电力系统运行与控制 【中信期货】晨报精粹：今年10月

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背景和挑战 #

(一)新型电力系统的时代背景1.新型电力系统是国家能源安全的坚实保障我国一次能源自给率稳定在80%左右，能效不断提升，但与现代化建设要求和世界先进水平相比仍存在一些问题：一是能源结构不合理。化石能源占比过高，今年煤炭消费占比仍达56.7%，石油、天然气分别为19.1%和8.5%，非化石能源为15.7%。二是石油、天然气自给能力不强。我国是油气进口第一大国，今年对外依存度分别攀升到73%和43%。三是能源资源与消费市场逆向分布。煤炭、油气、水电等主要分布在华北、西北、西南，而能源消费主要集中在东南、华南，制约了能效提升。因此，为切实保障我国能源安全，支撑双碳目标按计划实现，需要构建以新能源为主体的新型电力系统，新型电力系统应包括以下特征：供给侧以可再生能源等非化石能源发电为主，发电量占70%以上；需求侧电能替代比例不断升高，电能占终端用能比例达到50%；电网侧适应源荷随机变化的智能调度与自治自愈技术得到充分发展；坚强大电网、主动配电网与新能源微网相结合，城市电网作为大电网的坚强支撑。2.新型电力系统是国家双碳目标的重要支撑双碳目标在能源领域的显性方向是在源荷两侧，源侧是大规模新能源的消纳，包括集中式的“管道”模式，以及分布式的“海绵”模式；荷侧则是能源消费端的电气化替代。 #

源荷两侧均需要从政策、市场和技术等多维度进行综合考量。同时，实现源荷双碳目标存在隐性前提，即“主网”的足够坚强和“配网”的足够弹性。双碳约束下的电网调度具有极大挑战，既要保障含大规模新能源电网的安全稳定运行，亦需将碳排放约束进行目标分解，形成“功率平衡”、“安全稳定”、“经济优化”以及“碳量曲线”多重约束下的新型电力系统调度机制。(二)新型电力系统面临的挑战1.以新能源为主体给电力系统带来的挑战随着新能源的高比例接入，其发电的波动性、间歇性与不确定性将对电力系统的安全稳定运行带来极大挑战。在该背景下，新型电力系统的电力平衡、电量平衡、调峰调压调频、参数精准辨识、态势实时感知等关键技术需求将难以得到满足。同时，新能源设备的复杂物理特性将造成难以建立大规模新能源场站的精准模型，多阶变量将产生维数灾，难以模拟电力系统遭受扰动与故障后的暂态与动态特征。2.高度电力电子化给电力系统带来的挑战传统的机电暂态模型将难以描述电力电子器件的微秒级特性，电磁暂态模型受制于系统规模增大、设备特性复杂与元件数量巨大等难题。因此需要构建精准描述电磁-机电耦合下的高度电力电子化电力系统的全时间尺度特性。与此同时，电力电子器件的低抗扰性与瞬时开关特点将导致大电网系统惯量降低，难以进行系统级稳定控制与故障自愈，容易引起故障连锁反应，对电网产生更强的冲击性与安全风险。

3.碳达峰与碳中和给电力系统带来的挑战基于双碳目标的新型电力系统建设需要清晰的量化目标和过程管控。例如：单位GDP和CO2排放的核算基准和未来预期基数、森林的碳汇能力以及风电和太阳能发电的能力等均不明确，碳足迹在整个能源产生、传输、消费等过程的准确评估和追踪尚缺乏理论和技术支撑。如何对新型电力系统建设进行清晰的量化和过程管控是目前面临的挑战之一。碳约束对新型电力系统调控带来冲击，电网传统调控模式将发生根本性变化。例如传统火电运行方式、分布式储能运行方式、负荷在电网调控中的参与方式等都将发生较大变化。如何在碳约束下对新型电力系统进行调控，在保障新型电力系统安全稳定的前提下，降低碳排放是目前新型电力系统面临的挑战之一。在新型电力系统碳足迹追踪上，目前电网有功源、无功源在不同运行工况下煤耗量、天然气耗量不同，碳排放量难以定量计算。且现有技术手段难以对新型电力系统碳足迹进行在线追踪，难以精准分析电源碳流在电网中的流动情况、分布情况、流动趋势，以及碳排放量在各负荷中的分摊比例。如何对新型电力系统碳足迹进行有效追踪，是目前新型电力系统面临的挑战之一。新型电力系统运行控制的新技术(一) 数据物理联合驱动的新型电力系统建模随着交直流混联电网规模的不断扩大，以及新能源等电力电子化设备的大规模并网，现代电力系统呈现出以新能源为主体的新型电力系统发展态势，其模型构建存在极大挑战。 #

电力系统模型构建通常有物理方法与数据方法，前者基于详细的机理分析，构建电网特征与待研究问题间的因果关系，可解释性高，无历史数据依赖，具有全局性，但难以平衡复杂问题下计算精度与速度间的矛盾；后者基于数据间的关联分析，构建特征与研究问题间的关联关系，计算效率高电力系统运行与控制，可处理复杂问题，但可解释性差，且受限于有限场景下的数据，具有局部性特点。因此，将物理方法与数据方法进行融合，可以实现两者特点的互补，构建性能更佳的数据-物理融合模型，为分析新型电力系统提供基础保障。(二)考虑碳排约束的新型电力系统调度技术新型电力系统环境下，调度将受到碳排放约束的极大影响，需要掌握电网中各类电源的碳流追踪模型，分析电网碳流分布情况。分别从时空维度，研究新型电力系统中碳分布与电分布时空交互机理。考虑碳排约束的新型电力系统调度技术包括电网调控设备协同、负荷用电行为低碳引导等技术，并需要研发碳约束条件下的新型电力系统调控辅助决策软件系统，实现新型电力系统安全稳定经济低碳运行。(三) 碳足迹追踪在新型电力系统调度的应用在新型电力系统碳足迹追踪技术中，需要构建电网电源不同运行工况下电网碳排放模型，实现对不同运行工况下电源碳排放的量化计算。 #

研究新型电力系统电源和负荷的碳足迹追踪技术，从电源侧电力系统运行与控制，可量化分析电源输出功率在电网中的电能状况以及相对应的碳流实时分布状况，从负荷侧，可量化溯源其所消耗功率在电网中的电能状况以及相应的碳流实时分布状况；剖析各种电网调控设备对碳足迹的影响，从而实现碳流分布的实时量化计算，为新型电力系统低碳调度提供技术支撑。(四) 人工智能在电力系统调度运行中的应用新型电力系统面临的诸多挑战促使电网调度系统正向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展。在海量数据资源与相匹配数据处理能力的支撑下，通过人工智能技术，可提升电力系统源网荷的模型精度，通过全自动信息集成、交换与共享流程，构建新型调度系统应用(调度全景可视化、自动调度机器人、电网运行告警智能诊断、智慧辅助决策等)。从而形成电力系统调度运行的自我进化机制，实现多层级融合知识经验的智能化电网调度系统，为新型电力系统的调度运行提供强有力技术支撑。城市电网主动支撑新型电力系统的思考(一)树立城市电网长时间尺度自保供电的新思维以新能源为主体的新型电力系统将面临诸多技术挑战，有可能对传统电网运行控制理论与技术造成极大冲击，甚至影响到大电网的安全可靠性。现有的大电网足够坚强的调度理念有可能不适用于波动性和间歇性电源为主体电源的新型电力系统。

有必要超前研究城市电网面临主网不可靠供电时如何保障自身供电可靠性的全新场景，树立城市电网长时间尺度自保供电的新思维。通过大力建设城市电网中的分布式电源和储能电站，充分挖掘城市电网中各种柔性负荷的响应能力，激发城市电网中不同调控手段的潜力，形成以天为单位的长时间尺度自保供电能力。(二)探索城市电网主动支撑大电网运行的新途径新型电力系统的运行控制要进一步利用城市电网的弹性和韧性，在城市电网具备一定自保供电能力的基础上，探索城市电网主动支撑大电网安全稳定运行的新途径。通过对城市电网功率平衡、稳定特性、运行模式、控制手段等方面的深入研究，城市电网将不仅仅被视为负荷节点，同时也将具有电源特性，从大电网角度而言，城市电网可视为同时具备“产销者”双重身份。不同城市电网之间相互协同，主动支撑以新能源为主体的新型电力系统的运行，为主网的安全稳定经济低碳运行提供重要保障。深圳供电局电力调度控制中心总经理助理 刘雪飞

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