分层集群的新型电力系统运行与控制研究

徐 昊， 钱丽莹

（国网江苏省电力有限公司如东县供电分公司， 江苏 如东 226400）

0 引言

电力系统在受到干扰后，其稳定特性已从传统机电模式向机电－电磁多模式耦合交互影响演化，因此系统稳定分析与控制问题备受关注。传统的基于发电侧的电力系统正逐步向以需求侧响应为基础的多能源系统转变。因为电力系统稳定控制所面临的结构性难题越来越明显，所以我们迫切需要调动各种资源，深度参与新型电力系统的运行和控制，以满足其要求。

1 分层集群的新型电力系统的概念及研究问题

在电力和能源的生产、传输和消费过程中，各种类型的网络，如电网、热网和燃气网等，扮演着不可或缺的角色。这些网络在运行中会产生大量热量，其中包括电能、热能以及其他形式的能。因为这些网络所传递的能量本质上都是能量，但是它们的表现形式各不相同，因此它们被归为能量网络。其中电能作为一种商品被广泛使用。能量网络由多个不同类型的子网构成，这些子网之间通过能量转换设备相互连接，形成了一个复杂的能量网络。因此，可以认为能量网络就是由各类能源的物质载体及其连接方式构成的一种复杂的网络体系。随着信息通信技术（ICT）的迅猛发展，基于传统自动化、互联网技术和“云大物移智链”等新兴技术，我们可以构建一个信息网络，以实现对能源生产、储运和利用设备的精准调控，从而进一步提升能源利用效率。这种新型的能源网络系统将产生一个新的经济概念——能源网络经济学。电力和能源商品之间的实际交易和价值传递形成了一个复杂的价值网络。在此过程中，电力价格通过能量网络反映出来并影响其市场行为。电力和能源价格体系的基础是建立在价值网络之上，而这个网络的运作受到能量网络的物理规律的制约[1]。在此过程中，电力价格通过能量网络反映出来并影响其市场行为。因此，新型的能源体系和电力系统将形成一个由三层紧密耦合、相互关联的网络构成的复杂结构，如表1 所示。

表1 新型电力与能源系统的3 层网络结构

相较于传统电力系统，新型电力系统的构造形态将经历翻天覆地的变革。其中以电力线和天然气管道为主的“大电网”就是典型的能量网络。在传统的电力系统中，高容量的发电机组通常建在能源丰富的地区，通过超/特高压的远距离输电技术将其输送到负荷中心。因此，当大规模的可再生能源被利用时，系统内各环节之间将形成复杂的能量交换关系，从而对电力系统安全稳定运行带来巨大挑战。随着低碳、无碳能源与负荷的渗透率逐步提升，传统能源的逐步退出必须建立在新能源安全可靠替代的基础上，以满足国家“双碳”目标和保障能源安全的要求，电力系统的转型过程将是一个先立后破的过程。在此背景下，智能配电网作为一种新兴的电力基础设施建设模式，将成为未来电网发展的主流趋势之一。随着电力系统的转型，分布式电源在用户侧和配电网的利用率将逐步提高，电力企业和其他市场主体也将参与其中。因此，未来电力系统必将向多主体协同参与的模式演变，即通过市场手段配置资源。随着分布式电源、电动汽车、储能、柔性负荷等的大规模接入，配电网的形态将发生深刻的变革。这些新技术对传统配电网带来了较大冲击。根据南方电网公司的《关于进一步支持光伏等新能源发展的指导意见》，新建新能源项目如太阳能、风力和海洋能等所产生的电能主要用于自用和就地利用，而多余的电力则被输送至当地配电网的项目中。

2 分层集群的新型电力系统物理机理

2.1 分层集群的新型电力系统技术基础

随着大电网的作用逐渐减弱，同步电网规模逐渐缩小，输电网和配电网络之间的关系也从主从依附转变为相互支撑，从而为用户提供了安全可靠的电力获取保障。随着电力系统发展水平不断提高，传统的以发电为主的供电模式已经不能满足现代社会经济发展需求，需要建立起一种新的能源结构体系来适应未来经济社会发展的需求。在输电网层，电力的自我平衡能力得到了显著提升，通过灵活的直流和交流方式，形成了一种高度灵活且安全的柔性互联格局[2]。

主动配电网作为输电网的支撑与调节单元，以分布式电源和用户为主体，实现电力就地生产，就地消费，从而构建具备供需平衡能力的电力交换网络，以促进电力用户之间的灵活互动。主动配电网通过智能控制提高系统运行效率，减少电能损耗和污染排放。实现分布式发电的经济高效集成和利用，需要协调发展交流配电网、直流配电网和交直流混合配电网，以满足多样化的形态需求。随着智能电网概念的提出以及智能微电网技术的快速发展，未来智能电网将成为一个开放互联的复杂巨系统。通过建立以电力为核心的多种能源耦合网络，实现终端能源消费结构的优化管理和灵活互济，从而提高能源利用效率。

2.2 分层集群的新型电力系统逐级聚合

在未来的新型电力系统中，由于电气相邻、通信便利、利益共享等多种因素的自发作用，同一层级的分布式资源将形成一个由多个聚合商运营的资源集群，这些资源集群具有独特的能量管理系统（EMS）和与外界交换功率的能力，旨在实现集群内电力电量的自我平衡。主动配电网通过智能控制与信息交互，提高系统运行效率。如图1 所示，同一级别的多个集群可以进一步聚合，形成更高级别的集群，最终形成一个完整的大电网。这种新的电网结构形式可以提高系统稳定性、降低损耗，但同时带来了网络规模扩大后对调度自动化要求更高、对调控人员综合素质提出了更为严格的要求等问题。由于资源集群内分布式电源、储能及可调负荷等设备的容量较小，种类繁多，参数各异，且点多面广，因此难以直接参与电网运行。同时，由于这些设备是独立于其他电力设备之外的孤立系统，无法对其进行有效管理。因此，通过运用先进的信息通信、调度控制和市场交易手段，各集群汇聚了大量分布式资源，作为整体参与电网调度运行，同时也能够参与电力市场电能量交易以及调峰、调频、调压、备用和阻塞消除等辅助服务交易[3]。

图1 分层集群的新型电力系统逐级聚合

3 分层集群的新型电力系统运行控制

3.1 分层集群的新型电力系统分布式感知

为了实现高效的数据资源共享，新型电力系统的不同集群之间必须采用直接交换信息的通信方式，这与传统电力系统的集中调度有所不同。由于分布式电源接入电网后使得整个系统结构发生了巨大改变，因此需要研究新的功率控制策略来应对这种变化。为了全面掌握系统的运行状况，传统方法采用集中式信号处理方式，即在收集所有传感器的测量数据后，对系统的运行状态进行集中估计。集中式数据处理方式可以有效降低计算成本，提高计算效率。在大规模新型系统中采用集中式信号处理时，能量管理系统将面临着来自海量信号接收和异质灵活性资源出力计划求解的挑战，这将导致其在中心式算法安全性和鲁棒性、节点通信能力等方面存在不足。集中式信号处理需要进行大量的集中处理工作，且无法满足实时动态监测需求。分布式信号处理实现了系统运行状态的估计/检测，通过不同区域内的分布式估计器相互协作，无需协调中心即可完成整个系统的状态估计。因此，基于分布式处理技术可将大型复杂系统优化配置到多个独立处理单元上进行并行运算以提高整体性能。分散式信号处理呈现出更强的韧性，节点能够随时进出网络，更高的保密性，以及更均匀地计算和通信负担分配，相较于集中式信号处理，更适用于大规模系统。

随着PMU 技术的不断进步，基于该技术的WAMS 测量系统已逐渐显现出其优越性，但随之而来的是处理海量系统测量数据的挑战。在电力系统运行过程中，由设备故障等原因导致的量测异常会造成较大误差甚至是灾难性的后果。WAMS 所基于的状态估计可分为集中式和分布式两种，然而集中式模式在实时性、可靠性和可扩展性方面存在不足。因此，如何提高状态估计的性能成了目前研究热点之一。DSE，一种分布式状态估计技术，能够有效避免集中式处理海量数据的繁琐过程，从而实现更快的计算速度、更小的通信成本，以及更高的可靠性和可扩展性。

3.2 分层集群的新型电力系统协同控制

实现分层集群的新型电力系统的运行控制是一项极具挑战性的任务，需要克服许多复杂的技术难题和复杂的系统结构。由于分布式电源接入电网后使得整个系统结构发生了巨大改变，因此需要研究新的功率控制策略来应对这种变化。未来的电力系统将是一个集成多种不同资源的系统，其中包括传统同步发电机、新能源机组、高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）、微电网、储能和负荷等。由于大规模风电和光伏发电的快速并网以及大量电动汽车充电桩的出现，使得现有电网面临着越来越大的安全稳定压力。应对高比例可再生能源接入所带来的稳定性问题，传统的调节同步发电机组输出来调节系统能量偏差的方法已显得力不从心。因此，如何在保证稳定运行前提下提高电力系统运行效率，实现能源高效利用，已经成为研究人员面临的一大挑战[4]。随着电力电子设备与海量风、光等新能源机组的融合，高比例可再生能源和高比例电力电子设备（即“双高”）已成为新型电力系统发展的重要趋势和关键特征，对当前电力系统的动态行为产生了深远的影响，导致了新的稳定性问题，例如电力电子设备之间以及与电网之间相互作用引起的宽频带振荡。

近年来，电力（能源）系统优化与控制领域广泛采用“协同优化”和“协同控制”理念，以实现系统的高效运行和优化。由于电力系统存在非线性特性及不确定性等因素，传统的多目标优化算法难以有效求解这类问题。作为一种典型的协同优化方法，协同进化方法将新型电力系统分解为相互关联的两个或多个资源集群，并建立了基于关联参数的协调项，以确保整体收敛。该技术通过引入新的控制结构和算法框架，克服了传统进化方法难以处理高维非线性问题的缺点。协同进化方法因其卓越的复杂嵌套系统解耦能力，能够高效地优化包含大量变量的系统，同时也表现出对于动态变化的系统结构的高度适应性。

4 结语

考虑到分层集群的新型电力系统协同控制问题的复杂性和挑战性，必须克服一系列复杂的技术难题和系统结构，这是一个极具挑战性的任务。电力电子化已成为未来新型电力系统的必然趋势，而“源一网－荷－储”设备的智能化和数字化则为它们提供了更积极地参与系统运行和控制的机会，因此，采用集群智能和协同控制理论和方法是解决这一问题的最佳选择。