多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架設計

秦曉輝, 張彥濤,， 葛磊蛟 ， 王虹富， 王 瑩

(1. 中國電力科學研究院, 北京 100192；2. 天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；3. 國網天津市電力公司，天津 300010)

多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架設計

秦曉輝1, 張彥濤1,2， 葛磊蛟2， 王虹富1， 王 瑩3

(1. 中國電力科學研究院, 北京 100192；2. 天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；3. 國網天津市電力公司，天津 300010)

隨著新能源發電、電動汽車、微電網、冷熱電三聯供、大型電熱鍋爐、地源熱泵等大規模接入電力系統，電力系統變成了含冷/熱/電等多種用能形態的能源互聯網系統，也使電力系統安全穩定運行的同時面臨電網側與用戶側的雙重影響，為此提出一種能源互聯網背景下多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架。首先，簡介了電力系統的多態用能，并分析了其特征;其次，從正常態和故障態兩個角度構建了多態用能與電網間安全穩定的控制目標；最后，設計了多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架，以期為高滲透率新能源消納提供可行思路。

多態用能; 安全穩定; 協調控制; 精準切負荷

0 引言

近年來隨著智能電網建設的推進，新能源發電、電動汽車、微電網、冷熱電三聯供、大型電熱鍋爐、地源熱泵等大規模接入電力系統，使電力系統逐步轉變為以供電服務為中心，兼顧冷/熱/電多種能源的能源互聯網系統。尤其是高比例新能源的接入，也使電網的安全穩定運行面臨電壓、頻率等諸多問題。

為此，近年來國內外的學者對能源互聯網從基本概念[1]、系統架構[2]、功能設計[3,4]、發展模式[5-8]、技術架構[9-14]、組織形態[15-17]等多方面進行了探討。另外，文獻[18]從曲線平移類、曲線整形類和綜合類等方面對高比例可再生能源并網的電力系統靈活控制和平衡機理進行了論述。以上的研究對能源互聯網背景下多態用能與電網間安全穩定控制提供了基礎和借鑒，可以解決一些以電力為中心的能源供應問題，但缺乏針對多態用能的具體措施，有待深入研究。

能源互聯網集成了水/電/氣/熱等多種能源的綜合利用，多種能源的交換和轉化利用[19-24]，尤其是能源互聯網多態用能，這些能源之間的實時互動，以及多態用能與電網間的能源、信息等互聯互通，將面臨各自不同種類能源運行和控制、不同時間常數、不同尺度的集中控制和穩定控制，是一個超越方程的優化問題，有必要從網-荷互動的角度設計能源互聯網多態用能與電網間的安全穩定協調控制框架，滿足高滲透率新能源的就地消納，確保能源互聯網的穩態安全運行。

1 多態用能

多態最早是面向對象程序設計的一個重要特性,主要是指程序設計過程中選用一個接口可實現多種功能，泛指同一種事物表現出的多種形態。將此種概念套用于電力系統和能源互聯網[25-31]，特指電能與其他熱能、冷能等互相之間靈活、快速轉換的電能替代技術，以滿足人民的生產生活需求。

近年來，新能源和新技術的快速發展，國內智能電網示范區、發達城市核心區、大負荷工業園區、高新技術園區等政策與技術資源集中區域對水/電/氣/熱等多種能源需求量日益增加，而能源與環境的矛盾日益突出，傳統以燃煤、燃油等主要形式的能源消費方式給環境造成了較大的影響，因此，最大限度保障能源安全、優質與可靠供應是這些區域經濟發展的基本要求，而且為了實現節能減排和高效利用，出現了綜合集成能源服務、整合能源供應鏈等嘗試，并逐漸形成以提供電能服務為中心，以能源高效利用和滿足用戶用能需求為核心的多態用能系統。

多態用能系統是指在規劃、建設和運行等過程中，以電能為中心，通過對能源的產生、傳輸與分配(能源供應網絡)、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化后，形成的能源產-供-消一體化多態用能系統，也是電、氣、熱(冷)等兩種或多種能源系統耦合形成的有機整體，但隨著區域多態用能系統的推廣應用，其發展過程中所面臨的持續建設時間長、基礎設施薄弱、協調運行控制等關鍵技術缺乏，規劃、運行和建設等諸多短板也逐漸顯現，主要表現出以下特征：

(1) 目前的多態用能系統的規劃技術，一般對于電力、冷熱和燃氣等管網結構、控制策略等各自規劃，沒有總體的目標分解和協調策略，即使存在一定的協調規劃，基本上也是根據用戶需求而被動變化，特別是電力、冷熱和燃氣等能源調度的時間尺度不一致，如果在規劃設計階段未提前進行優化布局建設，將給未來構建同步協調機制增加難度，非常不利于源-荷互動的實施。

(2) 能源的使用自始至終受資源環境約束，全世界的能源總量處于長期短缺狀態，如何在滿足正常的用能需求前提下，有效利用好太陽能、風能等這些具有強隨機性、間歇性的優質可再生資源，做好多態用能與電網間的互動，在保證多態用能系統經濟、高效、安全和可靠的前提下，盡可能多地消納這些優質可再生能源，至關重要。

(3) 智能化能源站、電能替代技術、分布式儲能與用戶聯供設備等用戶側多態用能的基礎設施，目前還相對比較薄弱，并且轉換效率、動態響應速度不高，精準網-荷互動協調控制所需的一些關鍵技術和重要設備裝置還處在研究和探索階段，亟需進一步深入研究。

(4) 電力能源作為以電能作為動力的二次清潔能源，隨著智能電網與配用電一體化的建設，其資源調度能力和協調控制能力，相比燃氣、冷熱等其他能源具有較高優勢，但如何發揮電力能源在多態用能系統中的主導性作用，在確保能源安全、電網安全的前提下，充分利用網-荷互動技術，實時調度管理好能源互聯網，滿足用戶的多態用能需求，且保障經濟、高效用能，有待進一步深入研究。

總而言之，多態用能技術正處在快速發展中，其規模化推廣應用在關鍵技術、核心裝備、系統集成等多方面還有較多的研究需要深入，一些觀點、概念和技術都在逐步的發展和完善中，但是多態用能系統運行的首要目標是多態用能與電網間的安全穩定，這是無容置疑和非常明確的。

2 多態用能與電網間的安全穩定控制目標

多態用能與電網間的安全穩定協調控制其實質是為了在電網安全穩定的前提條件下充分利用好強隨機性、間歇性的可再生能源發電，整體上可分為系統的正常態和局部故障態兩種情況，但依據不同的出發點具有不同的控制目標，也可分為從用戶用能角度出發的多態用能安全穩定協調控制目標、從電網安全角度的電網安全穩定控制目標和從整體協調控制角度的多態用能與電網間的安全穩定協調控制目標等三部分，且每一個部分內容均分為正常態和局部故障態兩個方面，如圖1所示。由于多態用能的核心目標是整體的協調控制，為此重點闡述整體協調控制目標。

圖1 多態用能與電網間的安全穩定協調控制目標Fig.1 Coordinated control target of power system security and stability with polymorphic energy

2.1正常態的多態用能與電網間安全穩定控制目標

正常態是指電力系統處于安全裕度運轉狀態，多態用能與電網間的安全穩定控制目標主要是為了在保障電網穩定運行的安全裕度條件下，盡可能為用戶提供高品質的供電服務，主要控制目標包括整體用能經濟性最佳、用戶舒適度最好和整體能源損耗最小為主。

2.1.1 整體用能經濟性最佳

在能源互聯網背景下充分考慮影響用電系統與能源系統互動的因素，根據科學性、全面性和客觀性的原則分析系統運行效益，達成整體用能的經濟性最佳。

(1)

式中：P為系統總的利潤；N為系統效益種類合計；M為系統成本費用種類合計；ai為系統第i類效益值；bj為系統第j類成本費用值。在全球能源互聯網背景下系統的成本費用值基本都是固定值，效益值主要包括售電效益(a1)、政府補貼效益(a2)、節能效益(a3)、降低損耗效益(a4)、碳貿易效益(a5)、可靠性效益(a6)和減緩電網投資效益(a7)等。

2.1.2 用戶舒適度最好

一般而言，用戶舒適度是一個與人生活質量相關的主觀指標[32]，是氣溫、氣壓、相對濕度、風速等4個氣象要素對人體感覺影響的綜合體現，常用該4項要素構建一個非線性方程，如下式所示。

(2)

式中:SSD為人體舒適度指數；t為平均氣溫；f為相對濕度;v為風速；p為氣壓。

2.1.3 整體能源損耗最小

整體能源損耗最小是指區域范圍內所有的用戶能源損耗總和最小，是整體用戶用能及電網的損耗之和，主要包括電網的能源損耗、用戶的能源損耗和用戶接入可再生能源后所產生的損耗等三方面[33]，如下式所示。

(3)

式中：Q為整體能源損耗；Ni為第i個節點的能源損耗；n為電網的總節點數；Uj為第j個用戶的能源損耗，主要包括耗電量、節電量、節電率三方面；m為用戶總數；Ek為第k個用戶接入的可再生能源后所產生的損耗，主要指為盡可能多消納強隨機性、間歇性可再生能源接入的電網協調調度損耗；s為新能源的節點總數。

2.2局部故障態多態用能與電網間安全穩定控制目標

局部故障態是指系統的局部出現故障而整個系統未崩潰的狀態，此時系統為確保安全，需要進行快速、準確的保護動作，因此多態用能與電網間的安全穩定控制目標主要包括電網滿足N-2安全準則、隔離故障點后最大恢復用戶用能需求和恢復后系統的能源損耗盡可能小。

2.2.1 電網滿足N-2安全準則

能源互聯網以電能供應為中心，局部故障態時優先保證電網的安全是其首要控制目標，為此要求電網具有N-2安全準則[34-36]。

N-2安全準則是指正常運行方式下系統中任意2個元件(如線路、發電機、變壓器等)無故障或因故障斷開后，系統應能保證穩定運行和正常供電，其他元件不過負荷，電壓和頻率均在允許范圍內。其主要包含兩層含義：(1) 保證電網的穩定；(2) 保證用戶得到符合質量要求的連續供電。

2.2.2 隔離故障點后最大恢復用戶用能需求

當局部故障發生后，系統快速、精準切除了區域內分區分片的故障用戶用能需求，快速進行故障原因分析，精準確定故障點；在電力供應方面，通過負荷轉供、網絡重構、動態組網等技術手段，協調調度可再生能源發電出力，盡可能多恢復區域內沒有故障的用戶供電需求；在能源供應方面，基于供熱、供冷等能源供應響應時間周期長的特點，進行冷熱電三聯供(CCHP)系統的模式切換、冰蓄冷/水蓄冷機組的協調控制，滿足用戶的熱/冷用能需求。

2.2.3 恢復后系統的能源損耗盡可能小

系統局部發生故障后，將故障用戶精準、快速隔離后，系統恢復穩定運行，此時為確保系統穩定，考慮可再生能源的強隨機性、間歇性，一般不進行可再生能源的協調調度管理，因此系統恢復后的損耗主要包括電網側的網損和用戶側的損耗兩方面；系統穩定運行后，以能源損耗盡可能最小為目標。

(4)

式中：Q為能源損耗。

3 多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架

多態用能與電網間的安全穩定協調控制是一個在系統網-荷互動協調調度下實時動態穩定問題，需要從網、荷兩方面協調控制，如圖2所示。其中電網側的控制是現在較為成熟的大電網安全穩定調度管理[37-42]，下面重點從精準切負荷和多能協調互動兩個方面介紹負荷側的協調控制。

圖2 能源互聯網多態用能與電網間的安全穩定協調控制框架Fig.2 Coordinated control framework of power system security and stability with polymorphic energy

3.1 精準切負荷技術

用戶側的精準切負荷技術是多態用能與電網間安全穩定的重要技術之一，主要包括暫態控制和穩態控制兩個方面，下面進行詳細闡述。

3.1.1 精準負荷暫態控制

精準負荷暫態控制是為保證多態用能與電網間的安全穩定運行而進行精準切負荷控制的第一步，綜合利用電網的故障信息、運行方式和關鍵斷面潮流等數據，結合故障時負荷的實時狀態，通過廣域范圍內的多個/多組負荷開關快速動作，按一定的控制原則、設定的控制目標和策略快速采取切負荷措施，從而達成系統的穩定。

精準負荷暫態控制的關鍵是正常運行時大規模、廣域范圍內負荷的精準實時監視與分類排序，以及系統局部故障情況下毫秒級準確決策與海量負荷的準確措施執行。精準負荷的暫態控制在控制時間上要求與現有的集中負荷暫態控制相同，均需在毫秒級的時間內完成對負荷的控制，以滿足對電網的暫態穩定、頻率穩定的要求。其協調控制的方法主要采用分層分區控制方法，分別由控制主站、子站和執行站來執行組成相應協調指令；其中，控制主站負責系統整體策略的判斷和指令下發；控制子站負責本區域的負荷信息匯集與上傳，并接收主站命令分配下發至下屬執行站；控制執行站負責負荷信息的采集與上送，接收子站命令并執行切負荷控制。

3.1.2 精準負荷穩態控制

精準負荷穩態控制是系統進行切負荷動作完成后，為盡可能多消納可再生能源，并保證系統的穩定運行而進行的優化協調控制，由特高壓電網故障感知、電網運行調整優化策略在線生成以及省調、地調和營銷的自動協調控制等三方面組成，其協調控制流程如下。

(1) 特高壓故障感知：通過網省協調以及主子站協同兩種不同模式的特高壓直流故障在線診斷技術，實現直流故障模式的在線識別、運行信息綜合集成展示以及省地間聯合控制的實時交互，解決目前特高壓故障人工分析判斷、告警信息繁雜以及省地間信息交互能力薄弱的問題，提升應對特高壓電網的故障感知能力。

(2) 電網運行調整優化決策在線生成：針對特高壓直流閉鎖情況下控制手段精細化不足的問題，從直流閉鎖預決策以及實際閉鎖后的校正控制兩方面開展研究，綜合考慮機組、負荷等資源的調節能力以及調節成本，結合可調度管理的可再生能源，在滿足斷面輸送能力、系統備用水平等約束下，建立控制成本最小化的電網運行調整優化模型，實現電網運行調整優化策略的在線計算，給出應對直流閉鎖的預決策及校正控制輔助決策，提升應對特高壓直流閉鎖的精細化控制水平。

(3) 省調、地調和營銷的自動協調控制：在優化決策基礎上，將優化決策計算出的控制策略通過智能電網調控系統與營銷負荷快速控制系統一體化集成，由調度員直接在調控系統對營銷策終端用戶實現負荷控制，實現分鐘級負荷控制，解決電網控制斷面越限、控制聯絡線超用以及控制預留旋轉備用等穩態問題，實現在電網安全穩定運行條件下，盡可能多消納可再生能源發電。

3.2 多能協調互動技術

多能協調互動技術是以負荷側與電網側的PCC接入點交換功率為設定目標，調動用戶側的電動汽車、分布式電源、微電網、電熱鍋爐、規模化儲能和虛擬同步機等，結合不同能源間的不同時間、不同響應時長等特性，達成滿足系統穩定的目標，完成可再生能源發電的消納，主要有以下幾個方面的關鍵技術。

(1) 在構建的系統模型基礎上，充分考慮各類分布式能源、儲能和負荷之間的相應速度和響應特性差異，結合各單元設備運行特性數學模型和改進型的運行模型量化分析集成多態用能系統在多個時空尺度上的運行特性和相互作用與影響。通過分析分散和聚合形式下元件運行規律，定量計算能源互聯網中能量實時可調裕度和周期可調度范圍。

(2) 考慮到間歇性可再生能源電源、電動汽車、儲能等單元在共存運行過程中存在互補增效性，針對多態用能不同運行模式形成兼顧重要負荷支撐和經濟優化運行的多時空尺度上的“調峰調蓄”協同控制與調度機制。

(3) 考慮到針對網-荷均具有隨機性的特點，互動協同運行的運行機會約束模型構建技術，通過需求響應與分布式能源、用戶間的互動協調來消納高滲透率的間歇性可再生分布式能源的出力不確定性。采用孤島劃分和復雜網絡節點劃分思想，提出一種基于智能搜索算法的互濟協同運行的協同互濟調度方法。

(4) 在根據前述系統模型的模塊化構建方法所形成的含有兩種或兩種以上間歇性可再生電源(光伏、風力)、電動汽車、儲能單元以及主動負荷的多態用能混合集成系統模型基礎上，采用分層分區控制思想實現設備單元級、微網級和系統級上的協同控制技術，各層采用不同時間尺度以保證功率平衡并維持電壓、頻率在允許范圍內，實現系統的安全穩定運行。

4 結語

能源互聯網的推廣應用，用戶側的冷/熱/電等多種能源需求，以及多種能源協調互動和可再生能源的高效利用是一個趨勢，但是多態用能與電網間的安全穩定是這些問題的首要和重點核心之一，本文從源-荷互動的角度，構建了一種多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架，重點從精準切負荷和多能協調互動技術兩方面，提出了多態用能的安全穩定控制技術路線，以期為高滲透率新能源的高效、經濟運行提供借鑒。

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(編輯劉曉燕)

A Framework Design of Coordinated Control for Multi-energy’sUtilization and Grid’s Security and Stability

QIN Xiaohui1, ZHANG Yantao1,2, GE Leijiao2, WANG Hongfu1,WANG Ying3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010, China)

With the integration of large-scale new energy resources, EVs, microgrids, CCHPs, large electric heating boilers and ground-source heat pump in to power system, it has been converted to be a meshed multi-energy system with the setup for cooling, heating, and electricity. Since power system’s stability can be affected by grid and user sides, a frame work design of coordinated control for multi-energy’s utilization and grid’s stability and security under the scope of energy internet is proposed in this paper. Firstly, this paper introduces mulit-energy utilization in the power system, and investigates its characteristics. Secondly, the control objects for multi-energy’s utilization and grid’s security and reliability were constructed from the aspects of normal and contingency conditions. Lastly, a framework is designed for multi-energy’s utilization and grid’s stability and security, and provides a viable scheme for the utilization of high-penetration new energy.

polymorphic energy; security and stability; coordinated control; accurate load shedding

秦曉輝

2017-04-17；

2017-05-23

國家電網公司科技項目(全球能源互聯網技術體系研究)；廣東省綠色能源技術重點實驗室項目(-2-0-0-8-A-0-6-0301002)

TM74

：A

：2096-3203(2017)05-0008-07

秦曉輝(1979—)，男，山西晉城人，教授級高級工程師，從事電力系統規劃運行分析和新技術應用工作；

張彥濤(1980—)，男，河北保定人，教授級高級工程師，從事電力系統規劃研究工作；

葛磊蛟(1984—)，男，湖北咸寧人，講師，研究方向為智能配用電、云計算和大數據(E-mail:legendglj@163.com);

王虹富(1984—),男, 河北保定人, 工程師，從事電力系統潮流計算和短路電流計算工作；

王 瑩(1979—),女,遼寧錦州人,高級工程師,從事電網調度運行與計劃、電網規劃計劃管理工作。