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【探究】配电网韧性及其相关研究进展

北极星输配电网  来源:电力系统自动化    2015/12/3 8:31:41  我要投稿  

北极星输配电网讯:摘要:极端自然灾害的日益频繁发生和由此造成的大规模停电经济损失,使配电网的灾害应对能力得到了广泛关注。为了评估配电网应对极端自然灾害的能力,配电网引入了韧性的概念。在综述配电网与相关工程领域韧性研究文献的基础上,介绍了配电网韧性的概念和内涵,通过与可靠性的对比和与输电网连锁故障的类比,阐述了韧性对配电网的意义。随后,介绍了配电网韧性的评估矩阵,给出了用于规划和调度的韧性定量指标,并提出了提升配电网韧性的规划和调度措施。最后,针对现有研究的不足,指出了当前配电网韧性的关键问题和可能的研究方向。

引言

现代社会的繁荣发展依赖于一系列基础工程设施,它们维系着人们的正常生产和生活。这些基础工程设施被称为生命线设施(lifelineinfrastructure),例如电力、交通、通信、供水、供暖等。电力系统是生命线设施的重要组成部分,负责电能的产生和传输,是其他生命线设施正常运转的基础。大规模的停电事故,不仅会造成巨大的经济损失,还可能造成政治、社会影响乃至人身伤亡。大规模停电事故,可能由设备故障、人为操作引起,还可能因极端自然灾害导致。极端自然灾害,包括飓风(台风)、地震、洪涝、海啸和冰灾等,都可能给电力系统造成巨大破坏,进而引发大面积停电。近些年来,极端自然灾害的发生概率和所造成的停电经济损失急剧增长。以美国为例,极端灾害已成为导致电网大停电事故的首要因素。据统计,1980年以来,美国共遭受了178起停电损失超过10亿美元的自然灾害,总损失超过1万亿美元。在10起造成最大损失的自然灾害中,7起发生在2004年到2014年之间。2002年以来,58%的大停电事故中,87%造成5万户以上的停电事故均由极端灾害引起。仅在2012年,停电损失超过10亿美元以上的自然灾害就有11起。

极端自然灾害也给中国电网带来了很大冲击。

1980年以来,全球十大成本最为高昂的自然灾害中,中国就占了3席[4]。典型的例子如2008年席卷华南、西南、华中、华东的冰灾中,20个省市受到影响,13个省市的电力设施遭到破坏,停运线路36740条、变电站2018座,563236基杆塔倒塌,断线353731处,超过170个县市停电,直接经济损失超过104.5亿元[5-6]。

为了限制自然灾害造成的大规模停电范围、减小停电损失,需要提高电网应对极端自然灾害的能力[7]。配电网处于电网末端,与用户负荷密切相关,提高配电网的灾害应对能力能够有效缩小负荷停电范围。与输电网相比,配电网的灾害应对能力较弱[8-9],主要体现在:①配电网自动化程度较低,远程测量、开关配备不齐全;②配电网的冗余较低,不满足N-1校验;③配电网中控制保护手段较为匮乏,特别是低电压等级配电网的停电恢复仍以人工维修为主;④现有配电网重构、黑启动研究并不完全适用于极端自然灾害下的配电网恢复。

智能电网的发展对提升配电网自动化和智能化、满足负荷在各种情况下的可靠持续供电提出了更高的要求,配电网在极端自然灾害下的应对措施也因此成为了近些年的研究热点。特别是2012年“桑迪”飓风造成重大经济损失后,工业界和学术界开始重新审视极端自然灾害对配电网的影响,相关研究更是呈现井喷之势。在这些研究中提出了“韧性(resilience)”的概念,用以衡量这些应对措施的效果,进而评估配电网应对极端自然灾害的能力。

1 配电网韧性的概念

韧性是衡量系统在出现严重扰动或故障情况下,是否可以改变自身状态以减少故障过程系统损失,并在故障结束后尽快恢复到原有正常状态的能力[10-11]。1973年,生态学家Holling首次将这个概念引入生态学研究领域。随后在1996年,他又将韧性区分为“生态韧性”和“工程韧性”两个不同概念。其中,后者的概念已被广泛应用于涉及人类和自然相互作用的多工程学科中,例如工程技术、组织行为、灾难管理和环境演变响应等[12-14]。沿用美国国土安全部的概念,韧性可以定义为系统预防和适应变化条件,并且承受这些扰动及迅速恢复的能力[15]。韧性包含了系统对蓄意攻击、事故或者自然灾害等的承受和恢复能力。

近年来,随着极端自然灾害造成大规模停电的日益频繁,韧性在电力系统中得到了日渐广泛的关注。电力系统韧性是指电网遭受重大灾害(例如飓风、地震等)的情况下,是否可以减少故障过程损失,并尽快恢复到正常供电状态的能力。一个具有韧性的电力系统可以在外部灾害加剧时逐步降低自身能力,并迅速恢复到原有状态[16]。

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