基于協同衍化熵的新型配電網協同衍化研究

傅守強 ,楊 林 ,陳翔宇 ,趙福旺 ,田鏡伊

(1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院,北京 100038;2.北京京研電力工程設計有限公司,北京 100038;3.唐山電力勘察設計院有限公司,河北 唐山 063004)

隨著配電網對于供電能力、傳輸效率與傳輸質量的要求逐漸增長,新型配電網內部資源間協同發展的重要性不斷增加[1],構建新一代以信息技術和大數據處理技術為核心的配電網已迫在眉睫。然而,目前配電網存在源網荷儲不協調、碳排放量過高以及碳排放經濟效益過低等問題[2]。因此,若要合理推動新型配電網的構建,首先要建立源網荷儲協同衍化的路徑,推動碳減排,構建多能互補的新型配電網絡。

目前,國內外學者在配電網協同發展方面進行了大量研究。張可等[3]從能源互聯網的角度闡述并分析未來中國配電網發展趨勢、驅動影響因素及其衍化方式。馬釗等[4]通過對傳統配電網與未來配電網之間的差異分析,構建了傳統模式下的未來配電網架構、運營模式及其能源信息體系。劉滌塵等[5]運用能源體系和信息技術,提出了可綜合利用的配電體系。Li等[6]結合中國配電網的發展現狀及對智能化的需求,提出未來配電網精益化規劃和管理提升策略。Zhou等[7]采用分層網絡控制體系,提出了靈活的未來直流配電網設想。

上述文獻都是從能源與信息融合的角度,描述出未來配電網的形態和發展趨勢,但普遍缺少對實現未來配電網具體路徑的描述。基于完善這種缺陷的考慮,本文展開了基于協同衍化熵的新型配電網協同衍化研究。首先規劃新型配電網的衍化階段,從源網荷儲的角度切入,提出源網荷儲衍化路徑;其次,利用布魯塞爾模型構建配電網協同衍化熵,并采用香農熵函數進行求解;最后,采用碳排放強度模型和碳排放經濟效益模型,評估協同衍化的碳減排效益。

1 新型配電網衍化階段

未來5年我國智能配電網絡發展的戰略目標是構建一個優質安全、高效可靠、低碳綠色環保、智慧能源互動的中國配電產業網絡[8],其中一個主要任務是加快建設現代交直流新型混合電力配電網,并引導可再生能源快速發展成為主要電源。在電力系統產業轉型發展的當前形勢下,進一步提高以綜合電力系統為中心的能源地位,實現電、氣、冷、熱一體化的互聯互通、協同一致的電力調度系統[9],最終實現以清潔能源為主導、各環節實現智能化且安全可控的新型電力系統。

根據未來配電網的發展目標和主要任務,本文將配電網建設分為萌芽期、轉型期和智融期3個發展階段,各階段的核心特征如表1所示。

表1 未來配電網的核心特征

萌芽期的配電網主要依托大機組、大電網所提供的電能輸入,并能夠承載一定量的新能源接入,其主要優勢為依托特高壓交直流輸電和各個等級交流電之間協同堅固的輸電模式,達到配電網大部分資源的優化配置目標。由于碳排放量的影響逐年增加,所以確定目標為10%～35%的可再生能源裝機容量,并確保5%～20%的光伏、太陽能、風能設備裝機總容量。在此階段,電網網架結構不夠穩定,智能化水平相對較低,智能互聯網中的負荷相對較少,電網和外部系統之間的協調、互濟能力也相對較弱。

轉型期是配電網實現互聯網化和智能化的關鍵時期。在此期間,通過標準制定和技術改進,保障可再生能源尤其是新型能源的高比例穩定接入,確定可再生能源上網的“責權利”范圍。同時,碳排放量達到峰值,可再生能源接入大電網比例擬達40%,電化學儲能技術得到全面革新并進入量產階段。此階段已形成微電網、微能源網以及綜合能源電廠所關聯的供能結構,電力產銷環節與“大云物移智”等信息網絡手段深度融合,進一步提高電力產能。這里所謂的“大云物移智”特指“大數據、云計算、物聯網、移動互聯網、人工智能”這5項信息的集成,它將海量數據融合匯總、統一管理,可以極大地提升電網設備運行和維護業務的智能化管控能力。微電網(Micro-Grid)也簡稱微網,主要指由分布式電源以及儲能、監控、負荷、保護等裝置構成的小型發電或配電系統。微電網的運行與峰谷電價政策關系密切,是傳統電網向智能電網過渡中可實行的一種有效的配電方式。

智融期是未來電力配電網不斷完善走向成熟的新階段。在此期間,可再生能源占據能源的主導地位,以光伏為主的交直流混合電力配電網將全面建成并投入使用,完成碳中和目標下的電力轉型,這也是一項國家戰略。發展到智融期的典型標識是建立了清潔能源為核心的電力系統,并實現微網系統、儲能系統以及大負荷用戶群體為載體的且集電、熱、冷、氣、交通網絡于一體的全過程智能化、可視可控、廣域互通的綜合調度機制。

2 新型配電網協同衍化路徑

新型配電網協同衍化是一系列復雜的動態過程[10]。配電網衍化對于外部的適應程度以及與系統內部的協調性,均取決于參與衍化部分所采取的發展方案。配電網的協同是指不同子系統之間的配合程度、協調深度以及發展模式協同性[11-12]。因此,各子系統的核心特征和主體之間的關系共同決定配電網協同進化的融合程度。即,若各子系統的發展方向一致,則協同衍化能力更強,易于形成統一的協同衍化路徑[13]。本文主要從各子系統協同衍化能力及彼此間的利益角度,分析電力系統的“源-網-荷-儲”協同衍化關系(見圖1),并分析各衍化組合之間的協同路徑。

圖1 “源-網-荷-儲”間的協同衍化關系

源、網、荷、儲是工作用語“能源、電網、負荷、儲能”的簡稱。“源-網-荷-儲”一體化是協同發展的最終狀態,強調彼此協調融合,保障電力信息實時傳遞,形成實時、安全、穩定的電力生產、輸送、銷售和利用的運行機制[14-15]。只有當所有參與衍化的子系統間均達到協同階段時才能被認定為實現了“源-網-荷-儲”一體化。本節從對應原則出發,分析各子系統之間源、網、荷、儲的協同衍化關系、路徑以及實現方法,如圖2所示。

圖2 各子系統“源-網-荷-儲”協同衍化路徑

(1) “源-源”協同衍化路徑。為實現可再生清潔能源發電與傳統能源電能生產的協同衍化,“源-源”協同衍化路徑的切入點應該是提高清潔能源發電預測能力,通過進一步改進清潔能源發電技術,保障清潔能源發電量的穩定性和準確性。其中,協調清潔電力與火電之間的成本關系和收益模式是核心,以此降低清潔能源發電成本,保障清潔能源上網比例,最終建立以清潔能源發電為主、傳統化石能源發電為輔的發電模式。

(2) “源-網”協同衍化路徑。為實現清潔能源發電模式和電網網架傳輸之間的協同衍化,必須在提升清潔能源發電預測能力的同時力求清潔能源發電的準確性,并在保障電能生產安全可靠的同時,提升電網的安全性,進而協調清潔電力與火電之間的收益關系,以保障清潔能源上網比例,降低清潔能源的發電成本。

(3) “網-網”協同衍化路徑。為實現微網和主網之間的協調衍化,必須提高微網和主網的靈活性、穩定性和安全性,保障主網和微網電能質量的穩定調配。主網的核心在于可接入多種能源,微網的核心在于靈活及適宜性,因此,在“源-網”協同衍化的基礎上,通過建立主網與微網之間靈活、便捷的交易機制,方可保障主網和微網間的電量平衡。

(4) “儲-網”協同衍化路徑。為實現儲能裝置與電力網絡之間的協調衍化,需要對儲能技術進行重大革新,降低儲能成本,提高電化學儲能能力。同時還要加大電網的技術支持以促進與儲能裝置的智能連接。

(5) “荷-荷”協同衍化路徑。為實現常規式負荷與可控式分類負荷之間的協同衍化,首先需要對現有的可控式負荷和常規式負荷進行分類;其次通過更新電力負荷預測技術,提升負荷預測準確度;最后需要將柔性負荷納入電網,最終實現“荷-荷”間的協同衍化。

3 新型配電網衍化協同效果評估

3.1 協同衍化熵

本節通過可視化指標評估配電網整體協同衍化程度,研究配電網發展各時期的核心特征。采用耗散理論和布魯塞爾模型,提出配電網協同衍化熵指標。將原始布魯塞爾模型中A、B、D、E、X、Y所代表的內涵轉義為配電網系統的相關因素。

設:A、B為配電網子系統關系熵產生的影響結果,其中,A為衍化子系統導致的正熵,B為衍化子系統受相關事件影響導致的負熵。D、E為A、B相互影響導致的兩種可能性:①非耗散結構狀態D是指各衍化子系統間無明確的包含關聯關系;② 耗散結構狀態E為各衍化子系統之間有明顯的包含關聯關系。X、Y為影響子系統從屬層次準確度的量化的正熵指標和負熵指標。

根據上述定義,構建如下配電網協同衍化的布魯塞爾模型:

A(正熵) →X(可量化正熵指標)

B(負熵)+X→Y(可量化負熵指標)+D(非耗散結構)

2X+Y→ 3X(可量化指標非線性作用加劇)

X→E(耗散結構)

本節提出的配電網協同熵能夠有效展示配電網子系統和影響系統整體發展的影響因子,在有效能耗轉化效率減少、無效能耗上升這一不可逆程序中系統的狀態函數變化形態[16]。依據綜合指數中的熵值特征,配電網衍化協同效果與熵值大小成反比。

3.2 協同衍化熵計算策略

計算協同衍化熵首先需要定義信息熵總量;其次基于布魯塞爾模型結構,計算配電網協同衍化的關聯路徑的數量;接著基于熵權法計算協同衍化子系統的正、負向路徑個數;最后按照概率和香農熵函數關系,計算配電網的協同衍化熵。

將系統中n個離散點表示為離散集S={E1,E2,…,En},且每個離散點的出現概率為P={P1,P2,…,Pn},則信息熵的表達式為

根據本文提出的配電網布魯塞爾模型,可知配電網協同衍化的關聯路徑總數為

式中:fi為第i個衍化子系統與其他子系統可行的發展路徑數;f′i為第i個衍化的子系統能夠與其他子系統進行協同的路徑數。

由此可得Pi=(fi-f′i)/f,進而可得依據概率函數表示的配電網協同衍化熵指標,即

4 碳排放強度評估與效益測算模型

基于碳排放的宏觀政策,出于效益思想,本文構建了碳排放強度評估與效益測算模型。

4.1 碳排放強度評估模型

綜合考慮發電、輸電、負荷和儲能4個方面,構建如下碳排放強度評估模型:

式中:P為某發電周期單位電能所消耗總碳排放量;Pi為節點i的最大負荷功率;Vi為單位發電量的碳排放量;ρ為輸電線路單位長度線損率;L為輸電線路的長度;Ω表示源網荷儲系統;Pj為節點j的潮流數值;Vγ為負荷消耗單位電能所產生的碳排放量或負荷消耗單位電能所需要的碳配額量;Vs為儲能端儲存單位電能所需要的碳配額。

4.2 碳排放效益測算模型

為了有效測算源網荷儲一體化各個階段的碳經濟效益[17-18],綜合考慮碳排放成本、電能效益、低碳效益貢獻率以及碳排放補償時間4個方面,構建如下碳經濟效益測算模型:

式中:C0為分布式發電和傳統發電以及輸電線路、負荷與儲能端的碳排放成本;ct為源網荷儲四者單位碳排放成本。

考慮到源網荷儲協同衍化的新型配電網產生的碳排放成本,結合售電效益可提出考慮碳排放成本的電能效益指標,即

式中:E為碳排放成本的電能效益;ps為電能售價;p0為分布式發電單位發電量政府環境補貼;Pc為源網荷儲的經濟成本。

為進一步評估新型配電網的源網荷儲協同衍化的經濟效益,構建碳減排效率貢獻率因子,即

式中,VE為碳排放效益。

綜上所述,基于最優化理論,構建以最小碳排放成本為目標的碳排放效益測算模型,即

式中,Smax表示輸電線路的潮流裕度。電力系統在運行時,在電源電勢激勵作用下,電流或功率從電源通過系統各元件流入負荷,分布于電力網各處,稱為電力潮流裕度。

檢驗效益測算模型的效能,取文獻[19]中的總發電量、實際碳排放以及核算碳排放等相關基礎數據(源自《2008年電力工業統計資料匯編》),通過上述模型進行碳排放成本測算(見表2)。需要特別說明兩點:一是由于無法獲取源網荷儲四者單位碳排放成本(ct),不妨令ct=1,故在計算結果中,可在形式上將“碳排放量”看作碳排放成本;二是將東北、西北等六大區域當作新型配電網,主要目的是以此為例檢測模型的效能。

表2 碳排放效益測算結果

表2中的“本文測算結果”是碳排放成本的一種近似的替代數值,可用于表示各區域碳排放的成本,且恰巧可用其與“核算碳排放量”進行比較。當然,不能用來說明本文測算與文獻[19]中的核算結果比較,而是借此表明本文所述成本的“測算”結果是相對最優的。

簡單分析可知,六大區域的“測算成本”均低于“實際碳排放量”,降低區間在1.967%～9.448 %之間,在此特定意義下可認為上述模型是有效的。此外,“測算成本”也均低于“核算碳排放量”,從文獻[19]的技術層面上間接表明了上述模型的有效性。

5 基于協同衍化熵的協同分析

為了驗證本文所提出的新型配電網協同衍化路徑與碳排放強度變化的一致性,參考文獻[20]中的分類方法,設定14個參與配電網協同衍化的用戶主體,分別為:政策制定(主體1)、政策監管(主體2)、金融機構(主體3)、國際組織(主體4)、公眾行為(主體5)、發電企業(主體6)、輸配電企業(主體7)、居民用戶(主體8)、工商業用戶(主體9)、科研部門(主體10)、技術生產(主體11)、大規模新能源發電(主體12)、儲能端(主體13)和分布式新能源發電(主體14)。

從系統層級的角度,可將主體1～5視作宏觀環境層要素,主體6～9 視作中觀體制層要素,主體10～14視作微觀利基層要素。同時,本文將協同衍化發展過程分為萌芽、轉型和智融3個時期,分別搭建了相應的關聯關系圖。據此可通過對比各階段衍化子系統和整體配電網協同衍化熵的變化,評估子系統對配電網衍化發展的價值,進而推出配電網協同衍化規律。

5.1 萌芽期協同衍化分析

假設萌芽期擁有主體1～11參與新型配電網建設。從各衍化子系統的熵值、各層級熵值以及整體配電網的熵值變化3個角度看,圖3刻畫了萌芽期協同衍化階段的衍化效果,其中政府要素和技術要素的協同衍化熵為負值。這表明,科技研發的影響力雖然存在但影響程度較小,從技術角度看,子系統的技術性能發揮不充分。圖3顯示,中觀體制層要素的協同衍化熵值均處于正熵范圍。這表明,公眾、社會和市場驅動要素對于子系統協同演化的影響較小。

圖3 萌芽期協同衍化子系統的熵值

5.2 轉型期協同衍化分析

假設在轉型期的新型配電網建設中新增了如圖4所示的主體12和13,則圖4刻畫了轉型期協同衍化階段的衍化效果。其中,政府要素和技術要素的協同衍化熵仍為負值,而且稍稍高于未協同發展之前進程的相應熵值。這表明,政治重壓不斷加大。在此階段,擴展加入的主體具有較高的正熵,與萌芽期階段相比,影響科技研發的要素影響有所增加。同時,中觀體制層要素的熵值均保持為正,但正熵的程度有所降低。這表明,公眾、社會和市場驅動要素對系統協同演化的影響力有改善但還是不高。

圖4 轉型期協同衍化子系統的熵值

5.3 智融期協同衍化分析

假設在智融期又新增了如圖5所示的主體14加入新型配電網建設。依據衍化子系統熵值變化情況、不同層級熵值變化規律以及整體配電網熵值變化情況,圖5刻畫了智融期配電網協同衍化效果。

圖5 智融期協同衍化子系統的熵值

圖5顯示,當協同衍化進入智融期時,多數主體的熵值降低為負值,測算后的平均熵值為-0.154,表明系統衍化進入較為協同階段。其中,政府要素熵值依然處于負值低位,說明整體系統受宏觀政策環境的壓力不斷變大,政府主導的影響力仍然不大。新增的分布式新能源發電這一微觀利基層要素拉低了技術熵值,說明科研要素的影響力不斷增強。中觀體制層要素的熵值雖為正值,但數值不斷降低,說明公民社會及企業的影響程度變大,市場驅動影響增強。

6 結論

本文結合新型配電網的發展目標和主要任務,將未來新型配電網協同衍化過程分為萌芽、轉型和智融3個發展時期。圖6所示為綜合了萌芽、轉型和智融3個時期協同衍化過程的驗證結果。由圖6可知,宏觀、中觀以及微觀層面要素的熵值變化趨勢基本上是由大至小,表明了各參與主體對于配電網衍化發展的積極意義,進而推動配電網建設由不協同向協同衍化的發展規律。

圖6 各時期層級表示的協同衍化熵值變化

總之,本文從源網荷儲的角度切入新型配電網的協同衍化研究,分別提出了“源-源”協同、“源-網”協同、“網-網”協同、“儲-網”協同以及“荷-荷”協同5種協同衍化路徑,并利用耗散理論的變體——布魯塞爾模型,采用轉義的方式引入了配電網概念,構建配電網協同衍化熵,使用香農熵函數,對協同衍化熵進行數據化處理。通過算例分析,驗證了配電網協同衍化熵的有效性。同時,本文提出的碳排放強度評估及經濟效益測算模型能夠用于新型配電網協同衍化發展過程中各階段的碳排放評估與效益分析,可以此監控碳排放情況,有助于推動碳減排政策的推進,有助于提升配電網的碳排放經濟效益。