言之,它具有很高的可靠性。但是,此配電網(wǎng)的韌性并不一定高。在極端自然災(zāi)害中,配電網(wǎng)的很多元件可能遭到破壞,遠程開關(guān)無法正常開斷,甚至配電網(wǎng)的遠程調(diào)度和控制也失效。此時該配電網(wǎng)很難保證關(guān)鍵負荷的正常供電和斷電恢復(fù),所以其韌性并不高。究其原因,韌性是衡量配電網(wǎng)在低概率、破壞性較大的特殊情況(例如極端自然災(zāi)害)下的響應(yīng)和調(diào)節(jié)情況,而可靠性只關(guān)注經(jīng)常發(fā)生、對配電網(wǎng)影響較小的典型故障。所以配電網(wǎng)韌性與可靠性的關(guān)注重點并不相同,并不能夠相互替代,它們分別描述了配電網(wǎng)安全性的不同方面。

      2.2韌性對配電網(wǎng)的意義

      引入配電網(wǎng)韌性,是為了從總體上評估配電網(wǎng)受極端自然災(zāi)害這類低概率事件的影響程度及其應(yīng)對能力。其對配電網(wǎng)的意義,類似于連鎖故障脆弱性對輸電網(wǎng)的價值,如表1所示。可見,對于發(fā)生概率較大的常見故障(例如線路短路、單一設(shè)備損壞),配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)都是用可靠性來衡量:配電網(wǎng)常用的可靠性指標包括SAIDI,SAIFI以及供電可靠性是多少個“9”;輸電網(wǎng)雖然沒有計算具體指標,但是采用了N-1校驗標準,用保守的運行邊界限制確保輸電網(wǎng)具有足夠高的可靠性。

      對于發(fā)生概率較小但影響很大的故障而言,輸電網(wǎng)進行了連鎖故障相關(guān)研究,在探究其發(fā)生、發(fā)展機理的基礎(chǔ)上,提出了連鎖故障的阻斷措施并用連鎖故障脆弱性從總體上衡量這類故障對輸電網(wǎng)的影響大小及后者的應(yīng)對能力[33];類似地,在配電網(wǎng)中以韌性衡量其對這類故障的應(yīng)對水平,進而可以研究不同規(guī)劃與調(diào)控措施對配電網(wǎng)應(yīng)對極端災(zāi)害能力的提升作用,進而給出配電網(wǎng)極端災(zāi)害應(yīng)對能力的總體評估。

      值得指出的是,以上類比僅僅是從故障特性及其對網(wǎng)絡(luò)的影響和意義方面進行的。由于輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)在規(guī)劃設(shè)計、運行特性等方面并不相同,故在具體的研究內(nèi)容和處理方式上,以上類比不再成立。

      3 配電網(wǎng)韌性的評估與提升

      本節(jié)給出了配電網(wǎng)韌性的評估矩陣,以此提出用于配電網(wǎng)規(guī)劃調(diào)度的韌性指標,隨后討論了提升配電網(wǎng)韌性的措施。

      3.1配電網(wǎng)韌性的評估矩陣

      評估矩陣是從十分寬泛的角度,對整個配電公司的韌性管理進行評估。它不僅包括配電網(wǎng)本身的韌性,還包括公司組織、人員分配等方面對配電網(wǎng)災(zāi)害應(yīng)對的支持作用[34-37]。

      評估矩陣從技術(shù)(technical)、組織(organizational)、社會(social)和經(jīng)濟(economical)4個維度(簡稱TOSE)對配電網(wǎng)韌性展開評估。其中,技術(shù)維度描述了配電網(wǎng)(包括電力設(shè)備、它們之間的相互聯(lián)系,以及整體系統(tǒng))遭受極端災(zāi)害時維持原有運行狀態(tài)的能力;組織維度是指電網(wǎng)公司管理重要設(shè)備,執(zhí)行災(zāi)害決策、行動措施等關(guān)鍵行為的能力;社會維度是指災(zāi)害引起公司、政府等機構(gòu)正常服務(wù)缺失所造成的影響及其應(yīng)對能力;經(jīng)濟維度是指減小災(zāi)害所造成直接或間接經(jīng)濟損失的能力。

      另一方面,對于TOSE的每個維度,韌性又包含魯棒性(robustness)、冗余性(redundancy)、有源性(resourcefulness)和迅速性(rapidity)4個屬性(簡稱4R’s)。其中,魯棒性描述系統(tǒng)在維持自身功能的情況下,承受外界壓力或擾動的能力;冗余性描述備用設(shè)備或系統(tǒng)在災(zāi)害中的可用性;有源性描述投入資源(人力、物力)維持系統(tǒng)關(guān)鍵功能的能力;迅速性描述系統(tǒng)快速恢復(fù)關(guān)鍵功能、減小停電損失的能力。

      將TOSE和4R’s相互組合成4×4階的矩陣,矩陣中的每個元素代表了配電網(wǎng)韌性的一個評估方面。配電網(wǎng)韌性就可以用這個矩陣進行評估,評估結(jié)果涉及配電網(wǎng)的規(guī)劃運行、電網(wǎng)公司的應(yīng)急管理、停電造成的用戶經(jīng)濟損失等多個方面。

      3.2用于配電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度的韌性指標

      在配電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度中,需要設(shè)計定量計算指標,作為規(guī)劃方案與調(diào)度策略的評價標準和優(yōu)化目標。

      由于規(guī)劃調(diào)度的目的是提高配電網(wǎng)自身的災(zāi)害應(yīng)對能力,因此選取評估矩陣的技術(shù)維度設(shè)計韌性指標。在技術(shù)維度的4個韌性屬性中,魯棒性和迅速性描述的是系統(tǒng)在極端災(zāi)害中的動態(tài)過程,亦即系統(tǒng)受災(zāi)害影響的結(jié)果;而冗余性和有源性描述的是系統(tǒng)在災(zāi)害中影響結(jié)果的手段,它們的作用效果最終體現(xiàn)在系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)中[38]。因此,可以利用配電網(wǎng)在災(zāi)難后的動態(tài)響應(yīng)曲線,從魯棒性和迅速性兩方面定義用于配電網(wǎng)調(diào)度運行的韌性指標[39-43],它可以體現(xiàn)韌性4個屬性的共同影響。

      配電網(wǎng)系統(tǒng)在災(zāi)害過程中的典型響應(yīng)曲線見圖1。圖中,t0為災(zāi)害發(fā)生時刻;t1為配電網(wǎng)功能恢復(fù)正常的時刻;Q(t)為配電網(wǎng)的功能函數(shù)。

      對于不同的配電網(wǎng)控制目標,縱軸系統(tǒng)功能的選取可能不同[45-46]。當研究配電網(wǎng)在極端災(zāi)害中的韌性時,系統(tǒng)功能通常選擇為配電網(wǎng)負荷、特別是配電網(wǎng)關(guān)鍵負荷的供電功率或供電收益[18-20]。