廣泛接入的分布式電源、快速發(fā)展的電動汽車、大規(guī)模可控的用戶側(cè)資源等對配電網(wǎng)的靈活性提出了更高的要求. 從智能配電網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)分析入手,分析了智能配電網(wǎng)應(yīng)具備的靈活性特征,闡述了靈活性需求及其多維屬性特征,對智能配電網(wǎng)靈活性的可觀、可控與量化分析等關(guān)鍵技術(shù)進行了初步探討,并從提高靈活性角度對智能配電網(wǎng)規(guī)劃、運行、控制等技術(shù)發(fā)展進行了展望.

關(guān)鍵詞: 智能配電網(wǎng); 發(fā)展形態(tài); 不確定性; 靈活性

0 引言

配電網(wǎng)的發(fā)展一直以滿足用戶需求為目標. 在初級發(fā)展階段,配電網(wǎng)主要以滿足負荷基本需求、實現(xiàn)用電負荷區(qū)域全覆蓋為目標,側(cè)重于配電網(wǎng)的一次網(wǎng)架建設(shè),逐步形成了可滿足基本負荷需求的粗放型電力供應(yīng)平臺;隨著用戶負荷對電能質(zhì)量與供電可靠性需求的不斷提升,配電網(wǎng)進入中級精細化發(fā)展階段,以實現(xiàn)全局性的用戶高供電可靠性為目標,致力于對已有配電網(wǎng)的自動化和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)升級改造,使配電網(wǎng)逐漸發(fā)展成為電力供應(yīng)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)平臺.

近年來,隨著全球能源供應(yīng)向著清潔、低碳、電氣化方向轉(zhuǎn)型,智能電網(wǎng)藍圖下的新型配電網(wǎng)也承擔(dān)起愈發(fā)重要的責(zé)任[1G2] . 受科技進步的推動作用與用戶需求的拉動,配電網(wǎng)從當(dāng)前中級形態(tài)向未來高級形態(tài)的發(fā)展正逐漸加速. 在電源側(cè),分布式發(fā)電、電儲能及綜合能源等技術(shù)的應(yīng)用促進了配電網(wǎng)能量來源的清潔化和多元化;在電網(wǎng)側(cè),一次電氣網(wǎng)絡(luò)中的電力電子應(yīng)用、二次信息網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋等因素大幅提升了配電網(wǎng)的可控性和可觀性;在負荷側(cè),智能家居、電動汽車、綜合能源等新型負荷終端大量出現(xiàn),并將在市場環(huán)境下形成多利益主體參與的深度博弈,使配電網(wǎng)面臨著更加復(fù)雜化、互動化的服務(wù)需求[3G6] . 在上述因素的共同影響與推動下,配電網(wǎng)迎來新一輪變革,正在向智能配電網(wǎng)的新形態(tài)過渡.

本文面向智能配電網(wǎng)的發(fā)展需求,針對其多元要素融合帶來的復(fù)雜特征,提出以靈活性為核心的智能配電網(wǎng)的發(fā)展理念,并圍繞配電網(wǎng)靈活性問題的技術(shù)內(nèi)涵、挑戰(zhàn)與應(yīng)用進行初步探討,為復(fù)雜運行環(huán)境下配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)問題的解決提供了新的視角和思路.

1 智能配電網(wǎng)的新形態(tài)及挑戰(zhàn)

智能配電網(wǎng)面臨著高比例分布式可再生能源的接入,需要通過信息化與電力電子化的配電網(wǎng)絡(luò),滿足用戶多樣化的電力供應(yīng)需求,并為用戶間的點對點能源交易服務(wù)提供靈活的供電途徑. 智能配電網(wǎng)將從單純的電力配送者轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸嘀亟巧δ艿墓财脚_:①可再生資源消納的支撐平臺;②多源海量信息集成的數(shù)據(jù)平臺;③多利益主體參與的市場交易平臺;④ 電氣化交通發(fā)展的支撐與服務(wù)平臺;⑤智慧城市建設(shè)的能源基礎(chǔ)平臺等.

智能配電網(wǎng)面臨著高比例分布式可再生能源的接入,需要通過信息化與電力電子化的配電網(wǎng)絡(luò),滿足用戶多樣化的電力供應(yīng)需求,并為用戶間的點對點能源交易服務(wù)提供靈活的供電途徑. 智能配電網(wǎng)將從單純的電力配送者轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸嘀亟巧δ艿墓财脚_:①可再生資源消納的支撐平臺;②多源海量信息集成的數(shù)據(jù)平臺;③多利益主體參與的市場交易平臺;④ 電氣化交通發(fā)展的支撐與服務(wù)平臺;⑤智慧城市建設(shè)的能源基礎(chǔ)平臺等.

受多元要素的集成與融合影響,智能配電網(wǎng)高級形態(tài)下的運行特性將有很大不同,分布式能源的間歇性與波動性、電動汽車等新型負荷的時空轉(zhuǎn)移、信息量測和傳輸?shù)碾S機誤差、市場交易中的人工決策和復(fù)雜博弈等使配電網(wǎng)的不確定性顯著增強[10] .這些不確定性不僅具有明顯的多時空尺度特征,同時在數(shù)學(xué)上也表現(xiàn)為近似性、隨機性、模糊性等多種截然不同的類型[11] ,有些服從數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)規(guī)律,有些與經(jīng)濟學(xué)、行為學(xué)、心理學(xué)息息相關(guān),從而導(dǎo)致認知和應(yīng)對更加困難. 在系統(tǒng)層面,這些不確定性被進一步傳導(dǎo)并耦合,最終形成整體配電網(wǎng)的復(fù)雜不確定性特征,使高級形態(tài)下的配電網(wǎng)從規(guī)劃建設(shè)到運行控制的全過程技術(shù)體系都面臨著巨大挑戰(zhàn).

復(fù)雜不確定性的有效應(yīng)對需要配電網(wǎng)具備更強的可控性和靈活性[12G13] . 從發(fā)展歷程來看,配電網(wǎng)的形態(tài)演化過程也是可控能力不斷提升的過程. 對高級形態(tài)配電網(wǎng)來說,其可控性需要達到很高水平,但由于現(xiàn)有配電技術(shù)理念和方法的局限性,實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)多源海量可控資源的有效統(tǒng)籌與優(yōu)化仍十分困難,導(dǎo)致系統(tǒng)的可控性無法充分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)運行的靈活性或適應(yīng)性. 特別是隨著越來越多新型可調(diào)度資源的接入,傳統(tǒng)面向特定局部場景或設(shè)備的優(yōu)化方法已無法滿足復(fù)雜不確定性環(huán)境下的全局性優(yōu)化調(diào)度需求. 由此,配電網(wǎng)高級形態(tài)下的靈活性問題逐漸上升到整體系統(tǒng)層面,并成為智能配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中需解決的關(guān)鍵問題之一[14] .

2 智能配電網(wǎng)的靈活性

2.1 靈活性的內(nèi)涵

近年來,面向多場景的配電網(wǎng)規(guī)劃和運行成為研究熱點,即在考慮多種不確定性因素的基礎(chǔ)上,通過靈活控制、優(yōu)化調(diào)度、交易博弈等手段,滿足系統(tǒng)在不同時空尺度下的多樣化需求[15G18] ,其方法本質(zhì)便是對配電系統(tǒng)靈活性的提升與運用. 例如:在風(fēng)、光等分布式資源發(fā)生波動時,保證可再生資源被優(yōu)先完全消納的能力;在大負荷沖擊或用戶集群行為異常時,保持系統(tǒng)安全穩(wěn)定與可靠運行的能力;在故障導(dǎo)致非計劃停電時,快速隔離故障并轉(zhuǎn)供負荷的能力;在正常運行時,有效應(yīng)對各種不確定性擾動并時刻保持優(yōu)化運行狀態(tài)的能力等[19G21] . 在此基礎(chǔ)上,本文進一步提出具有一般性的配電網(wǎng)靈活性理念,旨在實現(xiàn)配電網(wǎng)不同運行場景下靈活調(diào)度能力的通用化表述,并建立涵蓋上述各種具體靈活性需求的一致性分析框架. 從本質(zhì)來看,智能配電網(wǎng)的靈活性反映了配電網(wǎng)充分統(tǒng)籌和利用系統(tǒng)內(nèi)可調(diào)度資源,有效應(yīng)對運行中的多重不確定性因素擾動,靈活適應(yīng)各種復(fù)雜運行環(huán)境并維持高水平運行目標實現(xiàn)的能力.

以提升配電網(wǎng)靈活性為目標,將各種可調(diào)度資源納入統(tǒng)一的分析與優(yōu)化框架之下,充分發(fā)揮配電網(wǎng)高級形態(tài)的可控性潛力,為配電網(wǎng)復(fù)雜運行問題提供經(jīng)濟、合理、有效的復(fù)合式應(yīng)對手段,成為智能配電網(wǎng)的重要特征,圖2給出了一種系統(tǒng)靈活性的框架描述. 目前,面向大電網(wǎng)靈活性的研究已廣泛開展[22] ,重點用于解決大規(guī)模間歇式能源發(fā)電的集中接入與消納問題,并在靈活性指標體系、分析模型、作用機理等方面取得了一定成果[23G29] . 與大電網(wǎng)相比,智能配電網(wǎng)中的可調(diào)度資源更加豐富,資源秉性的差異更加明顯;同時電力用戶將在發(fā)電、用電、儲能等多重身份之間靈活轉(zhuǎn)換,使智能配電網(wǎng)靈活性的供需關(guān)系更加復(fù)雜[30] . 這些特征使智能配電網(wǎng)的靈活性提升手段更加多樣化.

2.2 靈活性的分類

智能配電網(wǎng)的靈活性體現(xiàn)在源—網(wǎng)—荷各個環(huán)節(jié),根據(jù)物理本質(zhì)的不同可以將其劃分為一次、二次和三次等多個層級.

一次靈活性又可以稱為物理層靈活性,反映了智能配電網(wǎng)多時空尺度能量的平衡與控制能力. 其中,電源側(cè)的一次靈活性主要源于微型燃氣輪機、燃料電池等穩(wěn)定可調(diào)度的分布式電源,蓄電池、超級電容等儲能裝置,以及上級電網(wǎng)和綜合能源網(wǎng)的支撐調(diào)節(jié)能力;電網(wǎng)側(cè)的一次靈活性則主要源于分段、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等拓撲控制元件,以及以柔性交流配電系統(tǒng)(flexible AC distribution system, DFACTS) 和SOP為代表的電力電子配電裝備等提供的靈活拓撲與精細潮流控制能力[31G34] . 此外,微電網(wǎng)、單元控制區(qū)(unitcontrolunit,CELL) 等能夠直接接受配電網(wǎng)調(diào)度的區(qū)域性系統(tǒng),也能夠根據(jù)其響應(yīng)特性,在一定程度上等效為一次靈活性資源[35] .

二次靈活性又可以稱為信息層靈活性,反映了智能配電網(wǎng)的全面信息感知與靈活運行調(diào)度能力.其中,智能表計、同步相量量測、無線寬帶通信等先進量測與通信技術(shù)奠定了配電網(wǎng)靈活性的信息基礎(chǔ);高性能計算、大數(shù)據(jù)發(fā)掘、人工智能等先進信息分析手段則賦予了配電網(wǎng)準確感知、判斷和預(yù)測系統(tǒng)運行態(tài)勢的能力. 以海量數(shù)據(jù)為驅(qū)動,以分布式智能等先進控制架構(gòu)為依托, 配電管理系統(tǒng)(distributionmanagementsystem,DMS) 及其框架下的虛擬儲能、虛擬電廠等聚合管理技術(shù)將實現(xiàn)對配電網(wǎng)資源的有效統(tǒng)籌與調(diào)度[36G37] ,使二次側(cè)技術(shù)手段成為配電網(wǎng)靈活性的重要組成部分.

三次靈活性又可以稱為市場層靈活性,其本質(zhì)是通過靈活的市場機制來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的供需平衡進而改變用戶的發(fā)、用電行為[38] . 三次靈活性的來源主要可以分為兩個部分:一是對協(xié)議用戶負荷的直接控制,即在協(xié)議允許范圍內(nèi)對用戶側(cè)可控負荷進行靈活啟停與時序轉(zhuǎn)移;二是通過分時電價、政策優(yōu)惠等多種激勵手段,通過改變用戶側(cè)分布式電源的出力特性或負荷的用電模式來支撐電網(wǎng)運行[39G40] . 由于三次靈活性以市場覆蓋下的全體用戶作為調(diào)度資源,因此具有巨大的調(diào)節(jié)潛力,但在經(jīng)濟性和時效性方面則存在一定差距,并且依賴于對用戶行為特征的準確分析和預(yù)測. 因此,三次靈活性主要定位于在一次和二次靈活性無法滿足系統(tǒng)需求時發(fā)揮補充調(diào)節(jié)的作用.

2.3 靈活性的多維屬性

智能配電網(wǎng)靈活性不僅需要全面反映各種不同層面、不同類型、不同特性靈活性資源的控制能力與響應(yīng)特性,同時需要服務(wù)于配電網(wǎng)在不同場景下的調(diào)度與優(yōu)化需求,其多維屬性特征集中體現(xiàn)在時間、空間、物理和價值4個方面,如圖3所示.

1)時間屬性

智能配電網(wǎng)靈活性的時間屬性體現(xiàn)為內(nèi)在和外在兩個角度. 其中,內(nèi)在時間屬性反映了靈活性自身的時序動態(tài)特征. 配電網(wǎng)中存在大量儲能類靈活性資源,既包括蓄電池、超級電容、蓄冷、蓄熱等實體儲能裝置,又包括電動汽車、可控負荷等虛擬儲能形式. 儲能類資源的調(diào)度能力主要通過可調(diào)容量和剩余能量體現(xiàn),而這些參數(shù)又將隨系統(tǒng)運行狀態(tài)的發(fā)展而處于不斷變化之中,并與所采取的調(diào)度控制策略密切耦合,使靈活性從獨立斷面問題發(fā)展為時序動態(tài)問題.

外在時間屬性反映了配電網(wǎng)靈活性的多時間尺度特征. 由于各種靈活性資源的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)能力在時間尺度上存在較大差異,如SOP的實時功率控制、超級電容的秒級功率補償、蓄電池的小時級能量平衡等,使各種靈活性資源僅在特定調(diào)度周期下才能夠發(fā)揮作用. 因此,配電網(wǎng)靈活性的描述在不同時間尺度下將存在顯著差異,形成了其多時間尺度特征.

2)空間屬性

由于電氣網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的限制,智能配電網(wǎng)靈活性并不等同于各種靈活性資源的簡單加和,而是根據(jù)空間尺度的不同而受到相應(yīng)的約束限制. 例如:在個體裝置層面,其靈活性由自身調(diào)節(jié)能力決定;對微電網(wǎng)等小規(guī)模區(qū)域性系統(tǒng)來說,其網(wǎng)絡(luò)約束可以適當(dāng)簡化為理想線路的連通性約束,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)靈活性資源的統(tǒng)籌;對配電網(wǎng)層面靈活性來說,網(wǎng)絡(luò)的連通能力、傳輸容量等約束條件更加復(fù)雜,使靈活性資源的空間分布成為影響系統(tǒng)靈活性水平的重要因素. 因此,對配電網(wǎng)靈活性的描述與分析必須以特定的空間尺度為前提,并采用符合研究對象空間結(jié)構(gòu)特征的分析模型與求解方法.

3)物理屬性

靈活性作為全面反映智能配電網(wǎng)靈活調(diào)度能力的虛擬物理量,決定了其在根本上無法完全脫離靈活性資源的物理本質(zhì). 從來源看,配電網(wǎng)靈活性資源覆蓋了電氣、信息、控制等多種不同本質(zhì)的環(huán)節(jié)類型,其所能提供的靈活調(diào)度能力也有著不同的物理特征,使配電網(wǎng)靈活性所需要涵蓋的內(nèi)容在物理維度上大大豐富. 從需求看,即使對單一類型的靈活性資源來說,面向不同的電網(wǎng)調(diào)度場景,需要其提供的調(diào)節(jié)能力也可能涉及可調(diào)容量、響應(yīng)頻率、響應(yīng)速度、爬坡率等多類型性能指標. 為滿足電網(wǎng)調(diào)度需求,這些物理性能指標均需要直接或間接地在配電網(wǎng)靈活性中得到體現(xiàn),使其物理屬性進一步復(fù)雜.

4)價值屬性

智能配電網(wǎng)靈活性的提升或利用均需要付出成本代價,并可能體現(xiàn)在建設(shè)投資、設(shè)備折舊、運行成本、閑置成本、銷售損失等不同的角度,從而形成了靈活性的價值屬性. 相應(yīng)地,通過靈活性的調(diào)度優(yōu)化,配電網(wǎng)將具備更強的不確定性應(yīng)對能力,并通過保證整體系統(tǒng)在實際復(fù)雜運行環(huán)境下的環(huán)保性、可靠性、經(jīng)濟性等多目標可持續(xù)實現(xiàn)而獲得綜合收益.成本和收益的考量構(gòu)成了配電網(wǎng)靈活性問題的經(jīng)濟約束. 對給定場景來說,收益不及成本的靈活性資源被視為無效資源. 換言之,價值屬性是判斷靈活性資源是否可獲取、可利用的必要條件. 特別需要強調(diào)的是,靈活性的成本和收益與配電運營商和用戶對系統(tǒng)不同運行指標和目標的重視程度密切相關(guān),并能夠根據(jù)系統(tǒng)實際運行狀態(tài)和需求進行靈活調(diào)整,使靈活性的價值屬性與經(jīng)濟約束帶有了一定的動態(tài)特征.

對智能配電網(wǎng)來說,其靈活性問題求解的本質(zhì)就是面向不同需求,協(xié)調(diào)不同時間、空間、物理和價值屬性的靈活性資源與手段,提供符合特定時空尺度、經(jīng)濟上有利用價值、物理上可實現(xiàn)的調(diào)控策略,從而實現(xiàn)系統(tǒng)目標. 這也使得對配電網(wǎng)靈活性的多維屬性的深入認知與準確評估顯得尤為重要.

3 智能配電網(wǎng)的靈活性影響要素

3.1 智能配電網(wǎng)的可觀性

可觀性是指從全局角度實時、準確掌握系統(tǒng)靈活性水平和需求的能力,是智能配電網(wǎng)靈活性提升技術(shù)研究與應(yīng)用的必要前提. 傳統(tǒng)配電網(wǎng)由于量測信息相對匱乏,對系統(tǒng)運行狀態(tài)的精確掌控極為困難,更無法實現(xiàn)全面的靈活性分析與調(diào)度. 而隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,信息網(wǎng)在配電網(wǎng)中的覆蓋逐步加深,使配電網(wǎng)的智能量測、信息通信和數(shù)據(jù)利用能力大大增強,為配電網(wǎng)靈活性觀測奠定了技術(shù)基礎(chǔ). 其中,配電網(wǎng)同步相量量測技術(shù)和以此為基礎(chǔ)的智能態(tài)勢感知技術(shù)成為最具代表性的可觀性提升手段.

配電網(wǎng)同步相量量測技術(shù)以同步相量測量單元(phasormeasurementunit,PMU) 為基礎(chǔ),旨在實現(xiàn)全 系 統(tǒng) 高 精 度 同 步 量 測 和 信 息 集 成[41] . 基 于PMU 的同步相量量測為配電網(wǎng)靈活性觀測提供了數(shù)據(jù)支撐,同時也面臨著新的要求,舉例如下.

1)量測能力的多元化.

配電網(wǎng)靈活性的多維屬性特征使其對量測信息的全面性要求更高,可能需要在電氣量之外進一步提供運行環(huán)境、裝備狀態(tài)、動態(tài)趨勢等多維度信息.

2)量測布局的合理化. 配電網(wǎng)靈活性的供需關(guān)系和常規(guī)電能供應(yīng)有著本質(zhì)區(qū)別,需要特別考慮靈活性資源和需求的時空分布來對有限的終端資源進行合理布局.

3)信息利用的就地化. 能夠由局部終端通過少量通信完成基于就地信息的快速靈活性分析,實時掌握本地靈活性的供需流向,并結(jié)合分散控制架構(gòu)實現(xiàn)靈活性的供需快速平衡.

在同步相量量測的基礎(chǔ)上,配電網(wǎng)的智能態(tài)勢感知旨在完成特定時空下對配電網(wǎng)運行狀態(tài)的獲取、分析、理解和預(yù)測[42] ,而靈活性的觀測又進一步擴展了對態(tài)勢感知技術(shù)的需求. 在數(shù)據(jù)方面,智能態(tài)勢感知需要實現(xiàn)PMU、數(shù)據(jù)采集與監(jiān) 控(SCADA)、運維信息、營銷信息等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效集成與發(fā)掘,從而能夠全面感知深入至用戶側(cè)的多類型靈活性資源狀態(tài)與調(diào)度潛力;在模型方面,智能態(tài)勢感知需要針對不同運行場景下的具體靈活性特征,建立覆蓋時間、空間、物理、價值等多維屬性的全面靈活性感知指標體系;在性能方面,智能態(tài)勢感知需要具備更強的不確定性感知能力,實時掌握各種不確定性因素的變化趨勢,并準確判斷其靈活性需求特征.

此外,近年來快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、虛擬現(xiàn)實等前沿信息科技在配電網(wǎng)靈活性觀測技術(shù)中同樣表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力,未來有望在配電網(wǎng)靈活性供需深度評估、點對點市場交易,以及動態(tài)可視化展示等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.

3.2 智能配電網(wǎng)的可控性

可控性是配電網(wǎng)在不同時間尺度下通過自身結(jié)構(gòu)和裝備的有效控制而調(diào)整系統(tǒng)運行狀態(tài)的能力,是配電網(wǎng)靈活性的物理本源和實現(xiàn)基礎(chǔ). 可控性的提升一方面依賴于配電裝備自身可控能力的提高,近年來主要體現(xiàn)在以 SOP、固態(tài)變壓器(solidstatetransformer,SST)為代表的智能配電網(wǎng)電力電子化趨勢;另一方面則依賴于先進運行技術(shù)對可控性資源的體量擴充,以微電網(wǎng)、虛擬儲能等靈活調(diào)度控制技術(shù)為其中的典型代表.

其中,智能軟開關(guān)SOP的基本理念在于采用全控型電力電子裝置形成饋線間的常態(tài)化“柔性連接”,根據(jù)控制指令實時調(diào)整相連饋線的功率交換,進而改變系統(tǒng)整體的潮流分布[32] . 與傳統(tǒng)開關(guān)相比,SOP的控制精度更高、調(diào)節(jié)能力更強、動作速度更快、故障影響更小,對配電網(wǎng)可控性的提升效果顯著[8] . 特別是對配電網(wǎng)靈活性問題來說,SOP 的實時動態(tài)響應(yīng)、精細潮流調(diào)節(jié)和多時間尺度運行等能力使其能夠充當(dāng)統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)配電網(wǎng)中多來源、多類型、多尺度靈活性資源的橋梁,有效提升配電網(wǎng)對靈活性資源的統(tǒng)籌調(diào)度與優(yōu)化能力.

微電網(wǎng)作為多層級配電網(wǎng)的重要組成部分,通過對其內(nèi)部不確定性資源、可控資源與負荷需求的整體統(tǒng)籌優(yōu)化,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)不確定性的就地消納與能量供需平衡,并對外部電網(wǎng)形成支撐[35] . 以微電網(wǎng)為媒介,大量常規(guī)配電網(wǎng)中不可控、不能控或不易控的分布式靈活性資源被統(tǒng)籌納入配電網(wǎng)調(diào)度體系當(dāng)中,大大擴充了配電網(wǎng)可控性的來源范疇. 通過微電網(wǎng),這些靈活性資源能夠整體響應(yīng)配電網(wǎng)調(diào)度控制指令、支撐系統(tǒng)運行優(yōu)化、參與市場交易博弈,使微電網(wǎng)成為配電網(wǎng)中不可忽視的可控性與靈活性提升資源[43] .

除了受到上述代表性技術(shù)的推動,智能配電網(wǎng)可控性還將與電力市場交易機制密切相關(guān). 利用適當(dāng)?shù)募钍侄?電力用戶將從個體利益出發(fā)不斷調(diào)整其用電行為,通過與電網(wǎng)的互動形成全體電力用戶的間接可控性,進一步擴展了配電網(wǎng)可控性的概念范疇.

4 靈活性視角下的配電網(wǎng)規(guī)劃與運行

現(xiàn)有配電網(wǎng)的規(guī)劃與運行大多以給定典型場景下的確定性分析手段為基礎(chǔ),導(dǎo)致所得優(yōu)化方案和策略在不確定性運行環(huán)境下存在弱化甚至完全失效的風(fēng)險,凸顯了不確定性應(yīng)對問題的重要意義. 而在靈活性視角下,各種場景下的不確定性應(yīng)對問題在本質(zhì)上均可以視為不同時空尺度下的靈活性供需匹配問題,給配電網(wǎng)在復(fù)雜環(huán)境下的規(guī)劃、運行與控制問題提供了新的解決思路和研究方向.

4.1 靈活性的量化建模

可控資源的不斷豐富使配電網(wǎng)靈活性問題愈發(fā)復(fù)雜,常規(guī)的定性描述方式難以全面、準確地反映靈活性的多維特征,無法適應(yīng)未來配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度需要,完備的量化分析手段成為配電網(wǎng)靈活性分析與應(yīng)用的首要問題. 靈活性的量化旨在運用數(shù)學(xué)分析方法,以定量方式建立能夠精細反映配電網(wǎng)靈活性水平及其復(fù)雜屬性特征的分析模型,為系統(tǒng)層面的靈活性評估、調(diào)度、匹配和優(yōu)化提供手段與依據(jù). 目前,在大電網(wǎng)層面已經(jīng)初步建立了具有多維屬性的靈活性模型[27,44] ,為配電網(wǎng)靈活性的建模提供了一定借鑒. 但由于其量化特征仍不明顯,且更側(cè)重于靈活性的 指 標 式 評 估,在 運 行 調(diào) 度 中 的 實 用 價 值有限.

相比而言,配電網(wǎng)所面臨的調(diào)度場景和資源構(gòu)成更加復(fù)雜,對靈活性量化建模的技術(shù)需求也更加豐富,需要其具備:①對不同類型靈活性資源的廣泛適用能力,將裝備、信息、市場等不同環(huán)節(jié)與來源的靈活性納入統(tǒng)一的量化分析框架;②面向不同時間尺度的靈活性建模能力,為暫態(tài)、短期、中長期等不同場景下的多類型調(diào)度需求提供針對性的分析手段;③考慮物理本質(zhì)的量化靈活性網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)能力,使靈活性成為具有定量生產(chǎn)、調(diào)度、轉(zhuǎn)移、消耗及交易功能的虛擬物理量;④與現(xiàn)有配電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)框架的兼容能力,使量化靈活性能夠作為配電網(wǎng)整體多目標優(yōu)化問題的組成部分.

由此可見,配電網(wǎng)的靈活性模型實際上涵蓋了靈活性的量化方法和傳導(dǎo)機制兩個層次,其量化模型也可以根據(jù)來源范疇的不同從節(jié)點靈活性和網(wǎng)絡(luò)靈活性兩個角度來考慮.

1)節(jié)點靈活性

節(jié)點靈活性是其關(guān)聯(lián)輻射范圍內(nèi)全體靈活性資源綜合調(diào)節(jié)能力的集中表征. 各種差異化的靈活性資源將通過節(jié)點實現(xiàn)調(diào)節(jié)能力的標準化統(tǒng)籌,從而顯著降低配電網(wǎng)靈活性的分析與調(diào)度難度. 節(jié)點靈活性一方面與本地不確定性形成就地平衡,同時還將以節(jié)點為單位向外部系統(tǒng)提供靈活性支撐與供應(yīng),使其成為配電網(wǎng)靈活性的基本源單位. 文獻[44]提出的節(jié)點功率模型體現(xiàn)了對節(jié)點靈活性的一種典型建模思路,如圖4所示. 在節(jié)點側(cè),電源能量供應(yīng)、負荷能量需求分別被視為正向和反向能量流入,而棄風(fēng)、棄光等導(dǎo)致的電源出力削減和用戶負荷減載則分別被視為正向和反向的能量流失;在電網(wǎng)側(cè),節(jié)點模型以一定的傳導(dǎo)效率與外部電網(wǎng)實現(xiàn)能量交互. 這一思路被用于實現(xiàn)節(jié)點靈活性的能量、功率、爬坡率三維量化建模,并重點應(yīng)用于運行問題的分析求解當(dāng)中[44G45] .

2)網(wǎng)絡(luò)靈活性

網(wǎng)絡(luò)靈活性在本質(zhì)上反映了系統(tǒng)層面對大量分散的節(jié)點靈活性進行空間傳導(dǎo)和調(diào)度利用的能力,如圖5所示. 特別對配電網(wǎng)來說,節(jié)點靈活性資源和不確定性需求在空間分布上可能差異巨大,需以靈活配電網(wǎng)來為節(jié)點靈活性的相互支撐、靈活性資源與需求的優(yōu)化匹配等提供必要途徑,使網(wǎng)絡(luò)靈活性成為配電網(wǎng)靈活性的重要組成部分,同時也形成了配電網(wǎng)靈活性與大電網(wǎng)靈活性的主要區(qū)別之一.

空間連通性是網(wǎng)絡(luò)靈活性的最基本體現(xiàn),并可以通過分段、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等拓撲控制裝置完成多種連通模式的靈活切換,實現(xiàn)節(jié)點靈活性的不同拓撲組合. 在此基礎(chǔ)上,通過SOP等電力電子裝置實現(xiàn)的柔性可控連通則提供了靈活性的定量、定向轉(zhuǎn)移能力[32] ,從而進一步提升網(wǎng)絡(luò)靈活性水平. 以高水準網(wǎng)絡(luò)靈活性為依托,廣泛分布的節(jié)點靈活性資源能夠形成多樣化的組合與支撐模式,全面保障了配電網(wǎng)靈活性的充分發(fā)掘與有效利用;同時,以網(wǎng)絡(luò)靈活性為基礎(chǔ)的空間傳導(dǎo)機制使大規(guī)模系統(tǒng)問題能夠在空間維度進行解耦,不僅有效降低靈活性問題的分析規(guī)模與難度,同時使更加高效的分布式靈活性技術(shù)成為可能.

目前,對網(wǎng)絡(luò)靈活性的研究與應(yīng)用仍處于最基礎(chǔ)的連通性分析階段,對高級配電網(wǎng)形態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)靈活性量化模型研究尚不充分. 尤其對 SOP 等先進的可控傳輸裝置來說,其接入位置、接入容量,甚至多個SOP之間的相對關(guān)系都可能對網(wǎng)絡(luò)靈活性產(chǎn)生截然不同的影響,使其量化問題更加復(fù)雜.

總體來看,節(jié)點靈活性和網(wǎng)絡(luò)靈活性構(gòu)成了配電網(wǎng)靈活性量化模型的基礎(chǔ)框架,其他源于信息通信、市場交易等不同層次的技術(shù)手段最終都將通過節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)影響配電網(wǎng)整體靈活性水平. 這為配電網(wǎng)靈活性量化問題的研究提供了一種可行思路,而如何對這些復(fù)雜靈活性特征及相關(guān)多層次附加因素的影響進行準確量化則是下一步研究中需要重點解決的問題.

4.2 靈活性視角下的智能配電網(wǎng)規(guī)劃

高級形態(tài)智能配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃既包括了網(wǎng)架規(guī)劃、變電站規(guī)劃等傳統(tǒng)內(nèi)容,又涵蓋了分布式電源、儲能裝備的優(yōu)化配置等新問題. 從配電網(wǎng)側(cè)來看,受大量分布式電源隨機出力特性的影響,配電網(wǎng)的規(guī)劃問題與運行問題高度耦合,在規(guī)劃階段就必須考慮系統(tǒng)運行策略的影響;從用戶側(cè)來看,分布式電源和電動汽車等新設(shè)備的靈活接入賦予了用戶多重角色身份,使系統(tǒng)運行策略更加復(fù)雜. 規(guī)劃和運行的耦合放大了不確定性的影響,給規(guī)劃問題的準確分析求解帶來了困難.

在靈活性視角下,配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃問題在本質(zhì)上成為中長期尺度下、整體系統(tǒng)層面的靈活性供應(yīng)與需求的量化匹配問題. 此時,系統(tǒng)的靈活性來源主要包括變電站的選址定容、網(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、配電裝備與線路選型等手段,而靈活性需求則主要體現(xiàn)在用戶負荷的發(fā)展變化、電動汽車和分布式電源的接入增長,以及規(guī)劃周期內(nèi)可能出現(xiàn)的設(shè)備停運和故障擾動等中長期不確定性因素[46] .

基于靈活性的配電網(wǎng)規(guī)劃旨在以系統(tǒng)層面的靈活性供需匹配為目標,通過對各種靈活性資源進行優(yōu)化規(guī)劃,使配電網(wǎng)具備在中長期尺度不確定性影響下的能量靈活平衡的能力. 同時,通過靈活性供需的準確量化,規(guī)劃策略的針對性和有效性得以顯著增強,并能夠根據(jù)靈活性需求的增長趨勢預(yù)期合理安排擴建改造計劃,避免投資與資源的浪費. 在靈活性匹配的前提下,配電網(wǎng)在經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性等方面將具備更強的不確定性應(yīng)對能力,從而確保在全壽命周期內(nèi)配電網(wǎng)多規(guī)劃目標的有效實現(xiàn).

4.3 靈活性視角下的配電網(wǎng)運行

配電網(wǎng)運行問題涵蓋了正常狀態(tài)下的運行優(yōu)化和故障狀態(tài)下的自愈控制. 在現(xiàn)有調(diào)度框架下,配電網(wǎng)的運行控制手段通常以分布式電源和儲能出力調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、無功優(yōu)化等方式為主;在優(yōu)化目標方面,則以經(jīng)濟目標、環(huán)境目標、可靠性目標等較為常見,同時需要根據(jù)系統(tǒng)實際情況因地制宜地對優(yōu)化目標進行協(xié)調(diào),即解決多目標優(yōu)化問題;在約束條件方面,一般包括潮流約束、分布式電源特性約束、資源環(huán)境約束等,在某些情況下還需要考慮到用戶側(cè)靈活互動等復(fù)雜因素的影響. 但是,由于當(dāng)前優(yōu)化方法中仍然缺少對不確定性特征的準確認知和分析手段,使傳統(tǒng)的運行優(yōu)化模型趨于理想化,系統(tǒng)的優(yōu)化運行狀態(tài)在實際調(diào)度周期內(nèi)難以持續(xù),成為運行優(yōu)化技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn).

在靈活性視角下,配電網(wǎng)的不確定性運行優(yōu)化問題成為中短期時間尺度下的多層級靈活性供需匹配問題. 其中,靈活性來源主要包括可控電源、儲能、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、SOP等物理層靈活性資源,以及微電網(wǎng)、虛擬儲能等靈活運行調(diào)度手段;而靈活性需求則體現(xiàn)為系統(tǒng)運行中的各種不確定性擾動,如分布式資源快速波動、隨機故障擾動、用戶負荷需求突發(fā)變化等.

基于靈活性的配電網(wǎng)運行技術(shù)旨在以系統(tǒng)多層級靈活性供需匹配為目標,通過對各種靈活性資源的優(yōu)化組合與調(diào)度,使配電網(wǎng)具備在不同調(diào)度周期下維持功率和能量平衡并自主趨優(yōu)的能力. 此時,面向運行問題的靈活性模型維度將更加豐富,包括容量、能量、功率、爬坡率等多種性能指標都需要在模型中加以體現(xiàn). 通過將靈活性匹配關(guān)系與系統(tǒng)經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性等運行目標相結(jié)合,配電網(wǎng)運行優(yōu)化策略的魯棒性將顯著增強,從而確保清潔能源消納、運行潮流優(yōu)化、快速供電恢復(fù)等宏觀目標的有效實現(xiàn).

4.4 基于靈活性的分散控制

配電網(wǎng)的電力電子化趨勢使其控制尺度愈發(fā)精細,以SOP為代表的潮流控制裝置已經(jīng)達到實時響應(yīng)水平,需要更加快速的控制體系架構(gòu)來充分發(fā)揮其快速調(diào)節(jié)能力. 圍繞運行控制的快速性需求,分散控制架構(gòu)成為面向配電網(wǎng)高級形態(tài)的重要發(fā)展趨勢[47] . 在分散控制模式下,系統(tǒng)優(yōu)化控制更多地依靠智能終端之間的相互配合來實現(xiàn),基于局部信息制定優(yōu)化策略并實施. 與集中控制相比,分散控制的執(zhí)行效率更高,同時能夠以分布式求解方法解決大規(guī)模系統(tǒng)難以集中求解的問題;但與此同時,信息量的局限性將給其控制效果帶來一定影響. 因此,分散控制往往與集中控制相協(xié)調(diào),通過在多個維度上的靈活配合來發(fā)揮其各自優(yōu)勢并實現(xiàn)更好的控制效果.

因此,配電網(wǎng)的分散控制問題同樣存在著靈活性的供需匹配內(nèi)涵,其靈活性源于裝備的多狀態(tài)運行控制能力和智能終端的空間覆蓋、同步量測、靈活通信和數(shù)據(jù)分析能力等,而靈活性需求則體現(xiàn)在量測誤差、通信中斷等隨機擾動,以及就地信息的局限性等方面. 在靈活性供需匹配的前提下,分散控制終端的抗擾能力將顯著增強,對保證復(fù)雜條件下配電網(wǎng)運行控制的快速性、可靠性與有效性有著重要意義.

5 結(jié)語

配電網(wǎng)的發(fā)展一直以更好地滿足電力用戶的需求為目標. 伴隨著配電網(wǎng)形態(tài)的變化,多重要素融合帶來的不確定性特征愈發(fā)明顯,給配電網(wǎng)整體技術(shù)體系都帶來了很大挑戰(zhàn). 而配電網(wǎng)靈活性提升技術(shù)作為充分發(fā)揮系統(tǒng)可控能力、應(yīng)對復(fù)雜不確定性特征的有效手段,其進展已明顯滯后于配電網(wǎng)的可控性水平提升. 開展可量化的配電網(wǎng)靈活性技術(shù)研究,充分發(fā)揮配電網(wǎng)高級形態(tài)下的全面可控能力,確保其在復(fù)雜不確定性運行環(huán)境下的多運行目標有效實現(xiàn),成為未來配電技術(shù)發(fā)展亟待解決的問題.

本文從配電網(wǎng)高級形態(tài)的現(xiàn)實發(fā)展需求入手,定義了配電網(wǎng)層面的靈活性概念,分析了其來源、需求與多維屬性特征,對配電網(wǎng)靈活性的可觀、可控與量化分析等關(guān)鍵技術(shù)進行了探討,對量化靈活性匹配在配電網(wǎng)規(guī)劃、運行、控制技術(shù)中的應(yīng)用進行了展望,希望能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)靈活性技術(shù)的研究應(yīng)用提供一些思路和借鑒. 隨著智能配電網(wǎng)發(fā)展,配電網(wǎng)靈活性將體現(xiàn)出越來越強的現(xiàn)實意義與應(yīng)用價值,相關(guān)理論基礎(chǔ)與技術(shù)手段的系統(tǒng)性研究亟待開展.

王成山(1962—),男,博士,長江學(xué)者特聘教授,主要研究方 向: 智 能 配 電 網(wǎng) 與 微 電 網(wǎng)、 電 網(wǎng) 安 全 性 與 穩(wěn) 定 性.EGmail:cswang@tju.edu.cn

李 鵬(1981—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:分布式發(fā)電、微電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的運行、仿真與分析. EGmail:lip@tju.edu.cn

于 浩(1988—),男,博士,工程師,主要研究方向:智能電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)運行、仿真與優(yōu)化. EGmail: tjuyh@tju.edu.cn