基于大數(shù)據(jù)的抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)研究與模型應(yīng)用探索

曹明良，李國(guó)和，孫 勇，魏 敏

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能電站是電網(wǎng)中一種具有靈活運(yùn)行特性、儲(chǔ)能特質(zhì)和事故安全備用的特殊電源，在電力系統(tǒng)中起著不可替代的作用。但抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)長(zhǎng)期以來(lái)，還都停留在抽水蓄能電站調(diào)峰、填谷、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動(dòng)、事故備用等最基本功能上。而本文認(rèn)為抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)，不僅要關(guān)注抽水蓄能的基本功能，關(guān)鍵還要明確抽水蓄能的功能、作用和定位的關(guān)系及區(qū)別?；诔樗钅芊?wù)電網(wǎng)發(fā)展歷程總結(jié)抽水蓄能在三代電網(wǎng)中誕生和發(fā)展的歷史規(guī)律，提出“基本功能—應(yīng)用場(chǎng)景—服務(wù)定位的多維時(shí)間尺度功能定位模型”（簡(jiǎn)稱FAS-T模型）。運(yùn)用FAS-T模型對(duì)華東、華北、東北、華中四個(gè)區(qū)域抽水蓄能集群具體的三個(gè)服務(wù)定位、多種場(chǎng)景應(yīng)用和實(shí)際功效發(fā)揮開展分析對(duì)比。應(yīng)用電網(wǎng)時(shí)序仿真模型進(jìn)行了儲(chǔ)能優(yōu)化的計(jì)算，表明在目前的規(guī)劃政策框架下，要實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型，抽水蓄能還有廣闊的發(fā)展空間。期望為抽水蓄能的運(yùn)營(yíng)管理提供系統(tǒng)性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和前瞻性的決策參考。

1 深度感知源網(wǎng)荷儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行、狀態(tài)和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全面感知

1.1 梳理抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)發(fā)展歷程

2010年周孝信院士在世界電網(wǎng)發(fā)展的三個(gè)階段的基礎(chǔ)上，提出了中國(guó)三代電網(wǎng)的理念[1]，一段時(shí)間以來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在相關(guān)場(chǎng)合對(duì)該理念，從新中國(guó)成立以來(lái)電力發(fā)展需求、電網(wǎng)特征和時(shí)間跨度上，進(jìn)行了進(jìn)一步界定和明確。國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司董事長(zhǎng)林銘山在2018年中國(guó)水電發(fā)展論壇上對(duì)我國(guó)抽水蓄能發(fā)展的四個(gè)階段也做了明確闡述。三代電網(wǎng)與四個(gè)時(shí)期抽水蓄能劃分時(shí)間見表1。縱觀歷史，抽水蓄能的發(fā)展演變與電網(wǎng)的發(fā)展演變息息相關(guān)，本文整合了電網(wǎng)與抽蓄發(fā)展歷程，從而梳理出抽水蓄能在三代電網(wǎng)中的作用和定位。

三代電網(wǎng)的內(nèi)在的演化邏輯是電源、電網(wǎng)、負(fù)荷的規(guī)模逐步升級(jí)、范圍逐步加大、效率逐步提高、電源種類逐步多樣、電能質(zhì)量要求逐步提升，融合日趨廣泛和深化，配合日益復(fù)雜和精益。每一階段的電網(wǎng)的主要矛盾和對(duì)抽水蓄能的剛性需求是不同的，因此抽水蓄能的誕生和科學(xué)發(fā)展具有可追溯的歷史規(guī)律。

表1 三代電網(wǎng)與四個(gè)時(shí)期的抽水蓄能Table 1 Three generations of power grids and four periods of pumped storage

1.2 總結(jié)抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)律

抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)，關(guān)鍵要明確抽水蓄能的功能、作用和定位的關(guān)系，關(guān)鍵要把握功能、作用與定位的區(qū)別。1968年國(guó)內(nèi)首座抽水蓄能電站建成投產(chǎn)至今，經(jīng)過(guò)近50年的建設(shè)和發(fā)展，傳統(tǒng)的宏觀的調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動(dòng)、事故備用等是電力系統(tǒng)業(yè)界公認(rèn)的抽水蓄能最本質(zhì)功能，而并非其服務(wù)定位。定位來(lái)自應(yīng)對(duì)電網(wǎng)某一階段挑戰(zhàn)時(shí)賦予的任務(wù)，因此不同特性的電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能的要求不同，繼而衍生多種應(yīng)用場(chǎng)景和不同的功能發(fā)揮。

1.2.1 第一代電網(wǎng)中的抽水蓄能電站的作用和定位

第一代電網(wǎng)時(shí)期，主要任務(wù)是加快建立電力工業(yè)體系，提高電力自主建設(shè)能力。特點(diǎn)是小機(jī)組、低電壓、省內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，電力供需主要在省內(nèi)平衡。而當(dāng)時(shí)抽水蓄能電站裝機(jī)占比相對(duì)較小，所承擔(dān)的作用相對(duì)有限。

基本功能：調(diào)峰填谷。

應(yīng)用場(chǎng)景：替代水電調(diào)峰，支撐火電運(yùn)行。

服務(wù)定位：局部地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)節(jié)工具。

代表：20世紀(jì)60年代誕生的崗南、密云混合式小型抽水蓄能電站。

我國(guó)抽水蓄能的誕生：源于起步階段的電力系統(tǒng)調(diào)峰需求和水電、火電的開發(fā)利用。在水電受到資源限制和防洪灌溉功能限制的情況下誕生，為電力系統(tǒng)提供成本低廉的尖峰電量，減少火電機(jī)組被迫開停調(diào)峰和壓負(fù)荷運(yùn)行的燃料費(fèi)用。

早期的抽水蓄能電站在局部區(qū)域內(nèi)起到了提高供電質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排的多重作用。以崗南抽水蓄能電站為例，電站依托崗南水庫(kù)而建，崗南水庫(kù)是以防洪、灌溉為主的綜合利用水庫(kù)。按照“以水定電”原則，崗南常規(guī)水電機(jī)組只能季節(jié)性發(fā)電，在冀南電網(wǎng)需要調(diào)峰容量時(shí)無(wú)法滿足相應(yīng)需求。崗南混合式抽水蓄能電站的建設(shè)有效解決了防洪、灌溉和發(fā)電的矛盾，有效重復(fù)利用了部分水能資源，為電力系統(tǒng)提供了成本低廉的尖峰電量，減少火電機(jī)組被迫開停調(diào)峰和壓負(fù)荷運(yùn)行的燃料費(fèi)用，在當(dāng)時(shí)火電容量高達(dá)95%的冀南電網(wǎng)起到良好的調(diào)峰填谷作用。

1.2.2 第二代電網(wǎng)中的抽水蓄能電站作用和定位

第二代電網(wǎng)時(shí)期，中國(guó)經(jīng)濟(jì)加快發(fā)展，電力需求快速增長(zhǎng)，主要任務(wù)是解決電力供應(yīng)長(zhǎng)期緊缺問(wèn)題。電力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是大機(jī)組、高電壓、省間聯(lián)網(wǎng)，電力供需主要在區(qū)域內(nèi)統(tǒng)籌平衡。第二代電網(wǎng)中的抽水蓄能電站有其鮮明的特點(diǎn)，一個(gè)是節(jié)能，一個(gè)是政治保電。

基本功能：“以發(fā)定抽”式調(diào)峰填谷（配合火電、核電運(yùn)行）、調(diào)頻、調(diào)相（負(fù)荷中心）、安全備用。

應(yīng)用場(chǎng)景：支撐火電、核電運(yùn)行，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)安全備用。

服務(wù)定位：區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)調(diào)節(jié)工具和安全備用電源。

代表：潘家口中型混合抽水蓄能電站、十三陵（華北/北京地區(qū)安全備用電源）、廣州（大亞灣核電站配套工程）、天荒坪（華東配合火電運(yùn)行）等大型抽水蓄能電站。

新一輪的大中型抽水蓄能發(fā)展主要是由于：快速發(fā)展的電網(wǎng)日益增長(zhǎng)的調(diào)節(jié)需求，而以化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，調(diào)峰手段嚴(yán)重不足。我國(guó)電力系統(tǒng)迅速發(fā)展，工業(yè)及商業(yè)用電等需求快速增長(zhǎng)，電力供應(yīng)長(zhǎng)期緊缺，供需矛盾尖銳、峰谷差持續(xù)加大，而以化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，調(diào)峰手段嚴(yán)重不足。一批大中型抽水蓄能興建，主要用于廣東、華東和華北等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快且以火電為主的負(fù)荷中心調(diào)節(jié)。第一代電網(wǎng)的就地生產(chǎn)，就地消納，就地平衡；逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙娋W(wǎng)的區(qū)域生產(chǎn)，區(qū)域消納，區(qū)域內(nèi)統(tǒng)籌平衡，抽水蓄能也以省內(nèi)、區(qū)域內(nèi)利用為主，根據(jù)電網(wǎng)的不同情況，各電站的具體應(yīng)用場(chǎng)景開始出現(xiàn)差異。

從節(jié)能角度看主要有兩個(gè)，分別是廣州、天荒坪抽水蓄能電站。廣州抽水蓄能電站為廣州大亞灣核電站的配套工程，是我國(guó)第一座高水頭大容量的抽水蓄能電站，早期調(diào)峰填谷高效配合核電運(yùn)行。天荒坪抽水蓄能電站主要任務(wù)依然是調(diào)峰填谷，配合華東地區(qū)火電運(yùn)行，提高火電運(yùn)行效率。

從政治保電角度看，十三陵抽水蓄能電站最主要的定位是服務(wù)用于華北地區(qū)特別是北京最重要的安全備用電源。

1.2.3 第三代電網(wǎng)中的抽水蓄能電站作用和定位

第三代電網(wǎng)時(shí)期，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛和電力系統(tǒng)不斷演變，主要任務(wù)是滿足電力供應(yīng)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)并重[2]。在電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行、優(yōu)化資源配置、消納新能源三方面壓力下，電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能的需求也日趨多樣，抽水蓄能獨(dú)特的儲(chǔ)能特性日益得到發(fā)揮，低頻切泵/高頻切機(jī)等靈活調(diào)節(jié)性能日益受到重視。

基本功能：“以抽定發(fā)”式填谷調(diào)峰（配合風(fēng)、光、水等可再生能源和火電、核電運(yùn)行），調(diào)頻調(diào)相，低頻切泵/高頻切機(jī)（保障特高壓和互聯(lián)電網(wǎng)安全），安全備用等。

應(yīng)用場(chǎng)景：安控/穩(wěn)控系統(tǒng)，支撐特高壓安保，區(qū)域聯(lián)網(wǎng)輸電安保，支撐間歇性電源（風(fēng)電、光伏）運(yùn)行，支撐火電、核電、水電運(yùn)行，政治保電，電價(jià)疏導(dǎo)等。

服務(wù)定位：保障大電網(wǎng)/互聯(lián)區(qū)域的電網(wǎng)安全運(yùn)行、服務(wù)清潔能源發(fā)展消納和電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)工具。

代表：區(qū)域化服務(wù)的大型抽水蓄能電站。

抽水蓄能大發(fā)展階段：以高比例可再生能源利用為主要特征的新一代電網(wǎng)需求，使抽水蓄能作為儲(chǔ)能的作用凸顯?！笆濉薄笆濉逼陂g，特別是國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司成立以來(lái)，“三步走”戰(zhàn)略順利實(shí)施以后，抽水蓄能發(fā)展迎來(lái)新的高峰。2017年由國(guó)家電網(wǎng)公司投資建設(shè)的河北易縣等6座抽水蓄能電站開工。我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量已居世界第一，在運(yùn)規(guī)模2849萬(wàn)kW，在建規(guī)模達(dá)3871萬(wàn)kW。但是，按照國(guó)家“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃要求，“十三五”期間新開工抽水蓄能6000萬(wàn)kW，到2025年達(dá)到9000萬(wàn)kW左右。

2 推動(dòng)跨專業(yè)數(shù)據(jù)同源采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享采用，采用監(jiān)控深度覆蓋電網(wǎng)側(cè)、電站側(cè)

2.1 數(shù)據(jù)貫通融合、即時(shí)獲取

國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司運(yùn)監(jiān)中心基于生產(chǎn)運(yùn)行、發(fā)展規(guī)劃、財(cái)務(wù)等業(yè)務(wù)協(xié)同和廠網(wǎng)兩側(cè)大數(shù)據(jù)融合，采用大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、清洗、分析挖掘、模型預(yù)測(cè)及可視化應(yīng)用技術(shù)完成抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)研究[3]。貫通電網(wǎng)2年歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和抽水蓄能5年生產(chǎn)全量運(yùn)行數(shù)據(jù)和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、國(guó)家發(fā)展改革委、能源局等第三方信息見圖1，實(shí)現(xiàn)了多方數(shù)據(jù)貫通融合、即時(shí)獲取。

圖1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集源Figure 1 Big data platform data acquisition source

2.2 構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)層—分析層—應(yīng)用層的大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)構(gòu)建了服務(wù)電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)見圖2，從數(shù)據(jù)層、分析層及應(yīng)用層全面指導(dǎo)服務(wù)電網(wǎng)業(yè)務(wù)研究的科學(xué)開展?；诖髷?shù)據(jù)開展的服務(wù)電網(wǎng)業(yè)務(wù)研究不同于傳統(tǒng)的分析方法，是緊密結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展新形勢(shì)，充分考慮區(qū)域差異，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正的“基于大數(shù)據(jù)分析”。

圖2 基于數(shù)據(jù)層—分析層—應(yīng)用層的大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)Figure 2 Big data analysis architecture based on data layer-analysis layer-application layer

3 創(chuàng)新性提出抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)FAS-T模型

3.1 構(gòu)建FAS-T抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)模型理論

基于抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)發(fā)展歷程的梳理和規(guī)律總結(jié)，本報(bào)告提出“基本功能—應(yīng)用場(chǎng)景—服務(wù)定位多維時(shí)間尺度抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)模型”（Basic Function-Application Scenario-Service Location Time Scale Model，以下簡(jiǎn)稱 FAS-T模型）。將抽水蓄能的基本功能、應(yīng)用場(chǎng)景和服務(wù)定位（功能、作用和定位）進(jìn)行明確的三個(gè)層級(jí)劃分，利用時(shí)間尺度精準(zhǔn)定位抽水蓄能的功能，從電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景明確抽蓄在某一階段所起到的作用，從宏觀角度確定抽水蓄能的服務(wù)定位，從而形成一套規(guī)律可循的抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)功能定位理論模型見圖3。

圖3 基于FAS-T模型的第三代電網(wǎng)時(shí)期抽水蓄能功能定位Figure 3 Location of pumped storage function in the third generation grid based on FAS-T model

抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)基本功能層是多時(shí)間尺度的，不同尺度之間相對(duì)獨(dú)立，從時(shí)間尺度上依次來(lái)看，抽水蓄能電站可提供的相應(yīng)服務(wù)為一次調(diào)頻/調(diào)壓、緊急啟停（低頻切泵等）、AGC/AVC（連續(xù)）、緊急支援、安全備用、黑啟動(dòng)以及調(diào)峰填谷[4]。

應(yīng)用場(chǎng)景層是多個(gè)基本功能的組合實(shí)現(xiàn)。從第三代電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，抽水蓄能的功能映射，穩(wěn)控系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景由一次調(diào)頻/調(diào)壓、緊急啟停和安全備用等基本功能組合實(shí)現(xiàn)；支持特高壓直流運(yùn)行由一次調(diào)頻/調(diào)壓、緊急啟停和安全備用等基本功能組合實(shí)現(xiàn)、區(qū)域能源傳輸保障由緊急啟停和安全備用功能組合實(shí)現(xiàn)[5]。而以上三種應(yīng)用場(chǎng)景主要服務(wù)定位于大電網(wǎng)的安全運(yùn)行保障。

服務(wù)定位層是多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的組合。安全運(yùn)行的時(shí)間尺度較短，靈活調(diào)節(jié)的時(shí)間尺度較長(zhǎng)，服務(wù)清潔能源發(fā)展橫跨多時(shí)間尺度。

3.2 FAS-T模型應(yīng)用與四個(gè)區(qū)域抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)分析

3.2.1 電力發(fā)展的總體情況

（1）電源發(fā)展總體情況。從全國(guó)和區(qū)域電源發(fā)展情況看，主要體現(xiàn)出以下幾個(gè)特征。一是，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)的大背景下，電源規(guī)模平穩(wěn)增長(zhǎng)的同時(shí)，建設(shè)增速逐漸減緩；二是，在中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的大背景下，電源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化的同時(shí)，清潔能源發(fā)展迅速[6]；三是，在新能源消納的大背景下，電源整體總體利用小時(shí)下降的同時(shí)，風(fēng)電利用小時(shí)提升明顯?？傮w趨勢(shì)是電源結(jié)構(gòu)向清潔化轉(zhuǎn)變的同時(shí)，火電裝機(jī)增速和利用小時(shí)數(shù)受到大幅擠壓。值得注意的是，中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)全球增速最快，其中，抽水蓄能裝機(jī)增量大，電化學(xué)儲(chǔ)能增速快。

（2）負(fù)荷發(fā)展總體情況。從全國(guó)和區(qū)域負(fù)荷發(fā)展情況看，主要體現(xiàn)出以下幾個(gè)特征。一是，電力需求進(jìn)一步回升，第二產(chǎn)業(yè)仍為用電主力；二是，供需形勢(shì)總體平衡、局部過(guò)剩，部分時(shí)段供需緊張；總體的趨勢(shì)是，電力供應(yīng)由總體平衡、局部偏緊的狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)向總體平衡、局部過(guò)剩。

（3）電網(wǎng)發(fā)展總體情況。從全國(guó)和區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展情況看，主要體現(xiàn)出以下幾個(gè)特征。一是，規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，跨區(qū)輸電能力大幅提升；二是，初步形成全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，資源配置能力持續(xù)增強(qiáng)。

3.2.2 新形勢(shì)下，電力系統(tǒng)所面臨的四大挑戰(zhàn)

國(guó)家的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略需構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)，因此，當(dāng)前電網(wǎng)的主要矛盾是建設(shè)清潔低碳、安全高效的新一代電力系統(tǒng)的需要與電源側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不到位、電網(wǎng)側(cè)發(fā)展不充分不平衡、需求側(cè)管理不完善以及電力市場(chǎng)發(fā)展不充分等問(wèn)題之間的矛盾。能源轉(zhuǎn)型持續(xù)推進(jìn)，特別是風(fēng)能、太陽(yáng)能等具有間歇性、波動(dòng)性特征的新能源大規(guī)?？焖侔l(fā)展，給電力系統(tǒng)帶來(lái)一系列重大挑戰(zhàn)。其含義主要包括以下四個(gè)方面：

（1）電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力的挑戰(zhàn)。中國(guó)能源資源與需求逆向分布，80%以上的水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電資源集中在西部、北部地區(qū)，與東中部負(fù)荷中心相距1000～3000km?！拔麟姈|送”和“北電南供”的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的同時(shí)，“有電送不出”和“有網(wǎng)無(wú)電送”兩個(gè)問(wèn)題同時(shí)存在[7]。

（2）確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的挑戰(zhàn)。風(fēng)電高發(fā)，常規(guī)電源開機(jī)方式減少，雖然部分風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)已安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，但動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力難以與常規(guī)電源相當(dāng)[8]。同時(shí)，為多接納風(fēng)電將減少常規(guī)電源開機(jī)方式，系統(tǒng)調(diào)壓能力和事故方式下系統(tǒng)電壓支撐能力將進(jìn)一步下降，系統(tǒng)調(diào)壓能力進(jìn)一步下降的同時(shí)系統(tǒng)備用容量安排困難和系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，抗擾動(dòng)能力下降。

（3）清潔能源消納的挑戰(zhàn)。2017年全網(wǎng)棄水、棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象依然存在，清潔能源消納面臨挑戰(zhàn)。2017年，全年棄水電量515億kW·h，在來(lái)水好于去年的情況下，水能利用率達(dá)到96%左右；棄風(fēng)電量419億kW·h，棄風(fēng)率12%；棄光電量73億kW·h，棄光率6%[9]。

（4）政策設(shè)計(jì)和市場(chǎng)實(shí)踐的挑戰(zhàn)。我國(guó)電力行業(yè)以“電改9號(hào)文”為核心內(nèi)容的市場(chǎng)化改革全面鋪開，發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)和電力規(guī)劃、交易、調(diào)度等領(lǐng)域的改革進(jìn)展迅速，但受多年計(jì)劃體制等因素影響，電力市場(chǎng)機(jī)制尚不健全，電力市場(chǎng)主體尚不成熟，電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)尚不完善，政策和市場(chǎng)設(shè)計(jì)面臨重大挑戰(zhàn)。

3.2.3 各區(qū)域抽蓄集群服務(wù)電網(wǎng)功能定位和效用發(fā)揮

由2017年全國(guó)電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)前電力系統(tǒng)面臨來(lái)自資源配置、安全保障、可再生能源消納和政策市場(chǎng)設(shè)計(jì)的四大挑戰(zhàn)，賦予了當(dāng)代抽水蓄能保障電網(wǎng)安全運(yùn)行、服務(wù)可再生能源發(fā)展消納和電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)工具的三大服務(wù)定位。考慮到，一方面，電網(wǎng)以區(qū)域劃分，對(duì)抽水蓄能的需求逐步呈現(xiàn)多樣性和針對(duì)性，抽水蓄能發(fā)揮的功能、作用和定位逐步多元化。另一方面，各區(qū)域抽蓄電站運(yùn)行規(guī)模逐年增長(zhǎng)，集群規(guī)模和集群效應(yīng)的逐步體現(xiàn)，催化了集群調(diào)控的需求。為此，本文應(yīng)用FAS-T模型開展四個(gè)區(qū)域情況精細(xì)化分析。

（1）華東區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果見圖4來(lái)看，華東區(qū)域近年來(lái)電力系統(tǒng)最主要特點(diǎn)，從電源側(cè)看，火電占比較高且靈活調(diào)峰能力不足；從電網(wǎng)上看，特高壓的區(qū)外直流劇增并且汛期不參與調(diào)峰；從負(fù)荷上看，電力供需情況趨于平穩(wěn)且峰谷差持續(xù)加大?？鐓^(qū)（?。┹斔秃托履茉窗l(fā)展發(fā)生根本性改變。

華東抽水蓄能具體應(yīng)用場(chǎng)景，一是區(qū)外來(lái)電增速迅猛，低谷消納壓力異常突出，需要抽水蓄能輔助消納低谷時(shí)段電量。二是多回跨區(qū)直流滿送華東，電網(wǎng)安全運(yùn)行壓力異常突出，需要抽水蓄能作為系統(tǒng)保護(hù)重要組成部分，提升華東電力系統(tǒng)整體頻率穩(wěn)定水平。同時(shí)華東抽水蓄能集群容量最大，調(diào)度運(yùn)行較為成熟，在華東電網(wǎng)日常輔助運(yùn)行中調(diào)用頻繁。因此，華東抽水蓄能集群在提供靈活調(diào)節(jié)電源的基礎(chǔ)上，承擔(dān)低谷消納西南水電和保障受端電網(wǎng)安全的服務(wù)定位[10]。

圖4 華東區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果Figure 4 East China regional FAS-T model analysis results

圖5 華北區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果Figure 5 North China regional FAS-T model analysis results

（2）華北區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果見圖5來(lái)看，華北區(qū)域近年來(lái)電力系統(tǒng)最主要特點(diǎn)，從電源側(cè)看，華北火電裝機(jī)占比最大，風(fēng)光裝機(jī)容量最大（新能源裝機(jī)量約是抽水蓄能、水電裝機(jī)量的8.18倍），水電/抽水蓄能裝機(jī)容量和占比均最小，調(diào)節(jié)資源最為匱乏，新能源消納壓力較大。從電網(wǎng)側(cè)看，特高壓強(qiáng)直弱交混聯(lián)，大電網(wǎng)格局初顯，特高壓配套設(shè)施完善過(guò)程中，500kV主網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)加大。從負(fù)荷側(cè)看，用電增長(zhǎng)放緩與峰谷差持續(xù)加大并存，總體用電供需緊張與春秋季發(fā)電富裕并存。受環(huán)境治理影響，負(fù)荷可靠性和供電質(zhì)量的不確定性劇增，保電形勢(shì)異常嚴(yán)峻。

華北抽水蓄能具體應(yīng)用場(chǎng)景，在確保安全可靠運(yùn)行方面，主要體現(xiàn)為，一方面，強(qiáng)直弱交特高壓過(guò)渡過(guò)程中矛盾突出，故障承受能力不足；另一方面，安控系統(tǒng)規(guī)模遞增同時(shí)，電力電子設(shè)備裝備規(guī)模遞增，電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大。在優(yōu)化資源配置能力方面，主要體現(xiàn)為總體上的調(diào)峰資源匱乏與局面上的負(fù)荷中心空心化。一方面，負(fù)荷中心空心化現(xiàn)象嚴(yán)重，燃煤機(jī)組陸續(xù)關(guān)停，導(dǎo)致華北電網(wǎng)電源分布遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。另一方面，華北電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)異常嚴(yán)峻，特別是冬季風(fēng)電富風(fēng)期與火電供熱期的疊加，使得華北電網(wǎng)調(diào)峰面臨艱難窘境。在新能源消納方面，主要體現(xiàn)為新能源入網(wǎng)及消納任務(wù)艱巨，一方面，風(fēng)電裝機(jī)及出力增長(zhǎng)迅猛、屢創(chuàng)新高，富裕省份棄風(fēng)率達(dá)到21%；另一方面，風(fēng)電、光伏波動(dòng)較大，日間、日內(nèi)變化劇烈，對(duì)電網(wǎng)整體負(fù)荷穩(wěn)定性造成較大影響。

因此，華北抽水蓄能集群承擔(dān)保障交直流混聯(lián)大電網(wǎng)安全、服務(wù)風(fēng)電/光伏消納和靈活調(diào)節(jié)提高供電質(zhì)量的服務(wù)定位。

（3）東北區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果見圖6來(lái)看，東北區(qū)域近年來(lái)電力系統(tǒng)最主要特點(diǎn)，從電源側(cè)看，電源構(gòu)成以火電為主，風(fēng)電、核電發(fā)展迅猛，水電資源開發(fā)殆盡，抽水蓄電站投產(chǎn)較少，發(fā)電設(shè)備利用率持續(xù)走低，清潔能源消費(fèi)占比持續(xù)走高。從電網(wǎng)側(cè)看，隨著特高壓的投運(yùn)，東北電網(wǎng)總體的輸電格局從“東西互送”“北電南送”轉(zhuǎn)變?yōu)槿∫粎^(qū)盈余電力圍繞扎魯特向心匯集送電的“大直流、弱送端”新格局。從負(fù)荷側(cè)看，電力供應(yīng)長(zhǎng)期大于需求，峰谷差持續(xù)加大，城市化負(fù)荷波動(dòng)特性日趨明顯。

東北抽水蓄能具體應(yīng)用場(chǎng)景，在安全可靠運(yùn)行方面，一方面，頻率安全問(wèn)題突出，東北電網(wǎng)從內(nèi)部看“東西互送”“北電南送”潮流相對(duì)復(fù)雜，從外部看，整體又為送端電網(wǎng)，因此同時(shí)面臨高頻安全風(fēng)險(xiǎn)和低頻安全風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜局面；另一方面，電壓安全問(wèn)題突出，風(fēng)電高發(fā)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍和能力相對(duì)較差的同時(shí)，減少常規(guī)電源開機(jī)方式，大幅降低了系統(tǒng)電壓調(diào)整能力。然而，風(fēng)電出力不穩(wěn)定加大了合理安排系統(tǒng)備用容量難度，導(dǎo)致備用電源安全備用問(wèn)題依然突出。在優(yōu)化資源配置能力方面，主要體現(xiàn)為調(diào)峰問(wèn)題比較嚴(yán)重，東北電網(wǎng)供熱時(shí)間長(zhǎng)、供熱機(jī)組占比高，核電還要擔(dān)任相當(dāng)一部分基荷，火電供暖期與風(fēng)電富風(fēng)期矛盾更為突出。新能源消納新方面，主要體現(xiàn)為，風(fēng)電反調(diào)峰特性明顯，棄風(fēng)形勢(shì)異常嚴(yán)峻，2016年?yáng)|北整體棄風(fēng)量為97.75億kW·h，棄風(fēng)率18.3%，個(gè)別省份棄風(fēng)率達(dá)到30%。

圖6 東北區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果Figure 6 Northeastern region FAS-T model analysis results

圖7 華中區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果Figure 7 Central China regional FAS-T model analysis results

因此，東北抽水蓄能集群承擔(dān)保障送端電網(wǎng)安全和服務(wù)風(fēng)電消納的服務(wù)定位。

（4）華中區(qū)域FAS-T模型分析結(jié)果見圖7來(lái)看，華中區(qū)域近年來(lái)電力系統(tǒng)最主要特點(diǎn)，從電源側(cè)看，華中火電、水電為第一、第二大電源，呈現(xiàn)“南水北火”態(tài)勢(shì)，新能源增長(zhǎng)迅速的同時(shí)，水電利用成熟，新能源總體利用水平不高。從電網(wǎng)側(cè)看，華中電網(wǎng)“特高壓、大電網(wǎng)”特征顯著，跨區(qū)互聯(lián)形成“七直二交、大功率送受”格局，并由500kV主線路形成4個(gè)受端環(huán)網(wǎng)，電網(wǎng)目前送受并重，未來(lái)整體受入為主。從負(fù)荷側(cè)看，社會(huì)用電量與發(fā)電量均保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的同時(shí)，負(fù)荷年波動(dòng)性增強(qiáng)，峰谷差持續(xù)加大。

華中抽水蓄能具體應(yīng)用場(chǎng)景，一方面，特高壓大功率送電，三峽電站32臺(tái)機(jī)滿發(fā)，復(fù)奉、錦蘇、賓金三大直流滿送，天中直流、祁韶直流大功率送出，導(dǎo)致省間斷面潮流長(zhǎng)期重載或滿載運(yùn)行，電網(wǎng)存在局部卡口，故障承受能力不足；另一方面，安控裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)加大，華中穩(wěn)控系統(tǒng)達(dá)到28套，穩(wěn)控裝置108個(gè)，安控系統(tǒng)日趨復(fù)雜、動(dòng)作量大，安控一旦誤動(dòng)或拒動(dòng)均后果嚴(yán)重。在優(yōu)化資源配置能力方面，主要體現(xiàn)為，水電調(diào)峰受限，整體靈活調(diào)節(jié)不足，雖然華中水電占比高，但水電發(fā)電量呈明顯豐枯季節(jié)性變化，以三峽電站為例，汛期確保發(fā)電，不參與調(diào)峰，枯水期保下游航運(yùn)安全，調(diào)峰能力受限。在清潔能源消納方面，主要體現(xiàn)為，隨著西北外送電量的劇增，以水定電、水火聯(lián)調(diào)的格局已被打破，豐水期低谷時(shí)段，甚至需要水電棄水調(diào)峰。

因此，華中抽水蓄能集群承擔(dān)保障中樞大電網(wǎng)安全、助力西北新能源消納和電網(wǎng)日常調(diào)節(jié)的服務(wù)定位。

3.3 抽水蓄能電站服務(wù)電網(wǎng)“三化”特征

抽水蓄能電站服務(wù)呈現(xiàn)“三化”的重要特征：基本功能精細(xì)化、應(yīng)用場(chǎng)景多元化和服務(wù)定位集群化。

基本功能精細(xì)化：隨電網(wǎng)需求升級(jí)，抽水蓄能從最初調(diào)峰填谷、事故備用等“粗放型”功能衍生出低頻切泵/高頻切機(jī)等新功能，并在不同區(qū)域開展針對(duì)性部署.如：送受端電網(wǎng)分別采取低頻切泵/高頻切機(jī)等措施，呈現(xiàn)“精細(xì)化”發(fā)展趨勢(shì)。

應(yīng)用場(chǎng)景多元化：通過(guò)基本功能不同組合，形成適應(yīng)不同區(qū)域需求的場(chǎng)景應(yīng)用，如：特高壓保障，區(qū)域交換，配合火、核、新能源發(fā)展等，呈現(xiàn)“多元化”發(fā)展趨勢(shì)。

服務(wù)定位集群化：各區(qū)域電站運(yùn)行規(guī)模逐年增長(zhǎng)，集群效應(yīng)逐步體現(xiàn)，如：安全保障和新能源消納出現(xiàn)多電站聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象，呈現(xiàn)“集群化”發(fā)展趨勢(shì)。

4 對(duì)于抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的探索

4.1 電網(wǎng)高比例清潔能源下的儲(chǔ)能配比優(yōu)化

將我國(guó)各區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)速及光輻照均值、2030年和2050年各化石能源價(jià)格作為敏感性分析值，儲(chǔ)能容量設(shè)為優(yōu)化對(duì)象，考慮各種設(shè)備成本、運(yùn)營(yíng)及維修費(fèi)用、各設(shè)備生命周期、燃料成本、碳硫等污染物排放等邊界條件[11]，并將逆變器成本分?jǐn)傊凉夥l(fā)電成本中，并仿真1整年的數(shù)據(jù)得出如下兩種方案的儲(chǔ)能的最優(yōu)配比，電網(wǎng)時(shí)序仿真模型架構(gòu)見圖8。

圖8 電網(wǎng)時(shí)序仿真模型架構(gòu)Figure 8 Grid timing simulation model architecture

分析結(jié)果顯示：

方案一：當(dāng)2030年可再生能源（風(fēng)、光、水）滲透率為35.9%時(shí)，時(shí)序仿真優(yōu)化結(jié)果顯示，儲(chǔ)能的最優(yōu)配比為總負(fù)荷的5.57%。

方案二：當(dāng)2050年可再生能源（風(fēng)、光、水）滲透率為51.1%時(shí)，時(shí)序仿真優(yōu)化結(jié)果顯示，儲(chǔ)能的最優(yōu)配比為總負(fù)荷的7.26%。

4.2 抽水蓄能與其他儲(chǔ)能分析對(duì)比

基于預(yù)測(cè)模型和多種儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析對(duì)比，抽水蓄能作為大型儲(chǔ)能的佼佼者，或可在未來(lái)電網(wǎng)中承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)節(jié)工具的主角，與其他形式的新型儲(chǔ)能形成集中式和分布式協(xié)同發(fā)展的調(diào)節(jié)體系。而集中式儲(chǔ)能主要關(guān)注在大電網(wǎng)側(cè)和在集中式發(fā)電領(lǐng)域。在大電網(wǎng)側(cè)，抽水蓄能可以作為降低整個(gè)電網(wǎng)波動(dòng)性和不確定性的工具，為電網(wǎng)提供調(diào)節(jié)靈活和安保電源[12]；在大型可再生能源發(fā)電側(cè)，著力于解決棄風(fēng)、棄光，跟蹤計(jì)劃出力、平滑輸出和參與調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)。

5 實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)

緊密結(jié)合電網(wǎng)需求，充分考慮區(qū)域及各級(jí)電網(wǎng)差異，通過(guò)海量數(shù)據(jù)接入和大數(shù)據(jù)算法固化，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)能力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和智能運(yùn)營(yíng)分析。該平臺(tái)基于國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司全業(yè)務(wù)數(shù)智中心實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與分析，目前已實(shí)現(xiàn)運(yùn)監(jiān)大屏和辦公電腦應(yīng)用，未來(lái)計(jì)劃開發(fā)手機(jī)等移動(dòng)終端界面，以力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理的強(qiáng)輔助作用。

5.1 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)

利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了包含電網(wǎng)、電站兩側(cè)在全國(guó)—區(qū)域—電站—設(shè)備四層全景在線監(jiān)測(cè)分析模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)抽蓄運(yùn)行狀況，見圖9。

圖9 抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)Figure 9 Pumped storage service grid online monitoring and analysis platform

5.2 智能運(yùn)營(yíng)分析

運(yùn)營(yíng)分析強(qiáng)調(diào)抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)的“流暢性，敏捷性”，隨著電網(wǎng)需求變化進(jìn)行運(yùn)營(yíng)分析迭代。設(shè)計(jì)儲(chǔ)能、運(yùn)行強(qiáng)度與可靠性四象限分析、服務(wù)特高壓等數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和定期智能運(yùn)營(yíng)分析。

6 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的模型與生態(tài)建設(shè)探索

根據(jù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱階段性目標(biāo)要求和公司部署安排，打好2019年到2021年的三年攻堅(jiān)戰(zhàn)，在之前的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深耕挖掘，到2021年初步建成抽水蓄能電站服務(wù)電網(wǎng)泛在物聯(lián)網(wǎng)。

6.1 基于FAS-T數(shù)據(jù)模型全面監(jiān)測(cè)

近期，將基于FAST模型實(shí)現(xiàn)抽蓄服務(wù)電網(wǎng)的全面監(jiān)測(cè)。通過(guò)海量數(shù)據(jù)接入和大數(shù)據(jù)算法固化，實(shí)現(xiàn)抽蓄服務(wù)電網(wǎng)能力的全面監(jiān)測(cè)和在線分析，見圖10。

6.2 智慧服務(wù)電網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)

遠(yuǎn)期，將搭建智慧服務(wù)電網(wǎng)平臺(tái)。以服務(wù)電網(wǎng)專業(yè)為中心，開展內(nèi)提質(zhì)外增效的相關(guān)業(yè)務(wù)工作[13]，見圖11。

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)各區(qū)域抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)研究結(jié)果，新源公司抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)“三化”特征鮮明，在緩解電網(wǎng)四大挑戰(zhàn)、提高三大服務(wù)、適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際效用發(fā)揮上表現(xiàn)突出。結(jié)合抽水蓄能服務(wù)電網(wǎng)業(yè)務(wù)整體形勢(shì)及國(guó)家電網(wǎng) “三型兩網(wǎng)”世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設(shè)要求，將有序推進(jìn)抽水蓄能電站規(guī)劃建設(shè)，穩(wěn)步提高抽水蓄能運(yùn)行管理的，加快推進(jìn)區(qū)域化的電站集群理論研究和科學(xué)管理，為創(chuàng)新管理理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)提升質(zhì)效，對(duì)外發(fā)展融通的目的。

圖10 基于FAS-T數(shù)據(jù)模型全面監(jiān)測(cè)架構(gòu)Figure 10 Comprehensive monitoring architecture based on FAS-T data model

圖11 智慧服務(wù)電網(wǎng)平臺(tái)Figure 11 Smart Service Grid Platform Framework