中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01
背景
正如《詩(shī)經(jīng)》所言，“迨天之未陰雨，徹彼桑土，綢繆牖戶”，風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)貫穿古今。全球變暖背景下，暴雨、臺(tái)風(fēng)、冰雪等多種類型的極端天氣頻發(fā)，對(duì)新能源比例持續(xù)提升的新型電力系統(tǒng)構(gòu)成威脅，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在新型電力系統(tǒng)極端天氣防范中將發(fā)揮重要作用。
不同區(qū)域的氣候特征和電網(wǎng)發(fā)展情況各異，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要面向?qū)嶋H電網(wǎng)的需求開(kāi)展。以我國(guó)東北地區(qū)為例，因連續(xù)無(wú)風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)電出力不足、加之煤電緊缺，2021年發(fā)生了拉閘限電事件，使得該區(qū)域電網(wǎng)的極端天氣運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)備受關(guān)注。依據(jù)東北電網(wǎng)“十四五”發(fā)展規(guī)劃報(bào)告中電源規(guī)劃和負(fù)荷增長(zhǎng)情況（分別見(jiàn)圖1和圖2）可知，2020年底最高占比電源為火電（63.1%），隨著新能源比例持續(xù)上升，截至2025年底，新能源發(fā)電成為電源主力，占比達(dá)49.61%。同時(shí)，全社會(huì)用電量和最大負(fù)荷在“十四五”期間年均增速分別為5.2%和5.7%。此外，受氣候特性影響，最大負(fù)荷出現(xiàn)在冬季，年負(fù)荷特性曲線呈“W”形，夏冬雙峰特性愈加明顯。可見(jiàn)，在未來(lái)，逐漸向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的東北電網(wǎng)在夏冬兩季可能面臨極端天氣引發(fā)的各類風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 “十三五”和“十四五”期間東北電網(wǎng)電源裝機(jī)情況對(duì)比
圖2 近年來(lái)東北電網(wǎng)負(fù)荷特性
從風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā)，極端天氣將給氣象敏感的新型電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷側(cè)帶來(lái)更多種、更復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)不確定性以及更加多元的風(fēng)險(xiǎn)后果，同時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的難以評(píng)估是目前大量研究成果無(wú)法真正應(yīng)用的核心問(wèn)題。因此，極端天氣下，深入探索氣象-電力耦合關(guān)系、基于極端氣象條件識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、全面量化風(fēng)險(xiǎn)多重來(lái)源與多元后果、基于規(guī)劃平臺(tái)準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)是本文的主要關(guān)注點(diǎn)和創(chuàng)新性工作。
02
極端天氣頻發(fā)，新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)何在？
2.1 深度探索極端天氣下氣象-電力耦合關(guān)系
1）提煉東北地區(qū)極端天氣類型。
從歷史數(shù)據(jù)中篩選出具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、易引發(fā)源荷失衡及設(shè)備故障等特征的兩類重點(diǎn)潛在極端天氣：夏季高溫?zé)o風(fēng)和冬季暴風(fēng)雪。
2）探尋極端天氣氣象-電力耦合關(guān)系，如圖3所示。
圖3 高溫?zé)o風(fēng)和暴風(fēng)雪天氣下氣象-電力耦合關(guān)系分析
3）分析極端天氣下新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生機(jī)理。
由圖3可知，異常氣象因素為電力系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的根源，當(dāng)溫度、風(fēng)速、降雪量等超出設(shè)備正常運(yùn)行/負(fù)荷正常增長(zhǎng)允許的氣象因素變化范圍時(shí)，電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷側(cè)將處于非正常運(yùn)行狀態(tài)，各類非正常運(yùn)行狀態(tài)之間相互組合使得系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 識(shí)別并構(gòu)建新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)全場(chǎng)景
依據(jù)電力-氣象耦合關(guān)系，提出一種基于極端氣象條件的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景識(shí)別方法。具體地，以電網(wǎng)各類狀態(tài)的正常運(yùn)行閾值為邊界，定義某一置信值下的極端氣象條件并作為識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景的判據(jù)。
1）極端溫度條件
當(dāng)溫度高于（低于）某一置信值下風(fēng)機(jī)高溫（低溫）保護(hù)設(shè)計(jì)值、負(fù)荷異常增長(zhǎng)高溫（低溫）臨界值、線路溫度設(shè)計(jì)值等數(shù)值的最小值（最大值）時(shí)，視為極端高溫（低溫）。
2）極端風(fēng)速條件
當(dāng)風(fēng)速高于（低于）某一置信值下風(fēng)機(jī)切出（切入）風(fēng)速設(shè)計(jì)值、線路風(fēng)速設(shè)計(jì)值等數(shù)值的最小值（最大值）時(shí)，視為極端大風(fēng)（無(wú)風(fēng)）。
3）極端降雪條件
當(dāng)降雪量高于（低于）某一置信值下覆雪量設(shè)計(jì)值時(shí)，視為極端大雪（干旱）。若各氣象要素滿足對(duì)應(yīng)極端氣象條件，按季節(jié)特征組合后構(gòu)成夏季高溫?zé)o風(fēng)和冬季暴風(fēng)雪極端天氣場(chǎng)景，在這兩類極端天氣中氣象要素對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生復(fù)雜影響的場(chǎng)景，被識(shí)別為風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景。
2.3 新型電力系統(tǒng)全場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架
針對(duì)所建立的新型電力系統(tǒng)全風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，深度融入風(fēng)險(xiǎn)中概率和后果綜合評(píng)估思想，構(gòu)建本文研究框架，如圖4所示。
圖4 風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景構(gòu)成及規(guī)劃方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究框架
03
如何全面量化新型電力系統(tǒng)的各類風(fēng)險(xiǎn)？
3.1 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景多重不確定性模型
本文構(gòu)建了新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景中極端天氣、源荷功率和設(shè)備故障等要素的多重不確定性模型。
1）極端天氣發(fā)生概率模型
極端天氣的發(fā)生概率image.png，即各類氣象因素同時(shí)發(fā)生的概率，由對(duì)應(yīng)氣象因素發(fā)生概率image.png的乘積表示。其中，image.png可根據(jù)氣象因素的概率密度函數(shù)，并對(duì)其極端氣象條件對(duì)應(yīng)的取值區(qū)間積分求得，具體模型詳見(jiàn)原文。
2）源荷功率概率模型
采用近似日搜索法刻畫源荷功率概率。首先，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立近似時(shí)段的初始源荷功率集和由氣象因素構(gòu)成的特征向量集。然后，采用以特征向量集為篩選依據(jù)，采用近似距離法篩選歷史數(shù)據(jù)。最后，計(jì)算系統(tǒng)源荷狀態(tài)概率，image.png（e=1,2）具體模型詳見(jiàn)原文。
3）設(shè)備故障概率模型
考慮長(zhǎng)期服役年限、短期外部環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)對(duì)設(shè)備的共同作用，且3類因素間相互獨(dú)立，采用串聯(lián)模型描述3類設(shè)備的綜合時(shí)變故障概率image.png；采用蒙特卡洛法抽樣設(shè)備狀態(tài)，并計(jì)算電網(wǎng)故障狀態(tài)發(fā)生概率，image.png（e=3,4,5），具體模型詳見(jiàn)原文。
4）風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景概率模型
風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景發(fā)生概率 是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景中所有不確定性因素的概率綜合，即
3.2 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景后果指標(biāo)體系
充分考慮未來(lái)電網(wǎng)特性與極端天氣影響，分析并提煉出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的潛存風(fēng)險(xiǎn)，以此為依據(jù)建立一套針對(duì)規(guī)劃方案的風(fēng)險(xiǎn)后果指標(biāo)體系。
1）系統(tǒng)運(yùn)行充裕性指標(biāo)
規(guī)劃電網(wǎng)新能源占比逐步提高，負(fù)荷在夏冬兩季處于用能高峰，當(dāng)高溫?zé)o風(fēng)/暴風(fēng)雪發(fā)生時(shí)，可能產(chǎn)生新能源出力不足、負(fù)荷急劇增長(zhǎng)、設(shè)備故障率高等問(wèn)題，系統(tǒng)面臨充裕性不足風(fēng)險(xiǎn)。為此，采用電力不足和電量不足兩個(gè)后果指標(biāo)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行充裕性評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)原文。
2）系統(tǒng)運(yùn)行靈活性指標(biāo)
規(guī)劃電網(wǎng)由于常規(guī)機(jī)組逐漸被新能源機(jī)組代替導(dǎo)致調(diào)節(jié)能力下降，當(dāng)高溫?zé)o風(fēng)/暴風(fēng)雪導(dǎo)致功率缺額、系統(tǒng)靈活性需求增加時(shí)，可控電源滿發(fā)可能依舊不能保證負(fù)荷需求，系統(tǒng)面臨靈活性不足風(fēng)險(xiǎn)。為此，將靈活性指標(biāo)納入評(píng)估體系，并采用旋轉(zhuǎn)備用不足后果指標(biāo)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行靈活性評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)原文。
3）系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性指標(biāo)
規(guī)劃電網(wǎng)“雙高”特征顯著，這不僅會(huì)造成暴風(fēng)雪天氣下設(shè)備故障的組合數(shù)及規(guī)模的劇增，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)抗擾能力的下降，可能發(fā)生系統(tǒng)故障后頻率、電壓波動(dòng)進(jìn)一步引發(fā)脫網(wǎng)、連鎖故障等更嚴(yán)重的惡劣事件，系統(tǒng)面臨安全穩(wěn)定性不足風(fēng)險(xiǎn)。為此，采用電壓越限、潮流越限、變壓器越限及頻率越限等指標(biāo)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)原文。
04
如何準(zhǔn)確評(píng)估新型電力系統(tǒng)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)？
相較于針對(duì)IEEE/RTS標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的MATLAB仿真方法，規(guī)劃平臺(tái)具有：1）設(shè)備模型完備準(zhǔn)確；2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面真實(shí)；3）仿真時(shí)空全覆蓋；4）可修改操作等優(yōu)勢(shì)。因此，本文采用該平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)后果進(jìn)行模擬，提出一種基于規(guī)劃平臺(tái)的新型電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)用化方法，整體評(píng)估流程如5所示。
圖5 基于規(guī)劃平臺(tái)的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程
05
從理論方法到實(shí)際應(yīng)用：2025東北規(guī)劃電網(wǎng)案例分析
調(diào)研我國(guó)東北地區(qū)2003—2023年歷史天氣數(shù)據(jù)和電網(wǎng)企業(yè)事故記錄，基于歷史信息生成風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景中暴風(fēng)雪和高溫?zé)o風(fēng)兩類極端天氣數(shù)據(jù)?；诖耍捎帽疚乃岱椒▽?duì)2025年?yáng)|北規(guī)劃電網(wǎng)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
5.1 東北電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果展示
置信值為10%時(shí)對(duì)應(yīng)極端氣象條件下三省一區(qū)充裕性及靈活性指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)變化情況，僅展示電力不足風(fēng)險(xiǎn)，如圖6所示，其余指標(biāo)評(píng)估結(jié)果詳見(jiàn)原文。
圖6 各類系統(tǒng)運(yùn)行方式下各省電力不足風(fēng)險(xiǎn)
5.2 東北電網(wǎng)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)水平分析
1）不同地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)特征
蒙東電網(wǎng)受極端天氣影響小，幾乎無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，遼寧電網(wǎng)最為脆弱，整體風(fēng)險(xiǎn)高，受火電開(kāi)機(jī)容量占比較高影響，暴風(fēng)雪天氣發(fā)生時(shí)其在冬大方式下各類風(fēng)險(xiǎn)尤為突出；吉林地區(qū)由于風(fēng)電開(kāi)機(jī)容量較高，在冬小方式下受暴風(fēng)雪天氣影響時(shí)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)較為突出。此外，東北所有地區(qū)均面臨較為嚴(yán)重的靈活性不足風(fēng)險(xiǎn)。
2）不同天氣風(fēng)險(xiǎn)特征
高溫?zé)o風(fēng)和暴風(fēng)雪兩類天氣下風(fēng)險(xiǎn)大小相當(dāng)，同一天氣下夏大風(fēng)險(xiǎn)>夏小風(fēng)險(xiǎn)，冬大風(fēng)險(xiǎn)>冬小風(fēng)險(xiǎn)；高溫?zé)o風(fēng)下系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)主要取決于源荷變化，而暴風(fēng)雪天氣下風(fēng)險(xiǎn)受源荷變化和設(shè)備故障率綜合影響，其安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)更為突出。
5.3 東北電網(wǎng)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)防范建議
為合理指導(dǎo)資金有效投入，并為實(shí)際電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避策略合理制定提供參考，從規(guī)劃和運(yùn)行角度提出以下建議：1）針對(duì)最為脆弱的火電占比較高的遼寧電網(wǎng)，增加儲(chǔ)能、抽蓄等靈活性資源儲(chǔ)備，保證冬小方式下負(fù)荷需求；2）提前篩選東北電網(wǎng)中脆弱設(shè)備，并在規(guī)劃階段采取設(shè)備加固、重冰區(qū)規(guī)劃線路采用防覆冰導(dǎo)線、預(yù)置變壓器散熱器、重載線路及變電站擴(kuò)容等措施；3）針對(duì)風(fēng)電占比較高的吉林電網(wǎng)，采用風(fēng)速切入切出優(yōu)化控制技術(shù)，減小其在暴風(fēng)雪和高溫?zé)o風(fēng)天氣中風(fēng)機(jī)切出次數(shù)，增大發(fā)電量，提高電源充裕性；4）在極端天氣侵襲過(guò)程中，采取狀態(tài)監(jiān)測(cè)、停運(yùn)降溫（對(duì)于線路，可電纜井投放冰磚、送冷風(fēng)等措施；對(duì)于變壓器，可采用通風(fēng)、放置冰塊、裝設(shè)噴淋裝置等措施）/停運(yùn)除冰（給線路預(yù)置融冰裝置）等災(zāi)中預(yù)防與故障定位、派遣搶修小隊(duì)等緊急控制相協(xié)調(diào)的災(zāi)中風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避手段，從而有效應(yīng)對(duì)極端天氣。
06
結(jié) 語(yǔ)
未來(lái)，極端天氣發(fā)生頻率和強(qiáng)度加大，將成為影響新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大擾動(dòng)因素。本文工作主要圍繞極端天氣對(duì)未來(lái)新型電力系統(tǒng)影響，完成了區(qū)域極端天氣篩選、氣象與電網(wǎng)耦合關(guān)系分析、極端天氣下電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)全場(chǎng)景識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景多重不確定性建模、風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景后果評(píng)價(jià)和基于規(guī)劃平臺(tái)的評(píng)估方法等模型與理論研究，可為未來(lái)新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析提供系統(tǒng)的理論方法支撐，并為提高電力系統(tǒng)對(duì)極端天氣的應(yīng)災(zāi)能力提供有益參考。
