配電網(wǎng)彈性?xún)?nèi)涵分析與研究展望

王守相，劉 琪，趙倩宇，王洪坤

（1. 教育部智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市300072；2. 天津市電力系統(tǒng)仿真控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市300072）

0 引言

當(dāng)前，配電網(wǎng)面臨著越來(lái)越多的不確定性擾動(dòng)和沖擊的影響。國(guó)內(nèi)外的一些大停電事故表明，建設(shè)一個(gè)能應(yīng)對(duì)各種擾動(dòng)的堅(jiān)強(qiáng)智能配電網(wǎng)是當(dāng)前的迫切需求，這里的“堅(jiān)強(qiáng)”包含了既健壯又具有彈性的含義。除常規(guī)設(shè)備故障等會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)沖擊之外，另有2 類(lèi)擾動(dòng)事件也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響，甚至造成配電網(wǎng)功能的大規(guī)模破壞或喪失等災(zāi)難性后果：一類(lèi)是發(fā)生頻率低的極端事件，包括重大自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖襲擊等；另一類(lèi)是發(fā)生頻率高、漸進(jìn)式加劇的小干擾事件，包括分布式電源和電動(dòng)汽車(chē)的高比例接入等。近年來(lái)對(duì)上述2 類(lèi)事件的關(guān)注逐漸增多，已成為配電網(wǎng)研究的重要內(nèi)容。

韌性（resilience）概念近年來(lái)被用于生態(tài)系統(tǒng)研究、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及災(zāi)害防治中［1-2］。文獻(xiàn)［3］將基礎(chǔ)設(shè)施的韌性定義為應(yīng)對(duì)災(zāi)害的抵抗能力、設(shè)備的可靠性、災(zāi)害發(fā)生時(shí)可調(diào)度資源的冗余性，以及災(zāi)害發(fā)生后的快速響應(yīng)和恢復(fù)能力。目前，對(duì)韌性電網(wǎng)的研究集中在電網(wǎng)對(duì)各類(lèi)自然災(zāi)害的抵抗能力及災(zāi)害后快速恢復(fù)的能力［4-7］。文獻(xiàn)［6］指出，電網(wǎng)應(yīng)具備抵制各種危害、承受初始故障后果，并快速恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。文獻(xiàn)［7］對(duì)彈性電網(wǎng)的恢復(fù)力（也即韌性）進(jìn)行了研究，認(rèn)為彈性電網(wǎng)的恢復(fù)力主要是指在發(fā)生冰雪、地震等小概率高損失極端事件后，電網(wǎng)及時(shí)消除事件影響并快速恢復(fù)供電的能力。

已有的電網(wǎng)彈性研究主要針對(duì)輸電網(wǎng)開(kāi)展，對(duì)彈性配電網(wǎng)的研究較少，且仍集中在極端自然災(zāi)害下電網(wǎng)的應(yīng)對(duì)情況，即主要研究電網(wǎng)的恢復(fù)力，也即韌性。相比于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，除了極端自然災(zāi)害的影響外，高滲透率分布式光伏等可再生能源輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)和大量電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)序充電也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)沖擊［8］。另一方面，配電網(wǎng)的靈活性資源更加豐富，各類(lèi)靈活性資源為系統(tǒng)在各類(lèi)擾動(dòng)影響下調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)提供了有利條件，也為彈性配電網(wǎng)研究賦予了新的內(nèi)容［9］。

本文闡述了配電網(wǎng)彈性的基本內(nèi)涵，分析了配電網(wǎng)需要應(yīng)對(duì)的擾動(dòng)類(lèi)型及在各類(lèi)擾動(dòng)下配電網(wǎng)的彈性特征，結(jié)合配電網(wǎng)彈性的基本構(gòu)成要素，探討了配電網(wǎng)彈性提升的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)配電網(wǎng)彈性的研究方向進(jìn)行了展望。

1 配電網(wǎng)彈性的內(nèi)涵

1.1 配電網(wǎng)中不確定性擾動(dòng)的類(lèi)型劃分

配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，除需要應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、蓄意攻擊及設(shè)備故障等不確定性擾動(dòng)事件以外，還需要考慮負(fù)荷及分布式電源出力隨機(jī)變化等不確定性擾動(dòng)事件造成的影響。表1 所示為配電網(wǎng)常見(jiàn)的不確定性擾動(dòng)的類(lèi)型及其特點(diǎn)。

表1 配電網(wǎng)擾動(dòng)分類(lèi)Table 1 Classification of disturbances in distribution network

1.2 配電網(wǎng)彈性的定義與特征

配電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遭受各類(lèi)擾動(dòng)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為有效抵御各類(lèi)擾動(dòng)的影響，需要在配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行各個(gè)階段，合理配置和調(diào)度資源，提高配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)不確定性擾動(dòng)的能力。

一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)配電網(wǎng)（strong distribution network）必須是健壯的（healthy）和富有彈性（elastic）的，即堅(jiān)強(qiáng)=健壯+彈性。健壯主要體現(xiàn)在系統(tǒng)安全性（security）、可靠性（reliability）及設(shè)備健康度（health）上。彈性則包括柔性（flexibility）和韌性（resilience）2 個(gè)方面。配電網(wǎng)特性相關(guān)概念關(guān)系如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)特性相關(guān)概念關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of property concepts of distribution network

配電網(wǎng)彈性是指配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)不確定性變化或擾動(dòng)的能力，它包含2 層含義：一是配電網(wǎng)能夠靈活調(diào)整以適應(yīng)條件變化，即柔性或靈活性；二是配電網(wǎng)在極端條件下，部分功能失效仍能繼續(xù)生存并適應(yīng)新的激勵(lì)信號(hào)，且能夠從災(zāi)變或故障中快速恢復(fù)，即韌性。彈性反映了配電網(wǎng)面對(duì)條件變化和新需求的靈活性、適應(yīng)性和快速恢復(fù)能力。配電網(wǎng)彈性重點(diǎn)評(píng)估配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)2 類(lèi)不確定性事件的能力：一類(lèi)是發(fā)生頻率低的極端事件，即所謂的“黑天鵝事件”，包括重大自然災(zāi)害、恐怖襲擊等；另一類(lèi)是發(fā)生頻率高、漸進(jìn)式加劇的小干擾事件，即所謂的“灰犀牛事件”，包括分布式電源和電動(dòng)汽車(chē)的高比例接入等。

結(jié)合配電網(wǎng)需要應(yīng)對(duì)的各類(lèi)擾動(dòng)，配電網(wǎng)彈性應(yīng)具有以下幾個(gè)性能特征。

1）感知力：具備對(duì)配電網(wǎng)、配電設(shè)備、用戶、外部運(yùn)行環(huán)境的感知能力，在擾動(dòng)發(fā)生前，對(duì)擾動(dòng)可能帶來(lái)的影響進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)措施對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行防范。

2）適應(yīng)力：具有靈活可控的調(diào)度資源和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)擾動(dòng)造成的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的波動(dòng)。

3）抵抗力：對(duì)擾動(dòng)帶來(lái)的物理破壞應(yīng)具有一定的抵抗能力。

4）恢復(fù)力：在擾動(dòng)造成破壞后應(yīng)具有快速恢復(fù)系統(tǒng)性能的能力。

其中，感知力是配電網(wǎng)彈性的基礎(chǔ)支撐能力，在感知力的基礎(chǔ)上能有效提升配電網(wǎng)的靈活性和韌性；適應(yīng)力體現(xiàn)了配電網(wǎng)的靈活性；抵抗力和恢復(fù)力則體現(xiàn)了配電網(wǎng)的韌性。

在研究對(duì)象方面，配電網(wǎng)彈性重點(diǎn)評(píng)估配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害等發(fā)生頻率低的極端事件和分布式電源高比例接入等漸進(jìn)式加劇的小干擾事件。通過(guò)提高配電網(wǎng)彈性，更具針對(duì)性地提高了配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)上述2 類(lèi)事件的能力，進(jìn)一步提高了配電網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性及安全性等系統(tǒng)性能，能產(chǎn)生很好的外部效應(yīng)。在實(shí)施方式方面，配電網(wǎng)彈性的提升不僅僅局限于單個(gè)設(shè)備性能的提升，而是更關(guān)注于通過(guò)系統(tǒng)感知力、適應(yīng)力、抵抗力、恢復(fù)力的協(xié)調(diào)配合，提高配電網(wǎng)整體上應(yīng)對(duì)發(fā)生頻率低的極端事件和漸進(jìn)式加劇的小干擾事件的能力。增強(qiáng)配電網(wǎng)彈性可有效降低自然災(zāi)害等極端事件的影響，減少停電時(shí)間，提高配電網(wǎng)的可靠性；同時(shí)，配電網(wǎng)彈性提升能有效應(yīng)對(duì)高比例分布式電源和電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)變化造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)、變壓器過(guò)載等問(wèn)題，進(jìn)而提高配電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1.3 配電網(wǎng)彈性運(yùn)行狀態(tài)分類(lèi)及實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的彈性控制手段

借鑒T. E. Dy Liacco 的電力系統(tǒng)安全性構(gòu)想圖，構(gòu)建如圖2 所示的彈性配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)不確定性擾動(dòng)的過(guò)程示意圖，圖中虛線表示不確定性擾動(dòng)發(fā)生過(guò)程，實(shí)線表示配電網(wǎng)彈性控制過(guò)程。無(wú)擾動(dòng)時(shí)，配電網(wǎng)正常運(yùn)行，處于彈性裕度充足的靈活適應(yīng)態(tài)；擾動(dòng)發(fā)生后，配電網(wǎng)抵抗擾動(dòng)影響，彈性裕度減小，處于彈性不足態(tài)，通過(guò)儲(chǔ)能充放電調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化等適應(yīng)控制手段，系統(tǒng)能從彈性不足態(tài)回歸到靈活適應(yīng)態(tài)。隨著擾動(dòng)的持續(xù)或增強(qiáng)，配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)將可能進(jìn)一步惡化，造成系統(tǒng)運(yùn)行約束破壞，導(dǎo)致部分設(shè)備停運(yùn)，但未發(fā)生大范圍停電，此時(shí)配電網(wǎng)處于緊急抵抗態(tài)。在緊急抵抗態(tài)下，通過(guò)緊急投入備用電源或緊急切除柔性負(fù)荷等彈性緊急控制手段，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行校正則能重新進(jìn)入彈性不足的正常運(yùn)行狀態(tài)。若擾動(dòng)繼續(xù)增強(qiáng)，且配電網(wǎng)無(wú)法抵抗和適應(yīng)擾動(dòng)的影響，則會(huì)造成系統(tǒng)大規(guī)模失負(fù)荷。隨著擾動(dòng)消失，通過(guò)應(yīng)急搶修、移動(dòng)電源或移動(dòng)儲(chǔ)能供電等彈性恢復(fù)控制手段，使配電網(wǎng)重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)擾動(dòng)的過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution network responding to disturbances

2 配電網(wǎng)彈性提升關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)各類(lèi)擾動(dòng)的過(guò)程與表現(xiàn)出的性能，將配電網(wǎng)彈性提升關(guān)鍵技術(shù)分為實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)預(yù)判分析的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)校正的靈活適應(yīng)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)安全的抵抗力提升技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)災(zāi)變應(yīng)對(duì)的恢復(fù)控制技術(shù)。

2.1 實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)預(yù)判分析的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)

配電系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知是指通過(guò)對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及各類(lèi)量測(cè)數(shù)據(jù)等配電系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的挖掘和分析，對(duì)系統(tǒng)及各類(lèi)電氣設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)態(tài)勢(shì)感知能對(duì)各類(lèi)擾動(dòng)事件可能造成的影響進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警以提前做出部署，因此，態(tài)勢(shì)感知技術(shù)是提高配電系統(tǒng)彈性的信息支撐手段。

在配電網(wǎng)彈性研究中，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)擾動(dòng)預(yù)判分析的態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)需要在傳統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)基礎(chǔ)上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各類(lèi)擾動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)的影響［10-11］。針對(duì)冰災(zāi)、山火、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害，已有相關(guān)的模型研究各類(lèi)自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的影響［12-16］。在狀態(tài)感知過(guò)程中，傳統(tǒng)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)量測(cè)不足，需要充分利用各類(lèi)數(shù)據(jù)資源。文獻(xiàn)［17］利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并將建模結(jié)果輸入作為虛擬量測(cè)，豐富了狀態(tài)感知的可用信息。文獻(xiàn)［18］針對(duì)配電網(wǎng)低壓遙測(cè)覆蓋率較低的問(wèn)題，根據(jù)已有的潮流數(shù)據(jù)，通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)擬合節(jié)點(diǎn)注入功率與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓之間的關(guān)系，據(jù)此進(jìn)行配電網(wǎng)電壓控制。

相比于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)故障率高，因此配電網(wǎng)的故障定位與識(shí)別成為配電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知的重要內(nèi)容。借助氣象數(shù)據(jù)、電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)能進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)故障的感知能力。文獻(xiàn)［19］結(jié)合情景分析和電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論，建立了一套多因素影響下的配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法。文獻(xiàn)［20］則針對(duì)典型故障，通過(guò)環(huán)境場(chǎng)景關(guān)聯(lián)識(shí)別對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。文獻(xiàn)［21］提出一種計(jì)及天氣因素的配電網(wǎng)故障特征選擇和故障停電風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)方法。

2.2 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)校正的靈活適應(yīng)技術(shù)

借助于配電網(wǎng)靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安裝在用戶側(cè)的分布式電源、儲(chǔ)能等設(shè)備，依靠配電自動(dòng)化技術(shù)［22］、微網(wǎng)能量管理技術(shù)［23］等智能配電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)在適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境變化下的系統(tǒng)安全性及經(jīng)濟(jì)性校正［24］。配電網(wǎng)靈活適應(yīng)性要素可以分為提供功率支撐的靈活適應(yīng)性要素和提供可變拓?fù)涞撵`活適應(yīng)性要素。

配電網(wǎng)提供功率支撐的靈活適應(yīng)性要素是指能為配電網(wǎng)提供靈活可控功率的各類(lèi)設(shè)備，包括提供有功功率的設(shè)備，如儲(chǔ)能、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏等，以及提供無(wú)功功率的設(shè)備，如并聯(lián)電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、分布式電源逆變器等。故障狀態(tài)下，配電網(wǎng)提供功率支撐的靈活適應(yīng)性要素主要用來(lái)為處于孤島狀態(tài)的負(fù)荷供電。運(yùn)行狀態(tài)下，配電網(wǎng)提供功率支撐的靈活適應(yīng)性要素通過(guò)優(yōu)化潮流分布以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全性，從而避免負(fù)荷及可再生能源出力的不確定性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的不利影響。

配電網(wǎng)提供可變拓?fù)涞撵`活適應(yīng)性要素是指可進(jìn)行開(kāi)閉調(diào)度的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)及可控制傳輸功率的智能軟開(kāi)關(guān)（soft open point，SOP）［25］。其中，基于電力電子裝置的智能軟開(kāi)關(guān)相比于聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)不僅能實(shí)現(xiàn)線路的斷開(kāi)和閉合，還能精確控制線路的傳輸功率，但其成本較高，一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用。只有通過(guò)靈活可控的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，配電網(wǎng)中的可控功率要素才能有效實(shí)現(xiàn)為故障區(qū)域提供功率支撐及提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全性的功能。

在配電網(wǎng)的靈活適應(yīng)控制中，基于可控的功率設(shè)備和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，借助微網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、自愈恢復(fù)等多種智能配電網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行校正、接納能力提升及供電恢復(fù)等。文獻(xiàn)［26］考慮微網(wǎng)中可再生能源發(fā)電和負(fù)荷的不確定性，提出了一種考慮最壞場(chǎng)景的魯棒能量管理方法，通過(guò)正交測(cè)試法進(jìn)行場(chǎng)景抽樣，保證所提出的調(diào)度策略在各類(lèi)不確定場(chǎng)景下都能保證微網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［27］考慮配電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電和負(fù)荷的隨機(jī)性對(duì)系統(tǒng)電壓、網(wǎng)絡(luò)損耗和線路傳輸功率等參數(shù)的影響，提出了混合整數(shù)兩階段魯棒重構(gòu)優(yōu)化算法，對(duì)高比例分布式電源接入下配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行具有重要意義。文獻(xiàn)［28］提出了智能軟開(kāi)關(guān)魯棒控制策略，有效解決了高比例光伏出力隨機(jī)波動(dòng)造成配電網(wǎng)電壓越限的問(wèn)題。文獻(xiàn)［29］提出了利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)提升配電網(wǎng)接納分布式電源的靈活性提升方法，考慮開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)限制，將動(dòng)態(tài)重構(gòu)問(wèn)題描述為非線性不可微整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)分層求解獲得最終的重構(gòu)方案。

2.3 實(shí)現(xiàn)設(shè)備及系統(tǒng)安全的抵抗力提升技術(shù)

配電網(wǎng)中的各類(lèi)電氣設(shè)備及系統(tǒng)本身抵御自然災(zāi)害及人為攻擊造成的各類(lèi)物理性破壞的能力，是彈性配電網(wǎng)抵御擾動(dòng)的基礎(chǔ)。

桿塔和架空線路等電力設(shè)備由于暴露在外界環(huán)境中，容易遭受臺(tái)風(fēng)、冰雪等自然災(zāi)害沖擊。災(zāi)害后的大面積停電，也主要是由于桿塔倒塌、線路斷線引起的，且桿塔及架空線的恢復(fù)過(guò)程往往需要耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間。因此，增強(qiáng)電力設(shè)施對(duì)臺(tái)風(fēng)、冰雪等自然災(zāi)害及人為破壞的抵抗力對(duì)提高配電網(wǎng)彈性具有重要意義，具體可從設(shè)備規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)兩方面入手。一方面，在電氣設(shè)備的規(guī)劃階段，考慮可能發(fā)生的自然災(zāi)害，建立電氣設(shè)備的脆弱性模型，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化選型與合理配置。文獻(xiàn)［30］根據(jù)N-K 校驗(yàn)原則，以增強(qiáng)配電系統(tǒng)抵御自然災(zāi)害的能力為目標(biāo)，對(duì)架空線和分布式電源進(jìn)行了優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［31］通過(guò)建立臺(tái)風(fēng)風(fēng)速與故障率的物理模型，利用系統(tǒng)信息熵篩選故障場(chǎng)景，從而確定災(zāi)害造成的故障規(guī)模，并分析了加固元件與接入分布式電源對(duì)系統(tǒng)韌性的提升效果。另一方面，針對(duì)易受沖擊的電氣設(shè)備，可以采取相應(yīng)的加固措施，提高抵御自然災(zāi)害的能力。文獻(xiàn)［32］以線路加固成本最低為目標(biāo)函數(shù)，提出了加固線路選擇的魯棒優(yōu)化策略，在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的條件下有效提高了災(zāi)害后系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力。

不同區(qū)域的電氣設(shè)備故障對(duì)配電系統(tǒng)停電規(guī)模和程度的影響不同。通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和易造成連鎖故障的區(qū)域進(jìn)行完善，可有效提高整個(gè)配電系統(tǒng)抵御自然災(zāi)害的彈性。文獻(xiàn)［33］通過(guò)將電網(wǎng)主動(dòng)劃分成可抵御自然災(zāi)害的穩(wěn)定區(qū)域及可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行的區(qū)域，提高了抵御自然災(zāi)害的能力。文獻(xiàn)［34］考慮災(zāi)害場(chǎng)景下城市配電網(wǎng)供電的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，建立了基于微網(wǎng)的抗災(zāi)型城市配電網(wǎng)規(guī)劃模型。

通信設(shè)備在配電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用在提高系統(tǒng)感知能力的同時(shí)，也使得配電系統(tǒng)面臨著信息攻擊的威脅。抵御信息攻擊是配電網(wǎng)抵抗力研究的重要內(nèi)容［35］。

虛假數(shù)據(jù)注入是一種常見(jiàn)的信息攻擊形式。對(duì)電力系統(tǒng)虛假數(shù)據(jù)通常根據(jù)特征值進(jìn)行檢測(cè)，包括根據(jù)相關(guān)變量偏離正常范圍的大小判斷是否為虛假數(shù)據(jù)攻擊和根據(jù)人工智能等方法提取系統(tǒng)受攻擊時(shí)的特征判斷是否出現(xiàn)攻擊［36］。文獻(xiàn)［37］建立了變電站互感器采樣序列虛假數(shù)據(jù)注入攻擊模型，并分析了其對(duì)變電站狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的影響，分析了互感器的配置冗余度及合理性在防御攻擊方面的重要性。文獻(xiàn)［38］根據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)和電氣網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過(guò)程二者事件鏈之間的相關(guān)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷是否存在信息異常，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式檢測(cè)異常事件。除虛假數(shù)據(jù)注入攻擊外，拒絕服務(wù)攻擊通過(guò)占用通信資源來(lái)禁止傳輸測(cè)量或控制信號(hào)并導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，也是電力系統(tǒng)信息攻擊的重要手段。文獻(xiàn)［39］分析了拒絕服務(wù)攻擊對(duì)電-熱綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，仿真結(jié)果表明拒絕服務(wù)攻擊會(huì)影響經(jīng)濟(jì)調(diào)度的有效性。

相比于針對(duì)單一設(shè)備的信息攻擊，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行攻擊，影響范圍大。文獻(xiàn)［40］對(duì)烏克蘭停電事故中網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊的作用過(guò)程進(jìn)行了推演，并分析了國(guó)內(nèi)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊的不足。電力信息物理協(xié)同攻擊通過(guò)修改相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，掩蓋遭受物理攻擊的電力設(shè)備的故障狀態(tài)，其隱蔽性強(qiáng)，可引發(fā)連鎖故障，易造成大規(guī)模停電事故［41］。文獻(xiàn)［42］分析了通過(guò)篡改同步相量測(cè)量裝置的量測(cè)數(shù)據(jù)掩蓋物理攻擊的攻擊方式，并提出了通過(guò)提高同步相量測(cè)量裝置安全等級(jí)和在線檢測(cè)線路導(dǎo)納進(jìn)行防御的方法。文獻(xiàn)［43］基于動(dòng)態(tài)攻防博弈理論，提出電力物理網(wǎng)絡(luò)和電力信息網(wǎng)絡(luò)同時(shí)遭受人為攻擊場(chǎng)景下的電網(wǎng)攻防動(dòng)態(tài)博弈3 層規(guī)劃模型，通過(guò)模型求解給出了最優(yōu)的防御資源分配策略。

2.4 實(shí)現(xiàn)災(zāi)變應(yīng)對(duì)的恢復(fù)控制技術(shù)

臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害對(duì)配電系統(tǒng)造成的損害波及范圍廣、影響程度大，其恢復(fù)過(guò)程也更加復(fù)雜。

通過(guò)微網(wǎng)供電、配電網(wǎng)重構(gòu)恢復(fù)等手段，能有效實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵負(fù)荷的不間斷供電及線路故障后的快速在線供電恢復(fù)，提高災(zāi)害后系統(tǒng)的恢復(fù)能力。微網(wǎng)孤島運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障后區(qū)域供電的有效形式。文獻(xiàn)［44］提出了微能源網(wǎng)與配電網(wǎng)在災(zāi)害事故處置過(guò)程中協(xié)同配合的彈性提升策略：在配電網(wǎng)抵御與適應(yīng)災(zāi)害階段，提出了微能源網(wǎng)處于孤島狀態(tài)下的滾動(dòng)停電管理方案；在故障恢復(fù)階段，制定包含孤島劃分、負(fù)荷控制及微源出力的故障搶修方案。文獻(xiàn)［45］根據(jù)災(zāi)害或極端擾動(dòng)后配電系統(tǒng)故障區(qū)域的不同，提出基于重構(gòu)及非重構(gòu)孤島/并網(wǎng)的微網(wǎng)差異化恢復(fù)運(yùn)行方法，提高了故障恢復(fù)的有效性。相比于單個(gè)微網(wǎng)，多微網(wǎng)系統(tǒng)可在故障后實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的故障恢復(fù)，能有效增強(qiáng)配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害造成的彈性［46-47］。文獻(xiàn)［48］針對(duì)未配備負(fù)荷及分布式電源出力預(yù)測(cè)的微電網(wǎng)，提出了一種利用量測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)避分布式電源出力不確定所造成風(fēng)險(xiǎn)的故障恢復(fù)策略，通過(guò)利用最新的量測(cè)數(shù)據(jù)分析分布式電源出力的概率分布，減小分布式電源出力不確定性對(duì)故障恢復(fù)策略的影響，利用混合整數(shù)線性規(guī)劃求解各個(gè)微網(wǎng)的故障恢復(fù)策略。

智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)能及時(shí)檢測(cè)并快速處理系統(tǒng)發(fā)生的故障，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等手段進(jìn)行供電恢復(fù)，降低故障對(duì)用戶的影響。文獻(xiàn)［49］基于層次分析法和滲透理論提出了一種量化各類(lèi)彈性提升方法有效性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，據(jù)此分析網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對(duì)配電網(wǎng)彈性提升的有效性。文獻(xiàn)［50］提出了一種災(zāi)害后利用分布式能源和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)恢復(fù)關(guān)鍵負(fù)荷供電的故障恢復(fù)方法，并利用混合整數(shù)線性規(guī)劃進(jìn)行求解，保證了算法的計(jì)算效率。已有的故障恢復(fù)控制往往考慮系統(tǒng)整體的恢復(fù)方案，隨著各類(lèi)就地控制式設(shè)備的使用，基于分布式控制的故障恢復(fù)成為重要的研究方向。

當(dāng)自然災(zāi)害等擾動(dòng)造成電力設(shè)施損壞時(shí)，需要電網(wǎng)維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶修。為了提高災(zāi)害后供電恢復(fù)的效果，需對(duì)設(shè)備和人員等各類(lèi)恢復(fù)資源進(jìn)行有效配置，制定合理的恢復(fù)策略。移動(dòng)式儲(chǔ)能具有靈活性高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于自然災(zāi)害后關(guān)鍵負(fù)荷的緊急供電。文獻(xiàn)［51］提出了災(zāi)害后移動(dòng)式儲(chǔ)能的兩階段魯棒優(yōu)化調(diào)度策略：在災(zāi)害發(fā)生前，合理配置移動(dòng)儲(chǔ)能的位置以提高關(guān)鍵負(fù)荷應(yīng)對(duì)災(zāi)害的生存能力；在災(zāi)害發(fā)生后，考慮與故障重構(gòu)的配合，重新配置移動(dòng)儲(chǔ)能的位置以提高系統(tǒng)故障恢復(fù)速度。文獻(xiàn)［52］考慮災(zāi)害后交通網(wǎng)絡(luò)故障對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能調(diào)度的影響，結(jié)合實(shí)時(shí)信息對(duì)包含移動(dòng)儲(chǔ)能、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等多種恢復(fù)手段進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，以提高故障恢復(fù)速度。

在電力設(shè)備搶修策略上，文獻(xiàn)［53］建立了配電網(wǎng)分階段搶修模型，在緊急搶修階段，以負(fù)荷恢復(fù)價(jià)值最大和綜合經(jīng)濟(jì)損失最小為目標(biāo)；在網(wǎng)架恢復(fù)階段，以網(wǎng)損最小和搶修時(shí)間最短為目標(biāo)。文獻(xiàn)［54］在配電網(wǎng)發(fā)生多故障后，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行子區(qū)域劃分，利用分布式電源或移動(dòng)應(yīng)急電源車(chē)對(duì)失電負(fù)荷進(jìn)行恢復(fù)，以提高供電恢復(fù)的有效性。文獻(xiàn)［55］根據(jù)冰災(zāi)不同時(shí)期對(duì)配電網(wǎng)不同區(qū)域造成的影響不同，建立冰雪災(zāi)害后含分布式電源的配電網(wǎng)分階段融冰搶修模型。

結(jié)合彈性配電網(wǎng)的組成要素和關(guān)鍵技術(shù)，配電網(wǎng)彈性提升技術(shù)如圖3 所示。

圖3 配電網(wǎng)彈性提升示意圖Fig.3 Schematic diagram of elasticity enhancement of distribution network

3 配電網(wǎng)彈性提升研究展望

3.1 電力電子化配電系統(tǒng)的彈性提升

各類(lèi)電力電子裝置在配電系統(tǒng)的應(yīng)用為配電系統(tǒng)提供了更多的控制手段，但電力電子器件的脆弱性也使得電力電子化條件下的配電網(wǎng)彈性提升與傳統(tǒng)配電網(wǎng)有所不同。

智能軟開(kāi)關(guān)能夠靈活、快速地控制兩側(cè)交換的功率，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的柔性互聯(lián)，并能在故障后提供電壓和頻率支撐，提高故障恢復(fù)效果。文獻(xiàn)［56］采用二階錐規(guī)劃方法求解含有軟開(kāi)關(guān)的配電網(wǎng)故障恢復(fù)問(wèn)題，并分析了影響軟開(kāi)關(guān)供電恢復(fù)能力的因素。文獻(xiàn)［57］通過(guò)系統(tǒng)中多個(gè)軟開(kāi)關(guān)的協(xié)同配合，提高了系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力?？紤]到智能軟開(kāi)關(guān)的潮流控制效果與自身控制策略密切相關(guān)，為提高含軟開(kāi)關(guān)配電系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力，應(yīng)充分考慮軟開(kāi)關(guān)的控制方式與系統(tǒng)故障恢復(fù)控制策略的協(xié)調(diào)配合。

交直流混合配電網(wǎng)是配電系統(tǒng)高效接納可再生能源和直流負(fù)荷的重要發(fā)展形式。在設(shè)備級(jí)的恢復(fù)控制方面，換流器等電力電子裝置耐受故障電流沖擊能力弱，實(shí)現(xiàn)換流器線路故障下的故障穿越對(duì)提高系統(tǒng)故障恢復(fù)能力具有重要意義。文獻(xiàn)［58］提出了混合型多電平換流器在直流線路故障下的故障穿越控制策略，發(fā)生極間短路故障后，換流閥以靜止同步補(bǔ)償器方式運(yùn)行。在系統(tǒng)級(jí)的恢復(fù)控制方面，文獻(xiàn)［59］考慮到故障后交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的配合關(guān)系，提出了基于二進(jìn)制粒子群算法的交直流混合配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法。

目前，針對(duì)柔性互聯(lián)配電系統(tǒng)和交直流混合配電系統(tǒng)的故障恢復(fù)僅考慮一般線路故障，對(duì)自然災(zāi)害造成的故障連鎖反應(yīng)尚未開(kāi)展詳細(xì)研究。同時(shí)，在電力電子化的配電系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備控制方式與系統(tǒng)故障恢復(fù)策略的協(xié)調(diào)配合對(duì)提升系統(tǒng)的恢復(fù)能力至關(guān)重要，也是下一步的研究重點(diǎn)。

3.2 綜合能源系統(tǒng)的彈性提升

電力與燃?xì)?、熱力等其他形式能源的耦合日益密切，綜合能源系統(tǒng)逐漸成為能源供應(yīng)的重要形式；同時(shí)，自然災(zāi)害對(duì)供電、供氣和供熱均會(huì)造成影響。開(kāi)展與彈性配電網(wǎng)相結(jié)合的綜合能源系統(tǒng)的彈性提升有利于提高災(zāi)害恢復(fù)的有效性［60］。

在綜合能源系統(tǒng)故障預(yù)防方面，文獻(xiàn)［61］考慮電-氣綜合能源系統(tǒng)的互補(bǔ)特性，通過(guò)混合控制迭代方法有效篩選出了電-氣綜合能源系統(tǒng)預(yù)想故障集中的關(guān)鍵故障，減少校正過(guò)程中的切負(fù)荷，協(xié)調(diào)了預(yù)防控制和校正控制的安全性及經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［62］通過(guò)識(shí)別電-氣綜合能源系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出了電-氣綜合能源系統(tǒng)在惡意攻擊下的魯棒防御策略。在綜合能源系統(tǒng)故障恢復(fù)方面，文獻(xiàn)［63］考慮燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備的時(shí)序特性，建立了多時(shí)序故障恢復(fù)模型進(jìn)行求解，得到了故障恢復(fù)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)操作序列。文獻(xiàn)［64］針對(duì)電-氣綜合能源系統(tǒng)，提出了搶修人員災(zāi)后調(diào)度、重構(gòu)及分布式電源孤島運(yùn)行等多種資源協(xié)同配合的災(zāi)后恢復(fù)方法，提高了多能源系統(tǒng)故障恢復(fù)的有效性。

目前，針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的彈性恢復(fù)研究主要集中在系統(tǒng)側(cè)的故障恢復(fù)。由于燃?xì)?、電能等不同形式的能源在用戶?cè)具有互補(bǔ)耦合的關(guān)系，考慮用戶用能需求的綜合能源系統(tǒng)彈性恢復(fù)應(yīng)該成為下一步的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了配電網(wǎng)彈性的基本內(nèi)涵，歸納了配電網(wǎng)需要應(yīng)對(duì)的擾動(dòng)類(lèi)型及配電網(wǎng)彈性的基本特征，總結(jié)了配電網(wǎng)彈性提升的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)配電網(wǎng)彈性提升的研究方向進(jìn)行了展望。

配電網(wǎng)彈性提升需要從感知、抵抗、適應(yīng)、恢復(fù)等方面的協(xié)調(diào)配合展開(kāi)，是系統(tǒng)性的研究工作。從哪些方面提升配電網(wǎng)彈性取決于配電網(wǎng)面臨著哪種類(lèi)型的擾動(dòng)，配電網(wǎng)彈性提升建設(shè)應(yīng)當(dāng)結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境有針對(duì)性地開(kāi)展，以保證其經(jīng)濟(jì)性和有效性。