未来国内电网调度与控制模式展望

蔡 帜，戴 赛，赵 昆

（中国电力科学研究院，北京 100192）

专论

未来国内电网调度与控制模式展望

蔡 帜，戴 赛，赵 昆

（中国电力科学研究院，北京 100192）

电网调度和控制模式的演变是一个长期的历史过程，受到许多技术因素的驱动。分布式发电、清洁能源、储能和新材料技术的突破和广泛应用，对未来电网的调控模式提出了新的要求。从目前的电网科技发展可预测出，在储能、微电网、需求侧响应等技术支持下，未来含高比例清洁能源的电网将形成“集中协调、局部自治”的广域协同运行体系架构，其通过调动发电侧和需求侧共同参与，形成输电网、配电网、微网能量管理系统的互动调控。

未来电网；调度模式；控制模式；清洁能源

当前，新一轮能源变革正在全球范围推进，我国能源布局和结构调整步伐明显加快，能源开发呈现集约化、规模化、清洁化的特征，要求电网加快发展，适应能源在全国范围优化、高效配置的需要。面对全球的环保和资源压力，节能减排、提高效率已经成为未来电网所必须满足的要求，这意味着要减少化石能源所产生的电能在总电能中的比重，大大增加各种清洁可再生能源如风能、太阳能、潮汐能、地热能等的发电比重。

目前国内电力系统已实现了厂网分开，但并没有随之全面实行电力市场竞争，而是延续计划电量调度模式，以平衡发电企业之间的利益关系，各电厂或机组的计划电量按照同一省级电网内的平均发电小时数确定。我国在调控模式方面的研究虽然取得了不少进展，但尚不能满足高比例清洁能源接入下的未来电网需求，主要体现在以下几个方面［1－7］。

a.由于清洁可再生能源发电具有不确定性和不可控性等缺点，特别是有很强的季节性，对电力系统安全稳定运行及电能质量产生不利的影响。新能源发电波动性的特点对电网调度控制的影响是很明显的，也是电力系统需要首先解决的问题。

b.我国能源分布不均衡，导致能源资源必须在大范围内进行调度，而现实中煤电运输矛盾反复出现，“缺电”与“窝电”并存局面短期难以有效缓解，跨区跨省能源优化配置问题日益突出。特高压电网的出现，加强了区域电网之间的联系，使得大范围跨省跨区资源优化配置成为可能，为缓解电煤运矛盾提供了基础，为节能减排战略提供了思路，但是在这一新的全网互联的态势下，如何进行广域资源协调优化配置是急需解决的问题，迫切需要寻求新的调控模式。

c.未来电力系统的目标会更多样化，相对于现有调控模式的单一目标来说，需要协调统一地考虑多种目标，以适应未来全国大联网下智能调度的需求，能兼容并支持不同调度模式下的各种目标成本形式和约束内容，将电网调度的目标从主要考虑安全性的单一目标向安全、节能、经济性并重的整体解决方案发展。

1 未来电网调控模式的适应性要求

衡量一种电力调控模式是否科学，其核心是分析该模式是否能够适应高比例清洁能源下电力工业生产的发展，具体分析时，可以从以下几个方面进行考察。

a.大范围资源优化配置能力

在经济飞速发展一体化增强的今天，电力工业和其他相关工业联系日益紧密，特别是与煤炭等能源资源业更是密不可分，在能源资源枯竭、自然环境恶化的担忧背景下，如何充分利用有效能源资源，产生最大效益成为大家所追求的目标。因此，先进的调控模式，应该能够从更大的范围内实现资源的优化配置，在多类型能源（包括常规火电、风电、光伏、抽水蓄能、储能和需求侧负荷等）同时接入电网时，由于各种电源的发电运行特性不同，互补统筹考虑电力系统运行的安全、经济、节能和环保等因素，满足包含间歇能源随机因素的各类复杂约束要求，提高能源利用效率，相对于传统的水火协调和风火协调，多元能源具有更大的协调优化互补潜力。实施多种电源互补调度，可以发挥各类电源特长，优势互补，不仅可以促进风电、光电更好地并网消纳，扩展新能源发展空间，实现节能减排目标，而且可以提高供电质量，更好地保障电网安全稳定经济运行。

同时，大范围资源优化配置能提高电力系统的间歇能源消纳水平，清洁能源的不确定性、随机性和反调峰性对电力系统安全稳定运行的影响日益明显。通过间歇电源不确定性对电网的影响分析，建立适应不确定电源和常规电源的多电源发电优化调控模式，从调度运行层面提高电网间歇能源消纳水平。

b.安全性

电力系统安全性是电力系统在运行过程中表现出来的一种特性，是指电力系统在遭受扰动后能够以合乎要求的参数持续向用户提供电力供应的能力。未来电网运行一体化程度大大提高，从500 kV就近“手拉手”的互联电网，发展为以特高压主网架连接的统一电网，交流电气联系紧密、直流交换容量巨大，各级电网相互影响、相互作用进一步增强，多级或同级调度中心之间的安全约束冲突增加，需要通过电网调度控制模式和协同策略的不同完善，提升在全网层面统筹考虑电网安全的能力，才能进一步适应未来电网的发展趋势。

未来电网的安全性体现在不会因为模型参数、系统运行状态的变化而需要重新设计控制规律或者导致控制失效，对于新能源、灵活负荷的接纳控制也应具有自适应性，不会因为发电能源类型、用电设备种类的变化而导致电网控制失效。未来电网自身应具备事件发现与评估、事件分析与决策、事件处理等一系列达到人工智能高度的机制，对各类诸如故障的事件具有自动识别、恢复和自愈功能。

c.经济和社会效益

电力系统的公司性质和社会公共事业性质，决定了电力系统运行时应该满足经济效益和社会效益最大化。未来电网的调控模式在提高经济效益方面包括：减小网损、提高设备利用率、实现多种电源接入下的全网资源优化配置等；在提高社会效益方面，包括提高电压合格率、减小电压波动率、提高频率合格率、提高供电可靠率、减小年平均停电时间、减小排放和损耗，另外要提高用户满意度，进行反馈评价等。

同时，未来电力系统的生产、传输和分配是随时间不停变化的，受不同发电能源供给、电网运行方式、电力负荷和天气情况变化等因素的影响很大，单纯在一个时刻或短期进行优化是远远不够的，必须在更长的时间维度上，瞻前顾后，统筹协调，实现时间纵深上的一体化优化，并能够随外界情况的变化及时进行协调滚动优化。

2 未来电网运行调度与控制模式概念设计

未来电网运行调度与控制模式概念设计框图如图1所示，基于广域协同运行控制体系架构、自主调度理论和鲁棒调度运行机制，以调度控制技术支持体系为平台，通过互动控制模式、资源优化方法和系统演进策略，形成未来电网运行调度与控制模式。未来电网运行调度模式包括集中和分布下多层级协调调度、多时序多能源协调优化调度和储能、微电网和需求侧响应参与调度等内容；未来电网运行控制模式包括分层分区自主协调控制、具有自愈能力的自组织控制系统和态势感知风险防控等内容。

2.1 未来电网运行调度模式

未来电网的调度模式将是一种集中与分布式能源同时参与，主动响应与固定需求并存，集中调度与隐性调度联合协调，覆盖发电／输电／配电／全产业链的完整、开放、公平竞争的生态系统。

图1 未来电网运行调度与控制模式概念设计框图

电源方面，集中式大规模电源与分布式新能源自主灵活参与市场。

负荷侧，固定负荷与需求响应能够按照意愿参与不同市场层级的不同资源类型的市场，寻求自身利益。

调度环节，调度中心集中调度，储能／需求响应等主体利用市场信号，隐性参与联合调度。

具体来说，未来电网运行调度模式的主要特点如下。

a.集中和分布下多层级协调调度。未来大电网中流动的信息量巨大，如果都由同一个调度中心进行处理分析，无法满足快速响应的需求。因此未来电网调度将采取分层、分级的形式。在未来的调度系统中，下级调度中心更强调精益化调度水平，建立发电调度评估指标体系，把尽可能多的问题在局部处理好，这样，下级调度中心就不再完全作为上级电网的一部分，而是作为一个自治系统自动完成自我平衡。然而这并非要摈弃集中调度的形式，而是将其引向更高层次的协调和引导方向，上级电网能根据各区电网相互影响、相互作用的具体情况，在更加广阔、更加宏观的电网区域内实现统一协调和分工协作，从更高层次上制定全局运行调度计划，提升调度驾驭大电网能力。

b.多时序多能源协调优化调度。大规模清洁电源接入，给电网安全经济运行提出新的挑战。在多类型能源（包括常规火电、风电、光伏、抽水蓄能、储能、微网和需求侧响应等）同时接入电网时，由于各种电源的发电运行特性不同，相对于传统的水火协调和风火协调，多元能源具有更大的协调优化互补潜力。实施多种电源互补调度，发挥各类电源特长，优势互补，可以从调度运行层面提高电网间歇能源消纳水平，同时可以提高供电质量，更好地保障电网安全稳定经济运行。

不同发电能源供给是随时间不停变化的，受电网运行方式、电力负荷和天气情况变化等因素的影响很大，单纯在一个时刻或短期实现资源优化配置是远远不够的，必须在更长的时间维度上，瞻前顾后，统筹协调，实现时间纵深上的一体化优化，并能够随外界情况的变化及时进行各周期持续动态优化，在广域时间范围内提升发电调度计划的安全性、经济性、节能性和公平性。

c.储能、微电网和需求侧响应参与调度。储能装置是指可以储存电能的设备，可作为电源或负荷出现在电网中，并具有功率快速可调及可充放电的特点。储能系统具有在联合优化调度中可以实现对系统负荷削峰填谷、调节频率、增加系统备用容量和提高系统对清洁能源的消纳能力等作用，随着储能系统生产制造成本的降低，在未来电网中必将有广泛应用。

微电网是由分布式发电及其相关负载组成的微型电网［8－9］，改变了以往单向辐射状供电的能量流动方式，充分发挥了分布式电源的优势，可达到就地平衡功率、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的作用。通过微电网技术，可以实现电网能量在空间层面的灵活流动，一般情况下调度信息的产生和下达将由大量的分布式自动调度装置完成，人工调度只需要关注这些微电网的外部特性，在整个电力网络的层面上对其进行调度和调节。

需求侧响应是根据电网的状况，以平衡发电侧为目标，利用需求响应对负荷进行调度［10－11］，将电网的信息流动延伸到电网末梢，使原本无法控制的需求侧设备也能够向电网提供信息并接受电网的调度，在系统需要或电力紧张时减少负荷需求，改变了固有的习惯用电模式，可以对负荷曲线“削峰填谷”，提高电网整体的运行效率，保障电网稳定运行。

2.2 未来电网运行控制模式

未来电网运行控制将实现交直流混联电网的多层级协调优化控制，实现有功无功一体化协调控制；能够有效利用电价激励手段、降压节能、削峰填谷等因素，调动发电侧、需求侧共同参与电网的运行控制，形成输电网、配电网、微网能量管理系统的互动控制。未来电网控制系统是智能化控制系统［12－14］，即能够感知实时电网态势，利用已有的知识对信息进行分析、计算、比较、判断；具有学习能力和自适应能力，通过与环境的相互作用，不断学习积累知识，适应环境变化；具有行为决策能力，能对外界的刺激做出反应，形成决策并传达相应的信息。

具体来说，未来电网运行控制模式的主要特点有如下。

a.态势感知风险防控。未来大规模复杂电网的智能化调控需要保证电网运行状态获取的实时性和准确性，现阶段的PMU以及广域量测体系在未来将得到进一步的发展，全系统的广域量测体系有可能全面建立。但是对电网状态的分析计算仍然需要花费一定时间，因此，未来的复杂大电网将具备态势感知和风险防控能力，能在获取当前电网运行状态的条件下，更多、更有效地利用实时广域信息，以电网基础模型和数据为基础，整合电网运行特性和人为两大因素，进一步预测未来电网运行状态以及存在问题，为电网准确调控提供更多参考，也为分析计算环节争取宝贵时间资源，保证运行调控人员对电网运行态势的全面掌握。

b.分层分区自主协调控制。应用先进的控制理论、自主计算、分布智能、优化理论，通过自治优化和控制、自治配置等相关技术，未来电网具备更为灵活的、鲁棒的控制机制，形成覆盖大电网、配电网、微网的电网分层控制体系架构，在分层内部分布式自主控制、分层之间集中协调控制，建立多级互动能量管理系统，可进行面向高比例清洁能源接入下电网形态的输电网、配电网、微网能量管理系统互动控制及资源优化配置，支持广域环境下的资源高效集约管理，提升了电网的自主协调调控能力。

c.具有自愈能力的自组织控制系统。清洁能源的随机性和波动性使其输出有功功率不易控制，所吸收的无功功率也处在变化中。部分清洁能源如风电多处于供电电网末端，需要消耗感性无功功率，因此电压质量较差、线路有功损耗较大。自组织的控制系统能够与变化的环境相互作用，通过自行演化而形成新的结构和功能。在未来电网中，自组织控制系统构成层状结构，协调设备级控制和系统级控制，在一定程度上自动消除清洁能源带来的功率波动和排除故障，保证稳定的功率输出。通过自组织的控制体系进行无功调度及电压控制，可以有效地提高清洁能源发电和电力系统的电压质量、有功无功平衡以及电压稳定水平。

3 结论

虽然未来电网的发展规律和演变模式难以完全准确地把握，但在未来发展需求、环境约束和技术成熟度预测下，可以对电网发展中预期的主要场景和基本调控模式进行概念设计。未来电网在可预见的高比例清洁能源接入下，以态势感知、自组织控制、储能、微电网和需求侧响应等关键技术为支撑，充分发挥各类电源特长，进行多时序多能源协调优化，输电网、配电网、微网联合形成先进的“集中协调、局部自治”多层级协调调度和控制模式，充分消纳清洁能源，在安全稳定的运行状态下，实现更好的经济和社会效益。

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Prospects on Future China Power Grid Dispatching and Control Mode

CAI Zhi，DAI Sai，ZHAO Kun
（China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

The evolution of power grid dispatching and control mode is a long historical process which is driven by many technological factors.The development and application of these factors such as distributed generation，clean energy，energy storage and new materi⁃als set forth more requirements in the future.From the technologies and their development，it can be predicted that the future power grid is formed a“centralized coordination，local autonomy”mode with energy storage，micro⁃grids，demand response and other key technological support，forming a transmission network，distribution network，micro⁃grids interactive dispatching and control system.

Future power grid；Dispatching mode；Control mode；Clean energy

TM73；TM76

A

1004－7913（2016）08－0001－04

蔡 帜（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统优化调度。

2016－05－18）