2024分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與儲能市場格局

分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與儲能市場格局鑒于未來電網(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(xué)性100%風(fēng)-水-光能源轉(zhuǎn)型場景下儲能市場格局之探討報(bào)告內(nèi)容I. 互聯(lián)（輸電）系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)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

Wiley

&

Sons,Ltd,1966:

1-100.① 發(fā)電和負(fù)荷;② 智能控制（

如EMS

）

和通信。?互聯(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(shí)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：① 進(jìn)行發(fā)電/負(fù)荷調(diào)度(Dispatch)；② 當(dāng)?shù)氐姆答伩刂?，用于平滑波動；?通過削減發(fā)電/負(fù)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(yùn)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(shí)吸收其內(nèi)部負(fù)荷的變化（簡稱凈功率平衡），即使發(fā)生大的擾動也要自行解決，并且進(jìn)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(jì)劃（

on

schedule）工作。為了電網(wǎng)的安全運(yùn)行，相對于受端系統(tǒng)總?cè)萘吭撚?jì)劃值不能太大；為保證BA（包括機(jī)組啟停的約束）的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yùn)行曲線（2017年）II.

電網(wǎng)分層分群體系結(jié)構(gòu)[注1]

分布式發(fā)電、用能電氣化和靈活負(fù)荷的充分利用是電力的未來，也是能源的未來。電網(wǎng)的變化已經(jīng)日益偏離20世紀(jì)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(yán)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(jì)到網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的改變。后者是由于連接到配電的分布式能源（DER)的滲透率的增長[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]FelixF.Wu,PravinP.Varaiya,RonS.Y.Hui.SmartGridwithIntelligentPeripheryfortheFuture:ArchitecturefortheEnergyInternet(J),Engineering,

2015,1(4)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

置于高壓輸電系統(tǒng)內(nèi)的能量管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，EMS）覆蓋了數(shù)百個發(fā)電機(jī)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(jì)可靠的運(yùn)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(kuò)展到配電系統(tǒng)，并擴(kuò)展到未來網(wǎng)絡(luò)中成千上萬的生產(chǎn)型消費(fèi)者，將導(dǎo)致效率低下，是不明智和站不住腳的。文獻(xiàn)[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(diǎn)，都將配有EMS，并按照“群（cluster）”的理念實(shí)現(xiàn)各自的凈功率平衡。這里的群就是前述的BA。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）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

如右圖所示——“分層分群”互聯(lián)輸電系統(tǒng)[注3]

需滿足電網(wǎng)的安全約束，如遠(yuǎn)距離輸送風(fēng)光火打捆電功率的值相對于受端系統(tǒng)總?cè)萘坎荒芴螅粸楸ＷC送端和受端平衡區(qū)BA的安全（包括機(jī)組啟停約束的）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，該功率值要相對平穩(wěn)。?每個群都有：① 發(fā)電和或負(fù)荷；② 智能控制（CEMS）和通信。?每個群也包括如下三個基本功能：① 進(jìn)行發(fā)電/負(fù)荷調(diào)度(Dispatch)；② 當(dāng)?shù)氐姆答伩刂疲糜谄交▌?；?通過削減發(fā)電/負(fù)荷來緩解故障。?

各群按照如下規(guī)范協(xié)調(diào)工作：①

群內(nèi)發(fā)電的調(diào)節(jié)（Dispatch），需要隨時(shí)吸收其內(nèi)部負(fù)荷的變化（簡稱維持凈功率平衡）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(jìn)行自優(yōu)化（selfish

optimization)；②

從電網(wǎng)的總體利益出發(fā)，各群之間進(jìn)行協(xié)

調(diào)

產(chǎn)

生

群

間

的

功

率

交

換

計(jì)

劃（schedule）[注3]

，各群必須履行在此計(jì)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(dāng)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)到用戶單向流動。配電系統(tǒng)或大電網(wǎng)上的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)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[注]。（進(jìn)而）多種規(guī)模的經(jīng)濟(jì)高效的儲能（它是功率對時(shí)間的積分）的到來，改變了電網(wǎng)瞬時(shí)功率平衡的模式，這也需要對配電系統(tǒng)及其運(yùn)行進(jìn)行變革。[注]從大系統(tǒng)和批發(fā)市場運(yùn)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(dāng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和充當(dāng)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間切換運(yùn)行方式。III.

分層分群電網(wǎng)體系的科學(xué)性為使Grid體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范或開發(fā)具有嚴(yán)謹(jǐn)性，盡可能地使用數(shù)學(xué)的方法，和新的方法學(xué)(如互聯(lián)網(wǎng)和·物聯(lián)網(wǎng)）亦即，上述分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是有數(shù)學(xué)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(biāo)和約束來執(zhí)行優(yōu)化?！狹ungChiang,StevenLow,etal.LayeringasOptimizationDecomposition:AMathematicalTheoryofNetworkArchitectures[J].ProceedingsoftheIEEE,Vol.95,No.1,January

2007.JeffreyD.Taft.GridArchitecture[J].IEEEPower&energy,Volume17,No5,September/October

2019.III.1

電網(wǎng)分層分群體系結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)依據(jù)[3]的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)理論“Layering

as

Optimization

Decomposition”，

文獻(xiàn)[4]通過對多種規(guī)模高比例DER電網(wǎng)的研究，確認(rèn)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(kuò)展性等屬性的的主要原則是：全局協(xié)調(diào)內(nèi)部的局部優(yōu)化電網(wǎng)被認(rèn)為是上世紀(jì)最偉大的發(fā)明,而互聯(lián)網(wǎng)是這個世紀(jì)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(shí)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：III.2

未來的電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能[5]YanliLIU，YixinYU，F(xiàn)elixF.WU&etal.AGridasSmartasInternet[J],Engineering,2020,6(7):

778-788.Application

LayerTransport

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerApplication

LayerTransport

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerA

C

D

B圖

7

數(shù)據(jù)流路徑示意:

(a)協(xié)議棧中（b）互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中ABTransport

Layer(a)(b)Global

InternetNSP

BackboneISP

BackboneLANANAPNSPISPCDB（1）互聯(lián)網(wǎng)之所以智能，是因?yàn)?（a)協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)明確了分工，適合于技術(shù)創(chuàng)新；而(b)多層的分群方式構(gòu)造的（子）網(wǎng)絡(luò)組成則使責(zé)任分擔(dān)成為可能。其智能分布在整個網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中。N)局域網(wǎng)(LA本地互聯(lián)網(wǎng)提供商(ISP)骨干網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)全球網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（NSP）骨干網(wǎng)MarketLayerSchedulingLayerBalancing

LayerBalancing

LayerSchedulingLayerBalancing

LayerMarketLayerSchedulingLayerBalancing

LayerA C D B圖10

集群的分層體系結(jié)構(gòu)中由A到B輸送功率（a）

CEMS的分層結(jié)構(gòu)中（b)電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中（

2

）

具有分層分群體系結(jié)構(gòu)（如GRIP）的電網(wǎng)，

因?yàn)椋?/p>

a)CEMS

的分層結(jié)構(gòu)明確了分工，適合于技術(shù)創(chuàng)新；而(b)多層的分群方式構(gòu)造的（子）網(wǎng)絡(luò)組成則使責(zé)任分擔(dān)成為可能。具有Internet

一樣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行范式，從而也像Internet一樣智能。III.3

結(jié)論具有分層分群體系結(jié)構(gòu)（如GRIP【2】）的電網(wǎng)像Internet一樣智能【5】，并且具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)【3，4】

，特別適合將來的電網(wǎng)的需要：更好地利用多變的可再生能源（Variable

renewable

energy,

VRE）：分布式運(yùn)營模式將最大程度地利用多變的可再生能源，因?yàn)閂RE的運(yùn)營將掌握在當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者的手中，他們對資源的預(yù)測，計(jì)劃（schedule）和控制有更好的了解。為生產(chǎn)型消費(fèi)者（prosumers）賦權(quán)：生產(chǎn)型消費(fèi)者將完全控制自己的發(fā)電和負(fù)載的運(yùn)行，并獲得安裝和運(yùn)行最高效的設(shè)備的激勵機(jī)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(zé)任分擔(dān)：在新的數(shù)字化時(shí)代，外圍設(shè)備的智能和能力與電網(wǎng)運(yùn)營商在管理其子電網(wǎng)方面相似，因?yàn)橛布兊迷絹碓奖阋?，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(zé)任分擔(dān)功能與當(dāng)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。

此外，允許群集的半自治運(yùn)行將防止生產(chǎn)型消費(fèi)者的“逃離”電網(wǎng)?？焖龠m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(qiáng)韌性（Resiliency）和抵御不斷增加的賽博攻擊(Cyber-attack)。BA理念可把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(yùn)行部門不要求配電層次上任何詳細(xì)的可觀性，同時(shí)還可避免事故擴(kuò)大化和賽博安全漏洞。IV.

100%風(fēng)-水-光能源轉(zhuǎn)型場景下儲能市場格局之探討IV.1.

100%風(fēng)-水-光能源轉(zhuǎn)型場景斯坦福大學(xué)馬克·雅各布森（Mark

Jacobson）團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇200頁的論文，其結(jié)論是：從BAU（business-as-usual）能源完全過渡到清潔的可再生的風(fēng)-水-太陽能（WWS

wind-water-solar）電力、熱、儲能和輸配電系統(tǒng)的場景下，將能以低成本減少和消除全球變暖、空氣污染和能源安全三大問題。理想情況下，80%的問題將在2030年得到解決，到

2035-2050年將達(dá)到100%。在全球范圍內(nèi)，WWS將使最終使用能源降低56.4%，購電人的年度能源成本降低62.7%，社會（購電人加上健康和氣候）年度能源成本降低了

92.0%。140多個國家轉(zhuǎn)型的資本成本凈現(xiàn)值為

61.5

萬億美元，中國地區(qū)的成本

13-14萬億美元[注]。5.5-6年可回收成本。世界平均用電量比BAU增加了85%占用0.36%世界的土地，所創(chuàng)造的工作崗位將比整體失去的工作崗位多

2800

萬個。95%的技術(shù)已經(jīng)成熟。不確定性問題之一是，能否獲得足夠的政策支持。[注]我國現(xiàn)在以煤炭為主的能源形式，其轉(zhuǎn)型的壓力極其巨大，但同時(shí)也是我國抓住第四次產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇！

[6]Low-CosttoGlobalWarming,AirPollution,andEnergyInsecurityfor145CountriesByMarkZ.Jacobson,StanfordUniversity,October25,2021（Energy&EnvironmentalScience

）VI.2.

中國電網(wǎng)靈活性資源—儲能格局的探討儲能類型最大充電功率（GW）最大放電功率（GW）最大儲能量（TWh)最大放電功率下的存儲小時(shí)數(shù)(hr)PHS

=抽水的水電存儲CSP-elec

=太陽能收集器-發(fā)電CSP-PCM=太陽能收集器-相變材料存儲電池水電廠CW-STES

=冷水明