南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司 劉 川

能源轉(zhuǎn)換介入的電力系統(tǒng)需在保障系統(tǒng)電力能源穩(wěn)定、有效供應(yīng)的基礎(chǔ)上，滿足高比例新能源接入穩(wěn)定發(fā)展。新能源接入比例不斷增加，導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)較大的不確定性，電力系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴大，難以保證覆蓋的所有地區(qū)結(jié)構(gòu)都能維持安全運行。面對復(fù)雜且不確定的運行環(huán)境，需加強對新能源電力系統(tǒng)的規(guī)劃，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。針對于新能源電力系統(tǒng)運行，需保證系統(tǒng)處于不確定環(huán)境下也能維持穩(wěn)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(tǒng)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(gòu)建完整的電力系統(tǒng)評估體系十分迫切。

1 新能源電力系統(tǒng)風險評估概述

基于能源轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)運行應(yīng)用可再生能源發(fā)電的比重不斷增加。這樣造成系統(tǒng)運行不確定性的風險發(fā)生，使得系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度都存在不確定風險。為了對系統(tǒng)風險進行確定，需構(gòu)建評估指標，為后續(xù)評估工作開展奠定基礎(chǔ)。

1.1 能源轉(zhuǎn)換下的新能源概述

國內(nèi)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)依舊是傳統(tǒng)能源為主，導(dǎo)致大量傳統(tǒng)能源被開發(fā)開采，嚴重影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(shù)被開發(fā)和應(yīng)用，改善了國內(nèi)傳統(tǒng)能源緊缺的壓力?；谖磥戆l(fā)展得到良好的應(yīng)用，但由于新能源自身的特點，大規(guī)模接入嚴重影響電力系統(tǒng)運行質(zhì)量，對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來沖擊，這也是研究系統(tǒng)概率風險的重要因素?？稍偕茉捶稚⒋嬖冢瑹o法保證傳統(tǒng)電網(wǎng)的大規(guī)模使用。且新能源接入需使用并網(wǎng)，需能源在整個應(yīng)用過程中科學調(diào)配和利用。

新能源電力系統(tǒng)風險的存在，是因為新能源電力系統(tǒng)在能源波動性較大的影響下影響了系統(tǒng)運行，使得用電模式發(fā)生變化，難以對其運行情況進行規(guī)劃和預(yù)測。對于側(cè)供電而言，電網(wǎng)要面臨新能源較強的波動電源。實際情況是新能源與傳統(tǒng)能源比例不協(xié)調(diào)，隨著這一發(fā)展現(xiàn)象加劇，嚴重影響了電源之間的運行效果；電網(wǎng)企業(yè)制定的調(diào)度計劃根據(jù)日常用戶對電力的需求供給，是保障電力供需與平衡的關(guān)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(yù)測。波動性帶來的影響，使得新能源電力系統(tǒng)調(diào)度面臨隨機性增強的情況，也反映出可調(diào)度質(zhì)量不佳的現(xiàn)象；運行過程中，新能源接入電力系統(tǒng)帶來的一系列問題對系統(tǒng)運行造成影響。自身因素加上外界環(huán)境影響導(dǎo)致電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題。

1.2 新能源電力系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)安全管理。通過概率性建模綜合對定量信息構(gòu)建系統(tǒng)風險事件鏈模型。利用不確定性分析法對電力系統(tǒng)運行風險進行分析和預(yù)測，找出影響風險水平的關(guān)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(jié)果分析-薄弱環(huán)節(jié)識別-改善薄弱環(huán)節(jié)。

1.2.1 風險評估指標體系

構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)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(shè)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(yīng)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(yīng)具備詳細的評價標準。

指標體系中，指標應(yīng)和評估目標有密切聯(lián)系。關(guān)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(guān)聯(lián)性較強的指標。還能確保指標體系相互補充，構(gòu)建完整的指標體系，共同為評估對象服務(wù)。通過對事件模型、故障模型等進行分析，根據(jù)結(jié)果找出模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。概率風險評估與傳統(tǒng)可靠性評估有明顯的區(qū)別，概率風險主要針對不確定性的系統(tǒng)進行分析。根據(jù)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(yīng)電力系統(tǒng)運行的真實風險，為新能源合理分配提供合理依據(jù)。

1.2.2 概率風險評估應(yīng)用現(xiàn)狀及概率風險評估特點

概率風險評估技術(shù)在不確定的因素下對電力系統(tǒng)風險進行評估分析，在各個領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用。在實際分析過程中，能根據(jù)以往的應(yīng)用實例獲得經(jīng)驗。通過對國外相關(guān)案例的分析，能夠明確概率風險在國內(nèi)的系統(tǒng)中的應(yīng)用。這也為當前新能源電力系統(tǒng)應(yīng)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(huán)節(jié)入手。通過一系列操作有效反映出系統(tǒng)實際風險水平，以及薄弱環(huán)節(jié)的識別方法。通過概率評估應(yīng)用理論對電力系統(tǒng)進行分析，為高比例新能源接入系統(tǒng)規(guī)劃運行提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2 能源轉(zhuǎn)型下新能源電力系統(tǒng)概率風險評估體系

2.1 新能源概率系統(tǒng)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(jié)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(fā)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(fā)電光伏發(fā)電起步較晚，結(jié)合季節(jié)、降雨量、晴空系數(shù)等參數(shù)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(shù)都是單獨考慮風能、光伏出力的時空相關(guān)性，很少有建模會去考慮兩者間的時空相關(guān)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(tǒng)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(fā)，因Copula 函數(shù)模型可在使用中保留新能源出力數(shù)據(jù)，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(guān)性進行分析。從故障模式層面出發(fā)，則可將可靠性理論作為研究核心，以此來完善復(fù)雜相依故障模型。

2.2 概率風險評估優(yōu)化方向

電力系統(tǒng)風險評估多數(shù)都是基于非時序等傳統(tǒng)框架所采用的一種評估方式，這種評估通常只會結(jié)合抽樣數(shù)據(jù)來進行評估，而故障的未來發(fā)展則無法進行評估。在電力系統(tǒng)中，新能源的出力波動問題將有可能成為連鎖風險的觸發(fā)源，即一種故障有可能引發(fā)另一種故障，因此須對傳統(tǒng)評估模式進行革新與優(yōu)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(gòu)建風險評估算法時，應(yīng)著重分析出力時序波動與連鎖故障的關(guān)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(tài)抽樣、評估、校正三個層面來優(yōu)化評估算法，抽樣環(huán)節(jié)可引入中間事件來捕捉低頻高危風險，而在評估環(huán)節(jié)則可結(jié)合模擬法、解析法來降低評估時間，校正環(huán)節(jié)可用對偶理論優(yōu)化求解。

2.3 薄弱環(huán)節(jié)的識別方法

薄弱環(huán)節(jié)識別能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不足之處，通過針對解決薄弱問題能顯著提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。目前新能源電力系統(tǒng)的薄弱識別方法通?？蓜澐譃榭煽啃愿櫯c靈敏度分析?？煽啃愿櫺枥每煽啃灾笜藖矸从巢煌骷闹笜素暙I度，可靠性指標較低的零部件便是電力系統(tǒng)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(dǎo)數(shù)，通過元器件的性能參數(shù)變化情況來識別電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。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(guī)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(huán)節(jié)識別，很難針對不同風險直接給出準確的風險評估結(jié)果。目前風險評估只能借助平均結(jié)果來進行期望性決策，這種期望判斷將會影響到電力系統(tǒng)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(tǒng)面對新能源時的風險狀態(tài)劃分為多個風險區(qū)間，此時便可獲取單一風險指標，并了解不同風險區(qū)間的風險評估情況。多層次概率指標還有助于發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的潛在極端風險，由于引入了期望概念，還可結(jié)合期望值來分析判斷風險水平。在薄弱環(huán)節(jié)識別中能夠靈敏度分析與割集、微分重要度相結(jié)合，以此來分析新能源節(jié)點對整個薄弱環(huán)節(jié)識別的影響情況。

2.5 概率風險評估優(yōu)化策略

概率風險評估的全面推廣可大幅提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)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(shù)、約束條件風險兩種。若將切負荷費用與目標函數(shù)相結(jié)合，能實現(xiàn)對社區(qū)微電網(wǎng)儲能情況的優(yōu)化。通過將約束條件圈定條件風險價值的上、下限，可實現(xiàn)智能電網(wǎng)的電力優(yōu)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(yīng)用，然后結(jié)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(yōu)化，優(yōu)化后的評估方式能對新能源電力系統(tǒng)不同層次的風險進行分析。

3 新能源電力系統(tǒng)概率風險評估發(fā)展方向

能源轉(zhuǎn)型的深入是能源改革的先決條件，通過大力開發(fā)新能源，能夠為低碳環(huán)保的生態(tài)文明建設(shè)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(tǒng)中必須克服系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。概率風險評估作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵，其未來發(fā)展重點如下：

風險建模發(fā)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(guān)性、新能源與負荷間的聯(lián)系，還要考慮新能源故障模式的多元化因素，即由內(nèi)、外因素融合后的相依故障問題；風險評估發(fā)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(fā)展。應(yīng)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(tǒng)的多種風險情況，降低概率風險評估時的誤差；風險決策發(fā)展。在概率風險評估發(fā)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(guān)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(tǒng)安全穩(wěn)定地順利運行。因此須重新規(guī)劃、優(yōu)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(tǒng)概率風險評估是當前新能源大量接入電力系統(tǒng)、保障系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。對能源接入系統(tǒng)承受的風險，通過風險評估模型加強對概率不確定性和復(fù)雜性的分析。對風險發(fā)展進行準確描述有助于保障電力系統(tǒng)運行的可靠性。結(jié)合當前新能源轉(zhuǎn)型特征有效識別系統(tǒng)運行故障模式與概率問題，強化薄弱環(huán)節(jié)、實際估算出系統(tǒng)動態(tài)運行的風險情況，便于克服運行風險，提高電力系統(tǒng)運行的適應(yīng)性，為系統(tǒng)規(guī)劃決策提供關(guān)鍵技術(shù)。