面向防灾减灾的电网韧性评估及其恢复力提升

面向防灾减灾的电网韧性评估 及其恢复力提升 唐文虎教授 华南理工大学电力学院 2024年9月5日 莘南理工大学 目录 能源电力安全背景 韧性电网的内涵及其评估技术体系韧性电网恢复力提升的关键技术 四总结与展望 辛南理工大学 一、能源电力安全背景 莘南理工大学 能源电力安全背景 2023年7月11日，习近平总书记主持召开中央全面深化 改革委员会第二次会议指出加快构建“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能”的新型电系统；2024年2月29日，中共中央政治局就我国的能 源安全进行第十二次集体学习，习近平总书记指出要统筹思考国家能源安全，提升科技创新投入效能，为能源行业高质量发展指明了方向 在安全运行方面，电力系统“双高”形态（高比例新能源、高比例电力电子设备接入）、“双 新”特征（新设备、新技术广泛应用）日益突出，极端事件扰动频率增加，电力系统运行特性 日超复杂，环境一安全一经济自标相互制约，系统电压、频率调节能力面临严峻考验 莘南理工大学 韧性电网的提出背景 冰灾台风地震恶意攻击洪灾 2008年初的中2005年台风“达2011年福岛地2019年3月7日晚2021郑州暴雨造 国南方冰灾，维”使海南电网震、海啸造成间，委内瑞拉遭受成洪灾，800多14个省同时受系统瓦解，导致日本大面积停网络攻击和物理攻条城市配电线路灾，造成1亿多罕见的全省范围电超过4百万家击，致使3000万受损，超过98万 人口停电大面积停电庭，持续7-9天人失去电力供应用户用电受影响 “可靠”的电韧性 气象灾害大量断线、倒塔 网变得脆弱 网络攻击自动化设备、信电网 恐怖活动息通讯故障 辛南理工大学 挑战：高渗透率新能源，低惯量，发电侧可控资源减少 针对电力系统韧性研究，大规模可再生能源接入电力系统将带来一系列新挑战： 1：功率注入的随机性以及由此引起对能够维持频率稳定的灵活资源的需求（非传统火电资源）。在低惯量的新型电力系统背景下，分布式灵活资源快速发展，例如柔性负载、储能设备和智能逆变 器，它们可以通过减少峰值需求、平衡可再生能源和避免电压偏移为电力系统提供有价值的服务， 如需求响应、应急恢复。因此，如何在考虑网络约束的前提下，聚合海量的分布式的灵活资源 使他们更好的服务于新型电力系统是值得研究的2.由于当前配电馈线的承载能力有限，可再生能源渗透率的增加会导致配电网阻塞问题，并且由于 当前保护设备限制以及电压调节能力有限，许多配电馈线将无法处理反可功率流，驱需对配电网进行升级改造 3．新能源发电设施受天气影响较大，因而在极端气象条件下，新型电力系统的安全稳定运行将受到 更加产严重的挑战，需要建立面回新型电力系统的韧性评佰理论框架和恢复力提升策略 華南理工大学 二、韧性电网内涵及其评估技术体系 莘南理工大学 韧性电网的提出背景 韧性（Resilience）作为衡量平衡态之间 变化的指标由理论生态学家C.S.Holling 在1973年首次提出，已广泛应用于许多 学科，例如生物学、环境学、经济学等近15年来Resilience一词谷歌检索的趋势变化 Resilience不但有相关的国际标准，而 X? GocgleBooksNgramViewer nce,resiliesnt,cesiliend 1870-2019-Enghh(2019) 且还有专➀的技术委员会一一ISO/TC0.00100 0.00990% 292SecurityandResilience CIGRE专➀成立了工作组： C4.47-PowerSystemResilienceWorking Group 近150年来Rresilience在谷歌英文图书中的词频统计 图：复杂系统需要的是弹性还是韧性？从Resilience的译法说起-数字李生实验室，2020.9 莘南理工大学 韧性电网的提出背景 电力系统是重要基础设施，电力系统 运维弹性 基础设 施弹性 的安全稳定运行直接影响着国民经济鲁棒性！智能性/穴余性/适应性响应/恢鲁裤性/基醇设 抵抗性白动调节复能力抵抗性熊恢复 的发展与国家安全。一旦发生事故，将对经济、社会各层面产生严重的直 接或间接后果 Ro Rpr 弹性阶段 出件过程恢复状态 能力 恢复后状态 随看全球自然灾害遂练增多以及反恐 意识的增强，构建对极端扰动事件具 Rpe 事件后降额状态 fo tprtir(pir时间 电网遭受极端气象灾害时系统状态随时间变化的多阶段过程 有恢复力的“韧性电网”已成为各国国内学者： 西安交通大学邱爱慈院士、别朝红教授 着力发展国家战略，韧性电网的理论河海大学瀚平教授 研究与工程应用取得丰富成果 清华大学陈颖教授 香港大学侯云鹤教授 北京交通大学许寅教授等 莘南理工大学 韧性电网的提出背景 电力系统韧性概念： 韧性概念已经广泛应用于其他学科，在电力系统仍然没有统一的定义。虽然不同学者对其定 义有所差异，但其内涵基本一致。主要针对小概率高风险事件中电力系统对扰动事件的预防抵抗能力，灾害过程中的吸收响应能力，以及灾后系统快速恢复力 灾前灾时灾后鲁棒性：系统的建设标准，如输电线 输电塔的抗风、抗冰标准等 对外部干扰的抵抗能力灾害损失最小化能力恢复到灾前状态能力 灾害事件鲁棒性智慧性恢复性智慧性：系统解列运行能力，如分布 式电源控制、需求侧响应能力等 灾后学习灾后总结教训、经验恢复性：系统自愈能力，如防灾策略、 检修策略、检修效率等 10华南理工大学 韧性电网的提出背景 “韧性”与“可靠性”之间的区别 可靠性韧性 对象高概率-小风险事件小概率-高风险事件 内容评估电力系统状态 评估电力系统状态和不同状态之间的 变化 关注用户侧停电概率、频率、持续不仅关注对用户侧造成的影响，而且 关注系统的恢复能力 关注点时间、故障引起的期望电力损失及 期望电能量损失等描述 韧性评估不仅包含了可靠性的特点 而且还包含了对象系统的预警、吸收、适应以及快速恢复能力的评估 11莘南理工大学 韧性电网评估的技术体系 ■韧性评估方法：蒙特卡洛模拟、脆弱节点评估、韧性的提升方法 口韧性指标：面积韧性指标、相对面积韧性指标、多阶段韧性指标 评估体系韧性口电网响应模型：系统响应模型、最优潮流模型、最优负荷削减 电网 口系统修复模型：天气恶势程度、故障情况、维修策略、检修效率 1口系统故障模型：输电线路故障模型、杆塔故障模型、通信元件故障模型极端事件模型：气象灾害，例如台风灾害、冰雪灾害；网络故障、信息攻击 12華南理工大学 气象灾害模型 以台风、冰灾模型为例 台风模型：YanMeng风场模型考虑了地面粗糙度，冰灾模型：导线覆冰预测模型，根据冻雨持续时间较好描述了台风风场中力的关系，并给出了梯度风降雨量、空气中含水量及风速等气象数据获得覆冰方程，演化出了完整的解析解厚度 台风参数参边界是模！ 0球间 不是 计算择风速 1etV.VV a VP-fkxV+F R=-[(Pp)+(3.6/W) 莘南理工大学 系统故障模型 输电线-杆塔故障模型有限元输电塔模型 >历史数据：模糊算法、神经网络算法等，依托于大>水平位移界限（即刚度破坏界限）：输电塔顶 量的设备运行数据点水平位移不能超过输电塔高度H的1/100，若 经验数据：基于金属变形理论的关于大风、覆冰停超过该值，即认为输电塔破坏 运概率模型[1]等强度破坏界限：取决于结构或构件的许用应力 输电塔结构强度计算取输电塔底部单元截面应 按照地理环境与 位置将电网分区力最大点，材料的抗压强度设计值取310MPa。 若输电塔底部单元界面应力最大值超过抗压强 度设计值，即认为输电塔强度破坏 学统计 有限元建模分析模糊算法、概率 ×102 构建输电塔的停 构建输电线的停 构建其他元件的 运模型 运模型构建系统停运模型 停运模型 ×10* [1]梅生伟,薛安成，张雪敏.电力系统自组织临界特性与大电网安全[M].清华大学出版社,2009. ×103 华南理工大学 电网响应模型 ■电网的响应模型 》与可靠性评估不同，自然灾害下会发生大量设备停运，远远大于‘N-1’、‘N-2的情况，导致系统解列成多个子网，各子网存在孤岛运行 >系统响应建模规则 ·若拓扑结构里面没有发电节点，则认为所有负荷节点被切 ·若拓扑结构内有发电节点，切发电量大于负荷需求量，基于 最优直流潮流模型，重新调度，削减发电量 如果负荷侧需求大于供电容量，则按上一步骤的方法重新调 min M s.t. ND=0 MNA 度，削减负荷O≤P≤Pai,ViEND 莘南理工大学 系统修复模型 影响系统修复率的主要因素根据检修部➀位置、故障发生位置及道路情况估算路程 时间，检修时间基于检修队伍数、故障类型和检修策略 天气恶劣程度天气恶劣程度影响整体修复讲度 检修队伍 故障类型修复率/检修部➀位置 路程时间十。 故障类型 修复时间检修策略 故障点位置抗灾应急方案 路程时间检修效率 检修部➀位置故障发生位置 天气恶劣程度 检修队伍规模检修时间七，t=(ta+t)xk, 道路情况t为修复时间，t,为路程时间， 为检修时间，kw为天气影响因 16华南理工大学 韧性指标计算方法 韧性指标 R:[LI()-LR(0)]dt=A3.[1] 电力系统状态气象灾害发LI(0) 正常生点LR(t) S, 抵御恢复 改进RRICD= ["LR()dt/ K JTLR()dt LI(0)dtTs-To Tdur [3] 降额 S, TT,T2T, 买时间 A1+A2Tdur AI+A2+A3T5-To 灾前灾时灾后恢复灾后学习 1区间.T]。如冰灾、台风等气象的影响都是逐渐加强，系统足以抵抗前期较弱的影响，并保持正常状态 运行一点时间，即A 2)引入持续时间因子Tdur。系统一直受到气象灾害的影响，即Taur很大，而导致系统长期处于恢复状态，即Ts T3很大 [1]M.BruneauandA.Reinhorn,“"Exploringtheconceptofseismicresilienceforacutecarefacilities,"Earthq.Spectra,vol.23,no.1,pp.41-62,2007. [2]M.Ouyang.L.Dueias-Osorio,andX.Min,**Athree-stageresilienceanalysisframeworkforurbaninfrastructuresystems,"Struct.Saf.,vols.3637,no.2,pp.2331,2012 [3]YangYH.,TangW.H.,LiuY.,XinY.L.,WuQ.H.,Quantitativeresilienceassessmentforpowertransmissionsystemsundertyphoonweather.IEEEAccess6(2018):40747-40756 辛南理工大学 电力系统韧性评估 电力系统韧性评估举例：台风灾害下输电线路故障 BUS10 25 BUS12 BUS13 1.0- 0.8 2850 20-BUS15 情况1 s/u) BUS16情况2 15BUS222800情况3 情况4 100.4 5.0.2 00.02700 020406080100591011121315161718192021232526050100150 r/h线路编号t/h IEEERTS-79测试系统灾害强度各线路的故障概率系统韧性指标曲线 唐文虎，杨毅豪，李雅品陆佳政，吴青华极端气象灾害下输电系统的弹性评估及其提升措施研究1.中国电机工程学报2020.40(07):2244-2254+2403 18莘南理工大学 三、韧性电网恢复力提升的关键技术 莘南理工大学 3.1电力系统韧性的提升措施 莘南理工大学 物理电网韧性的提升措施 关注对象：物理电网的韧性 提升电网韧性主要的三人方面： 1）损害预防：应用工程设计和部分系统加固技术，加强电力系统抵抗力 2）系统恢复：设计多资源协调频率控制技术和恢复策略来尽快恢复供电 3）生存性：利用分布式电源和源荷互动技术，在不能完全恢复供