雄安新区数字化主动电网研究与实践综述

孙广辉,耿少博,姬艳鹏,孙章岭

(1.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

面对全球节能减排和能源可持续发展的巨大挑战,大力发展分布式可再生能源已成为必然选择。大规模分布式电源接入电力系统中,在提高节能减排效果、改善环境的同时,由于其具有随机性、间歇性和波动性等特点,将对系统潮流分布、电压水平、短路容量等原有电气特性造成显著影响。而传统配电网运行方式和规划准则相对简单,未考虑分布式电源的影响,因此难以满足低碳经济背景下高渗透率可再生能源发电接入与高效利用的要求。

在此背景下,2008年国际大电网会议(CIGRE)首次提出了主动配电网(Active Distribution Network,ADN)的概念[1],并在2009年CIGRE C6.11工作组的工作报告中,将主动配电网定义为:可以综合控制分布式能源(分布式电源、柔性负载和储能)的配电网,配电运行人员能够应用灵活的网络技术调整潮流的分布,分布式能源在合理的监管环境和接入准则基础上能够向系统提供一定辅助服务支撑[2-3]。CIGRE对主动配电网的定义可简化为:主动配电网是一个内部含有分布式能源,具有主动控制能力和运行能力的配电网。

随着以863课题为代表的一批国内外试点研究和示范应用的深入开展,主动配电网内涵特征不断丰富,但尚未形成完整的体系架构,加之试点项目在选址范围、电压等级、示范场景、技术融合等方面仍存在方向单一的局限性,难以实现推广应用。2020年9月,国网河北省电力有限公司(简称“河北公司”)正式发布雄安新区数字化主动电网的建设方案。雄安新区作为电网技术与信息技术高度融合、源网荷储深度互动、以电为中心的多种能源协同利用的综合示范区,具备条件完善主动电网内涵和架构,有能力构建220 k V及以下全电压覆盖、全场景融合、全资源优化的雄安特色数字化主动电网,支撑雄安新区全数字绿色智慧城市建设。

1 国内外研究现状

将主动控制的思想用于配电网,可以形成主动配电网技术理念上的“六个主动”,分别是:电网侧主动规划、主动控制、主动管理与主动服务,负荷侧主动响应,以及发电侧主动参与。

1.1 电网侧主动规划

主动规划主要体现为:协调统一规划建设一次电网架构、二次自动化系统与智能决策支持系统,实现三位一体的协同规划;由电网规划设计单位主动对区域内的分布式可再生能源发电能力进行主动评估,确保分布式可再生能源可以安全、经济地并网。

文献[4]基于传统配电网的信息模型,提出了用于主动配电网规划的简化信息模型。文献[5]提出了一种以分布式能源消纳最大、分布式能源接入容量最小为目标函数的主动配电网规划模型。文献[6]考虑间歇性分布式能源规划布局、输出功率及负荷的不确定性,以单位用电量的综合经济代价最小、间歇性可再生能源年有效发电量最大为目标函数,建立了主动配电网双层场景规划模型。文献[7]综合考虑分布式电源和充电桩协同规划,以及负荷波动、分布式电源弃电等运行成本,建立了多目标主动配电网规划运行模型。文献[8]建立了基于博弈论的主动配电网扩展规划与光储选址定容的双层优化模型。

1.2 电网侧主动控制

主动控制主要体现为:通过源网荷储协调控制,将分布式电源作为可控可调度机组参与最优潮流运行调度,实现分布式电源与电网的一体化控制。

文献[9]提出一种面向可再生能源跨区域消纳的主动配电网多目标优化调度模型,该模型综合考虑了分布式电源有功、无功出力控制、储能设备充放电以及可中断负荷的调用等因素。文献[10]提出一种基于电动汽车充放电功率和网络重构2种手段,以消纳新能源为目标的主动配电网两阶段协调优化调度策略。文献[11]基于多时段配电网网络重构及电池储能系统运行优化,提出一种考虑分布式电源、电池储能系统接入的主动配电网日前协调优化运行模型。文献[12]提出基于模型预测控制的主动配电网多时间尺度有功无功协调调度方法,基于模型预测控制实现主动配电网日前调度、日内滚动调度以及实时反馈校正,同时通过有功无功协调优化来降低网络损耗,在保证主动配电网安全运行的同时进一步实现运行效益最大化。文献[13]考虑储能和柔性负荷的时空联系与网络潮流的影响,建立以可再生能源利用率最大、网络损耗最小和用户满意度最高为目标的主动配电网优化调度模型。

1.3 电网侧主动管理

主动管理主要体现为:故障自愈管理,出现故障时可继续给非故障区域重要负荷供电;继电保护管理,具有继电保护定值在线整定的能力;供电质量管理,具有风险预防管控技术及对突发状况迅速反应和自愈技术,以保障供电质量可靠。

文献[14]提出一体站区间负荷紧急支撑策略及其孤岛区间负荷供电范围划分策略,以系统孤岛负荷、开关动作次数和网损分别作为不同层的优化目标,建立主动配电网故障恢复多层优化区间模型。文献[15]对主动配电网进行子区域划分,根据各个子区域特点及失电负荷恢复率指标,将失电子区域分为不同的场景,得到不同时段不同场景恢复策略,并针对各个时段各个分区修复策略之间交叉问题,对各个子区域恢复策略进行协调优化,实现多故障抢修和恢复的协调优化。文献[16]针对分布式电源接入主动配电网后,传统电流保护可能出现误动或者拒动的情况,提出一种基于多区域相位突变量信息的主动配电网故障定位方案。

1.4 电网侧主动服务

主动服务主要体现为:为用户提供定制电力服务,提供满足用户要求的高品质电能服务;改善能效提供技术平台,综合考虑分布式电源协调控制和利润分配机制;利用主动电网中的可控资源,实现电网与用户、电网与上级电网间的全面互惠互动。

文献[17]以用户满意度和电网运行成本为目标,综合分布式能源、储能装置和需求侧负荷中断与平移等多种能源协调调度手段,构建基于用户满意度的主动配电网多目标动态经济调度模型,并提出最优调度方案。文献[18]综合考虑降低网侧功率波动、用户生活舒适度及运行经济性等因素,建立引入分时电价机制的主动配电网柔性负荷调度模型,并基于粒子群算法获得柔性负荷控制策略。文献[19]引入多智能体系统和多层电价响应机制构建协调优化框架,考虑可再生能源及主动负荷的不确定性因素,以及多智能体对风险的追求差异,构建配电网层、直接协调源荷层和间接协调微电网层的优化模型。文献[20]考虑光伏可控性因素,建立以配电网企业运行成本最小化为目标的有功-无功协调的主动配电网日前优化调度模型,并提出效益最大化调度方案。

1.5 负荷侧主动响应

主动响应主要体现为:需求侧响应,即对可调负荷的功率或用电时间进行调节,实现电网移峰填谷、改善电网的负荷特性和提高电网的资产利用率。

文献[21]通过引入可控负荷,提出一种启发式孤岛动态调整算法,制定主动配电网多时段动态恢复供电策略,提高了电网重建效率和恢复期间负荷运行稳定性。文献[22]以停电时间最少、经济损失最小为目标,以用户停电次数、负荷响应时间等为约束条件,提出主动配电网在需求侧资源参与下的多阶段故障恢复方法。文献[23]提出一种基于可控负荷的主动式电压调节方法,根据用电需求和分布式能源出力特性,对系统内所有节点上的可控负荷制定优化用电计划,主动改善实时电压,实现主动电压调节。

1.6 发电侧主动参与

主动参与主要体现为:一方面利用电力电子技术和储能技术,对可再生能源发电机组改造,实现有功功率调节;另一方面利用电力电子技术,使可再生能源具备无功电压控制能力,有效改善电压质量。

文献[24]建立以节点电压总偏差最小为目标函数的配电网有功-无功协调优化数学模型,提出一种考虑储能调节效应的有功-无功协调优化方法,解决了高比例可再生能源接入后配电网的节点电压越限问题。文献[25]以社会综合经济效益最大化为目标,综合考虑储能系统投资和运维成本、可控负荷响应补偿费用、储能系统低储高放套利、节约电能损耗收益和削峰收益,提出一种含分布式电源的配电网中储能系统和需求侧可中断负荷响应相互配合的优化模型。文献[26]提出一种考虑光伏出力和负荷不确定性的鲁棒区间电压控制方法,计算出最优无功补偿决策,同时给出光伏电站的允许有功出力区间。

2 数字化主动电网的核心内涵与技术架构

基于雄安新区电网发展形势分析,立足全局,依托国家电网有限公司战略,提出具有“一三六”(一个目标、三大特征、六大引擎)结构的雄安新区数字化主动电网核心内涵,形成贯穿能源互联网三大体系的技术架构,打造具备“三台八化”特征的指标体系和标准体系,力争实现京津冀协同发展重要一极,为战略目标在河北落地生根贡献“新动能”。

2.1 核心内涵

雄安新区数字化主动电网是主动配电网理念在绿色智慧城市能源互联网建设中的数字化升级,是全球领先数字城市发展的电网名片和能源互联电网创新引领的雄安品牌,是具备“三融合三领先”特征的泛雄安新区220 k V及以下电压等级城市电网。雄安新区数字化主动电网能够适应电能的多样化生产和消费,具有丰富灵活的控制手段,设备资源充分感知利用,业务业态高度集约管理,在电源侧和负荷侧参与响应的基础上满足源网荷储多市场主体服务需求。

雄安新区数字化主动电网核心内涵包括一个目标、三大特征和六大引擎,见图1。

图1 雄安新区数字化主动电网核心内涵

一个目标,即建设雄安新区数字化主动电网,是打造中国特色国际领先能源互联网战略雄安新区示范区的核心表述,其中建设雄安新区是中国特色的具体实践,体现了国家战略、能源革命和国家电网有限公司战略的统一;数字化是国际领先的特色路径,体现了全数字城市与全数字电网相互支撑、全面引领的统一;主动电网是能源互联网的核心载体,体现了雄安引领与能源互联网创新理念的统一。

三大特征,即“三融合三领先”,能源网架方面,坚持绿色城市与坚强电网融合,实现电网运行能力领先;信息支撑方面,坚持业务业态与信息技术融合,实现业务运转效率领先;价值创造方面,坚持多元市场与机制创新融合,实现市场运营水平领先。

六大引擎,即能源网架方面,通过主动规划、主动控制驱动绿色城市与坚强电网数字化融合,提升电网运行能力;信息支撑方面,通过主动感知、主动管理驱动业务业态与信息技术数字化融合,提升业务运转效率;价值创造方面,通过主动服务、主动响应驱动多元市场与机制创新数字化融合,提升市场运营水平。

2.2 技术架构

基于雄安新区数字化主动电网核心内涵,深化“主动”理论和实践创新,构建能源网架、信息支撑和价值创造3个层次协调统一、相互支撑的技术架构。能源网架层是物理基础,以电为中心实现电气冷热等能源流灵活转换、互通互济。信息支撑层是神经中枢,以信息流互联技术为手段提升能源网络的资源配置、安全保障和智能互动能力。价值创造层是价值实现载体,以赋能传统业务、催生新生业态、构建行业生态为重点实现业务流价值的共创共享。

雄安新区数字化主动电网技术架构坚持“业务数字化、数字价值化”主线,形成信息流贯穿的闭环结构,以能源流驱动信息流,信息流支撑业务流,业务流依托信息流反作用于能源流,实现能源流的实时优化、信息流的闭环流转、业务流的迭代升级,如图2所示。

图2 雄安新区数字化主动电网技术架构

逐级支撑上,能源网架层通过坚强物理架构和先进的控制技术承载能源流,产生海量数据;信息支撑层依托先进的感知和通信技术,将海量数据汇集形成信息流,通过数据管理技术进行整合集散,支撑内部业务和外部价值创造,驱动业务流;价值创造层遵循传统和新兴市场导向,依托业务流和信息流,实现数字的价值化。

反馈优化上,价值创造层依托多元市场对象的互联互动承载业务流,在业务的迭代优化过程中产生海量社会属性数据信息;信息支撑层汇集回流信息,面向运营决策开展数据挖掘,以信息流的形式反馈至能源网架层;能源网架层依据信息流,形成能源管理策略,调整能源流,达到能源利用效率的总体优化。

3 数字化主动电网的关键技术

3.1 能源网架层

能源网架层以物理网架为基础,通过主动规划,优化电网的网架结构,建成坚强可靠、灵活自愈的交直流城市电网网络;通过主动控制,优化电网的运行方式,赋能电网生产运营,大规模配送区外清洁电力,全额消纳本地可再生能源。

主动规划是在电网的设计、建设过程中,统筹兼顾电力装备和多能互动的一次电网架构、深度协同的二次自动化系统与功能强大的智能决策支持系统,在确保电网安全稳定运行的基础上,支撑分布式源网荷储的经济、可靠并网。主动规划采用的核心技术包括:一二次协同智能规划、基于可靠性约束的精益化规划、源荷互动规划、多阶段电网扩展规划等。

主动控制是在电网运行控制过程中,实时监视电网运行信息和设备负载情况,通过主动控制网络拓扑、电力设备和源荷侧资源,保证电网安全稳定经济运行。主动控制采用的核心技术包括:基于知识图谱的电网控制自动寻优、输配互动的风险调控与动态电压控制、多源协同交互控制、分层分区协调控制、故障智能自愈等。

3.2 信息支撑层

信息支撑层包括主动感知和主动管理。通过主动感知,强化电网数字基础设施建设,打造全域能源感知体系,为主动管理提供数据基础;通过主动管理,构建业务融合模板,以点带网逐步建成数字孪生体系,支撑规划、建设、调控、运检、营销多专业协同发展。

主动感知是采用先进传感技术和“大云物移智链”等现代信息通信技术,开展电网、设备、源荷、天气和水文等信息的实时全面采集、传输,实现电网全景可观可测,支撑电网主动规划、主动控制、主动管理和主动服务。主动感知采用的核心技术包括:基于深度学习的图像识别、微气象实时监测、低压客户负荷感知、无线传感器网络、5G通信、北斗定位导航等。

主动管理是在实现电网、设备和源荷信息的实时、全息采集的基础上,依托企业级数据中台和业务中台,实现多元数据融合共享以及共性业务沉淀,通过深挖数据价值,以数据流驱动业务流,推动企业管理优化升级。主动管理采用的核心技术包括:一体化数字建模、电网风险诊断识别、运行状态自动优化、多主体数据隐私保护等。

3.3 价值创造层

价值创造层以主动服务和主动响应为支撑。通过主动服务,着力提升营配服务、资源整合水平,实现传统电力供应的优化升级和新型能源服务的创新赋能,为源荷侧主动响应提供接入服务和平台保障;通过主动响应,有力支撑电力客户、虚拟电厂、负荷聚合商、储能等多元主体参与市场互动,大力推进多站融合、低压直流、车联网、综合能源、数据融合应用等新兴业态发展,支撑新兴产业价值创造。

主动服务是指根据客户需求提供定制的高品质电能服务,为客户积极参与需求侧响应、改善能效提供技术支撑,为上级电网提供电能、在线备用等服务,对外实现电网与客户之间互动互惠,对内实现配电网与主网之间协同互济。主动服务采用的核心技术包括:语音智能分析、客户全息画像、多站融合、电能质量控制、能源大数据分析决策、用能行为评估等。

主动响应是充分发挥市场对资源的优化配置能力,应用电力电子技术和预测控制技术,实现可再生能源、可控负荷在一定范围内主动参与电网调节控制,解决分布式源荷随机性、波动性造成的运行问题,达到电网削峰填谷、改善负荷特性的目的,提高电网资产利用率。主动响应采用的核心技术包括:分布式资源协同管理与控制、综合能源管控、柔性负荷控制、需求侧响应、虚拟电厂控制技术等。

4 数字化主动电网的实施思路

4.1 实施思路

以实现“三融合三领先”特征为目标,结合核心技术架构,坚持“先行先试,分步实施”、“整合拓展、突出实效”、“异地探索、合力攻坚”思路,全力驱动雄安新区数字化主动电网建设。

a.先行先试,分步实施。充分把握雄安电网从0到1规划建设的前置特征和数字技术全面耦合的产业特征,夯实网架、平台、服务等先行基础,实现全面突破引领,丰富微电网、综合能源等先试思路,分阶段、分片区逐步实现数字化主动电网核心特征的全覆盖和全支撑,形成广泛倍增效应,探索可复制、可推广的典型经验。

b.整合拓展,突出实效。基于河北公司现有新基建、科技项目等创新资源和成果,把握三张电网长期并存的特点,深入挖掘各单位、各部门必行必干课题,去除冗余,强化整合,梳理脉络,多渠道优化创新建设投资,形成创新动力与合力,一体化谋划河北公司雄安承接模式,突出全面落地、快出成果、早见成效,确保雄安新区数字化主动电网建设的经济性、可行性和可拓展性。

c.异地探索、合力攻坚。充分发挥“雄安引领”的指引作用,鼓励各单位在本地开展适合于雄安的技术创新和工程实践,成功后即结合雄安建设快速移植,先做技术加法,后做雄安实践,重点围绕“碳达峰、碳中和”能源发展目标,突出负荷侧协同控制的准确性和选择性,探索以电为中心的市场辅助模式和商业增值模式。

4.2 预期目标

为实现雄安新区数字化主动电网建设目标,按照建设思路,结合雄安新区城市和电网发展,建设过程总体实施“三步走”。

a.坚持先行先试原则,选取部分新建变电站、输电工程、示范台区进行试点,筛选6个方面、18项重点课题开展创新示范建设,2020年底已初步建成概念型主动电网。

b.基于2020年建设成果,不断拓展示范项目范围,开展“18+N”课题谋划和建设,随着雄安新区电网调度大楼的启用,2022年底基本建成示范性主动电网。

c.充分利用前期示范项目成功经验,践行“雄安加速度”,到2030年底全面建成规模化主动电网,雄安电网资源配置能力、安全保障能力和智能互动能力达到国际领先水平。

5 数字化主动电网的评价体系

为服务和指导雄安新区电网建设,坚持可复制、可推广、可借鉴为原则,提出“三台八化”指标体系和标准体系架构,从创新性和先进性2个维度描述主动电网“人无我有、人有我优”的总体特征,形成创新性指标28项、先进性指标14项,其中,创新性指标为数字化主动电网原创指标,集中于协同、市场等新业态和安全、智能等领域。依据指标体系,从现行专业管理界面出发,编制总则、评价指标、规划设计、新能源并网、智慧电缆线路、智慧变电站/多站融合变电站、智慧供电、负荷接入、通信支撑网络、数字孪生电网总体架构、智能控制等11项标准,实现数字化主动电网的具象化描述。

“三台八化”即雄安新区数字化主动电网以云平台、物联管理平台、企业中台为数字化支撑,具有安全化、可靠化、绿色化、低碳化、智能化、主动化、协同化、市场化8个特征,其中安全、可靠为根本要求,绿色、低碳为发展方向,智能、主动为技术特征,协同、市场为价值追求的创新思路,见图3。

图3 雄安新区数字化主动电网指标体系

6 数字化主动电网的展望

作为智能配电网发展到高级阶段的产物,数字化主动电网可极大提升可再生能源消纳水平,提高供电可靠性和供电质量,同时有力支撑我国低碳经济和可持续发展战略。自从概念提出以来,广大学者进行了积极探索和研究。研究表明,数字化主动电网技术的应用与发展可概括为“理论有基础、实践有必要、属性有内涵、战略有特色、创新有空间”5项特征。

6.1 理论有基础

数字化主动电网以主动控制理论为基础。数字化主动电网是主动控制的方式,采用提前预测、预防控制的方式,能够对电网运行状态全面感知,实时掌握电网运行态势,做到消除隐患于未然,具备预见性和全局优化性能。从传统被动电网向主动电网过渡是电网发展的必然趋势,应用主动控制理论适合于电网转型。

6.2 实践有必要

近年来,河北省南部电网分布式光伏迅速发展,大规模分布式光伏接入电网,使配电网成为功率双向流动的有源网络,电网结构发生变化,传统的电网设计手段、保护控制和运行管理方式迫切需要进行根本性改变。如何在确保电网安全、可靠运行的同时,提高电网对分布式可再生能源的消纳能力,是电网转型升级的重要内容。数字化主动电网的应用能够改变新能源发电资源被动消纳的现状,促进新能源从传统的被消纳到主动引导与主动利用,同时有效提升电网电能品质,对于支撑电网转型具有重要的实际意义。

6.3 属性有内涵

数字化主动电网不仅具备技术属性,同时具备社会属性,不仅能够对电网本身进行主动规划、主动控制和主动管理,还能够充分利用分布式能源靠近客户的优势,为上级电网和客户提供主动服务,建立上级电网与配电网、配电网与客户之间的良好互动关系,实现电网与客户之间的互惠互利。

6.4 战略有特色

国家电网有限公司将建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业作为公司战略目标,在技术上要求将现代信息技术在电力系统广泛深度应用,与先进能源电力技术融合发展,推动系统运行管理数字化、自动化、智能化;在形态上要求电网结构坚强、分布宽广,大电网、微电网、分布式能源系统、各种储能广泛互联。主动电网将先进信息技术与先进能源电力技术深度融合应用,结合主动控制的方法与理论指引,使公司战略落地更加具象化。

6.5 创新有空间

主动配电网概念提出已有10余年时间,在这期间电网发展模式及新技术应用都发生了巨大变革。一是,高渗透率的可再生能源发电接入已从配电网进入电网各层次,其消纳水平与高效利用问题将成为研究关键点,因此主动电网的概念可在主网上实现创新应用,以适应电网和分布式可再生能源的发展。二是,随着“大云物移智链”等现代信息技术和先进通信技术的不断涌现,将“大云物移智链”等新技术在主动电网上实现创新融合应用,对于提高电网智能化水平、增强电网感知能力、保障电网安全稳定运行具有重要创新价值。

随着能源互联网的不断发展以及分布式能源比率的不断提高,数字化主动电网的落地应用具有重要战略意义、创新价值以及广阔前景。