配电网弹性内涵分析与研究展望

王守相，刘 琪，赵倩宇，王洪坤

（1. 教育部智能电网重点实验室（天津大学），天津市300072；2. 天津市电力系统仿真控制重点实验室（天津大学），天津市300072）

0 引言

当前，配电网面临着越来越多的不确定性扰动和冲击的影响。国内外的一些大停电事故表明，建设一个能应对各种扰动的坚强智能配电网是当前的迫切需求，这里的“坚强”包含了既健壮又具有弹性的含义。除常规设备故障等会对配电网产生扰动冲击之外，另有2 类扰动事件也会对配电网产生重大影响，甚至造成配电网功能的大规模破坏或丧失等灾难性后果：一类是发生频率低的极端事件，包括重大自然灾害、战争、恐怖袭击等；另一类是发生频率高、渐进式加剧的小干扰事件，包括分布式电源和电动汽车的高比例接入等。近年来对上述2 类事件的关注逐渐增多，已成为配电网研究的重要内容。

韧性（resilience）概念近年来被用于生态系统研究、基础设施建设及灾害防治中［1-2］。文献［3］将基础设施的韧性定义为应对灾害的抵抗能力、设备的可靠性、灾害发生时可调度资源的冗余性，以及灾害发生后的快速响应和恢复能力。目前，对韧性电网的研究集中在电网对各类自然灾害的抵抗能力及灾害后快速恢复的能力［4-7］。文献［6］指出，电网应具备抵制各种危害、承受初始故障后果，并快速恢复到正常状态的能力。文献［7］对弹性电网的恢复力（也即韧性）进行了研究，认为弹性电网的恢复力主要是指在发生冰雪、地震等小概率高损失极端事件后，电网及时消除事件影响并快速恢复供电的能力。

已有的电网弹性研究主要针对输电网开展，对弹性配电网的研究较少，且仍集中在极端自然灾害下电网的应对情况，即主要研究电网的恢复力，也即韧性。相比于输电网，配电网的运行环境更为复杂，除了极端自然灾害的影响外，高渗透率分布式光伏等可再生能源输出功率的随机波动和大量电动汽车的无序充电也会对配电网的安全运行带来冲击［8］。另一方面，配电网的灵活性资源更加丰富，各类灵活性资源为系统在各类扰动影响下调整运行状态提供了有利条件，也为弹性配电网研究赋予了新的内容［9］。

本文阐述了配电网弹性的基本内涵，分析了配电网需要应对的扰动类型及在各类扰动下配电网的弹性特征，结合配电网弹性的基本构成要素，探讨了配电网弹性提升的关键技术，并对配电网弹性的研究方向进行了展望。

1 配电网弹性的内涵

1.1 配电网中不确定性扰动的类型划分

配电网在运行过程中，除需要应对自然灾害、蓄意攻击及设备故障等不确定性扰动事件以外，还需要考虑负荷及分布式电源出力随机变化等不确定性扰动事件造成的影响。表1 所示为配电网常见的不确定性扰动的类型及其特点。

表1 配电网扰动分类Table 1 Classification of disturbances in distribution network

1.2 配电网弹性的定义与特征

配电网在实际运行过程中会遭受各类扰动，影响系统的正常运行，为有效抵御各类扰动的影响，需要在配电网规划和运行各个阶段，合理配置和调度资源，提高配电网应对不确定性扰动的能力。

一个坚强配电网（strong distribution network）必须是健壮的（healthy）和富有弹性（elastic）的，即坚强=健壮+弹性。健壮主要体现在系统安全性（security）、可靠性（reliability）及设备健康度（health）上。弹性则包括柔性（flexibility）和韧性（resilience）2 个方面。配电网特性相关概念关系如图1 所示。

图1 配电网特性相关概念关系图Fig.1 Relationship diagram of property concepts of distribution network

配电网弹性是指配电网应对不确定性变化或扰动的能力，它包含2 层含义：一是配电网能够灵活调整以适应条件变化，即柔性或灵活性；二是配电网在极端条件下，部分功能失效仍能继续生存并适应新的激励信号，且能够从灾变或故障中快速恢复，即韧性。弹性反映了配电网面对条件变化和新需求的灵活性、适应性和快速恢复能力。配电网弹性重点评估配电网应对2 类不确定性事件的能力：一类是发生频率低的极端事件，即所谓的“黑天鹅事件”，包括重大自然灾害、恐怖袭击等；另一类是发生频率高、渐进式加剧的小干扰事件，即所谓的“灰犀牛事件”，包括分布式电源和电动汽车的高比例接入等。

结合配电网需要应对的各类扰动，配电网弹性应具有以下几个性能特征。

1）感知力：具备对配电网、配电设备、用户、外部运行环境的感知能力，在扰动发生前，对扰动可能带来的影响进行分析，并制定相应措施对扰动进行防范。

2）适应力：具有灵活可控的调度资源和拓扑结构，以适应扰动造成的系统运行状态的波动。

3）抵抗力：对扰动带来的物理破坏应具有一定的抵抗能力。

4）恢复力：在扰动造成破坏后应具有快速恢复系统性能的能力。

其中，感知力是配电网弹性的基础支撑能力，在感知力的基础上能有效提升配电网的灵活性和韧性；适应力体现了配电网的灵活性；抵抗力和恢复力则体现了配电网的韧性。

在研究对象方面，配电网弹性重点评估配电网应对重大自然灾害等发生频率低的极端事件和分布式电源高比例接入等渐进式加剧的小干扰事件。通过提高配电网弹性，更具针对性地提高了配电网应对上述2 类事件的能力，进一步提高了配电网可靠性、经济性及安全性等系统性能，能产生很好的外部效应。在实施方式方面，配电网弹性的提升不仅仅局限于单个设备性能的提升，而是更关注于通过系统感知力、适应力、抵抗力、恢复力的协调配合，提高配电网整体上应对发生频率低的极端事件和渐进式加剧的小干扰事件的能力。增强配电网弹性可有效降低自然灾害等极端事件的影响，减少停电时间，提高配电网的可靠性；同时，配电网弹性提升能有效应对高比例分布式电源和电动汽车随机变化造成系统电压波动、变压器过载等问题，进而提高配电系统的运行经济性和安全性。

1.3 配电网弹性运行状态分类及实现状态转移的弹性控制手段

借鉴T. E. Dy Liacco 的电力系统安全性构想图，构建如图2 所示的弹性配电网应对不确定性扰动的过程示意图，图中虚线表示不确定性扰动发生过程，实线表示配电网弹性控制过程。无扰动时，配电网正常运行，处于弹性裕度充足的灵活适应态；扰动发生后，配电网抵抗扰动影响，弹性裕度减小，处于弹性不足态，通过储能充放电调节、网络拓扑结构优化等适应控制手段，系统能从弹性不足态回归到灵活适应态。随着扰动的持续或增强，配电网运行状态将可能进一步恶化，造成系统运行约束破坏，导致部分设备停运，但未发生大范围停电，此时配电网处于紧急抵抗态。在紧急抵抗态下，通过紧急投入备用电源或紧急切除柔性负荷等弹性紧急控制手段，对运行状态进行校正则能重新进入弹性不足的正常运行状态。若扰动继续增强，且配电网无法抵抗和适应扰动的影响，则会造成系统大规模失负荷。随着扰动消失，通过应急抢修、移动电源或移动储能供电等弹性恢复控制手段，使配电网重新进入正常运行状态。

图2 配电网应对扰动的过程示意图Fig.2 Schematic diagram of distribution network responding to disturbances

2 配电网弹性提升关键技术

根据配电网应对各类扰动的过程与表现出的性能，将配电网弹性提升关键技术分为实现扰动预判分析的态势感知技术、实现运行状态校正的灵活适应技术、实现设备与系统安全的抵抗力提升技术，以及实现灾变应对的恢复控制技术。

2.1 实现扰动预判分析的态势感知技术

配电系统态势感知是指通过对负荷预测数据、气象数据及各类量测数据等配电系统运行相关数据的挖掘和分析，对系统及各类电气设备当前的运行状态进行评估，并对系统未来的运行状态进行预测。通过态势感知能对各类扰动事件可能造成的影响进行准确预警以提前做出部署，因此，态势感知技术是提高配电系统弹性的信息支撑手段。

在配电网弹性研究中，实现各类扰动预判分析的态势感知系统需要在传统的态势感知技术基础上准确预测各类扰动对配电网的影响［10-11］。针对冰灾、山火、台风等自然灾害，已有相关的模型研究各类自然灾害对电网的影响［12-16］。在状态感知过程中，传统配电网状态估计量测不足，需要充分利用各类数据资源。文献［17］利用历史数据对配电网运行状态进行数据建模，并将建模结果输入作为虚拟量测，丰富了状态感知的可用信息。文献［18］针对配电网低压遥测覆盖率较低的问题，根据已有的潮流数据，通过深度神经网络来拟合节点注入功率与关键节点电压之间的关系，据此进行配电网电压控制。

相比于输电网，配电网故障率高，因此配电网的故障定位与识别成为配电网态势感知的重要内容。借助气象数据、电气设备运行参数能进一步提高系统对各类故障的感知能力。文献［19］结合情景分析和电网风险评估的理论，建立了一套多因素影响下的配电网运行风险预警方法。文献［20］则针对典型故障，通过环境场景关联识别对配电网运行风险进行预警。文献［21］提出一种计及天气因素的配电网故障特征选择和故障停电风险等级的预测方法。

2.2 实现运行状态校正的灵活适应技术

借助于配电网灵活的拓扑结构和安装在用户侧的分布式电源、储能等设备，依靠配电自动化技术［22］、微网能量管理技术［23］等智能配电技术，可实现配电网在适应运行环境变化下的系统安全性及经济性校正［24］。配电网灵活适应性要素可以分为提供功率支撑的灵活适应性要素和提供可变拓扑的灵活适应性要素。

配电网提供功率支撑的灵活适应性要素是指能为配电网提供灵活可控功率的各类设备，包括提供有功功率的设备，如储能、微型燃气轮机、光伏等，以及提供无功功率的设备，如并联电容器、静止无功补偿器、分布式电源逆变器等。故障状态下，配电网提供功率支撑的灵活适应性要素主要用来为处于孤岛状态的负荷供电。运行状态下，配电网提供功率支撑的灵活适应性要素通过优化潮流分布以提高运行的经济性、可靠性及安全性，从而避免负荷及可再生能源出力的不确定性对系统运行造成的不利影响。

配电网提供可变拓扑的灵活适应性要素是指可进行开闭调度的联络开关及可控制传输功率的智能软开关（soft open point，SOP）［25］。其中，基于电力电子装置的智能软开关相比于联络开关不仅能实现线路的断开和闭合，还能精确控制线路的传输功率，但其成本较高，一定程度上限制了其实际应用。只有通过灵活可控的网络拓扑，配电网中的可控功率要素才能有效实现为故障区域提供功率支撑及提高配电网运行的经济性、可靠性及安全性的功能。

在配电网的灵活适应控制中，基于可控的功率设备和灵活的网络拓扑，借助微网、网络重构、自愈恢复等多种智能配电网技术，可实现配电网的运行校正、接纳能力提升及供电恢复等。文献［26］考虑微网中可再生能源发电和负荷的不确定性，提出了一种考虑最坏场景的鲁棒能量管理方法，通过正交测试法进行场景抽样，保证所提出的调度策略在各类不确定场景下都能保证微网的运行经济性。文献［27］考虑配电网中可再生能源发电和负荷的随机性对系统电压、网络损耗和线路传输功率等参数的影响，提出了混合整数两阶段鲁棒重构优化算法，对高比例分布式电源接入下配电网的经济安全运行具有重要意义。文献［28］提出了智能软开关鲁棒控制策略，有效解决了高比例光伏出力随机波动造成配电网电压越限的问题。文献［29］提出了利用网络重构提升配电网接纳分布式电源的灵活性提升方法，考虑开关动作次数限制，将动态重构问题描述为非线性不可微整数优化问题，通过分层求解获得最终的重构方案。

2.3 实现设备及系统安全的抵抗力提升技术

配电网中的各类电气设备及系统本身抵御自然灾害及人为攻击造成的各类物理性破坏的能力，是弹性配电网抵御扰动的基础。

杆塔和架空线路等电力设备由于暴露在外界环境中，容易遭受台风、冰雪等自然灾害冲击。灾害后的大面积停电，也主要是由于杆塔倒塌、线路断线引起的，且杆塔及架空线的恢复过程往往需要耗费较多的人力和时间。因此，增强电力设施对台风、冰雪等自然灾害及人为破坏的抵抗力对提高配电网弹性具有重要意义，具体可从设备规划建设和运行维护两方面入手。一方面，在电气设备的规划阶段，考虑可能发生的自然灾害，建立电气设备的脆弱性模型，对电气设备进行优化选型与合理配置。文献［30］根据N-K 校验原则，以增强配电系统抵御自然灾害的能力为目标，对架空线和分布式电源进行了优化配置。文献［31］通过建立台风风速与故障率的物理模型，利用系统信息熵筛选故障场景，从而确定灾害造成的故障规模，并分析了加固元件与接入分布式电源对系统韧性的提升效果。另一方面，针对易受冲击的电气设备，可以采取相应的加固措施，提高抵御自然灾害的能力。文献［32］以线路加固成本最低为目标函数，提出了加固线路选择的鲁棒优化策略，在保证系统经济性的条件下有效提高了灾害后系统的故障恢复能力。

不同区域的电气设备故障对配电系统停电规模和程度的影响不同。通过对配电系统进行脆弱性分析，找出系统薄弱环节和易造成连锁故障的区域进行完善，可有效提高整个配电系统抵御自然灾害的弹性。文献［33］通过将电网主动划分成可抵御自然灾害的稳定区域及可实现离网运行的区域，提高了抵御自然灾害的能力。文献［34］考虑灾害场景下城市配电网供电的可靠性与经济性，建立了基于微网的抗灾型城市配电网规划模型。

通信设备在配电系统中的广泛应用在提高系统感知能力的同时，也使得配电系统面临着信息攻击的威胁。抵御信息攻击是配电网抵抗力研究的重要内容［35］。

虚假数据注入是一种常见的信息攻击形式。对电力系统虚假数据通常根据特征值进行检测，包括根据相关变量偏离正常范围的大小判断是否为虚假数据攻击和根据人工智能等方法提取系统受攻击时的特征判断是否出现攻击［36］。文献［37］建立了变电站互感器采样序列虚假数据注入攻击模型，并分析了其对变电站状态估计结果的影响，分析了互感器的配置冗余度及合理性在防御攻击方面的重要性。文献［38］根据信息网络和电气网络动态过程二者事件链之间的相关性对应关系，判断是否存在信息异常，以数据驱动的方式检测异常事件。除虚假数据注入攻击外，拒绝服务攻击通过占用通信资源来禁止传输测量或控制信号并导致系统性能恶化，也是电力系统信息攻击的重要手段。文献［39］分析了拒绝服务攻击对电-热综合能源系统经济调度的影响，仿真结果表明拒绝服务攻击会影响经济调度的有效性。

相比于针对单一设备的信息攻击，网络协同攻击同时对多个设备进行攻击，影响范围大。文献［40］对乌克兰停电事故中网络协同攻击的作用过程进行了推演，并分析了国内应对网络协同攻击的不足。电力信息物理协同攻击通过修改相关状态参数，掩盖遭受物理攻击的电力设备的故障状态，其隐蔽性强，可引发连锁故障，易造成大规模停电事故［41］。文献［42］分析了通过篡改同步相量测量装置的量测数据掩盖物理攻击的攻击方式，并提出了通过提高同步相量测量装置安全等级和在线检测线路导纳进行防御的方法。文献［43］基于动态攻防博弈理论，提出电力物理网络和电力信息网络同时遭受人为攻击场景下的电网攻防动态博弈3 层规划模型，通过模型求解给出了最优的防御资源分配策略。

2.4 实现灾变应对的恢复控制技术

台风、地震等自然灾害对配电系统造成的损害波及范围广、影响程度大，其恢复过程也更加复杂。

通过微网供电、配电网重构恢复等手段，能有效实现关键负荷的不间断供电及线路故障后的快速在线供电恢复，提高灾害后系统的恢复能力。微网孤岛运行是实现配电网故障后区域供电的有效形式。文献［44］提出了微能源网与配电网在灾害事故处置过程中协同配合的弹性提升策略：在配电网抵御与适应灾害阶段，提出了微能源网处于孤岛状态下的滚动停电管理方案；在故障恢复阶段，制定包含孤岛划分、负荷控制及微源出力的故障抢修方案。文献［45］根据灾害或极端扰动后配电系统故障区域的不同，提出基于重构及非重构孤岛/并网的微网差异化恢复运行方法，提高了故障恢复的有效性。相比于单个微网，多微网系统可在故障后实现更大范围内的故障恢复，能有效增强配电网应对自然灾害造成的弹性［46-47］。文献［48］针对未配备负荷及分布式电源出力预测的微电网，提出了一种利用量测数据规避分布式电源出力不确定所造成风险的故障恢复策略，通过利用最新的量测数据分析分布式电源出力的概率分布，减小分布式电源出力不确定性对故障恢复策略的影响，利用混合整数线性规划求解各个微网的故障恢复策略。

智能配电网自愈控制技术能及时检测并快速处理系统发生的故障，并通过网络重构等手段进行供电恢复，降低故障对用户的影响。文献［49］基于层次分析法和渗透理论提出了一种量化各类弹性提升方法有效性的评价指标，据此分析网络重构对配电网弹性提升的有效性。文献［50］提出了一种灾害后利用分布式能源和网络重构恢复关键负荷供电的故障恢复方法，并利用混合整数线性规划进行求解，保证了算法的计算效率。已有的故障恢复控制往往考虑系统整体的恢复方案，随着各类就地控制式设备的使用，基于分布式控制的故障恢复成为重要的研究方向。

当自然灾害等扰动造成电力设施损坏时，需要电网维护人员进行现场抢修。为了提高灾害后供电恢复的效果，需对设备和人员等各类恢复资源进行有效配置，制定合理的恢复策略。移动式储能具有灵活性高、响应速度快等优点，适用于自然灾害后关键负荷的紧急供电。文献［51］提出了灾害后移动式储能的两阶段鲁棒优化调度策略：在灾害发生前，合理配置移动储能的位置以提高关键负荷应对灾害的生存能力；在灾害发生后，考虑与故障重构的配合，重新配置移动储能的位置以提高系统故障恢复速度。文献［52］考虑灾害后交通网络故障对移动储能调度的影响，结合实时信息对包含移动储能、网络重构等多种恢复手段进行滚动优化，以提高故障恢复速度。

在电力设备抢修策略上，文献［53］建立了配电网分阶段抢修模型，在紧急抢修阶段，以负荷恢复价值最大和综合经济损失最小为目标；在网架恢复阶段，以网损最小和抢修时间最短为目标。文献［54］在配电网发生多故障后，对配电网进行子区域划分，利用分布式电源或移动应急电源车对失电负荷进行恢复，以提高供电恢复的有效性。文献［55］根据冰灾不同时期对配电网不同区域造成的影响不同，建立冰雪灾害后含分布式电源的配电网分阶段融冰抢修模型。

结合弹性配电网的组成要素和关键技术，配电网弹性提升技术如图3 所示。

图3 配电网弹性提升示意图Fig.3 Schematic diagram of elasticity enhancement of distribution network

3 配电网弹性提升研究展望

3.1 电力电子化配电系统的弹性提升

各类电力电子装置在配电系统的应用为配电系统提供了更多的控制手段，但电力电子器件的脆弱性也使得电力电子化条件下的配电网弹性提升与传统配电网有所不同。

智能软开关能够灵活、快速地控制两侧交换的功率，实现配电系统的柔性互联，并能在故障后提供电压和频率支撑，提高故障恢复效果。文献［56］采用二阶锥规划方法求解含有软开关的配电网故障恢复问题，并分析了影响软开关供电恢复能力的因素。文献［57］通过系统中多个软开关的协同配合，提高了系统的故障恢复能力。考虑到智能软开关的潮流控制效果与自身控制策略密切相关，为提高含软开关配电系统的故障恢复能力，应充分考虑软开关的控制方式与系统故障恢复控制策略的协调配合。

交直流混合配电网是配电系统高效接纳可再生能源和直流负荷的重要发展形式。在设备级的恢复控制方面，换流器等电力电子装置耐受故障电流冲击能力弱，实现换流器线路故障下的故障穿越对提高系统故障恢复能力具有重要意义。文献［58］提出了混合型多电平换流器在直流线路故障下的故障穿越控制策略，发生极间短路故障后，换流阀以静止同步补偿器方式运行。在系统级的恢复控制方面，文献［59］考虑到故障后交流系统与直流系统的配合关系，提出了基于二进制粒子群算法的交直流混合配电网故障恢复方法。

目前，针对柔性互联配电系统和交直流混合配电系统的故障恢复仅考虑一般线路故障，对自然灾害造成的故障连锁反应尚未开展详细研究。同时，在电力电子化的配电系统中，电力电子设备控制方式与系统故障恢复策略的协调配合对提升系统的恢复能力至关重要，也是下一步的研究重点。

3.2 综合能源系统的弹性提升

电力与燃气、热力等其他形式能源的耦合日益密切，综合能源系统逐渐成为能源供应的重要形式；同时，自然灾害对供电、供气和供热均会造成影响。开展与弹性配电网相结合的综合能源系统的弹性提升有利于提高灾害恢复的有效性［60］。

在综合能源系统故障预防方面，文献［61］考虑电-气综合能源系统的互补特性，通过混合控制迭代方法有效筛选出了电-气综合能源系统预想故障集中的关键故障，减少校正过程中的切负荷，协调了预防控制和校正控制的安全性及经济性。文献［62］通过识别电-气综合能源系统的薄弱环节，提出了电-气综合能源系统在恶意攻击下的鲁棒防御策略。在综合能源系统故障恢复方面，文献［63］考虑燃气轮机等设备的时序特性，建立了多时序故障恢复模型进行求解，得到了故障恢复过程中的开关操作序列。文献［64］针对电-气综合能源系统，提出了抢修人员灾后调度、重构及分布式电源孤岛运行等多种资源协同配合的灾后恢复方法，提高了多能源系统故障恢复的有效性。

目前，针对综合能源系统的弹性恢复研究主要集中在系统侧的故障恢复。由于燃气、电能等不同形式的能源在用户侧具有互补耦合的关系，考虑用户用能需求的综合能源系统弹性恢复应该成为下一步的研究重点。

4 结语

本文分析了配电网弹性的基本内涵，归纳了配电网需要应对的扰动类型及配电网弹性的基本特征，总结了配电网弹性提升的关键技术，并对配电网弹性提升的研究方向进行了展望。

配电网弹性提升需要从感知、抵抗、适应、恢复等方面的协调配合展开，是系统性的研究工作。从哪些方面提升配电网弹性取决于配电网面临着哪种类型的扰动，配电网弹性提升建设应当结合系统实际运行环境有针对性地开展，以保证其经济性和有效性。