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新型配電系統(tǒng)發(fā)展中的幾個(gè)戰(zhàn)略性議題余貽鑫中國工程院院士天津大學(xué)教授、博導(dǎo)yixinyu@2025年第8屆配電系統(tǒng)技術(shù)大會(huì)2025.6.10北京2I.一體化地建設(shè)智能電網(wǎng)II.大力推進(jìn)分層集群體系結(jié)構(gòu)下的總配電系統(tǒng)運(yùn)營商(DSO)模式III.迎接智能配電網(wǎng)中的AIAgents(AI智能體)andAgentAI(智能體AI系統(tǒng))研發(fā)的挑戰(zhàn)IV.采用市場激勵(lì)措施促進(jìn)新型電力需求和DER的增長V.化石燃料的電能替代可能開辟前所未有的前景為應(yīng)對數(shù)以百萬計(jì)的間歇性、波動(dòng)性和不確定性DERs為應(yīng)對數(shù)以百萬計(jì)的間歇性、波動(dòng)性和不確定性DERs,需要建設(shè)智能電網(wǎng)。l智能電網(wǎng)的特點(diǎn)是,電力和信息的雙向流動(dòng)性(見下圖以便建立一個(gè)高度自動(dòng)化的和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)時(shí)地交換信息和達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡,把分布式計(jì)算(云)、大數(shù)據(jù)、人工智能和通信的優(yōu)勢引入電網(wǎng)。與“加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)?!?“新質(zhì)生產(chǎn)力”完全一致。4智能電網(wǎng)由①電力層(資產(chǎn)安全監(jiān)視與保護(hù))、②通信層(集成的賽博安全)和③應(yīng)用和服務(wù)層組成。需要一體化地規(guī)劃和建設(shè)好智能電網(wǎng)基礎(chǔ)層(集成的能量與通信體系)l靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌褐悄芘潆娋W(wǎng)首先需要建設(shè)一個(gè)靈活的(魯棒的和自適應(yīng)的)電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。對于這一點(diǎn)大家意見是一致的,但是關(guān)于未來電網(wǎng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)想還不夠清晰。l基于開放體系并高度集成的通信系統(tǒng):在構(gòu)建智能的功能之前首先建立一個(gè)強(qiáng)大的信息通信網(wǎng)絡(luò)(具有魯棒的ICT功能,含用戶域、市場域、服務(wù)域、運(yùn)行域、發(fā)電域、[注]需要建立開放統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。很多組織在倡導(dǎo)推廣基于IP的通信(形成物聯(lián)網(wǎng)但使IP延伸到終端設(shè)備和用戶層面還有很多問題需要解決(南方電網(wǎng),基于HarmonyOS,寬帶)II.大力推進(jìn)分層集群體系結(jié)構(gòu)下的總配[3]FelixF.Wu,PravinP.Varaiya,RonS.Y.Hui.SmartGridwithIntelligentPeripheryfortheFuture:ArchitecturefortheEnergyInternet[J].Engineering,2015,1(4):436-446.在1925-1950年代逐步形成的互聯(lián)電力系統(tǒng),功率平衡區(qū)(BalanceArea,簡記BA,也常用cluster表示)的概念是基本的,其工作規(guī)范如下[4]:l平衡區(qū)(BA)內(nèi)發(fā)電的調(diào)節(jié)(Dispatch)需要隨時(shí)吸收其內(nèi)部負(fù)荷的變化(簡稱凈功率平衡即使發(fā)生大的擾動(dòng)也要自行解決(自平衡Dispatch的周期典型的如15分鐘;lBA(即區(qū)域電網(wǎng))之間聯(lián)絡(luò)線上的功率均按功率交換計(jì)劃(onschedule)工作,其值由各BA間圍繞總體目標(biāo)協(xié)調(diào)確定。為了輸電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,該計(jì)劃值在一天內(nèi)會(huì)平穩(wěn)在少數(shù)幾個(gè)水平上(如下圖所示,以保證BA能夠?qū)崿F(xiàn)其安全優(yōu)化運(yùn)行——包括機(jī)組啟停的約束)。8[4]BNCohn.ControlofGenerationandPowerFlowonInterconnectedSystems[M].NewYork:JohnWiley&Sons,8II-1.智能電網(wǎng)具有分層集群的體系結(jié)構(gòu)[5]互聯(lián)輸電系統(tǒng)互聯(lián)輸電系統(tǒng)由于未來電網(wǎng)將接入數(shù)量巨大的分布l互聯(lián)輸電系統(tǒng)是由若干個(gè)功率平衡區(qū)BA(即區(qū)域輸電系統(tǒng))互聯(lián)起來的群集(clusters每個(gè)BA是);l每個(gè)區(qū)域性輸電網(wǎng)是若干個(gè)配電網(wǎng)l每個(gè)配電網(wǎng)是若干個(gè)微網(wǎng)、建筑單l每個(gè)微網(wǎng)也是由若干個(gè)建筑單元和配電網(wǎng)群集(clusters微網(wǎng)群集區(qū)域輸電系統(tǒng)群集配電網(wǎng)群集(clusters微網(wǎng)群集配電網(wǎng)配電網(wǎng)AOOO建筑物群集(mini電網(wǎng)、納米電網(wǎng))電網(wǎng)分層案群(群案嵌套)體系結(jié)構(gòu)(或稱集群的自然層次結(jié)構(gòu))示意圖(蝦電網(wǎng)中也可能復(fù)接包括建筑單元)[5]余貽鑫,劉艷麗,秦超,孫冰.分層集群電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu).電力系統(tǒng)保護(hù)與控制.2020,48(11):1-8.9層流協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體-關(guān)系(E-R)圖層流協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體-關(guān)系(E-R)圖,以及用于協(xié)調(diào)和對等交互的關(guān)鍵數(shù)據(jù)流Entity-Relationship(E-R)DiagramofLaminarNetworkandkeydataflowsforcoordinationandpeertopeerinteractions為使電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范或開發(fā)具有嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性,盡可能地使用l數(shù)學(xué)的方法:分層優(yōu)化解耦的數(shù)學(xué)方法[6]已成功地應(yīng)用到具有高透率DERs電網(wǎng)的分析[7]。l新的方法學(xué)(如互聯(lián)網(wǎng)):互聯(lián)網(wǎng)是智能的,可以輕松地適應(yīng)接連不斷地具有顛覆性的信息革命的快速變化的情景。在新的電力時(shí)代,我們希望電網(wǎng)能像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能化。文獻(xiàn)[8]的研究已證明了這一點(diǎn)。具有分層集群體系結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)能夠很好地適應(yīng)未來電網(wǎng)的需求[6]JeffreyD.Taft.GridArchitecture[J].IEEEPower&energy,Volume17,No5,September/October2019.[7]MungChiang,StevenLow,etal.LayeringasOptimizationDecomposition:AMathematicalTheoryofNetworkArchitectures[J]. ProceedingsoftheIEEE,Vol.95,No.1,January2007.[8]YanliLIU,YixinYU,F(xiàn)elixF.WU&etal.AGridasSmartasInternet[J],Engineering,2020,6(7):778-788監(jiān)管結(jié)構(gòu),行業(yè)結(jié)構(gòu)和控制/協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的一致性控制/協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)是一致的,均需要采用分層、集群體系結(jié)構(gòu)的模型以確??煽啃载?zé)任。l實(shí)踐中已出現(xiàn)不合乎分層集群規(guī)范的案例(如圖兩側(cè)的生產(chǎn)型消費(fèi)者prosummer,它們雖然電氣上接于當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng),但不支持當(dāng)?shù)嘏潆娬{(diào)度),責(zé)權(quán)利不統(tǒng)一,甚至成了法律問題[7]?;谂c“將系統(tǒng)分解為群集的層次結(jié)構(gòu)”和“每個(gè)集群都保持自己的凈能量平衡”相同的想法,也將導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣聰明。II-2.總配電系統(tǒng)運(yùn)營商(DSO)lT&D兩層的分層集群(集成的去中心化[9])電網(wǎng)示意圖BAA:平衡區(qū)域當(dāng)局;ISO:獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度;LDA:局部地配電區(qū)域;DSO:配電系統(tǒng)運(yùn)營商;TSO:輸電系統(tǒng)運(yùn)營商。lTT-STTlTT-STTT-S—TSO的Schedule周期TT-D—TSO的Dispatch周期TD-S—DSO的Schedule周期TD-D—DSO的Dispatch周期實(shí)現(xiàn)了可靠性責(zé)任的分?jǐn)偅礈p輕了TSO的負(fù)擔(dān),又保證各LDAs的可靠性)。并使得配電系統(tǒng)運(yùn)營商DSO服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶以及配電系統(tǒng)運(yùn)營商DSO,都可以從參與大功率系統(tǒng)的市場和服務(wù)中受益。II-3.從配電角度看虛擬電廠組成單元DG、儲(chǔ)能單元、可控負(fù)荷、EVDG、配電網(wǎng)(未來包括儲(chǔ)能單元、可控負(fù)荷、微電網(wǎng)、EV)DG、儲(chǔ)能單元、可控負(fù)荷、微電網(wǎng)、地理分布地理位置接近(屬于在同一變壓器供電的一片配電電網(wǎng))地理位置比較接近(屬于在同一變壓器供電的一整片配電電網(wǎng))地理位置可接近,也可以分散(可以由不屬于同一變壓器供電的若干片配電網(wǎng)內(nèi)的部分分散電源組成)接入范圍/隸屬關(guān)系配電網(wǎng)/獨(dú)立實(shí)體配電網(wǎng)/電力公司配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)/獨(dú)立市場實(shí)體運(yùn)行模式并網(wǎng)運(yùn)行(在所接配電網(wǎng)的調(diào)度周期內(nèi)為單端口功率平衡區(qū))與離網(wǎng)運(yùn)行,并網(wǎng)運(yùn)行(未來在所接輸電網(wǎng)的調(diào)度周期內(nèi)為單端口功率平衡區(qū))并網(wǎng)運(yùn)行(在所接輸電網(wǎng)的調(diào)度周期內(nèi)維持單端口功率固定)聚合目的近期解決高滲透率DERs接入問題(未來是智能微電網(wǎng))近期主動(dòng)管理DERs,解決其并網(wǎng)問題(未來是智能配電網(wǎng))使DERs能夠參與電力市場運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益1l從配電角度看虛擬電廠:由不屬于同一變壓器供電的若干片配電網(wǎng)內(nèi)的部分分散電源組成的虛擬電廠只能支持了其所服務(wù)的輸電網(wǎng)!它們可能深深依賴并影響其所處局部地區(qū)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行,但平時(shí)卻不參與當(dāng)?shù)谼SO的安全約束優(yōu)化調(diào)度(它只提供一個(gè)固定的功率而使地方電網(wǎng)失去更優(yōu)的運(yùn)行方式;事故時(shí)當(dāng)?shù)卣{(diào)度也不能直接對其進(jìn)行快速控制,而失去快速恢復(fù)供電的機(jī)會(huì)。—與智能配電網(wǎng)[注]的DSO模式相比,在責(zé)權(quán)利相統(tǒng)一上欠缺。l文獻(xiàn)[9]指出:DER直接參與批發(fā)市場的報(bào)酬可能比其支持者預(yù)期的要低得多,并且實(shí)施成本更高。原因是,如若DSO是經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)和規(guī)范的,并具有為DER服務(wù)的透明開放的DSO市場,則DER開發(fā)人員和運(yùn)營商就不會(huì)在商業(yè)上處于不利地位。[注]微電網(wǎng)(平衡區(qū))或集成的微電網(wǎng)群同樣可取。[9]LorenzoK.TheBottom-Up(R)EvolutionoftheElectricPowerSystem[J].IEEEPowerandenergy,2019:17(2):42-49.[10]余貽鑫,秦超.未來電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的總配電系統(tǒng)運(yùn)營商模式.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(即將刊出)。具有分層集群體系結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)使可靠性責(zé)任分擔(dān)成為可能(責(zé)權(quán)利統(tǒng)一且特別適合于技術(shù)創(chuàng)新,能夠很好地適應(yīng)未來電網(wǎng)的需求,總DSO/LDA模式屬于此體系1AIAgents(AI智能體)andAgentAI(智能體AI系統(tǒng))雖然深度學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在:①故障類型識(shí)別和不穩(wěn)定性篩選等困難的多類分類任務(wù)中的潛力巨大,取得了一些成功。②在能量管理系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測方面(如風(fēng)機(jī)功率)已取得了較好的成果。但人工智能并沒有像需要的那樣迅速提供商業(yè)價(jià)值,這與創(chuàng)建適合學(xué)習(xí)問題的數(shù)據(jù)集的困難相關(guān)聯(lián)。(如繼電保護(hù)、DER及其集成的調(diào)度、用戶EMS,mini電網(wǎng)等值機(jī)等能收集和交流系統(tǒng)信息,并根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)(cellIA)要求協(xié)調(diào)自己的決策?!鶤I智能體(AIAgents)l整個(gè)配電的智能體CellIA(DFSM配電快速仿真與建模)行使功能包括:內(nèi)部的/區(qū)域內(nèi)的潮流,發(fā)電/負(fù)荷平衡(孤島網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)(孤島)和供電恢復(fù),可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自愈?!悄荏wAI系統(tǒng) —以減少能源轉(zhuǎn)型的成本和確保社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展IV-1.重新定義配電服務(wù)l既然生產(chǎn)型消費(fèi)者(用戶)即可以從電網(wǎng)接受服務(wù)也可以為電網(wǎng)提供服務(wù),因此,在DSO/LDA的網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)互聯(lián)點(diǎn)(POI)都應(yīng)為其所接受/提供的服務(wù)付費(fèi)/收費(fèi),從而需要對這些配電服務(wù)予以定義,例如:POI需支付其導(dǎo)致的電網(wǎng)成本。例如,有屋頂太陽能光伏而無儲(chǔ)能參與的POI需比與有屋頂太陽能光伏且有儲(chǔ)能的類似POI支付更多的配電費(fèi)用。具有適當(dāng)性能特征的POI將通過為DSO提供服務(wù)來賺取收入。l所有費(fèi)率,收費(fèi)和付款的結(jié)構(gòu)都將為DSO系統(tǒng)的用戶和DSO本身創(chuàng)造激勵(lì),以符合公共政策目標(biāo)(如減碳目標(biāo)和能源公平并支持電網(wǎng)的最佳使用。202021IV-2.開放電表市場,將其標(biāo)準(zhǔn)化l過去的配電市場是指電網(wǎng)向用戶提供千瓦時(shí)商品的市場,可以預(yù)見未來,一個(gè)新的更大的市場將是電表能源資源的市場[9]:在配電網(wǎng)中,所謂“新市場”的電表也是終端用戶與配電網(wǎng)之間的互聯(lián)點(diǎn)(POI)和實(shí)時(shí)接口。電表市場是DSO的重要組成部分,包括管理和控制系統(tǒng)(如:建筑能源管理系統(tǒng)、迷你和納米電網(wǎng)控制器該系統(tǒng)管理電表內(nèi)部能源使用、資源以及電表市場必然引發(fā)關(guān)于未來新的配電設(shè)施和角色的想法,其中包括運(yùn)行交易平臺(tái)和配電級市場。IV-3.采用激勵(lì)措施促進(jìn)新型的電力需求和DERs的增長在對電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行影響的問題上,已呈現(xiàn)出兩個(gè)極端的解決方案:方案1:將電力需求和DER增長視為主要是外生的(外界給定的在此基礎(chǔ)上遵循傳統(tǒng)的可靠性理念,集中地規(guī)劃T&D基礎(chǔ)設(shè)施和采購相應(yīng)的資源,以滿足高可靠性需求。在20世紀(jì)一直使用這種方法,這使得為滿足每年只有幾十小時(shí)的高峰負(fù)荷條件而增加了基礎(chǔ)設(shè)施投資(如下圖所示在大多數(shù)情況下導(dǎo)致產(chǎn)能過剩。22[11]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)述評.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(34):1-8.(F5000論文)2222方案2:制定激勵(lì)措施和要求,從而在當(dāng)?shù)卮龠M(jìn)新的電力需求和DERs增長,并在接近源頭的地方管理極端凈負(fù)荷的狀況和波動(dòng),為此需要:l為電網(wǎng)上的每個(gè)互聯(lián)點(diǎn)(POI)創(chuàng)建激勵(lì)機(jī)制(包括互聯(lián)政策和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)以使電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)保持在指定范圍內(nèi),從而將對電網(wǎng)的要求降至最低。lDSO必須具有激勵(lì)性結(jié)構(gòu),以保證它們從合格的靈活的DRS(需求響應(yīng)系統(tǒng))獲得服務(wù),使它們可以有效地將需求增長和各種自主式DRS集成在一起,而不需要昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施投資,或不在大系統(tǒng)中造成變化大和不確定性的潮流。2323促進(jìn)新型電力需求和DER增長,并提供電網(wǎng)服務(wù)機(jī)會(huì),否則可能會(huì)增加運(yùn)行挑戰(zhàn)和昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施需求。
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