分層集群的新型電力系統(tǒng)運行與控制
陳皓勇，譚碧飛，伍亮，林鎮(zhèn)佳，楊蘋，李立浧
（華南理工大學電力學院；華南理工大學廣東省綠色能源技術重點實驗室）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.213324
1 研究背景
新型電力系統(tǒng)的發(fā)展必將導致電力系統(tǒng)形態(tài)的重大調整。隨著可再生能源滲透率的不斷提升、電力電子設備的廣泛應用，未來電力系統(tǒng)容納的電源與負荷種類將不斷攀升，運行與控制的復雜度也將急劇升高。電力系統(tǒng)穩(wěn)定（特別是頻率穩(wěn)定）控制的結構性困境日趨明顯，迫切需要調動各種資源按照新型電力系統(tǒng)的要求深度參與其運行與控制。
2 論文所解決的問題及意義
描述了將大規(guī)模電力系統(tǒng)劃分為多層級的含分布式資源集群的小規(guī)模電力系統(tǒng)的新形態(tài)。各個資源集群皆具有電力供給、消納及功率交換的能力，并盡量實現(xiàn)集群內的發(fā)用功率平衡和和自治優(yōu)化運行。其次，提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的3層網絡（能量網絡、信息網絡、價值網絡）架構及整體研究思路。在能量網絡層面，提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的技術特征和形態(tài)結構，并介紹了我國當前的相關政策支持；在信息網絡層面，在介紹了新型電力系統(tǒng)分布式感知和信息融合問題后，重點探討了集群智能與協(xié)同控制理論、技術在新型電力系統(tǒng)（特別是頻率控制）中的應用；在價值網絡層面，介紹了分布式資源端對端交易、虛擬電廠等新型交易機制和商業(yè)模式等。最后，從復雜系理論和多學科交叉研究的角度探討了新型電力系統(tǒng)的前沿研究方向。
3 論文重點內容
1）總體分層網絡結構
在新型電力系統(tǒng)中，風、光等可再生清潔能源將處處存在，意味著電源將遍布于整個電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)形態(tài)結構將發(fā)生重大變化。余貽鑫院士等提出分層分群電網體系結構，即“將系統(tǒng)分解為群集（clusters）的層次結構和全局協(xié)調”和“每個集群（cluster）都保持自己的凈功率平衡和局部自優(yōu)化”。為清晰起見，本文將具有這種結構特征的電力系統(tǒng)稱為“分層集群的新型電力系統(tǒng)”，并進一步探討其運行與控制問題。分層集群的新型電力系統(tǒng)也呈現(xiàn)出如圖1所示的3層網絡架構并與其他能源系統(tǒng)緊密相連。
圖1 新型電力與能源系統(tǒng)的3層網絡結構
相應的，分層集群的新型電力系統(tǒng)的運行與控制問題可以分為物理機理（“能量網絡”層面）、運行控制（“信息網絡”層面）和市場機制（“價值網絡”層面）3個層面的問題，是典型的多學科交叉問題。
2）分層集群的新型電力系統(tǒng)物理機理（“能量網絡”層面）
在能量網絡層面，需根據(jù)各層級源、荷、儲的分布，研究新型電力系統(tǒng)中區(qū)域集群的聚合方式，并分析新型電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，為分層集群的新型電力系統(tǒng)運行與控制奠定基礎。在信息網絡層面，需研究新型電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和調控能力的在線監(jiān)測理論與方法，并攻克含電源側、電網側與負荷側多種資源的高動態(tài)、高維度、多智能主體、分布式協(xié)同控制的難題，以充分調動各資源合理、自主、協(xié)同、智能地參與系統(tǒng)運行控制。在價值網絡層面，需深入研究多種靈活性資源和新型輔助服務的定價理論、交易機制和商業(yè)模式，為各類資源自主參與系統(tǒng)運行控制提供公平合理的激勵機制和制度保障。
圖2 分層集群的新型電力系統(tǒng)研究問題
在未來新型電力系統(tǒng)中，同一層級的分布式資源由于電氣相鄰、通信便利、利益共享等因素自發(fā)地形成由網絡結構與地理距離劃分的、由若干聚合商運營的資源集群，各個資源集群都具備自己的能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）以及和外界交換功率的能力，并力圖實現(xiàn)集群內電力電量的自平衡。
圖3 分層集群的新型電力系統(tǒng)逐級聚合
同一層級的多個集群能進一步聚合為更高層級的集群，直至形成完整大電網。資源集群內分布式電源、儲能及可調負荷等設備具有容量小、種類多、參數(shù)各異、點多面廣等特點，難以直接參與電網運行。因此，各集群通過先進的信息通信、調度控制及市場交易手段聚合大量分布式資源，作為整體參與電網調度運行，也可參與電力市場電能量交易和調峰、調頻、調壓、備用、阻塞消除等輔助服務交易。為充分發(fā)揮分布式資源的價值，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的靈活高效運行，需要進行分布式資源的分層分區(qū)動態(tài)聚合。
3）分層集群的新型電力系統(tǒng)運行控制（“信息網絡”層面）
新型電力系統(tǒng)是信息網絡與物理網絡高度融合的信息物理系統(tǒng)，智能終端需要采集的數(shù)據(jù)變得更加多元化、小型化，數(shù)據(jù)數(shù)量更為龐大。隨著智能傳感技術和電源管理單元（power management unit，PMU）、廣域測量系統(tǒng)（wide area measurement system，WAMS）等的快速發(fā)展，將獲取到反映大規(guī)模、復雜、高維的新型電力系統(tǒng)實時動態(tài)的海量數(shù)據(jù)集。
圖4 分層集群的新型電力系統(tǒng)協(xié)同控制框架
4）分層集群的新型電力系統(tǒng)市場機制（“價值網絡”層面）
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由大型集中式電廠生產電能并經由多級升壓和降壓的輸配電網到達電力用戶，相應的集中式電力市場機制也形成電能商品從發(fā)電側批發(fā)市場經大電網至用電側零售市場的產供銷體系。而在分層集群的新型電力系統(tǒng)中分布式電源處處存在，不同層級集群的聚合商們也將參與到面向電力批發(fā)市場或本地電力零售市場的電能交易，并且出現(xiàn)“產銷者”（Prosumer，即電力生產者同時也是電力消費者）的新角色。包括分布式發(fā)電、儲能和柔性負荷在內的分布式資源一方面將削弱大型發(fā)電企業(yè)對電能供應的壟斷地位、提供靈活調節(jié)資源，另一方面所引發(fā)的復雜時變潮流也將給不同層級電網的規(guī)劃、運行和保護帶來新的挑戰(zhàn)，并且催生全新的交易機制和商業(yè)模式。
4 結論
1）本文提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的3層網絡（能量網絡、信息網絡、價值網絡）架構及整體研究思路。在能量網絡層面，提出了分層集群的新型電力系統(tǒng)的技術特征和形態(tài)結構，并介紹了我國當前的相關政策支持。在信息網絡層面，在介紹了新型電力系統(tǒng)分布式感知和信息融合問題后，重點探討了集群智能與協(xié)同控制理論、技術在新型電力系統(tǒng)（特別是頻率控制）中的應用。在價值網絡層面，介紹了分布式資源端對端交易、虛擬電廠等新型交易機制和商業(yè)模式。
2）未來新型電力系統(tǒng)的電力電子化已成為必然趨勢，“源-網-荷-儲”設備的智能化、數(shù)字化也使它們能夠更加主動地參與系統(tǒng)的運行和控制，適合采用集群智能和協(xié)同控制理論和方法來解決。集群智能和協(xié)同控制充分融合人工智能、系統(tǒng)工程、協(xié)同控制、指揮與控制、導航制導與控制、通信與探測等多個學科的理論與技術，其理論與方法可相互借鑒，并且在新型電力系統(tǒng)的構建中具有廣闊的應用前景，值得關注和深入研究。
3）新型電力系統(tǒng)及與之耦合的能源系統(tǒng)是1個大規(guī)模、隨機性、混雜性、分布式、網絡化的復雜系統(tǒng)。其建模、分析、優(yōu)化與控制是1個典型的多學科交叉問題，涉及電力系統(tǒng)、電力電子、熱能動力、優(yōu)化與控制、信息與通信、經濟管理、人工智能等不同學科，并對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)。需要在新型電力系統(tǒng)基礎理論與方法方面開展“從 0 到 1”的原始創(chuàng)新，并且緊密結合工程應用開展研究。
