关于能源转型下新能源电力系统概率风险评估

南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司 刘 川

能源转换介入的电力系统需在保障系统电力能源稳定、有效供应的基础上，满足高比例新能源接入稳定发展。新能源接入比例不断增加，导致系统呈现较大的不确定性，电力系统应用范围不断扩大，难以保证覆盖的所有地区结构都能维持安全运行。面对复杂且不确定的运行环境，需加强对新能源电力系统的规划，保证系统稳定运行。针对于新能源电力系统运行，需保证系统处于不确定环境下也能维持稳定运行。并在风险评估方面建立风险评估指标，对不确定性风险进行分析。概率风险评估方法为新能源电力系统风险评估提供分析思路，针对于建立模型、方法、指标等多方面入手研究，构建完整的电力系统评估体系十分迫切。

1 新能源电力系统风险评估概述

基于能源转型，电力系统运行应用可再生能源发电的比重不断增加。这样造成系统运行不确定性的风险发生，使得系统规划、调度都存在不确定风险。为了对系统风险进行确定，需构建评估指标，为后续评估工作开展奠定基础。

1.1 能源转换下的新能源概述

国内能源供应结构依旧是传统能源为主，导致大量传统能源被开发开采，严重影响生态环境质量。新能源作为主要的能源有可再生性与随机性等特点。随着新能源各项技术被开发和应用，改善了国内传统能源紧缺的压力。基于未来发展得到良好的应用，但由于新能源自身的特点，大规模接入严重影响电力系统运行质量，对电网稳定性带来冲击，这也是研究系统概率风险的重要因素。可再生能源分散存在，无法保证传统电网的大规模使用。且新能源接入需使用并网，需能源在整个应用过程中科学调配和利用。

新能源电力系统风险的存在，是因为新能源电力系统在能源波动性较大的影响下影响了系统运行，使得用电模式发生变化，难以对其运行情况进行规划和预测。对于侧供电而言，电网要面临新能源较强的波动电源。实际情况是新能源与传统能源比例不协调，随着这一发展现象加剧，严重影响了电源之间的运行效果；电网企业制定的调度计划根据日常用户对电力的需求供给，是保障电力供需与平衡的关键，但随着新能源较强的波动性，使得用户实际需求的电力负荷难以预测。波动性带来的影响，使得新能源电力系统调度面临随机性增强的情况，也反映出可调度质量不佳的现象；运行过程中，新能源接入电力系统带来的一系列问题对系统运行造成影响。自身因素加上外界环境影响导致电力系统失去稳定性，导致系统运行出现问题。

1.2 新能源电力系统概率风险

概率风险评估是一种定量概率性评估方法，通过建立科学的评估方法实现系统安全管理。通过概率性建模综合对定量信息构建系统风险事件链模型。利用不确定性分析法对电力系统运行风险进行分析和预测，找出影响风险水平的关键因素，为风险管理提供决策支持[1]。概率风险评估流程：风险源概率建模-事件链建模-故障建模-模型量化与集成-不确定性与敏感性分析-结果分析-薄弱环节识别-改善薄弱环节。

1.2.1 风险评估指标体系

构建新能源电力系统风险评估指标时需科学筛选指标，确保符合以下原则：首先，设计过程中需充分考虑指标获取的难易度。部分指标难以获取，可能需付出较大代价。此类指标列入体系中将会毫无研究意义，也无法用于评估。对此需选用有替代性的指标，保证其有良好的可操作性；指标应按照度量标准选择。定量指标也需符合需求和原则，实际选择的指标应具备详细的评价标准。

指标体系中，指标应和评估目标有密切联系。关系度不高的指标难以有效反映出评估目标，降低了评估效果。对此，需在选择指标的过程中选择关联性较强的指标。还能确保指标体系相互补充，构建完整的指标体系，共同为评估对象服务。通过对事件模型、故障模型等进行分析，根据结果找出模型之间的内在联系。概率风险评估与传统可靠性评估有明显的区别，概率风险主要针对不确定性的系统进行分析。根据分析提供的指标，从而确定风险不确定性的来源。通过具体描述反应电力系统运行的真实风险，为新能源合理分配提供合理依据。

1.2.2 概率风险评估应用现状及概率风险评估特点

概率风险评估技术在不确定的因素下对电力系统风险进行评估分析，在各个领域有着良好的应用。在实际分析过程中，能根据以往的应用实例获得经验。通过对国外相关案例的分析，能够明确概率风险在国内的系统中的应用。这也为当前新能源电力系统应用提供可行的研究思路。概率风险评估，需通过建模-评估-分析-决策四个环节入手。通过一系列操作有效反映出系统实际风险水平，以及薄弱环节的识别方法。通过概率评估应用理论对电力系统进行分析，为高比例新能源接入系统规划运行提供可靠的数据支持。

2 能源转型下新能源电力系统概率风险评估体系

2.1 新能源概率系统的能源风险建模

由于新能源具有间歇性、波动性的能源特性，因此在开展风险评估时存在较大的不确定性，通过结合新能源的实际情况来完善风险建模，能够为风险评估提供非常大的帮助。在各种新能源中，由于风能发电的研究起步相对较早，因此风能风险模型相对比较成熟，无论是单独的风电场还是多个风电场，都可利用风险建模来进行风险评估。相较于风能发电光伏发电起步较晚，结合季节、降雨量、晴空系数等参数同样能够完成建模[2]。

图1 风险模型

当前已有的新能源处理模型多数都是单独考虑风能、光伏出力的时空相关性，很少有建模会去考虑两者间的时空相关性。新能源故障模式很多都属于单一模式，这样会影响到电力系统的风险确认效果。只有进一步完善风险模型，才能为概率风险评估提供更多帮助。从出力模型出发，因Copula 函数模型可在使用中保留新能源出力数据，因此可采用风险模型从互补角度对风电场、光伏电站时空相关性进行分析。从故障模式层面出发，则可将可靠性理论作为研究核心，以此来完善复杂相依故障模型。

2.2 概率风险评估优化方向

电力系统风险评估多数都是基于非时序等传统框架所采用的一种评估方式，这种评估通常只会结合抽样数据来进行评估，而故障的未来发展则无法进行评估。在电力系统中，新能源的出力波动问题将有可能成为连锁风险的触发源，即一种故障有可能引发另一种故障，因此须对传统评估模式进行革新与优化，以此来提高概率风险评估准确性。

由于当前已有的风险算法很难同时考虑连锁故障与新能源出力时序相互间的影响情况，且在风险评估中难以直接辨别不同情况下的风险问题，因此在构建风险评估算法时，应着重分析出力时序波动与连锁故障的关系，然后可采用极值原理来进一步提高评估效果。为提高评估效率，可从状态抽样、评估、校正三个层面来优化评估算法，抽样环节可引入中间事件来捕捉低频高危风险，而在评估环节则可结合模拟法、解析法来降低评估时间，校正环节可用对偶理论优化求解。

2.3 薄弱环节的识别方法

薄弱环节识别能发现系统不足之处，通过针对解决薄弱问题能显著提高系统运行稳定性。目前新能源电力系统的薄弱识别方法通常可划分为可靠性跟踪与灵敏度分析。可靠性跟踪需利用可靠性指标来反映不同元器件的指标贡献度，可靠性指标较低的零部件便是电力系统中的薄弱元器件；灵敏度分析需利用求解可靠性指标对元器件的偏导数，通过元器件的性能参数变化情况来识别电力系统的薄弱环节。学者杨峰等人利用灵敏度分析法分析出了多个风电场的储能容量问题，并对风电场的储能容量进行了重新规划[3]。

2.4 多层次概率指标体系

无论是风险评估指标还是薄弱环节识别，很难针对不同风险直接给出准确的风险评估结果。目前风险评估只能借助平均结果来进行期望性决策，这种期望判断将会影响到电力系统的安全运行，尤其是在面对新能源时，更会因新能源的不确定性而降低评估准确性，只有建立起能反映出多层次概率风险的评估体系，才能进一步提高风险评估效果。

在指标体系中，可通过分割多目标风险分析理论来将电力系统面对新能源时的风险状态划分为多个风险区间，此时便可获取单一风险指标，并了解不同风险区间的风险评估情况。多层次概率指标还有助于发现电力系统的潜在极端风险，由于引入了期望概念，还可结合期望值来分析判断风险水平。在薄弱环节识别中能够灵敏度分析与割集、微分重要度相结合，以此来分析新能源节点对整个薄弱环节识别的影响情况。

2.5 概率风险评估优化策略

概率风险评估的全面推广可大幅提高电力系统的运行稳定性。在对运行方式进行分析时，可将风险指标分为目标函数、约束条件风险两种。若将切负荷费用与目标函数相结合，能实现对社区微电网储能情况的优化。通过将约束条件圈定条件风险价值的上、下限，可实现智能电网的电力优化，并对可靠性指标进行合理约束[4]。通过将概率风险模型在概率风险评估中应用，然后结合多层次评估指标与薄弱识别，便可初步完成概率风险评估，若能在评估期间考虑考虑性能因素，就能对概率风险识别进行进一步优化，优化后的评估方式能对新能源电力系统不同层次的风险进行分析。

3 新能源电力系统概率风险评估发展方向

能源转型的深入是能源改革的先决条件，通过大力开发新能源，能够为低碳环保的生态文明建设提供帮助。由于新能源具有不确定性，所以将其作用在电力系统中必须克服系统稳定性问题。概率风险评估作为提高系统运行稳定性的关键，其未来发展重点如下：

风险建模发展。风险建模需从风电场、光伏电站互补的角度分析出力时的时空相关性、新能源与负荷间的联系，还要考虑新能源故障模式的多元化因素，即由内、外因素融合后的相依故障问题；风险评估发展。风险评估需加强对风险全分布算法，并对中心分布高概率、低损失故障进行分析，提高概率风险评估期间的准确性。还要寻找可精确刻画低概率高损失故障尾部特性的方式，以此来增加风险评估时的全面性。

风险分析发展。应基于多种不同风险类型（图2）来建立具有多个层次的概率风险评估体系，以多层次评估体系来研究新能源下电力系统的多种风险情况，降低概率风险评估时的误差；风险决策发展。在概率风险评估发展中须尽量消除评估时的不确定因素，通过在风险决策时更多关注概率性评估指标，能在一定程度上降低概率性事件，提高风险评估精度。概率风险评估需克服新能源高占比不确定性所带来的风险问题，以此来保证系统安全稳定地顺利运行。因此须重新规划、优化概率风险评估的算法来解决风险评估问题。

图2 多种不同风险类型

综上，新能源电力系统概率风险评估是当前新能源大量接入电力系统、保障系统运行的关键。对能源接入系统承受的风险，通过风险评估模型加强对概率不确定性和复杂性的分析。对风险发展进行准确描述有助于保障电力系统运行的可靠性。结合当前新能源转型特征有效识别系统运行故障模式与概率问题，强化薄弱环节、实际估算出系统动态运行的风险情况，便于克服运行风险，提高电力系统运行的适应性，为系统规划决策提供关键技术。