中能论坛︱关于电力系统安全韧性的思考

来源：《中国电力报》 时间：2023-03-31 16:13

许寅

　　核心提要

　　●多能源电力系统发展需要能兼顾安全、经济、清洁、低碳多目标的新思路和新范式，韧性是其中不可或缺的因素

　　●需要建立“以不变应万变”的普适防御机制，与现有针对特定类型事件的预案形成互补，完善电网安全韧性支撑体系

韧性时代：电力系统安全面临的最大挑战来自未知事件

　　近十年，世界范围内发生了多起始料未及、影响巨大的事件，包括中美贸易战、英国脱欧、新冠疫情、俄乌战争等，逆全球化趋势明显，让我们不得不重新思考未来发展之路。提出“能源互联网”概念的著名未来学家杰里米·里夫金在他的著作《韧性时代》中提出：在新时代，效率与韧性的权衡取舍不可避免，效率应让位于韧性。

　　世界范围内因极端自然灾害、蓄意攻击、意外事故等导致的大停电事故频发。专家学者通过回溯事件发生发展过程找到规律、形成经验，对于防范同类事件有积极助益。然而，对电力系统造成最大威胁的是未知事件，包括强度超出预期的灾害（如2012年日本福岛大地震）、首次出现的事件形式（如2015年乌克兰电力系统网络攻击事件）等。防范这类事件的难点在于我们无法预判这些事件是否会发生、何时发生、如何发生以及会造成怎样的影响，甚至在这类事件发生前不知其存在。

　　大停电事故造成的经济损失和社会影响是全局性的，由全社会共担。西方资本主义国家的电力企业多为私企，以利益最大化为主要目标，在电网规划设计时通常仅考虑大停电对企业利益的影响。我国国家电网和南方电网均为大型央企，做决策时站在全社会角度，电网安全裕度较为充裕，对于抵御未知事件是有益的，因此除因极端自然灾害（如2008年冰灾）造成停电事故外，我国未发生过连锁故障等严重电网事故。电网安全裕度的价值很难准确评估，且往往被低估。因此，笔者认为，在权衡安全性和经济性时需谨慎，不可盲目追求常规意义下的高收益，设备利用率也不是越高越好。

　　在能源转型和“双碳”战略指引下，我国电力系统逐步发展为多能源电力系统。首先，电源形式多样化，除传统煤电和水电外，风电、光电、燃气发电的容量和占比均不断提升，推动电能利用清洁化、低碳化。其中，风、光、水等可再生能源具有“靠天吃饭”的特点，存在“气候风险”，2021年9月东北限电、2022年8月四川限电事件都是典型案例。其次，电网与供气、供热等能源网络耦合紧密，通过多能互补提升能效和经济性。然而，多能耦合亦增加了故障连锁传播风险（如2021年2月美国得州限电事件）。可见，多能源电力系统发展需要能兼顾安全、经济、清洁、低碳多目标的新思路和新范式，韧性是其中不可或缺的因素。

韧性电网：亟须建立“以不变应万变”的韧性提升机制

　　2022年，国网上海市电力公司联合北京交通大学、清华大学等高校合著的《韧性电网》专著出版，提出了“韧性电网”概念，即“能够全面、快速、准确感知电网运行态势，协同电网内外部资源，对各类扰动做出主动预判与积极预备，主动防御，快速恢复，并能自我学习和持续提升的电网”，并指出韧性电网应具备感知力、应变力、防御力、恢复力、协同力和学习力。那么，该如何建设韧性电网呢？

　　极端事件种类多且难预测，甚至在其发生前不知其存在（未知的未知）。因此，需要建立“以不变应万变”的普适防御机制，与现有针对特定类型事件的预案形成互补，完善电网安全韧性支撑体系。在此，笔者抛砖引玉，提出以下几种韧性提升普适机制。

　　第一，资源分散化，提升各层级局部电网的自治运行能力。我国现已建成覆盖全国主要区域的交直流混联电力系统，集中建设电源、远距离输电、大范围互联带来的收益是显而易见的。然而，集中化亦可导致能量受端地区的电网过度依赖外部电力供应，电网脆弱性增加。因此，在一定程度上将资源分散化，在各层级电网中合理布局保障性、支撑性和灵活性资源，通过建设“坚强局部电网”、微电网（群）等，在集中与分散之间找到合理的平衡点，能够以较小的代价提升各层级局部电网的极限生存和自治运行能力。

　　第二，发掘灵活性，增加可参与系统调控的资源种类和体量。多能源电力系统中风电、光伏等新能源具有波动性、随机性和间歇性，其参与稳态调度、暂态频率和电压支撑的能力较弱。通过优化调配系统源网荷储各环节的各类可用资源，加强需求侧响应、虚拟电厂等先进技术的应用，使更多资源参与到电网多时间尺度的调控过程中，增加电网中可调控资源的种类、数量/容量及分布广度，从而提升电力系统适应各类随机扰动的能力。

　　第三，多主体协同，拓展多种能源系统间的互补互济空间。通过分析电、气、热等能源系统间的耦合关系，设计协同防御机制，形成“命运共同体”，实现应急场景联防联控。在事件发生发展阶段，协同机制可避免故障在系统间耦联传播，并在各系统的“保供”决策中考虑对其他系统的支撑作用，实现事中互济。在事后恢复阶段，亦可制定多能源系统的协调恢复策略，统筹考虑耦合设备功能恢复与各能源系统的恢复时序，从而提升事后恢复效率。

韧性思维：观念和范式转变是迎接新挑战的关键

　　底线思维：建立普适性兜底防御机制以应对未知极端事件，是底线思维的一种体现。对于无法用概率描述的未知事件，风险理论失效，无法准确计算电网投资策略的期望收益，也就无法基于准确计算开展电网规划，但电网管理者仍需要做出关于未来电网规划的决策。有必要在决策中运用底线思维，开展巨灾情景构建与分析，发现应急体系中的结构性缺陷，在电网规划建设中体现韧性提升普适机制。

　　辩证思维：基于辩证思维权衡电网经济性与韧性，分析和定位新技术效用，以有限的投入最大化韧性提升成效。在电网规划方面，无须为应对极端事件部署性价比太低的专用资源，通过改变资源规划理念，统筹考虑资源集中开发大范围调配的经济效益和资源分布式开发利用带来的适应性提升，兼顾风光水气煤多种资源对清洁低碳、经济高效、安全韧性的贡献，提出均衡多目标的电网规划方案。在新技术应用方面，同一技术手段如何使用是关键。例如，虚拟电厂等技术可提升系统灵活调控能力，若将其作为实际机组的重要补充，则可提升韧性；若以虚拟电厂替代了部分传统电厂以提升常规运行时的经济性，则可能反而降低了韧性，毕竟虚拟电厂相比于真实发电厂，其鲁棒性和可靠性较差。

　　系统思维：电力系统规模不断增加，且与供气、供热、交通、通信等基础设施系统相互耦合，形成巨型复杂网络，仅采用还原论思维模式已不能解决电力系统安全所面临的复杂问题，亟须借鉴整体论的系统思维。采用系统科学的最新理论，综合整体论和还原论，关注耦合系统整体具有、而其组成部分没有的性质，有助于我们理解极端事件下故障在多主体间耦联传播的机理，探索协同应灾之道。

　　（作者系北京交通大学智慧能源研究中心主任）

　　责任编辑：沈馨蕊