基于系统动力学模型的新型电力系统涉网安全机制研究

邵冲，张柏林，甄文喜，刘海伟，李津

1.国网甘肃省电力公司，甘肃兰州，730030；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州，730030

0 引言

在“碳达峰，碳中和”背景下，各省市积极出台节能减排等相关政策，开始在新能源领域谋篇布局。山西省提出了风电、光电制造业三年计划；浙江省、山东省发布的全省能源指导意见指出，要降低煤电比例[1]；甘肃省出台的《甘肃省“十四五”能源发展规划》指出，甘肃要结合自身资源与区域优势，加快构建以风、光等新能源为主体的新型电力系统。随着新能源渗透率不断提升，电网系统结构愈加复杂，系统特性逐渐改变且日趋复杂。大规模的新能源并网将使场站层级多、通信不规范、设备协调控制难度大、功率响应慢等问题更加突出，对新型电力系统涉网安全管理带来巨大挑战。近年来，英国[2]、澳大利亚[3]、美国[4]、欧洲[5]等国家和地区的新型电力系统，都曾发生过严重的涉网安全事故。

近年来，部分学者已对新型电力系统的涉网安全问题展开研究，并取得了一些成果。孙建波等从新能源接入角度，分析了电网涉网安全情况[6]；刘晓欣采用模糊层次聚类法，从电网的结构、运行、技术和极端环境四个方面，对地区电网的涉网安全状况进行了综合评价[7]。崔明建等提出了一种多层次灰色面积关联分析法，以评价电网安全[8]。也有部分学者研究了新型电力系统的架构与建设、建设安全管理和信息安全问题[9-11]。但是以上研究缺少对新型电力系统涉网安全问题的系统分析，更是忽略了不同影响因素间的相互关系。因此，本文在全面梳理和归纳，新型电力系统涉网安全影响因素的基础上，通过系统动力学模型，探究不同影响因素间的相互关系，仿真不同因素对新型电力系统涉网安全水平的影响；并基于仿真结果，为有效提升新型电力系统涉网安全水平，提出针对性建议。

1 涉网安全风险识别与传导路径分析

新型电力系统涉网安全风险的影响因素众多，不同因素对新型电力系统涉网安全水平的影响各不相同。在进行系统动力学仿真之前，本文首先结合新型电力系统的特点，对涉网安全风险的影响因素进行识别；然后，分析新型电力系统涉网安全的风险传导路径。

1.1 风险识别

根据已有文献和专家访谈，本文将风险因素归分为，组织管理风险、网络安全风险、新能源政策变化风险、自然灾害风险、规划设计风险、电源并网风险，以及调度运行风险7类，共识别出风险因素35项，见表1。

表1 新型电力系统涉网安全风险识别结果

1.2 风险传导路径分析

根据已识别出的7类涉网安全风险，通过专家访谈，判断各个风险要素之间的因果关系，构建初始风险传导路径，如图1所示。

图1 新型电力系统涉网安全风险传导路径

为度量风险因素之间的因果关系，本文结合识别出的35项风险指标，采用李可特5点量表形式，设计调查问卷，并通过网络发放。共回收问卷546份，其中有效问卷493份，有效回收率达90.3%。调查对象分别来自，电力调度中心、供电公司、风电场、光伏电站、安全监察部门、住建部、运维部和电科院等。上述人员均参与过电力系统的涉网管理工作，从而保证问卷数据的可信度。

首先，对收集到的问卷进行信度和效度分析。其中，各个风险指标的因子荷载值均大于0.5，Cronbach'sα系数均大于0.8，说明问卷具有较高的信度和效度。然后，基于变量间的假设关系，构建新型电力系统涉网安全风险传导路径的结构方程模型，并利用AMOS软件，验证所提出的风险传导路径假设。统计结果显示，变量间的假设关系均显著（p值均小于0.05）模型的拟合指标均在可接受范围内，即本文所提出的风险传导路径假设成立，路径系数如表2所示。

2 系统动力学模型构建

2.1 模型基本描述

系统动力学模型的主要步骤为：第一，对系统进行模型化处理，对一些轻微影响目标的因素，以及难以界定的条件进行假设；第二，根据系统影响因素体系，构建系统动力学因果关系图；第三，确定变量集，构建系统动力学流图；第四，根据变量定义和变量方程式，对模型进行检验和仿真。

2.2 基本假设

假设1：除本文所识别出来的影响因素外，不考虑其他影响因素的作用。新型电力系统涉网安全水平的影响因素繁多，有些影响因素甚至无法被有效界定，故研究范围限于电源、电网、人员、制度四个主体。

假设2：在研究周期内，影响因素的作用方向（正向或负向）不随时间改变。

假设3：不考虑突发情况的影响。在影响电力系统涉网安全的因素中，有些因素过于偶然，本研究只涉及常见因素。

2.3 系统动力学因果图

根据新型电力系统涉网安全影响因素间的相关关系，通过Vensim软件，构建新型电力系统涉网安全的系统动力学因果图，如图2所示。从图2可看出，各类风险因素之间，有着明确的正向或负向关系。如随着组织管理投入的增加，电网调度决策水平、各级调度协调运作能力、涉网安全制度规范性等均会有所提升，进而实现组织管理能力的整体提升。此外，根据前文所确定的风险传导路径，组织管理能力的提升，会在一定程度上提升其规划设计和调度运行能力，最终实现涉网安全水平的提升。

图2 新型电力系统涉网安全的系统动力学因果图

由图2不难发现，新型电力系统涉网安全系统存在两类反馈：

一是通过改变涉网安全投入，影响涉网安全主体如电源、电网、环境的投入分配，导致各个影响因素发生改变，最终影响涉网安全水平。其中的路径主要有：①网安全投入→网络安全投入→网络安全→调度运行→涉网安全水平；②涉网安全投入→调度运行投入→调度运行→涉网安全水平；③涉网安全投入→电源并网投入→电源并网性能→涉网安全水平；④涉网安全投入→组织管理投入→组织管理→调度运行→涉网安全水平；⑤涉网安全投入/组织管理投入/组织管理→电源并网性能→涉网安全水平；⑥涉网安全投入→组织管理投入→组织管理→规划设计→涉网安全水平；⑦涉网安全投入→规划设计投入→规划设计→涉网安全水平。

二是各个主反馈间的影响因素相互关联，从而形成更复杂的系统路径：①涉网安全投入→电源并网投入→电源并网性能→调度运行→涉网安全水平；②涉网安全投入→组织管理投入→组织管理→电源并网性能→调度运行→涉网安全水平；③自然灾害→规划设计→涉网安全水平；④新能源政策变化→组织管理→规划设计→涉网安全水平；⑤新能源政策变化→组织管理→电源并网性能→涉网安全水平；⑥新能源政策变化→组织管理→电源并网性能→调度运行→涉网安全水平。

2.4 系统动力学方程

根据新型电力系统涉网安全管理的系统动力学因果图，以及各风险因素间的影响关系，构建如下系统动力学方程。需要说明的是，在系统动力学方程中，不同因素的权重，均是通过对其路径系数进行标准化得到的。

2.5 系统动力学流图

基于新型电力系统涉网安全的系统动力学因果图、风险因素间的相关关系，以及系统动力学方程，构建系统动力学流图。如图3所示，新型电力系统涉网安全系统的系统动力学流图，反映的是涉网安全投入，如何通过多层作用路径，影响系统涉网安全水平。

图3 新型电力系统涉网安全系统动力学流图

2.6 仿真结果与分析

考虑到硬件设施建设的延迟效应、新能源政策的影响增强性，以及自然灾害的不确定性等因素。在仿真过程中，本文分别利用Vensim软件中的一阶延迟函数、跃迁函数、斜坡函数和随机函数，模拟上述因素对涉网安全水平的影响。本文共仿真了三种不同资金投入方式下（Plan A、Plan B和Plan C），涉网安全水平的变化情况。需要说明的是，三种投资方式下的涉网安全总投入相同；不同的是，Plan A下每个月的投入水平递减，Plan B下每个月的投入水平相同，Plan C下每个月的投入水平递增。所有投入方式下的仿真时间间隔均为一个月，仿真周期均为200个月，仿真结果见图4。

据图4，可以发现新型电力系统涉网安全管理，呈现出如下特点：

图4 甘肃新型电力系统涉网安全系统动力学仿真结果

（1）由于网络安全水平、组织管理能力、调度运行水平的提升，不需要太多的硬件设施建设支持，故上述三方面对于涉网安全投入最敏感，但当其提升到一定水平之后增速变缓。规划设计水平，主要受自然灾害和新能源政策等不可控因素的影响，在整个仿真过程中，涉网安全投入对其影响的强度基本不变。

（2）电网并网性能提升，需要新能源和常规发电机组等硬件设备，在频率耐受能力、无功调节能力、低/高电压穿越能力，以及能源保障等方面提供支持。这些环节所涉及的硬件或基础设施建设较多，而且建设周期长。因此，并网性能投入在前期效果不明显，但当投入积累到一定程度后，其能力提升程度快速增加。

（3）涉网安全投入与涉网安全水平提升呈正相关。在涉网安全投入总量不变的情况下，投入方式不同虽然会导致，不同时期的涉网安全提升水平差异明显，但最终涉网安全水平提升的总量不变。

3 结论

本文首先识别出新型电力系统涉网安全的影响因素，然后分析其风险传导路径，进而建立系统动力学因果图，并基于不同影响因素间的路径系数，构建系统动力学流图、进行系统动力学仿真，最终得到以下结论：

（1）在前期，网络安全水平、组织管理能力、调度运行水平，对涉网安全投入较为敏感。在中后期，电源并网性能对涉网安全投入的反应程度较大。因此，在前期可加大对网络安全水平、组织管理能力、调度运行水平的投入，以在短时间内，实现涉网安全水平的快速提升。当网络安全水平、组织管理能力、调度运行水平达到一定程度后，落后的硬件设施就会制约系统涉网安全水平的进一步提升。此时，管理者须加大对与电源并网相关的硬件设施的投入，从而突破瓶颈，实现系统涉网安全水平的持续提升。

（2）规划设计水平受自然灾害和新能源政策的直接影响，提升自然灾害预测精度和对政策变化的灵敏度，可以显著提高电网的规划设计水平，进而提高涉网安全水平。