城市電力安全韌性量化評(píng)估體系研究

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司 錢曉棟 徐峰達(dá) 陳 麗 徐 展

1 引言

在熱力學(xué)第二定律的限制下，人類汲取高品位能源消耗產(chǎn)生的負(fù)熵開展生產(chǎn)和生活，對(duì)于能源的利用形式也逐步由直接可獲取的薪柴、流水、煤炭等一次能源，拓展至電力、蒸汽等經(jīng)過加工轉(zhuǎn)化的二次能源。自電氣革命以來，電力因其在傳輸、使用等方面的便利性，已成為最常用的能源形式。以互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)為代表的新一輪科技革命進(jìn)一步加深了人們對(duì)電力的依賴。與此同時(shí)，隨著生產(chǎn)力水平的提升，全球人口逐步由農(nóng)村向城市集中，特別在我國(guó)這樣高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體中，城市化發(fā)展進(jìn)程尤為迅速，城市化率已由21世紀(jì)初的36.22%提升至2022年的65.22%。關(guān)于電力安全評(píng)估目前大致有三種方法：基于概率場(chǎng)景的暫態(tài)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，依托元件發(fā)生故障的隨機(jī)模型，計(jì)算一系列后果，邏輯因果性強(qiáng)[1-2]；基于風(fēng)險(xiǎn)管理的分析評(píng)估，結(jié)合定量和定性分析，可操作性強(qiáng)，易于發(fā)揮專家經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)[3-4]；基于人工智能新理論的評(píng)估方法，具有較高的科學(xué)性和客觀性，且相對(duì)節(jié)省人力[5]。

評(píng)估指標(biāo)體系的建立是城市電力安全韌性評(píng)估中的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)、合理的評(píng)估指標(biāo)體系是準(zhǔn)確掌控城市安全狀況的必要前提。因此，本文就此開展研究，為后續(xù)工作進(jìn)行鋪墊。

2 指標(biāo)體系構(gòu)成

目前普遍認(rèn)可的系統(tǒng)韌性四大特性可總結(jié)為4R，分別為堅(jiān)韌性（Robustness）、冗余性（Redundancy）、智慧性（Resourcefulness）和迅速性（Rapidity）。堅(jiān)韌性：城市能夠?qū)?zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警，同時(shí)又能夠抵抗災(zāi)害，減輕由災(zāi)害導(dǎo)致的城市在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人員、物資等多方面的損失。冗余性：城市設(shè)置關(guān)鍵功能設(shè)施時(shí)，應(yīng)當(dāng)預(yù)留備用模塊，當(dāng)突發(fā)災(zāi)害導(dǎo)致部分設(shè)施受損不能正常執(zhí)行功能時(shí)，備用模塊可以起到補(bǔ)充替代的作用，使系統(tǒng)功能水平維持于可控與閾值內(nèi)，而不至于徹底停擺。智慧性：留有基本救災(zāi)資源，并建立擁有智慧可靠的應(yīng)急調(diào)配機(jī)制，確保在資源受限情況下，通過合理優(yōu)化調(diào)配，平衡各方需求，最大化利用效益。迅速性：控制損失并阻止未來損失進(jìn)一步擴(kuò)大的響應(yīng)速度，發(fā)生災(zāi)害之后城市能夠從中快速恢復(fù)部分功能，保障市內(nèi)基本活動(dòng)水平的能力。根據(jù)這四大特性，構(gòu)建城市電力安全韌性評(píng)估指標(biāo)體系。具體則為橫向覆蓋電力的建設(shè)、轉(zhuǎn)供、監(jiān)控和應(yīng)急四個(gè)方面，構(gòu)建1套（4×4）的矩陣體系，形成覆蓋各維度，可獲取、可跟蹤的指標(biāo)體系。城市電力安全韌性評(píng)估體系矩陣見表1。

表1 城市電力安全韌性評(píng)估體系矩陣

3 指標(biāo)體系內(nèi)容

3.1 電力系統(tǒng)建設(shè)

電力是關(guān)乎社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的基礎(chǔ)資源，在工、農(nóng)、商及其他生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)中不可或缺，作為動(dòng)力來源更是城市經(jīng)濟(jì)生活持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵支柱。電力系統(tǒng)從電源開始到各類負(fù)荷，共包含發(fā)、輸、變、配和用等五個(gè)主要環(huán)節(jié)，覆蓋電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和消費(fèi)全部過程，指標(biāo)體系也圍繞這四個(gè)方面進(jìn)行建立。

3.1.1 供電類

一是上級(jí)電網(wǎng)電力充裕度，指上級(jí)電網(wǎng)提供最大電力容量相較最大負(fù)荷的比例；二是上級(jí)電網(wǎng)電量充裕度，指上級(jí)電網(wǎng)提供電量的最大能力，相較年用電量的比例。

3.1.2 電網(wǎng)類

一是 220kV容載比，指特定供電分區(qū)之內(nèi)220kV電壓等級(jí)電網(wǎng)的變電設(shè)備總?cè)萘颗c該分區(qū)最大用電有功負(fù)荷的比值，以此反映主網(wǎng)供電能力技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；二是 35～110kV容載比，指特定供電分區(qū)35kV到110kV電壓等級(jí)電網(wǎng)的變電設(shè)備總?cè)萘颗c該分區(qū)最大用電有功負(fù)荷的比值；三是 重過載電網(wǎng)設(shè)備占比，指負(fù)載大于80%的10～220kV電網(wǎng)設(shè)備比重；四是外力破壞造成故障停電比例，指全年內(nèi)由外部因素導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障停電的次數(shù)與當(dāng)年故障停電總次數(shù)的比值。

3.1.3 用電類

一是年用電量增長(zhǎng)率，指區(qū)域年用電量相較去年同期的增長(zhǎng)率；二是用電量彈性系數(shù)，指用電量增長(zhǎng)率與GDP年增長(zhǎng)率的比值，計(jì)算連續(xù)三年平均水平；三是供電可靠率RS3，指排除電力系統(tǒng)中因計(jì)劃?rùn)z修造成的局部停電時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)用戶有效供電時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)與統(tǒng)計(jì)期間時(shí)長(zhǎng)的比值。

3.1.4 儲(chǔ)電類

儲(chǔ)能建設(shè)，以儲(chǔ)能配置達(dá)到新能源項(xiàng)目裝機(jī)容量的比例分段評(píng)估。

3.2 電力轉(zhuǎn)供

電力轉(zhuǎn)供即電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，具體含義為當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障并完成隔離之后，通過開關(guān)動(dòng)作切除部分非關(guān)鍵負(fù)荷，進(jìn)而可以在滿足安全約束的情況下，快速優(yōu)先恢復(fù)故障下游受故障影響而失電的重要負(fù)荷供電，同時(shí)盡量多恢復(fù)其他負(fù)荷供電。因此，負(fù)荷轉(zhuǎn)供可以顯著降低故障產(chǎn)生負(fù)面影響，降低后續(xù)損失，提高系統(tǒng)供電可靠性。

3.2.1 高壓電網(wǎng)供電類

110～220kV設(shè)備N-1通過率，城市110kV到220kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，任意某一獨(dú)立設(shè)備（發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器等）因故障脫離電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)應(yīng)能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和保證其他用戶供電，同時(shí)其他變電設(shè)備不發(fā)生負(fù)荷過載，其他線路不出現(xiàn)連鎖跳閘，造成用戶停電。

3.2.2 中低壓電網(wǎng)重構(gòu)類

一是 10～35kV電網(wǎng)可轉(zhuǎn)供率，指可轉(zhuǎn)供線路所占比例；二是中心城區(qū)全停全轉(zhuǎn)比例，中心城區(qū)是指市區(qū)范圍內(nèi)政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)、文化活動(dòng)的核心區(qū)域，其范圍由城市規(guī)劃確定，全停全轉(zhuǎn)是指在特殊條件下（如檢修或故障），變電站母線全部停電，線路也依然可以實(shí)現(xiàn)變電站負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移。

3.2.3 用電自供類

重要的電力用戶應(yīng)當(dāng)按規(guī)定自備應(yīng)急電源，符合規(guī)范要求配置自備電源的重要用戶戶數(shù)與重要用戶總數(shù)的比值即為規(guī)范配置率，其中重要電力用戶按特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)劃分，此外還包括臨時(shí)性重要電力用戶。

3.3 電力監(jiān)控與管理

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，電力監(jiān)控和管理由傳統(tǒng)定期巡查、手工抄檢的方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧谢h(yuǎn)程管理、不間斷檢測(cè)、自動(dòng)記錄、實(shí)時(shí)上報(bào)的模式，逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可觀、可測(cè)、可控，將有效提升能源利用效率、保障供電安全。

3.3.1 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理類

一是配電自動(dòng)化覆蓋率，配電網(wǎng)自動(dòng)化的含義為：在配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)之內(nèi)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、通信技術(shù)以及新型高性能配電設(shè)備的水平；二是配電通信網(wǎng)覆蓋率，配電通信網(wǎng)是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、控制和故障處理都依賴通信網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。三是電壓合格率，屬于Q/GDW 10650.8中規(guī)定在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量的物理量，通過統(tǒng)計(jì)物理量的符合性，評(píng)估電能質(zhì)量水平。

3.3.2 用電安全監(jiān)控類

一是用電引發(fā)消防安全事故，指年用電引發(fā)消防安全事故與用電人口數(shù)量的比例；二是智能電表覆蓋率，智能電表是電網(wǎng)中集電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸多項(xiàng)功能為一體的二次側(cè)設(shè)備，是后續(xù)實(shí)現(xiàn)信息整合、統(tǒng)計(jì)分析，以及發(fā)布展示的基礎(chǔ)。三是電力需求側(cè)響應(yīng)能力，具體指電力批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格變化或電力尖峰保供困難時(shí)，用戶基于事前或當(dāng)前與供電單位協(xié)商達(dá)成一致，確認(rèn)減少用電負(fù)荷可以獲得補(bǔ)償，或基于電力價(jià)格情況，主動(dòng)改變?cè)秒娔Ｊ剑_(dá)到改變負(fù)荷大小或者推移用電時(shí)間，從而匹配電力供應(yīng)，保障電網(wǎng)穩(wěn)定的能力。

3.4 電力應(yīng)急與恢復(fù)

發(fā)生如重大施工事故、公共緊急事件、性質(zhì)惡劣的違章操作、地震、洪澇等事件后，電力系統(tǒng)極易因局部故障擴(kuò)散而崩潰，同時(shí)引發(fā)大規(guī)模停電事故。根據(jù)《國(guó)家處理電網(wǎng)大面積停電事件應(yīng)急預(yù)案》規(guī)定，各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）政府應(yīng)當(dāng)對(duì)照國(guó)家處置電網(wǎng)大面積停電事件的應(yīng)急預(yù)案，結(jié)合本地實(shí)際情況，制定完備應(yīng)急預(yù)案并預(yù)先針對(duì)潛在大面積停電事件成立應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)，健全相關(guān)救援與處置體系。電力應(yīng)急搶修類別如下。

一是電力搶險(xiǎn)救災(zāi)應(yīng)急機(jī)制，評(píng)估電力搶險(xiǎn)救災(zāi)制度保障能力，完善電力應(yīng)急管理責(zé)任制度；二是極端天氣保供機(jī)制，強(qiáng)降雨、冰雪災(zāi)害、高溫?zé)崂说葮O端天氣狀況對(duì)電力設(shè)施造成損害，或影響其正常運(yùn)行，威脅電力保供，須建立極端天氣保供機(jī)制；三是災(zāi)害導(dǎo)致重大以上大面積停電事故恢復(fù)時(shí)間，表征了電力公司應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)建設(shè)的能力，可以通過完善黑啟動(dòng)方案，提升應(yīng)災(zāi)調(diào)度技術(shù)，優(yōu)化恢復(fù)策略加快電力恢復(fù)供應(yīng)；四是運(yùn)行、維護(hù)和搶修人員/裝備配備情況，涉及負(fù)責(zé)電力設(shè)施設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和事故搶險(xiǎn)搶修的操作人員完備和裝備先進(jìn)程度。

4 案例分析

基于本文指標(biāo)體系并征求意見進(jìn)行各項(xiàng)賦值后，對(duì)某市電力安全韌性水平進(jìn)行了評(píng)估，城市電力安全韌性評(píng)分如圖1所示。

圖1 城市電力安全韌性評(píng)分

分析評(píng)價(jià)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，市電力安全韌性領(lǐng)域的主要問題主要體現(xiàn)在供電、電網(wǎng)、用電、儲(chǔ)電和用電安全監(jiān)控等方面，總結(jié)而言可以歸結(jié)為電力供需形勢(shì)緊張和電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高兩方面，而電力供需在“供、網(wǎng)、用、儲(chǔ)”不同角度均有短板。具體表現(xiàn)為：在供應(yīng)側(cè)電源性缺電風(fēng)險(xiǎn)大，規(guī)劃對(duì)需求側(cè)增長(zhǎng)幅度估計(jì)不足；高/中低壓配電網(wǎng)發(fā)展不均衡；儲(chǔ)能發(fā)展未能緊跟可再生能源發(fā)展；由用電引發(fā)的消防安全事故未得有效遏制。

建議在保障電力供需安全方面：推動(dòng)應(yīng)急電源建設(shè)；促進(jìn)外來清潔電力引入，加強(qiáng)本地清潔電源發(fā)展；強(qiáng)化中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)精度。在強(qiáng)化城市配網(wǎng)建設(shè)方面：深化各電壓等級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，突破充電設(shè)施接入、清潔能源消納等關(guān)鍵技術(shù)；構(gòu)建交直微混合中壓網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建源荷協(xié)調(diào)低壓自治網(wǎng)絡(luò)。在增進(jìn)電網(wǎng)靈活性方面，大力發(fā)展儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)，加快儲(chǔ)蓄建設(shè)，推廣應(yīng)用新型儲(chǔ)能，建設(shè)“虛擬電廠”實(shí)現(xiàn)時(shí)空資源協(xié)調(diào)。在加強(qiáng)電氣火災(zāi)預(yù)防方面，強(qiáng)化用電安全教育和電氣火災(zāi)預(yù)防，規(guī)范電氣線路安裝，選用合格電器設(shè)備，汰換老舊產(chǎn)品。

5 結(jié)語

本文考慮韌性系統(tǒng)評(píng)估具備堅(jiān)韌性、冗余性、智慧性和迅速性等特征，提出了一套覆蓋電力系統(tǒng)建設(shè)、電力轉(zhuǎn)供、電力監(jiān)控與管理，以及電力應(yīng)急與恢復(fù)等多方面情況的城市電力安全韌性指標(biāo)體系。可為評(píng)估城市電力安全韌性水平提供基礎(chǔ)支撐，對(duì)各責(zé)任方的改善措施起到指導(dǎo)幫助。