分層集群的新型電力系統(tǒng)運行與控制
陳皓勇，譚碧飛，伍亮，林鎮(zhèn)佳，楊蘋，李立浧
（華南理工大學(xué)電力學(xué)院；華南理工大學(xué)廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.213324
1 研究背景
新型電力系統(tǒng)的發(fā)展必將導(dǎo)致電力系統(tǒng)形態(tài)的重大調(diào)整。隨著可再生能源滲透率的不斷提升、電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，未來電力系統(tǒng)容納的電源與負(fù)荷種類將不斷攀升，運行與控制的復(fù)雜度也將急劇升高。電力系統(tǒng)穩(wěn)定（特別是頻率穩(wěn)定）控制的結(jié)構(gòu)性困境日趨明顯，迫切需要調(diào)動各種資源按照新型電力系統(tǒng)的要求深度參與其運行與控制。
2 論文所解決的問題及意義
描述了將大規(guī)模電力系統(tǒng)劃分為多層級的含分布式資源集群的小規(guī)模電力系統(tǒng)的新形態(tài)。各個資源集群皆具有電力供給、消納及功率交換的能力，并盡量實現(xiàn)集群內(nèi)的發(fā)用功率平衡和和自治優(yōu)化運行。其次，提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)（能量網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、價值網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)及整體研究思路。在能量網(wǎng)絡(luò)層面，提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的技術(shù)特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)，并介紹了我國當(dāng)前的相關(guān)政策支持；在信息網(wǎng)絡(luò)層面，在介紹了新型電力系統(tǒng)分布式感知和信息融合問題后，重點探討了集群智能與協(xié)同控制理論、技術(shù)在新型電力系統(tǒng)（特別是頻率控制）中的應(yīng)用；在價值網(wǎng)絡(luò)層面，介紹了分布式資源端對端交易、虛擬電廠等新型交易機制和商業(yè)模式等。最后，從復(fù)雜系理論和多學(xué)科交叉研究的角度探討了新型電力系統(tǒng)的前沿研究方向。
3 論文重點內(nèi)容
1）總體分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)、光等可再生清潔能源將處處存在，意味著電源將遍布于整個電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化。余貽鑫院士等提出分層分群電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，即“將系統(tǒng)分解為群集（clusters）的層次結(jié)構(gòu)和全局協(xié)調(diào)”和“每個集群（cluster）都保持自己的凈功率平衡和局部自優(yōu)化”。為清晰起見，本文將具有這種結(jié)構(gòu)特征的電力系統(tǒng)稱為“分層集群的新型電力系統(tǒng)”，并進(jìn)一步探討其運行與控制問題。分層集群的新型電力系統(tǒng)也呈現(xiàn)出如圖1所示的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并與其他能源系統(tǒng)緊密相連。
圖1 新型電力與能源系統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
相應(yīng)的，分層集群的新型電力系統(tǒng)的運行與控制問題可以分為物理機理（“能量網(wǎng)絡(luò)”層面）、運行控制（“信息網(wǎng)絡(luò)”層面）和市場機制（“價值網(wǎng)絡(luò)”層面）3個層面的問題，是典型的多學(xué)科交叉問題。
2）分層集群的新型電力系統(tǒng)物理機理（“能量網(wǎng)絡(luò)”層面）
在能量網(wǎng)絡(luò)層面，需根據(jù)各層級源、荷、儲的分布，研究新型電力系統(tǒng)中區(qū)域集群的聚合方式，并分析新型電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，為分層集群的新型電力系統(tǒng)運行與控制奠定基礎(chǔ)。在信息網(wǎng)絡(luò)層面，需研究新型電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和調(diào)控能力的在線監(jiān)測理論與方法，并攻克含電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與負(fù)荷側(cè)多種資源的高動態(tài)、高維度、多智能主體、分布式協(xié)同控制的難題，以充分調(diào)動各資源合理、自主、協(xié)同、智能地參與系統(tǒng)運行控制。在價值網(wǎng)絡(luò)層面，需深入研究多種靈活性資源和新型輔助服務(wù)的定價理論、交易機制和商業(yè)模式，為各類資源自主參與系統(tǒng)運行控制提供公平合理的激勵機制和制度保障。
圖2 分層集群的新型電力系統(tǒng)研究問題
在未來新型電力系統(tǒng)中，同一層級的分布式資源由于電氣相鄰、通信便利、利益共享等因素自發(fā)地形成由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與地理距離劃分的、由若干聚合商運營的資源集群，各個資源集群都具備自己的能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）以及和外界交換功率的能力，并力圖實現(xiàn)集群內(nèi)電力電量的自平衡。
圖3 分層集群的新型電力系統(tǒng)逐級聚合
同一層級的多個集群能進(jìn)一步聚合為更高層級的集群，直至形成完整大電網(wǎng)。資源集群內(nèi)分布式電源、儲能及可調(diào)負(fù)荷等設(shè)備具有容量小、種類多、參數(shù)各異、點多面廣等特點，難以直接參與電網(wǎng)運行。因此，各集群通過先進(jìn)的信息通信、調(diào)度控制及市場交易手段聚合大量分布式資源，作為整體參與電網(wǎng)調(diào)度運行，也可參與電力市場電能量交易和調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用、阻塞消除等輔助服務(wù)交易。為充分發(fā)揮分布式資源的價值，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的靈活高效運行，需要進(jìn)行分布式資源的分層分區(qū)動態(tài)聚合。
3）分層集群的新型電力系統(tǒng)運行控制（“信息網(wǎng)絡(luò)”層面）
新型電力系統(tǒng)是信息網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)高度融合的信息物理系統(tǒng)，智能終端需要采集的數(shù)據(jù)變得更加多元化、小型化，數(shù)據(jù)數(shù)量更為龐大。隨著智能傳感技術(shù)和電源管理單元（power management unit，PMU）、廣域測量系統(tǒng)（wide area measurement system，WAMS）等的快速發(fā)展，將獲取到反映大規(guī)模、復(fù)雜、高維的新型電力系統(tǒng)實時動態(tài)的海量數(shù)據(jù)集。
圖4 分層集群的新型電力系統(tǒng)協(xié)同控制框架
4）分層集群的新型電力系統(tǒng)市場機制（“價值網(wǎng)絡(luò)”層面）
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由大型集中式電廠生產(chǎn)電能并經(jīng)由多級升壓和降壓的輸配電網(wǎng)到達(dá)電力用戶，相應(yīng)的集中式電力市場機制也形成電能商品從發(fā)電側(cè)批發(fā)市場經(jīng)大電網(wǎng)至用電側(cè)零售市場的產(chǎn)供銷體系。而在分層集群的新型電力系統(tǒng)中分布式電源處處存在，不同層級集群的聚合商們也將參與到面向電力批發(fā)市場或本地電力零售市場的電能交易，并且出現(xiàn)“產(chǎn)銷者”（Prosumer，即電力生產(chǎn)者同時也是電力消費者）的新角色。包括分布式發(fā)電、儲能和柔性負(fù)荷在內(nèi)的分布式資源一方面將削弱大型發(fā)電企業(yè)對電能供應(yīng)的壟斷地位、提供靈活調(diào)節(jié)資源，另一方面所引發(fā)的復(fù)雜時變潮流也將給不同層級電網(wǎng)的規(guī)劃、運行和保護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)，并且催生全新的交易機制和商業(yè)模式。
4 結(jié)論
1）本文提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)（能量網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、價值網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)及整體研究思路。在能量網(wǎng)絡(luò)層面，提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的技術(shù)特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)，并介紹了我國當(dāng)前的相關(guān)政策支持。在信息網(wǎng)絡(luò)層面，在介紹了新型電力系統(tǒng)分布式感知和信息融合問題后，重點探討了集群智能與協(xié)同控制理論、技術(shù)在新型電力系統(tǒng)（特別是頻率控制）中的應(yīng)用。在價值網(wǎng)絡(luò)層面，介紹了分布式資源端對端交易、虛擬電廠等新型交易機制和商業(yè)模式。
2）未來新型電力系統(tǒng)的電力電子化已成為必然趨勢，“源-網(wǎng)-荷-儲”設(shè)備的智能化、數(shù)字化也使它們能夠更加主動地參與系統(tǒng)的運行和控制，適合采用集群智能和協(xié)同控制理論和方法來解決。集群智能和協(xié)同控制充分融合人工智能、系統(tǒng)工程、協(xié)同控制、指揮與控制、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、通信與探測等多個學(xué)科的理論與技術(shù)，其理論與方法可相互借鑒，并且在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得關(guān)注和深入研究。
3）新型電力系統(tǒng)及與之耦合的能源系統(tǒng)是1個大規(guī)模、隨機性、混雜性、分布式、網(wǎng)絡(luò)化的復(fù)雜系統(tǒng)。其建模、分析、優(yōu)化與控制是1個典型的多學(xué)科交叉問題，涉及電力系統(tǒng)、電力電子、熱能動力、優(yōu)化與控制、信息與通信、經(jīng)濟管理、人工智能等不同學(xué)科，并對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)。需要在新型電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與方法方面開展“從 0 到 1”的原始創(chuàng)新，并且緊密結(jié)合工程應(yīng)用開展研究。
