在圖1所示系統(tǒng)功能曲線中,魯棒性是指系統(tǒng)在災(zāi)害中保持功能的程度,迅速性是指系統(tǒng)功能恢復(fù)到正常狀態(tài)的速度。考慮這兩個因素,有不同的韌性指標(biāo)定義方式[47]。值得注意的是,系統(tǒng)功能曲線描述了配電網(wǎng)在某個具體災(zāi)害中的響應(yīng)情況,所以由此定義的指標(biāo),也只能夠描述配電網(wǎng)在此災(zāi)害下的韌性。將這些指標(biāo)應(yīng)用于配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計或是調(diào)度策略時,需要構(gòu)建配電網(wǎng)的故障場景集,通過綜合各個場景的指標(biāo)得到用于規(guī)劃或調(diào)度的配電網(wǎng)韌性指標(biāo)。

      3.2.1以面積定義韌性指標(biāo)

      此指標(biāo)是配電網(wǎng)韌性最為常見的定義方式,將指標(biāo)定義為系統(tǒng)功能損害部分與時間的積分。

      此韌性指標(biāo)的物理意義是系統(tǒng)功能在自然災(zāi)害中的缺失面積,它同時考慮了系統(tǒng)的魯棒性和快速性。

      在簡化處理時,可以將系統(tǒng)功能曲線簡化為一個三角形,此時系統(tǒng)韌性指標(biāo)就等于系統(tǒng)功能減低最大值和恢復(fù)時間乘積的一半[49]。對于韌性相同的系統(tǒng),其在系統(tǒng)功能降低最大值和恢復(fù)時間的平面上,就是一條雙曲線。后續(xù)還可以考慮在此平面的不同區(qū)域引入不同權(quán)重,以符合不同調(diào)度員的調(diào)度需求。

      3.2.2以概率定義韌性指標(biāo)

      此指標(biāo)將魯棒性和迅速性分開衡量。通過設(shè)定系統(tǒng)功能在災(zāi)害中最低程度q*和最長恢復(fù)時間t*的容許值,將系統(tǒng)韌性指標(biāo)定義為系統(tǒng)滿足設(shè)定值要求的概率[35],即

在配電網(wǎng)中存在不確定性時,可以采用此韌性指標(biāo)。

      3.2.3考慮調(diào)控成本的韌性指標(biāo)

      在根據(jù)功能曲線定義的韌性指標(biāo)基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步考慮配電網(wǎng)調(diào)控運行的成本[52],即

      式中:S為系統(tǒng)響應(yīng),即前文定義的韌性指標(biāo);T為恢復(fù)成本;α為權(quán)重。

      在配電網(wǎng)中,T一般取開關(guān)動作成本或功率傳輸成本等[53]。

      3.3提升配電網(wǎng)韌性的措施

      3.3.1提升配電網(wǎng)韌性的規(guī)劃措施

      配電網(wǎng)規(guī)劃可以提高配電網(wǎng)的冗余性和有源性,進(jìn)而改善其在災(zāi)害中的魯棒性和迅速性。為了提高冗余性,可以在配電網(wǎng)中配備燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等常規(guī)備用機(jī)組,以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、儲能電池等分布式發(fā)電。在輸電網(wǎng)或上游線路遭到破壞時,這些發(fā)電設(shè)備可以從配電網(wǎng)末梢提供備用功率支持。同時,規(guī)劃時還可以在配電網(wǎng)中設(shè)置常開的饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān),在配電網(wǎng)故障時通過這些開關(guān)實現(xiàn)拓?fù)渥儞Q,提供備用供電路徑。

      另一方面,為了提高有源性,需要進(jìn)一步推進(jìn)配電網(wǎng)自動化。通過配備智能量測、遠(yuǎn)程動作開關(guān)等設(shè)備,使得災(zāi)害中配電網(wǎng)狀態(tài)信息獲取、開關(guān)動作可以更快完成,備用設(shè)備、恢復(fù)措施可以盡快投入,保證配電網(wǎng)在災(zāi)害中的供電能力。

      在配電網(wǎng)投入經(jīng)費有限的條件下,如何選擇備用設(shè)備和智能設(shè)備的種類、接入方式和地點,在自然災(zāi)害中給配電網(wǎng)調(diào)度運行以最有力的支持,是提升韌性的配電網(wǎng)規(guī)劃所應(yīng)當(dāng)解決的問題。

      3.3.2提升配電網(wǎng)韌性的調(diào)度運行措施

      在配電網(wǎng)調(diào)度運行中提升系統(tǒng)韌性的措施主要有兩種,分別是災(zāi)前的預(yù)防措施(ex-antemitigation)和災(zāi)中/后的恢復(fù)措施(ex-postadaptation),如圖1中所示[44,54]。

     預(yù)防措施是在自然災(zāi)害到來前,根據(jù)災(zāi)害預(yù)報信息和配電網(wǎng)運行狀態(tài),調(diào)整配電網(wǎng)運行方式,以盡可能縮小停電范圍、保持配電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷持續(xù)供電的調(diào)控方式。由于災(zāi)害襲擊配電網(wǎng)時,調(diào)控中心一般難以及時獲取詳細(xì)的破壞狀況信息并采取針對性措施,故此時系統(tǒng)的響應(yīng)情況是由配電網(wǎng)系統(tǒng)自身特性和災(zāi)害前配電網(wǎng)的運行狀態(tài)所決定的。若配電網(wǎng)能通過調(diào)整潮流分布,最大限度地提高自然災(zāi)害中存活的關(guān)鍵負(fù)荷功率,不僅可以直接提升魯棒性,還有助于提高配電網(wǎng)恢復(fù)速度,從而改善迅速性。

      恢復(fù)措施是在自然災(zāi)害中或結(jié)束后,配電網(wǎng)逐步恢復(fù)關(guān)鍵負(fù)荷供電,使其盡快接近或者達(dá)到災(zāi)前正常狀態(tài)的調(diào)控方式。此時,調(diào)控中心可以獲得較為準(zhǔn)確的配電網(wǎng)破壞信息,所以可以對停電關(guān)鍵負(fù)荷采取針對性的恢復(fù)措施,如負(fù)荷轉(zhuǎn)移、投入備用設(shè)備等。有效的恢復(fù)措施可以顯著縮短關(guān)鍵負(fù)荷的停電時間,提高配電網(wǎng)的迅速性[55]。根據(jù)恢復(fù)時配電網(wǎng)維修是否完成,恢復(fù)措施又可以分為僅有部分配電網(wǎng)設(shè)備可用的重構(gòu)恢復(fù),和全部設(shè)備均可用的配電網(wǎng)黑啟動恢復(fù)。
      通過預(yù)防措施和恢復(fù)措施的雙重作用和相互配合,可以有效提高配電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷的存活性并縮短停電時間、減小停電范圍,從魯棒性和迅速性兩方面同時提升配電網(wǎng)韌性。

      3.3.3完善配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)急體系

      為了應(yīng)對電網(wǎng)中的重大突發(fā)災(zāi)難事件,配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)急體系具體規(guī)定了電網(wǎng)公司應(yīng)急管理工作的組織指揮體系,明確了突發(fā)事件的預(yù)警機(jī)制、處置程序、應(yīng)急保障和恢復(fù)重建措施[56-57]。

      災(zāi)害應(yīng)急體系的依據(jù)是應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急預(yù)案以配電網(wǎng)突發(fā)災(zāi)難的先驗知識為支撐,采用專家知識和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),根據(jù)預(yù)想情況規(guī)定了災(zāi)害中電網(wǎng)公司的組織形式和所應(yīng)采取的措施[58]。應(yīng)急預(yù)案包括經(jīng)驗型的預(yù)案處理、分析型的預(yù)防管理和智能型的災(zāi)變防御三個階段[59]。在災(zāi)害發(fā)生后,電網(wǎng)公司根據(jù)災(zāi)害的影響范圍與程度查找適用的預(yù)案條目,按照預(yù)案中的規(guī)定實現(xiàn)人員協(xié)調(diào)、資源分配和與交通、氣象、通信等部門的聯(lián)動,進(jìn)而達(dá)到減小災(zāi)害損失、加速災(zāi)后恢復(fù)的目的。

      配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)急體系主要從組織、社會、經(jīng)濟(jì)維度提升配電網(wǎng)韌性。

      4 配電網(wǎng)韌性的關(guān)鍵問題和研究方向

      在配電網(wǎng)韌性研究領(lǐng)域,存在以下關(guān)鍵問題和主要研究方向。

      4.1配電網(wǎng)韌性的總體評估方法

      盡管韌性能夠描述配電網(wǎng)在特定自然災(zāi)害中的響應(yīng),引入韌性的最終目的還是從總體上衡量配電網(wǎng)對極端災(zāi)害這類低概率、大影響故障事件的應(yīng)對能力。此時不僅需要考慮配電網(wǎng)在某個災(zāi)害中具體的預(yù)防、恢復(fù)措施,還需要考慮配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、措施制定、調(diào)度實施在不同災(zāi)害中對關(guān)鍵負(fù)荷的綜合支撐效果。

      由于自然災(zāi)害發(fā)生概率比較小,因此韌性很難像可靠性那樣,通過大量實際故障案例對配電網(wǎng)規(guī)劃調(diào)控效果進(jìn)行驗證。如何以有限的實際案例構(gòu)造出具有代表意義的故障場景集,進(jìn)而產(chǎn)生對配電網(wǎng)韌性的綜合評估,是本項研究中需要解決的問題。在研究中可以考慮采用與輸電網(wǎng)連鎖故障類似的研究方式,由故障發(fā)展和傳導(dǎo)的機(jī)理入手,尋找維持配電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷供電的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)配電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)的分布和特性,考慮實際自然災(zāi)害的影響范圍,構(gòu)建出對配電網(wǎng)破壞最為嚴(yán)重的故障場景集,并根據(jù)配電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)和天氣信息評估這些場景的發(fā)生概率。同時,也可以借鑒配電網(wǎng)規(guī)劃、運行可靠性等方面的場景構(gòu)建思路,構(gòu)造配電網(wǎng)災(zāi)害響應(yīng)的特定場景,進(jìn)而給出對配電網(wǎng)韌性的整體評估。

      4.2提升配電網(wǎng)韌性的預(yù)防措施

      現(xiàn)有的配電網(wǎng)災(zāi)害應(yīng)對策略主要以系統(tǒng)重構(gòu)和黑啟動研究為主,屬于韌性提升中的恢復(fù)措施。在預(yù)防措施方面,相關(guān)研究很少。事實上,在自然災(zāi)害襲擊前,配電網(wǎng)可以獲得部分災(zāi)害預(yù)報信息。調(diào)度員可以根據(jù)此信息調(diào)整配電網(wǎng)潮流分布,提高其在災(zāi)害中的存活概率。如將配電網(wǎng)預(yù)先分為幾個子分區(qū)系統(tǒng),并調(diào)整配電網(wǎng)潮流減小各個子分區(qū)間的功率交換。在災(zāi)害襲擊時,配電網(wǎng)可以將被破壞的分區(qū)切除,從而在暫態(tài)波動不大的情況下保證其他分區(qū)關(guān)鍵負(fù)荷的正常供電、限制停電范圍。類似的分區(qū)思想已經(jīng)在文獻(xiàn)中有了初步討論。另一方面,配電網(wǎng)可以根據(jù)災(zāi)害預(yù)計信息,事先制定重構(gòu)恢復(fù)策略預(yù)案。在災(zāi)害結(jié)束后,就可以根據(jù)實際損壞情況對這些預(yù)案進(jìn)行篩選,避免求解復(fù)雜的混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題,縮短停電時間。
 
     4.3微電網(wǎng)對配電網(wǎng)韌性的提升作用

      隨著主動配電網(wǎng)的發(fā)展,分布式能源越來越多地參與到配電網(wǎng)調(diào)度運行中[66-68]。由于新能源出力與自然條件密切相關(guān)、可控性不強(qiáng),因此可以將微電網(wǎng)作為主動配電網(wǎng)的調(diào)控單元。通過微網(wǎng)內(nèi)部能量管理系統(tǒng)調(diào)控各分布式發(fā)電的出力,配以需求側(cè)響應(yīng)和儲能控制,提高配電網(wǎng)對微電網(wǎng)整體的可控性。

      現(xiàn)階段,微電網(wǎng)可以在自然災(zāi)害中離網(wǎng)運行,保證微網(wǎng)內(nèi)部關(guān)鍵負(fù)荷的持續(xù)供電[69]。隨著微網(wǎng)容量增加、可控性增強(qiáng),微電網(wǎng)可以在配電網(wǎng)中起到“虛擬饋線”(virtualfeeder)的作用[61]。在災(zāi)害中,微電網(wǎng)不僅可以維持內(nèi)部關(guān)鍵負(fù)荷供電,還可以為配電網(wǎng)中的臨近關(guān)鍵負(fù)荷提供電能。通過縮短關(guān)鍵負(fù)荷的停電時間和范圍,微電網(wǎng)可以提升配電網(wǎng)韌性。

      為了實現(xiàn)微電網(wǎng)對配電網(wǎng)的支持作用,需要研究微電網(wǎng)內(nèi)部能量管理與配電網(wǎng)調(diào)度的協(xié)調(diào)方法,實現(xiàn)微網(wǎng)功率輸出能力與配電網(wǎng)功率需求的匹配。

      考慮到自然災(zāi)害的具體情況,還需要對微電網(wǎng)恢復(fù)配電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷的可行性展開評估,如設(shè)備是否損壞、系統(tǒng)存活性、功率限值約束等。此外,若微電網(wǎng)為用戶私有,那么需要設(shè)計合理的接入準(zhǔn)則和價格協(xié)定[70]。從規(guī)劃層面,可以通過設(shè)計微網(wǎng)的接入點和接入方式,最大化微網(wǎng)對配電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷的支持效果。

      5 結(jié)語

      日益頻繁發(fā)生的極端災(zāi)害及其所造成的重大影響使配電網(wǎng)韌性成為了國內(nèi)外的研究熱點。本文總結(jié)了工程韌性的相關(guān)文獻(xiàn),并將其應(yīng)用于配電網(wǎng)領(lǐng)域,介紹了配電網(wǎng)韌性的概念、意義、評估方法和提升措施。