多适应性电网规划风险评估框架设计及应用展望

刘开俊，高 艺，宋福龙

(囯网北京经济技术研究院，北京市102209)

0 引 言

随着电网的快速发展，电网结构愈加复杂，现代电网不仅是传统意义上的电能输送载体，还是经济发展和社会进步的重要基础和保障，具有能源转换、高效配置、清洁环保和友好互动的特征。电网规划作为电网发展的前期决策阶段，直接关系到电网投资使用的合理性与能源资源利用的经济性，其基本任务是在保证系统安全稳定运行和满足电力市场发展需求的前提下，统筹考虑，合理布局，消除薄弱环节，增强抗事故干扰能力［1］。

任何一个电网都客观存在风险，尤其是伴随电网中不确定因素逐渐增加，电网运行面临的风险因素更加复杂多样。风险和不确定性紧密相连，风险评估是对风险发生可能性及其造成影响的估计。将风险评估引入电网规划，可在电网规划过程中考虑国民经济发展、资源优化配置、电网运行环境等多个影响电网发展的内外部不确定因素，从而使电网规划方案更加经济和合理。

本文提出多适应性电网规划风险评估框架体系，为完善电网规划方法提供一种新的思路。首先分析新形势下电网规划工作面临的挑战，然后总结分析国内外电网规划风险评估技术研究进展及开展风险评估工作的意义，在此基础上提出我国多适应性电网规划风险评估框架和整体思路，给出评估流程，并对风险评估技术在未来电网规划领域的应用前景进行探讨。

1 新形势下电网规划工作面临的挑战

1.1 大规模可再生能源集中开发

近年来，全球能源安全和气候变化问题日益突出，国内煤、电、油、气、运的紧张局面反复出现，生态环保形势日趋严峻［2］。许多国家将发展可再生能源作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化的重要措施［3-8］。风能、太阳能等多种形式的可再生能源发电具有出力波动性和随机性的特点，其可控性和可预测性低于传统化石能源发电，当可再生能源并网水平增加到30%以上时将需要电力系统技术变革［9］，这也给电网规划工作带来巨大挑战。

1.2 电网格局变化

我国能源资源分布不均衡，未来煤电基地大多集中在北部和西部煤炭资源富集地区，水电主要分布在西南地区，风电、太阳能等可再生能源主要集中在“三北”地区，能源资源和电力需求呈逆向分布的现实决定了我国电力资源必须在全国范围内进行配置［10-11］。随着一批特高压输电项目建设，特高压交直流混合输电系统的形成将极大地改变目前电网基本格局，电网必须适应大量能源长距离传输带来的不确定性。各区域之间负荷波动不同步、大容量机组退出运行等因素将增加系统潮流的不确定性，如何进行再平衡、如何对电网结构进行调整增加了电网规划的难度。

1.3 建设现代配电网

随着分布式电源快速发展，电动汽车、储能装置等新型用电负荷大量接入，配电网由无源网变为有源网，潮流由单向变为多向，客户需求由单一变为多元［12-13］。如何建设具有网络结构完善、技术领先、互动高效、灵活可靠等特征的现代配电网，保证上级电力的有效配送，满足分布式电源的充分消纳和电动汽车等多元化用户的大量接入，为用户提供充足、可靠、优质、经济的电力供应，是对电网规划和发展建设提出的新要求。

1.4 外部环境因素的影响

随着社会的发展，电网规划实施可能造成的生态环境破坏以及与各级总体规划是否相协调、公众是否满意等［14-15］，对电网规划提出了更高的要求。特别是，近年来气象灾害出现的次数愈加频繁，严重威胁电网的安全稳定运行，一旦极端气象灾害发生，必将导致输电线路的故障率激增，电网可能会因此而发生大规模停电事故，从而造成巨大的经济损失［16］。如何进一步提高电网建设和投资决策水平，处理好电网可靠性与经济性之间的关系，统筹考虑资产寿命周期内的全成本，实现电网资产在规划设计、建设改造、运维检修等全过程的整体经济性最优，也是摆在电网规划和设计工作者面前的一项重要课题。

2 电网规划风险评估研究现状及意义

2.1 国内外电网规划风险评估研究现状

北美、欧洲、俄罗斯、英国等多个国家和地区现行电网规划准则基本上以确定性准则为主，即采用技术条款和事件校验的方法来评价输电网的可靠性［17］，但面临大规模新能源接入、电网格局变化、电网运行随机行为受外部环境因素影响逐渐增加、负荷增长受国际经济形势影响较大、分布式电源建设、电动汽车和储能装置等新型用电负荷大量接入等诸多问题和挑战［18-23］。基于概率分析的风险评估技术在电网规划中的应用得到国内外电力企业和学者的重视，并开展了大量的研究工作。

国际大电网WG37 工作组为解决电网发展规划中何时、何地、何种设备应装设在电网中，在满足安全可靠的同时最大限度降低投资、运行和停运成本问题，提出采用灵活的规划方案，应对多阶段电网发展规划中不确定性因素给电网带来的风险，这样的电网方案既可独立于任何系统结构的变化，又可根据合理成本在原有方案基础上迅速修改［24］。

加拿大学者研究了风电接入容量、位置对电网风险水平的影响，给出风险评估模型和方法，并提出制定电网规划和运行标准时应考虑风电影响的建议［25-26］。文献［27］以大规模风电中接入为背景，建立了计及系统静态和动态安全性价值电源、电网统一规划模型。文献［28］提出在实际电网规划中，考虑负荷增长等不确定性因素时，可使用基于最小期望成本法或最大后悔值法对电网规划方案进行风险评估，同时可将图谱论应用在电网风险分析中识别关键节点和线路，提高系统面对多重故障、连锁故障和灾难事件的安全抵御能力。

为寻找严重制约电网可靠性的区域或元件，在系统风险评估的基础上，国内外研究者还提出了灵敏度分析法、可靠性跟踪法、图谱论等多种电力系统薄弱环节辨识方法［28-30］。

为研究线路、变压器等输变电设备受外部自然环境影响产生随机的停运风险，研究人员提出相关评估模型和方法，评估冰灾、雷击等恶劣气象条件对输变电设备安全运行造成的影响［31-34］。

现有电网规划风险评估研究主要是针对电网规划中遇到的单个不确定因素进行深入分析，并且侧重风险评估方法和模型的研究，未统筹考虑电网规划中多个不确定因素，缺少风险评估的多适应性顶层设计。

2.2 电网规划风险评估意义

目前，我国电网规划方案的技术性风险评价主要基于确定性原则判定事故发生的后果，忽视了事故发生的频率和可能性。随着风能、太阳能等可再生能源的大规模开发，资源的优化配置，电网规划问题已成为混合的、随机的并且具有高度复杂性的问题。在未来电网规划中，引入考虑不确定因素的电网规划风险评估技术，一方面可以使电网的风险水平保持在一个可以接受的范围内，更好地适应复杂多变的环境，另一方面可以通过量化风险评估，让电力用户知道可能遭遇的停电事件平均发生的频率、持续时间以及严重程度等风险信息。这对进一步提高电网的安全性、有效降低风险损失，提升规划的科学性具有重要意义。

3 多适应性电网规划风险评估框架设计

3.1 评估框架设计

电网规划风险评估框架可以理解为由评价对象、评价层级和评价约束因素构成的三维框架。在电网规划阶段引入风险评估技术，综合考虑未来电网建设面临的可再生能源集中并网、分布式电源、设备运行气象条件、土地资源利用、环境保护、电网发展建设的社会接受程度、国家经济发展形势和全寿命周期成本管理等多种不确定因素，对选定的输电网、配电网、直流输电系统、输变电工程等对象进行整体或局部、静态或暂态风险分析，量化风险造成的损失，实现电网规划方案技术经济的整体最优目标。电网规划风险评估框架如图1 所示。

基于电网风险评估框架开展风险评估的整体思路是从提高电网安全稳定运行的全局角度出发，明确电网规划风险评估流程，引入科学评价方法，建立合理的评价指标体系，对未来规划期内电网发展进行指导。

电力规划风险评估具体分为4个步骤:

图1 电网规划风险评估框架图Fig.1 Risk evaluation framework of power grid planning

(1)分析辨识电网的风险要素，从风险来源、风险类型等角度分析电网风险的产生机理，对电网风险要素进行不确定性建模，以此作为风险评估的重要基础。

(2)按照系统性、科学性和客观性原则建立电网规划的风险预测评估指标体系，利用概率分析方法计算指标，定量分析规划方案的风险水平。

(3)基于整体风险评估结果，研究电网风险的内在联系，辨识电网薄弱环节，优化电网结构，调整建设时序。

(4)协调经济性与可靠性之间的关系，将风险评估指标纳入传统技术经济比较中，体现整体社会效益。

3.2 评估流程

结合传统电网规划方法，根据电网规划风险评估的整体思路，给出电网规划风险评估流程，如图2 所示。

图2 电网规划风险评估流程Fig.2 Risk evaluation process of power grid planning

首先研究电网现状及其相关的技术分析、规划时间跨度内的负荷水平与电源规划。其次，结合电网的长期运行经验，制定可行的规划设计方案;同时，将经济发展、负荷需求预测、新能源集中并网、气象环境等电网内外部不确定因素作为风险来源。然后，针对满足技术要求的规划方案进行风险评估建模，分析方案风险水平，得到量化风险指标及风险损失费用。将风险损失费用纳入到对规划方案的经济性评估上，并将风险评估指标作为方案综合比选因素之一，最终确定最佳的规划设计方案。

4 应用前景及展望

为保障我国电网长期安全稳定运行，未来风险评估技术在交流输电网和配电网发展规划、直流输电系统规划、网架加强规划、输变电工程建设必要性分析、变电站可靠性评价、电网输变电设备选择和维修等多个方面具有重要的应用前景。

若对电网规划方案进行静态、暂态风险评估，研究规划方案静态安全稳定运行存在的风险水平，或在严重故障情况下的暂态风险程度，可从风险角度，为规划方案决策提供依据;在网架加强规划中应用基于风险评估的薄弱环节辨识，明确元件在系统中的重要程度，得到元件对系统风险事件的贡献，判断影响电网风险水平的主要原因，对优化网架方案具有重要作用;通过分析输变电工程投产前后对电网风险水平的影响，评价输变电工程建设的必要性;将风险评估应用在输电通道建设时序方案选择中，评估不同建设时序方案对系统整体风险水平的影响，为合理的工程建设方案和时序配合提供技术参考;变电站作为网架结构的重要组成部分，若能充分考虑不同层级电网之间的协调运行，从事故发生概率和后果的综合效应来评价变电站的可靠性和安全性，综合考虑变电站接入对电网安全风险、缺供电风险等方面的影响，使变电站设计方案更加科学。

总之，合理的电网规划是保证电网安全、稳定、经济运行的有效手段，同时也是保证尽可能地减少电力建设投资浪费的重要前提。电网规划方法在不断发展，将风险评估技术引入电网规划设计中，可充分考虑电网规划中面临的诸多不确定性因素，指导网架的构建以及规划方案的决策，提高电网资源综合利用效率和社会效益，确保电网可持续发展，更好地适应未来复杂多变的自然和社会环境。对构建现代能源综合运输体系，在更大范围内优化能源资源配置，保障能源安全，推动技术创新，服务经济社会可持续发展都具有重要的意义。

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