雄安新區數字化主動電網研究與實踐綜述

孫廣輝,耿少博,姬艷鵬,孫章嶺

(1.國網河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

面對全球節能減排和能源可持續發展的巨大挑戰,大力發展分布式可再生能源已成為必然選擇。大規模分布式電源接入電力系統中,在提高節能減排效果、改善環境的同時,由于其具有隨機性、間歇性和波動性等特點,將對系統潮流分布、電壓水平、短路容量等原有電氣特性造成顯著影響。而傳統配電網運行方式和規劃準則相對簡單,未考慮分布式電源的影響,因此難以滿足低碳經濟背景下高滲透率可再生能源發電接入與高效利用的要求。

在此背景下,2008年國際大電網會議(CIGRE)首次提出了主動配電網(Active Distribution Network,ADN)的概念[1],并在2009年CIGRE C6.11工作組的工作報告中,將主動配電網定義為:可以綜合控制分布式能源(分布式電源、柔性負載和儲能)的配電網,配電運行人員能夠應用靈活的網絡技術調整潮流的分布,分布式能源在合理的監管環境和接入準則基礎上能夠向系統提供一定輔助服務支撐[2-3]。CIGRE對主動配電網的定義可簡化為:主動配電網是一個內部含有分布式能源,具有主動控制能力和運行能力的配電網。

隨著以863課題為代表的一批國內外試點研究和示范應用的深入開展,主動配電網內涵特征不斷豐富,但尚未形成完整的體系架構,加之試點項目在選址范圍、電壓等級、示范場景、技術融合等方面仍存在方向單一的局限性,難以實現推廣應用。2020年9月,國網河北省電力有限公司(簡稱“河北公司”)正式發布雄安新區數字化主動電網的建設方案。雄安新區作為電網技術與信息技術高度融合、源網荷儲深度互動、以電為中心的多種能源協同利用的綜合示范區,具備條件完善主動電網內涵和架構,有能力構建220 k V及以下全電壓覆蓋、全場景融合、全資源優化的雄安特色數字化主動電網,支撐雄安新區全數字綠色智慧城市建設。

1 國內外研究現狀

將主動控制的思想用于配電網,可以形成主動配電網技術理念上的“六個主動”,分別是:電網側主動規劃、主動控制、主動管理與主動服務,負荷側主動響應,以及發電側主動參與。

1.1 電網側主動規劃

主動規劃主要體現為:協調統一規劃建設一次電網架構、二次自動化系統與智能決策支持系統,實現三位一體的協同規劃;由電網規劃設計單位主動對區域內的分布式可再生能源發電能力進行主動評估,確保分布式可再生能源可以安全、經濟地并網。

文獻[4]基于傳統配電網的信息模型,提出了用于主動配電網規劃的簡化信息模型。文獻[5]提出了一種以分布式能源消納最大、分布式能源接入容量最小為目標函數的主動配電網規劃模型。文獻[6]考慮間歇性分布式能源規劃布局、輸出功率及負荷的不確定性,以單位用電量的綜合經濟代價最小、間歇性可再生能源年有效發電量最大為目標函數,建立了主動配電網雙層場景規劃模型。文獻[7]綜合考慮分布式電源和充電樁協同規劃,以及負荷波動、分布式電源棄電等運行成本,建立了多目標主動配電網規劃運行模型。文獻[8]建立了基于博弈論的主動配電網擴展規劃與光儲選址定容的雙層優化模型。

1.2 電網側主動控制

主動控制主要體現為:通過源網荷儲協調控制,將分布式電源作為可控可調度機組參與最優潮流運行調度,實現分布式電源與電網的一體化控制。

文獻[9]提出一種面向可再生能源跨區域消納的主動配電網多目標優化調度模型,該模型綜合考慮了分布式電源有功、無功出力控制、儲能設備充放電以及可中斷負荷的調用等因素。文獻[10]提出一種基于電動汽車充放電功率和網絡重構2種手段,以消納新能源為目標的主動配電網兩階段協調優化調度策略。文獻[11]基于多時段配電網網絡重構及電池儲能系統運行優化,提出一種考慮分布式電源、電池儲能系統接入的主動配電網日前協調優化運行模型。文獻[12]提出基于模型預測控制的主動配電網多時間尺度有功無功協調調度方法,基于模型預測控制實現主動配電網日前調度、日內滾動調度以及實時反饋校正,同時通過有功無功協調優化來降低網絡損耗,在保證主動配電網安全運行的同時進一步實現運行效益最大化。文獻[13]考慮儲能和柔性負荷的時空聯系與網絡潮流的影響,建立以可再生能源利用率最大、網絡損耗最小和用戶滿意度最高為目標的主動配電網優化調度模型。

1.3 電網側主動管理

主動管理主要體現為:故障自愈管理,出現故障時可繼續給非故障區域重要負荷供電;繼電保護管理,具有繼電保護定值在線整定的能力;供電質量管理,具有風險預防管控技術及對突發狀況迅速反應和自愈技術,以保障供電質量可靠。

文獻[14]提出一體站區間負荷緊急支撐策略及其孤島區間負荷供電范圍劃分策略,以系統孤島負荷、開關動作次數和網損分別作為不同層的優化目標,建立主動配電網故障恢復多層優化區間模型。文獻[15]對主動配電網進行子區域劃分,根據各個子區域特點及失電負荷恢復率指標,將失電子區域分為不同的場景,得到不同時段不同場景恢復策略,并針對各個時段各個分區修復策略之間交叉問題,對各個子區域恢復策略進行協調優化,實現多故障搶修和恢復的協調優化。文獻[16]針對分布式電源接入主動配電網后,傳統電流保護可能出現誤動或者拒動的情況,提出一種基于多區域相位突變量信息的主動配電網故障定位方案。

1.4 電網側主動服務

主動服務主要體現為:為用戶提供定制電力服務,提供滿足用戶要求的高品質電能服務;改善能效提供技術平臺,綜合考慮分布式電源協調控制和利潤分配機制;利用主動電網中的可控資源,實現電網與用戶、電網與上級電網間的全面互惠互動。

文獻[17]以用戶滿意度和電網運行成本為目標,綜合分布式能源、儲能裝置和需求側負荷中斷與平移等多種能源協調調度手段,構建基于用戶滿意度的主動配電網多目標動態經濟調度模型,并提出最優調度方案。文獻[18]綜合考慮降低網側功率波動、用戶生活舒適度及運行經濟性等因素,建立引入分時電價機制的主動配電網柔性負荷調度模型,并基于粒子群算法獲得柔性負荷控制策略。文獻[19]引入多智能體系統和多層電價響應機制構建協調優化框架,考慮可再生能源及主動負荷的不確定性因素,以及多智能體對風險的追求差異,構建配電網層、直接協調源荷層和間接協調微電網層的優化模型。文獻[20]考慮光伏可控性因素,建立以配電網企業運行成本最小化為目標的有功-無功協調的主動配電網日前優化調度模型,并提出效益最大化調度方案。

1.5 負荷側主動響應

主動響應主要體現為:需求側響應,即對可調負荷的功率或用電時間進行調節,實現電網移峰填谷、改善電網的負荷特性和提高電網的資產利用率。

文獻[21]通過引入可控負荷,提出一種啟發式孤島動態調整算法,制定主動配電網多時段動態恢復供電策略,提高了電網重建效率和恢復期間負荷運行穩定性。文獻[22]以停電時間最少、經濟損失最小為目標,以用戶停電次數、負荷響應時間等為約束條件,提出主動配電網在需求側資源參與下的多階段故障恢復方法。文獻[23]提出一種基于可控負荷的主動式電壓調節方法,根據用電需求和分布式能源出力特性,對系統內所有節點上的可控負荷制定優化用電計劃,主動改善實時電壓,實現主動電壓調節。

1.6 發電側主動參與

主動參與主要體現為:一方面利用電力電子技術和儲能技術,對可再生能源發電機組改造,實現有功功率調節;另一方面利用電力電子技術,使可再生能源具備無功電壓控制能力,有效改善電壓質量。

文獻[24]建立以節點電壓總偏差最小為目標函數的配電網有功-無功協調優化數學模型,提出一種考慮儲能調節效應的有功-無功協調優化方法,解決了高比例可再生能源接入后配電網的節點電壓越限問題。文獻[25]以社會綜合經濟效益最大化為目標,綜合考慮儲能系統投資和運維成本、可控負荷響應補償費用、儲能系統低儲高放套利、節約電能損耗收益和削峰收益,提出一種含分布式電源的配電網中儲能系統和需求側可中斷負荷響應相互配合的優化模型。文獻[26]提出一種考慮光伏出力和負荷不確定性的魯棒區間電壓控制方法,計算出最優無功補償決策,同時給出光伏電站的允許有功出力區間。

2 數字化主動電網的核心內涵與技術架構

基于雄安新區電網發展形勢分析,立足全局,依托國家電網有限公司戰略,提出具有“一三六”(一個目標、三大特征、六大引擎)結構的雄安新區數字化主動電網核心內涵,形成貫穿能源互聯網三大體系的技術架構,打造具備“三臺八化”特征的指標體系和標準體系,力爭實現京津冀協同發展重要一極,為戰略目標在河北落地生根貢獻“新動能”。

2.1 核心內涵

雄安新區數字化主動電網是主動配電網理念在綠色智慧城市能源互聯網建設中的數字化升級,是全球領先數字城市發展的電網名片和能源互聯電網創新引領的雄安品牌,是具備“三融合三領先”特征的泛雄安新區220 k V及以下電壓等級城市電網。雄安新區數字化主動電網能夠適應電能的多樣化生產和消費,具有豐富靈活的控制手段,設備資源充分感知利用,業務業態高度集約管理,在電源側和負荷側參與響應的基礎上滿足源網荷儲多市場主體服務需求。

雄安新區數字化主動電網核心內涵包括一個目標、三大特征和六大引擎,見圖1。

圖1 雄安新區數字化主動電網核心內涵

一個目標,即建設雄安新區數字化主動電網,是打造中國特色國際領先能源互聯網戰略雄安新區示范區的核心表述,其中建設雄安新區是中國特色的具體實踐,體現了國家戰略、能源革命和國家電網有限公司戰略的統一;數字化是國際領先的特色路徑,體現了全數字城市與全數字電網相互支撐、全面引領的統一;主動電網是能源互聯網的核心載體,體現了雄安引領與能源互聯網創新理念的統一。

三大特征,即“三融合三領先”,能源網架方面,堅持綠色城市與堅強電網融合,實現電網運行能力領先;信息支撐方面,堅持業務業態與信息技術融合,實現業務運轉效率領先;價值創造方面,堅持多元市場與機制創新融合,實現市場運營水平領先。

六大引擎,即能源網架方面,通過主動規劃、主動控制驅動綠色城市與堅強電網數字化融合,提升電網運行能力;信息支撐方面,通過主動感知、主動管理驅動業務業態與信息技術數字化融合,提升業務運轉效率;價值創造方面,通過主動服務、主動響應驅動多元市場與機制創新數字化融合,提升市場運營水平。

2.2 技術架構

基于雄安新區數字化主動電網核心內涵,深化“主動”理論和實踐創新,構建能源網架、信息支撐和價值創造3個層次協調統一、相互支撐的技術架構。能源網架層是物理基礎,以電為中心實現電氣冷熱等能源流靈活轉換、互通互濟。信息支撐層是神經中樞,以信息流互聯技術為手段提升能源網絡的資源配置、安全保障和智能互動能力。價值創造層是價值實現載體,以賦能傳統業務、催生新生業態、構建行業生態為重點實現業務流價值的共創共享。

雄安新區數字化主動電網技術架構堅持“業務數字化、數字價值化”主線,形成信息流貫穿的閉環結構,以能源流驅動信息流,信息流支撐業務流,業務流依托信息流反作用于能源流,實現能源流的實時優化、信息流的閉環流轉、業務流的迭代升級,如圖2所示。

圖2 雄安新區數字化主動電網技術架構

逐級支撐上,能源網架層通過堅強物理架構和先進的控制技術承載能源流,產生海量數據;信息支撐層依托先進的感知和通信技術,將海量數據匯集形成信息流,通過數據管理技術進行整合集散,支撐內部業務和外部價值創造,驅動業務流;價值創造層遵循傳統和新興市場導向,依托業務流和信息流,實現數字的價值化。

反饋優化上,價值創造層依托多元市場對象的互聯互動承載業務流,在業務的迭代優化過程中產生海量社會屬性數據信息;信息支撐層匯集回流信息,面向運營決策開展數據挖掘,以信息流的形式反饋至能源網架層;能源網架層依據信息流,形成能源管理策略,調整能源流,達到能源利用效率的總體優化。

3 數字化主動電網的關鍵技術

3.1 能源網架層

能源網架層以物理網架為基礎,通過主動規劃,優化電網的網架結構,建成堅強可靠、靈活自愈的交直流城市電網網絡;通過主動控制,優化電網的運行方式,賦能電網生產運營,大規模配送區外清潔電力,全額消納本地可再生能源。

主動規劃是在電網的設計、建設過程中,統籌兼顧電力裝備和多能互動的一次電網架構、深度協同的二次自動化系統與功能強大的智能決策支持系統,在確保電網安全穩定運行的基礎上,支撐分布式源網荷儲的經濟、可靠并網。主動規劃采用的核心技術包括:一二次協同智能規劃、基于可靠性約束的精益化規劃、源荷互動規劃、多階段電網擴展規劃等。

主動控制是在電網運行控制過程中,實時監視電網運行信息和設備負載情況,通過主動控制網絡拓撲、電力設備和源荷側資源,保證電網安全穩定經濟運行。主動控制采用的核心技術包括:基于知識圖譜的電網控制自動尋優、輸配互動的風險調控與動態電壓控制、多源協同交互控制、分層分區協調控制、故障智能自愈等。

3.2 信息支撐層

信息支撐層包括主動感知和主動管理。通過主動感知,強化電網數字基礎設施建設,打造全域能源感知體系,為主動管理提供數據基礎;通過主動管理,構建業務融合模板,以點帶網逐步建成數字孿生體系,支撐規劃、建設、調控、運檢、營銷多專業協同發展。

主動感知是采用先進傳感技術和“大云物移智鏈”等現代信息通信技術,開展電網、設備、源荷、天氣和水文等信息的實時全面采集、傳輸,實現電網全景可觀可測,支撐電網主動規劃、主動控制、主動管理和主動服務。主動感知采用的核心技術包括:基于深度學習的圖像識別、微氣象實時監測、低壓客戶負荷感知、無線傳感器網絡、5G通信、北斗定位導航等。

主動管理是在實現電網、設備和源荷信息的實時、全息采集的基礎上,依托企業級數據中臺和業務中臺,實現多元數據融合共享以及共性業務沉淀,通過深挖數據價值,以數據流驅動業務流,推動企業管理優化升級。主動管理采用的核心技術包括:一體化數字建模、電網風險診斷識別、運行狀態自動優化、多主體數據隱私保護等。

3.3 價值創造層

價值創造層以主動服務和主動響應為支撐。通過主動服務,著力提升營配服務、資源整合水平,實現傳統電力供應的優化升級和新型能源服務的創新賦能,為源荷側主動響應提供接入服務和平臺保障;通過主動響應,有力支撐電力客戶、虛擬電廠、負荷聚合商、儲能等多元主體參與市場互動,大力推進多站融合、低壓直流、車聯網、綜合能源、數據融合應用等新興業態發展,支撐新興產業價值創造。

主動服務是指根據客戶需求提供定制的高品質電能服務,為客戶積極參與需求側響應、改善能效提供技術支撐,為上級電網提供電能、在線備用等服務,對外實現電網與客戶之間互動互惠,對內實現配電網與主網之間協同互濟。主動服務采用的核心技術包括:語音智能分析、客戶全息畫像、多站融合、電能質量控制、能源大數據分析決策、用能行為評估等。

主動響應是充分發揮市場對資源的優化配置能力,應用電力電子技術和預測控制技術,實現可再生能源、可控負荷在一定范圍內主動參與電網調節控制,解決分布式源荷隨機性、波動性造成的運行問題,達到電網削峰填谷、改善負荷特性的目的,提高電網資產利用率。主動響應采用的核心技術包括:分布式資源協同管理與控制、綜合能源管控、柔性負荷控制、需求側響應、虛擬電廠控制技術等。

4 數字化主動電網的實施思路

4.1 實施思路

以實現“三融合三領先”特征為目標,結合核心技術架構,堅持“先行先試,分步實施”、“整合拓展、突出實效”、“異地探索、合力攻堅”思路,全力驅動雄安新區數字化主動電網建設。

a.先行先試,分步實施。充分把握雄安電網從0到1規劃建設的前置特征和數字技術全面耦合的產業特征,夯實網架、平臺、服務等先行基礎,實現全面突破引領,豐富微電網、綜合能源等先試思路,分階段、分片區逐步實現數字化主動電網核心特征的全覆蓋和全支撐,形成廣泛倍增效應,探索可復制、可推廣的典型經驗。

b.整合拓展,突出實效。基于河北公司現有新基建、科技項目等創新資源和成果,把握三張電網長期并存的特點,深入挖掘各單位、各部門必行必干課題,去除冗余,強化整合,梳理脈絡,多渠道優化創新建設投資,形成創新動力與合力,一體化謀劃河北公司雄安承接模式,突出全面落地、快出成果、早見成效,確保雄安新區數字化主動電網建設的經濟性、可行性和可拓展性。

c.異地探索、合力攻堅。充分發揮“雄安引領”的指引作用,鼓勵各單位在本地開展適合于雄安的技術創新和工程實踐,成功后即結合雄安建設快速移植,先做技術加法,后做雄安實踐,重點圍繞“碳達峰、碳中和”能源發展目標,突出負荷側協同控制的準確性和選擇性,探索以電為中心的市場輔助模式和商業增值模式。

4.2 預期目標

為實現雄安新區數字化主動電網建設目標,按照建設思路,結合雄安新區城市和電網發展,建設過程總體實施“三步走”。

a.堅持先行先試原則,選取部分新建變電站、輸電工程、示范臺區進行試點,篩選6個方面、18項重點課題開展創新示范建設,2020年底已初步建成概念型主動電網。

b.基于2020年建設成果,不斷拓展示范項目范圍,開展“18+N”課題謀劃和建設,隨著雄安新區電網調度大樓的啟用,2022年底基本建成示范性主動電網。

c.充分利用前期示范項目成功經驗,踐行“雄安加速度”,到2030年底全面建成規模化主動電網,雄安電網資源配置能力、安全保障能力和智能互動能力達到國際領先水平。

5 數字化主動電網的評價體系

為服務和指導雄安新區電網建設,堅持可復制、可推廣、可借鑒為原則,提出“三臺八化”指標體系和標準體系架構,從創新性和先進性2個維度描述主動電網“人無我有、人有我優”的總體特征,形成創新性指標28項、先進性指標14項,其中,創新性指標為數字化主動電網原創指標,集中于協同、市場等新業態和安全、智能等領域。依據指標體系,從現行專業管理界面出發,編制總則、評價指標、規劃設計、新能源并網、智慧電纜線路、智慧變電站/多站融合變電站、智慧供電、負荷接入、通信支撐網絡、數字孿生電網總體架構、智能控制等11項標準,實現數字化主動電網的具象化描述。

“三臺八化”即雄安新區數字化主動電網以云平臺、物聯管理平臺、企業中臺為數字化支撐,具有安全化、可靠化、綠色化、低碳化、智能化、主動化、協同化、市場化8個特征,其中安全、可靠為根本要求,綠色、低碳為發展方向,智能、主動為技術特征,協同、市場為價值追求的創新思路,見圖3。

圖3 雄安新區數字化主動電網指標體系

6 數字化主動電網的展望

作為智能配電網發展到高級階段的產物,數字化主動電網可極大提升可再生能源消納水平,提高供電可靠性和供電質量,同時有力支撐我國低碳經濟和可持續發展戰略。自從概念提出以來,廣大學者進行了積極探索和研究。研究表明,數字化主動電網技術的應用與發展可概括為“理論有基礎、實踐有必要、屬性有內涵、戰略有特色、創新有空間”5項特征。

6.1 理論有基礎

數字化主動電網以主動控制理論為基礎。數字化主動電網是主動控制的方式,采用提前預測、預防控制的方式,能夠對電網運行狀態全面感知,實時掌握電網運行態勢,做到消除隱患于未然,具備預見性和全局優化性能。從傳統被動電網向主動電網過渡是電網發展的必然趨勢,應用主動控制理論適合于電網轉型。

6.2 實踐有必要

近年來,河北省南部電網分布式光伏迅速發展,大規模分布式光伏接入電網,使配電網成為功率雙向流動的有源網絡,電網結構發生變化,傳統的電網設計手段、保護控制和運行管理方式迫切需要進行根本性改變。如何在確保電網安全、可靠運行的同時,提高電網對分布式可再生能源的消納能力,是電網轉型升級的重要內容。數字化主動電網的應用能夠改變新能源發電資源被動消納的現狀,促進新能源從傳統的被消納到主動引導與主動利用,同時有效提升電網電能品質,對于支撐電網轉型具有重要的實際意義。

6.3 屬性有內涵

數字化主動電網不僅具備技術屬性,同時具備社會屬性,不僅能夠對電網本身進行主動規劃、主動控制和主動管理,還能夠充分利用分布式能源靠近客戶的優勢,為上級電網和客戶提供主動服務,建立上級電網與配電網、配電網與客戶之間的良好互動關系,實現電網與客戶之間的互惠互利。

6.4 戰略有特色

國家電網有限公司將建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業作為公司戰略目標,在技術上要求將現代信息技術在電力系統廣泛深度應用,與先進能源電力技術融合發展,推動系統運行管理數字化、自動化、智能化;在形態上要求電網結構堅強、分布寬廣,大電網、微電網、分布式能源系統、各種儲能廣泛互聯。主動電網將先進信息技術與先進能源電力技術深度融合應用,結合主動控制的方法與理論指引,使公司戰略落地更加具象化。

6.5 創新有空間

主動配電網概念提出已有10余年時間,在這期間電網發展模式及新技術應用都發生了巨大變革。一是,高滲透率的可再生能源發電接入已從配電網進入電網各層次,其消納水平與高效利用問題將成為研究關鍵點,因此主動電網的概念可在主網上實現創新應用,以適應電網和分布式可再生能源的發展。二是,隨著“大云物移智鏈”等現代信息技術和先進通信技術的不斷涌現,將“大云物移智鏈”等新技術在主動電網上實現創新融合應用,對于提高電網智能化水平、增強電網感知能力、保障電網安全穩定運行具有重要創新價值。

隨著能源互聯網的不斷發展以及分布式能源比率的不斷提高,數字化主動電網的落地應用具有重要戰略意義、創新價值以及廣闊前景。