多適應性電網規劃風險評估框架設計及應用展望

劉開俊，高 藝，宋福龍

(囯網北京經濟技術研究院，北京市102209)

0 引 言

隨著電網的快速發展，電網結構愈加復雜，現代電網不僅是傳統意義上的電能輸送載體，還是經濟發展和社會進步的重要基礎和保障，具有能源轉換、高效配置、清潔環保和友好互動的特征。電網規劃作為電網發展的前期決策階段，直接關系到電網投資使用的合理性與能源資源利用的經濟性，其基本任務是在保證系統安全穩定運行和滿足電力市場發展需求的前提下，統籌考慮，合理布局，消除薄弱環節，增強抗事故干擾能力［1］。

任何一個電網都客觀存在風險，尤其是伴隨電網中不確定因素逐漸增加，電網運行面臨的風險因素更加復雜多樣。風險和不確定性緊密相連，風險評估是對風險發生可能性及其造成影響的估計。將風險評估引入電網規劃，可在電網規劃過程中考慮國民經濟發展、資源優化配置、電網運行環境等多個影響電網發展的內外部不確定因素，從而使電網規劃方案更加經濟和合理。

本文提出多適應性電網規劃風險評估框架體系，為完善電網規劃方法提供一種新的思路。首先分析新形勢下電網規劃工作面臨的挑戰，然后總結分析國內外電網規劃風險評估技術研究進展及開展風險評估工作的意義，在此基礎上提出我國多適應性電網規劃風險評估框架和整體思路，給出評估流程，并對風險評估技術在未來電網規劃領域的應用前景進行探討。

1 新形勢下電網規劃工作面臨的挑戰

1.1 大規模可再生能源集中開發

近年來，全球能源安全和氣候變化問題日益突出，國內煤、電、油、氣、運的緊張局面反復出現，生態環保形勢日趨嚴峻［2］。許多國家將發展可再生能源作為緩解能源供應矛盾、應對氣候變化的重要措施［3-8］。風能、太陽能等多種形式的可再生能源發電具有出力波動性和隨機性的特點，其可控性和可預測性低于傳統化石能源發電，當可再生能源并網水平增加到30%以上時將需要電力系統技術變革［9］，這也給電網規劃工作帶來巨大挑戰。

1.2 電網格局變化

我國能源資源分布不均衡，未來煤電基地大多集中在北部和西部煤炭資源富集地區，水電主要分布在西南地區，風電、太陽能等可再生能源主要集中在“三北”地區，能源資源和電力需求呈逆向分布的現實決定了我國電力資源必須在全國范圍內進行配置［10-11］。隨著一批特高壓輸電項目建設，特高壓交直流混合輸電系統的形成將極大地改變目前電網基本格局，電網必須適應大量能源長距離傳輸帶來的不確定性。各區域之間負荷波動不同步、大容量機組退出運行等因素將增加系統潮流的不確定性，如何進行再平衡、如何對電網結構進行調整增加了電網規劃的難度。

1.3 建設現代配電網

隨著分布式電源快速發展，電動汽車、儲能裝置等新型用電負荷大量接入，配電網由無源網變為有源網，潮流由單向變為多向，客戶需求由單一變為多元［12-13］。如何建設具有網絡結構完善、技術領先、互動高效、靈活可靠等特征的現代配電網，保證上級電力的有效配送，滿足分布式電源的充分消納和電動汽車等多元化用戶的大量接入，為用戶提供充足、可靠、優質、經濟的電力供應，是對電網規劃和發展建設提出的新要求。

1.4 外部環境因素的影響

隨著社會的發展，電網規劃實施可能造成的生態環境破壞以及與各級總體規劃是否相協調、公眾是否滿意等［14-15］，對電網規劃提出了更高的要求。特別是，近年來氣象災害出現的次數愈加頻繁，嚴重威脅電網的安全穩定運行，一旦極端氣象災害發生，必將導致輸電線路的故障率激增，電網可能會因此而發生大規模停電事故，從而造成巨大的經濟損失［16］。如何進一步提高電網建設和投資決策水平，處理好電網可靠性與經濟性之間的關系，統籌考慮資產壽命周期內的全成本，實現電網資產在規劃設計、建設改造、運維檢修等全過程的整體經濟性最優，也是擺在電網規劃和設計工作者面前的一項重要課題。

2 電網規劃風險評估研究現狀及意義

2.1 國內外電網規劃風險評估研究現狀

北美、歐洲、俄羅斯、英國等多個國家和地區現行電網規劃準則基本上以確定性準則為主，即采用技術條款和事件校驗的方法來評價輸電網的可靠性［17］，但面臨大規模新能源接入、電網格局變化、電網運行隨機行為受外部環境因素影響逐漸增加、負荷增長受國際經濟形勢影響較大、分布式電源建設、電動汽車和儲能裝置等新型用電負荷大量接入等諸多問題和挑戰［18-23］?；诟怕史治龅娘L險評估技術在電網規劃中的應用得到國內外電力企業和學者的重視，并開展了大量的研究工作。

國際大電網WG37 工作組為解決電網發展規劃中何時、何地、何種設備應裝設在電網中，在滿足安全可靠的同時最大限度降低投資、運行和停運成本問題，提出采用靈活的規劃方案，應對多階段電網發展規劃中不確定性因素給電網帶來的風險，這樣的電網方案既可獨立于任何系統結構的變化，又可根據合理成本在原有方案基礎上迅速修改［24］。

加拿大學者研究了風電接入容量、位置對電網風險水平的影響，給出風險評估模型和方法，并提出制定電網規劃和運行標準時應考慮風電影響的建議［25-26］。文獻［27］以大規模風電中接入為背景，建立了計及系統靜態和動態安全性價值電源、電網統一規劃模型。文獻［28］提出在實際電網規劃中，考慮負荷增長等不確定性因素時，可使用基于最小期望成本法或最大后悔值法對電網規劃方案進行風險評估，同時可將圖譜論應用在電網風險分析中識別關鍵節點和線路，提高系統面對多重故障、連鎖故障和災難事件的安全抵御能力。

為尋找嚴重制約電網可靠性的區域或元件，在系統風險評估的基礎上，國內外研究者還提出了靈敏度分析法、可靠性跟蹤法、圖譜論等多種電力系統薄弱環節辨識方法［28-30］。

為研究線路、變壓器等輸變電設備受外部自然環境影響產生隨機的停運風險，研究人員提出相關評估模型和方法，評估冰災、雷擊等惡劣氣象條件對輸變電設備安全運行造成的影響［31-34］。

現有電網規劃風險評估研究主要是針對電網規劃中遇到的單個不確定因素進行深入分析，并且側重風險評估方法和模型的研究，未統籌考慮電網規劃中多個不確定因素，缺少風險評估的多適應性頂層設計。

2.2 電網規劃風險評估意義

目前，我國電網規劃方案的技術性風險評價主要基于確定性原則判定事故發生的后果，忽視了事故發生的頻率和可能性。隨著風能、太陽能等可再生能源的大規模開發，資源的優化配置，電網規劃問題已成為混合的、隨機的并且具有高度復雜性的問題。在未來電網規劃中，引入考慮不確定因素的電網規劃風險評估技術，一方面可以使電網的風險水平保持在一個可以接受的范圍內，更好地適應復雜多變的環境，另一方面可以通過量化風險評估，讓電力用戶知道可能遭遇的停電事件平均發生的頻率、持續時間以及嚴重程度等風險信息。這對進一步提高電網的安全性、有效降低風險損失，提升規劃的科學性具有重要意義。

3 多適應性電網規劃風險評估框架設計

3.1 評估框架設計

電網規劃風險評估框架可以理解為由評價對象、評價層級和評價約束因素構成的三維框架。在電網規劃階段引入風險評估技術，綜合考慮未來電網建設面臨的可再生能源集中并網、分布式電源、設備運行氣象條件、土地資源利用、環境保護、電網發展建設的社會接受程度、國家經濟發展形勢和全壽命周期成本管理等多種不確定因素，對選定的輸電網、配電網、直流輸電系統、輸變電工程等對象進行整體或局部、靜態或暫態風險分析，量化風險造成的損失，實現電網規劃方案技術經濟的整體最優目標。電網規劃風險評估框架如圖1 所示。

基于電網風險評估框架開展風險評估的整體思路是從提高電網安全穩定運行的全局角度出發，明確電網規劃風險評估流程，引入科學評價方法，建立合理的評價指標體系，對未來規劃期內電網發展進行指導。

電力規劃風險評估具體分為4個步驟:

圖1 電網規劃風險評估框架圖Fig.1 Risk evaluation framework of power grid planning

(1)分析辨識電網的風險要素，從風險來源、風險類型等角度分析電網風險的產生機理，對電網風險要素進行不確定性建模，以此作為風險評估的重要基礎。

(2)按照系統性、科學性和客觀性原則建立電網規劃的風險預測評估指標體系，利用概率分析方法計算指標，定量分析規劃方案的風險水平。

(3)基于整體風險評估結果，研究電網風險的內在聯系，辨識電網薄弱環節，優化電網結構，調整建設時序。

(4)協調經濟性與可靠性之間的關系，將風險評估指標納入傳統技術經濟比較中，體現整體社會效益。

3.2 評估流程

結合傳統電網規劃方法，根據電網規劃風險評估的整體思路，給出電網規劃風險評估流程，如圖2 所示。

圖2 電網規劃風險評估流程Fig.2 Risk evaluation process of power grid planning

首先研究電網現狀及其相關的技術分析、規劃時間跨度內的負荷水平與電源規劃。其次，結合電網的長期運行經驗，制定可行的規劃設計方案;同時，將經濟發展、負荷需求預測、新能源集中并網、氣象環境等電網內外部不確定因素作為風險來源。然后，針對滿足技術要求的規劃方案進行風險評估建模，分析方案風險水平，得到量化風險指標及風險損失費用。將風險損失費用納入到對規劃方案的經濟性評估上，并將風險評估指標作為方案綜合比選因素之一，最終確定最佳的規劃設計方案。

4 應用前景及展望

為保障我國電網長期安全穩定運行，未來風險評估技術在交流輸電網和配電網發展規劃、直流輸電系統規劃、網架加強規劃、輸變電工程建設必要性分析、變電站可靠性評價、電網輸變電設備選擇和維修等多個方面具有重要的應用前景。

若對電網規劃方案進行靜態、暫態風險評估，研究規劃方案靜態安全穩定運行存在的風險水平，或在嚴重故障情況下的暫態風險程度，可從風險角度，為規劃方案決策提供依據;在網架加強規劃中應用基于風險評估的薄弱環節辨識，明確元件在系統中的重要程度，得到元件對系統風險事件的貢獻，判斷影響電網風險水平的主要原因，對優化網架方案具有重要作用;通過分析輸變電工程投產前后對電網風險水平的影響，評價輸變電工程建設的必要性;將風險評估應用在輸電通道建設時序方案選擇中，評估不同建設時序方案對系統整體風險水平的影響，為合理的工程建設方案和時序配合提供技術參考;變電站作為網架結構的重要組成部分，若能充分考慮不同層級電網之間的協調運行，從事故發生概率和后果的綜合效應來評價變電站的可靠性和安全性，綜合考慮變電站接入對電網安全風險、缺供電風險等方面的影響，使變電站設計方案更加科學。

總之，合理的電網規劃是保證電網安全、穩定、經濟運行的有效手段，同時也是保證盡可能地減少電力建設投資浪費的重要前提。電網規劃方法在不斷發展，將風險評估技術引入電網規劃設計中，可充分考慮電網規劃中面臨的諸多不確定性因素，指導網架的構建以及規劃方案的決策，提高電網資源綜合利用效率和社會效益，確保電網可持續發展，更好地適應未來復雜多變的自然和社會環境。對構建現代能源綜合運輸體系，在更大范圍內優化能源資源配置，保障能源安全，推動技術創新，服務經濟社會可持續發展都具有重要的意義。

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