面向韧性提升的城市智能电网治理体系

2022-09-14潘爱强

张江科技评论 2022年4期

■文/董真潘爱强罗祾

上海电力紧抓国家重大战略机遇，结合城市各区域现状及战略发展定位，分区域推进具备感知、协同、应变、防御以及恢复学习能力的韧性智能电网建设。

2021年2月，美国得克萨斯州因遭遇极寒天气而大面积停电，引发各方对极端天气下电网等城市公共基础设施安全的强烈关注。以上海为代表的大城市陆续提出韧性城市建设目标，作为城市能源安全的重要保障者，城市电网有必要主动深入开展韧性提升研究。《2022年上海市扩大有效投资稳定经济发展的若干政策措施》明确提出以加强智能电网为重点，加快提升城市能源安全韧性。

智能电网韧性发展现状

智能电网也被称为“电网2.0”，中国电力科学研究院将其定义为以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。目前，智能电网韧性的重要性已经成为全球共识，美国、欧盟、日本等均已明确提出建设具有韧性的城市公共基础设施，并成立相应的政府机构与科研部门，进行抗击灾害等方面的研究。

美国是全球首先提出韧性电网目标的国家。目前，美国已将建设具有韧性的电力系统纳入国家计划。2013年以来，美国实施了27 个电网韧性计划，其中15 个计划着重强化网络安全措施。2018年，美国能源部宣布提升北美电力系统韧性的“首要任务”是建立北美能源防灾模型。

欧盟依托市场统一化和能源多样性提升电网整体韧性。2015年，欧盟成立了战略性能源联盟，借此建立统一的能源安全战略目标和欧洲能源市场。欧盟各国致力于开发新能源，增加能源结构和供应商，保障能源来源的多样性，加强电力系统抵御极端天气和人为干扰的能力，提升电网整体韧性。

日本着力构建多元能源供需体系，以解决其能源短缺及自然灾害频发等问题。2015年，联合国世界减灾大会通过《2015—2030年仙台减灾框架》，提出包括提高抗灾能力和灾难响应速度等在内的四大优先行动。2021年,日本公布了《第六次能源基本计划》，提出全面推进氢、氨供应链建设，强化针对小型电力事故的安全对策，提高电力系统韧性，确保灾害发生时的稳定供给能力，强化电力公司应对网络风险的能力。

智能电网韧性特征

电网的韧性是指能够全面、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，快速恢复重要电力负荷，并能坚持自我学习和持续提升的能力。

“全方位提升韧性城市生命线安全保障，需要融合“共享、共建、共治”理念,统筹源网荷储协同发展。以上海为例，需要建设具备感知、协同、应变、防御以及恢复学习能力的韧性智能电网。

韧性电网具有应变力、防御力、恢复力、感知力、协同力和学习力等特性（见图1）。其中，应变力、防御力和恢复力是韧性电网的核心特征，分别描述电网在扰动事件前、中、后的应对能力；感知力和协同力贯穿扰动事件全过程，为电网应变力、防御力和恢复力的提升提供支撑，同时也适用于电网正常运行状态；学习力是电网从事故中学习和提升的能力，是韧性电网在长时间尺度中自我完善和提升的机制。

作为描述电网安全领域的重要概念，韧性与可靠性、应急体系以及综合防治减灾等在概念范畴上既是一脉相承的，又是有所区别的。与可靠性相比，韧性更加泛化。美国国家科学院出版的《增强国家电力系统韧性》指出，韧性比可靠性更泛化，韧性不仅仅指降低电力中断的可能性，还涉及在供电中断时，限制停电范围和影响，迅速恢复电力，并有效重新组合，以便更好处理此类事件的能力。与应急体系相比，韧性更强调系统适应性和创新性。应急体系建设侧重于对突发事件的应急响应和紧急救援，呈现灾害破坏后在最短时间内恢复到原始状态的工程思想。韧性强调在提高系统自身抵御能力的同时，提升电网整体恢复能力，体现了不断演进和发展的生态思想。与综合防灾减灾相比，韧性涉及的领域更加丰富。韧性涉及自然、经济、社会等各个领域，更注重通过软硬件相互结合、各部门相互协调，构建多级联动、多元参与的综合管理平台，弥补单个系统各自为营、独立作战的短板和不足。

图1 智能韧性电网各特性关系示意图

智能电网韧性建设思路

全方位提升韧性城市生命线安全保障，需要融合“共享、共建、共治”理念,统筹源网荷储协同发展。以上海为例，需要建设具备感知、协同、应变、防御以及恢复学习能力的韧性智能电网。

在电源侧，应推进能源供给多元化。上海本地能源相对匮乏，其资源禀赋决定了煤、石油、天然气等能源需要大量进口。2020年，上海市原煤、原油、天然气的进口量分别达185.68万吨、2 458.38 万吨以及54.05 亿立方米。积极推进多种能源互补互济，加强电网与天然气网耦合，可以缓解对单一能源的过度依赖，有效提高电网故障时的支撑能力。

在电网侧，应构建城市能源互联网络，完善主网架结构，提升能源互联互通水平。以新能源为主体的新型电力系统，“双高”“双峰”特征愈加明显。上海电力通过建设500 千伏城市“双环”网络和“五交四直”输电通道，有效保障了电网受供电能力。2020年，上海市冬季负荷高峰达3 339 万千瓦，创用电负荷历史新高，网架结构的优化使得上海电网在应对低温气候中展现了充分的韧性。为满足分布式清洁能源并网和多元负荷用电需求，配网侧需要提升电网智能性和灵活性水平，优化完善配电网络结构，推广配电自动化建设，加强负荷转供能力。

在负荷侧，应提升终端用电的可靠性。为有效保证关键设备在断电期间保持稳定运行，需要强化可调节资源精准控制，部署和促进备用电源系统的投入。为大幅提高电网在突发故障下应急处置能力，需要构建重要用户联动、政企高效协同机制，完善辅助服务和需求侧响应市场建设。

此外，还应推动储能技术应用，加强与源网荷协调发展。近年来，上海市光伏产业发展迅速，截至2020年年底，光伏发电装机规模达到136.6 万千瓦，加强网储互动，积极推动发展“光伏+ 储能”，可以在一定程度上缓解负荷峰值压力。上海是全国电动汽车保有量最高的城市，据上海市交通委预测，2030年上海市电动汽车将达到690 万辆。深入挖掘动力电池储能价值，推动电动汽车与电网互动（V2G），营造活跃、便捷、共享的电动汽车服务新生态，对提高电网应对极端灾害的能力具有重要意义。