分层分群的电网体系结构与风电入网问题-余贻鑫-中国工程院院士

分层分群的电网体系结构 与风电入网问题 余贻鑫 中国工程院院士 天津大学教授、博导 yixinyu@tju.edu.cn 第五届中国中东南部风电开发研讨会 . 郑州 . 2020.09.24 鉴于未来 电网的 超 复杂性 (Extreme complexity)， 电网 体 系结构 (grid architecture)的研究 至关重要 。 它是整个 grid 的最顶层的描述 (模型 )。 需要 ， 体系结构优先 。 I. 互联 （输电） 系统 的体系结构 II. 电网分层分群体系结构 III. 分层分群电网体系的科学性 IV. 风光发电的就地开发与消纳 —如何实现功率平衡 报告内容 互联系统 发电和潮流控制 理论 [1]提出了 “ 控制 区 （ Control Area） ” 的概念 ， 后来更名为 平衡区 （ Balance Area， 简记 BA） ， 意指区域内电功率能够保持 近乎瞬时的净功率平衡 。 I.1 互联（输电）系统中平衡区的概念 [1] BN Cohn. Control of Generation and Power Flow on Interconnected Systems [M]. New York: John Wiley ② 智能控制 （ 如 EMS） 和通信 。 BA的定义：  BA包括如下三个基本功能 ： ① 进行发电 /负荷调度 (Dispatch)； ② 当地的反馈控制 ， 用于平滑波动； ③ 通过削减发电 /负荷来缓解故障 。 各 BAs按照如下 规范 工作：  平衡 区内发电的调节 （ Dispatch） 需要随时吸收其内部负荷的变化 （ 简称净功 率平衡 ） ， 即使发生大的扰动也要自行解决 ， 并且进行自优化； I.2 互联系统 (由若干互联的 BAs组成）群集运行规范  平衡 区之间联络线上的功率均按功率交换计划 （ on schedule） 工作 。 为了电网的安全运行 ， 相 对于受端系统总容量 该计划值 不能太大；为保证 BA（ 包括机组启停的约束 ） 的经济运行 ， 该功 率值要相对平稳 （ 每天的数值应稳定在少数几个 功率水平上 ） 。 天中特高压直流典型日运行曲线（ 2017年） [注 1] 分布式发电是电力的未来，也是能源的未来。 电网的变化已经日益偏离 20世纪电网发展所依据的基本原理和假设 。 如果不指出 这些 ， 会对电网的可靠性和功能造成严重的不良后果 。 发展的新原动力 ， 主要是 演变中的用户期望 、 新技术的涌现 、 以及 从大规模的中央经济到网络经济的改变 。 后者是由连接到配电网边际 （ “ the grid edge” ） 渗透率已增长的分布式能源 （ DER)[注 1]和无处不在的通信联系所驱动的 。 此外原动力中还包括韧性不足和赛 博攻击威胁的不断增加 。 II.1 电网体系结构改变的原动力 文献 [2]提出如下的设想：未来的配电网 、 微网 、 建筑单元 （ 大楼 、 工厂和住宅 等 ） 与 输电系统的差异将逐步消失 ， 具有本地发电和双向电力潮流的特点 ， 都将 配有 EMS， 并按照 “群 （ cluster） ”的 理念实现各自 的净 功率平衡 。 这里的群就是 前述的 BA。 [2] Felix F. Wu, Pravin P. Varaiya, Ron S. Y. Hui . Smart Grid with Intelligent Periphery for the Future : Architecture for the Energy Internet (J), Engineering, 2015,1(4) 置于高压输电系统内的 能量管理系统 （ Energy Management System， EMS） 覆 盖了数百个发电机和变电站 ， 数十年来在管理和控制电力系统以确保其经济可靠 的运行方面取得了巨大的成功 。 但是如果将这个系统及其底层的集中式操作范式 扩展到配电系统 ， 并扩展到未来网络中成千上万的生产型消费者 ， 将导致效率低 下 ， 是不明智和站不住脚的 。 II.2 带有智能外围的智能电网（ GRIP）的构想 ——互联系统 群集模式由输电向外围拓展 互联 输电系统 区域 输电系统 A 区域 输电系统 L 配 电 网 A 配 电 网 M 微 电 网 A 微 电 网 N 建筑单元 A 建筑单元 O 建筑物群集（ Clusters） 微网群集 配电网群集 区域输电系统群集 电网分层分群（群集嵌套）体系结构（或称 集群的自然层次结构 ）示意图 （配电网中也可能直接包括建筑单元） 如右图所示 ——“ 分层分 群 ”  输电系统 （ 互联电力系统 ） 是 若干个 平衡 区 BA（ 即区域性输 电网 -功率平衡区 ） 互联起来的 群集 （ clusters） ， 每个 BA是 一个 集 群 （ cluster） [注 2]；  每个区域性输电网是若干个配 电网互联起来的群集 ；  每个配电网是若干个微网 、 建 筑单元组成的群集 ；  每个微网又可以是由若干个建 筑单元互联起来的群集 。 [注 2] 网络的基本单位 ——集群 （ Cluster）和 群集（ Clusters）。 II.2 带有智能外围的智能电网（ GRIP）的构想 ——互联系统 群集模式由输电向外围拓展 [注 3] 需 满足 电网的安全 约束 ， 如远距离输送风光火打捆电功率的值相对于受端系统总容量不能太大；为保证送端和受端平 衡区 BA的安全 （ 包括机组启停 约束的 ） 经济运行 ， 该功率值要相对平稳 。 每个群都有 ： ① 发电和或负荷 ； ② 智能控制 （ EMS） 和通信 。 每个 群也包括如下三个 基本功能 ： ① 进行发电 /负荷调度 (Dispatch)； ② 当地的反馈控制 ， 用于平滑波动； ③ 通过削减发电 /负荷来缓解故障 。  各 群 按照如下 规范协调 工作： ① 群 内发电的调节 （ Dispatch） ， 需要随 时吸收其内部负荷的变化 （ 简称 维持净 功率平衡 ） 即使发生大的扰动也要自行 解决 ， 并且从群的利益出发进行 自优化 （ selfish optimization)； ② 从电网的总体利益出发 ， 各 群 （ 即 区域 电网 ） 之间 进行协调 ， 产生群间 的功率 交换计划 （ schedule） [注 3] ， 各群必须 履行在此计划中所 规定 的任务 。 与互联电力系统中平衡区 （ BA） 的概念相似： II.2 带有智能外围的智能电网（ GRIP）的构想 ——互联系统 群集模式由输电向外围拓展 分层分群的概念 看似与当今的电力系统并无太大不同 ， 在许多方面差异不大 。 但 是一个关键的不同是 ， 潮流 不再只是 从大型系统到用户 单向流动 。  （ 首先 ） 配电系统或大电网上的大多数 节 点 乃至 终 端 用 户的 电表都可以注入 和 吸收 功率 ， 并且可以在 这 两个模式之间平稳 地 切换 。  （ 进而 ） 这些特点 ， 再加上多种规模的经济高效的 储能 的到来 ， 改变了这一 切 ， 至少需要 对 配电系统及其 运行 进行变 革 。 从大系统和批发市场运营商的角度来看 ， 他们希望每个输 电 和配 电 （ T&D） 接 口都可以在充当负荷节点和充当供应节点之间切换 运行 方式 。 II.2 带有智能外围的智能电网（ GRIP）的构想 ——互联系统 群集模式由输电向外围拓展 能 满足 边界 约束、 控制联合 与 分解以及可扩展性等属性的 的主要原则是 ： 全局协调内部的局部优化 亦即 ， 上述分层分群的电网体系结构 是有数学基础的 。 本质上 ， 所有 群 协 作解决一个常见的优化问题 ， 定会产 生必要的协调信号 。 在局部 ， 每个 群 都可以使用协调框架内的本地目标和 约束来执行优化 。 [3] Mung Chiang, Steven Low, et al. Layering as Optimization Decomposition: A Mathematical Theory of Network Architectures[J]. Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 1, January 2007. [4] Jeffrey D. Taft. Grid Architecture[J]. IEEE Power & energy, Volume 17, No 5, September/October 2019. III.1 电网分层分群体系结构的 数学基础 依据 [3]的网络体系结构数学理论 “ Layering as Optimization Decomposition” ， 文 献 [4]通过对多种规模高比例 DER电网的 研究 ， 确认对于分层分群的电网体系结构 电网被认为是上世纪最伟大的发明 ,而互联网是这个世纪最伟大的创新 。 互联网是 智能的 ， 可以轻松地适应接连不断地具有颠覆性的信息革命的快速变化的情景 。 在新的电力时代 ， 我们希望电网能像互联网一样智能化 [5]。 研究已表明： ① 互联网建立在促进技术创新的分层架构上 ， 其智能分布在整个网络层次结构中； ② 具有分层分群体系结构 （ 如 GRIP） 的电网像具有 Internet一样结构特点和运行 范式； ③ 基于新范例所提出的具有智能外围设备的 电网 （ GRIP） 像 Internet一样智能 ， 特别适合服务于将来的电网 。 III.2 未来的电网 像 互联 网一样智能 [5] LIU Yanli, YU Yixin, WU F F, et al. A grid as smart as internet[J]. Engineering, 2020, 6(7): 778-788.  更好地利用多变的可再生能源 （ Variable renewable energy, VRE） ： 分布式运营模式 将最大程 度地利用多变的可再生能源 ， 因为 VRE的运营将掌握在当地利益相关者的手中 ， 他们对资源的 预测 ， 计划 （ schedule） 和控制有更好的了解 。  为生产型消费者 （ prosumers） 赋权 ：生产型消费者将完全控制自己的发电和负载的运行 ， 并 获得安装和运行最高效的设备的激励机制 ， 例如太阳能光伏 ， 电池储能系统 ， 电动汽车充电系 统以及 ICT硬件和软件等 。  与外围设备的责任分担 ：在新的数字化时代 ， 外围设备的智能和能力与电网运营商在管理其子 电网方面相似 ， 因为硬件变得越来越便宜 ， 软件变得越来越智能 。  纳米 ， 迷你和微电网的无缝集成 ：新范式的 责任分担功能 与当今的纳米 ， 迷你和微电网的自治 或半自治理念兼容 ， 有助于它们的无缝集成 。  快速适应技术创新 ： GRIP的 分层体系结构使整合创新技术变得容易 。  增强韧性 （ Resiliency） 和抵御不断增加的赛博攻击 (Cyber-attack)。 BA理念可 把 DERs的使用 同来自电 网 的 各种压力 解耦 ， 并提供一种可以更具体地应用 DER提升 大容量系统韧性 （ 且不 降 低 配电的可靠性 ） 的 结构 。 在该结构下 ， 大电网的运行 部门 不要 求 配电层次上任何详细的可观 性 ， 同时还可 避免 事故扩大化 和赛博安全漏洞 。 III.2 未来的电网 像 互联 网一样智能 Internet 层流网 GRIP 互联系统群集结构 与运行范式 Layering as Optimization Decomposition 结论： 具有分层分群体系结构 的 电网（ GRIP）像 Internet一样智能， 并且具有数学基础，特别适合将来的电网的需要。 [6] BRONSKI P. The economics of load defection[R]. Rocky Mountain Institute and HOMER Energy, 2015. III.2 未来的电网 像 互联 网一样智能 IV. 风光发电的就地开发与消纳 —如何实现功率平衡 功率平衡是电网的第一需要 。 为了适应风能和太阳能的间歇性 、 多变性和不确定 性 ， 平衡区可采用的功率平衡措施包括： 大电网的吸纳 （ 调节大电网中出力可控 的机组 ） 、 需求侧管理 、 分布式小型燃油燃气发电 、 储能 ， 乃至综合能源系统等 。 相当一段时间内 ， 大电网 （ 群 ） 的吸纳 特别重要 ， 而大电网在我国中东南部 。 这就为发展中东南部的风能和光伏提供了条件 [注 4]。 文献 [7,8] 基于互联系统理念 的研究表明：风电和太阳能发电的就地开发与消纳的单位电能成本低 ， 可靠性 、 韧性 （ resilience） 和可实现的负荷中心的可再生能源的渗透率均高 。 [7] SUN Bing, YU Yixin, QIN Chao. Should China focus on the distributed development of wind and solar photovoltaic power generation? a comparative study[J]. Applied Energy, 2017, 185: 421-439. [8] 余贻鑫 . 智能电网的基本理念和关键技术 [M]. 北京 : 科学出版社 , 2019. [注 4] 大电网 （ 群 ） 的吸纳能力 ， 也可以通过 scheduling支持其下层的平衡区 。 因为 上一层电网的 调度 （ dispatching） 的 结果是下一层电网的 scheduling的方案 ， 所以： ① 层数越低 scheduling越频繁 ， 从而可减小底层净功率平衡的负担 ； ② 如果上一层电网在做潮流优化和网络重构时对其与下一层联络线上的功率预测的准确度高 ， 或进行上下两层协 调优化 ， 则可予先保证下层具有较好的实现功率平衡的能力 。 中东部省份 2018年火电机组装机容量及利用小时数 数据来源：北极星电力新闻网 省份 火电装机（万 kW） 利用小时数 （ h） 省份 火电装机（万 kW） 利用小时数 （ h） 山东 10367 4707 河北 4617 5090 江苏 9749 4576 山西 3937 4428 广东 8069 4096 福建 3128 4507 河南 6821 3893 湖北 2884 4527 山西 6628 4318 上海 2365 3571 浙江 6209 4201 湖南 2284 4058 安徽 5413 5005 江西 2165 5269 谢谢！