多态用能与电网间安全稳定的协调控制框架设计

原文发表在《电力工程技术》2017年第36卷第5期，欢迎品读

本文引文信息

秦晓辉，张彦涛， 葛磊蛟，等. 多态用能与电网间安全稳定的协调控制框架设计[J]. 电力工程技术，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.

多态用能与电网间安全稳定的协调控制框架设计

秦晓辉，张彦涛， 葛磊蛟，等

1. 研究背景

近年来随着智能电网建设的推进，新能源发电、电动汽车、微电网、冷热电三联供、大型电热锅炉、地源热泵等大规模接入电力系统，使电力系统逐步转变为以供电服务为中心，兼顾冷／热／电多种能源的能源互联网系统。尤其是高比例新能源的接入，也使电网的安全稳定运行面临电压、频率等诸多问题。能源互联网集成了水／电／气／热等多种能源的综合利用，多种能源的交换和转化利用，尤其是能源互联网多态用能，这些能源之间的实时互动，以及多态用能与电网间的能源、信息等互联互通，将面临各自不同种类能源运行和控制、不同时间常数、不同尺度的集中控制和稳定控制，是一个超越方程的优化问题，有必要从网－荷互动的角度设计能源互联网多态用能与电网间的安全稳定协调控制框架，满足高渗透率新能源的就地消纳，确保能源互联网的稳态安全运行。

2. 多态用能与电网间的安全稳定控制目标

多态用能与电网间的安全稳定协调控制其实质是为了在电网安全稳定的前提条件下充分利用好强随机性、间歇性的可再生能源发电，整体上可分为系统的正常态和局部故障态两种情况，但依据不同的出发点具有不同的控制目标，也可分为从用户用能角度出发的多态用能安全稳定协调控制目标、从电网安全角度的电网安全稳定控制目标和从整体协调控制角度的多态用能与电网间的安全稳定协调控制目标等三部分，且每一个部分内容均分为正常态和局部故障态两个方面，如图1所示。由于多态用能的核心目标是整体的协调控制，为此重点阐述整体协调控制目标。

图1 多态用能与电网间的安全稳定协调控制目标

正常态是指电力系统处于安全裕度运转状态，多态用能与电网间的安全稳定控制目标主要是为了在保障电网稳定运行的安全裕度条件下，尽可能为用户提供高品质的供电服务，主要控制目标包括整体用能经济性最佳、用户舒适度最好和整体能源损耗最小为主。

（1）整体用能经济性最佳。在能源互联网背景下充分考虑影响用电系统与能源系统互动的因素，根据科学性、全面性和客观性的原则分析系统运行效益，达成整体用能的经济性最佳。

（2）用户舒适度最好。一般而言，用户舒适度是一个与人生活质量相关的主观指标，是气温、气压、相对湿度、风速等4个气象要素对人体感觉影响的综合体现，常用该4项要素构建一个非线性方程，如下式所示。

（3）整体能源损耗最小整体能源损耗最小是指区域范围内所有的用户能源损耗总和最小，是整体用户用能及电网的损耗之和，主要包括电网的能源损耗、用户的能源损耗和用户接入可再生能源后所产生的损耗等三方面，如下式所示。

（4）电网满足N-2安全准则

能源互联网以电能供应为中心，局部故障态时优先保证电网的安全是其首要控制目标，为此要求电网具有N-2安全准则。N-2安全准则是指正常运行方式下系统中任意2个元件（如线路、发电机、变压器等） 无故障或因故障断开后，系统应能保证稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。其主要包含两层含义：保证电网的稳定；保证用户得到符合质量要求的连续供电。

（5）隔离故障点后最大恢复用户用能需求

当局部故障发生后，系统快速、精准切除了区域内分区分片的故障用户用能需求，快速进行故障原因分析，精准确定故障点；在电力供应方面，通过负荷转供、网络重构、动态组网等技术手段，协调调度可再生能源发电出力，尽可能多恢复区域内没有故障的用户供电需求；在能源供应方面，基于供热、供冷等能源供应响应时间周期长的特点，进行冷热电三联供系统的模式切换、冰蓄冷／水蓄冷机组的协调控制，满足用户的热／冷用能需求。

（6）恢复后系统的能源损耗尽可能小系统局部发生故障后，将故障用户精准、快速隔离后，系统恢复稳定运行，此时为确保系统稳定，考虑可再生能源的强随机性、间歇性，一般不进行可再生能源的协调调度管理，因此系统恢复后的损耗主要包括电网侧的网损和用户侧的损耗两方面；系统稳定运行后，以能源损耗尽可能最小为目标。

3. 多态用能与电网间安全稳定的协调控制框架

（1）精准切负荷技术

精准负荷暂态控制是为保证多态用能与电网间的安全稳定运行而进行精准切负荷控制的第一步，综合利用电网的故障信息、运行方式和关键断面潮流等数据，结合故障时负荷的实时状态，通过广域范围内的多个／多组负荷开关快速动作，按一定的控制原则、设定的控制目标和策略快速采取切负荷措施，从而达成系统的稳定。精准负荷暂态控制的关键是正常运行时大规模、广域范围内负荷的精准实时监视与分类排序，以及系统局部故障情况下毫秒级准确决策与海量负荷的准确措施执行。精准负荷的暂态控制在控制时间上要求与现有的集中负荷暂态控制相同，均需在毫秒级的时间内完成对负荷的控制，以满足对电网的暂态稳定、频率稳定的要求。其协调控制的方法主要采用分层分区控制方法，分别由控制主站、子站和执行站来执行组成相应协调指令；其中，控制主站负责系统整体策略的判断和指令下发；控制子站负责本区域的负荷信息汇集与上传，并接收主站命令分配下发至下属执行站；控制执行站负责负荷信息的采集与上送，接收子站命令并执行切负荷控制。

图2 能源互联网多态用能与电网间的安全稳定协调控制框架

（2）精准负荷稳态控制

精准负荷稳态控制是系统进行切负荷动作完成后，为尽可能多消纳可再生能源，并保证系统的稳定运行而进行的优化协调控制，由特高压电网故障感知、电网运行调整优化策略在线生成以及省调、地调和营销的自动协调控制等三方面组成。

（3）多能协调互动技术

多能协调互动技术是以负荷侧与电网侧的PCC接入点交换功率为设定目标，调动用户侧的电动汽车、分布式电源、微电网、电热锅炉、规模化储能和虚拟同步机等，结合不同能源间的不同时间、不同响应时长等特性，达成满足系统稳定的目标，完成可再生能源发电的消纳，主要有以下几个方面的关键技术。在构建的系统模型基础上，充分考虑各类分布式能源、储能和负荷之间的相应速度和响应特性差异，结合各单元设备运行特性数学模型和改进型的运行模型量化分析集成多态用能系统在多个时空尺度上的运行特性和相互作用与影响。通过分析分散和聚合形式下元件运行规律，定量计算能源互联网中能量实时可调裕度和周期可调度范围。

4. 结束语

能源互联网的推广应用，用户侧的冷／热／电等多种能源需求，以及多种能源协调互动和可再生能源的高效利用是一个趋势，但是多态用能与电网间的安全稳定是这些问题的首要和重点核心之一，本文从源-荷互动的角度，构建了一种多态用能与电网间安全稳定的协调控制框架，重点从精准切负荷和多能协调互动技术两方面，提出了多态用能的安全稳定控制技术路线，以期为高渗透率新能源的高效、经济运行提供借鉴。