當大規(guī)模的間歇式可再生能源發(fā)電并入電網(wǎng)、越來越普及的電動汽車隨機接入電網(wǎng)，如何才能保障智能電網(wǎng)安全可靠地運行？“源、網(wǎng)、荷”協(xié)同的智能電網(wǎng)能量管理和運行控制至關(guān)重要，采用“分布自治-集中協(xié)調(diào)”的架構(gòu)和決策機制，通過能量管理系統(tǒng)家族實現(xiàn)分散自律控制，通過控制中心能量管理實現(xiàn)源網(wǎng)荷的協(xié)同。

電力是如今人類不可或缺的一種基礎保障。以中國為例，電力消費在一次能源消費中的比重超過40%，電力和電力系統(tǒng)的重要性正越來越突出。由于目前“電能的大規(guī)模存儲“仍是世界性難題，要保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，就必須保持發(fā)電和負荷在任何位置、任何時刻均處于平衡狀態(tài)，這對電網(wǎng)運行的能量管理和運行控制提出了極大的挑戰(zhàn)。

一個挑戰(zhàn)，三大難題

在發(fā)電側(cè)，常規(guī)電力系統(tǒng)可以存儲發(fā)電原料，例如水站，有水庫來儲存具有勢能的水，火電廠的燃料也可以存儲，因此發(fā)電側(cè)的輸出功率在一定程度上是可以調(diào)整的。但是，為了應對全球氣候變化，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正在從主要以燃燒化石能源發(fā)電向可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)型，這使情況發(fā)生了變化。目前可再生能源發(fā)電最主要的形式是風能和太陽能光伏發(fā)電，而這兩種能源本身都無法儲存的。另外受自然天氣因素影響，風能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有很強的波動性、間歇性、不確定性，且很難預測。與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，可再生能源發(fā)電的可控性很差，對其發(fā)電出力的大規(guī)模調(diào)整幾乎是不可能實現(xiàn)的。若要使可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電共同入網(wǎng)，就需要調(diào)整其他能源發(fā)電出力來維持發(fā)電和負荷的實時平衡，這對其他能源的調(diào)度提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

在負荷側(cè)，能源清潔化還帶來了另外一個新的變革，即電動汽車的發(fā)展。隨著電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，可以預見，將有大量電動汽車涌入大大小小的城市，而這些電動汽車又引入了新的不確定性，即什么時候充電，在哪里充電?另一方面，電動汽車的蓄電池作為儲能設備，在必要的時候，也可以被電網(wǎng)利用，在高峰負荷時放電，在低谷負荷時充電，削峰填谷，平抑峰谷差。對傳統(tǒng)負荷來說，也可以通過價格杠桿激勵來引導錯峰用電，使負荷參與到發(fā)電和負荷的功率平衡中。

在電網(wǎng)側(cè)，發(fā)電和負荷之間的電力傳輸和功率平衡是通過電網(wǎng)來實現(xiàn)的，這需要堅強的電網(wǎng)作為支撐。我國風光電資源主要集中在北部和西北部，這些地區(qū)當?shù)氐呢摵珊苄。瑢嶋H上，我國的負荷中心主要集中在東部。將電力從中國北部和西北部輸送到東部要跨越遙遠的距離，需要通過特高壓遠距離輸電來解決，這對電網(wǎng)基礎設施和電網(wǎng)運行調(diào)控提出了挑戰(zhàn)。電網(wǎng)是否足夠堅強、是否具備足夠的彈性?在電源波動性、間歇性、不確定性很強的情況下，是否能保證發(fā)電和負荷之間功率的時時處處平衡?我們必須給出答案。

可以看到，電能不能大規(guī)模存儲這一挑戰(zhàn)實際上向我們提出了“源、網(wǎng)、荷”三個方面的問題：如何消納大規(guī)模間歇式可再生能源發(fā)電?如何支撐未來電動汽車的廣泛隨機接入?如何保障智能電網(wǎng)運行的安全可靠性?這些問題對智能電網(wǎng)能量的管理和運行控制至關(guān)重要。

三管齊下，協(xié)同攻克

面對上述問題，智能電網(wǎng)技術(shù)是一種有效的解決方法。為了使電力系統(tǒng)更加靈活、可靠、高效地運行，目前世界上的大部分國家都在著手利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造電力基礎設施，發(fā)展智能電網(wǎng)已成為世界各國能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措之一。而要通過智能電網(wǎng)技術(shù)解決上述難題，就要針對“源、網(wǎng)、荷”三方面的特性三管齊下，這正是國家973計劃項目“源網(wǎng)荷協(xié)同的智能電網(wǎng)能量管理和運行控制基礎研究”的研究思路和目標。

電網(wǎng)的規(guī)模是巨大的。大量的發(fā)電和負荷元件通過電網(wǎng)在空間上聯(lián)成了一個整體。我們發(fā)現(xiàn)，不同的發(fā)電和負荷元件，其動態(tài)表現(xiàn)差異極大。例如，在運行過程中，轉(zhuǎn)動的發(fā)電機具有很大的機械慣性，而光伏發(fā)電通過電力電子裝置接入電網(wǎng)，慣性很小。不同的電源對控制的響應很不相同，既有機電過程，又有電磁過程。在物理上，電以光速傳播，轉(zhuǎn)瞬即達，在這種情況下，既要保證發(fā)電負荷的即時平衡，又要追求可再生能源發(fā)電的最大化利用，還要盡可能降低常規(guī)發(fā)電的運行成本，難度極大。如果采取局部就地控制的方法，的確可以滿足對快速性的要求，卻無法顧及全局性能；如果采取全局集中控制的方法，則容易顧及全局不同發(fā)電負荷之間的協(xié)調(diào)，而無法滿足快速控制要求。認識到這一點后，我們采用將“分與合”合二為一的方法來解決，也就是“分布自治-集中協(xié)調(diào)”的調(diào)度控制方法，兼顧控制快速性和全局最優(yōu)性。

分布自治，集中協(xié)調(diào)

何為分布自治?實際上就是分散的自治控制。在一個典型的風（光）電場中，通常有眾多的風機（或光伏陣列），其有功出力和無功出力在一定程度上是可控的，同時配置有一定容量的可控無功補償設備，有時還配有充放電可控的儲能設備，這些設備可通過風（光）電場內(nèi)的自治能量管理系統(tǒng)（EMS）實現(xiàn)自律控制。通過自律控制，可有效降低風（光）電出力波動對電網(wǎng)的負面影響，提高風（光）電場并網(wǎng)的可控性和友好性，為全電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)控和可再生能源的最大化消納夯實基礎，也就是分布自治。

以華北風電場為例：通過分布自治，風電場在電網(wǎng)接入點的電壓波動下降到原來的1/3，大風下電壓水平提高5千伏，顯著降低了風電場脫網(wǎng)風險。因此分布自治可以實現(xiàn)快速決策和快速制，實現(xiàn)源-荷的自律，實現(xiàn)控制對象對電網(wǎng)的友好。

何為集中協(xié)調(diào)?實際上就是通過集中協(xié)調(diào)的全局優(yōu)化，實源—網(wǎng)—荷的協(xié)同，獲取全局效益，即實現(xiàn)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化。

在電力系統(tǒng)中，不同的電源有不同的特點。火電機組可以停，可以調(diào)整它們的輸出功率，但是要付出較大的代價；水電機組最容易調(diào)控，但是水庫中具有勢能的水是有限的，需要在最合適的時候使用；風能和光能屬于自然力，人類無法左右，只能預測其變化規(guī)律，然后根據(jù)預測結(jié)果調(diào)控火電、水電等常規(guī)電源的出力，來適應風光電的變化，進而在保證發(fā)電負荷時時平衡的前提下，使得整個電力系統(tǒng)的運行效益達到最優(yōu)。如果再將負荷側(cè)的調(diào)控手段考慮進來，例如電動汽車的充放電和常規(guī)負荷的錯峰，那么我們需要解決的就是一個考慮時間和空間的全局協(xié)調(diào)優(yōu)化問題。

關(guān)鍵的EMS系統(tǒng)

我們從能量和信息的共性視角來考慮“源、網(wǎng)、荷”三者協(xié)同運行這一目標。智能電網(wǎng)中存在兩個流。第一個流是在源、網(wǎng)、荷之間雙向流動的能量流。“源”包括常規(guī)能源和可再生能源等，“網(wǎng)”包括輸網(wǎng)、配網(wǎng)和微網(wǎng)等，“荷”包括傳統(tǒng)負荷和主動負荷（含電動汽車）；在源、網(wǎng)、荷中還可能配置有各類儲能。在任何時刻、任何位置，能量流都必須保持平衡。第二個流則是雙向信息流。智能電網(wǎng)控制中心的EMS作為智能電網(wǎng)“智慧”的核心，統(tǒng)領著信息流，調(diào)控著能量流，保障著智能電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)和環(huán)保運行。由此可見，于“源、網(wǎng)、荷”三者協(xié)同運行這一目標，滿足“分布自治-集中協(xié)調(diào)”要求的EMS系統(tǒng)是關(guān)鍵。

但值得注意的是，智能電網(wǎng)EMS和常規(guī)EMS有很大的不同。由于智能電網(wǎng)規(guī)模巨大，組成元件眾多，傳統(tǒng)的集中控制已不可能達到目的。為此，我們提出了智能電網(wǎng)EMS家族概念，由EMS家族成員完成分散的自律控制，由控制中心EMS實現(xiàn)全局協(xié)調(diào)控制。

EMS 家族囊括了眾多分布在源、網(wǎng)、荷3 個環(huán)節(jié)各部分的EMS 成員。EMS 家族各成員負責各自所管轄部分的能量流的自律控，以保證調(diào)控的敏捷性和可靠性。家族各成員通過通信網(wǎng)絡互連互動，形成面向“源、網(wǎng)、荷”協(xié)同的EMS 家族網(wǎng)絡，支撐整個智能電網(wǎng)的高效安全運行。在“源”側(cè)，為了實現(xiàn)大規(guī)模風電場和光伏電站的自律調(diào)控，分別有風電場EMS（W-EMS）和光伏電站EMS（P-EMS）。在“網(wǎng)”側(cè)，為了實現(xiàn)輸電網(wǎng)、變電站、配電網(wǎng)和微網(wǎng)等的自律調(diào)控，分別有輸電EMS（T-EMS）、變電站EMS（S-EMS）、配電EMS（D-EMS）和微網(wǎng)EMS（u-EMS）。在“荷”側(cè)，為了實現(xiàn)電動車集群、樓宇、家庭等的自律調(diào)控，分別有電動車集群EMS（V-EMS）、樓宇EMS（B-EMS）和家庭EMS（H-EMS）。

EMS 家族成員通常具有共性的功能結(jié)構(gòu)，主要包括建模(modelling)、感知（awareness）、調(diào)度計劃（dispatch scheduling）、安全評估（security assessment）、協(xié)調(diào)控制（coordinated control）、與其他成員互動（interaction）等應用組。由于所管轄對象的運行需求和特性不同（例如風電和光電就很不相同），EMS 家族成員也具有鮮明的性。

我們的研究團隊重點解決了以下兩方面的技術(shù)難題：EMS 家族成員內(nèi)部的自律調(diào)控，即同一EMS 家族的成員要對自己的控制對象實施自治控制；EMS 家族成員之間的協(xié)同調(diào)控，即在不同EMS 家族成員之間，需要通過協(xié)調(diào)互動達到協(xié)同的目標，支撐全局電網(wǎng)的安全高效運行。由于家族成員的特點不同、功多，這種協(xié)調(diào)具有顯著的多樣性。例如，在家族成員之間，有源—網(wǎng)、輸—配、站—中心、配—微、配—荷、微—荷、源—網(wǎng)—荷等協(xié)調(diào)。

目前，研究團隊初步實現(xiàn)了支撐大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的自律協(xié)同EMS，用于自律協(xié)同控制的風/ 光電站分布式EMS已在全國349 個大型風電場/ 光伏電站得到應用，用于協(xié)同的輸電EMS已在6 個千萬千瓦級風光基地得到應用。截至2015 年底，已經(jīng)接入自律協(xié)同控制網(wǎng)絡的風/ 光電總裝機容量為0.487 億千瓦， 占全國集中并網(wǎng)風/ 光電總裝機（1.33 億千瓦）的37%。以冀北風電基地為例，僅僅通過EMS 的信息介入和控制，其電場電壓波動便平均下降至30%，匯集區(qū)域先后發(fā)生110 千伏以上故障11 次，均未誘發(fā)連鎖脫網(wǎng)，張北風電匯集區(qū)域外送能力由投運前的780 兆瓦提升至1000 兆瓦，顯著提高了可再生能源的并網(wǎng)能力。

在負荷調(diào)度方面，事實證明，我們研發(fā)的EMS 能夠解決棄風棄光嚴重的題。以棄風棄光率較高的甘肅為例，受經(jīng)濟下行響，甘肅以高載能企業(yè)為主的重工業(yè)用電量持續(xù)下降，新能源消納問題愈加突出。針對支撐大規(guī)模可再生能源消納的甘肅負荷調(diào)度，研究團隊經(jīng)過為期一年的現(xiàn)場試驗驗證，證明高載能負荷具有小時級調(diào)節(jié)能力。在甘肅新能源基地附近，有電解鋁負荷約140 萬千瓦，可調(diào)容量約5% ～ 10%；碳化硅、鐵合金等按爐冶煉負荷約300 萬千瓦，可調(diào)容量約10% ～ 20%。此外，部分高載能企業(yè)建有自備電廠，總?cè)萘考s330 萬千瓦。當風、光電大發(fā)而導致棄電時，這些負荷可以通過小時級功率調(diào)節(jié)，并通過自備電廠提供短時調(diào)峰服務，實現(xiàn)企業(yè)用電負荷與可再生能源功率相配，實現(xiàn)源- 荷協(xié)同的電力平衡。據(jù)初步測算，對2015 年的甘肅網(wǎng)，高載能負荷與可再生能源協(xié)同調(diào)度可提高近8億千瓦時的棄風棄光電量消納。同時，還可以將棄風棄光電量以較低電價銷售給高載能行業(yè)，顯著提高高載能用電企業(yè)的盈利能力和用量。

可以看到，面對電力提出的棘手挑戰(zhàn)，“源網(wǎng)荷”三管齊下、通過EMS 家族內(nèi)和家族間的協(xié)同管控來支撐電網(wǎng)的高效運行，這是一種行之有效的方式，也是對全球電力挑戰(zhàn)的一次有力回擊。