徐 昊， 錢麗瑩

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司如東縣供電分公司， 江蘇 如東 226400）

0 引言

電力系統(tǒng)在受到干擾后，其穩(wěn)定特性已從傳統(tǒng)機電模式向機電－電磁多模式耦合交互影響演化，因此系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制問題備受關注。傳統(tǒng)的基于發(fā)電側(cè)的電力系統(tǒng)正逐步向以需求側(cè)響應為基礎的多能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。因為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制所面臨的結(jié)構(gòu)性難題越來越明顯，所以我們迫切需要調(diào)動各種資源，深度參與新型電力系統(tǒng)的運行和控制，以滿足其要求。

1 分層集群的新型電力系統(tǒng)的概念及研究問題

在電力和能源的生產(chǎn)、傳輸和消費過程中，各種類型的網(wǎng)絡，如電網(wǎng)、熱網(wǎng)和燃氣網(wǎng)等，扮演著不可或缺的角色。這些網(wǎng)絡在運行中會產(chǎn)生大量熱量，其中包括電能、熱能以及其他形式的能。因為這些網(wǎng)絡所傳遞的能量本質(zhì)上都是能量，但是它們的表現(xiàn)形式各不相同，因此它們被歸為能量網(wǎng)絡。其中電能作為一種商品被廣泛使用。能量網(wǎng)絡由多個不同類型的子網(wǎng)構(gòu)成，這些子網(wǎng)之間通過能量轉(zhuǎn)換設備相互連接，形成了一個復雜的能量網(wǎng)絡。因此，可以認為能量網(wǎng)絡就是由各類能源的物質(zhì)載體及其連接方式構(gòu)成的一種復雜的網(wǎng)絡體系。隨著信息通信技術（ICT）的迅猛發(fā)展，基于傳統(tǒng)自動化、互聯(lián)網(wǎng)技術和“云大物移智鏈”等新興技術，我們可以構(gòu)建一個信息網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對能源生產(chǎn)、儲運和利用設備的精準調(diào)控，從而進一步提升能源利用效率。這種新型的能源網(wǎng)絡系統(tǒng)將產(chǎn)生一個新的經(jīng)濟概念——能源網(wǎng)絡經(jīng)濟學。電力和能源商品之間的實際交易和價值傳遞形成了一個復雜的價值網(wǎng)絡。在此過程中，電力價格通過能量網(wǎng)絡反映出來并影響其市場行為。電力和能源價格體系的基礎是建立在價值網(wǎng)絡之上，而這個網(wǎng)絡的運作受到能量網(wǎng)絡的物理規(guī)律的制約[1]。在此過程中，電力價格通過能量網(wǎng)絡反映出來并影響其市場行為。因此，新型的能源體系和電力系統(tǒng)將形成一個由三層緊密耦合、相互關聯(lián)的網(wǎng)絡構(gòu)成的復雜結(jié)構(gòu)，如表1 所示。

表1 新型電力與能源系統(tǒng)的3 層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)造形態(tài)將經(jīng)歷翻天覆地的變革。其中以電力線和天然氣管道為主的“大電網(wǎng)”就是典型的能量網(wǎng)絡。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，高容量的發(fā)電機組通常建在能源豐富的地區(qū)，通過超/特高壓的遠距離輸電技術將其輸送到負荷中心。因此，當大規(guī)模的可再生能源被利用時，系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)之間將形成復雜的能量交換關系，從而對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。隨著低碳、無碳能源與負荷的滲透率逐步提升，傳統(tǒng)能源的逐步退出必須建立在新能源安全可靠替代的基礎上，以滿足國家“雙碳”目標和保障能源安全的要求，電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型過程將是一個先立后破的過程。在此背景下，智能配電網(wǎng)作為一種新興的電力基礎設施建設模式，將成為未來電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢之一。隨著電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，分布式電源在用戶側(cè)和配電網(wǎng)的利用率將逐步提高，電力企業(yè)和其他市場主體也將參與其中。因此，未來電力系統(tǒng)必將向多主體協(xié)同參與的模式演變，即通過市場手段配置資源。隨著分布式電源、電動汽車、儲能、柔性負荷等的大規(guī)模接入，配電網(wǎng)的形態(tài)將發(fā)生深刻的變革。這些新技術對傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來了較大沖擊。根據(jù)南方電網(wǎng)公司的《關于進一步支持光伏等新能源發(fā)展的指導意見》，新建新能源項目如太陽能、風力和海洋能等所產(chǎn)生的電能主要用于自用和就地利用，而多余的電力則被輸送至當?shù)嘏潆娋W(wǎng)的項目中。

2 分層集群的新型電力系統(tǒng)物理機理

2.1 分層集群的新型電力系統(tǒng)技術基礎

隨著大電網(wǎng)的作用逐漸減弱，同步電網(wǎng)規(guī)模逐漸縮小，輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)絡之間的關系也從主從依附轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ブ?，從而為用戶提供了安全可靠的電力獲取保障。隨著電力系統(tǒng)發(fā)展水平不斷提高，傳統(tǒng)的以發(fā)電為主的供電模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展需求，需要建立起一種新的能源結(jié)構(gòu)體系來適應未來經(jīng)濟社會發(fā)展的需求。在輸電網(wǎng)層，電力的自我平衡能力得到了顯著提升，通過靈活的直流和交流方式，形成了一種高度靈活且安全的柔性互聯(lián)格局[2]。

主動配電網(wǎng)作為輸電網(wǎng)的支撐與調(diào)節(jié)單元，以分布式電源和用戶為主體，實現(xiàn)電力就地生產(chǎn)，就地消費，從而構(gòu)建具備供需平衡能力的電力交換網(wǎng)絡，以促進電力用戶之間的靈活互動。主動配電網(wǎng)通過智能控制提高系統(tǒng)運行效率，減少電能損耗和污染排放。實現(xiàn)分布式發(fā)電的經(jīng)濟高效集成和利用，需要協(xié)調(diào)發(fā)展交流配電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)和交直流混合配電網(wǎng)，以滿足多樣化的形態(tài)需求。隨著智能電網(wǎng)概念的提出以及智能微電網(wǎng)技術的快速發(fā)展，未來智能電網(wǎng)將成為一個開放互聯(lián)的復雜巨系統(tǒng)。通過建立以電力為核心的多種能源耦合網(wǎng)絡，實現(xiàn)終端能源消費結(jié)構(gòu)的優(yōu)化管理和靈活互濟，從而提高能源利用效率。

2.2 分層集群的新型電力系統(tǒng)逐級聚合

在未來的新型電力系統(tǒng)中，由于電氣相鄰、通信便利、利益共享等多種因素的自發(fā)作用，同一層級的分布式資源將形成一個由多個聚合商運營的資源集群，這些資源集群具有獨特的能量管理系統(tǒng)（EMS）和與外界交換功率的能力，旨在實現(xiàn)集群內(nèi)電力電量的自我平衡。主動配電網(wǎng)通過智能控制與信息交互，提高系統(tǒng)運行效率。如圖1 所示，同一級別的多個集群可以進一步聚合，形成更高級別的集群，最終形成一個完整的大電網(wǎng)。這種新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低損耗，但同時帶來了網(wǎng)絡規(guī)模擴大后對調(diào)度自動化要求更高、對調(diào)控人員綜合素質(zhì)提出了更為嚴格的要求等問題。由于資源集群內(nèi)分布式電源、儲能及可調(diào)負荷等設備的容量較小，種類繁多，參數(shù)各異，且點多面廣，因此難以直接參與電網(wǎng)運行。同時，由于這些設備是獨立于其他電力設備之外的孤立系統(tǒng)，無法對其進行有效管理。因此，通過運用先進的信息通信、調(diào)度控制和市場交易手段，各集群匯聚了大量分布式資源，作為整體參與電網(wǎng)調(diào)度運行，同時也能夠參與電力市場電能量交易以及調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用和阻塞消除等輔助服務交易[3]。

圖1 分層集群的新型電力系統(tǒng)逐級聚合

3 分層集群的新型電力系統(tǒng)運行控制

3.1 分層集群的新型電力系統(tǒng)分布式感知

為了實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)資源共享，新型電力系統(tǒng)的不同集群之間必須采用直接交換信息的通信方式，這與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的集中調(diào)度有所不同。由于分布式電源接入電網(wǎng)后使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，因此需要研究新的功率控制策略來應對這種變化。為了全面掌握系統(tǒng)的運行狀況，傳統(tǒng)方法采用集中式信號處理方式，即在收集所有傳感器的測量數(shù)據(jù)后，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行集中估計。集中式數(shù)據(jù)處理方式可以有效降低計算成本，提高計算效率。在大規(guī)模新型系統(tǒng)中采用集中式信號處理時，能量管理系統(tǒng)將面臨著來自海量信號接收和異質(zhì)靈活性資源出力計劃求解的挑戰(zhàn)，這將導致其在中心式算法安全性和魯棒性、節(jié)點通信能力等方面存在不足。集中式信號處理需要進行大量的集中處理工作，且無法滿足實時動態(tài)監(jiān)測需求。分布式信號處理實現(xiàn)了系統(tǒng)運行狀態(tài)的估計/檢測，通過不同區(qū)域內(nèi)的分布式估計器相互協(xié)作，無需協(xié)調(diào)中心即可完成整個系統(tǒng)的狀態(tài)估計。因此，基于分布式處理技術可將大型復雜系統(tǒng)優(yōu)化配置到多個獨立處理單元上進行并行運算以提高整體性能。分散式信號處理呈現(xiàn)出更強的韌性，節(jié)點能夠隨時進出網(wǎng)絡，更高的保密性，以及更均勻地計算和通信負擔分配，相較于集中式信號處理，更適用于大規(guī)模系統(tǒng)。

隨著PMU 技術的不斷進步，基于該技術的WAMS 測量系統(tǒng)已逐漸顯現(xiàn)出其優(yōu)越性，但隨之而來的是處理海量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)運行過程中，由設備故障等原因?qū)е碌牧繙y異常會造成較大誤差甚至是災難性的后果。WAMS 所基于的狀態(tài)估計可分為集中式和分布式兩種，然而集中式模式在實時性、可靠性和可擴展性方面存在不足。因此，如何提高狀態(tài)估計的性能成了目前研究熱點之一。DSE，一種分布式狀態(tài)估計技術，能夠有效避免集中式處理海量數(shù)據(jù)的繁瑣過程，從而實現(xiàn)更快的計算速度、更小的通信成本，以及更高的可靠性和可擴展性。

3.2 分層集群的新型電力系統(tǒng)協(xié)同控制

實現(xiàn)分層集群的新型電力系統(tǒng)的運行控制是一項極具挑戰(zhàn)性的任務，需要克服許多復雜的技術難題和復雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于分布式電源接入電網(wǎng)后使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，因此需要研究新的功率控制策略來應對這種變化。未來的電力系統(tǒng)將是一個集成多種不同資源的系統(tǒng)，其中包括傳統(tǒng)同步發(fā)電機、新能源機組、高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）、微電網(wǎng)、儲能和負荷等。由于大規(guī)模風電和光伏發(fā)電的快速并網(wǎng)以及大量電動汽車充電樁的出現(xiàn)，使得現(xiàn)有電網(wǎng)面臨著越來越大的安全穩(wěn)定壓力。應對高比例可再生能源接入所帶來的穩(wěn)定性問題，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)同步發(fā)電機組輸出來調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量偏差的方法已顯得力不從心。因此，如何在保證穩(wěn)定運行前提下提高電力系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)能源高效利用，已經(jīng)成為研究人員面臨的一大挑戰(zhàn)[4]。隨著電力電子設備與海量風、光等新能源機組的融合，高比例可再生能源和高比例電力電子設備（即“雙高”）已成為新型電力系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢和關鍵特征，對當前電力系統(tǒng)的動態(tài)行為產(chǎn)生了深遠的影響，導致了新的穩(wěn)定性問題，例如電力電子設備之間以及與電網(wǎng)之間相互作用引起的寬頻帶振蕩。

近年來，電力（能源）系統(tǒng)優(yōu)化與控制領域廣泛采用“協(xié)同優(yōu)化”和“協(xié)同控制”理念，以實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行和優(yōu)化。由于電力系統(tǒng)存在非線性特性及不確定性等因素，傳統(tǒng)的多目標優(yōu)化算法難以有效求解這類問題。作為一種典型的協(xié)同優(yōu)化方法，協(xié)同進化方法將新型電力系統(tǒng)分解為相互關聯(lián)的兩個或多個資源集群，并建立了基于關聯(lián)參數(shù)的協(xié)調(diào)項，以確保整體收斂。該技術通過引入新的控制結(jié)構(gòu)和算法框架，克服了傳統(tǒng)進化方法難以處理高維非線性問題的缺點。協(xié)同進化方法因其卓越的復雜嵌套系統(tǒng)解耦能力，能夠高效地優(yōu)化包含大量變量的系統(tǒng)，同時也表現(xiàn)出對于動態(tài)變化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度適應性。

4 結(jié)語

考慮到分層集群的新型電力系統(tǒng)協(xié)同控制問題的復雜性和挑戰(zhàn)性，必須克服一系列復雜的技術難題和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這是一個極具挑戰(zhàn)性的任務。電力電子化已成為未來新型電力系統(tǒng)的必然趨勢，而“源一網(wǎng)－荷－儲”設備的智能化和數(shù)字化則為它們提供了更積極地參與系統(tǒng)運行和控制的機會，因此，采用集群智能和協(xié)同控制理論和方法是解決這一問題的最佳選擇。