分層集群的新型電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制研究

徐 昊， 錢麗瑩

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司如東縣供電分公司， 江蘇 如東 226400）

0 引言

電力系統(tǒng)在受到干擾后，其穩(wěn)定特性已從傳統(tǒng)機(jī)電模式向機(jī)電－電磁多模式耦合交互影響演化，因此系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制問題備受關(guān)注。傳統(tǒng)的基于發(fā)電側(cè)的電力系統(tǒng)正逐步向以需求側(cè)響應(yīng)為基礎(chǔ)的多能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定控制所面臨的結(jié)構(gòu)性難題越來(lái)越明顯，所以我們迫切需要調(diào)動(dòng)各種資源，深度參與新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制，以滿足其要求。

1 分層集群的新型電力系統(tǒng)的概念及研究問題

在電力和能源的生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)過程中，各種類型的網(wǎng)絡(luò)，如電網(wǎng)、熱網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)等，扮演著不可或缺的角色。這些網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，其中包括電能、熱能以及其他形式的能。因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)所傳遞的能量本質(zhì)上都是能量，但是它們的表現(xiàn)形式各不相同，因此它們被歸為能量網(wǎng)絡(luò)。其中電能作為一種商品被廣泛使用。能量網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)不同類型的子網(wǎng)構(gòu)成，這些子網(wǎng)之間通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備相互連接，形成了一個(gè)復(fù)雜的能量網(wǎng)絡(luò)。因此，可以認(rèn)為能量網(wǎng)絡(luò)就是由各類能源的物質(zhì)載體及其連接方式構(gòu)成的一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系。隨著信息通信技術(shù)（ICT）的迅猛發(fā)展，基于傳統(tǒng)自動(dòng)化、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和“云大物移智鏈”等新興技術(shù)，我們可以構(gòu)建一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和利用設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)控，從而進(jìn)一步提升能源利用效率。這種新型的能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)概念——能源網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)學(xué)。電力和能源商品之間的實(shí)際交易和價(jià)值傳遞形成了一個(gè)復(fù)雜的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)。在此過程中，電力價(jià)格通過能量網(wǎng)絡(luò)反映出來(lái)并影響其市場(chǎng)行為。電力和能源價(jià)格體系的基礎(chǔ)是建立在價(jià)值網(wǎng)絡(luò)之上，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作受到能量網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)律的制約[1]。在此過程中，電力價(jià)格通過能量網(wǎng)絡(luò)反映出來(lái)并影響其市場(chǎng)行為。因此，新型的能源體系和電力系統(tǒng)將形成一個(gè)由三層緊密耦合、相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如表1 所示。

表1 新型電力與能源系統(tǒng)的3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)造形態(tài)將經(jīng)歷翻天覆地的變革。其中以電力線和天然氣管道為主的“大電網(wǎng)”就是典型的能量網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，高容量的發(fā)電機(jī)組通常建在能源豐富的地區(qū)，通過超/特高壓的遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)將其輸送到負(fù)荷中心。因此，當(dāng)大規(guī)模的可再生能源被利用時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)之間將形成復(fù)雜的能量交換關(guān)系，從而對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。隨著低碳、無(wú)碳能源與負(fù)荷的滲透率逐步提升，傳統(tǒng)能源的逐步退出必須建立在新能源安全可靠替代的基礎(chǔ)上，以滿足國(guó)家“雙碳”目標(biāo)和保障能源安全的要求，電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型過程將是一個(gè)先立后破的過程。在此背景下，智能配電網(wǎng)作為一種新興的電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)模式，將成為未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)之一。隨著電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，分布式電源在用戶側(cè)和配電網(wǎng)的利用率將逐步提高，電力企業(yè)和其他市場(chǎng)主體也將參與其中。因此，未來(lái)電力系統(tǒng)必將向多主體協(xié)同參與的模式演變，即通過市場(chǎng)手段配置資源。隨著分布式電源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷等的大規(guī)模接入，配電網(wǎng)的形態(tài)將發(fā)生深刻的變革。這些新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來(lái)了較大沖擊。根據(jù)南方電網(wǎng)公司的《關(guān)于進(jìn)一步支持光伏等新能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，新建新能源項(xiàng)目如太陽(yáng)能、風(fēng)力和海洋能等所產(chǎn)生的電能主要用于自用和就地利用，而多余的電力則被輸送至當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的項(xiàng)目中。

2 分層集群的新型電力系統(tǒng)物理機(jī)理

2.1 分層集群的新型電力系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

隨著大電網(wǎng)的作用逐漸減弱，同步電網(wǎng)規(guī)模逐漸縮小，輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系也從主從依附轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ブ?，從而為用戶提供了安全可靠的電力獲取保障。隨著電力系統(tǒng)發(fā)展水平不斷提高，傳統(tǒng)的以發(fā)電為主的供電模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，需要建立起一種新的能源結(jié)構(gòu)體系來(lái)適應(yīng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求。在輸電網(wǎng)層，電力的自我平衡能力得到了顯著提升，通過靈活的直流和交流方式，形成了一種高度靈活且安全的柔性互聯(lián)格局[2]。

主動(dòng)配電網(wǎng)作為輸電網(wǎng)的支撐與調(diào)節(jié)單元，以分布式電源和用戶為主體，實(shí)現(xiàn)電力就地生產(chǎn)，就地消費(fèi)，從而構(gòu)建具備供需平衡能力的電力交換網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)電力用戶之間的靈活互動(dòng)。主動(dòng)配電網(wǎng)通過智能控制提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少電能損耗和污染排放。實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電的經(jīng)濟(jì)高效集成和利用，需要協(xié)調(diào)發(fā)展交流配電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)和交直流混合配電網(wǎng)，以滿足多樣化的形態(tài)需求。隨著智能電網(wǎng)概念的提出以及智能微電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)智能電網(wǎng)將成為一個(gè)開放互聯(lián)的復(fù)雜巨系統(tǒng)。通過建立以電力為核心的多種能源耦合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化管理和靈活互濟(jì)，從而提高能源利用效率。

2.2 分層集群的新型電力系統(tǒng)逐級(jí)聚合

在未來(lái)的新型電力系統(tǒng)中，由于電氣相鄰、通信便利、利益共享等多種因素的自發(fā)作用，同一層級(jí)的分布式資源將形成一個(gè)由多個(gè)聚合商運(yùn)營(yíng)的資源集群，這些資源集群具有獨(dú)特的能量管理系統(tǒng)（EMS）和與外界交換功率的能力，旨在實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)電力電量的自我平衡。主動(dòng)配電網(wǎng)通過智能控制與信息交互，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。如圖1 所示，同一級(jí)別的多個(gè)集群可以進(jìn)一步聚合，形成更高級(jí)別的集群，最終形成一個(gè)完整的大電網(wǎng)。這種新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低損耗，但同時(shí)帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大后對(duì)調(diào)度自動(dòng)化要求更高、對(duì)調(diào)控人員綜合素質(zhì)提出了更為嚴(yán)格的要求等問題。由于資源集群內(nèi)分布式電源、儲(chǔ)能及可調(diào)負(fù)荷等設(shè)備的容量較小，種類繁多，參數(shù)各異，且點(diǎn)多面廣，因此難以直接參與電網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)，由于這些設(shè)備是獨(dú)立于其他電力設(shè)備之外的孤立系統(tǒng)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效管理。因此，通過運(yùn)用先進(jìn)的信息通信、調(diào)度控制和市場(chǎng)交易手段，各集群匯聚了大量分布式資源，作為整體參與電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，同時(shí)也能夠參與電力市場(chǎng)電能量交易以及調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用和阻塞消除等輔助服務(wù)交易[3]。

圖1 分層集群的新型電力系統(tǒng)逐級(jí)聚合

3 分層集群的新型電力系統(tǒng)運(yùn)行控制

3.1 分層集群的新型電力系統(tǒng)分布式感知

為了實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)資源共享，新型電力系統(tǒng)的不同集群之間必須采用直接交換信息的通信方式，這與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的集中調(diào)度有所不同。由于分布式電源接入電網(wǎng)后使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，因此需要研究新的功率控制策略來(lái)應(yīng)對(duì)這種變化。為了全面掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，傳統(tǒng)方法采用集中式信號(hào)處理方式，即在收集所有傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)后，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中估計(jì)。集中式數(shù)據(jù)處理方式可以有效降低計(jì)算成本，提高計(jì)算效率。在大規(guī)模新型系統(tǒng)中采用集中式信號(hào)處理時(shí)，能量管理系統(tǒng)將面臨著來(lái)自海量信號(hào)接收和異質(zhì)靈活性資源出力計(jì)劃求解的挑戰(zhàn)，這將導(dǎo)致其在中心式算法安全性和魯棒性、節(jié)點(diǎn)通信能力等方面存在不足。集中式信號(hào)處理需要進(jìn)行大量的集中處理工作，且無(wú)法滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求。分布式信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的估計(jì)/檢測(cè)，通過不同區(qū)域內(nèi)的分布式估計(jì)器相互協(xié)作，無(wú)需協(xié)調(diào)中心即可完成整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)。因此，基于分布式處理技術(shù)可將大型復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化配置到多個(gè)獨(dú)立處理單元上進(jìn)行并行運(yùn)算以提高整體性能。分散式信號(hào)處理呈現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性，節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)，更高的保密性，以及更均勻地計(jì)算和通信負(fù)擔(dān)分配，相較于集中式信號(hào)處理，更適用于大規(guī)模系統(tǒng)。

隨著PMU 技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于該技術(shù)的WAMS 測(cè)量系統(tǒng)已逐漸顯現(xiàn)出其優(yōu)越性，但隨之而來(lái)的是處理海量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由設(shè)備故障等原因?qū)е碌牧繙y(cè)異常會(huì)造成較大誤差甚至是災(zāi)難性的后果。WAMS 所基于的狀態(tài)估計(jì)可分為集中式和分布式兩種，然而集中式模式在實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴(kuò)展性方面存在不足。因此，如何提高狀態(tài)估計(jì)的性能成了目前研究熱點(diǎn)之一。DSE，一種分布式狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，能夠有效避免集中式處理海量數(shù)據(jù)的繁瑣過程，從而實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度、更小的通信成本，以及更高的可靠性和可擴(kuò)展性。

3.2 分層集群的新型電力系統(tǒng)協(xié)同控制

實(shí)現(xiàn)分層集群的新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要克服許多復(fù)雜的技術(shù)難題和復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于分布式電源接入電網(wǎng)后使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，因此需要研究新的功率控制策略來(lái)應(yīng)對(duì)這種變化。未來(lái)的電力系統(tǒng)將是一個(gè)集成多種不同資源的系統(tǒng)，其中包括傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)、新能源機(jī)組、高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）、微電網(wǎng)、儲(chǔ)能和負(fù)荷等。由于大規(guī)模風(fēng)電和光伏發(fā)電的快速并網(wǎng)以及大量電動(dòng)汽車充電樁的出現(xiàn)，使得現(xiàn)有電網(wǎng)面臨著越來(lái)越大的安全穩(wěn)定壓力。應(yīng)對(duì)高比例可再生能源接入所帶來(lái)的穩(wěn)定性問題，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)組輸出來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量偏差的方法已顯得力不從心。因此，如何在保證穩(wěn)定運(yùn)行前提下提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)能源高效利用，已經(jīng)成為研究人員面臨的一大挑戰(zhàn)[4]。隨著電力電子設(shè)備與海量風(fēng)、光等新能源機(jī)組的融合，高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備（即“雙高”）已成為新型電力系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)和關(guān)鍵特征，對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，導(dǎo)致了新的穩(wěn)定性問題，例如電力電子設(shè)備之間以及與電網(wǎng)之間相互作用引起的寬頻帶振蕩。

近年來(lái)，電力（能源）系統(tǒng)優(yōu)化與控制領(lǐng)域廣泛采用“協(xié)同優(yōu)化”和“協(xié)同控制”理念，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行和優(yōu)化。由于電力系統(tǒng)存在非線性特性及不確定性等因素，傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法難以有效求解這類問題。作為一種典型的協(xié)同優(yōu)化方法，協(xié)同進(jìn)化方法將新型電力系統(tǒng)分解為相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)或多個(gè)資源集群，并建立了基于關(guān)聯(lián)參數(shù)的協(xié)調(diào)項(xiàng)，以確保整體收斂。該技術(shù)通過引入新的控制結(jié)構(gòu)和算法框架，克服了傳統(tǒng)進(jìn)化方法難以處理高維非線性問題的缺點(diǎn)。協(xié)同進(jìn)化方法因其卓越的復(fù)雜嵌套系統(tǒng)解耦能力，能夠高效地優(yōu)化包含大量變量的系統(tǒng)，同時(shí)也表現(xiàn)出對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度適應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到分層集群的新型電力系統(tǒng)協(xié)同控制問題的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，必須克服一系列復(fù)雜的技術(shù)難題和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。電力電子化已成為未來(lái)新型電力系統(tǒng)的必然趨勢(shì)，而“源一網(wǎng)－荷－儲(chǔ)”設(shè)備的智能化和數(shù)字化則為它們提供了更積極地參與系統(tǒng)運(yùn)行和控制的機(jī)會(huì)，因此，采用集群智能和協(xié)同控制理論和方法是解決這一問題的最佳選擇。