考慮不確定性擾動的含海量資源配電網(wǎng)彈性研究綜述

蘇 譯，Jiashen TEH，柏 智，胡長華，吳芳榕

（1. 馬來西亞理科大學電氣與電子工程學院,高淵 11800,馬來西亞；2. 智慧城市能源感知與邊緣計算湖南省重點實驗室（湖南城市學院）,湖南省益陽市 413000；3. 廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局,廣東省中山市 528400；4. 湖南汽車工程職業(yè)學院,湖南省株洲市 412001）

0 引言

Resilience 被譯為“彈性”或“韌性”［1］,主要用于評價個體或系統(tǒng)受到擾動后的恢復(fù)能力［2］。根據(jù)上述定義,電網(wǎng)彈性最初是指抵御沖擊、承擔初始故障后果并快速恢復(fù)供電的能力。文獻［3］構(gòu)建了臺風災(zāi)害下輸電系統(tǒng)的彈性評估場景,指出了提高電網(wǎng)彈性的措施。文獻［4］模擬拒絕服務(wù)攻擊信息物理融合電力系統(tǒng),提出了彈性觸發(fā)機制。文獻［5］量化極端天氣對電網(wǎng)的影響,采用聚類方法縮減極端場景,構(gòu)建了電網(wǎng)彈性評估模型。目前,電網(wǎng)彈性研究主要集中在外界沖擊對電網(wǎng)的損害評估以及提升恢復(fù)能力等方面。

配電網(wǎng)作為連接用戶和電網(wǎng)的末端,直接影響供電用戶。傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單,潮流為單向流動［6］,彈性恢復(fù)能力較差。隨著新能源接入規(guī)模的不斷增大［7］,配電網(wǎng)由單一電源、輻射狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成多電源供電的綜合能源系統(tǒng)［8］,使得彈性恢復(fù)成為可能。極端天氣、不可預(yù)測用電行為（疫情［9］、網(wǎng)絡(luò)攻擊［10］等）的頻發(fā)對配電網(wǎng)提出了新的要求。配電網(wǎng)建設(shè)速度與用電量快速增長之間的矛盾［11］（例如短時負荷尖峰或負荷轉(zhuǎn)供等應(yīng)急場景）需要進一步緩解。分布式電源和柔性負荷的不確定性波動［12］需要配電網(wǎng)吸收。特別是短期負荷高峰或轉(zhuǎn)供等應(yīng)急場景需要彈性配電網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用。同時,分布式電源和新能源汽車的大規(guī)模接入使得配電網(wǎng)波動加?。?2］。因此,含海量資源的配電網(wǎng)彈性研究亟待展開。

目前,國內(nèi)外學者對配電網(wǎng)彈性研究尚處于定義與框架階段,未充分考慮源網(wǎng)荷儲的深度互動、不確定性增加的特點。因此,單純考慮外界沖擊的彈性電網(wǎng)定義與框架難以適用于含海量資源的配電網(wǎng),一種綜合考慮內(nèi)外不確定性擾動的配電網(wǎng)彈性框架有待提出。

配電網(wǎng)彈性研究還需要提出關(guān)鍵指標用以定量分析。文獻［5］考慮不同極端天氣場景下構(gòu)建配電網(wǎng)防災(zāi)和減災(zāi)過程的彈性評估指標體系。文獻［13］將通信納入考慮范疇,構(gòu)建了受通信故障影響的配電網(wǎng)災(zāi)后恢復(fù)彈性評價方法。文獻［14］將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論納入極端擾動下的彈性評估考慮范圍。文獻［15］根據(jù)脆弱性辨識電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備和拓撲,研究提高其抗擾動能力。考慮到配電網(wǎng)運行過程中面臨尖峰負荷造成的應(yīng)急場景與極端沖擊造成的災(zāi)害場景,一種涵蓋配電網(wǎng)各場景的彈性評價體系是配電網(wǎng)彈性研究不可或缺的部分。

本文擴展配電網(wǎng)彈性內(nèi)涵,分析高彈性配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與特征,提出結(jié)構(gòu)彈性與系統(tǒng)彈性指標,將不確定性擾動劃分為外部沖擊與內(nèi)部波動,提出了綜合考慮上述擾動的配電網(wǎng)彈性研究框架,對框架數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、理論支撐與彈性提升技術(shù)、應(yīng)用場景展開分析與闡述。

1 含海量資源高彈性配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與特征

1.1 配電網(wǎng)彈性內(nèi)涵的擴展

自從“彈性”概念引入電力系統(tǒng)后,許多學者認為彈性是針對小概率-高損失極端事件的預(yù)防、抵御以及快速恢復(fù)負荷的能力［16］。就配電網(wǎng)而言,目前源網(wǎng)荷儲波動能被配電網(wǎng)承載,未形成極端事件。但隨著中國國家層面提出“雙碳”目標,未來非化石能源在一次能源消費的占比將超過80%［17］,且以可再生能源（例如風電、光伏發(fā)電）接入配電網(wǎng)為主。屆時,配電網(wǎng)將成為源網(wǎng)荷儲深度耦合的系統(tǒng),網(wǎng)內(nèi)海量資源的波動性、不確定性給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對上述情況,文章有必要將“彈性”內(nèi)涵進行擴展?！癛esilience”源自拉丁文“resilio”,其本意為恢復(fù)到原始狀態(tài)［2］,用于電力系統(tǒng)則表示恢復(fù)到系統(tǒng)最優(yōu)運行狀態(tài)。因此,本文認為“彈性”是抵抗擾動、保持最優(yōu)運行的能力。此處的擾動既包括極端天氣、網(wǎng)絡(luò)攻擊等造成的外部沖擊,又包括高滲透率分布式電源、電動汽車等靈活資源導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)部波動。最優(yōu)運行是指當下場景的最佳狀態(tài),包括正常場景的經(jīng)濟運行、應(yīng)急場景的協(xié)同優(yōu)化和災(zāi)害場景的恢復(fù)控制。

鑒于上述定義,配電網(wǎng)彈性是指充分挖掘系統(tǒng)內(nèi)資源的潛在價值,保證不同資源之間協(xié)同優(yōu)化,實現(xiàn)配電網(wǎng)在正常情況下經(jīng)濟運行、在應(yīng)急場景下平抑波動、在災(zāi)害場景下最大程度恢復(fù)供電。

1.2 海量資源分布與影響

隨著分布式電源、儲能裝置、電動汽車等的大量接入,配電網(wǎng)內(nèi)的資源日趨豐富。本文總結(jié)了配電網(wǎng)海量資源［18-27］,并在規(guī)?；尤氲那疤嵯路治銎湫袨樘卣骷皩ε潆娋W(wǎng)的影響,具體如附錄A 表A1所示。

由附錄A 表A1 可知,配電網(wǎng)接入海量資源后,源網(wǎng)荷儲深度互動具有多重不確定性［28］:電源側(cè)增加了分布式電源,具有強隨機性與波動性；網(wǎng)架側(cè)的傳統(tǒng)設(shè)備具備動態(tài)增容能力,加上柔性互聯(lián)配電系統(tǒng)電力電子器件的控制復(fù)雜化［29］,使得配電網(wǎng)的供電靈活性大增；用戶側(cè)的用電行為存在明顯無序性和集群效應(yīng),加重了配電網(wǎng)負荷峰值時期的負擔；儲能裝置兼有電源/負荷雙重功能,使得潮流不確定性增強。

需要指出,上述資源雖然導(dǎo)致多重不確定性,但其協(xié)同優(yōu)化控制［30］可為配電網(wǎng)彈性提升帶來新的可能。

1.3 含海量資源高彈性配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

海量資源接入配電網(wǎng)后,伴隨新型信息技術(shù)的提出與工程化應(yīng)用,配電網(wǎng)在電源、網(wǎng)架、負荷側(cè)的資源相繼被挖掘,其典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中:VSC（voltage source converter）表示電壓源型換流器,實現(xiàn)交流配電網(wǎng)AC/DC 轉(zhuǎn)換；MVDC（mediumvoltage direct current）表示中壓直流線路；DC/AC換流器作為交流并入直流配電網(wǎng)接口裝置,實現(xiàn)中壓直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)、風力發(fā)電裝置互聯(lián)；DC/DC 換流器可實現(xiàn)寬頻調(diào)壓,與直流負載連接［31］。

圖1 含海量資源高彈性配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of highly resilient distribution network with massive resources

由圖1 可知,含海量資源高彈性配電網(wǎng)以交流電網(wǎng)為主干,輔以直流互聯(lián)配電網(wǎng),廣泛接入新能源、微電網(wǎng)、儲能設(shè)備與可控負荷,運用“云大物移智”［32］等技術(shù)手段,對網(wǎng)內(nèi)各資源進行態(tài)勢感知［33］,實現(xiàn)全網(wǎng)資源的信息耦合與數(shù)據(jù)驅(qū)動,滿足彈性要求。

1.4 含海量資源高彈性配電網(wǎng)特征

含海量資源高彈性配電網(wǎng)能充分利用網(wǎng)內(nèi)資源,具備以下特征:

1）高承受力

傳統(tǒng)配電網(wǎng)在受到極端沖擊時,只能依靠繼電保護裝置實現(xiàn)最大程度恢復(fù)供電［34］,易造成停電范圍擴大、恢復(fù)供電不及時等問題。隨著分布式電源的接入,配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變成多電源供電模式。外部沖擊時,高彈性配電網(wǎng)能通過調(diào)整運行模式、改變拓撲［35］等方式最大限度地縮小停電范圍,通過精準投入應(yīng)急發(fā)電車［21］與儲能裝置［36］恢復(fù)配電網(wǎng)故障區(qū)域供電,提高對外部沖擊的承受能力；內(nèi)部波動時,配電網(wǎng)海量資源協(xié)同調(diào)度可形成優(yōu)勢互補,提高對波動的承受能力（如利用儲能裝置［37］集群的調(diào)壓控制解決配電網(wǎng)電壓越限問題）。

2）快速恢復(fù)

對于不可抗力因素,傳統(tǒng)配電網(wǎng)依靠人工搶修恢復(fù)供電。而高彈性配電網(wǎng)可最大限度地調(diào)動電網(wǎng)內(nèi)部資源,通過災(zāi)前預(yù)防、災(zāi)中調(diào)節(jié)、災(zāi)后協(xié)同恢復(fù)［38］變換網(wǎng)架拓撲與潮流模式,達到快速恢復(fù)供電的目的。

3）高利用率

傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行是在滿足安全、可靠的前提下,提前規(guī)劃容量、協(xié)調(diào)負荷與發(fā)電機組。這種方式存在新能源并網(wǎng)率較低、設(shè)備利用率不高［39］、用電負荷彈性不夠等問題。高彈性配電網(wǎng)可以加強電網(wǎng)內(nèi)部各參與者的信息交流,引導(dǎo)用戶的用電行為,提升用戶側(cè)的彈性。通過感知網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備的情況,改變傳統(tǒng)設(shè)備靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù),實現(xiàn)動態(tài)增容,喚醒網(wǎng)架側(cè)資源,發(fā)揮海量資源的整合能力［40］,解決電源側(cè)新能源發(fā)電并網(wǎng)率不高的問題。

2 配電網(wǎng)彈性關(guān)鍵指標

為了評估個體或系統(tǒng)的彈性能力,國內(nèi)外學者分別從靜態(tài)預(yù)防角度和動態(tài)恢復(fù)角度提出量化方法與框架,并針對某些特定災(zāi)害場景或運行模式對指標展開細化。目前,配電網(wǎng)彈性關(guān)鍵指標包括結(jié)構(gòu)彈性指標（靜態(tài)指標）和系統(tǒng)彈性指標（動態(tài)指標）。

2.1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性指標

配電網(wǎng)彈性研究首先考慮抵抗沖擊,即通過加固關(guān)鍵設(shè)備、改善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來抵御災(zāi)害侵襲。因此,結(jié)構(gòu)彈性指標從靜態(tài)角度出發(fā),通過衡量配電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點脆弱性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗毀性和網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)特性對配電網(wǎng)彈性定量描述。

對于外界極端天氣的影響,首要考慮的是設(shè)備損毀引起的停電,因此,可通過計算關(guān)鍵設(shè)備故障概率判斷其脆弱性,間接衡量配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的彈性。文獻［14,41-43］對配電網(wǎng)導(dǎo)線、電桿、關(guān)鍵組件等設(shè)備故障概率進行計算,通過量化設(shè)備的脆弱性,衡量配電網(wǎng)抵御災(zāi)害的能力。上述方法從概率角度出發(fā),以設(shè)備故障概率及損壞后對系統(tǒng)的影響（負荷損失）判斷設(shè)備關(guān)鍵程度,通過加固關(guān)鍵設(shè)備提高配電網(wǎng)彈性。但是,該方法將設(shè)備（節(jié)點）與網(wǎng)架（網(wǎng)絡(luò)）割裂開來,未進行統(tǒng)一考慮。

一般情況下,外界極端天氣對電網(wǎng)的損害不會集中于某一個設(shè)備,因此,衡量區(qū)域乃至整個配電網(wǎng)抗毀性也是結(jié)構(gòu)彈性必須考慮的問題。文獻［44］在考慮關(guān)鍵設(shè)備脆弱性基礎(chǔ)上,結(jié)合拓撲、網(wǎng)絡(luò)連通性與功率傳輸指標,量化極端天氣下巴西的配電網(wǎng)彈性。此外,部分學者結(jié)合潮流分析與介電常數(shù)對配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)展開進一步研究,文獻［45］運用拓撲脆弱性分析將節(jié)點失效概率與供電能力結(jié)合,提出了評估模型。配電網(wǎng)接入分布式電源后其結(jié)構(gòu)必然發(fā)生變化,部分學者考慮構(gòu)建含分布式電源的配電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點辨識與網(wǎng)架整體評估模型,實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)架融合的評估思路［45-46］。上述方法均運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識,將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗毀性納入考慮范圍,對配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性展開定量計算,但未考慮網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的連鎖故障。

隨著配電網(wǎng)感知設(shè)備與通信設(shè)備的廣泛接入,其逐漸成為一個典型的信息物理系統(tǒng),單純衡量配電網(wǎng)物理拓撲難以全面描述配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性。文獻［47］提出了一種級聯(lián)模型,最大限度地提高了不同網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)故障的魯棒性。文獻［48］搭建了網(wǎng)絡(luò)攻擊在信息-物理網(wǎng)絡(luò)間的傳遞模型,并以此作為評價電網(wǎng)彈性的關(guān)鍵指標。文獻［49］運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析了智能電網(wǎng)信息物理系統(tǒng),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)、平均度、平均路徑長度等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)概念評價電網(wǎng)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊能力。上述文獻將電網(wǎng)抽象為信息拓撲與網(wǎng)架拓撲,運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論定量分析配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性。但是,搭建的配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型較粗糙,難以完全符合實際情況。

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性主要運用概率學與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,從靜態(tài)角度衡量節(jié)點、拓撲、系統(tǒng)的可靠性,間接展開對配電網(wǎng)彈性的量度。但是,概率學難以把握整體趨勢,而復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論無法滿足特定運行狀態(tài)的精確模擬。因此,如何構(gòu)建更貼近實際的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性指標仍有待進一步研究。

2.2 配電網(wǎng)系統(tǒng)彈性指標

配電網(wǎng)彈性研究除了抵御沖擊外,還須承受擾動,并可能恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。因此,系統(tǒng)彈性指標從動態(tài)角度出發(fā),定量計算配電網(wǎng)遭受擾動后的響應(yīng)過程。配電網(wǎng)遭受擾動后的系統(tǒng)功能曲線如附錄B圖B1 所示。

部分學者對系統(tǒng)響應(yīng)過程進行精細劃分,得出符合特定場景的指標。文獻［50］針對冰災(zāi)場景,將魯棒性進行細化,提出了失負荷率指標；對災(zāi)中、災(zāi)后時間進行細化,提出了詳細描述配電網(wǎng)響應(yīng)時間指標。文獻［51］在如附錄B 圖B1 所示的彈性梯形響應(yīng)曲線基礎(chǔ)上,細化了系統(tǒng)受損面積、受損速度、恢復(fù)情況以及恢復(fù)速度等系統(tǒng)彈性指標。

考慮到配電網(wǎng)含有海量資源,其系統(tǒng)彈性指標還需要考慮災(zāi)后資源冗余性和可調(diào)度能力。文獻［52］從災(zāi)后資源冗余性出發(fā),提出了柴油、電池、電動公共汽車等發(fā)電資源在颶風后的配電系統(tǒng)分配方案,用以衡量配電網(wǎng)系統(tǒng)彈性。文獻［53-54］將分布式電源和微電網(wǎng)作為災(zāi)后重要資源,結(jié)合配電網(wǎng)運行方式的改變,提出了系統(tǒng)彈性指標定量分析配電網(wǎng)彈性。文獻［14］在考慮災(zāi)害全過程基礎(chǔ)上,將通信資源影響納入配電網(wǎng)彈性評價關(guān)鍵指標。

配電網(wǎng)內(nèi)的海量資源時空深度耦合特性［55］可以放大微小的波動,造成不利影響,因此,不確定性波動對配電網(wǎng)影響及恢復(fù)控制過程也是系統(tǒng)彈性指標需要衡量的范疇。如附錄B 圖B1 所示,內(nèi)部波動時彈性響應(yīng)曲線Tin的定量計算同樣可以納入系統(tǒng)彈性指標范疇。與外部沖擊時的彈性響應(yīng)曲線Tout相比,Tin的魯棒性體現(xiàn)在電壓波動［56］而非失負荷。

不同文獻基于動態(tài)角度提出的配電網(wǎng)系統(tǒng)彈性指標如表1 所示。

表1 基于動態(tài)角度的配電網(wǎng)系統(tǒng)彈性指標文獻列表Table 1 Reference list of system resilience indices of distribution network based on dynamic perspective

從表1 可知,配電網(wǎng)系統(tǒng)彈性指標是多類評價的綜合［58］,如何構(gòu)建一個全面評價指標體系仍有待進一步研究。

3 含海量資源配電網(wǎng)彈性研究技術(shù)路線

本章梳理了配電網(wǎng)擾動因素,提出綜合考慮不同擾動的配電網(wǎng)彈性研究框架,對框架涉及的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、理論支撐與彈性提升技術(shù)、工程應(yīng)用展開詳細闡述。

3.1 擾動劃分

現(xiàn)有配電網(wǎng)彈性研究大多沿用大電網(wǎng)彈性的概念,即聚焦于極端自然災(zāi)害下電網(wǎng)的恢復(fù)能力［59］。隨著海量資源的接入,配電網(wǎng)內(nèi)部波動不可忽視,因此,文章重新整理劃分配電網(wǎng)擾動因素如附錄A 表A2 所示。

由附錄A 表A2 可知,外部沖擊時［60-62］,配電網(wǎng)由于設(shè)施損壞或失靈導(dǎo)致停電；內(nèi)部波動時［63-69］,配電網(wǎng)內(nèi)資源深度耦合,源網(wǎng)荷儲任意側(cè)的不確定性波動都可能造成系統(tǒng)連鎖反應(yīng),極端情況可能導(dǎo)致功率失衡等連鎖故障（如分布式發(fā)電大規(guī)模脫網(wǎng)［70］、電動汽車負荷高峰期規(guī)?；潆妼?dǎo)致局部阻塞［71］等）。

3.2 配電網(wǎng)彈性研究框架

外部沖擊時,配電網(wǎng)彈性研究側(cè)重于災(zāi)前辨識與加固關(guān)鍵設(shè)備、災(zāi)后應(yīng)急資源合理調(diào)配；內(nèi)部波動時,配電網(wǎng)彈性研究側(cè)重于資源時間-空間協(xié)同調(diào)度,兩者區(qū)別明顯。因此,本文以擾動作為區(qū)分,搭建含海量資源配電網(wǎng)彈性研究框架如附錄B 圖B2所示。其中,數(shù)據(jù)基礎(chǔ)將現(xiàn)有數(shù)據(jù)整合,涉及數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)處理與存儲等方面挑戰(zhàn)；理論支撐與彈性提升技術(shù)涉及配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性和系統(tǒng)彈性提升；工程應(yīng)用涉及運行、應(yīng)急、災(zāi)害場景。

3.3 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)作為提升配電網(wǎng)彈性的基石,具有舉足輕重的作用。隨著海量資源的接入,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出體量大、類型多、增長快的大數(shù)據(jù)特征［72］；分布式電源、儲能、充電樁等均有獨立監(jiān)測系統(tǒng),使得配電網(wǎng)彈性研究的數(shù)據(jù)來源格式迥異,數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)復(fù)雜、孤島化嚴重,給數(shù)據(jù)整合、挖掘帶來較大困難［73］。

針對上述數(shù)據(jù)問題,首先考慮從根源上解決,即統(tǒng)一系統(tǒng)數(shù)據(jù)標準。文獻［74］介紹了國家電網(wǎng)有限公司針對多源異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)提出的數(shù)據(jù)源端統(tǒng)一規(guī)范,采用面向?qū)ο蟮姆绞?以設(shè)備為標識,確保信息標準化接入。文獻［75-76］詳細規(guī)定了電網(wǎng)設(shè)備全路徑名稱規(guī)范與編碼方式。文獻［77］在此基礎(chǔ)上提出了全過程數(shù)據(jù)處理技術(shù),利用業(yè)務(wù)標簽強化數(shù)據(jù)集成到交付全過程特征。通過統(tǒng)一系統(tǒng)接入規(guī)范,保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,能較好地解決增量系統(tǒng)數(shù)據(jù)問題,但難以對存量系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行處理。

針對存量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理問題,已有研究考慮提取各系統(tǒng)數(shù)據(jù)并重新儲存的技術(shù)路線。文獻［78］針對調(diào)度端數(shù)據(jù)文本保存特點,提出了將調(diào)度端模型提取并轉(zhuǎn)存至大數(shù)據(jù)平臺的思路,但研究限于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),未對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)展開研究。文獻［79］基于Hadoop 大數(shù)據(jù)平臺提出了配用電數(shù)據(jù)的哈希分桶存儲算法,實現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與集中存儲。上述方法通過數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)存,較好地解決了不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)異構(gòu)問題,結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)［80］,為后續(xù)彈性研究打下了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4 理論支撐與彈性提升技術(shù)

3.4.1 外部沖擊時的配電網(wǎng)彈性理論研究與提升技術(shù)

極端災(zāi)害大多會造成配電網(wǎng)一次設(shè)備的損傷；網(wǎng)絡(luò)攻擊則是通過影響二次設(shè)備擴散至一次設(shè)備,造成其拒動、誤動,兩者本質(zhì)上均是關(guān)鍵位置設(shè)備故障引發(fā)的停電。因此,外部沖擊時,含海量資源配電網(wǎng)彈性理論研究首先需要建立數(shù)學模型研究其結(jié)構(gòu)彈性,達到災(zāi)前辨識與加固關(guān)鍵設(shè)備的目的。

含海量資源配電網(wǎng)建模主要分為兩大類:第1類為特定研究對象詳盡建模；第2 類為整體思維下配電網(wǎng)抽象建模。第1 類建模能較好地描述研究對象的行為特征,文獻［81-83］對配電網(wǎng)分布式電源（風電、光伏發(fā)電）、汽輪機、燃料電池與儲能裝置、可控負荷進行了數(shù)學建模,能精準描述上述對象在某方面的行為。但是配電網(wǎng)資源日漸復(fù)雜,逐一詳細建模的方法難以全面揭示其整體的動態(tài)行為特征。事實上,含海量資源的配電網(wǎng)數(shù)學模型呈現(xiàn)高維、非凸、非線性的特點［84］,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析方法難以適用。第2 類建模一般采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,從整體上把握系統(tǒng)特性與網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的動力學特性,文獻［85-87］分別構(gòu)建了配電網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)加權(quán)模型、網(wǎng)架抗毀模型與含分布式電源和儲能系統(tǒng)的配電網(wǎng)連通性模型,挖掘系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)脆弱性。

隨著信息技術(shù)的大規(guī)模推廣,含海量資源的配電網(wǎng)信息物理耦合特征明顯,其模型需要描述信息-物理網(wǎng)絡(luò)融合后的整體情況,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論優(yōu)勢更為顯著。文獻［88-91］考慮了電力信息物理網(wǎng)絡(luò)在相互依存基礎(chǔ)上,運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對配電網(wǎng)脆弱性、信息傳輸延時等進行評估,并提出了加固策略。針對外部網(wǎng)絡(luò)攻擊在信息物理網(wǎng)絡(luò)傳染性強的特點,部分學者考慮將電力信息物理系統(tǒng)各類網(wǎng)絡(luò)攻擊抽象為攻擊圖頂點,運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論搭建跨空間連鎖故障的數(shù)學模型［92-93］。

由于外部沖擊為小概率-高損失的極端事件,在防災(zāi)階段加固薄弱環(huán)節(jié)之余,配電網(wǎng)彈性的提升更重要的是通過減災(zāi)階段的應(yīng)急資源調(diào)度提升其系統(tǒng)彈性。應(yīng)急資源分為發(fā)電資源和非發(fā)電資源。前者優(yōu)先考慮分布式電源［5］（風電、光伏發(fā)電）,但分布式電源不具備調(diào)頻特性,且輸出功率具有較強的不確定性,須輔以儲能裝置［94］、柔性直流配電系統(tǒng)［95］進行協(xié)同調(diào)度或形成微電網(wǎng)［96］。對于受災(zāi)嚴重且需要及時供電的重要負荷,優(yōu)先考慮可移動發(fā)電資源,文獻［97-99］將應(yīng)急發(fā)電車、車載移動儲能系統(tǒng)和電動車輛納入配電網(wǎng)災(zāi)后應(yīng)急調(diào)度資源,結(jié)合配電網(wǎng)、交通網(wǎng)與搶修團隊耦合關(guān)系搭建了搶修模型,實現(xiàn)了快速恢復(fù)供電。非發(fā)電資源調(diào)度主要包括配電網(wǎng)重構(gòu)和維修資源調(diào)度,其中,配電網(wǎng)重構(gòu)需要結(jié)合災(zāi)后電源情況與負荷特點進行多目標尋優(yōu)［100-101］,得到最優(yōu)方案；維修資源調(diào)度需要結(jié)合資源位置、搶修對象和網(wǎng)架結(jié)構(gòu),構(gòu)建混合整數(shù)線性模型,以最小維修時間和最大負荷恢復(fù)為尋優(yōu)目標,得到最佳搶修方案［52］。

3.4.2 內(nèi)部波動時的配電網(wǎng)彈性理論研究與提升技術(shù)

配電網(wǎng)源荷不確定性難以避免,可以通過電網(wǎng)內(nèi)部資源協(xié)同控制緩解,而這一切要建立在對系統(tǒng)狀態(tài)感知與預(yù)警的基礎(chǔ)上。因此,內(nèi)部波動時的配電網(wǎng)彈性理論研究首先需要挖掘已有信息、建立感知模型,達到辨識波動、預(yù)警風險的目的。

文獻［102］利用同步相量測量裝置的數(shù)據(jù)建立配電網(wǎng)感知模型,提出了配電網(wǎng)波動的安全態(tài)勢預(yù)警指標。文獻［103］考慮光伏、儲能裝置,建立了配電網(wǎng)量測函數(shù)及雅可比矩陣,提高了狀態(tài)感知精度。但由于配電網(wǎng)量測系統(tǒng)建設(shè)緩慢,提供的數(shù)據(jù)有限,需要充分利用各類數(shù)據(jù)進行綜合判斷。文獻［104-105］利用歷史信息、氣象信息與實時量測數(shù)據(jù),對配電網(wǎng)資源不確定性進行了建模與預(yù)警。

在配電網(wǎng)狀態(tài)感知與預(yù)警基礎(chǔ)上,內(nèi)部波動時的彈性提升技術(shù)側(cè)重于源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制。配電網(wǎng)不確定性波動主要集中于電源端與負荷側(cè),可通過源源互補［106-108］和源荷互動［109-110］解決。源源互補的核心在于利用不同電源出力時序性差異,文獻［106］利用光伏發(fā)電、風電等電源時空范圍內(nèi)的差異性進行協(xié)同控制,實現(xiàn)最優(yōu)運行。儲能裝置能實時跟蹤分布式電源的出力,常與電源側(cè)互補,用以平抑波動,如風儲混合、光儲混合、風光儲混合等［107-108］。源荷互動的核心在于利用負荷需求響應(yīng)平抑波動,文獻［109-110］將源荷不確定性同時納入考慮,提出了激勵型需求響應(yīng)機制,增強了互動能力。此外,直流配電網(wǎng)相關(guān)研究表明:交直流混合配電網(wǎng)［95］結(jié)合儲能裝置能有效平抑可再生能源波動；柔性開關(guān)技術(shù)［111］能有效改善饋線功率失衡和電壓波動,提高配電網(wǎng)彈性。

隨著電動汽車的規(guī)?；尤?配電網(wǎng)負荷分布的時空差異日益明顯,負荷高峰期峰值問題日趨嚴峻,易造成局部阻塞,因此,內(nèi)部波動時的配電網(wǎng)彈性提升技術(shù)還需要緩解輸電阻塞問題。文獻［112-113］運用動態(tài)熱定值（dynamic thermal rating,DTR）技術(shù)實現(xiàn)了分布式電源接入后的變壓器、線路短期動態(tài)增容。文獻［114］研究高壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供邏輯,構(gòu)建了阻塞控制模型,給高峰阻塞或功率缺額等緊急場景的調(diào)度提供了支持。上述文獻分別從元件層面與網(wǎng)架層面緩解局部阻塞,提高了配電網(wǎng)彈性。

3.5 工程應(yīng)用

前文所述理論側(cè)重于提升結(jié)構(gòu)彈性或系統(tǒng)彈性的某些方面,但在實際工程中,靜態(tài)結(jié)構(gòu)彈性與動態(tài)系統(tǒng)彈性難以分割:一方面,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中必須考慮結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),結(jié)合網(wǎng)架實現(xiàn)資源最優(yōu)調(diào)度；另一方面,配電網(wǎng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)彈性研究過程中必須考慮海量資源的時空靈活性。因此,在工程應(yīng)用中需要以運行、緊急和災(zāi)害為場景,綜合考慮結(jié)構(gòu)彈性與系統(tǒng)彈性的提升,應(yīng)用詳情如附錄B 圖B2 所示。

文獻中涉及配電網(wǎng)彈性提升技術(shù)的典型示范工程如表2 所示。

表2 彈性提升技術(shù)典型示范工程Table 2 Typical demonstration project of resilience enhancement technology

由表2 可知,眾多示范工程中涉及部分配電網(wǎng)彈性提升技術(shù),但是關(guān)于高彈性綜合能源配電網(wǎng)示范工程方面還有待進一步研究。

4 新型電力系統(tǒng)背景下的配電網(wǎng)彈性研究展望

2021 年,中央財經(jīng)委員會第九次會議提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。配電網(wǎng)必將形成源網(wǎng)荷儲多要素互動、多能源主體耦合的開放包容系統(tǒng)。此外,配電網(wǎng)與交通、通信等非能源關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的時空交互和多社會主體協(xié)同決策、聯(lián)合控制將導(dǎo)致系統(tǒng)中各社會主體運行時序特征與行為特征混雜,任何波動都可能產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)［121］；同時,外界極端事件頻發(fā)易導(dǎo)致上述多個系統(tǒng)連鎖故障,甚至造成跨域傳播。鑒于此,含海量資源的高彈性配電網(wǎng)研究勢在必行,有利于配電網(wǎng)自身、配電網(wǎng)與其他能源主體、配電網(wǎng)與非能源主體的協(xié)同優(yōu)化。

4.1 云邊協(xié)同技術(shù)

隨著海量資源接入配電網(wǎng),數(shù)據(jù)涌現(xiàn)、延遲響應(yīng)等問題日益顯著,現(xiàn)行的集中處理方式受到巨大挑戰(zhàn)［122］。此外,配電網(wǎng)與其他能源主體甚至非能源主體的深度耦合對數(shù)據(jù)共享模式與計算架構(gòu)也提出新的要求。

云邊協(xié)同技術(shù)［123］強調(diào)建立自感知分布式邊緣處理“神經(jīng)”與核心調(diào)度“大腦”,運用邊緣計算［124］、霧計算［125］等模式就地解決次要問題,將核心數(shù)據(jù)加密上傳并集中處理,緩解云端數(shù)據(jù)壓力、提高處理速度。其典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于云邊協(xié)同的含海量資源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of distribution network with massive resources based on cloud-edge collaboration

從數(shù)據(jù)角度來看,云邊協(xié)同配電系統(tǒng)將資源狀態(tài)感知信息下放至邊緣服務(wù)器預(yù)處理,減緩了主站壓力。通過約定不同能源主體關(guān)鍵信息的上傳模式,解決了數(shù)據(jù)異構(gòu)問題,提高了配電系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度效率。此外,配電網(wǎng)與非能源關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)之間通過云邊協(xié)同,可以打破利益主體之間的信息壁壘,保證協(xié)同控制,為高彈性配電網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

從安全角度看,未來配電網(wǎng)必然與第三方主體深度耦合,涌現(xiàn)出許多開放信息環(huán)境的主體接入（如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）,它們更容易暴露在惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊之下。配電網(wǎng)傳統(tǒng)集中控制模式易導(dǎo)致一條“開放網(wǎng)絡(luò)—對應(yīng)控制主體—集中控制中心—功率擾動—電網(wǎng)安全”的跨信息物理空間攻擊路徑。云邊協(xié)同技術(shù)可以在邊緣服務(wù)器先行處理相關(guān)數(shù)據(jù),對異常數(shù)據(jù)根據(jù)歷史情況進行識別校驗,及時切斷惡意注入等網(wǎng)絡(luò)攻擊手段,提高配電網(wǎng)抵御網(wǎng)絡(luò)風險能力。

目前,云邊協(xié)同技術(shù)在配電網(wǎng)的運用局限于配電設(shè)備狀態(tài)感知［126］,對于不同能源主體之間的云邊協(xié)同技術(shù)尚未展開詳細研究。此外,云邊協(xié)同作為一種新的數(shù)據(jù)共享模式與計算架構(gòu),可擴展至配電系統(tǒng)與其他非能源社會主體之間。如何構(gòu)建配電網(wǎng)與其他主體之間的云邊協(xié)同系統(tǒng)也是未來研究的重點。

4.2 綜合控制技術(shù)

隨著海量資源接入配電網(wǎng),系統(tǒng)控制復(fù)雜程度陡增,控制過程需要綜合考慮“時空-安全-經(jīng)濟”多重目標。如何實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)部海量資源綜合控制,使上述資源形成聚合效應(yīng),達到分層協(xié)同、智能友好,從而支撐配電網(wǎng)常態(tài)化最優(yōu)運行及災(zāi)害下快速響應(yīng),需要進一步考慮。

狹義綜合控制指的是配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制,已形成較多研究成果,但多能源系統(tǒng)之間的橫向協(xié)調(diào)控制技術(shù)尚停留在風光儲等電力能源之間。冷、熱、電、氣異質(zhì)系統(tǒng)［127］之間非線性、不確定性相互影響的研究仍處于起步階段,尤其是多能源系統(tǒng)之間如何通過異質(zhì)元件［128］傳遞轉(zhuǎn)換信息和能量過程等需要進一步建模分析。因此,建立多能源系統(tǒng)異質(zhì)元件耦合模型,提出時空尺度配合的綜合控制技術(shù)是提高配電網(wǎng)彈性的重要途徑。

此外,配電網(wǎng)作為基礎(chǔ)設(shè)施之一,未來與城市交通、供水、通信等基礎(chǔ)設(shè)施通過服務(wù)在多維時空交疊,形成多重覆蓋、相互協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)［129］。因此,廣義綜合控制涉及電力與其余非能源主體的協(xié)同優(yōu)化和平抑內(nèi)部波動。配電網(wǎng)作為其他基礎(chǔ)設(shè)施能源的供給方,其影響力最大,提出考慮跨域互聯(lián)的配電網(wǎng)綜合控制技術(shù),確保各主體協(xié)同優(yōu)化,也是未來高彈性配電網(wǎng)的研究重點。

最后,廣義綜合控制還需要考慮遭受外部沖擊時,配電網(wǎng)與其他非能源主體的深度耦合特性,即外界沖擊某些子系統(tǒng),故障會在相關(guān)系統(tǒng)之間蔓延并相互影響［130］。因此,探究外部沖擊在耦合系統(tǒng)之間的傳播機理,優(yōu)化配電網(wǎng)與其他非能源系統(tǒng)的耦合機制,提出協(xié)同恢復(fù)控制技術(shù),也是未來配電網(wǎng)彈性的研究方向之一。

5 結(jié)語

含海量資源高彈性配電網(wǎng)是能源-信息-社會多網(wǎng)耦合的產(chǎn)物,其作為分布式電源、柔性負荷、儲能設(shè)備、可移動應(yīng)急資源匯聚區(qū),具備資源高利用率、擾動高承載以及快速恢復(fù)能力,也是充分考慮轄區(qū)內(nèi)資源、設(shè)備時空深度耦合且靈活互補的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在此目標下,文章搭建考慮不確定性擾動的配電網(wǎng)彈性研究框架,對研究所需數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、理論支撐及彈性提升技術(shù)、應(yīng)用場景進行了梳理,對高彈性配電網(wǎng)發(fā)展趨勢進行了展望。隨著新型電力系統(tǒng)的提出與推廣,未來配電網(wǎng)的不確定性擾動大增,分析不確定性擾動影響、探求不確定性擾動下配電網(wǎng)綜合控制技術(shù)、提高配電網(wǎng)彈性能力等還有待進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。