基于系統動力學模型的新型電力系統涉網安全機制研究

邵沖，張柏林，甄文喜，劉海偉，李津

1.國網甘肅省電力公司，甘肅蘭州，730030；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州，730030

0 引言

在“碳達峰，碳中和”背景下，各省市積極出臺節能減排等相關政策，開始在新能源領域謀篇布局。山西省提出了風電、光電制造業三年計劃；浙江省、山東省發布的全省能源指導意見指出，要降低煤電比例[1]；甘肅省出臺的《甘肅省“十四五”能源發展規劃》指出，甘肅要結合自身資源與區域優勢，加快構建以風、光等新能源為主體的新型電力系統。隨著新能源滲透率不斷提升，電網系統結構愈加復雜，系統特性逐漸改變且日趨復雜。大規模的新能源并網將使場站層級多、通信不規范、設備協調控制難度大、功率響應慢等問題更加突出，對新型電力系統涉網安全管理帶來巨大挑戰。近年來，英國[2]、澳大利亞[3]、美國[4]、歐洲[5]等國家和地區的新型電力系統，都曾發生過嚴重的涉網安全事故。

近年來，部分學者已對新型電力系統的涉網安全問題展開研究，并取得了一些成果。孫建波等從新能源接入角度，分析了電網涉網安全情況[6]；劉曉欣采用模糊層次聚類法，從電網的結構、運行、技術和極端環境四個方面，對地區電網的涉網安全狀況進行了綜合評價[7]。崔明建等提出了一種多層次灰色面積關聯分析法，以評價電網安全[8]。也有部分學者研究了新型電力系統的架構與建設、建設安全管理和信息安全問題[9-11]。但是以上研究缺少對新型電力系統涉網安全問題的系統分析，更是忽略了不同影響因素間的相互關系。因此，本文在全面梳理和歸納，新型電力系統涉網安全影響因素的基礎上，通過系統動力學模型，探究不同影響因素間的相互關系，仿真不同因素對新型電力系統涉網安全水平的影響；并基于仿真結果，為有效提升新型電力系統涉網安全水平，提出針對性建議。

1 涉網安全風險識別與傳導路徑分析

新型電力系統涉網安全風險的影響因素眾多，不同因素對新型電力系統涉網安全水平的影響各不相同。在進行系統動力學仿真之前，本文首先結合新型電力系統的特點，對涉網安全風險的影響因素進行識別；然后，分析新型電力系統涉網安全的風險傳導路徑。

1.1 風險識別

根據已有文獻和專家訪談，本文將風險因素歸分為，組織管理風險、網絡安全風險、新能源政策變化風險、自然災害風險、規劃設計風險、電源并網風險，以及調度運行風險7類，共識別出風險因素35項，見表1。

表1 新型電力系統涉網安全風險識別結果

1.2 風險傳導路徑分析

根據已識別出的7類涉網安全風險，通過專家訪談，判斷各個風險要素之間的因果關系，構建初始風險傳導路徑，如圖1所示。

圖1 新型電力系統涉網安全風險傳導路徑

為度量風險因素之間的因果關系，本文結合識別出的35項風險指標，采用李可特5點量表形式，設計調查問卷，并通過網絡發放。共回收問卷546份，其中有效問卷493份，有效回收率達90.3%。調查對象分別來自，電力調度中心、供電公司、風電場、光伏電站、安全監察部門、住建部、運維部和電科院等。上述人員均參與過電力系統的涉網管理工作，從而保證問卷數據的可信度。

首先，對收集到的問卷進行信度和效度分析。其中，各個風險指標的因子荷載值均大于0.5，Cronbach'sα系數均大于0.8，說明問卷具有較高的信度和效度。然后，基于變量間的假設關系，構建新型電力系統涉網安全風險傳導路徑的結構方程模型，并利用AMOS軟件，驗證所提出的風險傳導路徑假設。統計結果顯示，變量間的假設關系均顯著（p值均小于0.05）模型的擬合指標均在可接受范圍內，即本文所提出的風險傳導路徑假設成立，路徑系數如表2所示。

2 系統動力學模型構建

2.1 模型基本描述

系統動力學模型的主要步驟為：第一，對系統進行模型化處理，對一些輕微影響目標的因素，以及難以界定的條件進行假設；第二，根據系統影響因素體系，構建系統動力學因果關系圖；第三，確定變量集，構建系統動力學流圖；第四，根據變量定義和變量方程式，對模型進行檢驗和仿真。

2.2 基本假設

假設1：除本文所識別出來的影響因素外，不考慮其他影響因素的作用。新型電力系統涉網安全水平的影響因素繁多，有些影響因素甚至無法被有效界定，故研究范圍限于電源、電網、人員、制度四個主體。

假設2：在研究周期內，影響因素的作用方向（正向或負向）不隨時間改變。

假設3：不考慮突發情況的影響。在影響電力系統涉網安全的因素中，有些因素過于偶然，本研究只涉及常見因素。

2.3 系統動力學因果圖

根據新型電力系統涉網安全影響因素間的相關關系，通過Vensim軟件，構建新型電力系統涉網安全的系統動力學因果圖，如圖2所示。從圖2可看出，各類風險因素之間，有著明確的正向或負向關系。如隨著組織管理投入的增加，電網調度決策水平、各級調度協調運作能力、涉網安全制度規范性等均會有所提升，進而實現組織管理能力的整體提升。此外，根據前文所確定的風險傳導路徑，組織管理能力的提升，會在一定程度上提升其規劃設計和調度運行能力，最終實現涉網安全水平的提升。

圖2 新型電力系統涉網安全的系統動力學因果圖

由圖2不難發現，新型電力系統涉網安全系統存在兩類反饋：

一是通過改變涉網安全投入，影響涉網安全主體如電源、電網、環境的投入分配，導致各個影響因素發生改變，最終影響涉網安全水平。其中的路徑主要有：①網安全投入→網絡安全投入→網絡安全→調度運行→涉網安全水平；②涉網安全投入→調度運行投入→調度運行→涉網安全水平；③涉網安全投入→電源并網投入→電源并網性能→涉網安全水平；④涉網安全投入→組織管理投入→組織管理→調度運行→涉網安全水平；⑤涉網安全投入/組織管理投入/組織管理→電源并網性能→涉網安全水平；⑥涉網安全投入→組織管理投入→組織管理→規劃設計→涉網安全水平；⑦涉網安全投入→規劃設計投入→規劃設計→涉網安全水平。

二是各個主反饋間的影響因素相互關聯，從而形成更復雜的系統路徑：①涉網安全投入→電源并網投入→電源并網性能→調度運行→涉網安全水平；②涉網安全投入→組織管理投入→組織管理→電源并網性能→調度運行→涉網安全水平；③自然災害→規劃設計→涉網安全水平；④新能源政策變化→組織管理→規劃設計→涉網安全水平；⑤新能源政策變化→組織管理→電源并網性能→涉網安全水平；⑥新能源政策變化→組織管理→電源并網性能→調度運行→涉網安全水平。

2.4 系統動力學方程

根據新型電力系統涉網安全管理的系統動力學因果圖，以及各風險因素間的影響關系，構建如下系統動力學方程。需要說明的是，在系統動力學方程中，不同因素的權重，均是通過對其路徑系數進行標準化得到的。

2.5 系統動力學流圖

基于新型電力系統涉網安全的系統動力學因果圖、風險因素間的相關關系，以及系統動力學方程，構建系統動力學流圖。如圖3所示，新型電力系統涉網安全系統的系統動力學流圖，反映的是涉網安全投入，如何通過多層作用路徑，影響系統涉網安全水平。

圖3 新型電力系統涉網安全系統動力學流圖

2.6 仿真結果與分析

考慮到硬件設施建設的延遲效應、新能源政策的影響增強性，以及自然災害的不確定性等因素。在仿真過程中，本文分別利用Vensim軟件中的一階延遲函數、躍遷函數、斜坡函數和隨機函數，模擬上述因素對涉網安全水平的影響。本文共仿真了三種不同資金投入方式下（Plan A、Plan B和Plan C），涉網安全水平的變化情況。需要說明的是，三種投資方式下的涉網安全總投入相同；不同的是，Plan A下每個月的投入水平遞減，Plan B下每個月的投入水平相同，Plan C下每個月的投入水平遞增。所有投入方式下的仿真時間間隔均為一個月，仿真周期均為200個月，仿真結果見圖4。

據圖4，可以發現新型電力系統涉網安全管理，呈現出如下特點：

圖4 甘肅新型電力系統涉網安全系統動力學仿真結果

（1）由于網絡安全水平、組織管理能力、調度運行水平的提升，不需要太多的硬件設施建設支持，故上述三方面對于涉網安全投入最敏感，但當其提升到一定水平之后增速變緩。規劃設計水平，主要受自然災害和新能源政策等不可控因素的影響，在整個仿真過程中，涉網安全投入對其影響的強度基本不變。

（2）電網并網性能提升，需要新能源和常規發電機組等硬件設備，在頻率耐受能力、無功調節能力、低/高電壓穿越能力，以及能源保障等方面提供支持。這些環節所涉及的硬件或基礎設施建設較多，而且建設周期長。因此，并網性能投入在前期效果不明顯，但當投入積累到一定程度后，其能力提升程度快速增加。

（3）涉網安全投入與涉網安全水平提升呈正相關。在涉網安全投入總量不變的情況下，投入方式不同雖然會導致，不同時期的涉網安全提升水平差異明顯，但最終涉網安全水平提升的總量不變。

3 結論

本文首先識別出新型電力系統涉網安全的影響因素，然后分析其風險傳導路徑，進而建立系統動力學因果圖，并基于不同影響因素間的路徑系數，構建系統動力學流圖、進行系統動力學仿真，最終得到以下結論：

（1）在前期，網絡安全水平、組織管理能力、調度運行水平，對涉網安全投入較為敏感。在中后期，電源并網性能對涉網安全投入的反應程度較大。因此，在前期可加大對網絡安全水平、組織管理能力、調度運行水平的投入，以在短時間內，實現涉網安全水平的快速提升。當網絡安全水平、組織管理能力、調度運行水平達到一定程度后，落后的硬件設施就會制約系統涉網安全水平的進一步提升。此時，管理者須加大對與電源并網相關的硬件設施的投入，從而突破瓶頸，實現系統涉網安全水平的持續提升。

（2）規劃設計水平受自然災害和新能源政策的直接影響，提升自然災害預測精度和對政策變化的靈敏度，可以顯著提高電網的規劃設計水平，進而提高涉網安全水平。