高比例可再生能源渗透下互联电网的多维韧性评估与时空风险传播

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Multi-dimensional resilience assessment and spatio-temporal risk transmission in interconnected power grids under high-level renewable penetration

　　

•物理-经济框架将电网结构、级联故障和恢复联系起来。
•可再生能源增长加深了对电网的依赖，并沿走廊集中风险。
•低碳转型适度提高了初始抵御能力，减少了残余损失。
•恢复措施对线路故障有效，但受持续性供给冲击限制。

引言

全球能源系统正在经历深刻转型。以高比例可再生能源整合和数字智能为特征的新型电力系统，正在加速重塑全球产业格局[1]。国际能源署预测[2]，到2040年全球可再生能源装机容量将超过7059吉瓦，占总装机容量的49.21%。然而，间歇性电源的大规模并入显著增加了系统的运行复杂性[3]。此外，极端天气事件的频繁发生加剧了供电侧的不确定性，并直接威胁了电力基础设施的物理安全[4]。作为全球最大的能源消费国，中国已将建设清洁、低碳、安全、高效的新型电力系统纳入国家战略[5]。受能源资源与负荷中心空间错配的制约，省间电力互济已成为提升能源安全和优化资源配置的重要机制[6]。作为跨区域资源流动的核心枢纽，某一个省级电网的扰动可能通过互联关系传播，触发更大范围的级联效应，威胁整个网络的安全[7]。因此，建立科学的韧性评估体系对于提升电网运行安全和支撑能源转型至关重要。

韧性理论已从最初聚焦的物理修复扩展到复杂社会经济系统[8,9]。当代韧性强调多层次、多情景的动态演化，形成了涵盖扰动效应、故障传播、系统响应和恢复优化的综合分析框架[10,11]。在能源领域，面对"高影响、低概率"的极端事件时，传统电力系统可靠性评估往往因违背安全假设而无法充分考虑非线性级联崩溃[12,13]。因此，韧性曲线已成为系统多阶段动态评估的核心可视化工具和理论基础[14]。该模型将系统对扰动的响应定量划分为抵御、吸收、恢复和适应四个维度[15]。其科学价值在于提供了时间维度，阐明了从指标定义到损害评估的演化逻辑[16]，同时识别了新稳态的关键属性和能力[17]。尽管如此，准确测量系统韧性曲线的前提是建立深度融合物理运行和社会经济关联的系统模型，使得差异化韧性增强方法能在韧性梯形的各个微观阶段中实施[18]。

电力互联网络建模需要同时考虑物理拓扑和经济因素[19,20]。省间电力互济代表了一种国家尺度的空间灵活性。通过汇聚地理上异步的可再生能源发电、备用容量和灾害暴露，该方法重塑了系统级资源分配的可行域[[21], [22], [23], [24]]。在物理层面，复杂网络理论提供了描述拓扑结构鲁棒性的强大分析工具[25,26]，通过将物理设施抽象为节点和边来构建底层拓扑[27]。为克服统计拓扑特征无法准确捕捉潮流规律的缺陷[28]，直流潮流模型因其线性特性和计算效率而被广泛应用。通过使用电力传输分布因子（PTDF）矩阵和传输介数等指标，研究人员可以精确模拟节点功率注入变化对线性潮流的影响[29,30]，并识别输电网络中节点的关键作用和脆弱性[31]。在经济和资源层面，省间电力互济本质上是一种资源和环境责任的虚拟流动[32]。当前趋势是将电力系统视为深度耦合的社会-技术系统[33]。同时，人工智能赋能的全生命周期评估通过整合异构多源数据和多目标优化，为在动态能源转型情景下联合平衡环境、经济和技术目标提供了一条新的数据驱动路径[34]。在此背景下，准投入产出（QIO）模型在追踪跨区域电力流动和量化环境责任转移方面已显示出成效[35,36]。从能源-水-碳视角可以进一步表征与电力系统转型相关的跨区域资源和环境交互作用[37]。在中国，西部和北部可再生能源基地与东部负荷中心之间显著的空间错配，使省间电力互济具有无法完全被本地储能或需求侧灵活性替代的系统级角色[38,39]。

模拟扰动情景和级联传播路径在互联网络系统中被广泛用于识别失效模式[40]。Abedi等人[18]将电力系统干扰事件分为三大类：自然灾害、蓄意攻击和随机故障。具体而言，为解决信息-物理扰动问题，Li等人[41]开发了一个两阶段优化框架，将日前预防性措施与实时纠正措施相结合。通过协调需求响应、电动汽车及其他用户侧资源，其方法将面向韧性的防御从攻击检测扩展到涉及多个利益相关方的协同缓解。在气候适应性电力系统研究中，越来越多的关注被投入到区分非平稳气候风险与通过网络媒介放大其系统级影响的机制上。Su等人[Liao等人][42,43]均揭示了中国能源转型背景下清洁能源比例和出力波动对系统韧性的时空效应。在气候风险方面，多阶段投资决策研究已开始将野火和热浪风险内生化到电网加固、微电网和可再生能源系统的规划中，从而实现协同决策以增强韧性并支撑低碳转型[44]。与气候相关的灾害和可再生能源波动最初影响省级发电、电力需求和设备可用性，进而改变节点净注入并重塑省间电力流动。随后输电拥堵和线路故障可能将局部偏差转化为相关联的级联损失[22,[45], [46], [47]]。因此，不确定性应以系统结果的全部分布进行评估，而非仅通过点估计。由于电力系统内部紧密的物理和功能耦合，局部故障容易触发非线性级联效应[48]。因此，韧性分析已从静态拓扑模型转向结合运行约束的动态模拟。例如，OPA（ORNL-PSerc-Alaska）模型能巧妙捕捉级联故障演变过程中电网的时间变化特征[49,50]，并纳入负荷削减机制可以更彻底地阐述性能退化逻辑[51]。此外，作为完成韧性闭环的必要要素，恢复决策涉及网络拓扑、孤岛区域经济重要性和资源实时状态之间的多目标权衡[52]。通过开发风险评估与缓解的两阶段框架[36]，并引入基于节点可达性的时变韧性指数[51]，研究人员可以精确评估恢复效率。这种机理模拟与定量评估的深度融合已成为电力系统韧性研究的主要领域[16]。

尽管现有研究取得了显著进展，但在评估省级电网韧性时仍存在若干重要局限。首先，物理维度与经济维度仍在很大程度上脱节。现有研究主要关注单层物理网络分析，而忽视了经济调度和资源配置对省间电力互济系统整体韧性的贡献。其次，不确定性通常由一组孤立的扰动情景来表示。这种处理方式无法充分揭示在气候灾害和可再生能源波动下，需求变化、设备损坏和潮流再分配如何通过网络共同传播。此外，现有评估指标很少涵盖完整的"扰动-失效-恢复"生命周期，从而限制了其支持精细化运行调度的能力。最后，尚未建立针对中国省间电力互济特定特征的专用分析框架。通用方法往往无法适应中国大规模电网结构和协调调度机制的复杂性。因此，迫切需要一种统一的评估框架，融合物理演化、经济合作、级联故障模拟和基于分布的风险解释。这样的框架不仅将深化对新兴电力系统韧性演化的理论理解，还将为面向韧性的能源治理和适应性转型策略提供科学依据。

基于复杂网络理论及相关分析方法，本研究定量评估了中国省级电网在多种能源转型情景下的韧性。主要贡献如下：（1）提出了一个融合经济维度与物理维度的二维韧性评估框架。通过将电力调度逻辑和物理网络约束纳入其中，该框架刻画了省间电力互济网络在多种扰动下的响应路径；（2）揭示了韧性在整个能源转型过程中的演化。时变指标、分布特征和级联故障规模被联合用于追踪扰动不确定性如何通过省级净注入、拥堵输电走廊和网络重构进行传播；（3）从空间和时间两个角度识别了中国省级电网的关键脆弱性，为面向韧性的电网规划提供了决策支持。

本文其余部分组织如下：第2节介绍方法论；第3节详述数据来源与情景设定；第4节分析与讨论实证结果；第5节总结研究结论并提出针对性的政策启示。

章节摘要

模型框架
本研究遵循包含网络建模、动态模拟、韧性评估和策略优化的技术工作流，并构建了四模块研究框架，如图1所示。
第一阶段使用2005年至2023年的省级电力数据构建省间电力互济网络。采用复杂网络分析和直流潮流模型来识别结构依赖关系、关键节点以及节点注入对输电的影响。

输入数据
本研究的数据来源于《电力工业统计汇编》，涵盖中国31个省级行政区域从2005年到2023年的总发电量（包括火电、水电、风电、太阳能、核电等）、总用电量、省间电力交换量和线路损耗率。为保持电力平衡，本研究进一步纳入了跨境进出口贸易所涉及的电量。根据全球能源……

结果与讨论
本节考察了四个方面：网络依赖结构、总体韧性效应、区域扰动异质性以及恢复机制与鲁棒性。本节回答四个问题：（1）省间电力依赖在历史和未来能源路径下如何演变；（2）深度脱碳是否改善了抗冲击能力、恢复效果和累积服务损失；（3）这些效应在不同区域、发展阶段和扰动类型间如何变化。

结论与政策启示
本研究评估了中国省间电力互济网络在能源转型期间的韧性，考察了网络演化、服务损失、区域与扰动特异性差异以及恢复情况。结果表明，低碳转型通过改变省间依赖关系、级联路径和恢复条件来重新分配而非均匀降低电力系统风险。因此，韧性治理应平衡……

作者贡献声明
张子萌：撰写—初稿，可视化，软件，方法论，数据整理，概念化。谢百辰：撰写—审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。张双：撰写—审阅与编辑，验证。苏剑：验证，调查。张兴平：撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。