智能配电网的新形态及其灵活性特征分析与应用

2.2 灵活性的分类

智能配电网的灵活性体现在源—网—荷各个环节,根据物理本质的不同可以将其划分为一次、二次和三次等多个层级.

一次灵活性又可以称为物理层灵活性,反映了智能配电网多时空尺度能量的平衡与控制能力. 其中,电源侧的一次灵活性主要源于微型燃气轮机、燃料电池等稳定可调度的分布式电源,蓄电池、超级电容等储能装置,以及上级电网和综合能源网的支撑调节能力;电网侧的一次灵活性则主要源于分段、联络开关等拓扑控制元件,以及以柔性交流配电系统(flexible AC distribution system, DFACTS) 和SOP为代表的电力电子配电装备等提供的灵活拓扑与精细潮流控制能力[31G34] . 此外,微电网、单元控制区(unitcontrolunit,CELL) 等能够直接接受配电网调度的区域性系统,也能够根据其响应特性,在一定程度上等效为一次灵活性资源[35] .

二次灵活性又可以称为信息层灵活性,反映了智能配电网的全面信息感知与灵活运行调度能力.其中,智能表计、同步相量量测、无线宽带通信等先进量测与通信技术奠定了配电网灵活性的信息基础;高性能计算、大数据发掘、人工智能等先进信息分析手段则赋予了配电网准确感知、判断和预测系统运行态势的能力. 以海量数据为驱动,以分布式智能等先进控制架构为依托, 配电管理系统(distributionmanagementsystem,DMS) 及其框架下的虚拟储能、虚拟电厂等聚合管理技术将实现对配电网资源的有效统筹与调度[36G37] ,使二次侧技术手段成为配电网灵活性的重要组成部分.

三次灵活性又可以称为市场层灵活性,其本质是通过灵活的市场机制来调节电网的供需平衡进而改变用户的发、用电行为[38] . 三次灵活性的来源主要可以分为两个部分:一是对协议用户负荷的直接控制,即在协议允许范围内对用户侧可控负荷进行灵活启停与时序转移;二是通过分时电价、政策优惠等多种激励手段,通过改变用户侧分布式电源的出力特性或负荷的用电模式来支撑电网运行[39G40] . 由于三次灵活性以市场覆盖下的全体用户作为调度资源,因此具有巨大的调节潜力,但在经济性和时效性方面则存在一定差距,并且依赖于对用户行为特征的准确分析和预测. 因此,三次灵活性主要定位于在一次和二次灵活性无法满足系统需求时发挥补充调节的作用.

2.3 灵活性的多维属性

智能配电网灵活性不仅需要全面反映各种不同层面、不同类型、不同特性灵活性资源的控制能力与响应特性,同时需要服务于配电网在不同场景下的调度与优化需求,其多维属性特征集中体现在时间、空间、物理和价值4个方面,如图3所示.

1)时间属性

智能配电网灵活性的时间属性体现为内在和外在两个角度. 其中,内在时间属性反映了灵活性自身的时序动态特征. 配电网中存在大量储能类灵活性资源,既包括蓄电池、超级电容、蓄冷、蓄热等实体储能装置,又包括电动汽车、可控负荷等虚拟储能形式. 储能类资源的调度能力主要通过可调容量和剩余能量体现,而这些参数又将随系统运行状态的发展而处于不断变化之中,并与所采取的调度控制策略密切耦合,使灵活性从独立断面问题发展为时序动态问题.

外在时间属性反映了配电网灵活性的多时间尺度特征. 由于各种灵活性资源的响应速度与调节能力在时间尺度上存在较大差异,如SOP的实时功率控制、超级电容的秒级功率补偿、蓄电池的小时级能量平衡等,使各种灵活性资源仅在特定调度周期下才能够发挥作用. 因此,配电网灵活性的描述在不同时间尺度下将存在显著差异,形成了其多时间尺度特征.

2)空间属性

由于电气网络传输能力的限制,智能配电网灵活性并不等同于各种灵活性资源的简单加和,而是根据空间尺度的不同而受到相应的约束限制. 例如:在个体装置层面,其灵活性由自身调节能力决定;对微电网等小规模区域性系统来说,其网络约束可以适当简化为理想线路的连通性约束,并在此基础上实现区域内灵活性资源的统筹;对配电网层面灵活性来说,网络的连通能力、传输容量等约束条件更加复杂,使灵活性资源的空间分布成为影响系统灵活性水平的重要因素. 因此,对配电网灵活性的描述与分析必须以特定的空间尺度为前提,并采用符合研究对象空间结构特征的分析模型与求解方法.

3)物理属性

灵活性作为全面反映智能配电网灵活调度能力的虚拟物理量,决定了其在根本上无法完全脱离灵活性资源的物理本质. 从来源看,配电网灵活性资源覆盖了电气、信息、控制等多种不同本质的环节类型,其所能提供的灵活调度能力也有着不同的物理特征,使配电网灵活性所需要涵盖的内容在物理维度上大大丰富. 从需求看,即使对单一类型的灵活性资源来说,面向不同的电网调度场景,需要其提供的调节能力也可能涉及可调容量、响应频率、响应速度、爬坡率等多类型性能指标. 为满足电网调度需求,这些物理性能指标均需要直接或间接地在配电网灵活性中得到体现,使其物理属性进一步复杂.

4)价值属性

智能配电网灵活性的提升或利用均需要付出成本代价,并可能体现在建设投资、设备折旧、运行成本、闲置成本、销售损失等不同的角度,从而形成了灵活性的价值属性. 相应地,通过灵活性的调度优化,配电网将具备更强的不确定性应对能力,并通过保证整体系统在实际复杂运行环境下的环保性、可靠性、经济性等多目标可持续实现而获得综合收益.成本和收益的考量构成了配电网灵活性问题的经济约束. 对给定场景来说,收益不及成本的灵活性资源被视为无效资源. 换言之,价值属性是判断灵活性资源是否可获取、可利用的必要条件. 特别需要强调的是,灵活性的成本和收益与配电运营商和用户对系统不同运行指标和目标的重视程度密切相关,并能够根据系统实际运行状态和需求进行灵活调整,使灵活性的价值属性与经济约束带有了一定的动态特征.

对智能配电网来说,其灵活性问题求解的本质就是面向不同需求,协调不同时间、空间、物理和价值属性的灵活性资源与手段,提供符合特定时空尺度、经济上有利用价值、物理上可实现的调控策略,从而实现系统目标. 这也使得对配电网灵活性的多维属性的深入认知与准确评估显得尤为重要.

3 智能配电网的灵活性影响要素

3.1 智能配电网的可观性

可观性是指从全局角度实时、准确掌握系统灵活性水平和需求的能力,是智能配电网灵活性提升技术研究与应用的必要前提. 传统配电网由于量测信息相对匮乏,对系统运行状态的精确掌控极为困难,更无法实现全面的灵活性分析与调度. 而随着信息技术的不断发展,信息网在配电网中的覆盖逐步加深,使配电网的智能量测、信息通信和数据利用能力大大增强,为配电网灵活性观测奠定了技术基础. 其中,配电网同步相量量测技术和以此为基础的智能态势感知技术成为最具代表性的可观性提升手段.

配电网同步相量量测技术以同步相量测量单元(phasormeasurementunit,PMU) 为基础,旨在实现全 系 统 高 精 度 同 步 量 测 和 信 息 集 成[41] . 基 于PMU 的同步相量量测为配电网灵活性观测提供了数据支撑,同时也面临着新的要求,举例如下.

1)量测能力的多元化.

配电网灵活性的多维属性特征使其对量测信息的全面性要求更高,可能需要在电气量之外进一步提供运行环境、装备状态、动态趋势等多维度信息.

2)量测布局的合理化. 配电网灵活性的供需关系和常规电能供应有着本质区别,需要特别考虑灵活性资源和需求的时空分布来对有限的终端资源进行合理布局.

3)信息利用的就地化. 能够由局部终端通过少量通信完成基于就地信息的快速灵活性分析,实时掌握本地灵活性的供需流向,并结合分散控制架构实现灵活性的供需快速平衡.

在同步相量量测的基础上,配电网的智能态势感知旨在完成特定时空下对配电网运行状态的获取、分析、理解和预测[42] ,而灵活性的观测又进一步扩展了对态势感知技术的需求. 在数据方面,智能态势感知需要实现PMU、数据采集与监 控(SCADA)、运维信息、营销信息等多源异构数据的有效集成与发掘,从而能够全面感知深入至用户侧的多类型灵活性资源状态与调度潜力;在模型方面,智能态势感知需要针对不同运行场景下的具体灵活性特征,建立覆盖时间、空间、物理、价值等多维属性的全面灵活性感知指标体系;在性能方面,智能态势感知需要具备更强的不确定性感知能力,实时掌握各种不确定性因素的变化趋势,并准确判断其灵活性需求特征.

此外,近年来快速发展的物联网、云平台、虚拟现实等前沿信息科技在配电网灵活性观测技术中同样表现出了巨大的应用潜力,未来有望在配电网灵活性供需深度评估、点对点市场交易,以及动态可视化展示等领域发挥重要作用.