張逸, 吳逸帆, 陳晶騰

(1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院, 福州市 350108； 2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司莆田供電公司, 福建省莆田市 351100)

0 引 言

電壓暫降是電力系統(tǒng)運行過程中不可避免的短時擾動現(xiàn)象，體現(xiàn)為某點工頻電壓方均根值突然降低至0.1 ～0.9 pu，并在短暫持續(xù)10 ms～1 min[1]后恢復(fù)正常。隨著工業(yè)自動化與智能化水平的提高，大量敏感設(shè)備的投入使用，電壓暫降已成為最為嚴(yán)重的一類電能質(zhì)量問題[2]，其主要由電網(wǎng)短路故障引起，波及范圍廣，可使設(shè)備運行中斷[3]，進(jìn)而影響甚至破壞整個工藝流程的連續(xù)性工作，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

電壓暫降風(fēng)險評估是電壓暫降領(lǐng)域的重要研究方向，是綜合考慮可能性與嚴(yán)重性給出暫降風(fēng)險度量的方法[5]，其中可能性指事故發(fā)生的概率水平，嚴(yán)重性則描述發(fā)生故障帶來的后果。由于電壓暫降無法完全避免，科學(xué)實施暫降風(fēng)險評估，對于供電方而言，有利于其規(guī)劃改造電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化制定運行方式，減小暫降發(fā)生概率與影響范圍；對于用電方而言，有利于其編排調(diào)整生產(chǎn)計劃，安裝配置治理設(shè)備，降低暫降所致經(jīng)濟(jì)損失。因此，電壓暫降風(fēng)險評估對于電壓暫降的分析與防治具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義[6]。

本文首先從電壓暫降風(fēng)險量化指標(biāo)入手，將其分為可能性指標(biāo)、嚴(yán)重性指標(biāo)、綜合性指標(biāo)三類進(jìn)行梳理歸納；隨后，分析總結(jié)基于仿真模擬、狀態(tài)估計與數(shù)據(jù)驅(qū)動的三類風(fēng)險評估方法以及各自的優(yōu)缺點與適用場景；最后，指出新型電力系統(tǒng)背景下電壓暫降風(fēng)險評估研究面臨系統(tǒng)故障特性更加復(fù)雜、能源形式更加多樣、缺乏在線仿真技術(shù)、缺乏工程化應(yīng)用等四類挑戰(zhàn)，并針對以上挑戰(zhàn)分別從完善故障分析理論、研究綜合能源系統(tǒng)風(fēng)險評估模型和指標(biāo)體系、研究暫降風(fēng)險評估融合方法、研究在線仿真技術(shù)和研發(fā)實用化互動分析平臺五方面對未來研究方向進(jìn)行展望。

1 電壓暫降風(fēng)險評估方法研究現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)險評估總體思路

電壓暫降風(fēng)險是電網(wǎng)發(fā)生概率(可能性)與用戶影響后果(嚴(yán)重性)的綜合度量，如圖1所示，其中發(fā)生概率主要考慮電網(wǎng)側(cè)的故障相關(guān)因素，影響后果主要考慮用戶側(cè)的暫降耐受能力。

圖1 電壓暫降風(fēng)險主要影響因素Fig.1 Main influencing factors of voltage sag risk

電壓暫降風(fēng)險評估首先需要根據(jù)不同需求場景確定合理的量化指標(biāo)來表征電壓暫降風(fēng)險水平；之后，采用不同方法開展電壓暫降風(fēng)險評估，目前主要的風(fēng)險評估方法可分為基于仿真模擬、基于狀態(tài)估計與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動三類，三者各有優(yōu)劣，采用何種方法需要視是否能獲取暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)等具體情況而定。

1.2 風(fēng)險量化指標(biāo)

根據(jù)前文電壓暫降風(fēng)險評估的定義，可將電壓暫降風(fēng)險量化指標(biāo)分為可能性指標(biāo)、嚴(yán)重性指標(biāo)與綜合性指標(biāo)三類，其相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 電壓暫降風(fēng)險量化指標(biāo)相互關(guān)系Fig.2 Relationship between quantitative indices of voltage sag risk

電壓暫降風(fēng)險的可能性指標(biāo)主要反映電網(wǎng)側(cè)不同位置、不同程度電壓暫降的發(fā)生概率。在數(shù)學(xué)上，概率是一個統(tǒng)計學(xué)概念，在大量重復(fù)實驗條件下，可由某事件的頻次統(tǒng)計結(jié)果所算得的頻率進(jìn)行近似表示。目前，在暫降風(fēng)險評估中也常通過統(tǒng)計手段得到相關(guān)指標(biāo)，如暫降頻次[7]、系統(tǒng)電壓平均有效值變化率指標(biāo)(system average root mean square variation frequency index，SARFI)[7]、IEC61000-2-8表格[8]等，在此基礎(chǔ)上再基于統(tǒng)計結(jié)果算得頻率，并獲得頻次的分布特性，以反映不同類型電壓暫降發(fā)生的可能性。還有研究學(xué)者基于長期暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，構(gòu)建概率分布模型，推測暫降發(fā)生可能[9]。通過不同幅值、不同持續(xù)時間的暫降事件分布情況可從統(tǒng)計學(xué)角度獲悉各類型暫降發(fā)生的可能性。但為從以上指標(biāo)中獲得準(zhǔn)確的概率分布特性，需要進(jìn)行長期的監(jiān)測，實施成本較高，因此有文獻(xiàn)考慮利用母線電壓時變區(qū)間特性[10]、線路保護(hù)特性[11]預(yù)估得到暫降發(fā)生頻次。

電壓暫降風(fēng)險的嚴(yán)重性指標(biāo)主要反映用戶遭受不同程度電壓暫降影響的后果。常見的嚴(yán)重性指標(biāo)有IEEE P1564給出的電壓暫降事件的能量指標(biāo)EVS[12]和嚴(yán)重性指標(biāo)Se[12]，兩者均從幅值與持續(xù)時間反映了暫降事件的后果嚴(yán)重性。而當(dāng)電壓耐受曲線(voltage tolerance curve，VTC)存在不確定區(qū)域時，可采用幅值嚴(yán)重性指標(biāo)(magnitude severity index，MSI)、持續(xù)時間嚴(yán)重性指標(biāo)(duration severity index，DSI)和綜合嚴(yán)重性指標(biāo)(magnitude duration severity index，MDSI)[7]來表征暫降嚴(yán)重程度。此外，文獻(xiàn)[13]考慮了設(shè)備VTC的不確定性構(gòu)建設(shè)備停機概率模型評估暫降嚴(yán)重性。文獻(xiàn)[14]定義電壓暫降不兼容度與影響度指標(biāo)來反映暫降影響的深度和廣度。文獻(xiàn)[15]基于Larsen推理利用暫降特征推算負(fù)荷損失率，明確工業(yè)過程受暫降影響損失。在上述指標(biāo)中，EVS通過暫降幅值與持續(xù)時間就可算得，適用范圍廣，但僅考慮暫降自身嚴(yán)重性，忽略了設(shè)備耐受能力。而Se、MSI、DSI、MDSI等指標(biāo)需要事先定義VTC才可計算，而VTC的獲取較為困難，導(dǎo)致上述指標(biāo)在實際工作中難以應(yīng)用，若用SEMI-F47(semiconductor equipment and materials international F47)、美國信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(information technology industry council，ITIC)等典型曲線進(jìn)行替代，準(zhǔn)確性將受到影響，因此有研究者利用電壓持續(xù)曲線[16]、波形多維特征刻畫[17]等方法改良指標(biāo)，提升評估效果。

在衡量電壓暫降對用戶影響的嚴(yán)重性時，除了VTC之外，過程免疫時間(process immunity time，PIT)也受到廣泛關(guān)注。PIT從物理層面量化了電壓暫降的影響后果，定義為敏感過程在經(jīng)受給定幅值的電壓暫降后，其過程參數(shù)超過允許限制值的時間[18]，其中過程參數(shù)是指設(shè)備在過程中負(fù)責(zé)管控的各項物理指標(biāo)，包括溫度、壓力等，如圖3所示，圖中Pnom、Plimit分別為額定運行、正常運行的臨界過程參數(shù)；ta、ta+Δt和tb為過程經(jīng)受暫降、偏離額定和臨界的時間。目前國內(nèi)外學(xué)者已針對PIT開展了一定的研究，并取得了一定成果。文獻(xiàn)[19]首次將PIT應(yīng)用于暫降經(jīng)濟(jì)損失，提出經(jīng)濟(jì)損失分級評估模型，量化暫降影響后果。文獻(xiàn)[20]考慮設(shè)備的連接和備用關(guān)系，由單一設(shè)備PIT推算全工藝流程及其子環(huán)節(jié)的PIT，用于評估暫降影響嚴(yán)重性。文獻(xiàn)[21]將重合閘清除的非永久性故障與PIT相關(guān)聯(lián)，結(jié)合暫降財務(wù)損失，量化暫降影響后果。

圖3 過程免疫時間曲線Fig.3 Time curve of process immunity

電壓暫降風(fēng)險的綜合性指標(biāo)是對電壓暫降發(fā)生可能性與影響嚴(yán)重性的綜合量化指標(biāo)。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)定義了電壓暫降風(fēng)險概念，在量化暫降風(fēng)險時綜合考慮了設(shè)備受暫降影響的故障概率與影響后果。還有文獻(xiàn)采用層次分析法[22]、熵權(quán)法[23]等將前文所述的可能性指標(biāo)與嚴(yán)重性指標(biāo)相結(jié)合，提出可綜合考慮電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)的指標(biāo)，并實現(xiàn)了指標(biāo)降維。但目前多數(shù)研究提出的綜合性指標(biāo)其本質(zhì)是對可能性指標(biāo)與嚴(yán)重性指標(biāo)的加權(quán)求和，導(dǎo)致所得綜合性指標(biāo)的物理意義并不明確。

相比電力系統(tǒng)其他問題，電壓暫降與用戶側(cè)關(guān)聯(lián)更加緊密，相同暫降對不同用戶的影響差異巨大，因此，客觀體現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生可能性、全面反映用戶側(cè)影響嚴(yán)重性的暫降風(fēng)險綜合指標(biāo)將是研究重點，未來可能還需要制定適用于不同行業(yè)、不同場景下的電壓暫降風(fēng)險量化指標(biāo)體系及評判區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 基于仿真模擬的風(fēng)險評估

基于仿真模擬的電壓暫降風(fēng)險評估通過系統(tǒng)故障分析得到電網(wǎng)公共連接點的暫降風(fēng)險?，F(xiàn)有基于仿真模擬的電壓暫降風(fēng)險評估大多是采用隨機抽樣的方式來模擬電力系統(tǒng)故障實現(xiàn)風(fēng)險評估。文獻(xiàn)[24]采用蒙特卡羅法對故障變量進(jìn)行隨機抽樣，通過大規(guī)模隨機故障計算定量分析電網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點發(fā)生電壓暫降的風(fēng)險。在蒙特卡羅法的基礎(chǔ)上，還有文獻(xiàn)通過故障概率模型優(yōu)化[25]、新能源出力不確定性建模[26]、分布式電源建模[27]、仿真范圍擴(kuò)充[28]來改善隨機抽樣模型，使其概率分布特性更符合實際。

以上采用隨機抽樣模擬故障的風(fēng)險評估方法反映了電力系統(tǒng)的隨機性，原理簡單，易于編制程序，適用于評估電網(wǎng)區(qū)域總體風(fēng)險水平。但其精度與抽樣數(shù)密切相關(guān)，在分析大型電網(wǎng)時，隨機變量增多，為保證結(jié)果準(zhǔn)確，抽樣數(shù)也將顯著增多，需要耗費大量的計算資源與時間。

1.4 基于狀態(tài)估計的風(fēng)險評估

基于狀態(tài)估計的電壓暫降風(fēng)險評估以電力系統(tǒng)狀態(tài)估計理論為基礎(chǔ)，通過監(jiān)測點的量測數(shù)據(jù)來估計非監(jiān)測點的暫降水平。文獻(xiàn)[29-30]首先提出電壓暫降狀態(tài)估計的概念，基于最小二乘原理求解得到未知點的暫降幅值。還有文獻(xiàn)通過貝葉斯濾波[31]實現(xiàn)電壓暫降狀態(tài)估計評估暫降風(fēng)險，但以上方法多適用于輻射狀網(wǎng)絡(luò)的簡單故障。因此，有文獻(xiàn)提出了適用于復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)的故障路徑搜索算法[32]，提高了電壓暫降狀態(tài)估計的可實施性。文獻(xiàn)[33]將狀態(tài)估計方程運用至電壓暫降狀態(tài)評估中，并將狀態(tài)估計方程與物理意義相結(jié)合轉(zhuǎn)化為一個整數(shù)線性規(guī)劃(integer linear programming，ILP)問題來估計暫降頻次，此方法可適用于任意網(wǎng)絡(luò)與任意故障類型，但故障點的增多將帶來維數(shù)災(zāi)難問題。因此，大量學(xué)者對電壓暫降狀態(tài)估計方程的求解進(jìn)行了探索，遺傳算法(genetic algorithm，GA)[34]、奇異值分解法(singular value decomposition，SVD)[35]等的應(yīng)用一定程度上提升了求解性能。文獻(xiàn)[36]引入電壓暫降模式概念，考慮故障模式與其引起的電壓暫降模式之間的映射關(guān)系，基于模式匹配完成暫降水平評估，克服了現(xiàn)有方法數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、尋優(yōu)困難的問題。

基于狀態(tài)估計的方法可推算非監(jiān)測點暫降水平，有助于提升暫降風(fēng)險的全網(wǎng)可觀性，適用于監(jiān)測水平不高的場合。同時，該方法還可用于不良暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢測與辨識[37]、暫降監(jiān)測裝置的布點優(yōu)化[36]等場景。但在電網(wǎng)規(guī)模較大時，量測矩陣的存儲與運算困難，同時電網(wǎng)的不確定性以及對約束條件考慮的不完善，也將影響狀態(tài)估計的準(zhǔn)確性。

1.5 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風(fēng)險評估

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法通過對電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘分析實現(xiàn)，主要關(guān)注暫降風(fēng)險與其影響因素的關(guān)聯(lián)性。文獻(xiàn)[38]以大型城市的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對暫降波形、相序、幅值等特征量進(jìn)行分析，較為全面地分析了暫降事件特性。還有文獻(xiàn)采用灰靶理論[39]、關(guān)聯(lián)規(guī)則[40]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[41]等人工智能方法從監(jiān)測數(shù)據(jù)中挖掘深層次暫降信息，揭示了各影響因素與暫降事件的關(guān)聯(lián)關(guān)系。文獻(xiàn)[42-43]通過馬爾科夫鏈將暫降事件的發(fā)生轉(zhuǎn)化為時序預(yù)測問題，前者在預(yù)測時著重考慮天氣與暫降事件間的關(guān)聯(lián)，后者通過同源聚合降低了監(jiān)測數(shù)據(jù)冗余度，同時采用模糊C均值聚類考慮了監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布特性。文獻(xiàn)[44-45]均以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)并引入PIT來評價用戶或過程的電壓暫降風(fēng)險，其中文獻(xiàn)[44]構(gòu)建因素集來表征暫降風(fēng)險影響因素并采用模糊邏輯語言描述暫降風(fēng)險；文獻(xiàn)[45] 結(jié)合用戶中斷概率與暫降經(jīng)濟(jì)損失，構(gòu)建了具有適應(yīng)能力的用戶電壓暫降損失風(fēng)險評估模型。

隨著量測和通信技術(shù)的發(fā)展，可獲得數(shù)據(jù)的種類與數(shù)量越來越多，使得基于數(shù)據(jù)挖掘分析的方法受到更廣泛的關(guān)注。首先，該方法通過挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)與暫降風(fēng)險間的關(guān)聯(lián)關(guān)系就可完成風(fēng)險評估，無需復(fù)雜的電網(wǎng)計算；其次，當(dāng)隨機變量增多時，仿真模擬方法的抽樣量將大幅增加，而該方法僅需整合變量數(shù)據(jù)，增加輸入維度并適當(dāng)改變模型結(jié)構(gòu)即可；再次，該方法的模型多為訓(xùn)練得到，當(dāng)工況變化時，模型的更新只需用新工況下的數(shù)據(jù)重新訓(xùn)練即可完成；最后，訓(xùn)練完成的模型通過輸入數(shù)據(jù)就可快速得出結(jié)果，有利于提升暫降風(fēng)險評估的實時性。綜上，該方法普適性較強，適用于影響因素復(fù)雜，工況多變的場合。但該方法是通過訓(xùn)練得到的模型直接表征輸入與輸出間的映射關(guān)系，物理可解釋性較差。同時，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超參數(shù)合理選取困難、輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理繁瑣，也限制了該方法的工程實用。

1.6 方法小結(jié)

電壓暫降風(fēng)險是電網(wǎng)發(fā)生暫降可能性與用戶受暫降影響嚴(yán)重性的綜合度量。目前，基于仿真模擬與基于狀態(tài)估計的風(fēng)險評估方法多從電網(wǎng)層面反映不同程度暫降發(fā)生的可能，是概率層面上暫降風(fēng)險水平的體現(xiàn)，由于缺乏對用戶、設(shè)備暫降耐受能力的考慮，用戶是否受暫降影響的實際風(fēng)險難以得知。而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法往往采用一個或幾個同類監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫降風(fēng)險評估，易于考慮用戶耐受特性，因此側(cè)重于對用戶受暫降影響后果的分析，但難以計及電網(wǎng)側(cè)不同程度電壓暫降的發(fā)生概率水平。對三類方法的數(shù)據(jù)來源、優(yōu)缺點、適用場景、適用對象進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 不同電壓暫降風(fēng)險評估方法比較Table 1 Comparison of different voltage sag risk assessment methods

2 新型電力系統(tǒng)背景下的電壓暫降風(fēng)險評估挑戰(zhàn)

隨著電力系統(tǒng)不斷演化與轉(zhuǎn)型升級，新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出“高比例可再生能源電力系統(tǒng)”、“高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)”、“多能互補的綜合能源電力系統(tǒng)”等新的技術(shù)特征[46]，電壓暫降風(fēng)險評估也出現(xiàn)了以下需要深入研究分析的挑戰(zhàn)。

2.1 系統(tǒng)故障特性更加復(fù)雜

新型電力系統(tǒng)中大量新能源、電力電子設(shè)備、儲能系統(tǒng)等的接入使電力系統(tǒng)的故障特性發(fā)生了改變，也導(dǎo)致電壓暫降風(fēng)險評估中面臨以下新的挑戰(zhàn)。

1)電壓耐受與支撐能力的變化影響了電壓暫降波及范圍與嚴(yán)重程度。一方面，以新能源機組為例，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌至0.2 pu時，應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運行0.625 s[47]，而光伏機組在并網(wǎng)點電壓跌至0時，應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運行0.15 s[48]，即風(fēng)電、光伏機組的低電壓穿越能力與常規(guī)火電機組相比有較大差距。同時，其電壓支撐能力與常規(guī)火電機組相比也較弱[49]，在電壓暫降期間可能出現(xiàn)大規(guī)模脫網(wǎng)，甚至引發(fā)連鎖故障。另一方面，配電網(wǎng)中分布式電源的接入使得配電網(wǎng)由單一無源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)[50]，此時合理的分布式電源并網(wǎng)位置與安裝容量將提升配電網(wǎng)的電壓支撐能力[51]，從而減小電壓暫降波及范圍與影響后果。

2)傳統(tǒng)系統(tǒng)故障分析方法可能導(dǎo)致風(fēng)險過評估或欠評估。目前暫降風(fēng)險的計算過程往往對電力電子設(shè)備、分布式可再生能源、儲能系統(tǒng)等采用簡化處理，忽略了其電氣、機械、控制特性與傳統(tǒng)電網(wǎng)的差異，導(dǎo)致電壓暫降風(fēng)險過評估或欠評估的發(fā)生，如電力電子裝置在發(fā)生短路時，由于其具有較高的內(nèi)電抗和快速可控的參考電流，且故障恢復(fù)時基本沒有類似同步機組的次暫態(tài)過程，使其短路電流的幅值和持續(xù)時間均較小[52]，而基于仿真模擬的風(fēng)險評估過程往往忽略了電力電子裝置的故障分析或做近似處理，導(dǎo)致所得暫降深度與持續(xù)時間結(jié)果偏大，暫降風(fēng)險出現(xiàn)過評估。

2.2 能源形式更加多樣

新型電力系統(tǒng)將不再是孤立的電力生產(chǎn)與消費系統(tǒng)，而是作為綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)的重要組成部分[53]。IES內(nèi)含有兩種或以上的能源形式，主要由供能網(wǎng)絡(luò)、能源交換環(huán)節(jié)、能源儲存環(huán)節(jié)、終端綜合能源供用單元和用戶組成[54]。IES的出現(xiàn)也給電壓暫降風(fēng)險評估帶來了以下新挑戰(zhàn)。

1)需要對IES多能耦合場景的電壓暫降影響進(jìn)行分析。IES中的多個供能網(wǎng)絡(luò)并不是孤立運行的，而是存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。因此，IES在遭受電壓暫降時，一個網(wǎng)絡(luò)的擾動將通過能源耦合環(huán)節(jié)傳播至其他網(wǎng)絡(luò)，影響能源的交換、使用、儲存，甚至可能引起連鎖故障[55]。同時運行環(huán)境與能源發(fā)/輸/配/用特性的不同也衍生出了多種類型的IES[56]。不同類型IES的能源形式、能量流、適用場景等也不盡相同，進(jìn)一步加大了電壓暫降影響后果分析的難度。

2)需要研究針對IES的電壓暫降風(fēng)險量化評估指標(biāo)體系。在對IES進(jìn)行電壓暫降風(fēng)險量化評估時，由于電壓暫降將引起多供能網(wǎng)絡(luò)共同擾動，僅考慮電力網(wǎng)絡(luò)的暫降風(fēng)險是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，其他供能網(wǎng)絡(luò)的暫降風(fēng)險也是不可忽視的。以電-氣綜合能源系統(tǒng)(electric-gas integrated energy system, EG-IES)為例(見圖4)，電網(wǎng)電壓暫降除了導(dǎo)致電網(wǎng)中的設(shè)備停運與負(fù)荷削減外，氣網(wǎng)也將因壓縮機受暫降擾動而導(dǎo)致氣壓下降，氣負(fù)荷切除。因此，在量化IES暫降風(fēng)險時，需要建立綜合考慮各供能網(wǎng)絡(luò)的電壓暫降風(fēng)險量化評估指標(biāo)體系。

圖4 電壓暫降在電-氣綜合能源系統(tǒng)的影響Fig.4 Influence of voltage sag on EG-IES

2.3 缺乏面向電壓暫降的在線仿真技術(shù)

電力系統(tǒng)故障仿真是研究電壓暫降作用機理、影響水平、波及范圍并進(jìn)行準(zhǔn)確風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，其主要包括仿真模型搭建與仿真分析計算兩方面[57]。目前應(yīng)用電力系統(tǒng)故障仿真技術(shù)分析電壓暫降風(fēng)險面臨以下挑戰(zhàn)：

1)缺乏電壓暫降敏感設(shè)備與治理設(shè)備的仿真模型?，F(xiàn)有方法的仿真模型中均未考慮敏感設(shè)備與治理設(shè)備模型，評估過程難以準(zhǔn)確、全面地體現(xiàn)用戶側(cè)設(shè)備耐受能力和治理支撐效果，易造成結(jié)果過評估或欠評估。同時，無法對用戶側(cè)暫降治理方案進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)致實施治理時缺乏依據(jù)。

2)需要研究電壓暫降在線仿真技術(shù)。一方面，現(xiàn)有電壓暫降仿真分析多為離線仿真，風(fēng)險評估不具實時性。為實現(xiàn)暫降風(fēng)險的及時告知，亟需引入在線仿真技術(shù)。另一方面，新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)模增大、新型元器件出現(xiàn)與故障類型增加將使仿真存儲與計算資源需求呈數(shù)量級上升，給電壓暫降在線仿真技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。

2.4 電壓暫降風(fēng)險評估的工程化應(yīng)用

目前電壓暫降風(fēng)險評估工程化應(yīng)用過程中還存在以下問題尚待解決：

1)電壓暫降風(fēng)險評估模型的復(fù)雜性與實用性難以權(quán)衡。若需全面考慮影響暫降風(fēng)險的各種因素，一方面，將需要接入不同系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，增加了工程實施難度；另一方面，將增加模型復(fù)雜程度，導(dǎo)致模型在工程平臺上難以集成。若為工程實施方便過于簡化模型，將導(dǎo)致忽略關(guān)鍵影響因素而造成風(fēng)險評估效果欠佳。因此，如何權(quán)衡模型復(fù)雜性與實用性之間的關(guān)系是工程化應(yīng)用亟待解決的問題之一。

2)缺乏多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用與暫降信息共享交互。一方面，目前多數(shù)電壓暫降風(fēng)險評估僅依靠電網(wǎng)暫降仿真與監(jiān)測數(shù)據(jù)，但要從電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)及外部環(huán)境等各方面全面研判暫降風(fēng)險，就需要深度融合和應(yīng)用電力系統(tǒng)內(nèi)外的暫降多源數(shù)據(jù)。另一方面，目前電壓暫降防治工作中缺少供用電雙方的交互機制，供電公司難以獲取用戶側(cè)敏感設(shè)備和治理方案信息，用戶也無法及時獲知電網(wǎng)側(cè)暫降發(fā)生可能性，導(dǎo)致供用電雙方的暫降風(fēng)險評估實用化推廣均存在困難。

3 電壓暫降風(fēng)險評估研究展望

針對以上新型電力系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，電壓暫降風(fēng)險評估未來有以下幾個可能的研究方向：

1)完善針對電壓暫降的新型電力系統(tǒng)故障分析理論。未來在研究由故障引起的電壓暫降的風(fēng)險評估過程中，應(yīng)在傳統(tǒng)同步機組、恒功率、恒阻抗負(fù)荷為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)故障分析基礎(chǔ)上，考慮電力電子設(shè)備、分布式新能源、儲能系統(tǒng)的接入對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓水平與故障電流特性的影響。一方面，需針對設(shè)備故障與交/直流故障混雜、電網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)改變的問題，研究復(fù)雜故障類型、模糊故障路徑下的電壓暫降風(fēng)險；另一方面，針對分布式電源、電動汽車等單相大功率發(fā)/用電設(shè)備的大量使用帶來的三相不對稱問題[58]，未來可考慮利用各序分量間的耦合關(guān)系對序分量法進(jìn)行改進(jìn)或采用相分量法來計算故障下的暫降幅值，避免電壓暫降風(fēng)險的過評估或欠評估。

2)研究在綜合能源系統(tǒng)多能耦合場景下的電壓暫降影響分析模型與風(fēng)險評價指標(biāo)體系。以電-氣-熱互聯(lián)系統(tǒng)為例，在發(fā)生電壓暫降時，首先需結(jié)合電-氣、電-熱之間的耦合環(huán)節(jié)(如熱泵、鍋爐、壓縮機)的暫降耐受能力判斷耦合設(shè)備是否遭受擾動；其次，根據(jù)IES的相依特性[59]，研究電網(wǎng)暫降對其他供能網(wǎng)絡(luò)的擾動影響以及其他供能網(wǎng)絡(luò)受擾后可能再次影響電網(wǎng)的過程，并結(jié)合VTC與PIT曲線刻畫IES中敏感設(shè)備的受擾概率，從電氣特性與物理屬性上綜合分析暫降風(fēng)險；最后在量化暫降風(fēng)險時，除了考慮電網(wǎng)指標(biāo)，還需要增加氣網(wǎng)、熱網(wǎng)等其他供能網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)指標(biāo)，如氣負(fù)荷損失、熱負(fù)荷損失等，此外，對于電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性的考慮也應(yīng)一并納入電壓暫降風(fēng)險量化指標(biāo)體系中。

3)研究多方法融合的電壓暫降風(fēng)險評估方法。前文所述的三種風(fēng)險評估方法各有優(yōu)劣，可互為補充，通過三種方法的有效融合取得更好的評估效果。比如，通過融合仿真模擬與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，可從物理層面與信息層面全面評估暫降風(fēng)險；又如，利用狀態(tài)估計得到的豐富且高質(zhì)量暫降數(shù)據(jù)改善數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的評估效果。

4)研究基于數(shù)字孿生的電壓暫降在線仿真技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)[60]可實現(xiàn)物理世界與信息世界的實時交互融合，可為電壓暫降的在線仿真提供解決方案?；跀?shù)字孿生的在線仿真技術(shù)可通過用戶暫降耐受特性分析、暫降治理效果仿真，更加全面、準(zhǔn)確、及時地獲得暫降風(fēng)險水平。通過孿生體多次模擬實驗擬合暫降耐受曲線；基于運行數(shù)據(jù)構(gòu)建暫降敏感設(shè)備與治理設(shè)備模型；探索人工智能、云計算等技術(shù)與數(shù)字孿生的集成應(yīng)用，實現(xiàn)多物理、多尺度的電壓暫降在線集群仿真。數(shù)字孿生在電壓暫降風(fēng)險評估中應(yīng)用示意圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生在電壓暫降風(fēng)險評估中應(yīng)用示意圖Fig.5 Application of digital twin in voltage sag risk assessment

5)研發(fā)多源數(shù)據(jù)融合的實用化電壓暫降互動分析平臺。針對當(dāng)前電壓暫降相關(guān)系統(tǒng)存在的“重監(jiān)測、輕分析、少互動”的問題，需研發(fā)電壓暫降互動分析平臺，并基于多源數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)風(fēng)險評估等功能。首先，基于生產(chǎn)管理系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)的電網(wǎng)拓?fù)浜驮O(shè)備參數(shù)進(jìn)行暫降仿真分析；其次，結(jié)合電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的暫降事件記錄、防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)的氣象信息等綜合評估暫降發(fā)生概率；最后，利用營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)以及用戶外圍交互輸入的敏感設(shè)備信息等量化暫降影響后果。通過以上多源數(shù)據(jù)融合能全面、客觀地給出綜合可能性與嚴(yán)重性的暫降風(fēng)險度量。

此外，電壓暫降與供用電雙方、治理廠商都緊密相關(guān)，亟需構(gòu)建各方信息共享與互動機制。供電公司可通過平臺告知成因、預(yù)警風(fēng)險，輔助用戶優(yōu)化生產(chǎn)計劃；用戶可查詢暫降風(fēng)險等信息，并通過輸入自身情況獲得推薦的治理方案。在此基礎(chǔ)上，引入治理廠商入駐，實現(xiàn)治理方案閉環(huán)，構(gòu)建電壓暫降協(xié)同防治生態(tài)。

新型電力系統(tǒng)中電壓暫降風(fēng)險評估面臨的挑戰(zhàn)、可能的技術(shù)手段與平臺基礎(chǔ)支撐的關(guān)系如圖6所示。

圖6 電壓暫降風(fēng)險評估面臨挑戰(zhàn)、技術(shù)手段、支撐平臺Fig.6 Challenges, technical means and supporting platform for voltage sag risk assessment

4 結(jié) 論

電壓暫降對不同用戶影響差異巨大，暫降風(fēng)險評估需實現(xiàn)可能性和嚴(yán)重性的綜合度量，最終目的是經(jīng)濟(jì)、合理地進(jìn)行電壓暫降防治，即通過最小投資使暫降風(fēng)險在可接受的安全裕度內(nèi)取得最大收益。

本文在總結(jié)電壓暫降風(fēng)險評估研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，針對新型電力系統(tǒng)，指出其在系統(tǒng)故障特性改變、能源形式多樣、在線仿真、工程化應(yīng)用上面臨的挑戰(zhàn)；提出未來可能需要在電壓暫降的多重影響、風(fēng)險水平的多元分析與工程應(yīng)用的多方協(xié)同方面開展研究，希望能為相關(guān)研究與實際工作提供借鑒與參考。