原文發表在《電力工程技術》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. 多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架設計[J]. 電力工程技術，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.

多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架設計

秦曉輝，張彥濤， 葛磊蛟，等

1. 研究背景

近年來隨著智能電網建設的推進，新能源發電、電動汽車、微電網、冷熱電三聯供、大型電熱鍋爐、地源熱泵等大規模接入電力系統，使電力系統逐步轉變為以供電服務為中心，兼顧冷／熱／電多種能源的能源互聯網系統。尤其是高比例新能源的接入，也使電網的安全穩定運行面臨電壓、頻率等諸多問題。能源互聯網集成了水／電／氣／熱等多種能源的綜合利用，多種能源的交換和轉化利用，尤其是能源互聯網多態用能，這些能源之間的實時互動，以及多態用能與電網間的能源、信息等互聯互通，將面臨各自不同種類能源運行和控制、不同時間常數、不同尺度的集中控制和穩定控制，是一個超越方程的優化問題，有必要從網－荷互動的角度設計能源互聯網多態用能與電網間的安全穩定協調控制框架，滿足高滲透率新能源的就地消納，確保能源互聯網的穩態安全運行。

2. 多態用能與電網間的安全穩定控制目標

多態用能與電網間的安全穩定協調控制其實質是為了在電網安全穩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電，整體上可分為系統的正常態和局部故障態兩種情況，但依據不同的出發點具有不同的控制目標，也可分為從用戶用能角度出發的多態用能安全穩定協調控制目標、從電網安全角度的電網安全穩定控制目標和從整體協調控制角度的多態用能與電網間的安全穩定協調控制目標等三部分，且每一個部分內容均分為正常態和局部故障態兩個方面，如圖1所示。由于多態用能的核心目標是整體的協調控制，為此重點闡述整體協調控制目標。

圖1 多態用能與電網間的安全穩定協調控制目標

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

（1）整體用能經濟性最佳。在能源互聯網背景下充分考慮影響用電系統與能源系統互動的因素，根據科學性、全面性和客觀性的原則分析系統運行效益，達成整體用能的經濟性最佳。

（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量相關的主觀指標，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，常用該4項要素構建一個非線性方程，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域范圍內所有的用戶能源損耗總和最小，是整體用戶用能及電網的損耗之和，主要包括電網的能源損耗、用戶的能源損耗和用戶接入可再生能源后所產生的損耗等三方面，如下式所示。

（4）電網滿足N-2安全準則

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

（5）隔離故障點后最大恢復用戶用能需求

當局部故障發生后，系統快速、精準切除了區域內分區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；在電力供應方面，通過負荷轉供、網絡重構、動態組網等技術手段，協調調度可再生能源發電出力，盡可能多恢復區域內沒有故障的用戶供電需求；在能源供應方面，基于供熱、供冷等能源供應響應時間周期長的特點，進行冷熱電三聯供系統的模式切換、冰蓄冷／水蓄冷機組的協調控制，滿足用戶的熱／冷用能需求。

（6）恢復后系統的能源損耗盡可能小系統局部發生故障后，將故障用戶精準、快速隔離后，系統恢復穩定運行，此時為確保系統穩定，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調調度管理，因此系統恢復后的損耗主要包括電網側的網損和用戶側的損耗兩方面；系統穩定運行后，以能源損耗盡可能最小為目標。

3. 多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架

（1）精準切負荷技術

精準負荷暫態控制是為保證多態用能與電網間的安全穩定運行而進行精準切負荷控制的第一步，綜合利用電網的故障信息、運行方式和關鍵斷面潮流等數據，結合故障時負荷的實時狀態，通過廣域范圍內的多個／多組負荷開關快速動作，按一定的控制原則、設定的控制目標和策略快速采取切負荷措施，從而達成系統的穩定。精準負荷暫態控制的關鍵是正常運行時大規模、廣域范圍內負荷的精準實時監視與分類排序，以及系統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行。精準負荷的暫態控制在控制時間上要求與現有的集中負荷暫態控制相同，均需在毫秒級的時間內完成對負荷的控制，以滿足對電網的暫態穩定、頻率穩定的要求。其協調控制的方法主要采用分層分區控制方法，分別由控制主站、子站和執行站來執行組成相應協調指令；其中，控制主站負責系統整體策略的判斷和指令下發；控制子站負責本區域的負荷信息匯集與上傳，并接收主站命令分配下發至下屬執行站；控制執行站負責負荷信息的采集與上送，接收子站命令并執行切負荷控制。

圖2 能源互聯網多態用能與電網間的安全穩定協調控制框架

（2）精準負荷穩態控制

精準負荷穩態控制是系統進行切負荷動作完成后，為盡可能多消納可再生能源，并保證系統的穩定運行而進行的優化協調控制，由特高壓電網故障感知、電網運行調整優化策略在線生成以及省調、地調和營銷的自動協調控制等三方面組成。

（3）多能協調互動技術

多能協調互動技術是以負荷側與電網側的PCC接入點交換功率為設定目標，調動用戶側的電動汽車、分布式電源、微電網、電熱鍋爐、規模化儲能和虛擬同步機等，結合不同能源間的不同時間、不同響應時長等特性，達成滿足系統穩定的目標，完成可再生能源發電的消納，主要有以下幾個方面的關鍵技術。在構建的系統模型基礎上，充分考慮各類分布式能源、儲能和負荷之間的相應速度和響應特性差異，結合各單元設備運行特性數學模型和改進型的運行模型量化分析集成多態用能系統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律，定量計算能源互聯網中能量實時可調裕度和周期可調度范圍。

4. 結束語

能源互聯網的推廣應用，用戶側的冷／熱／電等多種能源需求，以及多種能源協調互動和可再生能源的高效利用是一個趨勢，但是多態用能與電網間的安全穩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，構建了一種多態用能與電網間安全穩定的協調控制框架，重點從精準切負荷和多能協調互動技術兩方面，提出了多態用能的安全穩定控制技術路線，以期為高滲透率新能源的高效、經濟運行提供借鑒。