分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與風電入網(wǎng)問題研究

1、分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與風電入網(wǎng)問題研究技術(shù)創(chuàng)新，變革未來鑒于未來電網(wǎng)的超復(fù)雜性(Extreme complexity)，電網(wǎng)體 系結(jié)構(gòu)(grid architecture)的研究至關(guān)重要。它是整個grid 的最頂層的描述(模型)。需要，體系結(jié)構(gòu)優(yōu)先?；ヂ?lián)（輸電）系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)電網(wǎng)分層分群體系結(jié)構(gòu)分層分群電網(wǎng)體系的科學性風光發(fā)電的就地開發(fā)與消納如何實現(xiàn)功率平衡報告內(nèi)容I.1 互聯(lián)（輸電）系統(tǒng)中平衡區(qū)的概念1 BN Cohn. Control of Generation and Power Flow on Interconnected Systems M. New York: John Wile

2、y & Sons, Ltd, 1966: 1-100.發(fā)電和負荷;智能控制（ 如 EMS ） 和通信?；ヂ?lián)系統(tǒng)發(fā)電和潮流控制理論1提出了“控制區(qū)（Control Area）”的概念， 后來更名為平衡區(qū)（Balance Area，簡記BA），意指區(qū)域內(nèi)電功率能夠保持 近乎瞬時的凈功率平衡。BA的定義：每個BA都有BA包括如下三個基本功能：進行發(fā)電/負荷調(diào)度(Dispatch)；當?shù)氐姆答伩刂疲糜谄交▌?；通過削減發(fā)電/負荷來緩解故障。I.2 互聯(lián)系統(tǒng) (由若干互聯(lián)的BAs組成）群集運行規(guī)范各BAs按照如下規(guī)范工作：平衡區(qū)內(nèi)發(fā)電的調(diào)節(jié)（Dispatch）需要隨時吸收其內(nèi)部負荷的變化（簡稱凈功 率

3、平衡），即使發(fā)生大的擾動也要自行解決，并且進行自優(yōu)化；平衡區(qū)之間聯(lián)絡(luò)線上的功率均按功率交換計劃（ on schedule）工作。為了電網(wǎng)的安全運行，相 對于受端系統(tǒng)總?cè)萘吭撚媱澲挡荒芴?；為保證 BA（包括機組啟停的約束）的經(jīng)濟運行，該功 率值要相對平穩(wěn)（每天的數(shù)值應(yīng)穩(wěn)定在少數(shù)幾個 功率水平上）。天中特高壓直流典型日運行曲線（2017年）注1 分布式發(fā)電是電力的未來，也是能源的未來。電網(wǎng)的變化已經(jīng)日益偏離20世紀電網(wǎng)發(fā)展所依據(jù)的基本原理和假設(shè)。如果不指出 這些，會對電網(wǎng)的可靠性和功能造成嚴重的不良后果。發(fā)展的新原動力，主要是 演變中的用戶期望、新技術(shù)的涌現(xiàn)、以及從大規(guī)模的中央經(jīng)濟到網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟的改

4、變。 后者是由連接到配電網(wǎng)邊際（“thegridedge”）滲透率已增長的分布式能源（DER)注1和無處不在的通信聯(lián)系所驅(qū)動的。此外原動力中還包括韌性不足和賽 博攻擊威脅的不斷增加。II.1 電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)改變的原動力2 Felix F. Wu, Pravin P. Varaiya, Ron S. Y. Hui . Smart Grid with Intelligent Periphery for the Future : Architecture for the Energy Internet (J), Engineering, 2015,1(4)II.2 帶有智能外圍的智能電網(wǎng)（GRIP）的

5、構(gòu)想互聯(lián)系統(tǒng)群集模式由輸電向外圍拓展置于高壓輸電系統(tǒng)內(nèi)的能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）覆 蓋了數(shù)百個發(fā)電機和變電站，數(shù)十年來在管理和控制電力系統(tǒng)以確保其經(jīng)濟可靠 的運行方面取得了巨大的成功。但是如果將這個系統(tǒng)及其底層的集中式操作范式 擴展到配電系統(tǒng)，并擴展到未來網(wǎng)絡(luò)中成千上萬的生產(chǎn)型消費者，將導(dǎo)致效率低 下，是不明智和站不住腳的。文獻2提出如下的設(shè)想：未來的配電網(wǎng)、微網(wǎng)、建筑單元（大樓、工廠和住宅 等）與輸電系統(tǒng)的差異將逐步消失，具有本地發(fā)電和雙向電力潮流的特點，都將 配有EMS，并按照“群（cluster）”的理念實現(xiàn)各自的凈功率平衡。這里的群就是

6、前述的BA?；ヂ?lián)輸電系統(tǒng)區(qū)域輸電系統(tǒng)A區(qū)域輸電系統(tǒng)L配電網(wǎng)A配電網(wǎng)M微電網(wǎng)A微電網(wǎng)N建筑單元A建筑單元O建筑物群集（Clusters）微網(wǎng)群集配電網(wǎng)群集區(qū)域輸電系統(tǒng)群集電網(wǎng)分層分群（群集嵌套）體系結(jié)構(gòu)（或稱集群的自然層次結(jié)構(gòu)）示意圖（配電網(wǎng)中也可能直接包括建筑單元）如右圖所示“分層分群”輸電系統(tǒng)（互聯(lián)電力系統(tǒng)）是 若干個平衡區(qū)BA（即區(qū)域性輸 電網(wǎng)-功率平衡區(qū)）互聯(lián)起來的 群集（clusters），每個BA是 一個集群（cluster）注2；每個區(qū)域性輸電網(wǎng)是若干個配 電網(wǎng)互聯(lián)起來的群集；每個配電網(wǎng)是若干個微網(wǎng)、建 筑單元組成的群集；每個微網(wǎng)又可以是由若干個建筑單元互聯(lián)起來的群集。注2 網(wǎng)絡(luò)的

7、基本單位集群（Cluster）和 群集（Clusters）。II.2 帶有智能外圍的智能電網(wǎng)（GRIP）的構(gòu)想互聯(lián)系統(tǒng)群集模式由輸電向外圍拓展注3 需滿足電網(wǎng)的安全約束，如遠距離輸送風光火打捆電功率的值相對于受端系統(tǒng)總?cè)萘坎荒芴?；為保證送端和受端平 衡區(qū)BA的安全（包括機組啟停約束的）經(jīng)濟運行，該功率值要相對平穩(wěn)。每個群都有：發(fā)電和或負荷；智能控制（EMS）和通信。每個群也包括如下三個基本功能：進行發(fā)電/負荷調(diào)度(Dispatch)；當?shù)氐姆答伩刂疲糜谄交▌?；通過削減發(fā)電/負荷來緩解故障。各群按照如下規(guī)范協(xié)調(diào)工作： 群內(nèi)發(fā)電的調(diào)節(jié)（Dispatch），需要隨 時吸收其內(nèi)部負荷的變化（簡稱

8、維持凈 功率平衡）即使發(fā)生大的擾動也要自行 解決，并且從群的利益出發(fā)進行自優(yōu)化（selfish optimization)； 從電網(wǎng)的總體利益出發(fā)，各群（即區(qū)域 電網(wǎng)）之間進行協(xié)調(diào)，產(chǎn)生群間的功率 交換計劃（schedule）注3 ，各群必須 履行在此計劃中所規(guī)定的任務(wù)。與互聯(lián)電力系統(tǒng)中平衡區(qū)（BA）的概念相似：II.2 帶有智能外圍的智能電網(wǎng)（GRIP）的構(gòu)想互聯(lián)系統(tǒng)群集模式由輸電向外圍拓展II.2 帶有智能外圍的智能電網(wǎng)（GRIP）的構(gòu)想互聯(lián)系統(tǒng)群集模式由輸電向外圍拓展分層分群的概念看似與當今的電力系統(tǒng)并無太大不同，在許多方面差異不大。但 是一個關(guān)鍵的不同是，潮流不再只是從大型系統(tǒng)到用戶單

9、向流動。（首先）配電系統(tǒng)或大電網(wǎng)上的大多數(shù)節(jié)點乃至終端用戶的電表都可以注入 和吸收功率，并且可以在這兩個模式之間平穩(wěn)地切換。（進而）這些特點，再加上多種規(guī)模的經(jīng)濟高效的儲能的到來，改變了這一 切，至少需要對配電系統(tǒng)及其運行進行變革。從大系統(tǒng)和批發(fā)市場運營商的角度來看，他們希望每個輸電和配電（T&D）接口都可以在充當負荷節(jié)點和充當供應(yīng)節(jié)點之間切換運行方式。Mung Chiang, Steven Low, et al. Layering as Optimization Decomposition: A Mathematical Theory of Network ArchitecturesJ. P

10、roceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 1, January 2007.Jeffrey D. Taft. Grid ArchitectureJ. IEEE Power & energy, Volume 17, No 5, September/October 2019.III.1 電網(wǎng)分層分群體系結(jié)構(gòu)的數(shù)學基礎(chǔ)依據(jù)3的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)數(shù)學理論“Layering as Optimization Decomposition”， 文獻4通過對多種規(guī)模高比例DER電網(wǎng)的研究，確認對于分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)能滿足邊界約束、控制聯(lián)合與分解以及可擴展性等屬性的的主要原則是：全局協(xié)

11、調(diào)內(nèi)部的局部優(yōu)化亦即，上述分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 是有數(shù)學基礎(chǔ)的。本質(zhì)上，所有群協(xié) 作解決一個常見的優(yōu)化問題，定會產(chǎn) 生必要的協(xié)調(diào)信號。 在局部，每個群 都可以使用協(xié)調(diào)框架內(nèi)的本地目標和 約束來執(zhí)行優(yōu)化。電網(wǎng)被認為是上世紀最偉大的發(fā)明,而互聯(lián)網(wǎng)是這個世紀最偉大的創(chuàng)新?；ヂ?lián)網(wǎng)是 智能的，可以輕松地適應(yīng)接連不斷地具有顛覆性的信息革命的快速變化的情景。 在新的電力時代，我們希望電網(wǎng)能像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能化5。研究已表明：互聯(lián)網(wǎng)建立在促進技術(shù)創(chuàng)新的分層架構(gòu)上，其智能分布在整個網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中；具有分層分群體系結(jié)構(gòu)（如GRIP）的電網(wǎng)像具有Internet一樣結(jié)構(gòu)特點和運行 范式；基于新范例所提出的具有智能外

12、圍設(shè)備的電網(wǎng)（GRIP）像Internet一樣智能， 特別適合服務(wù)于將來的電網(wǎng)。III.2 未來的電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能5 LIU Yanli, YU Yixin, WU F F, et al. A grid as smart as internetJ. Engineering, 2020, 6(7): 778-788.更好地利用多變的可再生能源（Variable renewable energy, VRE）：分布式運營模式將最大程 度地利用多變的可再生能源，因為VRE的運營將掌握在當?shù)乩嫦嚓P(guān)者的手中，他們對資源的 預(yù)測，計劃（schedule）和控制有更好的了解。為生產(chǎn)型消費者（prosum

13、ers）賦權(quán)：生產(chǎn)型消費者將完全控制自己的發(fā)電和負載的運行，并 獲得安裝和運行最高效的設(shè)備的激勵機制，例如太陽能光伏，電池儲能系統(tǒng)，電動汽車充電系 統(tǒng)以及ICT硬件和軟件等。與外圍設(shè)備的責任分擔：在新的數(shù)字化時代，外圍設(shè)備的智能和能力與電網(wǎng)運營商在管理其子 電網(wǎng)方面相似，因為硬件變得越來越便宜，軟件變得越來越智能。納米，迷你和微電網(wǎng)的無縫集成：新范式的責任分擔功能與當今的納米，迷你和微電網(wǎng)的自治或半自治理念兼容，有助于它們的無縫集成。快速適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新：GRIP的分層體系結(jié)構(gòu)使整合創(chuàng)新技術(shù)變得容易。增強韌性（Resiliency）和抵御不斷增加的賽博攻擊(Cyber-attack)。BA理念可把

14、DERs的使用 同來自電網(wǎng)的各種壓力解耦，并提供一種可以更具體地應(yīng)用DER提升大容量系統(tǒng)韌性（且不降 低配電的可靠性）的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，大電網(wǎng)的運行部門不要求配電層次上任何詳細的可觀 性，同時還可避免事故擴大化和賽博安全漏洞。III.2 未來的電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能Internet層流網(wǎng)GRIP互聯(lián)系統(tǒng)群集結(jié)構(gòu)與運行范式Layering as Optimization Decomposition結(jié)論：具有分層分群體系結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)（GRIP）像Internet一樣智能，并且具有數(shù)學基礎(chǔ)，特別適合將來的電網(wǎng)的需要。6 BRONSKI P. The economics of load defectio

15、nR. Rocky Mountain Institute and HOMER Energy, 2015.III.2 未來的電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能IV. 風光發(fā)電的就地開發(fā)與消納如何實現(xiàn)功率平衡功率平衡是電網(wǎng)的第一需要。為了適應(yīng)風能和太陽能的間歇性、多變性和不確定 性，平衡區(qū)可采用的功率平衡措施包括：大電網(wǎng)的吸納（調(diào)節(jié)大電網(wǎng)中出力可控 的機組）、需求側(cè)管理、分布式小型燃油燃氣發(fā)電、儲能，乃至綜合能源系統(tǒng)等。相當一段時間內(nèi)，大電網(wǎng)（群）的吸納特別重要，而大電網(wǎng)在我國中東南部。 這就為發(fā)展中東南部的風能和光伏提供了條件注4。文獻 7,8 基于互聯(lián)系統(tǒng)理念 的研究表明：風電和太陽能發(fā)電的就地開發(fā)與消納的

16、單位電能成本低，可靠性、 韌性（resilience）和可實現(xiàn)的負荷中心的可再生能源的滲透率均高。注4 大電網(wǎng)（群）的吸納能力，也可以通過 scheduling支持其下層的平衡區(qū)。因為上一層電網(wǎng)的調(diào)度（dispatching）的 結(jié)果是下一層電網(wǎng)的scheduling的方案，所以：層數(shù)越低scheduling越頻繁，從而可減小底層凈功率平衡的負擔；如果上一層電網(wǎng)在做潮流優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時對其與下一層聯(lián)絡(luò)線上的功率預(yù)測的準確度高，或進行上下兩層協(xié)調(diào)優(yōu)化，則可予先保證下層具有較好的實現(xiàn)功率平衡的能力。SUN Bing, YU Yixin, QIN Chao. Should China focus on the distributed development of wind and solar photovoltaic power generation? a comparative studyJ. Applied Energy, 2017, 185: 421-43