C5_支撑供需互动的智能配电网_王成山

3）全面的市场服务能力
未来配电网将为用户提供双向定制能源服务，形成面向用户个体的点对点 （P2P）能源交易通道，通过充分市场竞争与博弈完成多利益主体的供需互动
源--网--荷--户内网
能量形式 定向转化
信息网络 深层覆盖
全员参与 充分竞争
冷--热--气--水--电 用户决策的自主趋优
充分竞争的市场机制 MG-CELL-VPP-ESS
电力配送层
(中压配电)
电力配送层
(低压配电)
用户层
未来配电系统构成及架构
能源
高度融合的物理信息系统(CPS)
信息
电力配送层
(高压配电)
电力配送层
(中压配电)
信息网
电力配送层
(低压配电)
用户层
未来配电网的多重角色
配电网的供需平衡挑战
当前配电理念更侧重电网建设而忽视源荷特性影响，源-网-荷之间尚未形 成有效的灵活互动机制，使配电网供需平衡与运行优化问题难度增大。
配电网构成要素的多元化
分布式发电技术
风机、光伏、微型燃气轮机、 潮汐发电、小水电…
储能技术
蓄电池、超级电容、飞轮储 能、储热、冰蓄冷…
综合能源技术
冷热电联产、余热发电、燃 料电池…
三次交易网络
分时电价、峰谷电价、多方 互动、综合能源交易…
二次信息网络
高级量测、高级信息通信、 高性能计算、大数据分析…
智能终端
分布式 控制器
高速 通讯
…
大数据 人机交互 采集存储 可视化界面
高性能分析计算
核心问题是信息更有 效采集、发掘与利用
配电系统智能量测 精确性
终端解决方案：
实时性
同步向量测量单元
PMU
同步性
丰富性
以PMU为例，其作为底层的基础量测 装置，是配电网信息化的重要环节
灵活的终端接入和组网模式 丰富的量测内容和数据源共享 广域数据的实时同步量测和传递
技术举例：源-荷互动运行优化
储能型负荷集群需求响应控制策略 基于新型离散积分模型的V2G集群建模 电动汽车实时需求响应 基于拓展能量状态优先队列模型的e2x储能控制 促进可再生能源消纳
电 动 汽 车
电 解 装 置
储能型负荷建模技术
集群控制
实际响应值
规模化整合
跟踪目标值
需求响应目标跟踪效果
分布式能源间歇性 负荷需求不确定性 系统故障的随机性
能量平衡能力 市场博弈能力 状态感知能力 信息预测能力 快速响应能力 即插即用能力 资产优化能力
互动的基础 — 灵活的配电网络
灵活的配电网络为实现有效的供需互动提供了必要途径和技术支撑。配电网 的灵活性广泛源于一次装备、调度控制和市场交易等各个层面的不同环节
3
供需互动典型技术举例
配电网供需互动问题的构成
配网通过对能源供应进行统筹优化，为用户负荷提供定制电力或能源服务； 用户则通过需求侧响应支撑电网运行，形成双向供需互动。其实现依赖于：
电源的灵活调度能力 电网的感知与控制能力 负荷的需求响应能力
供应侧（源）
电能质量
能源 供电可靠性
能源
以用户负荷的地理 全覆盖供电为目标
以可靠、高效、优质 的供电服务为目标
以绿色、智能、可定 制的供电服务为目标
传统配电网（初级形态） 基础服务平台
现代配电网（中级形态） 优质服务平台
未来配电网（高级形态） 智能服务平台
用户需求变化引导了配电系统的形态发展
配电网的形态变化
配电网形态变化的目的是以更强的可控性，协调更丰富的资源，满足更复 杂的用户需求。
能量市场复杂化
多利益主体并存、多方博弈、 点对点能源交易…
运行目标多元化
多能互补、优质高效、安全 可靠、用户灵活互动…
控制对象广泛化
电力电子化设备、调压变压 器、补偿装置、DFACTS…
市场 层面
领域级别 长期调控
基于价值手段实现的引导与优化
调度 层面
系统级别 中期调度
根据全局信息进行优化分析决策
装备 层面
支撑供需互动的智能配电网
王成山
天津大学 电气自动化与信息工程学院 9/14/2017
报告提纲
1
智能配电网的发展背景
2 智能配电网供需互动问题
3
供需互动典型技术举例
配电网的形态变化
配电网是近年电力系统中发展较快、变化较大的环节，从传统放射型转变 为多端互联网络，并进一步向多层、多环、多态复杂网络方向发展。
04 统一可靠的标准制定
将配网运营商作为主要咨 询对象，在国家层面优先 制定数据和ICT相关标准， 提出明确的时间表形成对 相关产业数字化的支持。
01 高效透明的数据平台
由配电网运行公司作为监 管的中立方，对用户数据 进行收集、存储，建立并 维护智能电表数据交互平 台和协议。
报告提纲
1
智能配电网的发展背景
对外联络线 功率控制
外部电网
微网内部 能量管理
分布式电源 可调容量
储能装置 可调容量
可控负荷 调节容量
供应调度
量化匹配
风、光波动 负荷波动 故障孤岛
损耗
需求波动
供应侧互动资源 — 综合能源系统
电网与综合能源网的耦合使电力的供需互动问题扩展为多种能源网络之 间、多类型能源供应与用户综合用能需求之间的复杂互动问题，如：
03 时间驱动型设备
以洗衣机、洗碗机、烘 干机等负荷为代表，具 有明显的阶梯式特征， 具备时序优化潜力
需求侧互动资源 — 电动汽车
以电动汽车为代表的储能型负荷 具有充、放电等不同运行状态， 使其能够作为虚拟储能资源响应 电网调度，参与电网的运行优化
EV特征
• 电动汽车每公里能耗 • 用户出行时间规律 • 电动汽车日行驶里程 • 用户出行需求分析 • 空间分布与转移…
迫使配网建设标准提高而造成浪费 配网建设运行缺乏预见性与主动性
无法有效应对源荷不确定性扰动 影响了经济高效等运行目标实现
负荷集中开启+风电不及预期
灵活性不足导致 的异常电价波动
澳大利亚配网案例
被迫的电价调整意味着运行控制手段的失效
报告提纲
1
智能配电网的发展背景
2 智能配电网供需互动问题
连续/离散、确定性/不确定性、 模糊性、时变性、博弈性…
无向图\有向图\权重图、流体\ 热力\电磁动态…
集中式/分布式/混合式、物联网、 云计算、分布式智能…
SOP、OLTC、 TS、DFACTS、 电力电子...
受装置自身性 能条件约束
快速就地控制 灵活潮流流向 优先维持本地
灵活性平衡
区域级别 快速调节
通过分布式智能控制就地实现
新的分析需求—量化灵活性
灵活性是配电网互动能力的基础和本质，而量化灵活性则为供需互动能力的 准确描述与分析提供了手段。对互动问题来说，各种源、荷节点的灵活性通 过网络传输实现平衡。
系统特定需求和能力的 量化评价指标
能量在网络中流动、转 移和消耗
量化灵活性指标的应用
不同类型能源的接入与协调控制 综合能源系统的源网荷互动与优化
需求侧互动资源 — 灵活负荷
02 温控型负荷
包括热泵、热水器、空调等设 备，以制冷/制热为控制目标， 具有一定的时滞和热传导特性
01
智能家居
以家庭用户为单位，通过智能家居 能量管理系统，实现对内部资源的 有效优化和与外部电网互动与支撑
多元要素的融合带来的挑战
供需两侧的多元要素将带来大量的间歇性、随机性、模糊性等特征，使配 网不确定性显著增强。供需互动作为应对未来配电网种种问题的重要手段， 对配电网的装备结构、规划运行、市场建设等方面提出了更高的要求。
多方参与市场博弈 用户行为不确定性 人工决策不确定性
测量和通信不确定 数据采集精度差异 预测信息的不准确
U / p.u.
含多种调节手段的IEEE33节点
1.06 1.03
1
0.97
0.94
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
t/h
优化后-Umax
优化后-Umin
优化前-Umax
优化前-Umin
电压无功控制效果
பைடு நூலகம்
技术举例：多主体互动的辅助服务
用户节点 灵活交互
网络潮流 实时可控
提升能效 缓解阻塞
SOP--DFACTS--AC/DC
对规划问题提出的挑战
未来配电负荷的不确定性特征使传统配网规划方法效果下降，而供需互动作 为引导和优化负荷行为的重要手段，使规划问题的复杂性进一步增强。
未来配网负荷的新特征
• 增长与行为不确定性
• 定制化的用电需求
技术举例：源-荷互动运行优化
SoC/kWh
电动汽车有序充电的分布式控制方法 通过快充站中配置储能后电动汽车与储能的协调运行，有效引导电动 汽车等大规模可移动负荷进行削峰填谷，并降低随机充电负荷的冲击
B2B SOP 柔性馈线 柔性配网
无级差调节 快速动作
实时响应
无动作 次数限制
P/Q连续控制 直流解耦
限制短 路电流
电力电子装置 初始投资较高
2）深入的信息感知能力
基于ICT的信息化、数字化配电系 统是提升灵活性水平的另一关键
全面信息采集和分析有助于配电网 运行状态认知和不确定性削减
快速量测与通讯手段使配电网运行 控制准确性与时效性显著提升
基于多主体参与互动的系统辅助服务优化 未来配电网中的消费者将成为产消者，并作为主体参与电力市场竞争博 弈，为配电网提供调压等辅助服务
配电运营商DSO通过对配网装置的集中调 度消除电压越界、保障电压水平；并激励 配电系统内独立运营商提供辅助服务
多参与主体通过多 次博弈竞价与自身 策略更新迭代，最 终各策略将收敛到 博弈模型均衡点
大数据驱动配电网的关键措施
02 安全共享的数据利用
配电网需保护用户的数据 安全，尊重用户隐私，及 时制订网络信息安全和数 据保护的监管政策，对数 据进行筛选和匿名化。
03 快速灵活的信息通信
建立有效的电子通讯网络 或购置通讯服务，对于无 线通信方案，应尽可能为 任务关键型、网络安全型 的应用分配独占通信频带。
2 智能配电网供需互动问题
3
供需互动典型技术举例
技术举例：多手段互动的电压控制
供需多手段互动协调，实现配电网电压优化控制 通过各类设备在多时间尺度上的协调配合，有效应对源-荷不确定变化 引起的电压波动，显著提高电网的稳定运行水平与能量传输能力。
2017年国家重点研发计划列入“智能配电柔性多状态开关技 术、装备及示范应用”，并将在天津北辰高新区开展基于四 端SOP的柔性互联工程示范
• 峰谷差异显著
传
•…
未
统 源网与负
源网荷 来
配
荷的被动 匹配
网
•…
多维集成 配 规划 网
• 优化负荷曲线
• 调整用户用电行为
• 引导负荷的发展趋势
基于供需互动的负荷优化
与运行耦合的 多场景、多目标
配网优化规划
对运行问题提出的挑战
供需互动将在不同层次对配网运行施加影响，包括一次设备层面的定制化电 力传输控制、运行调度层面的系统级能量平衡与优化、市场交易层面的多方 互动与阻塞管理等，这些影响使配电网的运行问题进一步复杂。
一次灵活性 灵活装备
ADA、DMS、 需求管理、市
PMU、ICT...
场投资引导…
网络传输交换 能力多重约束
市场缓解灵活 性传导阻塞
集中式与分布 式运行优化
灵活资源优化
三次灵活性 灵活交易
二次灵活性
系统级
灵活调度
局部级
长期调控
单元级
中期调度
快速调节
1）灵活的传输控制能力
SOP是装设于传统联络开关位置的电力电子装置，能够形成常态化软连接， 改变传统闭环设计、开环运行的供电方式，是构成灵活配电网络的重要手段
供应
定价机制 …
供应
电网感知与控制
可调度容量
辅助 响应速度
运行
时空分布 …
辅助 运行
需求侧响应
需求侧（荷）
供应侧互动资源 — 微电网
作为融合了分布式能源与负荷的小型自治电力系统，微电网： 能够通过内部优化确保分布式电源和负荷时刻处于优化平衡状态 能够整体作为可调度资源参与配电系统的运行、交易与互动
不可控系统 升级改造 部分可控系统 当前阶段 全面可控系统
传统配电网
现代配电网
未来智能配电网
源 大电网 单电源
大电网 多电源
分布式电源主导
网 辐射状 单一拓扑 闭环结构开环运行
交直流混合柔性网络
荷 常规交流负荷
交流/变频/整流负荷 柔性负荷差异化需求
贸 单方市场 固定电价 单方市场 灵活电价
定制电力 多方博弈
一次传输网络
柔性配电、配电软开关、固 态变压器、有源滤波器…
电动汽车负荷
电动汽车、充电桩、换电站、 流动性、充放电多角色…
可调度电负荷
智能楼宇、智能家居、电热 锅炉、中央空调、热水器…
多样化的负荷
交流负荷、直流负荷、冷负 荷、热负荷、…
配电系统中的新元素融合
未来配电系统构成及架构
电力配送层
(高压配电)
量化灵活性具体反映了系统应对不确定性变化、满足负荷多样化需求、时刻 保持高水平运行的能力，是分析不确定性环境下供需互动问题的有效手段。
大数据驱动的配电系统
将获取的配电网海量数据与其运行、规划、管理、交易等不同环节的已知 信息相结合，从可获取的供需数据中发掘出更多的有价值信息，从而推动 配电网建设运行水平的提升。