在圖1所示系統功能曲線中,魯棒性是指系統在災害中保持功能的程度,迅速性是指系統功能恢復到正常狀態的速度。考慮這兩個因素,有不同的韌性指標定義方式[47]。值得注意的是,系統功能曲線描述了配電網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在此災害下的韌性。將這些指標應用于配電網的規劃設計或是調度策略時,需要構建配電網的故障場景集,通過綜合各個場景的指標得到用于規劃或調度的配電網韌性指標。

      3.2.1以面積定義韌性指標

      此指標是配電網韌性最為常見的定義方式,將指標定義為系統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功能在自然災害中的缺失面積,它同時考慮了系統的魯棒性和快速性。

      在簡化處理時,可以將系統功能曲線簡化為一個三角形,此時系統韌性指標就等于系統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,其在系統功能降低最大值和恢復時間的平面上,就是一條雙曲線。后續還可以考慮在此平面的不同區域引入不同權重,以符合不同調度員的調度需求。

      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。通過設定系統功能在災害中最低程度q*和最長恢復時間t*的容許值,將系統韌性指標定義為系統滿足設定值要求的概率[35],即

在配電網中存在不確定性時,可以采用此韌性指標。

      3.2.3考慮調控成本的韌性指標

      在根據功能曲線定義的韌性指標基礎上,可以進一步考慮配電網調控運行的成本[52],即

      式中:S為系統響應,即前文定義的韌性指標;T為恢復成本;α為權重。

      在配電網中,T一般取開關動作成本或功率傳輸成本等[53]。

      3.3提升配電網韌性的措施

      3.3.1提升配電網韌性的規劃措施

      配電網規劃可以提高配電網的冗余性和有源性,進而改善其在災害中的魯棒性和迅速性。為了提高冗余性,可以在配電網中配備燃氣輪機、柴油發電機等常規備用機組,以及風力發電機、光伏電池、儲能電池等分布式發電。在輸電網或上游線路遭到破壞時,這些發電設備可以從配電網末梢提供備用功率支持。同時,規劃時還可以在配電網中設置常開的饋線聯絡開關,在配電網故障時通過這些開關實現拓撲變換,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自動化。通過配備智能量測、遠程動作開關等設備,使得災害中配電網狀態信息獲取、開關動作可以更快完成,備用設備、恢復措施可以盡快投入,保證配電網在災害中的供電能力。

      在配電網投入經費有限的條件下,如何選擇備用設備和智能設備的種類、接入方式和地點,在自然災害中給配電網調度運行以最有力的支持,是提升韌性的配電網規劃所應當解決的問題。

      3.3.2提升配電網韌性的調度運行措施

      在配電網調度運行中提升系統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,根據災害預報信息和配電網運行狀態,調整配電網運行方式,以盡可能縮小停電范圍、保持配電網關鍵負荷持續供電的調控方式。由于災害襲擊配電網時,調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,故此時系統的響應情況是由配電網系統自身特性和災害前配電網的運行狀態所決定的。若配電網能通過調整潮流分布,最大限度地提高自然災害中存活的關鍵負荷功率,不僅可以直接提升魯棒性,還有助于提高配電網恢復速度,從而改善迅速性。

      恢復措施是在自然災害中或結束后,配電網逐步恢復關鍵負荷供電,使其盡快接近或者達到災前正常狀態的調控方式。此時,調控中心可以獲得較為準確的配電網破壞信息,所以可以對停電關鍵負荷采取針對性的恢復措施,如負荷轉移、投入備用設備等。有效的恢復措施可以顯著縮短關鍵負荷的停電時間,提高配電網的迅速性[55]。根據恢復時配電網維修是否完成,恢復措施又可以分為僅有部分配電網設備可用的重構恢復,和全部設備均可用的配電網黑啟動恢復。
      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關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韌性。

      3.3.3完善配電網的災害應急體系

      為了應對電網中的重大突發災難事件,配電網的災害應急體系具體規定了電網公司應急管理工作的組織指揮體系,明確了突發事件的預警機制、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是應急預案。應急預案以配電網突發災難的先驗知識為支撐,采用專家知識和數據挖掘技術,根據預想情況規定了災害中電網公司的組織形式和所應采取的措施[58]。應急預案包括經驗型的預案處理、分析型的預防管理和智能型的災變防御三個階段[59]。在災害發生后,電網公司根據災害的影響范圍與程度查找適用的預案條目,按照預案中的規定實現人員協調、資源分配和與交通、氣象、通信等部門的聯動,進而達到減小災害損失、加速災后恢復的目的。

      配電網的災害應急體系主要從組織、社會、經濟維度提升配電網韌性。

      4 配電網韌性的關鍵問題和研究方向

      在配電網韌性研究領域,存在以下關鍵問題和主要研究方向。

      4.1配電網韌性的總體評估方法

      盡管韌性能夠描述配電網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在某個災害中具體的預防、恢復措施,還需要考慮配電網規劃設計、措施制定、調度實施在不同災害中對關鍵負荷的綜合支撐效果。

      由于自然災害發生概率比較小,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規劃調控效果進行驗證。如何以有限的實際案例構造出具有代表意義的故障場景集,進而產生對配電網韌性的綜合評估,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連鎖故障類似的研究方式,由故障發展和傳導的機理入手,尋找維持配電網關鍵負荷供電的薄弱環節。根據配電網中薄弱環節的分布和特性,考慮實際自然災害的影響范圍,構建出對配電網破壞最為嚴重的故障場景集,并根據配電網歷史數據和天氣信息評估這些場景的發生概率。同時,也可以借鑒配電網規劃、運行可靠性等方面的場景構建思路,構造配電網災害響應的特定場景,進而給出對配電網韌性的整體評估。

      4.2提升配電網韌性的預防措施

      現有的配電網災害應對策略主要以系統重構和黑啟動研究為主,屬于韌性提升中的恢復措施。在預防措施方面,相關研究很少。事實上,在自然災害襲擊前,配電網可以獲得部分災害預報信息。調度員可以根據此信息調整配電網潮流分布,提高其在災害中的存活概率。如將配電網預先分為幾個子分區系統,并調整配電網潮流減小各個子分區間的功率交換。在災害襲擊時,配電網可以將被破壞的分區切除,從而在暫態波動不大的情況下保證其他分區關鍵負荷的正常供電、限制停電范圍。類似的分區思想已經在文獻中有了初步討論。另一方面,配電網可以根據災害預計信息,事先制定重構恢復策略預案。在災害結束后,就可以根據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非線性優化問題,縮短停電時間。
 
     4.3微電網對配電網韌性的提升作用

      隨著主動配電網的發展,分布式能源越來越多地參與到配電網調度運行中[66-68]。由于新能源出力與自然條件密切相關、可控性不強,因此可以將微電網作為主動配電網的調控單元。通過微網內部能量管理系統調控各分布式發電的出力,配以需求側響應和儲能控制,提高配電網對微電網整體的可控性。

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

      為了實現微電網對配電網的支持作用,需要研究微電網內部能量管理與配電網調度的協調方法,實現微網功率輸出能力與配電網功率需求的匹配。

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

      5 結語

      日益頻繁發生的極端災害及其所造成的重大影響使配電網韌性成為了國內外的研究熱點。本文總結了工程韌性的相關文獻,并將其應用于配電網領域,介紹了配電網韌性的概念、意義、評估方法和提升措施。