中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：構(gòu)建“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能”的新型電力系統(tǒng)是保障國家能源安全，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要舉措。隨著新能源占比的不斷提高，新型電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)將由確定可控的常規(guī)電源裝機(jī)占主導(dǎo)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)不確定性、弱可控性的新能源裝機(jī)占主導(dǎo)，現(xiàn)有電力系統(tǒng)平衡模式、調(diào)控技術(shù)將難以支撐新型電力系統(tǒng)的電力電量平衡。本文的電力電量平衡可分為電力平衡和電量平衡，電力平衡是指電力負(fù)荷與電源發(fā)電、電網(wǎng)受電之間的瞬時(shí)有功平衡；電量平衡是指電力負(fù)荷與電源發(fā)電、電網(wǎng)受電之間一定時(shí)間范圍內(nèi)對有功積分的電能量平衡。
與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，新型電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)將發(fā)生較大變化，電力系統(tǒng)的平衡理論、平衡模式將發(fā)生深刻變革。電力系統(tǒng)供需兩側(cè)以及調(diào)節(jié)資源均呈現(xiàn)高度不確定性，系統(tǒng)平衡機(jī)制由“確定性發(fā)電跟蹤不確定負(fù)荷”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安淮_定發(fā)電與不確定負(fù)荷雙向匹配”。新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的基本思路和分析框架成為研究熱點(diǎn)，部分專家認(rèn)為新型電力系統(tǒng)具有自平衡、自相似、自組織的性質(zhì)，在能量網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、價(jià)值網(wǎng)絡(luò)等層面分層群集地運(yùn)行，提出了“源網(wǎng)荷儲(chǔ)碳數(shù)”六要素協(xié)同發(fā)展的模式。已有大量研究開展2020~2060年多時(shí)間斷面的電力電量平衡分析，展望了支撐智能電網(wǎng)電力電量平衡的關(guān)鍵技術(shù)，全面闡述了智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)迫切需要進(jìn)一步研究的技術(shù)問題。新型電力系統(tǒng)是在能源電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上持續(xù)演進(jìn)的過程，需要持續(xù)推進(jìn)對電力電量平衡的認(rèn)知。
新型電力系統(tǒng)需要充分挖掘各類可調(diào)節(jié)資源潛力，精準(zhǔn)做好電力負(fù)荷管理，開展源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，提升源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)水平。多種資源協(xié)同互動(dòng)屬于高動(dòng)態(tài)、高維度、多智能主體、分布式協(xié)同控制難題，需要建立能夠應(yīng)對海量資源的數(shù)據(jù)-物理融合模型，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的仿真體系，按時(shí)間尺度逐層分解、遞進(jìn)優(yōu)化開展電力電量平衡分析，文獻(xiàn)提出了風(fēng)火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前-日內(nèi)兩階段協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法，文獻(xiàn)給出了需求響應(yīng)參與電力平衡的基本方法。應(yīng)充分發(fā)揮智能配電網(wǎng)的平臺作用，探索分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備及可控負(fù)荷等靈活資源的分層分區(qū)平衡模式，科學(xué)分配各方參與主體的效益。針對新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同運(yùn)行的研究方興未艾，需要多措并舉促進(jìn)海量靈活資源的高效互動(dòng)運(yùn)行。
新型電力系統(tǒng)需要發(fā)揮電網(wǎng)平臺作用，增強(qiáng)跨省區(qū)互濟(jì)能力，在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)籌電力電量平衡，實(shí)現(xiàn)資源大范圍優(yōu)化配置。隨著可再生能源的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力與平衡調(diào)節(jié)需求此消彼長，省級、區(qū)域級的電力過剩/短缺時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)有調(diào)控方式難以滿足極端場景下區(qū)域電網(wǎng)的“保供應(yīng)、促消納”需求。學(xué)者們就如何充分發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)的余缺互濟(jì)能力開展了深入的研究，設(shè)計(jì)了基于激勵(lì)相容原理的國-網(wǎng)-省協(xié)調(diào)模式，構(gòu)建了計(jì)及調(diào)減外送電、增加外購電和可中斷負(fù)荷等多種措施的平衡優(yōu)化模型，提出了省間調(diào)峰互濟(jì)交易機(jī)制。為了充分消納集中式與分布式的可再生能源，還需要建立輸網(wǎng)-配網(wǎng)、配網(wǎng)-微網(wǎng)等分層分布式多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系。特高壓電網(wǎng)的逐步建成為跨區(qū)跨省電力電量交換奠定了基礎(chǔ)，還需從技術(shù)、策略、制度等角度充分挖掘全網(wǎng)統(tǒng)籌平衡的潛在效益。
電力市場化改革及綜合能源建設(shè)將對新型電力系統(tǒng)電力電量平衡產(chǎn)生重大影響。我國電力市場的發(fā)展起步較晚，當(dāng)前正處于計(jì)劃向市場的轉(zhuǎn)型期、可再生能源快速發(fā)展的關(guān)鍵期、新型主體大量入市的變革期“三期疊加”的階段，一方面，可以借鑒國外的電力市場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，另一方面，電力市場理論和制度需要自主創(chuàng)新以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。新能源出力的不確定性，使得電力交易的偏差控制、中長期交易電量的合理分解成為研究熱點(diǎn)。隨著新能源占比的不斷提升，供熱、供冷、供氣等多種能源系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)運(yùn)行，也是應(yīng)對新能源出力波動(dòng)性的重要措施。文獻(xiàn)打破不同能源系統(tǒng)邊界，構(gòu)建了考慮碳排放外部成本的規(guī)劃模型，創(chuàng)新性地提出了電-氫協(xié)同路徑和電-氫-碳協(xié)同路徑。國內(nèi)外現(xiàn)有的市場理論方法及體系難以滿足我國電力市場建設(shè)需求，亟須在政策、機(jī)制等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性突破。
綜上所述，未來新型電力系統(tǒng)的平衡內(nèi)涵與機(jī)制將發(fā)生深刻變化，傳統(tǒng)“網(wǎng)間關(guān)口確定、網(wǎng)內(nèi)源隨荷動(dòng)”的平衡模式不再適用，需重構(gòu)綜合平衡模式，充分挖掘源荷兩端的靈活性潛力，提出適應(yīng)新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的運(yùn)行控制技術(shù)，現(xiàn)有文獻(xiàn)尚未針對上述問題開展系統(tǒng)性研究。本文首先結(jié)合電力系統(tǒng)近期面臨的平衡問題，從電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、全網(wǎng)互濟(jì)等角度分析新型電力系統(tǒng)電力電量平衡面臨的挑戰(zhàn)；然后，重點(diǎn)介紹了支撐新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的關(guān)鍵技術(shù)，包括全網(wǎng)統(tǒng)籌-分布自治的協(xié)同平衡模式、考慮一次能源供給的發(fā)電能力量化評估技術(shù)、負(fù)荷側(cè)資源精準(zhǔn)預(yù)測及調(diào)節(jié)能力量化評估技術(shù)、互聯(lián)大電網(wǎng)協(xié)同平衡優(yōu)化技術(shù)、多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策技術(shù)、多場景平衡決策及控制技術(shù)。最后，針對新型電力系統(tǒng)平衡技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。
近年來電力電量平衡中出現(xiàn)的問題
當(dāng)前，我國電力電量平衡仍然以火電、水電等常規(guī)可控電源為主體，通過系統(tǒng)發(fā)電能力高于系統(tǒng)負(fù)荷并預(yù)留一定的調(diào)節(jié)裕度以保障平衡需求。隨著可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展、電能需求的持續(xù)增長以及傳統(tǒng)火電機(jī)組占比的不斷縮減，電力電量平衡將面臨較大壓力。受極端因素影響，局部地區(qū)已出現(xiàn)了供應(yīng)緊張和消納困難的問題。
（一）一次能源供應(yīng)不足引發(fā)電力供需失衡
2021年7~10月，因電煤供應(yīng)緊張以及煤價(jià)高企導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)發(fā)電意愿下降，東北地區(qū)因發(fā)電能力不足產(chǎn)生的供電緊張問題逐步顯現(xiàn)，特別是在當(dāng)年9月23日至25日，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的供應(yīng)缺口，為保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，被迫采取了負(fù)荷管理措施。
2022年夏季，四川地區(qū)出現(xiàn)極端高溫干旱災(zāi)害天氣，氣溫創(chuàng)60年來的最高記錄，7~8月大渡河、岷江等主要流域來水相較多年歷史均值下降40%以上，導(dǎo)致主要靠水力發(fā)電的四川省水電發(fā)電能力大幅下降。同時(shí)，用電需求激增，致使電力供應(yīng)持續(xù)處于緊張狀態(tài)。8月14日至20日采取了高載能企業(yè)錯(cuò)峰讓電于民生的措施。
（二）極端場景給電力電量平衡帶來困難
2020～2021年迎峰度冬期間，湖南出現(xiàn)極寒天氣，全省比往年提早一個(gè)月入冬，全省平均氣溫比歷史同期低3℃以上，居民取暖負(fù)荷快速攀升，用電負(fù)荷尖峰特性明顯，風(fēng)電機(jī)組受冰凍影響無法發(fā)電，疊加水庫水位偏低、電煤供應(yīng)不足等因素，全省出現(xiàn)300~400萬kW的供電缺口，為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，12月8日被迫啟動(dòng)緊急調(diào)控方案。
（三）新能源大發(fā)期或短時(shí)大幅波動(dòng)因系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足導(dǎo)致消納困難
實(shí)現(xiàn)新能源的充分消納，需要系統(tǒng)具有充足的調(diào)節(jié)能力。但是，受能源資源稟賦和電力工業(yè)歷史發(fā)展的影響，我國現(xiàn)階段主要依靠燃煤機(jī)組提供調(diào)節(jié)容量，系統(tǒng)調(diào)峰及短時(shí)快速調(diào)節(jié)能力不足。根據(jù)全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心發(fā)布的《2022年12月全國新能源并網(wǎng)消納情況》，全國2022年風(fēng)電、光伏的利用率分別為96.8%、98.3%；棄風(fēng)最嚴(yán)重的地區(qū)為蒙東，風(fēng)電利用率僅有90%，其次為青海、蒙西、甘肅，風(fēng)電利用率均低于95%；棄光最嚴(yán)重的省份為西藏，光伏利用率僅有80%，其次為青海，光伏利用率為91.1%。
新型電力系統(tǒng)電力平衡面臨的挑戰(zhàn)
當(dāng)前，我國已經(jīng)出現(xiàn)極端場景下電力供需失衡、新能源大發(fā)期消納困難等平衡問題。隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深入推進(jìn)，煤電、水電等可控電源占比逐步降低，新能源占比日益增大，如圖1所示。源荷雙側(cè)呈現(xiàn)強(qiáng)不確定性，極端場景多發(fā)頻發(fā)，平衡決策的時(shí)間緊迫性，使得電力平衡將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
圖1 未來各時(shí)間斷面的電源構(gòu)成
（一）電源出力不確定性增加
我國電源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“間歇性電源容量大，調(diào)峰頂峰容量相對不足”的特點(diǎn)。根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2023年12月底，全國風(fēng)光新能源裝機(jī)10.5億千瓦，占總裝機(jī)的比重達(dá)到36%。新能源短周期（小時(shí)級、日度）發(fā)電量、即時(shí)發(fā)電功率具有強(qiáng)隨機(jī)性和波動(dòng)性，對電力平衡的支撐能力相對較弱。以西北電網(wǎng)為例，根據(jù)實(shí)際量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在“極寒無光”、“極熱無風(fēng)”等極端場景下，新能源最小瞬時(shí)出力水平僅在1%左右，如圖2所示。但新能源的長周期電量（月度、季度）具有一定的穩(wěn)定性，西北電網(wǎng)各月發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為10小時(shí)左右（為排除裝機(jī)增長因素，計(jì)算利用小時(shí)數(shù)而非電量），占各月發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的比重為5%左右，如圖3所示。
圖2 西北電網(wǎng)新能源最小瞬時(shí)出力水平
圖3 西北電網(wǎng)新能源月發(fā)電利用小時(shí)數(shù)
“雙碳”目標(biāo)下，煤電、氣電等常規(guī)化石能源電源由主力電源轉(zhuǎn)為保障性和靈活性調(diào)節(jié)資源，裝機(jī)占比總體呈現(xiàn)下降趨勢。且燃料供應(yīng)、供熱需求對煤電、天然氣發(fā)電能力具有顯著影響。同時(shí)，電煤質(zhì)量下降可能造成機(jī)組頂峰發(fā)電能力降低，而取暖季以熱定電會(huì)造成機(jī)組可調(diào)范圍縮小。另一占比較大的水力發(fā)電，其發(fā)電能力主要取決于來水量，近年來受極端天氣影響，“汛期反枯”、“澇旱急轉(zhuǎn)”等情況頻繁發(fā)生，給來水預(yù)測帶來較大挑戰(zhàn)。實(shí)際運(yùn)行情況表明，常規(guī)電源的發(fā)電能力同樣呈現(xiàn)出一定的不確定性。
（二）負(fù)荷側(cè)不確定性增加
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，新型用電模式不斷涌現(xiàn)，其他行業(yè)化石能源消費(fèi)向電力消費(fèi)轉(zhuǎn)移，需求總量將持續(xù)剛性增長。同時(shí)，分布式光伏、風(fēng)電等電源在負(fù)荷側(cè)大量接入，使得負(fù)荷側(cè)特性產(chǎn)生了較大變化。
負(fù)荷側(cè)有源特征明顯，不確定性增加。隨著分布式新能源滲透率的提高，新能源發(fā)電的隨機(jī)性特征直接導(dǎo)致相關(guān)母線負(fù)荷的不確定性增加，甚至系統(tǒng)負(fù)荷的不確定性也隨之增加，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。
負(fù)荷尖峰化特征愈發(fā)突出。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，第三產(chǎn)業(yè)和居民用電量占比將進(jìn)一步上升，此類負(fù)荷受氣候、節(jié)假日和生活習(xí)慣等影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)尖峰負(fù)荷的規(guī)模持續(xù)上升。江蘇、浙江等部分省份尖峰負(fù)荷均超過1億千瓦，且持續(xù)時(shí)間短、出現(xiàn)頻次低等特征愈發(fā)明顯。此外，隨著光伏裝機(jī)容量的上升，尖峰負(fù)荷時(shí)域分布也發(fā)生變化，凈負(fù)荷呈現(xiàn)“鴨子曲線”特征和早晚雙尖峰現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。
（三）系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)能力不足
我國電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力主要由煤電、氣電、抽蓄、具備調(diào)節(jié)水庫的水電等機(jī)組提供，運(yùn)行安排時(shí)需要分地區(qū)、分時(shí)段綜合考慮各類電源啟停限制、調(diào)節(jié)速度、出力范圍等影響因素。以煤電機(jī)組為例，純凝機(jī)組調(diào)節(jié)能力一般為50%額定容量，供熱機(jī)組調(diào)節(jié)能力一般為20%~30%額定容量，靈活性改造一般可提升機(jī)組額定容量20%的調(diào)節(jié)能力，煤電機(jī)組爬坡速率為每分鐘1.5%額定容量。而系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求主要來自負(fù)荷、新能源發(fā)電和聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，其中負(fù)荷的典型峰谷差一般為30%~40%，新能源發(fā)電存在分鐘級、小時(shí)級等不同時(shí)間尺度的波動(dòng)性，其日波動(dòng)幅度可達(dá)到裝機(jī)容量的80%。
當(dāng)前，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以滿足調(diào)節(jié)需求的現(xiàn)象已逐漸顯現(xiàn)。以西北電網(wǎng)2023年3月某日的實(shí)際量測數(shù)據(jù)為例，系統(tǒng)日調(diào)節(jié)能力約5400萬千瓦，15min爬坡能力726萬千瓦、滑坡能力1362萬千瓦；而等效調(diào)節(jié)需求約6505萬千瓦，15min系統(tǒng)爬坡需求860萬千瓦、滑坡需求600萬千瓦。由于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)空間不能滿足新能源的消納需求，導(dǎo)致新能源消納困難，當(dāng)日新能源的利用率僅為92.5%。
（四）大范圍余缺互濟(jì)能力不足
基于互聯(lián)電網(wǎng)的大范圍余缺互濟(jì)是我國電力供應(yīng)的重要特點(diǎn)，也是由我國能源資源與負(fù)荷呈現(xiàn)逆向分布的特征所決定的。
清潔能源富集地區(qū)需要通過跨省區(qū)輸電實(shí)現(xiàn)清潔能源充分消納。根據(jù)《四川省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》，到2025年四川水電裝機(jī)達(dá)1.05億千瓦，而目前四川全省最大用電負(fù)荷約5400萬千瓦，只有通過大規(guī)模水電外送才能保障豐水期水電充分消納。西北風(fēng)光資源富集的寧夏，2023年9月新能源裝機(jī)3453萬千瓦，當(dāng)月最大發(fā)電出力1986萬千瓦，達(dá)到當(dāng)時(shí)全區(qū)用電負(fù)荷的1.43倍，大規(guī)模外送是保障新能源大發(fā)期間充分消納的重要舉措。同時(shí)，負(fù)荷中心需要外來電保障本地的電力可靠供應(yīng)。2023年迎峰度夏期間，華東電網(wǎng)外來電超過7000萬千瓦，占當(dāng)時(shí)華東區(qū)域總用電負(fù)荷的20.65%。外來電一直以來都是負(fù)荷中心能源電力安全供給的重要保障。
隨著可再生能源逐步成為電量主體，風(fēng)光水等一次能源的時(shí)空分布特性以及負(fù)荷增長的不均衡性都將使局部供需失衡的問題進(jìn)一步加劇。為滿足日益增長的跨省區(qū)輸電需求，根據(jù)已經(jīng)投運(yùn)和規(guī)劃在建的跨省區(qū)輸電工程，到2025年跨省區(qū)輸電能力將達(dá)到3.7億千瓦，但仍不足以支撐未來省間更為頻繁、更大規(guī)模、更大范圍的余缺互濟(jì)需求。
（五）平衡決策時(shí)間緊迫
考慮到負(fù)荷、新能源的中長期功率預(yù)測存在較大誤差以及電源及負(fù)荷結(jié)構(gòu)存在地區(qū)性差異，難以在中長期時(shí)間尺度制定足夠準(zhǔn)確有效的平衡方案。源荷時(shí)空特性的變化和不確定性決定了電力電量平衡優(yōu)化決策更加依賴于調(diào)度運(yùn)行環(huán)節(jié)。因此，調(diào)度機(jī)構(gòu)需要在較短的時(shí)間窗口內(nèi)完成涉及國-網(wǎng)-省多層級、源-荷-儲(chǔ)多要素、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保多目標(biāo)統(tǒng)籌優(yōu)化的調(diào)度生產(chǎn)組織。電力平衡決策的時(shí)間緊迫性極大地增加了大電網(wǎng)平衡優(yōu)化的難度。
支撐新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)
為有效應(yīng)對源荷雙側(cè)強(qiáng)不確定性、電力平衡極端場景頻發(fā)、平衡優(yōu)化決策困難等挑戰(zhàn)，需要從平衡管理機(jī)制、源荷雙側(cè)協(xié)同調(diào)控、多層級資源統(tǒng)籌、多周期滾動(dòng)平衡等方面，為新型電力系統(tǒng)電力電量平衡提供成套技術(shù)解決方案，有效解決平穩(wěn)業(yè)務(wù)的不確定性、極端性、多樣性和時(shí)效性問題。
采取全網(wǎng)統(tǒng)籌、分布自治、時(shí)空協(xié)同的平衡模式，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域多層級業(yè)務(wù)的分工開展和協(xié)同運(yùn)作。各級調(diào)度機(jī)構(gòu)充分考慮氣象、自然和社會(huì)環(huán)境等外部因素，通過提高新能源及負(fù)荷預(yù)測精度，量化評估煤-氣-水等一次能源供給對常規(guī)電源發(fā)電能力的影響，引導(dǎo)負(fù)荷參與平衡調(diào)節(jié)，降低源荷雙側(cè)不確定性，準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)供給及調(diào)節(jié)能力，科學(xué)合理管控轄區(qū)電力平衡業(yè)務(wù)。同時(shí)，充分發(fā)揮大電網(wǎng)資源配置的平臺作用，基于多要素、多資源的精準(zhǔn)分析和評估，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、多資源的統(tǒng)籌優(yōu)化，最大程度地發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)余缺互濟(jì)優(yōu)勢，共同保障電力可靠供應(yīng)和促進(jìn)可再生能源充分消納。
此外，充分利用源荷不確定性隨時(shí)間逼近逐步降低的特性，通過平衡場景識別、多周期滾動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)及近的平衡能力分析、供需失衡預(yù)警，并在不同時(shí)間尺度采取外部購受電、機(jī)組開停、儲(chǔ)能充放、負(fù)荷側(cè)資源調(diào)用等針對性措施，統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)電力供需平衡。
整體技術(shù)框架如圖4所示。
圖4 新型電力系統(tǒng)電力電量平衡技術(shù)框架
（一）全網(wǎng)統(tǒng)籌-分布自治-時(shí)空協(xié)同的平衡模式
目前，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)大型新能源場站超6000個(gè)、低壓接入的分布式發(fā)電系統(tǒng)數(shù)百萬個(gè)；未來，全國集中式和分布式新能源發(fā)電單元將達(dá)千萬甚至億級。為了應(yīng)對新能源機(jī)組占比增大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足帶來的挑戰(zhàn)，一方面，需充分利用海量分散的靈活資源，實(shí)現(xiàn)接入各電壓等級的靈活資源可觀可控，或至少能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)與靈活資源之間的靈活互動(dòng)；另一方面，需充分利用不同區(qū)域電網(wǎng)之間空間上的互補(bǔ)性和時(shí)間上的錯(cuò)峰特點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)互聯(lián)輸電系統(tǒng)之間的互通互濟(jì)。運(yùn)行控制向上和向下協(xié)同要求的提高，使得新型電力系統(tǒng)面臨計(jì)算任務(wù)和通信數(shù)據(jù)指數(shù)級增長的挑戰(zhàn)，僅通過強(qiáng)化傳統(tǒng)的集中控制技術(shù)將難以對超復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。
參考分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)：互聯(lián)輸電系統(tǒng)是若干個(gè)平衡區(qū)（即區(qū)域性輸電網(wǎng)）互聯(lián)起來的群集，每個(gè)平衡區(qū)是一個(gè)集群；每個(gè)區(qū)域性輸電網(wǎng)是若干個(gè)配電網(wǎng)互聯(lián)起來的群集，每個(gè)配電網(wǎng)是若干個(gè)供電線路、負(fù)荷、建筑單元組成的群集。新型電力系統(tǒng)將具有群集嵌套的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)集群都具有一定的能量管理功能，開展發(fā)電/負(fù)荷的調(diào)度，以維持凈功率平衡和自身優(yōu)化。在上述群集嵌套的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)下，提出如下層層遞進(jìn)的平衡策略：在空間維度上實(shí)施群內(nèi)柔性實(shí)時(shí)平衡策略、同層群間余缺互濟(jì)和備用共享策略、跨層群間多級協(xié)同平衡策略，在時(shí)間維度上實(shí)施分區(qū)和全網(wǎng)的多周期滾動(dòng)平衡策略。
（二）考慮一次能源供給的發(fā)電能力量化評估技術(shù)
煤、水、風(fēng)、光等一次能源的供給狀況可對發(fā)電能力產(chǎn)生重要影響。針對不同類型電源的發(fā)電特性，分別開展發(fā)電能力量化評估技術(shù)研究。
（三）負(fù)荷側(cè)資源精準(zhǔn)預(yù)測及調(diào)節(jié)能力量化評估技術(shù)
考慮新型電力系統(tǒng)條件下負(fù)荷側(cè)不確定性增加和調(diào)節(jié)潛力挖掘空間較大的特征，負(fù)荷側(cè)對電力電量平衡的支撐可從精準(zhǔn)負(fù)荷預(yù)測技術(shù)和負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)能力量化評估技術(shù)兩方面加強(qiáng)。
（四）互聯(lián)大電網(wǎng)統(tǒng)籌平衡優(yōu)化決策技術(shù)
能源負(fù)荷的逆向分布，高占比新能源出力的強(qiáng)隨機(jī)性，客觀上要求在互聯(lián)電網(wǎng)間通過電能量及輔助服務(wù)余缺互濟(jì)，增強(qiáng)全網(wǎng)保供及新能源消納能力，提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
（五）多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策技術(shù)
由于風(fēng)光新能源發(fā)電具有強(qiáng)隨機(jī)性，煤炭、天然氣受市場價(jià)格、國際形勢及極端天氣影響，供應(yīng)預(yù)測難度加大，電源發(fā)電能力不確定性增強(qiáng)。分布式電源接入、電動(dòng)汽車等多種類型負(fù)荷出現(xiàn)，引起負(fù)荷側(cè)運(yùn)行特性改變。發(fā)用電雙側(cè)強(qiáng)隨機(jī)導(dǎo)致準(zhǔn)確掌控系統(tǒng)平衡能力難度增大，因此，需要計(jì)及多重隨機(jī)因素進(jìn)行多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策。
（六）多場景平衡決策及控制技術(shù)
新型電力系統(tǒng)平衡與天氣、一次能源供給等多種因素具有強(qiáng)耦合關(guān)系，其運(yùn)行場景更加復(fù)雜。確定性的方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際的電力平衡決策，多場景分析方法可以明確體現(xiàn)不確定量的概率特征，以典型場景代表隨機(jī)變量的不確定性，具有較高的計(jì)算效率，是未來電力系統(tǒng)平衡決策及控制的重要手段。
全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
為實(shí)現(xiàn)前述技術(shù)成果的應(yīng)用，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在通過先進(jìn)的技術(shù)手段，提升電力系統(tǒng)調(diào)控的智能化水平，以實(shí)現(xiàn)更高效的電力電量平衡管理。
（一）系統(tǒng)整體架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)了全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)整體框架，綜合運(yùn)用上述關(guān)鍵技術(shù)成果，提供信息更全面、應(yīng)用更智能的綜合平衡分析、推演、預(yù)警和決策等技術(shù)支撐手段。系統(tǒng)包含一二次能源綜合平衡分析、源網(wǎng)荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)度、多層級電力電量平衡優(yōu)化決策、多周期綜合平衡滾動(dòng)推演和綜合平衡能力預(yù)警判斷等核心功能，整體框架如圖5所示。
（二）一二次能源綜合平衡分析及預(yù)警
應(yīng)用全網(wǎng)統(tǒng)籌-局部自治-時(shí)空協(xié)同的平衡模式、考慮一次能源供給的發(fā)電能力評估、負(fù)荷側(cè)資源精準(zhǔn)預(yù)測技術(shù)和多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策等技術(shù)，構(gòu)建了一二次能源綜合平衡分析及全景展示功能，包括多周期電力平衡的全景感知、多維分析和平衡預(yù)警預(yù)判。時(shí)間維度上，統(tǒng)籌分析年、月、周、日前、日內(nèi)不同時(shí)間尺度的平衡能力及供需失衡預(yù)警預(yù)判；空間維度上，準(zhǔn)確反映國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)、區(qū)域、省（市）的平衡狀況及供需失衡預(yù)警預(yù)判；信息維度上，涵蓋一次能源信息、新能源預(yù)測、發(fā)電能力評估、負(fù)荷預(yù)測、檢修管理、機(jī)組管理、非停受阻、送受電計(jì)劃等信息，并提供可視化全景展示手段。功能架構(gòu)如圖6所示，該功能目前已在國網(wǎng)省34家單位得到廣泛應(yīng)用，自2023年6月應(yīng)用以來，開展了超500次省間支援智能決策的方案推演。通過該功能可提前分析、感知?dú)庀?、一次能源等外部因素對發(fā)電能力和用電負(fù)荷的量化影響，精細(xì)化掌握電網(wǎng)電力電量平衡狀況，指導(dǎo)生產(chǎn)人員提前謀劃決策，有效應(yīng)對外部因素變化對電網(wǎng)電力電量平衡的影響。
（三）多周期滾動(dòng)電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策控制
應(yīng)用多周期平衡決策、多場景平衡決策與控制技術(shù)構(gòu)建了多周期滾動(dòng)電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策控制功能，實(shí)現(xiàn)月周（多日）、日前、日內(nèi)（實(shí)時(shí)）調(diào)度決策及控制。
中長期維度，開展月、周、多日層面的機(jī)組組合優(yōu)化，將一次能源供應(yīng)約束納入電力電量平衡優(yōu)化決策，盡量減少煤電機(jī)組頻繁開停機(jī)的同時(shí)，最大程度實(shí)現(xiàn)新能源消納與電力保供多目標(biāo)的統(tǒng)一，提升省級電網(wǎng)長時(shí)間尺度的電力電量平衡分析決策能力。該功能已在江蘇省調(diào)試點(diǎn)應(yīng)用，以2023年11月20日-26日為例，周機(jī)組組合全局優(yōu)化煤電機(jī)組啟停26臺次，相對逐日優(yōu)化煤電機(jī)組啟停47臺次，啟停次數(shù)可減少達(dá)45%，保障新能源消納同時(shí)大幅減少了煤電機(jī)組的頻繁啟停。
日前維度，考慮多類型負(fù)荷資源、儲(chǔ)能、抽蓄等調(diào)節(jié)能力及可調(diào)度屬性，以新能源最大消納等為目標(biāo)，采用多資源協(xié)同的柔性優(yōu)化決策模型，構(gòu)建多類型資源協(xié)同優(yōu)化功能，實(shí)現(xiàn)源荷雙側(cè)多類型資源協(xié)調(diào)優(yōu)化。該功能已在江蘇、浙江、湖南等省調(diào)試點(diǎn)應(yīng)用，以2023年湖南7月12日21時(shí)29分晚高峰時(shí)刻為例，最大負(fù)荷達(dá)到41650MW，水火電常規(guī)電源接近可調(diào)能力上限運(yùn)行，全省儲(chǔ)能放電功率達(dá)到482MW；負(fù)荷低谷期間，火電已達(dá)可調(diào)能力下限，全省儲(chǔ)能充電功率達(dá)到712MW，極大的緩解負(fù)備用緊張情況，達(dá)到了“低谷儲(chǔ)能、高峰放電”的調(diào)節(jié)目標(biāo)。
實(shí)時(shí)維度，構(gòu)建以實(shí)時(shí)發(fā)電調(diào)度控制為核心的新型電力系統(tǒng)有功控制中心功能?；趯?shí)時(shí)市場/計(jì)劃結(jié)果，集成創(chuàng)新有功控制技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)一體化的電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行控制、兼容現(xiàn)貨與應(yīng)急模式的電網(wǎng)運(yùn)行邊界管理、新能源及儲(chǔ)能新型資源運(yùn)行控制等功能，適應(yīng)現(xiàn)貨市場運(yùn)行與高比例新能源復(fù)雜場景下電網(wǎng)有功智能化協(xié)同控制。該功能已在江蘇省調(diào)試點(diǎn)應(yīng)用，今年迎峰度夏期間有功巡航軌跡自動(dòng)調(diào)整累計(jì)1936次，支撐了調(diào)度高效開展新型電力系統(tǒng)有功運(yùn)行控制。
通過多周期滾動(dòng)平衡優(yōu)化決策功能，利用源荷雙側(cè)不確定性隨著周期縮短而減少的特性，可有效應(yīng)對源荷雙側(cè)不確定性問題，同時(shí)充分發(fā)揮電網(wǎng)中源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等不同環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)潛力，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，有效提升系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)能力，以應(yīng)對極端天氣場景下電力電量平衡。
（四）多層級統(tǒng)籌電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策
目前，我國已建成市場環(huán)境下以省間現(xiàn)貨市場、區(qū)域輔助服務(wù)和省級現(xiàn)貨市場為主體的“兩級市場，三級調(diào)度”生產(chǎn)組織運(yùn)行體系，實(shí)現(xiàn)多層級電網(wǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，按照“統(tǒng)一市場，兩級運(yùn)作”的市場框架，應(yīng)用互聯(lián)大電網(wǎng)統(tǒng)籌平衡優(yōu)化決策技術(shù)構(gòu)建了多層級統(tǒng)籌電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策功能，新增建設(shè)了區(qū)域安全校正、跨區(qū)應(yīng)急調(diào)度功能，有效支撐全國統(tǒng)一電力市場體系建設(shè)。功能架構(gòu)如圖8所示。
區(qū)域安全校正以消除潮流阻塞為目標(biāo)，影響省級現(xiàn)貨出清結(jié)果最小為原則，依次按照機(jī)組出力、機(jī)組組合、省間聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃、區(qū)外直流計(jì)劃的優(yōu)先級進(jìn)行安全校正調(diào)整，保障區(qū)域內(nèi)省市現(xiàn)貨市場出清結(jié)果的安全、可靠執(zhí)行。該功能已在華東網(wǎng)調(diào)及區(qū)域內(nèi)省調(diào)得到應(yīng)用，目前已開展多次聯(lián)合試運(yùn)行，整體計(jì)算流程時(shí)間小于25min，通過安全校正消除斷面越限，保障了省市出清結(jié)果的安全執(zhí)行，有效支撐華東電網(wǎng)生產(chǎn)組織業(yè)務(wù)。
跨區(qū)應(yīng)急調(diào)度采用考慮電網(wǎng)輸電容量約束下最佳互濟(jì)模式的應(yīng)急調(diào)度優(yōu)化方法，基于現(xiàn)貨市場出清結(jié)果開展跨省區(qū)應(yīng)急調(diào)度，有效緩解或解決局部地區(qū)供電能力不足或新能源棄電的問題。該功能已在國網(wǎng)省調(diào)得到廣泛應(yīng)用，以2023年7、10月為例，四川日最大被支援功率達(dá)7355MW，最大被支援電量達(dá)37700MWh；黑龍江新增新能源消納5935MWh，蒙東新增消納3785MWh，有效提升電力保供及新能源消納能力。
通過多層級電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策功能在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)電網(wǎng)電力電量的余缺互濟(jì)，有效應(yīng)對我國資源與負(fù)荷逆向分布特點(diǎn)以及大電網(wǎng)一體化運(yùn)行要求，充分發(fā)揮一體化分析決策優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的電力電量平衡。
試點(diǎn)應(yīng)用成效表明，技術(shù)支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了平衡感知更全面、多級協(xié)同更高效、平衡決策更智能、可視化手段更豐富的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效提升了新型電力系統(tǒng)多元資源調(diào)度決策與協(xié)同控制的智能化水平。
展望與建議
隨著新型電力系統(tǒng)的逐步構(gòu)建，電力電量平衡問題的解決，需要從市場機(jī)制、電碳協(xié)同、基于數(shù)智賦能的靈活調(diào)控、綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行等方面開展更為廣泛的研究。
（一）運(yùn)用市場化手段建立源荷雙側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)制
長期以來依靠火電、水電、氣電等發(fā)電側(cè)資源提供調(diào)頻、調(diào)峰、備用等調(diào)節(jié)服務(wù)。然而，隨著新能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)面臨著更大的不確定性和波動(dòng)性，發(fā)電側(cè)資源將不足以滿足電力電量平衡需求。因此，需要通過市場化手段引導(dǎo)可調(diào)度負(fù)荷、儲(chǔ)能、虛擬電廠等負(fù)荷側(cè)靈活性調(diào)節(jié)資源參與平衡調(diào)節(jié)。建立容量市場機(jī)制，通過市場化手段，對具有保障電力供需能力和調(diào)節(jié)能力的負(fù)荷側(cè)資源進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)或補(bǔ)償，以鼓勵(lì)其投資、運(yùn)營；完善輔助服務(wù)市場，對提供調(diào)頻、調(diào)峰、備用等輔助服務(wù)的負(fù)荷側(cè)資源進(jìn)行定價(jià)和結(jié)算，以反映其在平衡調(diào)節(jié)中的價(jià)值作用；培育需求側(cè)響應(yīng)市場，通過市場化手段，對能夠根據(jù)電力市場價(jià)格自主或被動(dòng)地調(diào)整用電量的負(fù)荷側(cè)資源進(jìn)行激勵(lì)或懲罰，以引導(dǎo)其削峰填谷，提高用電效率。運(yùn)用市場化手段激勵(lì)負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)資源參與電力電量平衡，可以增加電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性，降低電網(wǎng)投資、電力成本和碳排放，提升電力保障能力，并促進(jìn)新能源消納。
（二）適應(yīng)“雙碳目標(biāo)”的電碳聯(lián)合優(yōu)化
在碳中和背景下，需求側(cè)能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控，新型電力系統(tǒng)需引入低碳目標(biāo)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保因素，以及源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的低碳要素，構(gòu)建新型、科學(xué)、高效的“低碳電力調(diào)度”方式，這使得電力電量平衡優(yōu)化問題變得更為復(fù)雜。在機(jī)制方面，需要明確電力現(xiàn)貨市場與碳市場、綠電市場的耦合機(jī)理，完善碳成本的合理分?jǐn)倷C(jī)制，建立三方市場的高效協(xié)同運(yùn)行模式。在調(diào)控技術(shù)層面，首先需要研究更為精細(xì)的碳
排放量化分析理論，從發(fā)、輸、配、用等各個(gè)環(huán)節(jié)開展碳排放評估，形成碳成本分擔(dān)依據(jù)。其次，需要構(gòu)建碳排放與電氣量的耦合模型，在傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度或市場出清模型中加入低碳目標(biāo)或約束，支撐低碳電力調(diào)度。
（三）基于數(shù)智賦能的靈活調(diào)控技術(shù)
未來電力電量平衡優(yōu)化決策的核心問題可能演變?yōu)樵春呻p側(cè)強(qiáng)不確定性條件下海量資源的高效決策問題。為了滿足大范圍、高效、靈活決策需求，一方面需要運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)強(qiáng)化新能源運(yùn)行監(jiān)測、功率預(yù)測和調(diào)節(jié)控制能力，并提升各類調(diào)節(jié)資源感知能力。另一方面需要廣泛引入智能化的決策和控制手段，構(gòu)建模型-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)協(xié)同控制模式，支撐包括：調(diào)節(jié)需求精準(zhǔn)預(yù)測、多樣化資源協(xié)同互補(bǔ)、電網(wǎng)快速響應(yīng)和應(yīng)急處置等各類調(diào)控需求，提升電網(wǎng)多元負(fù)荷承載、靈活互動(dòng)及安全供電保障能力。
此外，考慮到未來數(shù)量眾多、規(guī)模各異的可再生能源發(fā)電將在各電壓等級的電力系統(tǒng)中廣泛滲透，傳統(tǒng)的運(yùn)行控制技術(shù)將無法滿足新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。因此，各級調(diào)控機(jī)構(gòu)還需要各類新興主體的局部電能控制潛力，引導(dǎo)虛擬電廠、具有可控資源的用戶等建立就地平衡分析和運(yùn)行控制手段，并通過與其的高效協(xié)同互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。
（四）綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行
由于電能具有清潔、安全、便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，電能在終端能源中的比重呈上升趨勢。但隨著終端用能需求多元化，以及過度依靠單一能源品種可能存在的供應(yīng)安全問題，因此發(fā)展終端層面的多能源互補(bǔ)、構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)對于保障能源安全具有重要意義。在多能源耦合特性分析方面，需要深入研究電、氣、冷、熱、氫、氨等異質(zhì)能源的統(tǒng)一建模技術(shù)，提出多能耦合模型關(guān)鍵特征參數(shù)精準(zhǔn)辨識方法。在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方面，需要構(gòu)建多重復(fù)雜因素耦合驅(qū)動(dòng)下的源荷場景生成模型，研究適應(yīng)高比例新能源接入的多時(shí)空尺度綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。在綜合能源系統(tǒng)韌性提升方面，研究極端天氣、事故風(fēng)險(xiǎn)對綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的影響機(jī)理，提出覆蓋“預(yù)防、抵御、響應(yīng)、修復(fù)”各環(huán)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)韌性提升方法。
結(jié)論
我國正在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)和新型能源體系，受一次能源、氣象環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面因素的影響，電源結(jié)構(gòu)逐漸面臨隨機(jī)間歇性電源多、快速可調(diào)節(jié)電源少導(dǎo)致的調(diào)節(jié)能力不足等問題，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸面臨電網(wǎng)形態(tài)復(fù)雜多樣、全網(wǎng)互濟(jì)能力不足等問題，用電結(jié)構(gòu)逐漸面臨負(fù)荷特性重大轉(zhuǎn)變、電力需求側(cè)響應(yīng)不足等問題，源、荷兩側(cè)均表現(xiàn)出強(qiáng)不確定性。同時(shí)，調(diào)節(jié)資源和調(diào)節(jié)需求存在復(fù)雜的時(shí)空分布特性，氣候環(huán)境導(dǎo)致的極端場景頻發(fā)，使得系統(tǒng)的電力電量平衡更加依賴短周期的優(yōu)化控制，給調(diào)度運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。
針對電力系統(tǒng)平衡模式由“源隨荷動(dòng)”向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)”轉(zhuǎn)變的趨勢，本文從多要素、多層級、多周期、多場景、大范圍等角度出發(fā)，提出了空間協(xié)同、時(shí)間協(xié)同、資源協(xié)同、預(yù)測預(yù)判等關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)，介紹了已成功開發(fā)和應(yīng)用的全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)，并給出了支撐電力電量平衡的建議和方向。希望本文的初步探討能為新型電力系統(tǒng)平衡問題的解決提供一些有益的參考。
