新型电力系统应对极端事件的风险防范与应急管理关键技术

保障电力安全是贯彻落实总体国家安全观的基本要求。当前,我国电力系统正向新型电力系统演进,新能源不确定性、设备低抗扰与弱支撑性等特征变化叠加日益严峻的极端事件威胁,使得提升电力系统弹性、防范电力安全风险成为一项复杂且具有挑战性的工作。该文在详细介绍新型电力系统弹性提升所面临挑战的基础上,从“风险评估—投资规划—预防准备—响应恢复”4个层面归纳新型电力系统应对极端事件的电力风险防范与应急管理技术,系统分析各层面的关键技术与研究重点。最后,对保障新型电力系统电力安全的实现路径进行展望,提出进一步深入研究的方向。

特约主编寄语

2023年7月11日,习近平总书记在中央全面深化改革委员会第二次会议强调要加快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统,更好推动能源生产和消费革命,保障国家能源安全。相较于传统的电力系统,新型电力系统“三高双峰”的运行特征,对其安全可控带来前所未有的挑战。一方面,高比例新能源接入后的电力系统,系统灵活性需求大幅增加,但传统电源被新能源替代,大大降低了常规灵活性资源的容量,新能源固有的波动性给电网稳定性带来了严重的威胁。

基于V2G与应急通信的配电网信息物理协同快速恢复方法

随着新型配电系统的快速发展,配电网与通信网络的相互依赖程度逐渐加深。在极端灾害发生后,一方面,配电网失电后的恢复控制需要依靠通信网络的有效支撑,灾后使用电动汽车与电网互动(V2G)恢复负荷电力供应的过程,同样离不开通信网络的引导作用;另一方面,通信网络的正常运行依靠配电网的电力供应。因此,为解决配电网灾害后电力网络与通信网络交互影响下的负荷恢复问题,提出了一种基于V2G和应急通信的配电网信息物理协同快速恢复方法:在灾害发生后,通过调配搭载无线通信基站的无人机前往通信故障区域构建应急通信网络,从而迅速恢复对区域线路开关的控制能力与对电动汽车的引导能力,进而引导电动汽车前往车辆并网站形成分布式电源并控制配电网拓扑重构,以恢复负荷的电力供应。该方法基于灾后无人机与电动汽车的调度约束以及配电网的运行约束,建立了配电网信息物理协同恢复模型,并通过配电网和交通网耦合算例验证了所提方法的有效性。

台风场景下基于多种分布式资源协同的弹性配电网两阶段供电恢复策略

近年来频发的自然灾害极大威胁配电网安全运行,统筹考虑不同分布式资源特点,发挥分布式资源互补互济优势,有助于解决灾后配电网部分线路损坏、电力供应不足问题,实现电网灾后快速恢复。在电网中分布式资源种类不断丰富的背景下,本文提出一种台风场景下基于多种分布式资源协同的弹性配电网灾前及灾后两阶段供电恢复策略。首先,考虑配电网和交通网耦合的影响,灾前阶段在考虑电动汽车调度的同时,以加权失电量期望最小为目标建立移动储能和抢修队应急仓库选址模型;其次,根据以上3种分布式资源以及柔性负荷的灾后响应特征,将灾后阶段分为紧急功率支撑和负荷快速恢复两个过程,搭建了配电网灾后多时段恢复优化模型;然后,通过深入研究多种分布式资源的优缺点,设计了配电网两阶段供电恢复框架;最后,设计了多组算例,验证了所提方法的有效性和可行性。

基于内嵌物理知识卷积神经网络的电力系统暂态稳定评估

针对现有数据驱动的电力系统暂态评估方法依赖大规模数据集且可解释性不足的问题,文中将物理知识嵌入传统数据驱动方法,提出一种基于内嵌物理知识卷积神经网络的电力系统暂态稳定评估方法。该方法考虑大规模风电并网的电力系统,将电力系统暂态稳定物理方程内嵌至神经网络损失函数,通过神经网络直接逼近物理过程,使输出结果满足物理规律,提高暂态稳定评估的可靠性与可解释性。通过数据与知识双驱动,所提方法不依赖大规模训练数据集,依然具有较好的鲁棒性与泛化能力。此外,所提方法通过卷积神经网络进行特征提取与降维,解决拓扑数据无法直接作为神经网络输入的难题。在含风机的IEEE 9节点和IEEE 39节点测试系统上的实验结果表明,所提方法在准确率、计算效率、泛化能力等方面相较现有方法有显著提升。

基于智能储能软开关的多馈线共享储能鲁棒性规划

通过固定位置接入的储能,空间调节能力受到限制,难以应对配电网不同馈线上出现的灵活性不足问题。为此,可以将储能接入智能软开关(SOP)的直流端口,形成基于智能储能软开关(E-SOP)的多馈线共享储能,实现储能功率在不同馈线间的灵活转供。建立了一种多馈线共享储能多目标双层鲁棒规划配置模型。该模型采用多面体不确定性区间刻画随机性源-荷的功率波动范围;规划层确定多馈线共享储能的配置方案,运行层以新能源消纳、网损降低、功率支撑以及电压治理等综合目标最优,确定“最恶劣”场景下的最优运行方式。随后,采用对偶法和列与约束生成算法(C&CG)完成模型求解。通过IEEE 33节点系统进行算例分析与对比验证,结果表明多馈线共享储能可有效提升储能利用率,改善配电网运行灵活性。

考虑热储灵活配置与热网水力热力特性的电热综合能源系统优化规划

电热综合能源系统优化规划可以定量决策电热耦合系统转型,在规划层面充分开发风电消纳路径。为此,提出一种考虑热储灵活配置与热网水力热力特性的电热综合能源系统优化规划方法。基于变流量-变温度策略构建热网模型,建立电力系统与灵活热源-热网-热储协同规划模型。提出预定参数型、功率平衡下最优投资型、变流量温度下最优投资型、时间系数离散型4种热储建模方法,实现热储灵活配置,采用二项式凸松弛和大M法将非线性规划模型转化为混合整数二阶锥规划模型求解。通过算例分析验证了所提方法可以有效提升规划方案的经济性,保证系统运行可行性,实现风电高比例消纳。

“源网荷储”协同助力陕西省新型电力系统建设

“双碳”目标战略背景下,国内电力行业以构建新能源为主体的新型电力系统为目标,积极开展相关研究并探索转型之路。陕西省风光资源丰富的资源禀赋与位于“清洁大送端”的区位优势决定其自身的电力发展路径具有重要的示范意义。以陕西省实际情况为基点,从源网荷储4个环节入手,分析了陕西省电力行业的发展现状与面临的问题,提出了“源网荷储”协同助力新型电力系统建设的思路。电源侧以新能源为主体,传统机组兜底保障为发展目标;电网侧积极向适应高比例新能源并网、多元化负荷接入、多市场主体参与的方向进行转变;负荷侧加强主动响应资源管理,并尝试构建面向新能源消纳的多能互补系统;储能侧尽快建立健全相关机制,充分发挥储能的支撑作用与新能源消纳潜力。最后给出了相应的可推广至其他省市地区的应用建议。

基于移动储能和电动汽车V2G的弹性配电网经济性灾后恢复决策方法

近年来,为应对频发的极端事件,配电网弹性提升技术迅猛发展。在实际应用中,技术方案经济成本过高成为制约其应用落地的重要因素。针对上述问题,本文提出了一个融合移动储能与电动汽车并网(V2G)技术的配电网弹性提升方案,其具体目标为优化灾后供电恢复过程中的经济成本,同时确保恢复效能。在灾害初期,通过建立预先的电动汽车调度模型来获取电动汽车的分布状况以及各个V2G站点的最大供电能力。接着,基于实际的道路网络规划和电力负荷数据,决定临时的移动储能(MESS)仓库的安置地点。在灾害后期,将恢复过程中的综合经济成本作为优化目标,通过调整V2G站点的输出和MESS的调度策略来进行优化决策。对所提方法运用多组算例进行了验证,仿真结果表明,所提协同恢复方案在降低系统灾后失电量的同时能够有效改善弹性策略的经济性。

基于直升机优化调度的电力系统灾后快速恢复模型

小概率-高风险的极端事件发生频率呈上升趋势,电网安全问题愈发严峻,建立健全应对极端天气和自然灾害的电力应急响应机制迫在眉睫。为确保高电压等级骨干网架的安全运行,充分利用通用航空资源,提出了一种电力系统灾后快速恢复方法。首先针对直升机飞行特性以及航路三维特性,建立了直升机三维航路规划模型,包含最小离地高度约束、最大转弯距离约束和最大俯仰距离约束等。在此基础上建立了基于直升机优化调度的电力系统灾后快速恢复模型,模型以经济损失最小为目标,考虑停电损失和直升机调用成本;约束条件包含直升机维修路径约束、电力系统安全运行约束及故障线路状态耦合约束,考虑了直升机容量约束、航行里程约束使得模型更加贴切实际。算例测试采用改进的IEEE 30节点系统,展示了利用直升机进行灾后恢复的全过程,结果验证了所提模型的有效性。

城区配电系统自适应鲁棒应急检修计划编排方法

提出城区配电系统自适应鲁棒应急检修计划编排方法,旨在提高检修计划的灵活性和适应性,应对各种不确定性和突发事件。首先,基于“防御-攻击-防御”思想建立配电网元件检修模型。灾前防御决策人员根据有限的检修预算,考虑攻击场景,选择配电系统中的线路与电源进行检修;灾中攻击者考虑防御者能采用的优化运行策略,根据有限的攻击预算选择线路与电源进行攻击;灾后运行人员利用优化运行策略,应对攻击者所采取的攻击方案,最小化攻击造成的影响。所构建的三层两阶段自适应鲁棒优化模型基于列约束生成算法进行求解,在同时考虑配电网的灾前强化策略和灾后运行策略的前提下解决了配电网元件强化的问题。最后基于IEEE RTS-96高压配电网测试系统验证了所提模型和算法的有效性,为城区配电系统的安全稳定运行提供了支持。

共建共享模式下兼顾多场景需求的储能规划及成本分摊

储能是支撑构建新型电力系统的关键装备,针对单一主体在特定应用场景下投资储能存在成本疏导难、投资回报低的问题。通过“众筹共建、集群共享”的商业模式可以提升储能利用率和收益,在多主体间实现储能资源的成本分摊、利益共享。因此,基于共建共享商业模式,提出考虑多投资主体下兼顾多场景需求的储能规划框架,并建立为数据驱动的分布鲁棒优化模型,通过综合范数约束刻画新能源出力的不确定性;同时在优化模型中构建了动态频率安全约束以保障系统频率安全,并通过线性化方法将复杂非凸的频率最低点约束转换为线性约束。其次,采用CCG算法对规划模型进行求解。最后,基于Shapley值法的成本分摊机制对共建共享模式下储能投资成本进行合理分摊。通过IEEE39节点系统验证了模型有效性,结果表明所提方法可以兼顾多主体多场景对储能的需求,同时降低各主体的投资成本。

考虑氢混燃机动态混氢特性的电-气互联系统优化调度

电–气互联系统是综合能源系统的重要组成部分,燃气机组是其中关键的能源耦合元件,而随着能源系统低碳化转型,燃气机组掺氢燃烧发电的技术应运而生。传统氢混燃机相关研究大多只考虑固定掺氢比运行的情况,并未考虑机组动态调整掺氢比运行的影响。传统电–气互联系统优化调度相关研究主要面向运行经济性,而对计及氢混燃机的能量与备用统一出清鲜有研究。为此,该文提出了一种考虑氢混燃机动态混氢比的电–气互联系统优化调度方法,基于动态混氢特性建立氢混燃机精细化模型,并通过电解水制氢技术为氢混燃机提供氢气来源,配置储氢罐和储气罐作为联合体为系统提供备用;采用二项式松弛方法对氢混燃机耗气流量方程进行线性转化,将原有非凸非线性模型转化为混合整数线性规划模型求解;最后通过仿真验证所提方法的有效性,分析不同场景下系统运行状态,实现了“风电–电解水制氢–氢混燃机”模式下风电消纳潜力的深度挖掘。

台风灾害下考虑修复不确定性和V2G的弹性城市电网动态供电恢复方法

快速可行的灾后恢复是弹性电力系统的重要一环。提出一种弹性导向的考虑修复不确定性和V2G(vehicle to grid,V2G)的城市电力系统动态供电恢复方法,灾后短期内应用V2G站中的有限电动汽车资源为城市电网提供电能支撑,同时派遣抢修队对故障线路进行抢修作业,实现系统快速恢复。对V2G和电动汽车灾前、灾后行为进行建模,通过灾前自由调度统计各V2G站附近的电动汽车数量,按照响应意愿比例得到灾后阶段各V2G站反向输电功率;对包含行驶行为和修复行为的动态修复行为进行建模,采用滚动时域优化方法决策修复的先后顺序,得到抢修队最优动态修复方案。最后,设计多组算例以验证所提方法的可行性,结果表明,该方法可有效支撑灾后城市电力系统快速恢复,提高系统弹性。

考虑隐私保护的综合能源负荷联合聚类方法

能源系统多元化发展的背景下,深度挖掘综合能源用户的价值,提高能源系统灵活性是构建综合能源系统的关键路径。用户负荷聚类是提炼多类型用户的共性用能特性、提取用户用能模式的基础。与传统电力用户相比,综合能源用户聚类存在多个问题:用户的用能需求不局限于单一能源,不同类型能源的数据存在耦合关系;综合能源系统结构关系复杂,能源数据分属多运营主体,各主体不会向其他运营主体披露隐私数据。本文提出一种基于参数共识的综合能源联合聚类方法。该方法考虑用户数据的隐私性,适用于数据被分散存储且不同负荷聚合商之间存在信息隔离的情况,并能得到和集中式聚类相同的结果。通过多种能源联合聚类,聚类结果能够表征多能耦合下用户的用能习惯,为综合能源需求侧管理策略和系统运行优化提供决策依据。通过美国旧金山建筑能耗数据集验证了本文所提方法的有效性。

综合能源系统可靠性评估的研究现状及展望

在能源危机和环境恶化的双重压力下,以电力系统为核心,通过电、气、冷/热等各类能源的分配、转化、存储、消费进行有机协调与优化,充分利用可再生能源的综合能源系统应运而生。作为规划与运行的基础,可靠性评估研究对推动综合能源系统的发展具有重要的意义。从综合能源系统提出的背景及意义、内涵和典型架构出发,对其可靠性评估的研究现状进行梳理,并从模型、算法及指标体系3个方面归纳了综合能源系统可靠性评估亟需解决的问题。在此基础上,对未来的研究方向进行展望,为综合能源系统可靠性评估的研究提供参考和建议。

弹性配电网恢复力快速评估的解析方法研究

该文从解析方法入手,开展了对弹性配电网恢复力评估指标与方法的相关研究。引入系统功能图以及节点元胞,简化网络拓扑复杂度,获取各个元胞的灾害中停电时间期望、灾害后维修时间期望以及系统的失负荷期望值3类评估指标;通过供能通路,将元胞在自然灾害各阶段的响应表述为概率事件并进行解析表达,得到可用计算机实现的评估指标解析式;基于IEEE 13和IEEE 123节点算例进行测试分析,并结合评估结果,提出相应提升配电网弹性的措施。算例表明:所提解析方法可快速评估配电网恢复力,具有较强适用性。

考虑多类型主体的电能量与调峰辅助服务联合出清模型

随着电力系统新能源渗透率的不断提高,调峰灵活性资源的紧缺成为促进新能源消纳面临的最大难题之一。该文从市场机制出发,基于陕西省多类型主体灵活性资源和调峰辅助服务市场的现状,设计考虑了多类型主体全面参与的电能量与调峰辅助服务出清模型。通过陕西省的具体算例验证了该模型在深度发掘陕西省电力系统灵活调节能力方面的有效性。

综合能源系统运行可靠性评估综述及展望

研究综合能源系统的运行可靠性评估对规避综合能源系统的短期风险、保障其安全稳定运行具有重要价值。考虑系统运行状态、实时运行环境等因素的影响,分析综合能源系统在当前状态下未来短期内的可靠性水平,通过给出实时的运行可靠性指标为系统的运行调度提供决策支持。首先介绍综合能源系统的发展背景及意义、运行可靠性评估的概念及必要性;然后从运行可靠性评估建模、模型驱动以及数据驱动的运行可靠性评估方法3个方面,对国内外研究现状进行梳理,并分析归纳当前综合能源系统运行可靠性评估研究所面临的亟需解决的问题;最后针对问题,提出模型-数据混合驱动的综合能源系统运行可靠性评估思路,并对未来的研究方向进行展望。

电力系统应对极端事件的新挑战与未来研究展望

自然灾害和人为攻击等极端事件威胁电力系统的安全稳定运行,受到广泛关注,提升电力系统极端事件下的快速恢复能力,构建弹性电力系统逐渐成为世界各国的共识。近期,委内瑞拉大停电使得电力安全问题上升到新的高度,同时在能源转型和电力发展的新形势下,电力系统应对极端事件又将面临一系列新的挑战。介绍了极端事件与弹性电力系统的概念及相关研究现状,概述了一些自然灾害和人为攻击导致的大停电事件,并分析了弹性电力系统应对极端事件面临的新挑战,最后对弹性电力系统未来研究方向进行了展望。