中國儲能網(wǎng)訊：
01
背景
正如《詩經(jīng)》所言，“迨天之未陰雨，徹彼桑土，綢繆牖戶”，風險意識貫穿古今。全球變暖背景下，暴雨、臺風、冰雪等多種類型的極端天氣頻發(fā)，對新能源比例持續(xù)提升的新型電力系統(tǒng)構成威脅，風險評估在新型電力系統(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，風險評估要面向?qū)嶋H電網(wǎng)的需求開展。以我國東北地區(qū)為例，因連續(xù)無風導致風電出力不足、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)的極端天氣運行風險備受關注。依據(jù)東北電網(wǎng)“十四五”發(fā)展規(guī)劃報告中電源規(guī)劃和負荷增長情況（分別見圖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49.61%。同時，全社會用電量和最大負荷在“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，最大負荷出現(xiàn)在冬季，年負荷特性曲線呈“W”形，夏冬雙峰特性愈加明顯?？梢姡谖磥?，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)的各類風險。
圖1 “十三五”和“十四五”期間東北電網(wǎng)電源裝機情況對比
圖2 近年來東北電網(wǎng)負荷特性
從風險角度出發(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)帶來更多種、更復雜的風險不確定性以及更加多元的風險后果，同時，實際系統(tǒng)風險的難以評估是目前大量研究成果無法真正應用的核心問題。因此，極端天氣下，深入探索氣象-電力耦合關系、基于極端氣象條件識別風險、全面量化風險多重來源與多元后果、基于規(guī)劃平臺準確評估實際系統(tǒng)風險是本文的主要關注點和創(chuàng)新性工作。
02
極端天氣頻發(fā)，新型電力系統(tǒng)風險何在？
2.1 深度探索極端天氣下氣象-電力耦合關系
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)時間長、易引發(fā)源荷失衡及設備故障等特征的兩類重點潛在極端天氣：夏季高溫無風和冬季暴風雪。
2）探尋極端天氣氣象-電力耦合關系，如圖3所示。
圖3 高溫無風和暴風雪天氣下氣象-電力耦合關系分析
3）分析極端天氣下新型電力系統(tǒng)風險產(chǎn)生機理。
由圖3可知，異常氣象因素為電力系統(tǒng)產(chǎn)生風險的根源，當溫度、風速、降雪量等超出設備正常運行/負荷正常增長允許的氣象因素變化范圍時，電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷側(cè)將處于非正常運行狀態(tài)，各類非正常運行狀態(tài)之間相互組合使得系統(tǒng)產(chǎn)生風險。
2.2 識別并構建新型電力系統(tǒng)風險全場景
依據(jù)電力-氣象耦合關系，提出一種基于極端氣象條件的風險場景識別方法。具體地，以電網(wǎng)各類狀態(tài)的正常運行閾值為邊界，定義某一置信值下的極端氣象條件并作為識別風險場景的判據(jù)。
1）極端溫度條件
當溫度高于（低于）某一置信值下風機高溫（低溫）保護設計值、負荷異常增長高溫（低溫）臨界值、線路溫度設計值等數(shù)值的最小值（最大值）時，視為極端高溫（低溫）。
2）極端風速條件
當風速高于（低于）某一置信值下風機切出（切入）風速設計值、線路風速設計值等數(shù)值的最小值（最大值）時，視為極端大風（無風）。
3）極端降雪條件
當降雪量高于（低于）某一置信值下覆雪量設計值時，視為極端大雪（干旱）。若各氣象要素滿足對應極端氣象條件，按季節(jié)特征組合后構成夏季高溫無風和冬季暴風雪極端天氣場景，在這兩類極端天氣中氣象要素對電網(wǎng)產(chǎn)生復雜影響的場景，被識別為風險場景。
2.3 新型電力系統(tǒng)全場景風險評估框架
針對所建立的新型電力系統(tǒng)全風險場景，深度融入風險中概率和后果綜合評估思想，構建本文研究框架，如圖4所示。
圖4 風險場景構成及規(guī)劃方案風險評估研究框架
03
如何全面量化新型電力系統(tǒng)的各類風險？
3.1 構建新型電力系統(tǒng)風險場景多重不確定性模型
本文構建了新型電力系統(tǒng)風險場景中極端天氣、源荷功率和設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發(fā)生的概率，由對應氣象因素發(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)，并對其極端氣象條件對應的取值區(qū)間積分求得，具體模型詳見原文。
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)建立近似時段的初始源荷功率集和由氣象因素構成的特征向量集。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，計算系統(tǒng)源荷狀態(tài)概率，image.png（e=1,2）具體模型詳見原文。
3）設備故障概率模型
考慮長期服役年限、短期外部環(huán)境和運行狀態(tài)對設備的共同作用，且3類因素間相互獨立，采用串聯(lián)模型描述3類設備的綜合時變故障概率image.png；采用蒙特卡洛法抽樣設備狀態(tài)，并計算電網(wǎng)故障狀態(tài)發(fā)生概率，image.png（e=3,4,5），具體模型詳見原文。
4）風險場景概率模型
風險場景發(fā)生概率 是對風險場景中所有不確定性因素的概率綜合，即
3.2 構建新型電力系統(tǒng)風險場景后果指標體系
充分考慮未來電網(wǎng)特性與極端天氣影響，分析并提煉出系統(tǒng)運行時的潛存風險，以此為依據(jù)建立一套針對規(guī)劃方案的風險后果指標體系。
1）系統(tǒng)運行充裕性指標
規(guī)劃電網(wǎng)新能源占比逐步提高，負荷在夏冬兩季處于用能高峰，當高溫無風/暴風雪發(fā)生時，可能產(chǎn)生新能源出力不足、負荷急劇增長、設備故障率高等問題，系統(tǒng)面臨充裕性不足風險。為此，采用電力不足和電量不足兩個后果指標對規(guī)劃方案進行充裕性評價，詳見原文。
2）系統(tǒng)運行靈活性指標
規(guī)劃電網(wǎng)由于常規(guī)機組逐漸被新能源機組代替導致調(diào)節(jié)能力下降，當高溫無風/暴風雪導致功率缺額、系統(tǒng)靈活性需求增加時，可控電源滿發(fā)可能依舊不能保證負荷需求，系統(tǒng)面臨靈活性不足風險。為此，將靈活性指標納入評估體系，并采用旋轉(zhuǎn)備用不足后果指標對規(guī)劃方案進行靈活性評價，詳見原文。
3）系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性指標
規(guī)劃電網(wǎng)“雙高”特征顯著，這不僅會造成暴風雪天氣下設備故障的組合數(shù)及規(guī)模的劇增，同時導致系統(tǒng)抗擾能力的下降，可能發(fā)生系統(tǒng)故障后頻率、電壓波動進一步引發(fā)脫網(wǎng)、連鎖故障等更嚴重的惡劣事件，系統(tǒng)面臨安全穩(wěn)定性不足風險。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對規(guī)劃方案進行安全穩(wěn)定性評價，詳見原文。
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如何準確評估新型電力系統(tǒng)的實際風險？
相較于針對IEEE/RTS標準系統(tǒng)的MATLAB仿真方法，規(guī)劃平臺具有：1）設備模型完備準確；2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面真實；3）仿真時空全覆蓋；4）可修改操作等優(yōu)勢。因此，本文采用該平臺風險后果進行模擬，提出一種基于規(guī)劃平臺的新型電力系統(tǒng)風險評估實用化方法，整體評估流程如5所示。
圖5 基于規(guī)劃平臺的電網(wǎng)風險評估流程
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從理論方法到實際應用：2025東北規(guī)劃電網(wǎng)案例分析
調(diào)研我國東北地區(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險場景中暴風雪和高溫無風兩類極端天氣數(shù)據(jù)?；诖?，采用本文所提方法對2025年東北規(guī)劃電網(wǎng)開展風險評估。
5.1 東北電網(wǎng)風險評估結果展示
置信值為10%時對應極端氣象條件下三省一區(qū)充裕性及靈活性指標的風險變化情況，僅展示電力不足風險，如圖6所示，其余指標評估結果詳見原文。
圖6 各類系統(tǒng)運行方式下各省電力不足風險
5.2 東北電網(wǎng)未來風險水平分析
1）不同地區(qū)風險特征
蒙東電網(wǎng)受極端天氣影響小，幾乎無風險，遼寧電網(wǎng)最為脆弱，整體風險高，受火電開機容量占比較高影響，暴風雪天氣發(fā)生時其在冬大方式下各類風險尤為突出；吉林地區(qū)由于風電開機容量較高，在冬小方式下受暴風雪天氣影響時電壓越限風險較為突出。此外，東北所有地區(qū)均面臨較為嚴重的靈活性不足風險。
2）不同天氣風險特征
高溫無風和暴風雪兩類天氣下風險大小相當，同一天氣下夏大風險>夏小風險，冬大風險>冬小風險；高溫無風下系統(tǒng)風險主要取決于源荷變化，而暴風雪天氣下風險受源荷變化和設備故障率綜合影響，其安全穩(wěn)定風險更為突出。
5.3 東北電網(wǎng)未來風險防范建議
為合理指導資金有效投入，并為實際電網(wǎng)風險規(guī)避策略合理制定提供參考，從規(guī)劃和運行角度提出以下建議：1）針對最為脆弱的火電占比較高的遼寧電網(wǎng)，增加儲能、抽蓄等靈活性資源儲備，保證冬小方式下負荷需求；2）提前篩選東北電網(wǎng)中脆弱設備，并在規(guī)劃階段采取設備加固、重冰區(qū)規(guī)劃線路采用防覆冰導線、預置變壓器散熱器、重載線路及變電站擴容等措施；3）針對風電占比較高的吉林電網(wǎng)，采用風速切入切出優(yōu)化控制技術，減小其在暴風雪和高溫無風天氣中風機切出次數(shù)，增大發(fā)電量，提高電源充裕性；4）在極端天氣侵襲過程中，采取狀態(tài)監(jiān)測、停運降溫（對于線路，可電纜井投放冰磚、送冷風等措施；對于變壓器，可采用通風、放置冰塊、裝設噴淋裝置等措施）/停運除冰（給線路預置融冰裝置）等災中預防與故障定位、派遣搶修小隊等緊急控制相協(xié)調(diào)的災中風險規(guī)避手段，從而有效應對極端天氣。
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結 語
未來，極端天氣發(fā)生頻率和強度加大，將成為影響新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重大擾動因素。本文工作主要圍繞極端天氣對未來新型電力系統(tǒng)影響，完成了區(qū)域極端天氣篩選、氣象與電網(wǎng)耦合關系分析、極端天氣下電網(wǎng)風險全場景識別、風險場景多重不確定性建模、風險場景后果評價和基于規(guī)劃平臺的評估方法等模型與理論研究，可為未來新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行風險分析提供系統(tǒng)的理論方法支撐，并為提高電力系統(tǒng)對極端天氣的應災能力提供有益參考。
