智能配电网的新形态及其灵活性特征分析与应用-北极星输配电网

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摘要: 广泛接入的分布式电源、快速发展的电动汽车、大规模可控的用户侧资源等对配电网的灵活性提出了更高的要求. 从智能配电网的发展形态分析入手,分析了智能配电网应具备的灵活性特征,阐述了灵活性需求及其多维属性特征,对智能配电网灵活性的可观、可控与量化分析等关键技术进行了初步探讨,并从提高灵活性角度对智能配电网规划、运行、控制等技术发展进行了展望.

关键词: 智能配电网; 发展形态; 不确定性; 灵活性

0 引言

配电网的发展一直以满足用户需求为目标. 在初级发展阶段,配电网主要以满足负荷基本需求、实现用电负荷区域全覆盖为目标,侧重于配电网的一次网架建设,逐步形成了可满足基本负荷需求的粗放型电力供应平台;随着用户负荷对电能质量与供电可靠性需求的不断提升,配电网进入中级精细化发展阶段,以实现全局性的用户高供电可靠性为目标,致力于对已有配电网的自动化和网架结构升级改造,使配电网逐渐发展成为电力供应的优质服务平台.

近年来,随着全球能源供应向着清洁、低碳、电气化方向转型,智能电网蓝图下的新型配电网也承担起愈发重要的责任[1G2] . 受科技进步的推动作用与用户需求的拉动,配电网从当前中级形态向未来高级形态的发展正逐渐加速. 在电源侧,分布式发电、电储能及综合能源等技术的应用促进了配电网能量来源的清洁化和多元化;在电网侧,一次电气网络中的电力电子应用、二次信息网络的全覆盖等因素大幅提升了配电网的可控性和可观性;在负荷侧,智能家居、电动汽车、综合能源等新型负荷终端大量出现,并将在市场环境下形成多利益主体参与的深度博弈,使配电网面临着更加复杂化、互动化的服务需求[3G6] . 在上述因素的共同影响与推动下,配电网迎来新一轮变革,正在向智能配电网的新形态过渡.

本文面向智能配电网的发展需求,针对其多元要素融合带来的复杂特征,提出以灵活性为核心的智能配电网的发展理念,并围绕配电网灵活性问题的技术内涵、挑战与应用进行初步探讨,为复杂运行环境下配电网关键技术问题的解决提供了新的视角和思路.

1 智能配电网的新形态及挑战

智能配电网面临着高比例分布式可再生能源的接入,需要通过信息化与电力电子化的配电网络,满足用户多样化的电力供应需求,并为用户间的点对点能源交易服务提供灵活的供电途径. 智能配电网将从单纯的电力配送者转变为具有多重角色功能的公共平台:①可再生资源消纳的支撑平台;②多源海量信息集成的数据平台;③多利益主体参与的市场交易平台;④ 电气化交通发展的支撑与服务平台;⑤智慧城市建设的能源基础平台等.

受多元要素的集成与融合影响,智能配电网高级形态下的运行特性将有很大不同,分布式能源的间歇性与波动性、电动汽车等新型负荷的时空转移、信息量测和传输的随机误差、市场交易中的人工决策和复杂博弈等使配电网的不确定性显著增强[10] .这些不确定性不仅具有明显的多时空尺度特征,同时在数学上也表现为近似性、随机性、模糊性等多种截然不同的类型[11] ,有些服从数学和统计学规律,有些与经济学、行为学、心理学息息相关,从而导致认知和应对更加困难. 在系统层面,这些不确定性被进一步传导并耦合,最终形成整体配电网的复杂不确定性特征,使高级形态下的配电网从规划建设到运行控制的全过程技术体系都面临着巨大挑战.

复杂不确定性的有效应对需要配电网具备更强的可控性和灵活性[12G13] . 从发展历程来看,配电网的形态演化过程也是可控能力不断提升的过程. 对高级形态配电网来说,其可控性需要达到很高水平,但由于现有配电技术理念和方法的局限性,实现对系统内多源海量可控资源的有效统筹与优化仍十分困难,导致系统的可控性无法充分转化为系统运行的灵活性或适应性. 特别是随着越来越多新型可调度资源的接入,传统面向特定局部场景或设备的优化方法已无法满足复杂不确定性环境下的全局性优化调度需求. 由此,配电网高级形态下的灵活性问题逐渐上升到整体系统层面,并成为智能配电网技术发展中需解决的关键问题之一[14] .

2 智能配电网的灵活性

2.1 灵活性的内涵

近年来,面向多场景的配电网规划和运行成为研究热点,即在考虑多种不确定性因素的基础上,通过灵活控制、优化调度、交易博弈等手段,满足系统在不同时空尺度下的多样化需求[15G18] ,其方法本质便是对配电系统灵活性的提升与运用. 例如:在风、光等分布式资源发生波动时,保证可再生资源被优先完全消纳的能力;在大负荷冲击或用户集群行为异常时,保持系统安全稳定与可靠运行的能力;在故障导致非计划停电时,快速隔离故障并转供负荷的能力;在正常运行时,有效应对各种不确定性扰动并时刻保持优化运行状态的能力等[19G21] . 在此基础上,本文进一步提出具有一般性的配电网灵活性理念,旨在实现配电网不同运行场景下灵活调度能力的通用化表述,并建立涵盖上述各种具体灵活性需求的一致性分析框架. 从本质来看,智能配电网的灵活性反映了配电网充分统筹和利用系统内可调度资源,有效应对运行中的多重不确定性因素扰动,灵活适应各种复杂运行环境并维持高水平运行目标实现的能力.

以提升配电网灵活性为目标,将各种可调度资源纳入统一的分析与优化框架之下,充分发挥配电网高级形态的可控性潜力,为配电网复杂运行问题提供经济、合理、有效的复合式应对手段,成为智能配电网的重要特征,图2给出了一种系统灵活性的框架描述. 目前,面向大电网灵活性的研究已广泛开展[22] ,重点用于解决大规模间歇式能源发电的集中接入与消纳问题,并在灵活性指标体系、分析模型、作用机理等方面取得了一定成果[23G29] . 与大电网相比,智能配电网中的可调度资源更加丰富,资源秉性的差异更加明显;同时电力用户将在发电、用电、储能等多重身份之间灵活转换,使智能配电网灵活性的供需关系更加复杂[30] . 这些特征使智能配电网的灵活性提升手段更加多样化.

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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