弹性电网基本理论

巩政 刘志强 曾泰元 周健

摘 要：电力基础设施是重要的生命线系统，对我们的日常生活至关重要。电力系统弹性表征抵御，适应并及时从中断中恢复的能力。弹性动力系统旨在应对包括极端自然灾害和人为攻击在内的低概率，高风险极端事件。本文通过对弹性电网的阐述，分析了研究弹性电网的意义，最后描述了现有弹性电网的模型。

关键词：弹性电网；恢复力；电网

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.135

1 引言

电力系统是任何现代社会的支柱，支持其他几个关键基础设施，如交通，通讯，水利等[1]。因此，正如过去几十年来大量停电期间所经历的那样，供电的中断将会产生灾难性后果 [2]。但是，确保不间断的电力供应具有挑战性，因为电力系统面临多种威胁。这些威胁可以主要分为典型的电力系统停电和极端事件，例如由自然灾害、极端天气。

2 弹性理论及弹性电网

弹性最早是由Holling教授在1972年讲述生态系统中提出的一个概念，其中提到以“系统的持久性和应对变化及扰动的能力并仍然保持种群或状态变量之间的相同关系。在过去的几十年里，弹性广泛地应用于环境科学、经济学、心理学、材料科学、防灾工程等等。据英国内阁办公室报道，弹性是“预测、承受、适应或迅速恢复破坏性事件的能力”。弹性是由联合国减灾办公室定义为：“一个系统的能力，社区或社会接触危险的抵抗、承担、容纳和及时有效的从危险中恢复，包括通过保护及其基本结构和功能恢复的能力。

目前，虽然缺乏弹性定义的共识，但弹性定义的本质大体是一致的，也就是说，它是一个总体概念，包括灾难性事件前后的系统性能。因此，弹性可以定义为“一个实体的预期、抵抗、承受、响应、适应和从扰动中恢复的能力”。近年来，弹性越来越被认为是关键基础设施的新设计和运营目标。弹性的重点不同于可靠性，脆弱性等，因为极端事件很少发生，可能导致多个瞬时复合故障，并且需要相对复杂的恢复策略。对于能源基础设施，特别是在电力系统中，人们提出了许多类似的基本定义，重点就是解决灾害对电力系统的干扰问题。弹性电网应用于电力系统中是一个相对较新且正在兴起的概念，电力系统的弹性可以定义为电力系统在灾害中快速恢复或应对高影响、低概率事件，迅速地从这些破坏性的事件中恢复的能力。

3 弹性电网的意义

在美国，与天气有关的停电每年导致估计250亿美元的经济损失。在中国，2014年7月袭击广东省的台风将多条220千伏输电线路停运。极端天气事件在电力系统中的严重后果给电力系统的恢复力带来了挑战，引起了全球组织和政府的关注。美国政府在2011年6月强调了电网对抗强烈天气事件影响的重要性。美国国家研究委员会（NRC）和英国上議院强调了弹性能源基础设施的重要性。北美电力可靠性公司（NERC）和美国电力研究研究所（EPRI）都认识到系统弹性的功能。

经济迅速发展和广泛的全球化也使得自然灾害和人为灾害对地理区域的影响不受限制。这些因素导致基础设施系统的敏感性和脆弱性日益增加给城市安全管理带来巨大的困难和挑战。弹性是系统安全中最重要的指标之一，有效的弹性测量为改进应急计划和响应提供了基础。开发综合恢复力测量所面临的挑战是输入输出的多维和复杂性，例如时变和相互依赖的系统性能，不确定的系统后果，中断情景的动态性和从历史事件中学习的不完整信息。在实践中，随时间变化的恢复能力的评估是必要的，因为中断的系统在由连锁故障或中断引起的后续事件中表现出不同的表现。此外，非线性关系在复杂的基础设施系统中普遍存在，并且将能力并入弹性测量并非易事。

4 弹性电网模型

电力系统可能会受到不同程度的冲击，例如自然灾害或极端天气。因此，确定这些状态至关重要，以便能够系统地评估和增强电力系统对这些事件的影响。

在这些前提下，图1显示了弹性梯形概念图，它清楚地解释了电力系统与外部干扰的相关状态的时间序列和动作类型。将事件分解为不同阶段（阶段I，阶段 II， 阶段 III）可以进行动态的多阶段弹性评估。电力系统状态的各个阶段可以精确地用弹性梯形模型表示：如果外部冲击的时间和位置可以准确地预测出来，系统操作员应该在事件发生之前着手准备预防措施，目的是为了提高基础设施抗风险恢复能力。在干扰发生期间（阶段I，t∈[toe，tee]），紧急改进措施可以减轻外部冲击对电力系统的影响。事件发生后，系统将处于事后干扰状态（阶段II，t∈[tee，tr]），正确有效的应急协调和准备可以使恢复阶段（阶段III， t ∈ [tr， T]）快速开始，如图1所示，T表示网络从危机后的完全恢复到弹性水平R0的时间或者可能达到与R0不同的期望弹性水平的时间。当系统从事干扰状态中恢复时，需要对外部冲击对系统恢复力及其性能的影响进行评估和分析，以便在未来类似或不可预见事件中采取适应性措施来增强基础设施的弹性。

5 结论

本文通过对弹性电网理论的阐述，讨论了研究弹性电网的意义。并对现有弹性电网的模型进行里论述。弹性电网的研究正处于刚刚起步的阶段，因此需要对弹性电网进行深入研究，提高电网的恢复能力

参考文献：

[1]舒印彪，汤涌，孙华东.电力系统安全稳定标准研究[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：1-9.

[2]侯慧，尹项根，游大海，陈庆前，童光毅，郑毅.国外经验对中国电力系统应急减灾机制的启示[J].电力系统自动化，2008（12）：89-93.

作者简介：巩政（1992-），男，山东济南人，研究生在读，研究方向：智能电网。