基于數字化轉型的新型電力系統構建

劉康先

(廣西電網有限責任公司南寧供電局，南寧 530000)

0 引 言

數字轉型技術是新型電力系統中應用的一種全新的數字化技術，數字轉型技術將有力推進了新型電力系統的構建[2-3]。一方面數字轉型技術更加有效的數據處理技術，應用云計算、大數據、人工智能邊緣計算等新一代數字化技術高速和快捷的處理了新型電力系統中龐大的數據結構，同時數字轉型技術還具備多元和超強的運算能力，保證了新型電力和運算能力的深度密切融合，從電力系統的各個環節的數字賦能到新型電力系統的構建中，從而保證構建的較大規模新型電力系統的安全、可靠、高效性等；另一方面數字化轉型技術為新型電力系統構建奠定了數字化基礎搭建技術，在新型電力系統構建中起到樞紐、平臺的作用[4]。使電網服務從以“優質電力”為核心的主營業務拓展到以“強大算力”為核心的數字產業領域，為企業帶來全方位的變革，文中針對新型電力電力系統構建面臨的問題提出12種數字化賦能關鍵技術和5種基于常見的數字基礎設施建設和數字化轉型布局。

圖1 新型電力系統各環節總體發展框架圖

1 數字化轉型的特征

數字化轉型是充分利用數字化技術控制業務、流程和服務的根本性變革。它有以下三個特點。

(1)靈活高效的敏感體系結構。敏感體系結構是一種IT體系結構，它可以快速響應業務變化，通過敏捷開發持續交付，并靈活支持上層應用程序創新[5]。

(2)按照由“量測-控制”模式實施數字物理深度耦合。數字物理深度耦合關系圖如2所示。

圖2 數字物理深度耦合關系圖

(3)數字化轉型將促進企業的根本變革。數字化轉型不僅是數字化技術的應用，還創造了新的數字化應用場景，其中數字化場景仿真系統框架圖如3所示，并為電網帶來了全方位變化。

圖3 數字化場景仿真系統框架圖

2 新型電力電力系統構建面臨的問題

隨著電源主體發生了本質變革，新型電力系統將主要面臨電力電量平衡、系統支撐機理、源網荷儲多要素協同、碳減排碳評估及電碳耦合模式，以及政策機制五個方面的關鍵問題。

(1)源荷雙側隨機波動影響電力電量平衡。新型電力系統需要同時面對供需雙側的巨大變化，新能源出力的強隨機性、波動性和用電負荷的日益尖峰化都給電力電量平衡帶來了巨大的挑戰，其中新能源出力隨機波動與新能源負荷尖峰化指標量化表見表1。新能源傳統的源、荷實時平衡模式難以為繼，重新構建源、荷、儲三者參與的非實時電力電量平衡模式，確保可靠、高效、靈活的電力供應，是必須解決的核心問題之一。

表1 新能源出力隨機波動與新能源負荷尖峰化指標量化表

(2)適應新型電力系統的支撐技術機理還需明確。新能源接入至電壓支撐較弱、短路比不足的交流系統，無法實現鎖相同步；電力電子裝置的快速響應特性，帶來寬頻振蕩等與電力電子相關的新穩定形態。

(3)電力系統多要素協同互動能力亟需提升。除了傳統的電源、輸電網、配電網、負荷等要素外，儲能將成為構建新型電力系統的關鍵要素，為電力系統提供毫秒到數天的寬時間尺度上的靈活雙向調節能力。

為了獲取最佳的模型組合,通過設定隨機森林中樹的個數以及樹的深度的雙層循環來訓練數據,根據總體準確率進行倒序排列選擇優秀參數組合。循環參數范圍選擇規則如下:①對于樹的深度我們選取結果比較穩定的(10,20)這個區間;②隨機森林中樹的個數太少,會使結果不具代表性,樹的個數太大又會使模型太過逼近訓練數據的分布,反而喪失了在預測時的準確率。文獻[13]建議,隨機森林分類性能最接近最優時樹的數量為100左右,同時考慮模型的復雜程度與運算時間,我們將樹的個數選擇在了(80,120)之間。

(4)碳減排、碳評估及電碳耦合模式亟需完善。電網在電力系統碳計量和評估的作用未被挖掘，電力系統碳減排技術欠缺，碳市場和電力市場關系不明確，未建立耦合機制[7]。

(5)政策、機制還需健全。新能源電力系統背景下，相關的價格、市場、交易等政策和機制不夠完善。

3 數字化轉型賦能構建新型電力系統

針對新型電力系統面臨的充裕性、穩定性、經濟性、綠色低碳、政策機制五大主要技術挑戰，匹配了新型儲能、電力氣象、綠電制氫及電氫綜合利用、需求響應、“雙高”電力系統仿真分析、電力電子設備主動支撐、靈活直流組網、新一代調控系統、電力市場、CCUS、碳減排/評估及電碳耦合等12項關鍵性數字化技術，其中匹配數字化轉型技術關系圖如4所示。

圖4 數字化轉型匹配技術關系圖

在數字化平臺的推動下，新型電力系統的數字化轉型也成為必然趨勢，通過數字化轉型技術的應用實現了電力系統的智能化和數字化，全面開展數字基礎設施建設及應用，解決電力系統發、輸、變、配、送等五大環節各要素的數字感知問題，讓電力系統實現了可預、可觀、可調、可控。其中數字化轉型關鍵技術的應用包含以下方面：

(1)傳感布局與精準映射。針對電力系統發、輸、變、配、送等五大場景的電氣量、環境量、狀態量、空間量、物理量、行為量等特征參量采用先進的傳感器、控制和軟件應用程序和充分利用云計算、大數據、人工智能、邊緣計算、物聯網、互聯網等技術從局部感知量向全局的確定性精準映射轉變，從單純物理量的分析研判進行轉變，從電力物理系統的機理模型仿真和數據模型的信息物理耦合仿真預測轉變。

(2)5G研究與應用。5G技術應用于新型電力系統中不僅可以提升大電網源網儲互動能力，還能夠提升用戶供需互動能力和傳感信息的采集能力。目前5G研究與應用如：5G+數電力線路在線檢測、5G+配電網保護、5G+精準負荷控制、5G+短路電流計算分析、5G+智慧變電、5G+虛擬測量平臺、5G+柔性負荷等。

(3)衛星數據體系建設應用。衛星數據體系廣泛應用于衛星通訊、電力工程規劃、電網設備的遙感、氣象、設備和用戶故障的定位、衛星體系等。

(4)AI技術研究與應用。模型數據、市場數據、地理數據、量測數據、故障錄波、氣象數據等電網信號業務進行監視發生異常或故障時進行處置方案和輔助決策推送至電網調度知識庫評價后，電網調度運行決策算法模型對異常或故障事件進行事件化生成后自動下達操作任務執行命令。AI技術研究與應用實現了電網操作過程全數字化，業務實時可見、流程實時監控、結果自動反饋，提高了現場作業的標準化水平，縮短了業務處理時長。

(5)全模態仿真協同平臺建設應用。針對集中式新能源場站，提出了基于數據-物理融合的新能源機組精準建模。如：基于數據-物理融合的光伏電站精準建模。針對小容量分布式或新建光伏電站出力預測的問題，提出基于空間相關性的光伏主從預測技術；目前負荷模型仍采用簡單模型或典型參數，仿真結論與實際運行情況存在出入，對電網仿真分析工作帶來了不利影響。基于負荷精細化建模。隨著能源互聯網技術的不斷深化，新型負荷元素接入電網，使得負荷側呈現出電力電子化、隨機性、智能化的新特點。為實現對電力用戶負荷信息的在線量測，研發了負荷智能終端和智能平臺。智能終端采集的數據用于負荷模型的在線修正。智能終端實時采集用戶負荷電氣信息，通過路由器和通訊基站將負荷信息上傳至云平臺，并進行數據處理及可視化展示。同時，智能終端還可接收和執行控制中心下發的負荷開斷及功率調節等控制指令。

4 結束語

綜上所述：基于數字化轉型構建以新能源為主體的新型電力系統，首先以滿足電力設備智能感知與信息采集需求，發展基于高可信、高精度、廣集成、低功耗、微型化的各類智能化設備是配網數字化轉型的基礎；其次以滿足海量數據采集、分析、應用、決策需求，發展符合未來數字化電力業務的應用系統是配網數字化轉型的必由之路和先行之舉，如可信操作系統、云邊協同框架、電網資源業務中臺、PMS等軟件系統；最后結合電力作業流程數字化，提升“站—線—變”關鍵節點的數字化水平，增強配網調控能力和安全性，提升整體運行效率，實現“兩碳”目標。