未來國內電網調度與控制模式展望

蔡 幟，戴 賽，趙 昆

（中國電力科學研究院，北京 100192）

專論

未來國內電網調度與控制模式展望

蔡 幟，戴 賽，趙 昆

（中國電力科學研究院，北京 100192）

電網調度和控制模式的演變是一個長期的歷史過程，受到許多技術因素的驅動。分布式發電、清潔能源、儲能和新材料技術的突破和廣泛應用，對未來電網的調控模式提出了新的要求。從目前的電網科技發展可預測出，在儲能、微電網、需求側響應等技術支持下，未來含高比例清潔能源的電網將形成“集中協調、局部自治”的廣域協同運行體系架構，其通過調動發電側和需求側共同參與，形成輸電網、配電網、微網能量管理系統的互動調控。

未來電網；調度模式；控制模式；清潔能源

當前，新一輪能源變革正在全球范圍推進，我國能源布局和結構調整步伐明顯加快，能源開發呈現集約化、規模化、清潔化的特征，要求電網加快發展，適應能源在全國范圍優化、高效配置的需要。面對全球的環保和資源壓力，節能減排、提高效率已經成為未來電網所必須滿足的要求，這意味著要減少化石能源所產生的電能在總電能中的比重，大大增加各種清潔可再生能源如風能、太陽能、潮汐能、地熱能等的發電比重。

目前國內電力系統已實現了廠網分開，但并沒有隨之全面實行電力市場競爭，而是延續計劃電量調度模式，以平衡發電企業之間的利益關系，各電廠或機組的計劃電量按照同一省級電網內的平均發電小時數確定。我國在調控模式方面的研究雖然取得了不少進展，但尚不能滿足高比例清潔能源接入下的未來電網需求，主要體現在以下幾個方面［1－7］。

a.由于清潔可再生能源發電具有不確定性和不可控性等缺點，特別是有很強的季節性，對電力系統安全穩定運行及電能質量產生不利的影響。新能源發電波動性的特點對電網調度控制的影響是很明顯的，也是電力系統需要首先解決的問題。

b.我國能源分布不均衡，導致能源資源必須在大范圍內進行調度，而現實中煤電運輸矛盾反復出現，“缺電”與“窩電”并存局面短期難以有效緩解，跨區跨省能源優化配置問題日益突出。特高壓電網的出現，加強了區域電網之間的聯系，使得大范圍跨省跨區資源優化配置成為可能，為緩解電煤運矛盾提供了基礎，為節能減排戰略提供了思路，但是在這一新的全網互聯的態勢下，如何進行廣域資源協調優化配置是急需解決的問題，迫切需要尋求新的調控模式。

c.未來電力系統的目標會更多樣化，相對于現有調控模式的單一目標來說，需要協調統一地考慮多種目標，以適應未來全國大聯網下智能調度的需求，能兼容并支持不同調度模式下的各種目標成本形式和約束內容，將電網調度的目標從主要考慮安全性的單一目標向安全、節能、經濟性并重的整體解決方案發展。

1 未來電網調控模式的適應性要求

衡量一種電力調控模式是否科學，其核心是分析該模式是否能夠適應高比例清潔能源下電力工業生產的發展，具體分析時，可以從以下幾個方面進行考察。

a.大范圍資源優化配置能力

在經濟飛速發展一體化增強的今天，電力工業和其他相關工業聯系日益緊密，特別是與煤炭等能源資源業更是密不可分，在能源資源枯竭、自然環境惡化的擔憂背景下，如何充分利用有效能源資源，產生最大效益成為大家所追求的目標。因此，先進的調控模式，應該能夠從更大的范圍內實現資源的優化配置，在多類型能源（包括常規火電、風電、光伏、抽水蓄能、儲能和需求側負荷等）同時接入電網時，由于各種電源的發電運行特性不同，互補統籌考慮電力系統運行的安全、經濟、節能和環保等因素，滿足包含間歇能源隨機因素的各類復雜約束要求，提高能源利用效率，相對于傳統的水火協調和風火協調，多元能源具有更大的協調優化互補潛力。實施多種電源互補調度，可以發揮各類電源特長，優勢互補，不僅可以促進風電、光電更好地并網消納，擴展新能源發展空間，實現節能減排目標，而且可以提高供電質量，更好地保障電網安全穩定經濟運行。

同時，大范圍資源優化配置能提高電力系統的間歇能源消納水平，清潔能源的不確定性、隨機性和反調峰性對電力系統安全穩定運行的影響日益明顯。通過間歇電源不確定性對電網的影響分析，建立適應不確定電源和常規電源的多電源發電優化調控模式，從調度運行層面提高電網間歇能源消納水平。

b.安全性

電力系統安全性是電力系統在運行過程中表現出來的一種特性，是指電力系統在遭受擾動后能夠以合乎要求的參數持續向用戶提供電力供應的能力。未來電網運行一體化程度大大提高，從500 kV就近“手拉手”的互聯電網，發展為以特高壓主網架連接的統一電網，交流電氣聯系緊密、直流交換容量巨大，各級電網相互影響、相互作用進一步增強，多級或同級調度中心之間的安全約束沖突增加，需要通過電網調度控制模式和協同策略的不同完善，提升在全網層面統籌考慮電網安全的能力，才能進一步適應未來電網的發展趨勢。

未來電網的安全性體現在不會因為模型參數、系統運行狀態的變化而需要重新設計控制規律或者導致控制失效，對于新能源、靈活負荷的接納控制也應具有自適應性，不會因為發電能源類型、用電設備種類的變化而導致電網控制失效。未來電網自身應具備事件發現與評估、事件分析與決策、事件處理等一系列達到人工智能高度的機制，對各類諸如故障的事件具有自動識別、恢復和自愈功能。

c.經濟和社會效益

電力系統的公司性質和社會公共事業性質，決定了電力系統運行時應該滿足經濟效益和社會效益最大化。未來電網的調控模式在提高經濟效益方面包括：減小網損、提高設備利用率、實現多種電源接入下的全網資源優化配置等；在提高社會效益方面，包括提高電壓合格率、減小電壓波動率、提高頻率合格率、提高供電可靠率、減小年平均停電時間、減小排放和損耗，另外要提高用戶滿意度，進行反饋評價等。

同時，未來電力系統的生產、傳輸和分配是隨時間不停變化的，受不同發電能源供給、電網運行方式、電力負荷和天氣情況變化等因素的影響很大，單純在一個時刻或短期進行優化是遠遠不夠的，必須在更長的時間維度上，瞻前顧后，統籌協調，實現時間縱深上的一體化優化，并能夠隨外界情況的變化及時進行協調滾動優化。

2 未來電網運行調度與控制模式概念設計

未來電網運行調度與控制模式概念設計框圖如圖1所示，基于廣域協同運行控制體系架構、自主調度理論和魯棒調度運行機制，以調度控制技術支持體系為平臺，通過互動控制模式、資源優化方法和系統演進策略，形成未來電網運行調度與控制模式。未來電網運行調度模式包括集中和分布下多層級協調調度、多時序多能源協調優化調度和儲能、微電網和需求側響應參與調度等內容；未來電網運行控制模式包括分層分區自主協調控制、具有自愈能力的自組織控制系統和態勢感知風險防控等內容。

2.1 未來電網運行調度模式

未來電網的調度模式將是一種集中與分布式能源同時參與，主動響應與固定需求并存，集中調度與隱性調度聯合協調，覆蓋發電／輸電／配電／全產業鏈的完整、開放、公平競爭的生態系統。

圖1 未來電網運行調度與控制模式概念設計框圖

電源方面，集中式大規模電源與分布式新能源自主靈活參與市場。

負荷側，固定負荷與需求響應能夠按照意愿參與不同市場層級的不同資源類型的市場，尋求自身利益。

調度環節，調度中心集中調度，儲能／需求響應等主體利用市場信號，隱性參與聯合調度。

具體來說，未來電網運行調度模式的主要特點如下。

a.集中和分布下多層級協調調度。未來大電網中流動的信息量巨大，如果都由同一個調度中心進行處理分析，無法滿足快速響應的需求。因此未來電網調度將采取分層、分級的形式。在未來的調度系統中，下級調度中心更強調精益化調度水平，建立發電調度評估指標體系，把盡可能多的問題在局部處理好，這樣，下級調度中心就不再完全作為上級電網的一部分，而是作為一個自治系統自動完成自我平衡。然而這并非要擯棄集中調度的形式，而是將其引向更高層次的協調和引導方向，上級電網能根據各區電網相互影響、相互作用的具體情況，在更加廣闊、更加宏觀的電網區域內實現統一協調和分工協作，從更高層次上制定全局運行調度計劃，提升調度駕馭大電網能力。

b.多時序多能源協調優化調度。大規模清潔電源接入，給電網安全經濟運行提出新的挑戰。在多類型能源（包括常規火電、風電、光伏、抽水蓄能、儲能、微網和需求側響應等）同時接入電網時，由于各種電源的發電運行特性不同，相對于傳統的水火協調和風火協調，多元能源具有更大的協調優化互補潛力。實施多種電源互補調度，發揮各類電源特長，優勢互補，可以從調度運行層面提高電網間歇能源消納水平，同時可以提高供電質量，更好地保障電網安全穩定經濟運行。

不同發電能源供給是隨時間不停變化的，受電網運行方式、電力負荷和天氣情況變化等因素的影響很大，單純在一個時刻或短期實現資源優化配置是遠遠不夠的，必須在更長的時間維度上，瞻前顧后，統籌協調，實現時間縱深上的一體化優化，并能夠隨外界情況的變化及時進行各周期持續動態優化，在廣域時間范圍內提升發電調度計劃的安全性、經濟性、節能性和公平性。

c.儲能、微電網和需求側響應參與調度。儲能裝置是指可以儲存電能的設備，可作為電源或負荷出現在電網中，并具有功率快速可調及可充放電的特點。儲能系統具有在聯合優化調度中可以實現對系統負荷削峰填谷、調節頻率、增加系統備用容量和提高系統對清潔能源的消納能力等作用，隨著儲能系統生產制造成本的降低，在未來電網中必將有廣泛應用。

微電網是由分布式發電及其相關負載組成的微型電網［8－9］，改變了以往單向輻射狀供電的能量流動方式，充分發揮了分布式電源的優勢，可達到就地平衡功率、降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性的作用。通過微電網技術，可以實現電網能量在空間層面的靈活流動，一般情況下調度信息的產生和下達將由大量的分布式自動調度裝置完成，人工調度只需要關注這些微電網的外部特性，在整個電力網絡的層面上對其進行調度和調節。

需求側響應是根據電網的狀況，以平衡發電側為目標，利用需求響應對負荷進行調度［10－11］，將電網的信息流動延伸到電網末梢，使原本無法控制的需求側設備也能夠向電網提供信息并接受電網的調度，在系統需要或電力緊張時減少負荷需求，改變了固有的習慣用電模式，可以對負荷曲線“削峰填谷”，提高電網整體的運行效率，保障電網穩定運行。

2.2 未來電網運行控制模式

未來電網運行控制將實現交直流混聯電網的多層級協調優化控制，實現有功無功一體化協調控制；能夠有效利用電價激勵手段、降壓節能、削峰填谷等因素，調動發電側、需求側共同參與電網的運行控制，形成輸電網、配電網、微網能量管理系統的互動控制。未來電網控制系統是智能化控制系統［12－14］，即能夠感知實時電網態勢，利用已有的知識對信息進行分析、計算、比較、判斷；具有學習能力和自適應能力，通過與環境的相互作用，不斷學習積累知識，適應環境變化；具有行為決策能力，能對外界的刺激做出反應，形成決策并傳達相應的信息。

具體來說，未來電網運行控制模式的主要特點有如下。

a.態勢感知風險防控。未來大規模復雜電網的智能化調控需要保證電網運行狀態獲取的實時性和準確性，現階段的PMU以及廣域量測體系在未來將得到進一步的發展，全系統的廣域量測體系有可能全面建立。但是對電網狀態的分析計算仍然需要花費一定時間，因此，未來的復雜大電網將具備態勢感知和風險防控能力，能在獲取當前電網運行狀態的條件下，更多、更有效地利用實時廣域信息，以電網基礎模型和數據為基礎，整合電網運行特性和人為兩大因素，進一步預測未來電網運行狀態以及存在問題，為電網準確調控提供更多參考，也為分析計算環節爭取寶貴時間資源，保證運行調控人員對電網運行態勢的全面掌握。

b.分層分區自主協調控制。應用先進的控制理論、自主計算、分布智能、優化理論，通過自治優化和控制、自治配置等相關技術，未來電網具備更為靈活的、魯棒的控制機制，形成覆蓋大電網、配電網、微網的電網分層控制體系架構，在分層內部分布式自主控制、分層之間集中協調控制，建立多級互動能量管理系統，可進行面向高比例清潔能源接入下電網形態的輸電網、配電網、微網能量管理系統互動控制及資源優化配置，支持廣域環境下的資源高效集約管理，提升了電網的自主協調調控能力。

c.具有自愈能力的自組織控制系統。清潔能源的隨機性和波動性使其輸出有功功率不易控制，所吸收的無功功率也處在變化中。部分清潔能源如風電多處于供電電網末端，需要消耗感性無功功率，因此電壓質量較差、線路有功損耗較大。自組織的控制系統能夠與變化的環境相互作用，通過自行演化而形成新的結構和功能。在未來電網中，自組織控制系統構成層狀結構，協調設備級控制和系統級控制，在一定程度上自動消除清潔能源帶來的功率波動和排除故障，保證穩定的功率輸出。通過自組織的控制體系進行無功調度及電壓控制，可以有效地提高清潔能源發電和電力系統的電壓質量、有功無功平衡以及電壓穩定水平。

3 結論

雖然未來電網的發展規律和演變模式難以完全準確地把握，但在未來發展需求、環境約束和技術成熟度預測下，可以對電網發展中預期的主要場景和基本調控模式進行概念設計。未來電網在可預見的高比例清潔能源接入下，以態勢感知、自組織控制、儲能、微電網和需求側響應等關鍵技術為支撐，充分發揮各類電源特長，進行多時序多能源協調優化，輸電網、配電網、微網聯合形成先進的“集中協調、局部自治”多層級協調調度和控制模式，充分消納清潔能源，在安全穩定的運行狀態下，實現更好的經濟和社會效益。

［1］劉吉臻.大規模新能源電力安全高效利用基礎問題［J］.中國電機工程學報，2013，33（16）：1－8，25.

［2］張忠林，馮松起，馬宏偉.淺析遼寧地區風電對電網調度的影響［J］.東北電力技術，2009，30（4）：4－6.

［3］賈書杰，徐建源，朱 鈺，等.風電場的功率波動對電網電壓穩定性影響研究［J］.東北電力技術，2013，34（2）：15－18.

［4］張明理，李青春，張 楠.基于多目標經濟調峰模型的區域電網風電接納能力評估方法研究［J］.東北電力技術，2011，32（9）：23－26.

［5］周孝信，陳樹勇，魯宗相.電網和電網技術發展的回顧與展望—試論三代電網［J］.中國電機工程學報，2013，33（22）：1－11.

［6］孫玉嬌，周勤勇，申 洪.未來中國輸電網發展模式的分析與展望［J］.電網技術，2013，37（7）：1 929－1 935.

［7］丁 明，張穎媛，茆美琴.微網研究中的關鍵技術［J］.電網技術，2009，33（11）：6－11.

［8］李 鵬，張 玲，王 偉，等.微網技術應用與分析［J］.電力系統自動化，2009，33（20）：109－115.

［9］趙冬梅，張 楠，劉燕華，等.基于儲能的微網并網和孤島運行模式平滑切換綜合控制策略［J］.電網技術，2013，37（2）：301－306.

［10］程 林，劉 琛，朱守真，等.基于多能協同策略的能源互聯微網研究［J］.電網技術，2016，40（1）：132－138.

［11］范德成，王韶華，張 偉.低碳經濟目標下我國電力需求預測研究［J］.電網技術，2012，36（7）：19－25.

［12］姚良忠，吳 婧，王志冰，等.未來高壓直流電網發展形態分析［J］.中國電機工程學報，2014，34（34）：6 007－6 020.

［13］康重慶，陳啟鑫，夏 清.低碳電力技術的研究展望［J］.電網技術，2009，33（2）：1－7.

［14］高海翔，王小宇，劉 鋒，等.未來電網運行形態研究［J］.電工電能新技術，2014，33（1）：58－65.

［15］郭國川.統一調度是我國電網調度模式的理性選擇［J］.電網技術，2002，26（4）：1－8.

［16］趙遵廉.中國電網調度近期技術發展方向［J］.電力系統自動化，2001，25（20）：1－3.

［17］趙遵廉.中國電網的發展與展望［J］.中國電力，2004，37（1）：1－6.

［18］Alex Huang.FREEDM system?a vision for the future grid［A］. 2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting［C］. Minneapolis，Minnesota，USA，2010.1－4.

［19］Ipakchi A，Albuyeh F.Grid of the future［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2009，7（2）：52－62.

［20］Ahshan R，Iqbal M T，Mann G K I，et al.Micro?grid system based onrenewablepowergenerationunits［A］.23rd Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering［C］.Calgary Alberta，Canada，2010.

［21］Siemens A G.Advanced architectures and control concepts for more microgrids［R］.Erlangen，Germany，2009.

［22］Amir?Hamed Mohsenian?Rad，Vincent W S Wong，Juri Jatskevich，et al.Autonomous demand?side management based on game?theoretic energy consumption scheduling for the future smart grid［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1（3）：320－331.

［23］Peter Palensky，Dietmar Dietrich.Demand side management：demand response，intelligent energy systems，and smart loads［J］.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2011，7（3）：381－388.

［24］高賜威，梁甜甜，李 揚.自動需求響應的理論與實踐綜述［J］.電網技術，2014，38（2）：352－359.

［25］趙鴻圖，朱治中，于爾鏗.電力市場中需求響應市場與需求響應項目研究［J］.電網技術，2010，34（5）：146－153.

［26］胡學浩.智能電網—未來電網的發展態勢［J］.電網技術，2009，33（14）：1－5.

［27］張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網的研究進展及發展趨勢［J］.電網技術，2009，33（13）：1－11.

［28］Monti A，Ponci F.Power grids of the future：why smart means complex［A］.2010 Complexity in Engineering［C］.Rome，Italy，2010.7－11.

［29］He Haibo.Toward a smart grid：integration of computational in?telligence into power grid［A］.The 2010 International Joint Conference on Neural Networks［C］.Barcelona，Spain，2010.1－6.

［30］Enrique Santacana，Gary Rackliffe，Le Tang，et al.Getting smart［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2010，8（2）：41－48.

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 幟（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統優化調度。

2016－05－18）