弹性电网关键技术研究的进展与展望

李宁,安卓尔,张世乾,肖子涵,王晔琳,李壮

(西安理工大学 电气工程学院, 西安 710048)

0 引 言

电力系统是国家安全和国民经济的重要基础设施,需要在常规工况下保证稳定运行,更需要在遭遇突发灾害或损坏时具有基本恢复功能[1]。面对日益复杂多变的自然灾害,传统的电力系统难以灵活准确地维持基本的运行状态,更无法保证用户和电力企业愈发严格的用电质量需求。为在最大程度上减小电网在遭遇突发灾害小概率事件时的损失,提升系统的抗灾抗扰动能力,具备弹性恢复力的弹性电网(resilient power grid)已成为现代电力行业的重点发展对象。

“弹性电网”的核心是其弹性恢复力,该能力可在系统遭遇突发灾害或扰动时帮助系统进行应急处理,并及时且最大程度地减小受灾后的影响范围和程度,是一种直观反映系统对扰动快速响应、支援的能力[2]。另外,遇到无法避免的灾害时,弹性电网可根据实时工况或环境做出预判并灵活对电网进行恢复供电[3]。

进入新世纪,海量可再生资源与电力电子设备的纳入使电网发展突飞猛进,呈现出负荷多元化、信息融合化的形态,但根据2012年印度和2019年委内瑞拉发生大规模停电事件不难发现,即使在现代电网发展的今天,电力系统仍无法规避所有灾害或确保处于灾害时的可靠运行,说明电网急需变得富有“弹性”,这样才能确保对关键负荷的供电。为了提高电网弹性恢复力进而提升电网性能,文献[4]通过建模对单一系统在不失去运行能力的前提下,对弹性恢复力的极限进行了研究;文献[5]为了分析系统的弹性与鲁棒性,将遭遇扰动后t时系统恢复的性能与系统因扰动损失的性能的比定义为弹性恢复力指标;文献[6]构建了一种年恢复力评估体系,即每年系统处于扰动时依旧可维持基本运行的时间占常规运行时间的比。尽管针对其研究的项目愈来愈多,但目前提升弹性恢复力的手段依旧有限,电网弹性评价指标也缺乏普适性,对精准区分小概率-小损失与小概率-大损失的事件更是无从下手。为更好地应对电力系统发展面临的新机遇和新挑战,提高电网弹性恢复力并建设弹性电网已经刻不容缓。另一方面,分布式电源以及微电网等技术的逐渐成熟赋予了电网更为有效的故障应对能力,给予了弹性电网恢复力研究更加多样的选择[7],弹性电网的研究正处于良好境遇下,结合对电网前沿的认知不难发现未来智能电网发展的必然趋势是发展灵活可靠的弹性电网。

综上,为使我国可从容面对电网发展日益复杂、威胁与日俱增的新形态,从弹性恢复力理论与弹性电网基本内涵、弹性电网研究的关键技术以及弹性电网的发展趋势等方面展开阐述,分析了电网中弹性与其他评估性质的异同,探讨了基于智能电网技术弹性电网的研究潜力。

1 弹性恢复力理论

1.1 电力系统领域下弹性恢复力的定义

基于各式各样的自然灾害或人为失误的威胁层出不穷,对灾害后恢复力的研究逐渐引起科研人员的高度重视,特别是基础设施或系统在遭受极端情况下的恢复力更需要投入大量的研究精力。

加拿大生态学家Honing在1972年率先提出了弹性恢复力的概念,分析了系统在应对扰动时维持内部稳定的时间与恢复至初始状态的关系,弹性恢复力理论就此被引入了生态科学、材料科学、防灾工程等科学领域[8]。由于弹性对系统极具优化作用,该理论提出至今现已被广泛应用于各类学科之中,目前对弹性恢复力的定义在学术上缺乏共识,本文因其包括灾难性事件前后的系统性能,同时是一个总体的概念[9],将弹性恢复力理论定义为一个个体或系统可抵抗、吸收、响应扰动以及从扰动中恢复的能力。

在电力系统领域下,弹性基本思想是提高系统的容灾能力,即允许电力系统在遭遇突发的小概率极端事件时负荷损失,但通过各种数据资料的调度与运行策略的优化,系统可在受灾后迅速恢复。为了获得更佳的灾后恢复能力并对未知的极端事件做出有效的预防准备,文献[10]基于弹性电网提出了弹性恢复力评估指标,分别为灾害程度评价指标、紧急恢复水平评价指标和系统整体恢复能力评价指标。文献[11]基于弹性概念,对电网故障响应的脆弱性及其修复过程进行了建模;文献[12]把极端扰动影响下的电网分为具备稳健性的预防、智能性的响应和适应性的恢复三个研究阶段。目前大部分文献的所提的评估体系或评价指标都停留在理论阶段,现有指标的实用价值亟待提高。

1.2 电力系统中弹性与其他评估指标的关系

研究日益复杂的电力系统需要综合考虑各个评估指标,只有充分权衡所有指标的收益价值才能切实平衡整个系统的运营维护。为了明晰弹性和其他评估指标的关系,同时为后续说明在弹性电网的研究过程中其关键技术和目前主流技术的异同提供参考,选取了可靠性、鲁棒性以及柔性三种典型的评估指标进行分析说明,如表1所示。

表1 电力系统中三种典型评估指标与弹性及弹性电网的关系

大部分评估指标都是基于限定时间内的参考项,一旦响应或处理的时间过长,则系统和用户利益均会受损。为了更直观地体现各评估指标在系统功能中的贡献,将受扰动期间系统功能的波动在时间量度上进行展开,如图1所示。

图1 电力系统中部分评估指标贡献图

2 弹性电网基本内涵

传统系统工程中,为了使系统在面对扰动时仍能保持一定程度额的正常运行,一般会为考虑系统风险并留有相应裕度,电力系统正属于这类根据风险评估来调节运行范围的工程[13]。区别于传统运营风险,弹性恢复力主要面对的是系统此刻规划内无法预料的小概率-高损失事件[14],此类事件主要由突发的各类自然灾害和人为损坏构成。将能够多层次、全方位精准感知电网运行模式,联通电网内外部信息,在遭受突发灾害、扰动时能够做出超前预判、抵御保护和快速恢复,并且后期可通过自我学习进行自我提升的电网称之为弹性电网,基本流程如图2所示。

图2 弹性电网框架流程图

图2可知,弹性电网运行流程应遵循如下顺序：

1)系统遭遇灾害或扰动前,弹性电网具备一定的预判能力,可根据数据库的模拟结果做出相应准备措施。

2)系统遭遇灾害或扰动中,系统先进行抵御和吸收,有效缓解系统运行压力,随后及时响应对应装置以适应当前工况和环境。

3)系统遭遇灾害或扰动后,有效利用各控制技术与应急手段迅速恢复至稳定的初始状态。

图3是弹性恢复力的梯形概念图[15],在0～t1期间系统的操作人员实施预备措施,包括但不限于精准预测出外部扰动的时间与位置。在扰动或冲击发生的t1～t2期间,系统性能开始下降,紧急改进运行方案以削弱干扰对系统的影响。冲击后系统处于短时间的干扰状态即t2～t3期间,此时系统迅速适应突变工况并积极协调各项资源以确定恢复措施。进入恢复阶段的t3～t4期间,系统正确有效地提高系统性能,最后在t5时刻完全恢复到初始运行状态,弹性恢复力停止作用,此时需要对外部冲击对系统恢复力及其性能的影响进行评估和分析,以防备日后的类似事件。

根据图3可制定弹性提升策略的大体流程,首选假设自然灾害的损害尽可能地不损害到天然气管道等重要传输管道,在电网抵御、吸收的故障阶段时断电是实时发生的,则系统一旦遇障便即刻进入离网运行模式。按照预先设计的离网断电机制,各个单元开始调度并进行能量互补,只将关键负荷作为供给单元进行供能作业,此时,电网内的各个微网独立,呈分散控制状态;一旦灾害终止,管运者对故障位置和故障原因等进行排查,控制电网系统启动遇障断电至故障适应的恢复措施,在完全恢复正常后进行二次排查、复盘,研发新方案确保下次遭遇同类故障时仍可呈集中控制状态。

图3 电网弹性梯形图

基于上述分析,不难发现弹性电网应该具有在灾害发生前的识别能力、在灾害发生时的抵御、适应能力以及灾害发生后的恢复能力。其中,识别能力弹性电网的基础能力,在识别能力范围内抵御、适应能力体现灵活性,恢复力体现坚强性。可以通过该弹性梯形模型表征系统各阶段的运行阶段,实时根据扰动发生的时间顺序以及动作类型对电网进行阶段性的弹性评估,检测系统是否完成设定的弹性恢复目标。较于传统电网,基于弹性恢复力理论的弹性电网能有效提高系统的抵御力,同时能更好地在系统遭遇突发灾害或扰动时充分利用各种技术资源对系统进行快速响应,使系统在维持基本运行状态的前提下迅速适应当前工况[16],并在匹配到最佳恢复措施后,使系统迅速恢复预定性能。

3 弹性电网关键技术

弹性电网的研究和建设重点集中在配电网上,具体而言,此处的弹性主要是用来衡量配电网在极端情况时处理关键负荷的抵御能力和恢复能力。同时,电网的弹性也可被认为是配电网能否主动采取措施以保证遭遇突发灾害时为区域中的关键负荷供电,并迅速恢复断电负荷的能力。

得益于电力系统的技术更新和电力电子设备的迭代,目前我国对于提升弹性恢复力的研究初见成效,但复杂的现代电力系统依旧难以对突发灾害做到规避或大面积包容,故在扰动时增强抵御和灾害后恢复能力是相对合理的选择。为了未来安全有效地提升弹性电网恢复力并改善电网性能,以下关键技术应被给予高度重视。

3.1 基于智能电网的识别技术

智能电网虽然充分地考虑了单一或多重故障模式,但对如何应对极端事件并未做出过多解释。

为了在极端事件到来之前制定电网的恢复力策略、降低灾害的影响程度,有必要建立健全基于智能电网的灾害数据库,在扰动发生的前、中、后阶段应依次识别出扰动的类型、位置等。文献[17]结合电网运行的历史数据,对配电网的遭遇各种工况时的运行状态进行了模拟,随后将模拟的结果保存作为电网灾害数据库的资源,丰富了弹性策略选择的灵活。文献[18]基于现有的潮流数据,利用智能神经网络技术分析了输入功率与电压之间的关系,模拟了电压峰值时的弹性,提高了电网识别高压危机的预判能力。合理应用基于智能电网的识别技术,可提升系统的识别能力,有利于对预测的薄弱环节进行加固处理,进一步提高系统对极端事件的自主防范意识,进而提升弹性电网容灾能力。

同时,需要对有目的的通信系统袭击等电力系统面临的新挑战,可通过识别后数据对系统进行利弊权衡进而规划出最合理的恢复力提升措施[19]。

3.2 基于故障容错的恢复技术

弹性电网允许电力系统在遭遇突发的小概率极端事件时出现负荷损失,但不允许在故障后丧失基本的运行功能[20]。

为了切实增强电网弹性并使系统能在短时间内进行恢复作业,完善对故障后的处理与恢复技术不可忽视。文献[21]基于电网负荷的随机性提出了一种鲁棒控制技术,通过模拟负荷损失的最坏情况让系统在应对其他扰动时拥有更强的弹性恢复力;文献[22]分析了灾害后电网的损耗,基于对损失数据的统计提出了一种优化的鲁棒算法,可有效地使电网可靠、灵活地运行;文献[23]考虑了分布式电源的复杂接法,通过故障时重构接纳计算出最佳重构方案,使得电网弹性大幅提升。根据目前电网发生故障后的应急处理手段,从弹性电网基础建设和用户用电质量两方面考虑,利用数据的冗余性识别错误数据、修复误差数据,增补缺失数据,能有效实现弹性电网故障全过程的分析、定位及恢复,进而提升电力系统弹性恢复力,确保弹性电网安全。

3.3 基于配电网的设备挖潜技术

电网末端的配电网是与用户负荷关系最紧密的单位,提升配电网弹性并使其稳定运行对用电用户和电网公司均具有重要意义[24]。配电网因自动化程度和冗余度较低,相应的保护措施也较为匮乏,因此较输电网更脆弱对扰动也更敏感。

为了提升配电网的弹性与鲁棒性,可以利用基于配电网的设备挖潜技术,文献[25]利用多元感应技术实时获取配电网运行的所有信息,对实用数据进行处理后实现了设备动态实时增容、潮流实时柔性控制、配电网运行状态实时评估等。此项技术的难点在于实时性,对配电网的反馈越及时弹性电网的弹性越大,鲁棒性越强。

3.4 基于物联网的“云”技术

以获得最佳的弹性效益为目的,基于物联网背景下的云端信息存储、计算能力和用户大数据的有机结合也是一个需克服的技术难题。

考虑用电区域内的影响因素,利用互联网通信、“云”存储和大数据云计算技术对区域内关键负荷进行分析,对潮流进行优化,对将要出现的新型柔性负荷,如智慧楼宇、电动汽车充电桩等进行分布排列。基于上述背景,文献[26]为了提高弹性效益,将关键负荷在灾害前进行合理配置,在灾害后进行移动储能,有效提升了系统故障前的预防能力和故障后的恢复能力;不难发现,保证新型负荷的合理分布,可从源头上缓解电网弹性压力,提升弹性电网的鲁棒性;文献[27]通过系统受扰动的实时数据,针对电网弹性恢复速度提出了一种多元化的存储优化,可及时通过云端保存系统受损前的运行数据,系统稳定后迅速响应至初始运行状态。

值得注意的是,在弹性电网未触发弹性恢复力的运行状态时,首先使用“云”技术实时搜集所有能源模块的工作数据,通过大数据模拟仿真技术来对能源模块间的能量进行预测,其次利用物联网大数据可视化技术计算分析出弹性评估值,针对该区域的电能质量结合历史灾害数据库进行优化,最后拟定出合理的建设方案,应用各控制技术对系统进行及时的资源调度,图4所示为目前实现电网弹性运行合理性、可行性较高的技术方案。

图4 高弹性电网发展趋势与其关键技术

3.5 基于高压的柔性交直流输电技术

随着绿色清洁发电设备在电力系统中的占比越来越高,用户对用电可靠性的要求越来越严,建设一套普适、综合的弹性电网架构已迫在眉睫[28]。文献[29]提出了柔性交直流输电技术建设交直流混合的新体系,在新体系下通过电力电子变压器联络交流电网和直流电网可有效提升了电网的弹性.这种方法缓解了负荷高密度地区的运行压力,从而提高了电力系统的弹性与鲁棒性;文献[30]通过在弹性电网中进行柔性输电模拟,一定程度上控制电网系统潮流、解耦功率和调节电压幅值,提高了电网性能,但为了满足今后弹性电网大规模并网及远距离传输的需求,统筹高弹性电网规划和骨干网架构等方面的理论,建设用于高压的柔性交直流输电骨干网十分必要。

现代电力系统已经跨入柔性交直流输电的快速发展期,对用于高压的柔性交直流输电技术的发展与改良必会对高弹性电网的建设起到重要作用。

3.6 基于新型电力电子装置的自适应技术

新型用电设备的灵活接连使得电网形态愈发复杂,高压交直流混联工程大的规模并网也导致供电压力高度紧张[31]。为了在遭遇扰动时让系统免受高额损失,可通过新型电力电子装置替代传统设备的方式,充分结合系统内部的灵活性和互补性,进一步增强了弹性恢复力与系统自适应能力。文献[32]提出当电力电网局部受扰时,可通过调节智能软开关SNOP(soft normally open point)的控制模式,灵活地为系统提供电压与频率,完成对非故障区域的持续供电,进而实现由故障至正常状态的弹性运行.分布式电源的灵活接入、多变压器运行方式带来的双向潮流、系统阻抗变化等问题也是弹性电网的日后发展路上的阻碍;文献[33]借助新型传感器技术获取反馈量,以优化抵御算法和缩短数据处理时长,进一步提升了系统的弹性恢复速度;文献[34]根据故障类型提出了一种混合型多电平换流器,在扰动发生后换流器以同步补偿器的方式工作,增强了电网的鲁棒性;文献[35]考虑了智能软开关的控制策略,通过在系统中联合使用软开关,取得了优异的潮流控制效果,进而提高了系统的故障恢复力,保证了弹性电网的高效运行。

另一方面,弹性恢复力的提升方案的全面展开必然会伴随着高额的成本,成本问题是开设推广路上不可忽视的问题。因此,为了保证弹性电网建设与运营的成本在用户与电网公司接受的范围内,同时开展经济实惠的恢复方案也应被重视。

基于弹性电网的定义,在对配电网恢复力进行评估和提升时所用的关键技术较主流技术侧重系统的可靠性和鲁棒性,但是对弹性的关注不够充分。除去技术的侧重点不同,在弹性电网的研究过程中其关键技术,具体包括但不限于电网态势感知与事故预警技术、电网灾害抵御技术、电网孤岛运行技术、多资源协同的快速供电恢复技术以及电网信息安全技术等均与主流技术大体相同,这降低了“物联网”技术和“云”技术整合连接的难度,体现了“弹性”本身具备的包容性和适应性。

4 弹性电网发展趋势展望

4.1 弹性电网发展趋势

电网的发展终会趋于智能化,为了对弹性电网有更为深入的了解,这里简单阐述一下智能电网和弹性电网的区别和联系。

智能电网(smart grid)是一种通过使用各种数控技术使电能从电厂输配到用电用户,并进行智能管理和运营的新型能源节约型电力网络,其本质是能源替换和信息兼容。发展智能电网首先需要有足够的投资,即需要在庞大的输电网上安装足够数量的传感器以及可双向通信的智能电能表,这样才能实时监控系统。其次需配备十分健全的电子计算机系统和通信系统,目前做到集成化通信的统一因实际情况复杂多变还存在着一定难度。最后需要运算器具有足够的运算能力,可精准计算出作为系统经济运营和安全管理的可靠数据。

弹性电网的研发主要是探究各种影响电网事件的故障模式,并基于当地电网实际情况提出合理的弹性恢复力评估方法或指标,给出可行的电网的弹性提升策略。近年来,全球已因电力系统对难以预测的极端灾害事件准备不足而频发事故,这无疑体现了用追求发电和输配电的投资冗余来规避事故、保障电网的性价比较低。相比之下,弹性电网可唤醒电网中海量低成本沉睡资源的,在应对小概率-高影响事件时可做到可靠运行,绿色运营。

智能电网顾名思义是电网的智能化,是基于集成高速双向通信网络技术,通过使用各种先进的传感、测量技术和控制技术等来全面支撑、支持系统完成电网安全运行、经济运营的电力网络。其主要特征包括抵御自愈干扰、保障保护用户、提供优质电能、以及优化电力市场资源等。显然,具备弹性的弹性电网无疑是电网智能化的重要表现形式,即高弹性电网是更具备发展潜力的智能电网。

未来高弹性电网发展趋势可分为三个阶段,每个阶段的发展情况如下：

1)交联化：在柔性交直流混合的新型配电网框架下,通过集中配置或分布消纳完成海量一次能源与电能的转换流通[36],进而避免绝大多数大规模断电事件,是高弹性电网发展的初级形态。

2)数据化：使用物联网技术和智能“云”技术等先进科技,对电网中电力的生产传输、转换存储等单元进行实时的数据监测,对电网中用户柔性负荷进行单元化的精准控制[37],电网弹性得到显著提升,是高弹性电网发展的中级形态。

3)集成化：多元融合的分布式电网的运营成本大幅降低,电力用户侧的资源被充分利用,电力系统运行安全性、稳定性、弹性以及鲁棒性大幅提升,是高弹性电网发展的高级形态。

4.2 弹性电网研究展望

传统的故障策略固然可在短时间内有效修正遇障元件,但考虑到实际工况下不一定保证与恢复的供电协调性,诸如断电时间过长导致关键负荷长时间不能得到补给供能,这必然影响到系统其他性能的可靠性进而造成弹性的下降[38]。若每一次只是为了解决遇障而去修正,则系统无法得到真正优化,其可靠性也没有下限保证,这显然不是未来电网发展的趋势。相反,每一次遇障后运营下限越来越高的弹性电网才是目前急需关注的研发对象[39]。

抓住了高弹性电网的发展,就是抓住了整个电力行业发展的关键。为了早日完成传统电网到智能弹性电网的过渡,克服系统源荷缺乏互动、安全依赖冗余以及提效手段单一等复杂难题,研发具备源网荷储多元高互动能力、高承载稳定运行能力以及强自主抵御-恢复能力的高弹性电网是核心任务[40]。

多元融合高弹性电网具有高承载、高互动、高自愈、高效能四大核心能力,是云数据实时传输、源网荷紧密联系、可靠性极大提高的高弹电网[41]。建设多元融合高弹性电网即利用配电网资源供应平台去结合各类能源技术服务平台,使可提升资源整体利用效率的元素参与电量平衡的过程[42],合理建设此类电网可为调节电网提供更多方案,进而激发电网潜力,提升电网运营效益。现根据我国建设智能电网的基本需求、发展思路和战略目标,以改善电网服务能力、为电网赋能及提高电网抗扰动能力为目标,对建设我国高弹性电网做出以下展望：

1)基于传统电力系统防灾工程技术,发展扰动预判预识别技术,如文献[43]基于电网的风险评估体系提出了一种复杂元素下电网运行的识别、报警方法。文献[44]针对突发灾害提出了一种基于灾害数据库的自识别保护策略,通过迅速匹配到数据库的资源进行识别对比,完成系统自身的应急响应。这样可以从源头对电网灵活响应、高效调节及稳定运营等能力进行改善,并根据地区发展的差异制定对应的恢复力目标与提升策略。

2)深化与丰富高弹性电网的恢复力理论,提升弹性电网的承载能力,如文献[45]根据渗透理论提出了一种数据化弹性效益提升的评估指标,并结合弹性恢复力理论改善了电网弹性;文献[46]通过优化架空线和分布式电源的配置,提高了电力系统的抵御力;文献[47]提出了一种加固传输线路的鲁棒优化控制手段,对较容易受扰动影响的电气装置进行加固处理,保证了系统的弹性恢复力。为了在运行时对电网进行实时监测,并建立普适、综合的恢复力评估体系,力保电网处于低冗余、高承载状态时仍能具备最基础的运行功能。

3)充分利用用户大数据,积极调动负荷侧资源,如文献[48]对电力用户用电行为进行科学分类,丰富可控负荷种类,对负荷集汇进行精准预估,以强交互能力为电网的弹性提供支持。文献[49]对电网进行区域划分,遭遇扰动时通过分布式电源对损失负荷开展恢复作业,进而提高电网弹性。

4)将电网中分布式管理系统作为核心辅助系统尽力优化[50],避免因大量使用即插即用的分布式组件在复合电网中的子网出现全局信息计算冗杂的问题,力保电网数据更新的实时性,在信息传递的速度上为电网的弹性保驾护航[51]。为了做到上述系统的优化,在可靠的设计和管理上获得最大的灵活性,文献[52]研究了电网的自动配置系统,分析了基于自调节与自动配置系统上的电力分配与运营。文献[53]为提升配电网弹性以及促进能源转型下高渗透率可再生能源的接入,提出了分布式可再生能源电源的优化配置模型。

未来高弹性电网恢复力的研究发展中,应以建立多元融合高弹性电网框架为目的[54],以故障容错的恢复技术、高压的柔性直流输电技术和物联网的“云”技术等先进科学技术为手段,深度提升电力系统对各种扰动事件的抵御、吸收以及恢复能力[55],使扰动或灾害的影响范围、程度和时间显著降低,实现快速且稳定的自适应修复过程。为提高电网弹性恢复力并确保用电安全,高弹性电网的全面建设必将成为世界各国电力系统建设的基本方式,其实际效益将不可小觑。

5 结束语

文章介绍了弹性恢复力理论以及弹性电网的基本概念,说明了在电力系统中弹性电网较传统电网拥有更强的抵御力,在系统遭遇突发灾害可更好地进行恢复作业。随后为了充分提升弹性电网的恢复力并改善电网性能,在我国电力电网的发展现状上分析了目前和未来弹性电网发展的若干关键技术。最后基于研究现状将弹性电网的发展趋势分为交联化、数据化与集成化三个阶段并对其研究进行了展望。

弹性电网的研究在我国尚且处于起步阶段,很多理论仍需要丰富完善,为同国际研究水平保持同步甚至占据优势,我国应大力开展弹性电网的相关研究。