摘要:極端自然災害的日益頻繁發生和由此造成的大規模停電經濟損失,使配電網的災害應對能力得到了廣泛關注。為了評估配電網應對極端自然災害的能力,配電網引入了韌性的概念。

       在綜述配電網與相關工程領域韌性研究文獻的基礎上,介紹了配電網韌性的概念和內涵,通過與可靠性的對比和與輸電網連鎖故障的類比,闡述了韌性對配電網的意義。

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

      引言

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

      大規模停電事故,可能由設備故障、人為操作引起,還可能因極端自然災害導致。極端自然災害,包括颶風(臺風)、地震、洪澇、海嘯和冰災等,都可能給電力系統造成巨大破壞,進而引發大面積停電。近些年來,極端自然災害的發生概率和所造成的停電經濟損失急劇增長。

      以美國為例,極端災害已成為導致電網大停電事故的首要因素。據統計,1980年以來,美國共遭受了178起停電損失超過10億美元的自然災害,總損失超過1萬億美元。在10起造成最大損失的自然災害中,7起發生在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害引起。僅在2012年,停電損失超過10億美元以上的自然災害就有11起。

      極端自然災害也給中國電網帶來了很大沖擊。

      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、華東的冰災中,20個省市受到影響,13個省市的電力設施遭到破壞,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,直接經濟損失超過104.5億元[5-6]。

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

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

      1 配電網韌性的概念

      韌性是衡量系統在出現嚴重擾動或故障情況下,是否可以改變自身狀態以減少故障過程系統損失,并在故障結束后盡快恢復到原有正常狀態的能力[10-11]。1973年,生態學家Holling首次將這個概念引入生態學研究領域。隨后在1996年,他又將韌性區分為“生態韌性”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、組織行為、災難管理和環境演變響應等[12-14]。沿用美國國土安全部的概念,韌性可以定義為系統預防和適應變化條件,并且承受這些擾動及迅速恢復的能力[15]。韌性包含了系統對蓄意攻擊、事故或者自然災害等的承受和恢復能力。

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

      從廣義上講,在電力系統韌性的定義中,電網所遭受的沖擊可能包括極端自然災害、系統嚴重故障、人為破壞與恐怖襲擊,甚至誤操作等發生概率較小、而影響很大的事件[13,17-18]。但現有研究大多關注較為狹義的電力系統韌性概念,亦即極端自然災害下電網的應對情況。因此,本文中的電力系統韌性將特指其較為狹義的概念,但所綜述內容對其廣義概念同樣適用。具體到配電網中,韌性主要衡量配電網在自然災害中對關鍵負荷(criticalload)的支撐和恢復能力,配電網韌性也由此定義為配電網是否可以采取主動措施保證災害中的關鍵負荷供電,并迅速恢復斷電負荷的能力[18-20]。其中,關鍵負荷是指對于社會正常運轉或是抗震救災十分重要的用戶負荷,例如政府、救災應急機構等行政機關,以及醫院、自來水廠、信號基站、照明和取暖設備等生命線設施。

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

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

      2 配電網韌性的意義

      2.1配電網韌性與可靠性的區分

      除了韌性,配電網還存在其他相關性質,例如魯棒性、靈活性、脆弱性、存活性和適應性等。這些概念之間的差別和關系,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在不同側面的特性,并不存在明確的區分界限。

      對配電網而言,最關鍵的是可靠性與韌性的區分。可靠性是配電網的重要指標,也是配電網能否滿足用戶供電需求的直接衡量。現有配電網的規劃和調度策略,大多都以可靠性為優化目標,可靠性指標也一直是配電網整體供電質量的有效衡量方式。但是,配電網可靠性并不能代替韌性。一個可靠性很高的配電網,其韌性并不一定很高[31]。配電網可靠性指標是通過用戶停電的時間和頻率來計算的,最常用的為系統平均停電頻率(SAIFI)和系統平均停電持續時間(SAIDI)[32]。如果負荷的停電時間很短(一般設定為小于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,由于重構恢復可以通過遠程操作開關執行,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,此配電網的韌性并不一定高。在極端自然災害中,配電網的很多元件可能遭到破壞,遠程開關無法正常開斷,甚至配電網的遠程調度和控制也失效。此時該配電網很難保證關鍵負荷的正常供電和斷電恢復,所以其韌性并不高。究其原因,韌性是衡量配電網在低概率、破壞性較大的特殊情況(例如極端自然災害)下的響應和調節情況,而可靠性只關注經常發生、對配電網影響較小的典型故障。所以配電網韌性與可靠性的關注重點并不相同,并不能夠相互替代,它們分別描述了配電網安全性的不同方面。

      2.2韌性對配電網的意義

      引入配電網韌性,是為了從總體上評估配電網受極端自然災害這類低概率事件的影響程度及其應對能力。其對配電網的意義,類似于連鎖故障脆弱性對輸電網的價值,如表1所示。可見,對于發生概率較大的常見故障(例如線路短路、單一設備損壞),配電網和輸電網都是用可靠性來衡量:配電網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具有足夠高的可靠性。

      對于發生概率較小但影響很大的故障而言,輸電網進行了連鎖故障相關研究,在探究其發生、發展機理的基礎上,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的影響大小及后者的應對能力[33];類似地,在配電網中以韌性衡量其對這類故障的應對水平,進而可以研究不同規劃與調控措施對配電網應對極端災害能力的提升作用,進而給出配電網極端災害應對能力的總體評估。

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

      3 配電網韌性的評估與提升

      本節給出了配電網韌性的評估矩陣,以此提出用于配電網規劃調度的韌性指標,隨后討論了提升配電網韌性的措施。

      3.1配電網韌性的評估矩陣

      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。它不僅包括配電網本身的韌性,還包括公司組織、人員分配等方面對配電網災害應對的支持作用[34-37]。

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

      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;冗余性描述備用設備或系統在災害中的可用性;有源性描述投入資源(人力、物力)維持系統關鍵功能的能力;迅速性描述系統快速恢復關鍵功能、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韌性的一個評估方面。配電網韌性就可以用這個矩陣進行評估,評估結果涉及配電網的規劃運行、電網公司的應急管理、停電造成的用戶經濟損失等多個方面。

      3.2用于配電網規劃和調度的韌性指標

      在配電網規劃和調度中,需要設計定量計算指標,作為規劃方案與調度策略的評價標準和優化目標。

      由于規劃調度的目的是提高配電網自身的災害應對能力,因此選取評估矩陣的技術維度設計韌性指標。在技術維度的4個韌性屬性中,魯棒性和迅速性描述的是系統在極端災害中的動態過程,亦即系統受災害影響的結果;而冗余性和有源性描述的是系統在災害中影響結果的手段,它們的作用效果最終體現在系統的動態響應中[38]。因此,可以利用配電網在災難后的動態響應曲線,從魯棒性和迅速性兩方面定義用于配電網調度運行的韌性指標[39-43],它可以體現韌性4個屬性的共同影響。

      配電網系統在災害過程中的典型響應曲線見圖1。圖中,t0為災害發生時刻;t1為配電網功能恢復正常的時刻;Q(t)為配電網的功能函數。

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