分层集群的新型电力系统运行与控制

陈皓勇，谭碧飞，伍亮，林镇佳，杨苹，李立浧

（华南理工大学电力学院；华南理工大学广东省绿色能源技术重点实验室）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.213324

  1 研究背景

  新型电力系统的发展必将导致电力系统形态的重大调整。随着可再生能源渗透率的不断提升、电力电子设备的广泛应用，未来电力系统容纳的电源与负荷种类将不断攀升，运行与控制的复杂度也将急剧升高。电力系统稳定（特别是频率稳定）控制的结构性困境日趋明显，迫切需要调动各种资源按照新型电力系统的要求深度参与其运行与控制。

  2 论文所解决的问题及意义 

  描述了将大规模电力系统划分为多层级的含分布式资源集群的小规模电力系统的新形态。各个资源集群皆具有电力供给、消纳及功率交换的能力，并尽量实现集群内的发用功率平衡和和自治优化运行。其次，提出了分层集群的新型电力系统的3层网络（能量网络、信息网络、价值网络）架构及整体研究思路。在能量网络层面，提出了分层集群的新型电力系统的技术特征和形态结构，并介绍了我国当前的相关政策支持；在信息网络层面，在介绍了新型电力系统分布式感知和信息融合问题后，重点探讨了集群智能与协同控制理论、技术在新型电力系统（特别是频率控制）中的应用；在价值网络层面，介绍了分布式资源端对端交易、虚拟电厂等新型交易机制和商业模式等。最后，从复杂系理论和多学科交叉研究的角度探讨了新型电力系统的前沿研究方向。

  3 论文重点内容  

  1）总体分层网络结构

  在新型电力系统中，风、光等可再生清洁能源将处处存在，意味着电源将遍布于整个电力系统，电力系统形态结构将发生重大变化。余贻鑫院士等提出分层分群电网体系结构，即“将系统分解为群集（clusters）的层次结构和全局协调”和“每个集群（cluster）都保持自己的净功率平衡和局部自优化”。为清晰起见，本文将具有这种结构特征的电力系统称为“分层集群的新型电力系统”，并进一步探讨其运行与控制问题。分层集群的新型电力系统也呈现出如图1所示的3层网络架构并与其他能源系统紧密相连。

图1 新型电力与能源系统的3层网络结构

  相应的，分层集群的新型电力系统的运行与控制问题可以分为物理机理（“能量网络”层面）、运行控制（“信息网络”层面）和市场机制（“价值网络”层面）3个层面的问题，是典型的多学科交叉问题。

  2）分层集群的新型电力系统物理机理（“能量网络”层面）

  在能量网络层面，需根据各层级源、荷、储的分布，研究新型电力系统中区域集群的聚合方式，并分析新型电力系统的动态特性，为分层集群的新型电力系统运行与控制奠定基础。在信息网络层面，需研究新型电力系统运行状态和调控能力的在线监测理论与方法，并攻克含电源侧、电网侧与负荷侧多种资源的高动态、高维度、多智能主体、分布式协同控制的难题，以充分调动各资源合理、自主、协同、智能地参与系统运行控制。在价值网络层面，需深入研究多种灵活性资源和新型辅助服务的定价理论、交易机制和商业模式，为各类资源自主参与系统运行控制提供公平合理的激励机制和制度保障。

图2 分层集群的新型电力系统研究问题

  在未来新型电力系统中，同一层级的分布式资源由于电气相邻、通信便利、利益共享等因素自发地形成由网络结构与地理距离划分的、由若干聚合商运营的资源集群，各个资源集群都具备自己的能量管理系统（energy management system，EMS）以及和外界交换功率的能力，并力图实现集群内电力电量的自平衡。

图3 分层集群的新型电力系统逐级聚合

  同一层级的多个集群能进一步聚合为更高层级的集群，直至形成完整大电网。资源集群内分布式电源、储能及可调负荷等设备具有容量小、种类多、参数各异、点多面广等特点，难以直接参与电网运行。因此，各集群通过先进的信息通信、调度控制及市场交易手段聚合大量分布式资源，作为整体参与电网调度运行，也可参与电力市场电能量交易和调峰、调频、调压、备用、阻塞消除等辅助服务交易。为充分发挥分布式资源的价值，实现新型电力系统的灵活高效运行，需要进行分布式资源的分层分区动态聚合。

  3）分层集群的新型电力系统运行控制（“信息网络”层面）

  新型电力系统是信息网络与物理网络高度融合的信息物理系统，智能终端需要采集的数据变得更加多元化、小型化，数据数量更为庞大。随着智能传感技术和电源管理单元（power management unit，PMU）、广域测量系统（wide area measurement system，WAMS）等的快速发展，将获取到反映大规模、复杂、高维的新型电力系统实时动态的海量数据集。

图4 分层集群的新型电力系统协同控制框架

  4）分层集群的新型电力系统市场机制（“价值网络”层面）

  传统电力系统由大型集中式电厂生产电能并经由多级升压和降压的输配电网到达电力用户，相应的集中式电力市场机制也形成电能商品从发电侧批发市场经大电网至用电侧零售市场的产供销体系。而在分层集群的新型电力系统中分布式电源处处存在，不同层级集群的聚合商们也将参与到面向电力批发市场或本地电力零售市场的电能交易，并且出现“产销者”（Prosumer，即电力生产者同时也是电力消费者）的新角色。包括分布式发电、储能和柔性负荷在内的分布式资源一方面将削弱大型发电企业对电能供应的垄断地位、提供灵活调节资源，另一方面所引发的复杂时变潮流也将给不同层级电网的规划、运行和保护带来新的挑战，并且催生全新的交易机制和商业模式。

  4 结论  

  1）本文提出了分层集群的新型电力系统的3层网络（能量网络、信息网络、价值网络）架构及整体研究思路。在能量网络层面，提出了分层集群的新型电力系统的技术特征和形态结构，并介绍了我国当前的相关政策支持。在信息网络层面，在介绍了新型电力系统分布式感知和信息融合问题后，重点探讨了集群智能与协同控制理论、技术在新型电力系统（特别是频率控制）中的应用。在价值网络层面，介绍了分布式资源端对端交易、虚拟电厂等新型交易机制和商业模式。

  2）未来新型电力系统的电力电子化已成为必然趋势，“源-网-荷-储”设备的智能化、数字化也使它们能够更加主动地参与系统的运行和控制，适合采用集群智能和协同控制理论和方法来解决。集群智能和协同控制充分融合人工智能、系统工程、协同控制、指挥与控制、导航制导与控制、通信与探测等多个学科的理论与技术，其理论与方法可相互借鉴，并且在新型电力系统的构建中具有广阔的应用前景，值得关注和深入研究。

  3）新型电力系统及与之耦合的能源系统是1个大规模、随机性、混杂性、分布式、网络化的复杂系统。其建模、分析、优化与控制是1个典型的多学科交叉问题，涉及电力系统、电力电子、热能动力、优化与控制、信息与通信、经济管理、人工智能等不同学科，并对传统电力系统理论提出了挑战。需要在新型电力系统基础理论与方法方面开展“从 0 到 1”的原始创新，并且紧密结合工程应用开展研究。