2024分層分群的電網體系結構與儲能市場格局

分層分群的電網體系結構與儲能市場格局鑒于未來電網的超復雜性(Extreme

complexity)，電網體系結構(grid

architecture)的研究至關重要。它是整個grid的最頂層的描述(模型)。需要，體系結構優(yōu)先?；ヂ?lián)（輸電）系統(tǒng)的體系結構電網分層分群體系結構分層分群電網體系的科學性100%風-水-光能源轉型場景下儲能市場格局之探討報告內容I. 互聯(lián)（輸電）系統(tǒng)的體系結構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：① 進行發(fā)電/負荷調度(Dispatch)；② 當地的反饋控制，用于平滑波動；③ 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)內發(fā)電的調節(jié)（Dispatch）需要隨時吸收其內部負荷的變化（簡稱凈功率平衡），即使發(fā)生大的擾動也要自行解決，并且進行自優(yōu)化；平衡區(qū)之間聯(lián)絡線上的功率均按功率交換計劃（

on

schedule）工作。為了電網的安全運行，相對于受端系統(tǒng)總容量該計劃值不能太大；為保證BA（包括機組啟停的約束）的經濟運行，該功率值要相對平穩(wěn)（每天的數值應穩(wěn)定在少數幾個功率水平上）。天中特高壓直流典型日運行曲線（2017年）II.

電網分層分群體系結構[注1]

分布式發(fā)電、用能電氣化和靈活負荷的充分利用是電力的未來，也是能源的未來。電網的變化已經日益偏離20世紀電網發(fā)展所依據的基本原理和假設。如果不指出這些，會對電網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、新技術的涌現、以及從大規(guī)模的中央經濟到網絡經濟的改變。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

電網體系結構改變的原動力[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（GRIP）的構想

——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)內的能量管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，EMS）覆蓋了數百個發(fā)電機和變電站，數十年來在管理和控制電力系統(tǒng)以確保其經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)，并擴展到未來網絡中成千上萬的生產型消費者，將導致效率低下，是不明智和站不住腳的。文獻[2]提出如下的設想：未來的配電網、微網、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A配電網M微電網A微電網N建筑單元A建筑單元O建筑物群集（Clusters）微網群集配電網群集區(qū)域輸電系統(tǒng)群集電網分層分群（群集嵌套）體系結構（或稱集群的自然層次結構）示意圖（配電網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-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)域性輸電網是若干個配電網互聯(lián)起來的群集；每個配電網是若干個微網、建筑單元組成的群集；每個微網又可以是由若干個建筑單元互聯(lián)起來的群集。[注2]

網絡的基本單位——集群（Cluster）和

群集（Clusters）。II.2

帶有智能外圍的智能電網（GRIP）的構想

——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)總容量不能太大；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）經濟運行，該功率值要相對平穩(wěn)。?每個群都有：① 發(fā)電和或負荷；② 智能控制（CEMS）和通信。?每個群也包括如下三個基本功能：① 進行發(fā)電/負荷調度(Dispatch)；② 當地的反饋控制，用于平滑波動；③ 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)調工作：①

群內發(fā)電的調節(jié)（Dispatch），需要隨時吸收其內部負荷的變化（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)進行自優(yōu)化（selfish

optimization)；②

從電網的總體利益出發(fā)，各群之間進行協(xié)

調

產

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。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（GRIP）的構想——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（GRIP）的構想

——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)或大電網上的大多數節(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[注]。（進而）多種規(guī)模的經濟高效的儲能（它是功率對時間的積分）的到來，改變了電網瞬時功率平衡的模式，這也需要對配電系統(tǒng)及其運行進行變革。[注]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)點和充當供應節(jié)點之間切換運行方式。III.

分層分群電網體系的科學性為使Grid體系結構的規(guī)范或開發(fā)具有嚴謹性，盡可能地使用數學的方法，和新的方法學(如互聯(lián)網和·物聯(lián)網）亦即，上述分層分群的電網體系結構是有數學基礎的。本質上，所有群協(xié)作解決一個常見的優(yōu)化問題，定會產生必要的協(xié)調信號。

在局部，每個群都可以使用協(xié)調框架內的本地目標和約束來執(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

電網分層分群體系結構的數學基礎依據[3]的網絡體系結構數學理論“Layering

as

Optimization

Decomposition”，

文獻[4]通過對多種規(guī)模高比例DER電網的研究，確認對于分層分群的電網體系結構能滿足邊界約束、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)調內部的局部優(yōu)化電網被認為是上世紀最偉大的發(fā)明,而互聯(lián)網是這個世紀最偉大的創(chuàng)新?；ヂ?lián)網是智能的，可以輕松地適應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，我們希望電網能像互聯(lián)網一樣智能化[5]。研究已表明：III.2

未來的電網像互聯(lián)網一樣智能[5]YanliLIU，YixinYU，FelixF.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

數據流路徑示意:

(a)協(xié)議棧中（b）互聯(lián)網絡結構中ABTransport

Layer(a)(b)Global

InternetNSP

BackboneISP

BackboneLANANAPNSPISPCDB（1）互聯(lián)網之所以智能，是因為:（a)協(xié)議棧的分層結構明確了分工，適合于技術創(chuàng)新；而(b)多層的分群方式構造的（子）網絡組成則使責任分擔成為可能。其智能分布在整個網絡層次結構中。N)局域網(LA本地互聯(lián)網提供商(ISP)骨干網互聯(lián)網全球網絡服務提供商（NSP）骨干網MarketLayerSchedulingLayerBalancing

LayerBalancing

LayerSchedulingLayerBalancing

LayerMarketLayerSchedulingLayerBalancing

LayerA C D B圖10

集群的分層體系結構中由A到B輸送功率（a）

CEMS的分層結構中（b)電氣網絡結構中（

2

）

具有分層分群體系結構（如GRIP）的電網，

因為（

a)CEMS

的分層結構明確了分工，適合于技術創(chuàng)新；而(b)多層的分群方式構造的（子）網絡組成則使責任分擔成為可能。具有Internet

一樣結構特點和運行范式，從而也像Internet一樣智能。III.3

結論具有分層分群體系結構（如GRIP【2】）的電網像Internet一樣智能【5】，并且具有數學基礎【3，4】

，特別適合將來的電網的需要：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的運營將掌握在當地利益相關者的手中，他們對資源的預測，計劃（schedule）和控制有更好的了解。為生產型消費者（prosumers）賦權：生產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。與外圍設備的責任分擔：在新的數字化時代，外圍設備的智能和能力與電網運營商在管理其子電網方面相似，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行將防止生產型消費者的“逃離”電網。快速適應技術創(chuàng)新：GRIP的分層體系結構使整合創(chuàng)新技術變得容易。增強韌性（Resiliency）和抵御不斷增加的賽博攻擊(Cyber-attack)。BA理念可把DERs的使用同來自電網的各種壓力解耦，并提供一種可以更具體地應用DER提升大容量系統(tǒng)韌性（且不降低配電的可靠性）的結構。在該結構下，大電網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。IV.

100%風-水-光能源轉型場景下儲能市場格局之探討IV.1.

100%風-水-光能源轉型場景斯坦福大學馬克·雅各布森（Mark

Jacobson）團隊最近發(fā)表了一篇200頁的論文，其結論是：從BAU（business-as-usual）能源完全過渡到清潔的可再生的風-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年將達到100%。在全球范圍內，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多個國家轉型的資本成本凈現值為

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%的技術已經成熟。不確定性問題之一是，能否獲得足夠的政策支持。[注]我國現在以煤炭為主的能源形式，其轉型的壓力極其巨大，但同時也是我國抓住第四次產業(yè)革命的機遇！

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

）VI.2.

中國電網靈活性資源—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數(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