關于能源轉型下新能源電力系統概率風險評估

南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司 劉 川

能源轉換介入的電力系統需在保障系統電力能源穩定、有效供應的基礎上，滿足高比例新能源接入穩定發展。新能源接入比例不斷增加，導致系統呈現較大的不確定性，電力系統應用范圍不斷擴大，難以保證覆蓋的所有地區結構都能維持安全運行。面對復雜且不確定的運行環境，需加強對新能源電力系統的規劃，保證系統穩定運行。針對于新能源電力系統運行，需保證系統處于不確定環境下也能維持穩定運行。并在風險評估方面建立風險評估指標，對不確定性風險進行分析。概率風險評估方法為新能源電力系統風險評估提供分析思路，針對于建立模型、方法、指標等多方面入手研究，構建完整的電力系統評估體系十分迫切。

1 新能源電力系統風險評估概述

基于能源轉型，電力系統運行應用可再生能源發電的比重不斷增加。這樣造成系統運行不確定性的風險發生，使得系統規劃、調度都存在不確定風險。為了對系統風險進行確定，需構建評估指標，為后續評估工作開展奠定基礎。

1.1 能源轉換下的新能源概述

國內能源供應結構依舊是傳統能源為主，導致大量傳統能源被開發開采，嚴重影響生態環境質量。新能源作為主要的能源有可再生性與隨機性等特點。隨著新能源各項技術被開發和應用，改善了國內傳統能源緊缺的壓力。基于未來發展得到良好的應用，但由于新能源自身的特點，大規模接入嚴重影響電力系統運行質量，對電網穩定性帶來沖擊，這也是研究系統概率風險的重要因素。可再生能源分散存在，無法保證傳統電網的大規模使用。且新能源接入需使用并網，需能源在整個應用過程中科學調配和利用。

新能源電力系統風險的存在，是因為新能源電力系統在能源波動性較大的影響下影響了系統運行，使得用電模式發生變化，難以對其運行情況進行規劃和預測。對于側供電而言，電網要面臨新能源較強的波動電源。實際情況是新能源與傳統能源比例不協調，隨著這一發展現象加劇，嚴重影響了電源之間的運行效果；電網企業制定的調度計劃根據日常用戶對電力的需求供給，是保障電力供需與平衡的關鍵，但隨著新能源較強的波動性，使得用戶實際需求的電力負荷難以預測。波動性帶來的影響，使得新能源電力系統調度面臨隨機性增強的情況，也反映出可調度質量不佳的現象；運行過程中，新能源接入電力系統帶來的一系列問題對系統運行造成影響。自身因素加上外界環境影響導致電力系統失去穩定性，導致系統運行出現問題。

1.2 新能源電力系統概率風險

概率風險評估是一種定量概率性評估方法，通過建立科學的評估方法實現系統安全管理。通過概率性建模綜合對定量信息構建系統風險事件鏈模型。利用不確定性分析法對電力系統運行風險進行分析和預測，找出影響風險水平的關鍵因素，為風險管理提供決策支持[1]。概率風險評估流程：風險源概率建模-事件鏈建模-故障建模-模型量化與集成-不確定性與敏感性分析-結果分析-薄弱環節識別-改善薄弱環節。

1.2.1 風險評估指標體系

構建新能源電力系統風險評估指標時需科學篩選指標，確保符合以下原則：首先，設計過程中需充分考慮指標獲取的難易度。部分指標難以獲取，可能需付出較大代價。此類指標列入體系中將會毫無研究意義，也無法用于評估。對此需選用有替代性的指標，保證其有良好的可操作性；指標應按照度量標準選擇。定量指標也需符合需求和原則，實際選擇的指標應具備詳細的評價標準。

指標體系中，指標應和評估目標有密切聯系。關系度不高的指標難以有效反映出評估目標，降低了評估效果。對此，需在選擇指標的過程中選擇關聯性較強的指標。還能確保指標體系相互補充，構建完整的指標體系，共同為評估對象服務。通過對事件模型、故障模型等進行分析，根據結果找出模型之間的內在聯系。概率風險評估與傳統可靠性評估有明顯的區別，概率風險主要針對不確定性的系統進行分析。根據分析提供的指標，從而確定風險不確定性的來源。通過具體描述反應電力系統運行的真實風險，為新能源合理分配提供合理依據。

1.2.2 概率風險評估應用現狀及概率風險評估特點

概率風險評估技術在不確定的因素下對電力系統風險進行評估分析，在各個領域有著良好的應用。在實際分析過程中，能根據以往的應用實例獲得經驗。通過對國外相關案例的分析，能夠明確概率風險在國內的系統中的應用。這也為當前新能源電力系統應用提供可行的研究思路。概率風險評估，需通過建模-評估-分析-決策四個環節入手。通過一系列操作有效反映出系統實際風險水平，以及薄弱環節的識別方法。通過概率評估應用理論對電力系統進行分析，為高比例新能源接入系統規劃運行提供可靠的數據支持。

2 能源轉型下新能源電力系統概率風險評估體系

2.1 新能源概率系統的能源風險建模

由于新能源具有間歇性、波動性的能源特性，因此在開展風險評估時存在較大的不確定性，通過結合新能源的實際情況來完善風險建模，能夠為風險評估提供非常大的幫助。在各種新能源中，由于風能發電的研究起步相對較早，因此風能風險模型相對比較成熟，無論是單獨的風電場還是多個風電場，都可利用風險建模來進行風險評估。相較于風能發電光伏發電起步較晚，結合季節、降雨量、晴空系數等參數同樣能夠完成建模[2]。

圖1 風險模型

當前已有的新能源處理模型多數都是單獨考慮風能、光伏出力的時空相關性，很少有建模會去考慮兩者間的時空相關性。新能源故障模式很多都屬于單一模式，這樣會影響到電力系統的風險確認效果。只有進一步完善風險模型，才能為概率風險評估提供更多幫助。從出力模型出發，因Copula 函數模型可在使用中保留新能源出力數據，因此可采用風險模型從互補角度對風電場、光伏電站時空相關性進行分析。從故障模式層面出發，則可將可靠性理論作為研究核心，以此來完善復雜相依故障模型。

2.2 概率風險評估優化方向

電力系統風險評估多數都是基于非時序等傳統框架所采用的一種評估方式，這種評估通常只會結合抽樣數據來進行評估，而故障的未來發展則無法進行評估。在電力系統中，新能源的出力波動問題將有可能成為連鎖風險的觸發源，即一種故障有可能引發另一種故障，因此須對傳統評估模式進行革新與優化，以此來提高概率風險評估準確性。

由于當前已有的風險算法很難同時考慮連鎖故障與新能源出力時序相互間的影響情況，且在風險評估中難以直接辨別不同情況下的風險問題，因此在構建風險評估算法時，應著重分析出力時序波動與連鎖故障的關系，然后可采用極值原理來進一步提高評估效果。為提高評估效率，可從狀態抽樣、評估、校正三個層面來優化評估算法，抽樣環節可引入中間事件來捕捉低頻高危風險，而在評估環節則可結合模擬法、解析法來降低評估時間，校正環節可用對偶理論優化求解。

2.3 薄弱環節的識別方法

薄弱環節識別能發現系統不足之處，通過針對解決薄弱問題能顯著提高系統運行穩定性。目前新能源電力系統的薄弱識別方法通常可劃分為可靠性跟蹤與靈敏度分析。可靠性跟蹤需利用可靠性指標來反映不同元器件的指標貢獻度，可靠性指標較低的零部件便是電力系統中的薄弱元器件；靈敏度分析需利用求解可靠性指標對元器件的偏導數，通過元器件的性能參數變化情況來識別電力系統的薄弱環節。學者楊峰等人利用靈敏度分析法分析出了多個風電場的儲能容量問題，并對風電場的儲能容量進行了重新規劃[3]。

2.4 多層次概率指標體系

無論是風險評估指標還是薄弱環節識別，很難針對不同風險直接給出準確的風險評估結果。目前風險評估只能借助平均結果來進行期望性決策，這種期望判斷將會影響到電力系統的安全運行，尤其是在面對新能源時，更會因新能源的不確定性而降低評估準確性，只有建立起能反映出多層次概率風險的評估體系，才能進一步提高風險評估效果。

在指標體系中，可通過分割多目標風險分析理論來將電力系統面對新能源時的風險狀態劃分為多個風險區間，此時便可獲取單一風險指標，并了解不同風險區間的風險評估情況。多層次概率指標還有助于發現電力系統的潛在極端風險，由于引入了期望概念，還可結合期望值來分析判斷風險水平。在薄弱環節識別中能夠靈敏度分析與割集、微分重要度相結合，以此來分析新能源節點對整個薄弱環節識別的影響情況。

2.5 概率風險評估優化策略

概率風險評估的全面推廣可大幅提高電力系統的運行穩定性。在對運行方式進行分析時，可將風險指標分為目標函數、約束條件風險兩種。若將切負荷費用與目標函數相結合，能實現對社區微電網儲能情況的優化。通過將約束條件圈定條件風險價值的上、下限，可實現智能電網的電力優化，并對可靠性指標進行合理約束[4]。通過將概率風險模型在概率風險評估中應用，然后結合多層次評估指標與薄弱識別，便可初步完成概率風險評估，若能在評估期間考慮考慮性能因素，就能對概率風險識別進行進一步優化，優化后的評估方式能對新能源電力系統不同層次的風險進行分析。

3 新能源電力系統概率風險評估發展方向

能源轉型的深入是能源改革的先決條件，通過大力開發新能源，能夠為低碳環保的生態文明建設提供幫助。由于新能源具有不確定性，所以將其作用在電力系統中必須克服系統穩定性問題。概率風險評估作為提高系統運行穩定性的關鍵，其未來發展重點如下：

風險建模發展。風險建模需從風電場、光伏電站互補的角度分析出力時的時空相關性、新能源與負荷間的聯系，還要考慮新能源故障模式的多元化因素，即由內、外因素融合后的相依故障問題；風險評估發展。風險評估需加強對風險全分布算法，并對中心分布高概率、低損失故障進行分析，提高概率風險評估期間的準確性。還要尋找可精確刻畫低概率高損失故障尾部特性的方式，以此來增加風險評估時的全面性。

風險分析發展。應基于多種不同風險類型（圖2）來建立具有多個層次的概率風險評估體系，以多層次評估體系來研究新能源下電力系統的多種風險情況，降低概率風險評估時的誤差；風險決策發展。在概率風險評估發展中須盡量消除評估時的不確定因素，通過在風險決策時更多關注概率性評估指標，能在一定程度上降低概率性事件，提高風險評估精度。概率風險評估需克服新能源高占比不確定性所帶來的風險問題，以此來保證系統安全穩定地順利運行。因此須重新規劃、優化概率風險評估的算法來解決風險評估問題。

圖2 多種不同風險類型

綜上，新能源電力系統概率風險評估是當前新能源大量接入電力系統、保障系統運行的關鍵。對能源接入系統承受的風險，通過風險評估模型加強對概率不確定性和復雜性的分析。對風險發展進行準確描述有助于保障電力系統運行的可靠性。結合當前新能源轉型特征有效識別系統運行故障模式與概率問題，強化薄弱環節、實際估算出系統動態運行的風險情況，便于克服運行風險，提高電力系統運行的適應性，為系統規劃決策提供關鍵技術。