面向防灾减灾的电网韧性评估及其恢复力提升

唐文虎教授华南理工大学电力学院2024年9月5日 目录 能源电力安全背景 韧性电网的内涵及其评估技术体系 韧性电网恢复力提升的关键技术 四 总结与展望 能源电力安全背景一、 能源电力安全背景 2023年7月11日，习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第二次会议指出加快构建“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能”的新型电系统；2024年2月29日，中共中央政治局就我国的能源安全进行第十二次集体学习，习近平总书记指出要统筹思考国家能源安全，提升科技创新投入效能，为能源行业高质量发展指明了方向 在安全运行方面，电力系统“双高”形态（高比例新能源、高比例电力电子设备接入）、“双新”特征（新设备、新技术广泛应用）日益突出，极端事件扰动频率增加，电力系统运行特性日超复杂，环境一安全一经济自标相互制约，系统电压、频率调节能力面临严峻考验 挑战：高渗透率新能源，低惯量，发电侧可控资源减少 针对电力系统韧性研究，大规模可再生能源接入电力系统将带来一系列新挑战： 1：功率注入的随机性以及由此引起对能够维持频率稳定的灵活资源的需求（非传统火电资源）。在低惯量的新型电力系统背景下，分布式灵活资源快速发展，例如柔性负载、储能设备和智能逆变器，它们可以通过减少峰值需求、平衡可再生能源和避免电压偏移为电力系统提供有价值的服务，如需求响应、应急恢复。因此，如何在考虑网络约束的前提下，聚合海量的分布式的灵活资源使他们更好的服务于新型电力系统是值得研究的 2.由于当前配电馈线的承载能力有限，可再生能源渗透率的增加会导致配电网阻塞问题，并且由于当前保护设备限制以及电压调节能力有限，许多配电馈线将无法处理反可功率流，驱需对配电网进行升级改造 3．新能源发电设施受天气影响较大，因而在极端气象条件下，新型电力系统的安全稳定运行将受到更加产严重的挑战，需要建立面回新型电力系统的韧性评佰理论框架和恢复力提升策略 二、韧性电网内涵及其评估技术体系 韧性电网的提出背景 韧性（Resilience）作为衡量平衡态之间变化的指标由理论生态学家 C.S.Holling在1973年首次提出，已广泛应用于许多学科，例如生物学、环境学、经济学等 Resilience不但有相关的国际标准，而且还有专门的技术委员会一一ISO/TC292 Security and ResilienceCIGRE专门成立了工作组：C4.47-Power System Resilience WorkingGroup 韧性电网的提出背景 电力系统是重要基础设施，电力系统的安全稳定运行直接影响着国民经济的发展与国家安全。一旦发生事故，将对经济、社会各层面产生严重的直接或间接后果 随看全球自然灾害遂练增多以及反恐意识的增强，构建对极端扰动事件具有恢复力的“韧性电网”已成为各国着力发展国家战略，韧性电网的理论研究与工程应用取得丰富成果 国内学者：西安交通大学邱爱慈院士、别朝红教授河海大学瀚平教授清华大学陈颖教授香港大学侯云鹤教授北京交通大学许寅教授等 韧性电网的提出背景 韧性概念已经广泛应用于其他学科，在电力系统仍然没有统一的定义。虽然不同学者对其定义有所差异，但其内涵基本一致。主要针对小概率高风险事件中电力系统对扰动事件的预防抵抗能力，灾害过程中的吸收响应能力，以及灾后系统快速恢复力 鲁棒性：系统的建设标准，如输电线输电塔的抗风、抗冰标准等 智慧性：系统解列运行能力，如分布式电源控制、需求侧响应能力等 恢复性：系统自愈能力，如防灾策略、检修策略、检修效率等 韧性电网的提出背景 韧性电网评估的技术体系 ■韧性评估方法：蒙特卡洛模拟、脆弱节点评估、韧性的提升方法 口韧性指标：面积韧性指标、相对面积韧性指标、多阶段韧性指标 口系统修复模型：天气恶势程度、故障情况、维修策略、检修效率 极端事件模型：气象灾害，例如台风灾害、冰雪灾害；网络故障、信息攻击 气象灾害模型 以台风、冰灾模型为例 冰灾模型：导线覆冰预测模型，根据冻雨持续时间降雨量、空气中含水量及风速等气象数据获得覆冰厚度 台风模型：YanMeng风场模型考虑了地面粗糙度，较好描述了台风风场中力的关系，并给出了梯度风方程，演化出了完整的解析解 系统故障模型 输电线-杆塔故障模型 有限元输电塔模型 >水平位移界限（即刚度破坏界限）：输电塔顶点水平位移不能超过输电塔高度H的1/100，若超过该值，即认为输电塔破坏 >历史数据：模糊算法、神经网络算法等，依托于大量的设备运行数据 经验数据：基于金属变形理论的关于大风、覆冰停运概率模型[1]等 强度破坏界限：取决于结构或构件的许用应力输电塔结构强度计算取输电塔底部单元截面应力最大点，材料的抗压强度设计值取310MPa。若输电塔底部单元界面应力最大值超过抗压强度设计值，即认为输电塔强度破坏×102 [1]梅生伟,薛安成，张雪敏.电力系统自组织临界特性与大电网安全[M].清华大学出版社,2009. 电网响应模型 ■电网的响应模型 》与可靠性评估不同，自然灾害下会发生大量设备停运，远远大于‘N-1’、‘N-2的情况，导致系统解列成多个子网，各子网存在孤岛运行 >系统响应建模规则 MminMNDs.t.=0NAO≤P≤Pai,ViEND ·若拓扑结构里面没有发电节点，则认为所有负荷节点被切·若拓扑结构内有发电节点，切发电量大于负荷需求量，基于最优直流潮流模型，重新调度，削减发电量如果负荷侧需求大于供电容量，则按上一步骤的方法重新调度，削减负荷 系统修复模型 根据检修部门位置、故障发生位置及道路情况估算路程时间，检修时间基于检修队伍数、故障类型和检修策略天气恶劣程度影响整体修复讲度 韧性指标计算方法 韧性指标 1区间.T]。如冰灾、台风等气象的影响都是逐渐加强，系统足以抵抗前期较弱的影响，并保持正常状态运行一点时间，即A 2)引入持续时间因子Tdur。系统一直受到气象灾害的影响，即Taur很大，而导致系统长期处于恢复状态，即TsT3很大 [1] M. Bruneau and A. Reinhorn, “"Exploring the concept of seismic resilience for acute care facilities," Earthq. Spectra, vol. 23, no. 1, pp. 41-62, 2007.[2] M. Ouyang. L. Dueias-Osorio, and X. Min, **A three-stage resilience analysis framework for urban infrastructure systems," Struct. Saf., vols. 36 37,no. 2, pp. 2331, 2012[3] Yang YH., Tang W.H., Liu Y., Xin Y.L., Wu Q.H., Quantitative resilience assessment for power transmission systems under typhoon weather. IEEE Access 6 (2018): 40747-40756 电力系统韧性评估 三、韧性电网恢复力提升的关键技术 3.1电力系统韧性的提升措施 物理电网韧性的提升措施 关注对象：物理电网的韧性 提升电网韧性主要的三人方面： 1）损害预防：应用工程设计和部分系统加固技术，加强电力系统抵抗力 2）系统恢复：设计多资源协调频率控制技术和恢复策略来尽快恢复供电 3）生存性：利用分布式电源和源荷互动技术，在不能完全恢复供电下，帮助消费者、社区和机构继续正常运转 总体上，从灾前系统加固、灾中应急响应和灾后快速恢复三个方面来体现 灾前：连续扰动下电网韧性评估方法 该脆弱性评估方法的优势：>故障图只将极端天气下故障线路作为故障节点，对比原有复杂电力系统，大大降低分析复杂度 >极端天气下，每人阶段可能包含多人故障线路，因此无法准确量化相邻阶段的故障线路之间的影响，本方法采用影响均化，在获得大量仿真数据后关联性强的线路之间的影响得以凸显>提出量化脆弱性评估指标，以D的排序量化故障元件脆弱性，为韧性评估提供分析场景 灾前：应急资源规划分配 灾前应急资源规划分配 >根据历史灾害数据对维修站的定位选址进行规划 >根据灾害预测信息对应急资源进行分配，以提升电力系统灾后恢复效率 灾前：移动储能最优配置 开环运行配电网与外部其他电网联系较弱，控制手段乏，电压波动较大，安全环境较差，在无法避免气象灾害发生的情况下，需利用配电网内部丰富的灵活性资源，建立具有抵御能力、灵活能力和恢复能力的韧性配电网 现存问题 现有的配电网韧性应急资源，多采用固定容量的分布式电源，未能充分利用移动储能相关的时空灵活性 灾中：动态主动调度增强抵御能力 增强系统灾时的抵御能力是提升韧性的重要环节 >考虑灾害不确定性，实时获取灾害信息，动态分配机组出力，充分发掘系统自身的抵御能力 灾中：动态主动调度增强抵御能力 兼顾前瞻性的韧性提升措施 前瞻性：考虑系统未来时刻的极端灾害情况，识别高风险脆弱节点，预先对系统潮流进行重新调度，最小化灾害对系统现阶段以及未来阶段的总影响 灾中：多资源时空协同的频率控制 多资源时空协同的频率控制 协调直流、储能、风电、负荷、抽蓄等不同时间尺度及空间范围内的各类调频资源，实现主动、有序的紧急控制，以更小的控制代价实现更优的控制效果，确保电网频率安全，提升应对扰动的防御能力 灾后：移动储能资源和维修资源协同优化 >基于分布式资源的故障恢复和综合考虑交通网络影响获得最优恢复和维修策略 灾后：增强应急资源快速反应能力 移动储能系统 极端事件引起的大范围停电给社会带来了灾难性的后果。负荷恢复在韧性系统中发挥重要作用基于信息调度和资源调度的移动储能系统，可为配电网提供移动性和灵活性 3. 2自能源系统的韧性提升措施 极端灾害下省域能源系统安全评估和风险管理 省域能源系统的一体化仿真模型研究 关键技术1：省域电-气-热能源系统耦合建模研究 省域能源系统的一体化仿真模型研究 关键技术2：省域电-气-热能源系统多能流计算 省域能源系统的一体化仿真模型研究 关键技术3：基于统一多能流模型的标准化的灵敏度分析方法 核心挑战 解决思路 提出一种基于统一多能流模型的通用化标准化的灵敏度分析方法，以电气综合能源系统为例，构建了可以计及电、气负荷的综合扰动的综合灵敏度指标 省域能源系统的多能耦合机理不清晰现有的系统静态安全分析、状态估计等研究缺少对综合扰动的定量分析 省域能源系统安全性评估指标系统研究 核心挑战 提出最小负荷割集方法，分析不同子系统间相互作用机理买现对综合能源网络脆弱节点的快速识别，解决了安全评估事故集中N-2故障的选取问题 省域能源系统安全性评估指标系统研究 关键技术2：省域能源系统安全性指标构建与计算 省域能源系统灾害应急响应模型研究 关键技术1：基于数据-模型混合驱动的致灾因子破坏特征研究