欧洲电网发展中的研究与创新方向

张毅威，丁超杰，闵勇，姜学平，范明天，张祖平

（1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系），北京 100084；2.国家电网公司国网智能电网研究院，北京 102211；3.中国电力科学研究院，北京 100085）

欧盟于2006年提出的2050年低碳欧盟电网的远期目标中[1]，将供电的安全性、可持续性和市场竞争性作为制定欧盟能源发展战略相关政策的三大支柱。欧盟2008年提出了2020年可再生能源达到20%的近期目标[2]，2010年欧盟及其成员国批准了部署欧盟电网（EEGI）的路线图及其2010—2012年计划[3]，欧洲输电网系统运营机构于2012年发布了研究与发展路线图的征求稿[4]，在此基础上，欧盟2013年提出了2013—2022年的10年研究与创新（R&I）路线图[5]及其相应的2014—2016年R&I计划[6]。其中供电的安全性要考虑供电可靠之下实现交通电气化的问题，供电的可持续性应考虑可再生能源发电达65%、终端能效、主动需求、网络效率等问题，市场竞争性应考虑提高网络灵活性及发展泛欧电网的规划和运行等问题。

为在合适的时机进行合适的研发项目，以保证有效地达到长期目标，并满足未来20年的输电网目标，在保证电网可靠性的条件下，实现欧盟的气候和能源远期目标，EEGI路线图首先确定了一个10年期的R&I策略。基于该10年路线图，EEGI短期计划确定了近3年的项目，且每年予以更新。通过总结近期完成的项目成果，并根据行业需求，短期计划确定未来3年应该优先开展的R&I项目，其中确定课题的预算和周期也是短期计划的重要事项。

我国开始明确智能电网发展策略的时间，与欧美几近同步[7-10]。之后，在输电网和配电网的各方面开展了研究，并取得了大量的成果[11-14]。与欧美相比，由于政策监管体系和市场架构体系等方面的不同，我国的发展策略和技术路线有所不同。针对我国经济发展的情况，国家电网公司提出了建设坚强智能电网应该是我国电网的重要发展方向。在运行控制上，我国电网基本实行分层分区、自上而下的调控一体化模式。在需求侧响应的研究与示范方面，还有很多值得研究的问题，比如市场模式、监管模式等。相对来说，欧盟范围内的电网在市场化进程中，运行控制以各个国家电网为主体，缺乏集中统一的调控机制。因此，欧盟在智能电网发展中，渐渐认识到了输电网层面的问题，强调欧盟统一电力市场、泛欧电网建设和运行的重要性。欧盟智能电网研究具有比较清晰的长期策略和及时调整步骤的短期计划，特别是注重技术规模化和商业应用可行性问题，无论在技术层面还是策略层面，都可以为我国电网发展提供有价值的启发和参考。

本文首先讨论欧洲电网面临的主要挑战，然后介绍和讨论EEGI路线图和近期研究计划，包括讨论欧洲电网R&I的主要领域和欧洲电网2013—2022年R&I路线图，10年路线图涉及了理论研究、工具开发、试点项目到具体实施等研究创新方向，最后介绍2014—2016年的优先研究课题。

1 面临的主要问题和挑战

20世纪90年代以前的传统电网，电网规划主要基于负荷预测及经济发展的消费趋势，而电网运行是纵向式：将集中发电厂的电力通过输电网送到配电网，然后再配送到用电侧。在电网中，电源是可控的，负荷具有随机性。通常配电网系统为单向潮流，并按宏观预测模型得到的峰荷来规划电网[15]。

20世纪90年代中期以来，欧洲电力行业开始了电力市场化，监管机制有了很大的变化，其中以发电、输电与配电分离为主要特点。另外，由于通讯与电信技术的快速发展，大大提高了电网的运行与控制手段。对于现代的欧洲电网，在以集中发电厂的电源和大型工业负荷作为可控源外，伴随着智能控制技术的电网集成，更多的负荷消费也变得可控了。欧洲电网中的大规模可再生能源（RES）成为了主要的不可控源，并且由于发电与负荷距离的增大，需要进一步加强输电网的容量和互联。另外，在配电网层面，随着分布式发电技术模块化的更加成熟，分布式能源（DER）也大大增加。电力系统的规划、运行与控制的优化过程都发生了很大的改变。未来电网应该变得更加智能、更加坚强，可以容纳集中和分布的可再生发电，容纳集中和分布的储能，配电系统允许双向潮流，同时保持系统的可靠性和安全性。另外，需要研究新的市场机制，提供市场信号给发电投资和需求侧，以优化整个电力系统。

就目前来说，到2020年，欧洲电网所面临的主要挑战为：

1）在输电网层面，RES发电大规模发展，包括陆地和海上发电、光伏电场、水电等，需要扩展输电网规模以保证供电可靠性和安全性；

2）社会越来越不愿意接受新的电网基础设施，使得输电网发展远远滞后电源建设；

3）传统架空线路的公共接受度很低，迫使输电网运营商（TSO）使用更昂贵的技术方案，如地下电缆或高压直流输电线路，这使得泛欧电网的设计和运行更加复杂；

4）利用小型的居民RES（如光伏发电）和大型的风力发电与光伏电场的系统接入来替代化石燃料和老化的电厂时，需要不同的技术解决方案（如储能等）和制定不同的准则，以保证系统的功率平衡、控制和规划；

5）大型机组的大扰动结合了许多小机组的小扰动，这将改变网络的运行状态，因为成千上万的DER单元脱网有可能会导致系统问题（例如大停电），这从规模上就像几个大型机组脱网所引发的问题；

6）输电系统与配电系统的联系越来越紧密，而TSO与DSO的实时通讯明显不足，通常还不能全面监视配电系统的状态和情况（即，负荷、容量和电压等）。

针对上述挑战，欧盟组织开展了新的研究和创新活动。

2 研究与创新的主要领域

在欧洲的电力系统中，TSO和DSO属于受监管的公司。虽然具体法规依成员国而不同，但是TSO和DSO的服务价值包括在相似活动的相似技能中。根据欧盟低碳经济的观点，TSO和DSO有利于促成可再生能源产业，将绿色电力销售到远方市场，增加使用各种能源，在更广泛的地区内进行电力和电量平衡，消除拥塞，蓬勃电力市场，并且实现交通电气化和主动需求管理。欧盟将涵盖了TSO和DSO的R&I活动各分成5类，并包括了TSO/DSO的相互协调类别，如表1所示。

表1 R&I课题的分类Tab.1 Classification of R&I subjects

下面将从电网规划、资产管理、电力设备技术、电网运行和市场技术等方面，讨论欧洲输电网与配电网方面的主要研究问题。另外，可扩展性和可复制性研究将讨论创新研发与创新部署之间的问题。

2.1 电网规划

规划和发展安全、高效和经济的泛欧输电系统是TSO的首要任务。这需要在满足安全标准的条件下，适时预测和部署系统创新。未来电网规划工作的挑战包括：预测未来发电模式的演变和及时做好准备以适应新的发电容量，这需要现有电网能够顺利发展成新的网架结构。总体而言，需要输电网保持电源接入和功率平衡的能力。此外，在不久的将来，大部分新电源将连接到中低压配电网络，具有分布式发电的配电系统可能在大部分时间中是自给自足的，只是需要输电网给予频率和电压支撑的辅助服务。在特定的运行条件下（如分布式发电失效时）或在一天、一周或一年的特定时间（例如假期时配电网发电有剩余），就不仅仅需要输电网提供辅助服务，还需要输电网进行大量的功率接入。

应用TSO-DSO净交换功率的历史数据进行输电网的规划和发展，将低估高压电网的改造需求。同时，在进行输电网络设计时，如果考虑全部负荷功率并相应地接入全部装机容量，则可能造成高成本的过度设计。

配电网规划的挑战由其他因素引起。规划的最大变化是向满足某些用户需求的运行方式转化：利用新型的监测和控制解决方案，以及先进的负荷和RES发电的预测系统，配电网改造（如新建线路和变压器）的替代方案将会增加。这将促使对现代配电系统的规划方法与实践进行反思，以考虑智能电网的新发展。还必须确定运行控制与规划措施的相对问题（如改造投资之前允许削减负荷的最大时间）。

TSO和DSO都必须遵循电网接入规范，其中电力网络连接规范旨在防止TSO/DSO在提供网络连接服务时进行垄断。监管的目的是要建立进行合理连接的规范。监管不能过于指令式，只在必要的情况下进行管制，同时在价格管制下对获取新客户进行激励。

2.2 资产管理

对于TSO和DSO公司，资产管理是整体网络管理策略的重要组成部分。战略的物资管理是对网络服务的最佳支持。资产管理的主要目标包括：

1）建立符合公司目标和法定义务的优先事项，即安全性、可靠性和可持续性；

2）按照这些优先事项，规划和控制其融资和支出；

3）确保资源的使用是物有所值。

这些目标涵括了资产管理的3个重要内容：资金投资战略性规划，资产更新与替换的战略性规划和资产维护的战略性规划。

资产管理对运营成本（OPEX）有直接的短期影响，对资本支出（CAPEX）有中长期的影响。总体而言，新版路线图强调由OPEX驱动的创新对TSO和DSO的重要性，受监管的运营商能够在法定义务内进行规划、运行和市场优化。值得注意是，监管政策与上述结果一致时，实施符合现有监管条例的资产管理系统才会导致预期的结果。

2.3 电力设备技术

电力设备技术的创新周期在电力设备技术供应商和制造商的手中。欧盟认为，由于欧洲拥有世界领先技术的领域，而相关人员必须基于世界市场评估做出战略创新的选择，其需求往往与欧洲的期待不相吻合。因此，欧洲的网络相关人员不得不在小范围或整体规模范围内进行系统的开发和集成项目（并与业界同行共同承担开发和工业化的初期成本），通过集成项目的验证，然后向监管部门提供具有经济安全性的部署计划。

2.4 电网运行

TSO随时都在处理泛欧输电网运行的不确定性带来的问题，它需要规划并确保一系列所谓的配套服务，使得TSO能够应对挑战，其中包括平衡功率，保持电压和频率在适当水平，保证系统的安全性和恢复计划，以及降低输电损耗。在过去10年中，各区域的商业交易变化相当大。价格信号是导致交易波动大的主要因素，反映了泛欧系统内的电力短缺和电价情况。这样的商业交易有时可能会引起区域间联络线的拥塞和区域自身内部的拥塞。这些制约条件必须由TSO在运行规划阶段加以考虑，并且以传输容量分配规则与程序的形式传达给市场。

连接到配电网的小型分布式发电，因为靠近负荷而有可能影响本地潮流。监测和控制手段的提高，使得DSO追求更多的能效机会，只要配电网DSO具有适当水平的交互，就可以进行预测、运行调度和电网优化，以达到高效、持续或高质量的服务。

2.5 市场技术

电力市场规则的逐步改善提高了市场效率，给电力用户更多的利益，给发电商和能源交易商更多的商业机会。因此，TSO必须确保达到统一能源市场方案的目标，从而在运作良好的基础上促进欧洲电力市场的发展。

TSO可以参与政策制定者和监管机构、所有电力市场利益相关者（从生成到最终消费者）的讨论，协助设计市场，制定与网络相关的市场规则。

DSO可以收集市场各方的灵活服务，通过网络提供给TSO，也可以使用灵活服务来优化与输电网连接的成本。TSO和DSO都将参与到需求响应机制中，需求响应不仅具有促进削峰填谷和调峰作用，还可以提供系统平衡，提供组合的平衡，提供（本地）辅助服务（给本地电网运营商）。需求响应机制未来将有可能成为一种个别用户融入市场（能源市场和功率平衡市场）的途径，其中的能源市场可能包含多种可能的时间框架。

2.6 可扩展性和可复制性

可扩展性和可复制性的研究目的是建立创新研发与创新部署之间的桥梁。事实上，从研发示范到系统部署，不仅仅是简单的数量问题，它们之间有可能存在本质的区别。将成功示范的创新转变为大规模部署时，需要对每个R&I结果的可扩展性和可复制性进行研究，需要被监管方和市场相关者都具有可承受的技术风险。目前存在以下问题：

1）尽管已经掌握了技术风险，但部署的经济风险没有得到控制（缺乏经济规模性）；

2）监管环境在一个控制区可能是有利的（经济规模得到管理），但在另一个控制区可能是不利的（缺乏可复制性）。

需要应用科学的方法事先解决这样的问题，以便在部署之前对以下挑战提出回答。

1）可扩展性（依项目而定）：利用数值模拟技术，在可接受的误差范围内，使用R＆I的实验结果，显示经济规模性是否在可控制的范围内；

2）可复制性（依地理和边界条件而定）：利用数值模拟技术和其他边界条件的经验数据，在可接受的误差范围内，使用R＆I的实验结果，显示出可复制潜力在可控范围内。

这又进一步提出了以下几个科学和技术挑战。

1）什么类型的仿真工具能够可靠地支持这类研究？

2）什么是R&I项目过程的最低限度实验数据，以指示可扩展性和可复制性的关键绩效指标（KPI）？

3）什么类型的数值试验可以提取相关的KPI？

4）什么是在使用工具箱时可接受的不确定性，以认证一个创新的解决方案是可扩展的和/或可复制的？

5）如何分享成果工具箱，同时保护相关利益方的保密限制？

新版EEGI路线图的一个特点是提出了研究可扩展性和可复制性的方法论。另外，强调需要监管部门更多地参与到目前的和未来的研究和创新活动中。在实际电力系统成功示范之后，尤其欢迎增加参与度，以便更好地设计创新解决方案的部署问题。新版路线图建议开发可扩展性和可复制性研究的一组仿真工具，邀请监管者来验证在一组专门任务中EEGI的相关活动，以这样的方式，一旦经过验证，监管就可以：

1）设计适当的资助计划支持电力系统的大规模示范。事前指定在其中收集数据，以支持扩展和复制活动。

2）通过上述资助，支持可扩展性和可复制性研究，更好地衡量部署成本，并能够重复使用R＆I项目的成果。

3）帮助克服部署的障碍，包括技术性障碍（例如缺乏互操作性的标准或其中包括设备制造商）或非技术性障碍（比如缩减公共机构的授权时间）。

针对上述几方面的技术领域，欧洲制定不同时间跨度上的目标和计划，以此有步骤地推进欧洲智能电网的研发和建设。

3 研究与创新的长期策略

EEGI将欧洲电网发展的R&I分为理论研究、工具开发、试点项目到具体实施等大类，并确定在合适的时机实施合适的研发项目，以便有效地达到长期目标的思路。除了初版路线图中定义的课题分类，根据欧盟TSO和DSO的建议，在2014年尽快将资产管理作为创新的新领域。此外，DSO将市场设计作为R&I活动。另外，修改了一部分TSO/DSO合作活动，强调建立可扩展性和可复制性的研发平台，以进一步尽快支持成功项目的部署。

3.1 输电网的长期研究方向

新版路线图中输电网的R&I分类和相关课题如表2所示。表3为TSO与DSO协调的相关课题。预算从原来的7.9亿欧元提高到10.05亿欧元。

表2 输电网R&I的课题Tab.2 Subjects of transmission grid R&I

表3 TSO与DSO协调的R&I课题Tab.3 Subjects of TSO/DSO coordination R&I

3.2 配电网的长期研究方向

新版路线图中配电网的项目分类、预算比例和相关课题如表4所示。其中新课题包括D9、D11、D12和D13。另外，总预算为13亿欧元，比旧版预算提高了1亿欧元。课题D1～D4、D7~D8的技术和业务模式已经可以允许进行大规模示范项目；课题D5的技术或业务模式还不允许进行大规模示范项目；课题D9～D12由于其解决方案的自身特性，不需要接入很多客户，所以只考虑中等规模的示范项目。

表4 配电网R&I的预算比例和课题Tab.4 Budget percentage and subjests of distribution network R&I

4 研究与创新的短期计划

EEGI的2014—2016年短期计划为2010—2012年版的更新版，其中删除了一些原定的功能目标，例如电表设施，因为其研究已经比较成熟，增加了新的课题以面对出现的新挑战，例如，输电网和配电网的资产管理研究，配电网的市场设计。另外，强调了提高研究成果的可扩展性和可复制性，加强TSO/DSO的协调，提高客户参与度和可再生能源的集成，以及面对新形势的市场化需求，所需的工具、方法论和相关研究等。下面按输电网和配电网两方面分别介绍其短期计划。

4.1 输电网短期计划

按照EEGI路线图规划和目前的数据统计，输电网R&I项目课题已完成5.7%，已启动17.2%，将启动1.8%，未启动项目约75.3%。2014—2016年输电网方面开展的课题研究如表5所示。可以概括为以下几方面：

表5 输电网R&I的短期计划Tab.5 Short-term plan of transmission network R&I

1）改善泛欧输电网的可观性和控制性能（T6），提高电网灵活性的技术示范（T3）；

2）研发泛欧输电网的新型运行方式，实现与DSO的协调以及需求侧资源的利用（TD2，TD3）；

3）研发不同的电力市场设计，以建立统一的电力市场（T10，T12）；

4）研究资产管理和成本效益分析的新方法（T17，T16）。

另外，这3年中，科研人员需求每年分别为61，72和81人，科研预算分别为2.3亿、2.5亿和2.6亿欧元。

4.2 配电网短期计划

近十多年来在欧洲范围内，欧盟及各成员国启动了许多智能电网项目，并在2013年发表了最新的全面调查报告[16]，这里所涉及的是按照EEGI统计的欧盟配电网项目（不包括各成员国的项目）。按照EEGI路线图规划和目前的数据统计，已完成项目约3%，已启动项目少于15%，未启动项目约80%。2014—2016年配电网方面开展的研究课题如表6所示，可以概括为以下几方面：

1）提高网络基本功能。中小型DER的配电网集成（D3，D4），电动汽车的电网接口（D6）；

2）改善包括通讯设施的配电网性能。网络运行（D7，D8），网络管理（D9，D10），资产管理（D12）；

表6 配电网R&I的短期计划与预算Tab.6 Short-term plan and budget of distribution network R&I 百万欧元

3）进行合作的R&I活动。加强TSO和DSO的协调（TD2，TD1，TD4）；

4）研究可扩展性和可复制性的方法论：使得示范工程中创新方案得到的成果能够得到最终部署（TD5）；

5）配电网市场设计的新方法（D13），在技术和市场的变化中以最佳方式管理这些新变化。

值得一提的是，有关通信集成的解决方案、信息网安全和通讯对电网安全影响等研究课题推迟到下一个研究期启动。

5 结论

欧洲在20世纪90年代中期开始了对智能电网技术的研发，进入21世纪后部署了欧洲电网发展计划（EEGI），在欧盟范围内有序地开展了智能电网的研究与创新项目，并取得了有效的成果。在这基础上，欧盟于2013年更新了其研究与创新的10年发展路线图和3年短期计划。

本文介绍并讨论了其研究与创新领域的主要问题、输电网和配电网的长期策略和短期计划，总结了EEGI以理论研究、工具开发、试点项目到具体实施的有序发展过程，在合适的时机实施合适的研发项目，以便有效地达到长期目标的思路，从而可以了解欧洲智能电网取得的成绩、面临的挑战、可能的解决方案和未来的发展方向。欧洲电网具有分区发展和管理、分层运行和控制的特性，而欧洲需要在未来形成统一的电力市场和电网发展；关于输电网层面和输配接口层面，需要进行更多的研究与创新才能达到其目标。另外，欧盟提出将智能电网形势下的资产管理问题、示范项目的可复制性和可扩展性问题，也纳入欧盟EEGI的R&I活动中，充分体现欧洲强调研究与创新的实效性。这些R&I的考虑可以为我国智能电网的研究和发展提供有价值的参考和启发。

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