适应新型电力系统发展的协同调度理论研究

适应新型电力系统发展的协同调度理论研究

李得龙

国网甘肃省电力公司  甘肃兰州  730070

摘要:从新的电力发展现状出发，阐述了电力调度必须向协作方向发展的必要性。本文从理论上探讨了在电力系统的协调过程中如何利用协同作用、协作方式来解决不确定问题，从而达到协同调度的目的。本文主要探讨了利用主动负载来克服源协同调度、源网络结构形式趋同的问题，并对分布自治和整体规划相结合的源协同调度进行了时变建模、算法和实现。

关键词:新型电力系统；协同调度；理论研究

前言

作为能源利用与转换的主体之一，电力系统(亦称动力系统)必须向绿色、低碳、环保和节能的资源利用可持续化方向发展，这种趋势也促使电力系统的源(源指主动源、被动源、主动载荷和常规载荷，也即驱动或制动的动力部分)和网(网指输电、配电及其源中电的部分，也即制动或驱动的电力部分)呈现分布、多元、关联、互补的新的复杂形态。在新形态的电力系统中，如何调度与运行控制面临两个突出的矛盾:一是源电力的有功功率平衡中主动的源与被动的源间的矛盾。化石能源发电(主动电源)发展处于减缓的态势，风、光、水等可再生能源发电(被动电源)迅猛发展，电动汽车，各类储能，可控、可中断柔性负荷等具有主动行为的技术(简称主动负荷)不断涌现，而且呈现分散、分布的发展趋势，使有限的主动电源和主动负荷应对被动电源和常规负荷的过程中必须面对分散式、分布式、强不确定性接纳能力的考验；二是源有功功率平衡的电压支撑中主动的量与被动的量间的矛盾。在同步电网为根本的基础上，被动电源不仅以集中方式大规模接入输电网，以分布式、微网等分散形式接入配电网，而且发电呈现异步、直流等紧密依赖于同步电网的方式。系列的、间接有主动行为(灵活补偿与控制，输配元件状态切换)的柔性控制技术不断涌现，使有限的主动电源和柔性控制技术应对强不确定性下满足源电力的有功功率平衡的支撑中必须面对电网电压支撑、电能传输能力的考验。

1、电力系统调度理论研究的进程演变

1.1以协调为主导

对电力系统调度的问题，自上世纪20年代到90年代期间，电力系统调度理论研究主要是在主动电源、输电网和常规负荷(配电环节通过聚合负荷等值)间展开理论研究与工程实践，研究与实践的目的是超前地做出电力系统运行调度与控制的预期决策，即给出期望的发电计划，以及围绕该计划应对预测误差的与自动发电控制、自动电压控制以及紧急事故情境下衔接的有功功率备用、无功电压支撑的策略。由于满足期望负荷，以及应对预测误差波动的发电均为同质的主动电源，所以其研究方法就是以协调为核心的优化。如最原始、最经典的经济调度方法，包括等耗量微增率准则，考虑网损修正的协调方程，以及考虑可调节水电、基于最优化控制原理的积分式协调方程，其核心和关键是由耗量微增率、网损微增率(网损罚因子)和水煤换算当量系数三个概念构成的经典的经济调度理论(也即源协调的经济调度)；随着电力系统的快速发展(20世纪60~80年代)，发电与用电在空间和时间上出现越来越显著的差异性，造成电力系统运行功角稳定等安全问题的日益突出，促使电力系统调度在解决发电与负荷间电力平衡矛盾的同时，又必须考虑源流(电力有功功率)平衡受输电网(热载荷)制约的矛盾，这使得源协调的经济调度在最优潮流概念的推动下，全面进入考虑静态安全(电压水平确保不变下的直流潮流近似)约束的经济调度阶段。

1.2趋向协同

在传统电力系统调度中，将输配电元件状态(运行或停运)纳入决策量，可以通过网络构架改变以提升运行效率。这一网络重构的技术，首先体现在配电网运行调度决策的研究与实践中，其次是伴随电力工业市场化改革，电力市场竞争机制的引入，使输电网构架和形态出现与其不相适应的现象(非同调现象)，即输电阻塞问题，该问题仅靠改变发电方式已难以解决。由此出现改变输电元件状态(输电网络架构重构)来解决这一问题的研究，提出考虑输电元件状态切换的调度方法，以及融入输电元件状态为决策量的优化调度方法，显现了合作的性质，从而使电力系统调度有向协同发展的趋势。随着被动电源和智能化主动负荷、柔性控制技术的不断涌现，这一趋势就更加的明显。一方面在源有功调度的研究中，张伯明教授在2011年提出“消纳大规模风电的多时间尺度协调的有功调度系统设计”，其核心在于利用风电预测的短时间尺度比长时间尺度精度高的特性和电力有功功率调度的固有特点，提出了多时间尺度(多时间级)协调的有功功率调度模式及其关键技术。这可以认为是不同时间尺度的合作，换来风电接纳能力提高的效果。

2、电力系统协同调度理论的探索

2.1必要性

新型电力系统发展将面临源有功功率平衡中主动的源与被动的源间的矛盾，以及源有功功率平衡的电压支撑中主动的量与被动的量间的矛盾。若继续沿用传统研究思路解决上述突出矛盾，则将矛盾聚焦于有功功率平衡的核心问题上，即主动电源和主动负荷共同应对被动电源和常规负荷，主动电源和柔性控制技术共同应对被动的电压支撑(网、被动电源和常规负荷)，在三次调整(包括有功调度、无功优化、有功备用和电压支撑的策略)中，锁定具有间接主动行为的量(主动负荷、柔性控制技术)，转而完全由主动电源自动执行二次、一次调整(这里调整指频率和电压的调整)，以集中应对强不确定性的问题。但是，应对常规负荷和被动电源共同引起强不确定性的有功备用和电压支撑的策略，在性质上有本质的不同，这就要求这一策略能同时应对这两类不确定性，必须寻求其公共域。这不仅导致资源浪费，而且会引起策略的无效，严重时不存在公共域，切负荷、弃风弃光现象必然发生，调度在控制实现过程中顾此失彼的问题再所难免。

2.2进展

分布式可再生能源发电遍及各级电网的新形势下，电力系统调度走向协同是必然。这就要探索和思考如下新问题:依据协同概念揭示源间、源网间产生矛盾的机理，以及追求协同效应、处理矛盾的策略；电力系统协同调度中，协调策略、合作机制、协调与合作有机统一机制的建立问题；以节能减排、消纳大规模被动电源为前提的，集中走向分散的分布式一致性协同调度问题的解决方法。对此，作者及其团队针对上述问题开展了较深入的协同调度理论研究，其核心可归结为:将主动负荷消除不确定性的合作机制有机嵌置于系统三次、二次和一次调整的全程协调之中，在主动电源与柔性控制技术协同的电压支撑下，协调与合作有机统一地完成调度目标。协调在于主动量(可直接调度与控制的量)满足被动量(不可调度与控制的量)的优化决策与控制；合作在于间接主动量(依赖电网的可直接调度与控制的量)消除被动量不确定性程度的优化决策与控制；合作贯穿于协调全程、以协调为目标引导下最佳接纳被动量的策略，即协调与合作的有机结合。

3、结语

从未来发展的趋势看，只有切实有效地实施电力系统的协同调度，才能彻底解决电力系统面临的两大突出矛盾，才能友好地实现节能减排、消纳大规模被动电源。再者，大规模被动电源所带来的真正影响，目前尚未充分凸显，尤其是我国主动电源依然在起主导作用，当大规模被动电源占主导地位时，电力系统协同调度将成为不可或缺的选择。

参考文献

[1] 张林,姚瑜,赵志芳,等. 适应新型电力系统发展的输配电价体系初探[J]. 中国电力企业管理,2021(31):31-33.

[2] 范帅,危怡涵,何光宇,等. 面向新型电力系统的需求响应机制探讨[J]. 电力系统自动化,2022,46(7):1-12.