近年全球发生的诸多事故凸显了电力系统对难以预测的极端灾害事件的准备不足, 甚至极为脆弱的弱点。例如日本福岛大地震及海啸、美国加州Metcalf变电站恐怖袭击、2008年中国南方冰灾等极端事件的发生, 给电力系统带来了严重破坏, 造成大范围、长时间的停电, 严重影响居民生活以及负荷的供电。近年来,新能源的快速发展、大量并网给电网安全运行带来新的挑战,随着特高压输电、柔直输电的建设,电子电子装置在电力系统中的比例越来越高,对电力系统的稳定机理产生变化,以及负荷侧综合能源接入及负荷多元化使得电网越来越复杂。在此背景下, 构建高弹性电网(Grid Resilience)之于智能电网的研究和建设逐渐成为各国政府着力发展的国家战略。

高弹性电网也称为高韧性电网,指能够全面、快速、准确感知电网运行态势,协同电网内外部资源,对各种扰动做出主动预判与积极预备,主动保护,快速恢复重要电力负荷,并能自主学习和持续提升的电网。高弹性电网的概念包括狭义和广义两个层面。狭义高弹性电网主要关注电网的应变力、防御力和恢复力,这三个特征也是高弹性电网的核心特征。广义高弹性电网则在此基础上增加了感知力、协同力、和学习力。广义高弹性电网概念一方面考虑了全球气候变化、国际形势变化和电网复杂化给电网安全运行带来的新挑战,另一方面体现了高精度传感、5G通信、物联网、人工智能等新技术给电网带来的新机遇,是新形势下对弹性电网概念的拓展延伸。

恢复力(resilience)的概念最早起源于生态学领域, 之后被广泛用于在电网正常功能遭到破坏后,及时启动应急恢复和修复机制,保障重要负荷持续供电,并快速恢复电网功能至正常状态的能力。应变力在电网在事故前主动判断事件影响,制定预案,并采取预备措施以应对突发扰动的能力;防御力在扰动事件动态发展过程中,电网采取主动防御措施以降低事件影响的能力。

当下,以电为中心、以新能源大规模开发应用和电动汽车等新型用电设施广泛发展为标志的新一轮能源革命蓬勃兴起,我国亟须走出一条具有中国特色的能源高质量发展之路,确保国家能源安全。

国内、外应用情况

目前高弹性电网的重要性已经成为全球共识。在这一方面, 美国已经从政府层面做了大量前期研究。在政府行动方面,美国能源部在2009年发布的《智能电网报告》中首次明确提出了智能电网在面对自然灾害、蓄意攻击、设备故障和人为失误时应该具有弹性。2011年,英国工程与物理研究委员会开展了Resilient Electricity Networks for Great Britain项目,旨在提高英国电网应对极端自然灾害的弹性,并量化相关措施的弹性提升效果。2015年三月在日本举行的第三次联合国世界减灾大会中, 提高灾害恢复力作为重要议题多次出现在大会讨论中, 大会通过的《2015—2030年仙台减灾框架》也将在还恢复力列为全球减灾方面四大优先行动之一。2017年,美国国家工程院发布《提升国家电力系统弹性》报告中弹性电力系统定义为能够识别到长时间、大面积停电事故发生的可能性,事故前充分预备,事故发生时最小化影响,事故发生后快速恢复,并且能从事故中学习经验从而提升自身能力的电力系统。

2021年,西门子能源将为美国南方电力公司提供三个移动弹性发电机-升压装置(GSU),这些多功能移动变压器单元是西门子能源Preact®概念的一部分,将提高发电站的电力安全性。

2021年3月,美国总统拜登宣布重大基础建设计划,将投资1000亿美元建设一个更有弹性的电网,倡议对风力、太阳能和其他可再生能源项目的税项优惠政策延长10年,要求更多电力来自低碳能源,目标是到2035年消除电网中的碳排放。

近几年我国学者积极开展电力系统灾变防御系统的研究, 为构建高弹性电网积累了宝贵经验。我国灾变防御系统分为三道稳定防线: 经济运行与静态安全保障体系、紧急控制系统以及紧急解列控制系统; 但构建高弹性电网, 对小概率-高风险的极端事件的防治是一个新挑战, 为此我国停电防御系统需要进一步考虑极端灾害, 将广域信息采集范围扩展到自然与社会环境, 针对高风险事件灾害等极端外部条件做出有效地预警, 并加强电力系统紧急协调控制、系统快速恢复的能力。

2019年1月,西门子能源最新开发了使用天然酯油环保型移动变电站,该变电站是西门子能源高弹性电网概念Pretact®的一部分,并且结合和最新的数字化双胞胎技术,在保证自身安全运行条件下,能够快速实现运输、安装、送电。

2021年6月,国内首台145kV全环保真空断路器在河南祥云变电站投运,该设备采用西门子能源3AV1真空断路器,额定电流3150A,实现温室气体零排放,助力生态文明建设。

2021年9月,国网浙江省电力公司提出构想——建设能源互联网形态下多融合高弹性电网,到2030年,率先在浙江建成具有中国特色、国际领先的能源互联网。

当前,我国正处于能源转型期。能源高质量发展既要保障能源安全,又要推进能源绿色发展,以最经济的方式支持能源转型。目前中国在高弹性电网的基本研究框架以及在电力系统恢复力的评估理论和方法研究方面, 尚有待进一步的系统性成果, 以利于进一步提高我国电网的恢复力水平, 确保我国电力安全。

关键技术和重要研究方向

电力系统作为国家重要基础设施, 亟需对极端自然灾害以及未来可能发生的人为袭击做好准备。为使弹性电网理论尽快成熟, 使研究结果能够切实指导未来弹性电网规划与运行, 应马上着手展开对高弹性电网的研究。

一、明确高弹性电网需要应对的扰动事件: 电力系统是个复杂系统, 面临着各种各样的扰动事件, 各国、各地区研究弹性电网时应首先明确系统需要考虑的事件类型。

二、构建高弹性电网评价指标体系与评估理论:进一步完善高弹性电网评估理论与评估指标是高弹性电网研究的重要理论基础, 是进一步指导电力系统防灾减灾规划以及运行的基石。

三、高弹性电网提升手段:智能电网技术是实现高弹性电网的重要手段,智能电网技术中的事故预警、故障检测、IT通信、故障定位等技术的应用将有效提升灾害发生前后各阶段有效应对灾害的能力。智能电表的停电报告功能可以提高配网发现故障的能力, 极端条件下的网架重构可以保证负荷快速供电。

未来展望

近年来, 自然灾害和人为袭击等扰动事件日益威胁着电力系统的安全可靠运行, 弹性电网的建立、恢复力的提升已成为电力系统发展的必然要求。智能电网技术的发展, 使其成为可能:应构建中国的弹性电网研究框架和完整体系, 进一步提高我国电网的恢复力水平, 确保我国电力安全。

恢复力应对的是小概率-高风险的扰动事件, 其研究旨在考虑影响电网的各类事件的故障模式, 提出能够全面考虑电网特性的弹性电网恢复力评估方法及指标体系, 给出切实可行的弹性电网恢复力提升策略。

在未来弹性电网恢复力的研究中, 应以建立全面的评估体系为目标, 以智能电网技术、信息通信系统、状态监控系统为手段, 在传统的系统防灾、减灾措施的基础上, 进一步提高电力系统对各类扰动事件的主动防范意识, 在扰动灾害到来前提前规划电网的恢复力措施, 在破坏无法避免时, 降低灾害影响范围与影响时间, 实现快速高效的系统修复。