原文發(fā)表在《電力工程技術(shù)》2017年第36卷第5期，歡迎品讀

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秦曉輝，張彥濤， 葛磊蛟，等. 多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架設(shè)計[J]. 電力工程技術(shù)，2017, 36(5): 51-57.

QIN Xiaohui, ZHANG Yantao, GE Leijiao, al, et. A Framework Design of Coordinated Control for Multi-energy's Utilization and Grid's Security and Stability[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(5): 51-57.

多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架設(shè)計

秦曉輝，張彥濤， 葛磊蛟，等

1. 研究背景

近年來隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，新能源發(fā)電、電動汽車、微電網(wǎng)、冷熱電三聯(lián)供、大型電熱鍋爐、地源熱泵等大規(guī)模接入電力系統(tǒng)，使電力系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨╇姺?wù)為中心，兼顧冷／熱／電多種能源的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。尤其是高比例新能源的接入，也使電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行面臨電壓、頻率等諸多問題。能源互聯(lián)網(wǎng)集成了水／電／氣／熱等多種能源的綜合利用，多種能源的交換和轉(zhuǎn)化利用，尤其是能源互聯(lián)網(wǎng)多態(tài)用能，這些能源之間的實時互動，以及多態(tài)用能與電網(wǎng)間的能源、信息等互聯(lián)互通，將面臨各自不同種類能源運行和控制、不同時間常數(shù)、不同尺度的集中控制和穩(wěn)定控制，是一個超越方程的優(yōu)化問題，有必要從網(wǎng)－荷互動的角度設(shè)計能源互聯(lián)網(wǎng)多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制框架，滿足高滲透率新能源的就地消納，確保能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)安全運行。

2. 多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定控制目標

多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制其實質(zhì)是為了在電網(wǎng)安全穩(wěn)定的前提條件下充分利用好強隨機性、間歇性的可再生能源發(fā)電，整體上可分為系統(tǒng)的正常態(tài)和局部故障態(tài)兩種情況，但依據(jù)不同的出發(fā)點具有不同的控制目標，也可分為從用戶用能角度出發(fā)的多態(tài)用能安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制目標、從電網(wǎng)安全角度的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制目標和從整體協(xié)調(diào)控制角度的多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制目標等三部分，且每一個部分內(nèi)容均分為正常態(tài)和局部故障態(tài)兩個方面，如圖1所示。由于多態(tài)用能的核心目標是整體的協(xié)調(diào)控制，為此重點闡述整體協(xié)調(diào)控制目標。

圖1 多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制目標

正常態(tài)是指電力系統(tǒng)處于安全裕度運轉(zhuǎn)狀態(tài)，多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定控制目標主要是為了在保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行的安全裕度條件下，盡可能為用戶提供高品質(zhì)的供電服務(wù)，主要控制目標包括整體用能經(jīng)濟性最佳、用戶舒適度最好和整體能源損耗最小為主。

（1）整體用能經(jīng)濟性最佳。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下充分考慮影響用電系統(tǒng)與能源系統(tǒng)互動的因素，根據(jù)科學(xué)性、全面性和客觀性的原則分析系統(tǒng)運行效益，達成整體用能的經(jīng)濟性最佳。

（2）用戶舒適度最好。一般而言，用戶舒適度是一個與人生活質(zhì)量相關(guān)的主觀指標，是氣溫、氣壓、相對濕度、風速等4個氣象要素對人體感覺影響的綜合體現(xiàn)，常用該4項要素構(gòu)建一個非線性方程，如下式所示。

（3）整體能源損耗最小整體能源損耗最小是指區(qū)域范圍內(nèi)所有的用戶能源損耗總和最小，是整體用戶用能及電網(wǎng)的損耗之和，主要包括電網(wǎng)的能源損耗、用戶的能源損耗和用戶接入可再生能源后所產(chǎn)生的損耗等三方面，如下式所示。

（4）電網(wǎng)滿足N-2安全準則

能源互聯(lián)網(wǎng)以電能供應(yīng)為中心，局部故障態(tài)時優(yōu)先保證電網(wǎng)的安全是其首要控制目標，為此要求電網(wǎng)具有N-2安全準則。N-2安全準則是指正常運行方式下系統(tǒng)中任意2個元件（如線路、發(fā)電機、變壓器等） 無故障或因故障斷開后，系統(tǒng)應(yīng)能保證穩(wěn)定運行和正常供電，其他元件不過負荷，電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。其主要包含兩層含義：保證電網(wǎng)的穩(wěn)定；保證用戶得到符合質(zhì)量要求的連續(xù)供電。

（5）隔離故障點后最大恢復(fù)用戶用能需求

當局部故障發(fā)生后，系統(tǒng)快速、精準切除了區(qū)域內(nèi)分區(qū)分片的故障用戶用能需求，快速進行故障原因分析，精準確定故障點；在電力供應(yīng)方面，通過負荷轉(zhuǎn)供、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、動態(tài)組網(wǎng)等技術(shù)手段，協(xié)調(diào)調(diào)度可再生能源發(fā)電出力，盡可能多恢復(fù)區(qū)域內(nèi)沒有故障的用戶供電需求；在能源供應(yīng)方面，基于供熱、供冷等能源供應(yīng)響應(yīng)時間周期長的特點，進行冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的模式切換、冰蓄冷／水蓄冷機組的協(xié)調(diào)控制，滿足用戶的熱／冷用能需求。

（6）恢復(fù)后系統(tǒng)的能源損耗盡可能小系統(tǒng)局部發(fā)生故障后，將故障用戶精準、快速隔離后，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行，此時為確保系統(tǒng)穩(wěn)定，考慮可再生能源的強隨機性、間歇性，一般不進行可再生能源的協(xié)調(diào)調(diào)度管理，因此系統(tǒng)恢復(fù)后的損耗主要包括電網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)損和用戶側(cè)的損耗兩方面；系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，以能源損耗盡可能最小為目標。

3. 多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架

（1）精準切負荷技術(shù)

精準負荷暫態(tài)控制是為保證多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定運行而進行精準切負荷控制的第一步，綜合利用電網(wǎng)的故障信息、運行方式和關(guān)鍵斷面潮流等數(shù)據(jù)，結(jié)合故障時負荷的實時狀態(tài)，通過廣域范圍內(nèi)的多個／多組負荷開關(guān)快速動作，按一定的控制原則、設(shè)定的控制目標和策略快速采取切負荷措施，從而達成系統(tǒng)的穩(wěn)定。精準負荷暫態(tài)控制的關(guān)鍵是正常運行時大規(guī)模、廣域范圍內(nèi)負荷的精準實時監(jiān)視與分類排序，以及系統(tǒng)局部故障情況下毫秒級準確決策與海量負荷的準確措施執(zhí)行。精準負荷的暫態(tài)控制在控制時間上要求與現(xiàn)有的集中負荷暫態(tài)控制相同，均需在毫秒級的時間內(nèi)完成對負荷的控制，以滿足對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的要求。其協(xié)調(diào)控制的方法主要采用分層分區(qū)控制方法，分別由控制主站、子站和執(zhí)行站來執(zhí)行組成相應(yīng)協(xié)調(diào)指令；其中，控制主站負責系統(tǒng)整體策略的判斷和指令下發(fā)；控制子站負責本區(qū)域的負荷信息匯集與上傳，并接收主站命令分配下發(fā)至下屬執(zhí)行站；控制執(zhí)行站負責負荷信息的采集與上送，接收子站命令并執(zhí)行切負荷控制。

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制框架

（2）精準負荷穩(wěn)態(tài)控制

精準負荷穩(wěn)態(tài)控制是系統(tǒng)進行切負荷動作完成后，為盡可能多消納可再生能源，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行而進行的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，由特高壓電網(wǎng)故障感知、電網(wǎng)運行調(diào)整優(yōu)化策略在線生成以及省調(diào)、地調(diào)和營銷的自動協(xié)調(diào)控制等三方面組成。

（3）多能協(xié)調(diào)互動技術(shù)

多能協(xié)調(diào)互動技術(shù)是以負荷側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的PCC接入點交換功率為設(shè)定目標，調(diào)動用戶側(cè)的電動汽車、分布式電源、微電網(wǎng)、電熱鍋爐、規(guī)模化儲能和虛擬同步機等，結(jié)合不同能源間的不同時間、不同響應(yīng)時長等特性，達成滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的目標，完成可再生能源發(fā)電的消納，主要有以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)。在構(gòu)建的系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，充分考慮各類分布式能源、儲能和負荷之間的相應(yīng)速度和響應(yīng)特性差異，結(jié)合各單元設(shè)備運行特性數(shù)學(xué)模型和改進型的運行模型量化分析集成多態(tài)用能系統(tǒng)在多個時空尺度上的運行特性和相互作用與影響。通過分析分散和聚合形式下元件運行規(guī)律，定量計算能源互聯(lián)網(wǎng)中能量實時可調(diào)裕度和周期可調(diào)度范圍。

4. 結(jié)束語

能源互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，用戶側(cè)的冷／熱／電等多種能源需求，以及多種能源協(xié)調(diào)互動和可再生能源的高效利用是一個趨勢，但是多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定是這些問題的首要和重點核心之一，本文從源-荷互動的角度，構(gòu)建了一種多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架，重點從精準切負荷和多能協(xié)調(diào)互動技術(shù)兩方面，提出了多態(tài)用能的安全穩(wěn)定控制技術(shù)路線，以期為高滲透率新能源的高效、經(jīng)濟運行提供借鑒。