適應新型電力供需的多元化友好互動體系研究

李作鋒，黃奇峰，楊世海，陸子剛

（1.國網江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院國家電網電能計量重點實驗室，江蘇南京210019）

專論與綜述

適應新型電力供需的多元化友好互動體系研究

李作鋒1，黃奇峰2，楊世海2，陸子剛2

（1.國網江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院國家電網電能計量重點實驗室，江蘇南京210019）

針對未來電網發展趨勢下電力供給側與需求側間形成的新型供需關系，分析了江蘇電網大規模清潔能源高比例滲透、電動汽車快速增長和海量柔性微負荷在內的電力供需結構特征，建立了電源、電網、負荷間友好互動效益綜合評估模型，基于各參與方整體收益分析，提出了適應新型電力供需的多元化友好互動體系，研究了友好互動體系功能架構，包括狀態感知、數據處理、狀態可見和協同優化。最后，介紹了江蘇電網開展多元化友好互動實施模式、策略及應用體系研究和實踐，為提升電網與用戶間互動水平、電網消納可再生能源和充電負荷的彈性互動能力起到了重要的支撐作用，實現了能源供需聯動應用下的各方互動共贏。

新型電力供需；海量微負荷；友好互動；效益評估；協同優化

電能是國家能源戰略的核心要素，更是國民經濟的命脈，保障生產、生活用電是國家發展戰略全局的組成部分，也是社會和諧穩定的重要因素。近年來我國能源供應緊缺、環境壓力加大等日益凸顯，江蘇作為電能供給與消費的重要省份，更需要利用自身電網優勢及電力供需結構性新特點，合理體現電能資源的利用價值，在倡導合理有序用電、促進資源節約和環境友好型社會建設的同時，提升電網與用戶的互動水平，深化開展新型電力供需下多元化友好互動的智能用電體系應用，實現全球能源互聯網戰略構想的落地實踐［1］。

目前，江蘇電網實現了從傳統大范圍、粗放式有序用電管理方式向精益化、科學化、系統化的有序用電管理與電力需求響應相結合方式的轉變［2-4］。隨著可再生能源發電向電網的高比例滲透，以及優化能源結構、提升智能互動水平等對電網發展提出的更高要求，促使江蘇積極探索“源網荷”友好互動的創新發展之路［5，6］。在清潔能源消納方面，目前，江蘇風電和光伏發電接近雙4000MW，預計“十三·五”將達到雙10 000MW。千萬千瓦的風電和光伏主要在配網薄弱地區上網，傳統的電力系統自動化運行水平將逐漸落后于未來電網的發展趨勢。同時，隨著國家對電動汽車的鼓勵政策和電池、快充技術的發展，江蘇電動汽車保有量增長在未來若干年內增長10余倍。電動汽車充電若不加以引導，將對城市電網的承載能力帶來嚴峻考驗［7-9］。因此，有必要針對當前新型電力供需的背景，開展電網與用戶多元化友好互動體系研究。文中重點分析了現階段新型電力供需結構內涵及特征，研究大規模清潔能源、電動汽車及海量柔性微負荷互動價值評估，通過構建多元化的友好互動體系功能層級，探討了電網運行與用戶用電行為間的協同優化策略。

1　新型電力供需結構特征分析

1.1大規模清潔能源的高比例滲透

風能和太陽能都是重要的可再生資源，對于能源安全與環境安全起著十分重要的作用［10］。江蘇風能資源主要集中在沿海地區（如圖1所示），風電開發潛力優勢明顯，具備良好的發展前景。其中，鹽城與南通地區的風電場較為集中，風電出力分別占全省風電總容量的46.32%和36.61%。眾所周知，風電的快速發展能對能源、環境安全產生顯著的效益，但是也給電網運行帶來了嚴峻的挑戰。

圖1　江蘇風力發電分布示意圖

風電的重要特征表現為它的不確定性［11］：

（1）風速的不確定性。影響風力發電的關鍵因素是風速，由于海拔、地形、氣壓、設備等多重因素，在風能的方向、平均速度與脈動風速等方面的時空多維分布上都表現出不確定性；

（2）風能-電能轉變中的不確定性。包括：①機組退網、狀態檢修、缺陷事故、風速超限造成的退出及投運；②工況特性的改變；③最大風力發電跟蹤與實時調整等運行狀態間的改變。

（3）外部運行環境的不確定性。包括突發事件、負荷及機組出力變化的不可預知性。

由表1可見，江蘇集中式（統調）為1000MW，另外，省內分布式（非統調）光伏電站并網容量約為2600 MW，其中，全省各集中式光伏電站的并網容量大多為100MW左右，出力較大，占地集中。而分布式光伏發電不僅在13個市分布不均，而且各并網容量不等，形成了星羅棋布的分散格局。

表1　江蘇集中式光伏出力分布

光伏發電能夠替代常規發電方式，是繼風力發電之后被廣泛寄予厚望的一類清潔能源發電技術。然而，光伏出力易受外部環境（氣象條件）影響，其發電性質與常規發電方式相比具有明顯的差異性。對于大規模光伏并網，光伏發電系統構成了具有不確定性的不可控源。因此，降低光伏出力的不確定性對系統運行產生不利影響，可進一步提高電網運行的安全穩定性［12］。

1.2電動汽車快速增長

當前，新能源發電技術取得了飛速的進步，諸如電動汽車的新型負荷大量地接入電網，使得現代電力系統規模在不斷擴大的同時，隨機因素也不斷增多，對電能供給的影響也愈加突出［13］。2015年江蘇電動汽車及其配套設施建設增速顯著，主要表現為：加快省內充電設施建設；開展高速服務區快充網絡運營；部署國網統一車聯網平臺；配建新建小區交流充電樁。

電動汽車充放電是影響電網運行的關鍵因素。它可以分為3類典型方式：（1）單向無序充電方式（即插即用型），主要特征是電動汽車在連接充電電源后即開始充電；（2）單向有序充電方式，主要特征是僅允許電動汽車在特定時間充電，并且僅作為負荷使用；（3）雙向有序充放電方式，主要特征是電動汽車可與電網開展電能雙向交互。電動汽車由于自身充電行為的不確定性與間歇性，將對電網運行帶來不可忽略的隨機擾動影響。鑒于此，供電企業可采取針對電動汽車充電激勵措施，系統性地改變用戶采取的充電方式，改善電動汽車負荷對電網的影響。

1.3海量柔性微負荷

柔性微負荷為用戶的溫控負荷設備等通過改造可在電網側調節參數的設備用電，即可柔性降載的用電負荷［14］。目前，隨著智能表計的普及、智能用電互動平臺的建立，居民家庭與電力公司之間的雙向互動愈加深化，在滿足居民用戶多元化、互動化的用電服務需求的同時，江蘇電網提升居民側用電管理水平與家庭能源利用率，主要表現為：

（1）推廣智能用電設備。在全省13個地市開展智能小區建設，建成10余個智能小區樣板房，試點應用智能插座、智能攝像頭、智能用電終端等智能化設備，用戶可手機遠程操控家中電器，提升用戶用電滿意度。

（2）建立居民能效優化管理平臺。完成居民能效優化管理平臺的軟件開發及上線運行，推出用戶“智電生活”手機APP，實現居民智能化設備管理，為用戶手機提供家用電器用電信息實時查詢功能，引導居民改善用電習慣，優化家庭用電方式。

2　多元化雙向友好互動效益評估

電網與用戶間的多元化雙向友好互動需綜合考慮各方的成本效益，所構建的友好互動效益評估原則不僅應當符合電網發展和建設需滿足多元化需求側的要求，而且應重視電網、用戶與各類外部因素的交互性。

如圖2所示，多元化雙向友好互動效益評估受到包括新型電力需求、電源情況、電網分析、技術提升及成本指標等5個方面影響因素的制約。電網與用戶是現代電力系統的重要組成要素，在電力改革及市場機制環境下，供給側與需求側都形成了各具利益需求和決策權的獨立個體。由于雙方的聚焦重點不同，影響了各自效益評估的關注方面，并形成了具有博弈關系的存在體系。在針對多元化雙方友好互動效益評估的相互作用中，能夠合理地引導電力供給側的科學投資，并利用電力系統將環保及能源政策等信息輸送給負荷側，通過對供需結構的優化最終實現雙方協調發展。

總體上，在多元化雙向互動效益評估中，供給側（電網及電源）關注重點為各類一二次電力設備的投資及運行維護成本，以及新增電量銷售形成的增收效益；需求側（負荷）關注重點為基礎電費、生產生活用電設備投資與運行維護費用，以及新增電力設備投入后帶來用電成本降低的效益。多元化雙向互動效益評估以各方收益最大化為依據，具體可分為如下幾點。

2.1電源互動效益評估

電源方作為需求側供給的中心市場，其效益決策導向是利用合理的新增機組容量滿足最大化收益需求，可表示為：

式中：ρk為第k個節點的電價；Pnge，wk為相應的新增機組容量；Pg，k為實際運行中機組出力；Cinvg，Copg分別為新增機組成本的投資及運行價格系數。作為電源方的效益評估模型，式（1）在對機組出力建立不等式約束條件下，電廠收益目標函數中已新增機組容量Pnge，wk及出力狀況Pg，k作為核心影響因素。

2.2電網互動效益評估

電力設備主要包括電力變壓器及輸電線路，以負荷需求為目標，電網方通過新增變電容量及輸電走廊，獲取需求側市場，從而形成最大化收益，可表示為：

式（2）為現有足夠變電容量下，不額外新增輸電線路的收益模型，式（3）為在不額外新增輸電線路下，新增變電容量收益模型，式（4）為額外新增輸電線路的收益模型。其中：N為節點維度；ρi，ρj分別為相應節點i，j節點電價；Fij，F'ij分別為是否額外新增輸電線路情況下i至j的間線路潮流F為線路L的傳輸容量Pnew；mnmn；d，k為新增傳輸容量；Tk為新增變電容量；Cinvl，Copl分別為投資及運行價格系數；Cl為新增傳輸容量價格系數；Cinvt，Copt分別為新增變電容量投資及運行價格系數。

2.3負荷互動效益評估

隨著經濟的增長和社會的進步，電力需求側不僅強調電力用戶的增產增收，更加注重用戶負荷通過智能有序用電降低成本，進而提高整體收益，可表示為：

式中：ρk為節點電價；Dk為新增負荷容量；Cs，Copd，Cinv分別為Dk的產值、運行、投資價格系數。

作為需求側負荷的效益評估模型，式（5）在構建負荷約束不等式約束條件下，形成新增變電容量、負荷容量及負荷傳輸容量三者間的制約關系，并最終構成需求側收益表達式。

圖2　多元化雙向友好互動效益評估的影響因素作用路徑

3　多元化雙向友好互動體系功能架構

針對高滲透率的清潔電源和電動汽車的大量接入，在確保電力系統可靠性、潮流電壓不越限和電能質量的前提下，利用友好互動機制，開展大電網運行與海量柔性微負荷、電動汽車、分布式可再生電源間的友好互動，實現分布式電源的全額友好接入、電動汽車的有序充放電與居民家庭智能用電的需求。多元化雙向友好互動體系功能架構主要分為狀態感知、數據處理、狀態可見、協同優化4個方面，如圖3所示。

3.1狀態感知

（1）區域電網運行狀態感知。利用高級量測體系和物聯網傳感器技術，實現當前區域電網狀況的直觀全面感知；基于多源信息融合和可視化技術，實現區域電網實時狀態評估、風險評估、態勢計算及預測和可視化展示。

（2）用戶用電態勢感知。利用典型用電場景分類及影響用戶用電模式特征因素的分析結果，構建用戶用電模式影響機理，通過行為特征、職業習慣等用戶行為因素，電價、政策等外部因素，氣象等用電環境，電網穩定性及經濟性等，實現用戶用電態勢全景實時感知。

3.2數據處理

（1）統一信息模型。完善公共信息模型架構，覆蓋各類分布式清潔能源系統、電動汽車及充電設施、各類智能負荷終端等在信息模型中的應用。與統一通信規約共同構成電網設備即插即用、設備狀態即時可見的基礎。

（2）統一數據交互。包括：電網信息模型和實時數據模型的接口規范，主要用于非實時或準實時的數據訪問；實時數據的接口規范，主要用于對實時數據的訪問；歷史數據的接口規范，主要用于對歷史數據的訪問；通用消息的接口規范，主要用于事件和報警的傳輸。

（3）數據服務平臺。基于統一數據模型，整合、優化數據服務組件，融合數據中心，構建統一的數據服務組件和運維管理系統，提高數據平臺的管理水平和能力；通過量測設備從配網采集，經過混合網絡傳輸后至大數據平臺，并經過數據整合、數據存儲、數據處理3個處理步驟統一對外提供服務；完善平臺功能，提高大數據平臺的數據挖掘技術。

3.3狀態可見

（1）資源可見。通過對分布式能源的實時信息采集，獲取其可用、可調節度，實現可調度資源的在線可見；實時給出分布式電源的定容定址優化，使得分布式電源在電網的接入點和接入容量資源可見；利用新型智能負控終端，實現用戶負荷的分路采集和用戶可調控資源的實時可見。

（2）運行狀態可見。通過高級量測布點，實現機組并網、解列、發電出力以及風電/光伏功率預測等運行狀態的可見，實現對虛擬電廠、可控負荷的運行狀態可見；通過動態建模，實時計算復合目標下的可中斷負荷實施方案，實現與大電網故障應急處置的精確匹配，有效提升智能決策能力。

3.4協同優化

區域能源友好互動平臺作為上級電網的支撐，與上級電網的重要互動可實現縱向的交互，為調峰、調頻以及緊急故障提供備用；區域能源友好互動平臺內具有新能源利用率、網損率、負載率等多個運行優化指標，在不同運行工況下需要協調好區內源網荷的運行方式及水平，以友好互動的形式，提升供電品質；通過友好互動平臺的協調控制，實現大規模分布式能源與海量柔性微負荷的友好互動和消納，提高電網彈性。

圖3　多元化雙向友好互動體系功能架構示意圖

4　江蘇電網開展多元化雙向友好互動實踐

江蘇實踐電網與用戶多元化雙向友好互動體系，聚合用戶負荷、分布式電源、分布式儲能資源，為主網和區域電網的安全經濟運行提供有效支撐。

4.1規范采集標準實施終端升級改造

組織調研營銷業務所涉及的新型負控終端、采集終端、智能開關、能效監測終端等采集種類，建立統一完善采集設備的技術規范，制定健全的設備監測與質量監督管理辦法，對各類采集設備進行全生命周期管理，提高采集設備運維管理水平。明確具體整改計劃，提高負荷控制面。研發及安裝智能網荷互動終端設備，采取雙光纖通道、GPRS、無線專網等方式，滿足用電數據采集和負荷控制要求。

4.2聚合用戶資源實現負荷分類管理

全面開展用戶智能互動負荷分類調研，掌握典型用電行業負荷特性和靈活互動能力分析，構建用戶側負荷控制資源庫。一是具備快速響應能力的工業用戶可中斷負荷；二是具備及時響應能力的空調溫控和電動汽車等海量柔性負荷；三是具備有效響應能力的需求響應負荷，在未來3至5年內具備約電網尖峰負荷5%的響應能力；四是具備快速響應能力的集中式和分布式儲能負荷，試點實現具備大規模儲能能力的儲能虛擬電廠。

4.3智能網荷控制支撐電網應急處置

建立大規模多元化雙向友好互動系統，將實時控制部分功能部署在與調度自動化系統進行對接，在電網與用戶間進行控制指令和運行信息的實時交互，提升負荷控制的精確性。利用先進的信息化、通訊及控制技術，實現多層級、分批次的協調和精準控制，滿足新型電力供需結構的各種類型靈活互動、應急處置及事故恢復要求。

4.4基于“互聯網+”打造友好互動平臺

基于“互聯網+”全面提升電網生產、經營、管理和服務水平，構建能源供給及服務新模式，提高能源利用效率，推動節能減排。建立完善需求響應機制，通過虛擬電廠技術聚合各類負荷響應資源，實現用戶與區域電網/主網間的互動，有效支撐電網安全穩定經濟運行；通過虛擬同步發電機技術，實現分布式新能源與儲能的互動，有效提升分布式新能源的消納水平。

5　結束語

針對江蘇電網新型供需結構的時代背景，著重闡述了當前電力供給側與需求側的顯著特征，建立了電源、電網、負荷三方積極參與的友好互動效益評估模型，在各方共贏的整體收益分析基礎上，提出了適應新型電力供需的多元化友好互動體系，研究了應用體系實踐的主要功能架構，為江蘇電網開展多元化友好互動實踐提供有效支撐。

服務于江蘇大規模清潔能源、電動汽車新型負荷接入、海量柔性微負荷靈活互動的需求，江蘇電網大力開展彈性電網的安全、穩定、經濟、高效運行新模式，為適應新型電力供需結構發展提供了新的解決思路，為承接全球能源互聯網戰略落地江蘇、落實“兩個替代”戰略、提升電網品質提供全面支撐。

［1］孫秋野，王冰玉，黃博南，等.狹義能源互聯網優化框架及實現［J］.中國電機工程學報，2015，35（18）：4571-4580.

［2］顏慶國，薛溟楓，范潔，等.有序用電用戶負荷特性分析方法研究［J］.江蘇電機工程，2014，33（6）：48-54.

［3］丁偉，袁家海，胡兆光.基于用戶價格響應和滿意度的峰谷分時電價決策模型［J］.電力系統自動化，2005，29（20）：10-14.

［4］王珂，姚建國，姚良忠，等.電力柔性負荷調度研究綜述［J］.電力系統自動化，2014，38（20）：127-135.

［5］姚建國，楊勝春，王珂，等.智能電網“源-網-荷”互動運行控制概念及研究框架［J］.電力系統自動化，2012，36（12）：1-6.

［6］杜紅衛，魯文，趙浚婧.城市配電網源網荷互動優化調度技術研究及應用［J］.供配電，2016（1）：45-50.

［7］GALUSM D，WARAICH R A，NOEMBRINIF，etal.Integrating Power Systems，Transport Systems and Vehicle Technology for Electric Mobility Impact Assessment and Efficient Control［J］. IEEETransactionson SmartGrid，2012，3（2）：934-949.

［8］徐智威，胡澤春，宋永華，等.基于動態分時電價的電動汽車充電站有序充電策略［J］.中國電機工程學報，2014，34（22）：3638-3646.

［9］張永旺，趙偉，肖勇，等.基于分層架構的大規模電動汽車有序充電仿真平臺［J］.電網技術，2014，39（1）：55-62.

［10］ANTONIO G，SINMONE P，ANTONIO V，et al.Bidding W ind Energy ExploringWind Speed Forecasts［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2016，31（4）：2647-2656.

［11］薛禹勝，雷興，薛峰，等.關于風電不確定性對電力系統影響的評述［J］.中國電機工程學報，2014，34（29）：5029-5040.

［12］黃偉，劉健，魏昊焜，等.分布式光伏電源極端可接入容量極限研究［J］.電力系統保護與控制，2015，43（3）：22-28.

［13］IKEGAM IT，OQIMOTO K，KUDO K，et al.Balancing Power Supply-demand by Controlled Charging of Numerous Electric Vehicles［C］.2012 IEEE International Electric Vehicle Conference.Greenville，USA：IEEEComputational IntelligenceSociety，2012：1-8.

［14］顏慶國，薛溟楓，陳楚.有序用電價值評價體系下的用戶避峰價值模型［J］.電氣應用，2014，33（23）：125-129.

Research on a Pluralistic and Friend ly Interaction System Adapted for New Power Supp ly and Demand

LIZuofeng1，HUANG Qifeng2，YANG Shihai2，LU Zigang2
（1.StateGrid Jiangsu Electric PowerCompany，Nanjing210024，China；2.StateGrid Key Laboratory of Electric Energy Metering，State Grid Jiangsu Electric Pow er Com pany Electric Pow er Research Institute，Nanjing 210019，China）

Considering anew power supply-demand relationship for the future powergrid，the power supply-demand structure of Jiangsu electric pow er grid w as analyzed，which involved the high penetration of large-scale clean energy integration，the rapid grow th of electric vehicles and mass flexible loads ofmicro-grid.For analyzing friendly interaction among the power supplies，powergrid and loads，a comprehensivebenefitassessmentmodelwasworked up.Based on theoverallbenefitsofall participants using the benefitassessmentmodel builtbefore，it proposed a pluralistic and friendly interaction system adapted for new power supply and demand.The function architecture includes state awareness，data processing，state visibility and collaborative optimization.Finally，thework of study and practiceof the pluralistic and friendly interaction system in Jiangsu power grid w as introduced in the fields of imp lementationmode，interaction strategy and the system's application.Thiswork playsan important role in theenhancementof the interaction between powergrid and users，the flexible interactive capability of accommodating the electric power generated by renew able energy and the charging load，and reaches an interactive w in-win situation forallpartiesunder theapplication of energy supply-demand linkage.

new power supp ly and demand；mass m icro-load；friendly interaction；benefit assessment；collaborative optimization

TM 76

A

1009-0665（2016）05-0001-05

李作鋒（1964），男，山東淄博人，高級經濟師，從事電力營銷管理及負荷響應研究工作；

黃奇峰（1968），男，江蘇東臺人，研究級高級工程師，從事電力計量及營銷管理工作；

楊世海（1976），男，安徽淮北人，高級工程師，從事電力系統運行分析及計量管理工作；

陸子剛（1984），男，江蘇常州人，工程師，從事電力系統運行和控制工作。

2016-05-09；

2016-06-01