智能电网“源-荷”协同调度框架及实现陈刚

智能电网“源-荷”协同调度框架及实现陈刚

陈刚

（包头供电局内蒙古包头市014030）

摘要：由于目前“电能的大规模存储“仍是世界性难题，要保证电网安全稳定运行，就必须保持发电和负荷在任何位置、任何时刻均处于平衡状态，这对电网运行的能量管理和运行控制提出了极大的挑战。

关键词：智能电网；源－网－荷；协同调度；

当大规模的间歇式可再生能源发电并入电网、越来越普及的电动汽车随机接入电网，如何才能保障智能电网安全可靠地运行？“源、网、荷”协同的智能电网能量管理和运行控制至关重要，采用“分布自治-集中协调”的架构和决策机制，通过能量管理系统家族实现分散自律控制，通过控制中心能量管理实现源网荷的协同。

一、“源—网—荷”互动的内涵

“源—网—荷”柔性互动是指电源、负荷与电网三者间通过多种交互形式，实现更经济、高效和安全地提高电力系统功率动态平衡能力的目标。“源—网—荷”互动本质上是一种能够实现能源资源最大化利用的运行模式。如图1（ａ）所示，传统电力系统运行控制模式是电源跟踪负荷变化进行调整，尚未形成明显的互动关系。未来电网由于电源、电网和负荷均具备了柔性特征，将形成全面的“源—网—荷”互动，呈现源源互补、源网协调、网荷互动和源荷互动等多种交互模式（见图1（ｂ））。

图1“源－网－荷”互动内涵

1.源源互补，未来电网的一次能源具有多样性（如水电、风电、光伏发电、生物质发电、海洋能发电等），其时空分布和动态特性均存在一定的相关性和广域互补性，通过源源互补可以弥补单一可再生能源易受地域、环境、气象等因素影响的缺点，并利用互联大电网中多种能源的相关性、广域互补性和平滑效应来克服单一新能源固有的随机性和波动性的缺点，从而有效提高可再生能源的利用效率，减少电网旋转备用，增强系统的自主调节能力。

2.网荷互动，作为电力系统功率瞬时平衡的一方，负荷特性及行为特征很大程度上决定着电网的安全性和经济性。不同负荷对供电可靠性要求是有区别的，随着需求侧的逐步开放，通过电价政策激励用电侧资源进行主动的削峰填谷和平衡电力，将成为提高电力系统运行经济性和稳定性的重要手段；作为备用的另一种形式，可中断负荷是电网可调度的紧急备用“发电”容量资源，也可经济、有效地应对小概率高风险的备用容量不足，确保电网的安全可靠运行。随着分布式电源、微网、电动汽车、储能等的广泛应用，新型柔性负荷具有发电和（或）储能的特性，能够与电网进行能量的双向交互，可以参与电网调控并可以成为黑启动电源。

3.源荷互动，未来电网是由时空分布广泛的多元电源和负荷组成，电源侧和负荷侧均可作为可调度的资源。负荷侧的储能、电动汽车等可控负荷参与电网有功调节，电力用户中的工业负荷、商业负荷以及居民生活负荷中的空调、冰箱等作为需求侧资源能够实时响应电网需求并参与电力供需平衡，通过有效的管理机制，柔性负荷将能够成为平衡间歇性能源功率波动的重要手段。

4.柔性电网，电源和负荷都需要通过电网进行相互作用，这就要求电网必须具备柔性开放的接入能力和灵活的调节能力。未来电网调度控制中心将综合各种先进技术和智能化手段，对电网进行主动的监视、分析、预警、辅助决策和自愈控制，辅助调度员应对电网可能出现的各种扰动，为电源和负荷的友好互动提供强有力的技术支撑。灵活交直流输电系统的广泛应用也将为现代电网的安全、经济、可靠和优质运行提供有效的手段，静止无功补偿器（SVC）、统一潮流控制器（UPFC）、基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）装置等先进电力电子装置具有快速调整有功、无功功率的能力，能够灵活调节和动态优化电网潮流分布，提升电网运行的可控性和弹性。

二、“源—网—荷”柔性互动运行控制研究框架

1.基础理论的研究与发展，“源—网—荷”互动运行控制涉及能源、控制、信息等领域，将成为多学科交叉的重要前沿。需要针对复杂、多变、随机性和不确定增强等实际需求，研究、应用并发展诸如系统动力学理论、不确定性理论、熵理论、博弈论和自组织临界性理论等基础理论。

2.复杂互动特性分析与互动建模方法，准确把握“源—网—荷”复杂互动特性，在此基础上开展互动行为建模研究。（1）特性分析。研究不同地域单一可再生能源的相关性、广域互补性，以及多元可再生能源间的互补特性和平滑效应，研究多元可再生能源间相关性和互补性的量化分析方法，建立表征大电网单一可再生能源相关性和多元可再生能源互补性的数学模型。通过研究，实现对大电网多元可再生能源的广域互补特性的量化分析，掌握广域源荷互补特性以及柔性负荷与大电网的互动机理，揭示各种可再生能源及源荷间的时空互动规律，阐明各种互动特性的交互影响机理。（2）互动建模研究。要充分表征源荷双侧扰动，其核心就是互动建模。在“源—网—荷”互动行为中，各参与互动的主体对互动的响应在时间尺度上各不相同，有快过程和慢过程，存在快慢主体间跟随的问题。不同互动主体之间在空间尺度上也不尽相同，例如对于大规模可再生能源广域互补在空间尺度上远大于微网内部储能装置与可再生能源之间的互补，间歇性电源与抽水蓄能间的互补在时间尺度上快于电源和负荷间的互动。

3.互动能力辨识技术。(1）互动综合性能评价指标研究。传统电网安全性、可靠性、经济性评价指标体系缺乏对可再生能源间歇性和大量柔性负荷接入的随机性的量化表征能力。需要针对“源—网—荷”互动环境下电网运行的新特征，研究“源—网—荷”互动能力的表征指标和量化分析方法，研究新的体现互动环境特点的综合评价指标体系。（2）多时空尺度源荷互动能力辨识研究。分析掌握不同空间尺度及时间尺度上各类互动能力的构成、互动调节范围、响应时间等特性，确定互动运行的可控容量和调节范围，为电网互动运行和柔性控制策略的确定奠定基础。（3）电网互动能力极限研究。传统的电网运行极限分析方法不能计及互动运行的影响，难以量化分析电网对互动运行的承受能力。需要研究互动环境下“源—网—荷”不确定性对电网运行极限的影响和分析方法，建立电网互动运行承受度、风险度指标，掌握互动能力优化布局的理论和方法。

4.柔性互动安全运行分析，为充分考虑“源—网—荷”互动引起的不确定因素及电力系统运行特性的变化，需要进一步发展多时间尺度的精细化负荷预测、间歇性能源容量可信度计算、考虑互动因素的电力电量平衡计算、电力系统充裕度分析、电力系统脆弱性分析、电力系统运行风险评估等电网分析方法，重点关注电源随机性、电网拓扑结构变化和负荷响应单独及综合作用下的电网静态安全特性，分析局部电网转动惯量降低后的安全稳定特性，考虑计及随机性电源和负荷水平置信区间的电网安全域概率分析方法。

5.柔性互动运行协调控制策略和技术，“源—网—荷”互动运行模式在带来电能利用灵活性提升和用电互动选择空间增加的同时，也对电网安全运行、供电质量和供电可靠性提出了一系列挑战。互动主体数量的快速上升、间歇能源的运行不确定性和分布式可控负荷的灵活响应特性也增加了电网运行的复杂程度。需要研究“源—网—荷”柔性互动控制策略和技术，尤其是海量分布式优化控制与集中优化控制之间的交互协调框架，充分发挥海量分布式优化控制的自组织、自适应能力和集中优化控制的全局协调能力，全面实现“源—网—荷”的有序互动。

“源—网—荷”互动是智能电网发展的主要特征之一，将对电力系统功率平衡模式带来革命性变化。通过支持和引导电源、电网、负荷三者良性互动，能够提高可再生能源的主动消纳能力，增强电力系统可控性和可靠性，从而促进电力系统综合能效的提升。

参考文献：

[1]姚建宁．智能电网的本质动因和技术需求．2016.

[2]杨珂，智能电网“源－网－荷”互动运行控制概念及研究框架．2016.