中國儲能網(wǎng)訊：構(gòu)建“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟高效、供需協(xié)同、靈活智能”的新型電力系統(tǒng)是保障國家能源安全，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的重要舉措。隨著新能源占比的不斷提高，新型電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)將由確定可控的常規(guī)電源裝機占主導(dǎo)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺姴淮_定性、弱可控性的新能源裝機占主導(dǎo)，現(xiàn)有電力系統(tǒng)平衡模式、調(diào)控技術(shù)將難以支撐新型電力系統(tǒng)的電力電量平衡。本文的電力電量平衡可分為電力平衡和電量平衡，電力平衡是指電力負荷與電源發(fā)電、電網(wǎng)受電之間的瞬時有功平衡；電量平衡是指電力負荷與電源發(fā)電、電網(wǎng)受電之間一定時間范圍內(nèi)對有功積分的電能量平衡。
與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，新型電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)將發(fā)生較大變化，電力系統(tǒng)的平衡理論、平衡模式將發(fā)生深刻變革。電力系統(tǒng)供需兩側(cè)以及調(diào)節(jié)資源均呈現(xiàn)高度不確定性，系統(tǒng)平衡機制由“確定性發(fā)電跟蹤不確定負荷”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安淮_定發(fā)電與不確定負荷雙向匹配”。新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的基本思路和分析框架成為研究熱點，部分專家認為新型電力系統(tǒng)具有自平衡、自相似、自組織的性質(zhì)，在能量網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、價值網(wǎng)絡(luò)等層面分層群集地運行，提出了“源網(wǎng)荷儲碳數(shù)”六要素協(xié)同發(fā)展的模式。已有大量研究開展2020~2060年多時間斷面的電力電量平衡分析，展望了支撐智能電網(wǎng)電力電量平衡的關(guān)鍵技術(shù)，全面闡述了智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)迫切需要進一步研究的技術(shù)問題。新型電力系統(tǒng)是在能源電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上持續(xù)演進的過程，需要持續(xù)推進對電力電量平衡的認知。
新型電力系統(tǒng)需要充分挖掘各類可調(diào)節(jié)資源潛力，精準(zhǔn)做好電力負荷管理，開展源網(wǎng)荷儲協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，提升源網(wǎng)荷儲互動水平。多種資源協(xié)同互動屬于高動態(tài)、高維度、多智能主體、分布式協(xié)同控制難題，需要建立能夠應(yīng)對海量資源的數(shù)據(jù)-物理融合模型，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的仿真體系，按時間尺度逐層分解、遞進優(yōu)化開展電力電量平衡分析，文獻提出了風(fēng)火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前-日內(nèi)兩階段協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法，文獻給出了需求響應(yīng)參與電力平衡的基本方法。應(yīng)充分發(fā)揮智能配電網(wǎng)的平臺作用，探索分布式電源、儲能設(shè)備及可控負荷等靈活資源的分層分區(qū)平衡模式，科學(xué)分配各方參與主體的效益。針對新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲協(xié)同運行的研究方興未艾，需要多措并舉促進海量靈活資源的高效互動運行。
新型電力系統(tǒng)需要發(fā)揮電網(wǎng)平臺作用，增強跨省區(qū)互濟能力，在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)籌電力電量平衡，實現(xiàn)資源大范圍優(yōu)化配置。隨著可再生能源的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力與平衡調(diào)節(jié)需求此消彼長，省級、區(qū)域級的電力過剩/短缺時有發(fā)生，現(xiàn)有調(diào)控方式難以滿足極端場景下區(qū)域電網(wǎng)的“保供應(yīng)、促消納”需求。學(xué)者們就如何充分發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)的余缺互濟能力開展了深入的研究，設(shè)計了基于激勵相容原理的國-網(wǎng)-省協(xié)調(diào)模式，構(gòu)建了計及調(diào)減外送電、增加外購電和可中斷負荷等多種措施的平衡優(yōu)化模型，提出了省間調(diào)峰互濟交易機制。為了充分消納集中式與分布式的可再生能源，還需要建立輸網(wǎng)-配網(wǎng)、配網(wǎng)-微網(wǎng)等分層分布式多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系。特高壓電網(wǎng)的逐步建成為跨區(qū)跨省電力電量交換奠定了基礎(chǔ)，還需從技術(shù)、策略、制度等角度充分挖掘全網(wǎng)統(tǒng)籌平衡的潛在效益。
電力市場化改革及綜合能源建設(shè)將對新型電力系統(tǒng)電力電量平衡產(chǎn)生重大影響。我國電力市場的發(fā)展起步較晚，當(dāng)前正處于計劃向市場的轉(zhuǎn)型期、可再生能源快速發(fā)展的關(guān)鍵期、新型主體大量入市的變革期“三期疊加”的階段，一方面，可以借鑒國外的電力市場運行經(jīng)驗，另一方面，電力市場理論和制度需要自主創(chuàng)新以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。新能源出力的不確定性，使得電力交易的偏差控制、中長期交易電量的合理分解成為研究熱點。隨著新能源占比的不斷提升，供熱、供冷、供氣等多種能源系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)運行，也是應(yīng)對新能源出力波動性的重要措施。文獻打破不同能源系統(tǒng)邊界，構(gòu)建了考慮碳排放外部成本的規(guī)劃模型，創(chuàng)新性地提出了電-氫協(xié)同路徑和電-氫-碳協(xié)同路徑。國內(nèi)外現(xiàn)有的市場理論方法及體系難以滿足我國電力市場建設(shè)需求，亟須在政策、機制等方面實現(xiàn)創(chuàng)新性突破。
綜上所述，未來新型電力系統(tǒng)的平衡內(nèi)涵與機制將發(fā)生深刻變化，傳統(tǒng)“網(wǎng)間關(guān)口確定、網(wǎng)內(nèi)源隨荷動”的平衡模式不再適用，需重構(gòu)綜合平衡模式，充分挖掘源荷兩端的靈活性潛力，提出適應(yīng)新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的運行控制技術(shù)，現(xiàn)有文獻尚未針對上述問題開展系統(tǒng)性研究。本文首先結(jié)合電力系統(tǒng)近期面臨的平衡問題，從電源側(cè)、負荷側(cè)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、全網(wǎng)互濟等角度分析新型電力系統(tǒng)電力電量平衡面臨的挑戰(zhàn)；然后，重點介紹了支撐新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的關(guān)鍵技術(shù)，包括全網(wǎng)統(tǒng)籌-分布自治的協(xié)同平衡模式、考慮一次能源供給的發(fā)電能力量化評估技術(shù)、負荷側(cè)資源精準(zhǔn)預(yù)測及調(diào)節(jié)能力量化評估技術(shù)、互聯(lián)大電網(wǎng)協(xié)同平衡優(yōu)化技術(shù)、多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策技術(shù)、多場景平衡決策及控制技術(shù)。最后，針對新型電力系統(tǒng)平衡技術(shù)的發(fā)展進行了展望。
近年來電力電量平衡中出現(xiàn)的問題
當(dāng)前，我國電力電量平衡仍然以火電、水電等常規(guī)可控電源為主體，通過系統(tǒng)發(fā)電能力高于系統(tǒng)負荷并預(yù)留一定的調(diào)節(jié)裕度以保障平衡需求。隨著可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展、電能需求的持續(xù)增長以及傳統(tǒng)火電機組占比的不斷縮減，電力電量平衡將面臨較大壓力。受極端因素影響，局部地區(qū)已出現(xiàn)了供應(yīng)緊張和消納困難的問題。
（一）一次能源供應(yīng)不足引發(fā)電力供需失衡
2021年7~10月，因電煤供應(yīng)緊張以及煤價高企導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)發(fā)電意愿下降，東北地區(qū)因發(fā)電能力不足產(chǎn)生的供電緊張問題逐步顯現(xiàn)，特別是在當(dāng)年9月23日至25日，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的供應(yīng)缺口，為保障電力系統(tǒng)安全運行，被迫采取了負荷管理措施。
2022年夏季，四川地區(qū)出現(xiàn)極端高溫干旱災(zāi)害天氣，氣溫創(chuàng)60年來的最高記錄，7~8月大渡河、岷江等主要流域來水相較多年歷史均值下降40%以上，導(dǎo)致主要靠水力發(fā)電的四川省水電發(fā)電能力大幅下降。同時，用電需求激增，致使電力供應(yīng)持續(xù)處于緊張狀態(tài)。8月14日至20日采取了高載能企業(yè)錯峰讓電于民生的措施。
（二）極端場景給電力電量平衡帶來困難
2020～2021年迎峰度冬期間，湖南出現(xiàn)極寒天氣，全省比往年提早一個月入冬，全省平均氣溫比歷史同期低3℃以上，居民取暖負荷快速攀升，用電負荷尖峰特性明顯，風(fēng)電機組受冰凍影響無法發(fā)電，疊加水庫水位偏低、電煤供應(yīng)不足等因素，全省出現(xiàn)300~400萬kW的供電缺口，為保障電網(wǎng)安全運行，12月8日被迫啟動緊急調(diào)控方案。
（三）新能源大發(fā)期或短時大幅波動因系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足導(dǎo)致消納困難
實現(xiàn)新能源的充分消納，需要系統(tǒng)具有充足的調(diào)節(jié)能力。但是，受能源資源稟賦和電力工業(yè)歷史發(fā)展的影響，我國現(xiàn)階段主要依靠燃煤機組提供調(diào)節(jié)容量，系統(tǒng)調(diào)峰及短時快速調(diào)節(jié)能力不足。根據(jù)全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心發(fā)布的《2022年12月全國新能源并網(wǎng)消納情況》，全國2022年風(fēng)電、光伏的利用率分別為96.8%、98.3%；棄風(fēng)最嚴(yán)重的地區(qū)為蒙東，風(fēng)電利用率僅有90%，其次為青海、蒙西、甘肅，風(fēng)電利用率均低于95%；棄光最嚴(yán)重的省份為西藏，光伏利用率僅有80%，其次為青海，光伏利用率為91.1%。
新型電力系統(tǒng)電力平衡面臨的挑戰(zhàn)
當(dāng)前，我國已經(jīng)出現(xiàn)極端場景下電力供需失衡、新能源大發(fā)期消納困難等平衡問題。隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深入推進，煤電、水電等可控電源占比逐步降低，新能源占比日益增大，如圖1所示。源荷雙側(cè)呈現(xiàn)強不確定性，極端場景多發(fā)頻發(fā)，平衡決策的時間緊迫性，使得電力平衡將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
圖1 未來各時間斷面的電源構(gòu)成
（一）電源出力不確定性增加
我國電源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“間歇性電源容量大，調(diào)峰頂峰容量相對不足”的特點。根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2023年12月底，全國風(fēng)光新能源裝機10.5億千瓦，占總裝機的比重達到36%。新能源短周期（小時級、日度）發(fā)電量、即時發(fā)電功率具有強隨機性和波動性，對電力平衡的支撐能力相對較弱。以西北電網(wǎng)為例，根據(jù)實際量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在“極寒無光”、“極熱無風(fēng)”等極端場景下，新能源最小瞬時出力水平僅在1%左右，如圖2所示。但新能源的長周期電量（月度、季度）具有一定的穩(wěn)定性，西北電網(wǎng)各月發(fā)電利用小時數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為10小時左右（為排除裝機增長因素，計算利用小時數(shù)而非電量），占各月發(fā)電利用小時數(shù)的比重為5%左右，如圖3所示。
圖2 西北電網(wǎng)新能源最小瞬時出力水平
圖3 西北電網(wǎng)新能源月發(fā)電利用小時數(shù)
“雙碳”目標(biāo)下，煤電、氣電等常規(guī)化石能源電源由主力電源轉(zhuǎn)為保障性和靈活性調(diào)節(jié)資源，裝機占比總體呈現(xiàn)下降趨勢。且燃料供應(yīng)、供熱需求對煤電、天然氣發(fā)電能力具有顯著影響。同時，電煤質(zhì)量下降可能造成機組頂峰發(fā)電能力降低，而取暖季以熱定電會造成機組可調(diào)范圍縮小。另一占比較大的水力發(fā)電，其發(fā)電能力主要取決于來水量，近年來受極端天氣影響，“汛期反枯”、“澇旱急轉(zhuǎn)”等情況頻繁發(fā)生，給來水預(yù)測帶來較大挑戰(zhàn)。實際運行情況表明，常規(guī)電源的發(fā)電能力同樣呈現(xiàn)出一定的不確定性。
（二）負荷側(cè)不確定性增加
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)推進，新型用電模式不斷涌現(xiàn)，其他行業(yè)化石能源消費向電力消費轉(zhuǎn)移，需求總量將持續(xù)剛性增長。同時，分布式光伏、風(fēng)電等電源在負荷側(cè)大量接入，使得負荷側(cè)特性產(chǎn)生了較大變化。
負荷側(cè)有源特征明顯，不確定性增加。隨著分布式新能源滲透率的提高，新能源發(fā)電的隨機性特征直接導(dǎo)致相關(guān)母線負荷的不確定性增加，甚至系統(tǒng)負荷的不確定性也隨之增加，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。
負荷尖峰化特征愈發(fā)突出。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，第三產(chǎn)業(yè)和居民用電量占比將進一步上升，此類負荷受氣候、節(jié)假日和生活習(xí)慣等影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)尖峰負荷的規(guī)模持續(xù)上升。江蘇、浙江等部分省份尖峰負荷均超過1億千瓦，且持續(xù)時間短、出現(xiàn)頻次低等特征愈發(fā)明顯。此外，隨著光伏裝機容量的上升，尖峰負荷時域分布也發(fā)生變化，凈負荷呈現(xiàn)“鴨子曲線”特征和早晚雙尖峰現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。
（三）系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)能力不足
我國電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力主要由煤電、氣電、抽蓄、具備調(diào)節(jié)水庫的水電等機組提供，運行安排時需要分地區(qū)、分時段綜合考慮各類電源啟停限制、調(diào)節(jié)速度、出力范圍等影響因素。以煤電機組為例，純凝機組調(diào)節(jié)能力一般為50%額定容量，供熱機組調(diào)節(jié)能力一般為20%~30%額定容量，靈活性改造一般可提升機組額定容量20%的調(diào)節(jié)能力，煤電機組爬坡速率為每分鐘1.5%額定容量。而系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求主要來自負荷、新能源發(fā)電和聯(lián)絡(luò)線功率波動，其中負荷的典型峰谷差一般為30%~40%，新能源發(fā)電存在分鐘級、小時級等不同時間尺度的波動性，其日波動幅度可達到裝機容量的80%。
當(dāng)前，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以滿足調(diào)節(jié)需求的現(xiàn)象已逐漸顯現(xiàn)。以西北電網(wǎng)2023年3月某日的實際量測數(shù)據(jù)為例，系統(tǒng)日調(diào)節(jié)能力約5400萬千瓦，15min爬坡能力726萬千瓦、滑坡能力1362萬千瓦；而等效調(diào)節(jié)需求約6505萬千瓦，15min系統(tǒng)爬坡需求860萬千瓦、滑坡需求600萬千瓦。由于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)空間不能滿足新能源的消納需求，導(dǎo)致新能源消納困難，當(dāng)日新能源的利用率僅為92.5%。
（四）大范圍余缺互濟能力不足
基于互聯(lián)電網(wǎng)的大范圍余缺互濟是我國電力供應(yīng)的重要特點，也是由我國能源資源與負荷呈現(xiàn)逆向分布的特征所決定的。
清潔能源富集地區(qū)需要通過跨省區(qū)輸電實現(xiàn)清潔能源充分消納。根據(jù)《四川省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》，到2025年四川水電裝機達1.05億千瓦，而目前四川全省最大用電負荷約5400萬千瓦，只有通過大規(guī)模水電外送才能保障豐水期水電充分消納。西北風(fēng)光資源富集的寧夏，2023年9月新能源裝機3453萬千瓦，當(dāng)月最大發(fā)電出力1986萬千瓦，達到當(dāng)時全區(qū)用電負荷的1.43倍，大規(guī)模外送是保障新能源大發(fā)期間充分消納的重要舉措。同時，負荷中心需要外來電保障本地的電力可靠供應(yīng)。2023年迎峰度夏期間，華東電網(wǎng)外來電超過7000萬千瓦，占當(dāng)時華東區(qū)域總用電負荷的20.65%。外來電一直以來都是負荷中心能源電力安全供給的重要保障。
隨著可再生能源逐步成為電量主體，風(fēng)光水等一次能源的時空分布特性以及負荷增長的不均衡性都將使局部供需失衡的問題進一步加劇。為滿足日益增長的跨省區(qū)輸電需求，根據(jù)已經(jīng)投運和規(guī)劃在建的跨省區(qū)輸電工程，到2025年跨省區(qū)輸電能力將達到3.7億千瓦，但仍不足以支撐未來省間更為頻繁、更大規(guī)模、更大范圍的余缺互濟需求。
（五）平衡決策時間緊迫
考慮到負荷、新能源的中長期功率預(yù)測存在較大誤差以及電源及負荷結(jié)構(gòu)存在地區(qū)性差異，難以在中長期時間尺度制定足夠準(zhǔn)確有效的平衡方案。源荷時空特性的變化和不確定性決定了電力電量平衡優(yōu)化決策更加依賴于調(diào)度運行環(huán)節(jié)。因此，調(diào)度機構(gòu)需要在較短的時間窗口內(nèi)完成涉及國-網(wǎng)-省多層級、源-荷-儲多要素、安全、經(jīng)濟、環(huán)保多目標(biāo)統(tǒng)籌優(yōu)化的調(diào)度生產(chǎn)組織。電力平衡決策的時間緊迫性極大地增加了大電網(wǎng)平衡優(yōu)化的難度。
支撐新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)
為有效應(yīng)對源荷雙側(cè)強不確定性、電力平衡極端場景頻發(fā)、平衡優(yōu)化決策困難等挑戰(zhàn)，需要從平衡管理機制、源荷雙側(cè)協(xié)同調(diào)控、多層級資源統(tǒng)籌、多周期滾動平衡等方面，為新型電力系統(tǒng)電力電量平衡提供成套技術(shù)解決方案，有效解決平穩(wěn)業(yè)務(wù)的不確定性、極端性、多樣性和時效性問題。
采取全網(wǎng)統(tǒng)籌、分布自治、時空協(xié)同的平衡模式，實現(xiàn)多區(qū)域多層級業(yè)務(wù)的分工開展和協(xié)同運作。各級調(diào)度機構(gòu)充分考慮氣象、自然和社會環(huán)境等外部因素，通過提高新能源及負荷預(yù)測精度，量化評估煤-氣-水等一次能源供給對常規(guī)電源發(fā)電能力的影響，引導(dǎo)負荷參與平衡調(diào)節(jié)，降低源荷雙側(cè)不確定性，準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)供給及調(diào)節(jié)能力，科學(xué)合理管控轄區(qū)電力平衡業(yè)務(wù)。同時，充分發(fā)揮大電網(wǎng)資源配置的平臺作用，基于多要素、多資源的精準(zhǔn)分析和評估，實現(xiàn)跨區(qū)域、多資源的統(tǒng)籌優(yōu)化，最大程度地發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)余缺互濟優(yōu)勢，共同保障電力可靠供應(yīng)和促進可再生能源充分消納。
此外，充分利用源荷不確定性隨時間逼近逐步降低的特性，通過平衡場景識別、多周期滾動平衡實現(xiàn)由遠及近的平衡能力分析、供需失衡預(yù)警，并在不同時間尺度采取外部購受電、機組開停、儲能充放、負荷側(cè)資源調(diào)用等針對性措施，統(tǒng)籌實現(xiàn)電力供需平衡。
整體技術(shù)框架如圖4所示。
圖4 新型電力系統(tǒng)電力電量平衡技術(shù)框架
（一）全網(wǎng)統(tǒng)籌-分布自治-時空協(xié)同的平衡模式
目前，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)大型新能源場站超6000個、低壓接入的分布式發(fā)電系統(tǒng)數(shù)百萬個；未來，全國集中式和分布式新能源發(fā)電單元將達千萬甚至億級。為了應(yīng)對新能源機組占比增大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足帶來的挑戰(zhàn)，一方面，需充分利用海量分散的靈活資源，實現(xiàn)接入各電壓等級的靈活資源可觀可控，或至少能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)與靈活資源之間的靈活互動；另一方面，需充分利用不同區(qū)域電網(wǎng)之間空間上的互補性和時間上的錯峰特點，進一步加強互聯(lián)輸電系統(tǒng)之間的互通互濟。運行控制向上和向下協(xié)同要求的提高，使得新型電力系統(tǒng)面臨計算任務(wù)和通信數(shù)據(jù)指數(shù)級增長的挑戰(zhàn)，僅通過強化傳統(tǒng)的集中控制技術(shù)將難以對超復(fù)雜的系統(tǒng)實現(xiàn)有效調(diào)控。
參考分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)：互聯(lián)輸電系統(tǒng)是若干個平衡區(qū)（即區(qū)域性輸電網(wǎng)）互聯(lián)起來的群集，每個平衡區(qū)是一個集群；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)是若干個供電線路、負荷、建筑單元組成的群集。新型電力系統(tǒng)將具有群集嵌套的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，每個集群都具有一定的能量管理功能，開展發(fā)電/負荷的調(diào)度，以維持凈功率平衡和自身優(yōu)化。在上述群集嵌套的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)下，提出如下層層遞進的平衡策略：在空間維度上實施群內(nèi)柔性實時平衡策略、同層群間余缺互濟和備用共享策略、跨層群間多級協(xié)同平衡策略，在時間維度上實施分區(qū)和全網(wǎng)的多周期滾動平衡策略。
（二）考慮一次能源供給的發(fā)電能力量化評估技術(shù)
煤、水、風(fēng)、光等一次能源的供給狀況可對發(fā)電能力產(chǎn)生重要影響。針對不同類型電源的發(fā)電特性，分別開展發(fā)電能力量化評估技術(shù)研究。
（三）負荷側(cè)資源精準(zhǔn)預(yù)測及調(diào)節(jié)能力量化評估技術(shù)
考慮新型電力系統(tǒng)條件下負荷側(cè)不確定性增加和調(diào)節(jié)潛力挖掘空間較大的特征，負荷側(cè)對電力電量平衡的支撐可從精準(zhǔn)負荷預(yù)測技術(shù)和負荷側(cè)調(diào)節(jié)能力量化評估技術(shù)兩方面加強。
（四）互聯(lián)大電網(wǎng)統(tǒng)籌平衡優(yōu)化決策技術(shù)
能源負荷的逆向分布，高占比新能源出力的強隨機性，客觀上要求在互聯(lián)電網(wǎng)間通過電能量及輔助服務(wù)余缺互濟，增強全網(wǎng)保供及新能源消納能力，提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。
（五）多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策技術(shù)
由于風(fēng)光新能源發(fā)電具有強隨機性，煤炭、天然氣受市場價格、國際形勢及極端天氣影響，供應(yīng)預(yù)測難度加大，電源發(fā)電能力不確定性增強。分布式電源接入、電動汽車等多種類型負荷出現(xiàn)，引起負荷側(cè)運行特性改變。發(fā)用電雙側(cè)強隨機導(dǎo)致準(zhǔn)確掌控系統(tǒng)平衡能力難度增大，因此，需要計及多重隨機因素進行多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策。
（六）多場景平衡決策及控制技術(shù)
新型電力系統(tǒng)平衡與天氣、一次能源供給等多種因素具有強耦合關(guān)系，其運行場景更加復(fù)雜。確定性的方法已經(jīng)不能滿足實際的電力平衡決策，多場景分析方法可以明確體現(xiàn)不確定量的概率特征，以典型場景代表隨機變量的不確定性，具有較高的計算效率，是未來電力系統(tǒng)平衡決策及控制的重要手段。
全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用
為實現(xiàn)前述技術(shù)成果的應(yīng)用，設(shè)計研發(fā)了一套全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在通過先進的技術(shù)手段，提升電力系統(tǒng)調(diào)控的智能化水平，以實現(xiàn)更高效的電力電量平衡管理。
（一）系統(tǒng)整體架構(gòu)
本文設(shè)計了全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)整體框架，綜合運用上述關(guān)鍵技術(shù)成果，提供信息更全面、應(yīng)用更智能的綜合平衡分析、推演、預(yù)警和決策等技術(shù)支撐手段。系統(tǒng)包含一二次能源綜合平衡分析、源網(wǎng)荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)度、多層級電力電量平衡優(yōu)化決策、多周期綜合平衡滾動推演和綜合平衡能力預(yù)警判斷等核心功能，整體框架如圖5所示。
（二）一二次能源綜合平衡分析及預(yù)警
應(yīng)用全網(wǎng)統(tǒng)籌-局部自治-時空協(xié)同的平衡模式、考慮一次能源供給的發(fā)電能力評估、負荷側(cè)資源精準(zhǔn)預(yù)測技術(shù)和多周期平衡能力分析、預(yù)警及預(yù)決策等技術(shù)，構(gòu)建了一二次能源綜合平衡分析及全景展示功能，包括多周期電力平衡的全景感知、多維分析和平衡預(yù)警預(yù)判。時間維度上，統(tǒng)籌分析年、月、周、日前、日內(nèi)不同時間尺度的平衡能力及供需失衡預(yù)警預(yù)判；空間維度上，準(zhǔn)確反映國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)、區(qū)域、?。ㄊ校┑钠胶鉅顩r及供需失衡預(yù)警預(yù)判；信息維度上，涵蓋一次能源信息、新能源預(yù)測、發(fā)電能力評估、負荷預(yù)測、檢修管理、機組管理、非停受阻、送受電計劃等信息，并提供可視化全景展示手段。功能架構(gòu)如圖6所示，該功能目前已在國網(wǎng)省34家單位得到廣泛應(yīng)用，自2023年6月應(yīng)用以來，開展了超500次省間支援智能決策的方案推演。通過該功能可提前分析、感知氣象、一次能源等外部因素對發(fā)電能力和用電負荷的量化影響，精細化掌握電網(wǎng)電力電量平衡狀況，指導(dǎo)生產(chǎn)人員提前謀劃決策，有效應(yīng)對外部因素變化對電網(wǎng)電力電量平衡的影響。
（三）多周期滾動電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策控制
應(yīng)用多周期平衡決策、多場景平衡決策與控制技術(shù)構(gòu)建了多周期滾動電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策控制功能，實現(xiàn)月周（多日）、日前、日內(nèi)（實時）調(diào)度決策及控制。
中長期維度，開展月、周、多日層面的機組組合優(yōu)化，將一次能源供應(yīng)約束納入電力電量平衡優(yōu)化決策，盡量減少煤電機組頻繁開停機的同時，最大程度實現(xiàn)新能源消納與電力保供多目標(biāo)的統(tǒng)一，提升省級電網(wǎng)長時間尺度的電力電量平衡分析決策能力。該功能已在江蘇省調(diào)試點應(yīng)用，以2023年11月20日-26日為例，周機組組合全局優(yōu)化煤電機組啟停26臺次，相對逐日優(yōu)化煤電機組啟停47臺次，啟停次數(shù)可減少達45%，保障新能源消納同時大幅減少了煤電機組的頻繁啟停。
日前維度，考慮多類型負荷資源、儲能、抽蓄等調(diào)節(jié)能力及可調(diào)度屬性，以新能源最大消納等為目標(biāo)，采用多資源協(xié)同的柔性優(yōu)化決策模型，構(gòu)建多類型資源協(xié)同優(yōu)化功能，實現(xiàn)源荷雙側(cè)多類型資源協(xié)調(diào)優(yōu)化。該功能已在江蘇、浙江、湖南等省調(diào)試點應(yīng)用，以2023年湖南7月12日21時29分晚高峰時刻為例，最大負荷達到41650MW，水火電常規(guī)電源接近可調(diào)能力上限運行，全省儲能放電功率達到482MW；負荷低谷期間，火電已達可調(diào)能力下限，全省儲能充電功率達到712MW，極大的緩解負備用緊張情況，達到了“低谷儲能、高峰放電”的調(diào)節(jié)目標(biāo)。
實時維度，構(gòu)建以實時發(fā)電調(diào)度控制為核心的新型電力系統(tǒng)有功控制中心功能。基于實時市場/計劃結(jié)果，集成創(chuàng)新有功控制技術(shù)手段，實現(xiàn)一體化的電網(wǎng)實時運行控制、兼容現(xiàn)貨與應(yīng)急模式的電網(wǎng)運行邊界管理、新能源及儲能新型資源運行控制等功能，適應(yīng)現(xiàn)貨市場運行與高比例新能源復(fù)雜場景下電網(wǎng)有功智能化協(xié)同控制。該功能已在江蘇省調(diào)試點應(yīng)用，今年迎峰度夏期間有功巡航軌跡自動調(diào)整累計1936次，支撐了調(diào)度高效開展新型電力系統(tǒng)有功運行控制。
通過多周期滾動平衡優(yōu)化決策功能，利用源荷雙側(cè)不確定性隨著周期縮短而減少的特性，可有效應(yīng)對源荷雙側(cè)不確定性問題，同時充分發(fā)揮電網(wǎng)中源、網(wǎng)、荷、儲等不同環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)潛力，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)同優(yōu)化運行，有效提升系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)能力，以應(yīng)對極端天氣場景下電力電量平衡。
（四）多層級統(tǒng)籌電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策
目前，我國已建成市場環(huán)境下以省間現(xiàn)貨市場、區(qū)域輔助服務(wù)和省級現(xiàn)貨市場為主體的“兩級市場，三級調(diào)度”生產(chǎn)組織運行體系，實現(xiàn)多層級電網(wǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)運行。在此基礎(chǔ)上，按照“統(tǒng)一市場，兩級運作”的市場框架，應(yīng)用互聯(lián)大電網(wǎng)統(tǒng)籌平衡優(yōu)化決策技術(shù)構(gòu)建了多層級統(tǒng)籌電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策功能，新增建設(shè)了區(qū)域安全校正、跨區(qū)應(yīng)急調(diào)度功能，有效支撐全國統(tǒng)一電力市場體系建設(shè)。功能架構(gòu)如圖8所示。
區(qū)域安全校正以消除潮流阻塞為目標(biāo)，影響省級現(xiàn)貨出清結(jié)果最小為原則，依次按照機組出力、機組組合、省間聯(lián)絡(luò)線計劃、區(qū)外直流計劃的優(yōu)先級進行安全校正調(diào)整，保障區(qū)域內(nèi)省市現(xiàn)貨市場出清結(jié)果的安全、可靠執(zhí)行。該功能已在華東網(wǎng)調(diào)及區(qū)域內(nèi)省調(diào)得到應(yīng)用，目前已開展多次聯(lián)合試運行，整體計算流程時間小于25min，通過安全校正消除斷面越限，保障了省市出清結(jié)果的安全執(zhí)行，有效支撐華東電網(wǎng)生產(chǎn)組織業(yè)務(wù)。
跨區(qū)應(yīng)急調(diào)度采用考慮電網(wǎng)輸電容量約束下最佳互濟模式的應(yīng)急調(diào)度優(yōu)化方法，基于現(xiàn)貨市場出清結(jié)果開展跨省區(qū)應(yīng)急調(diào)度，有效緩解或解決局部地區(qū)供電能力不足或新能源棄電的問題。該功能已在國網(wǎng)省調(diào)得到廣泛應(yīng)用，以2023年7、10月為例，四川日最大被支援功率達7355MW，最大被支援電量達37700MWh；黑龍江新增新能源消納5935MWh，蒙東新增消納3785MWh，有效提升電力保供及新能源消納能力。
通過多層級電網(wǎng)平衡優(yōu)化決策功能在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)互聯(lián)電網(wǎng)電力電量的余缺互濟，有效應(yīng)對我國資源與負荷逆向分布特點以及大電網(wǎng)一體化運行要求，充分發(fā)揮一體化分析決策優(yōu)勢，實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的電力電量平衡。
試點應(yīng)用成效表明，技術(shù)支撐系統(tǒng)實現(xiàn)了平衡感知更全面、多級協(xié)同更高效、平衡決策更智能、可視化手段更豐富的設(shè)計目標(biāo)，有效提升了新型電力系統(tǒng)多元資源調(diào)度決策與協(xié)同控制的智能化水平。
展望與建議
隨著新型電力系統(tǒng)的逐步構(gòu)建，電力電量平衡問題的解決，需要從市場機制、電碳協(xié)同、基于數(shù)智賦能的靈活調(diào)控、綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運行等方面開展更為廣泛的研究。
（一）運用市場化手段建立源荷雙側(cè)調(diào)節(jié)機制
長期以來依靠火電、水電、氣電等發(fā)電側(cè)資源提供調(diào)頻、調(diào)峰、備用等調(diào)節(jié)服務(wù)。然而，隨著新能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)面臨著更大的不確定性和波動性，發(fā)電側(cè)資源將不足以滿足電力電量平衡需求。因此，需要通過市場化手段引導(dǎo)可調(diào)度負荷、儲能、虛擬電廠等負荷側(cè)靈活性調(diào)節(jié)資源參與平衡調(diào)節(jié)。建立容量市場機制，通過市場化手段，對具有保障電力供需能力和調(diào)節(jié)能力的負荷側(cè)資源進行獎勵或補償，以鼓勵其投資、運營；完善輔助服務(wù)市場，對提供調(diào)頻、調(diào)峰、備用等輔助服務(wù)的負荷側(cè)資源進行定價和結(jié)算，以反映其在平衡調(diào)節(jié)中的價值作用；培育需求側(cè)響應(yīng)市場，通過市場化手段，對能夠根據(jù)電力市場價格自主或被動地調(diào)整用電量的負荷側(cè)資源進行激勵或懲罰，以引導(dǎo)其削峰填谷，提高用電效率。運用市場化手段激勵負荷側(cè)調(diào)節(jié)資源參與電力電量平衡，可以增加電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性，降低電網(wǎng)投資、電力成本和碳排放，提升電力保障能力，并促進新能源消納。
（二）適應(yīng)“雙碳目標(biāo)”的電碳聯(lián)合優(yōu)化
在碳中和背景下，需求側(cè)能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控，新型電力系統(tǒng)需引入低碳目標(biāo)，綜合考慮經(jīng)濟、安全和環(huán)保因素，以及源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)的低碳要素，構(gòu)建新型、科學(xué)、高效的“低碳電力調(diào)度”方式，這使得電力電量平衡優(yōu)化問題變得更為復(fù)雜。在機制方面，需要明確電力現(xiàn)貨市場與碳市場、綠電市場的耦合機理，完善碳成本的合理分攤機制，建立三方市場的高效協(xié)同運行模式。在調(diào)控技術(shù)層面，首先需要研究更為精細的碳
排放量化分析理論，從發(fā)、輸、配、用等各個環(huán)節(jié)開展碳排放評估，形成碳成本分擔(dān)依據(jù)。其次，需要構(gòu)建碳排放與電氣量的耦合模型，在傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度或市場出清模型中加入低碳目標(biāo)或約束，支撐低碳電力調(diào)度。
（三）基于數(shù)智賦能的靈活調(diào)控技術(shù)
未來電力電量平衡優(yōu)化決策的核心問題可能演變?yōu)樵春呻p側(cè)強不確定性條件下海量資源的高效決策問題。為了滿足大范圍、高效、靈活決策需求，一方面需要運用數(shù)字化技術(shù)強化新能源運行監(jiān)測、功率預(yù)測和調(diào)節(jié)控制能力，并提升各類調(diào)節(jié)資源感知能力。另一方面需要廣泛引入智能化的決策和控制手段，構(gòu)建模型-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的電網(wǎng)協(xié)同控制模式，支撐包括：調(diào)節(jié)需求精準(zhǔn)預(yù)測、多樣化資源協(xié)同互補、電網(wǎng)快速響應(yīng)和應(yīng)急處置等各類調(diào)控需求，提升電網(wǎng)多元負荷承載、靈活互動及安全供電保障能力。
此外，考慮到未來數(shù)量眾多、規(guī)模各異的可再生能源發(fā)電將在各電壓等級的電力系統(tǒng)中廣泛滲透，傳統(tǒng)的運行控制技術(shù)將無法滿足新型電力系統(tǒng)的運行要求。因此，各級調(diào)控機構(gòu)還需要各類新興主體的局部電能控制潛力，引導(dǎo)虛擬電廠、具有可控資源的用戶等建立就地平衡分析和運行控制手段，并通過與其的高效協(xié)同互動，實現(xiàn)全系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行。
（四）綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運行
由于電能具有清潔、安全、便捷、經(jīng)濟等優(yōu)點，電能在終端能源中的比重呈上升趨勢。但隨著終端用能需求多元化，以及過度依靠單一能源品種可能存在的供應(yīng)安全問題，因此發(fā)展終端層面的多能源互補、構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)對于保障能源安全具有重要意義。在多能源耦合特性分析方面，需要深入研究電、氣、冷、熱、氫、氨等異質(zhì)能源的統(tǒng)一建模技術(shù)，提出多能耦合模型關(guān)鍵特征參數(shù)精準(zhǔn)辨識方法。在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方面，需要構(gòu)建多重復(fù)雜因素耦合驅(qū)動下的源荷場景生成模型，研究適應(yīng)高比例新能源接入的多時空尺度綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。在綜合能源系統(tǒng)韌性提升方面，研究極端天氣、事故風(fēng)險對綜合能源系統(tǒng)運行的影響機理，提出覆蓋“預(yù)防、抵御、響應(yīng)、修復(fù)”各環(huán)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)韌性提升方法。
結(jié)論
我國正在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)和新型能源體系，受一次能源、氣象環(huán)境、社會經(jīng)濟等方面因素的影響，電源結(jié)構(gòu)逐漸面臨隨機間歇性電源多、快速可調(diào)節(jié)電源少導(dǎo)致的調(diào)節(jié)能力不足等問題，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸面臨電網(wǎng)形態(tài)復(fù)雜多樣、全網(wǎng)互濟能力不足等問題，用電結(jié)構(gòu)逐漸面臨負荷特性重大轉(zhuǎn)變、電力需求側(cè)響應(yīng)不足等問題，源、荷兩側(cè)均表現(xiàn)出強不確定性。同時，調(diào)節(jié)資源和調(diào)節(jié)需求存在復(fù)雜的時空分布特性，氣候環(huán)境導(dǎo)致的極端場景頻發(fā)，使得系統(tǒng)的電力電量平衡更加依賴短周期的優(yōu)化控制，給調(diào)度運行帶來巨大挑戰(zhàn)。
針對電力系統(tǒng)平衡模式由“源隨荷動”向“源網(wǎng)荷儲互動”轉(zhuǎn)變的趨勢，本文從多要素、多層級、多周期、多場景、大范圍等角度出發(fā)，提出了空間協(xié)同、時間協(xié)同、資源協(xié)同、預(yù)測預(yù)判等關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)，介紹了已成功開發(fā)和應(yīng)用的全景協(xié)同的電力電量平衡決策支撐系統(tǒng)，并給出了支撐電力電量平衡的建議和方向。希望本文的初步探討能為新型電力系統(tǒng)平衡問題的解決提供一些有益的參考。
