構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對省級電網(wǎng)調(diào)度的挑戰(zhàn)及建議

國網(wǎng)冀北電力有限公司 王靖然

2021年3月15日，在中央財經(jīng)委員會第九次會議上，習(xí)近平總書記提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，指明了為實現(xiàn)碳達峰碳中和目標我國能源電力的轉(zhuǎn)型發(fā)展方向。

此后，國家電網(wǎng)有限公司在7月13日發(fā)布了《構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)行動方案（2021~2030年）》，明確建設(shè)以堅強智能電網(wǎng)為樞紐平臺、以源網(wǎng)荷儲互動與多能互補為支撐，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動基本特征的電力系統(tǒng)。

截至2021年10月底，我國風(fēng)電裝機容量達到2.99億千瓦，太陽能發(fā)電裝機容量達到2.82億千瓦，部分省區(qū)風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機容量已經(jīng)超常規(guī)火電，成為第一大電源。到2030年，我國風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。

在國、分、省、地、縣五級調(diào)度體系中，省級電網(wǎng)調(diào)度既是電網(wǎng)平衡控制的主體，也是新能源調(diào)度運行控制的主體，隨著新能源裝機的快速增長并逐漸成為提供電力和電量的主體，省級電網(wǎng)調(diào)度將直面新型電力系統(tǒng)的各項挑戰(zhàn)。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對省調(diào)體系的挑戰(zhàn)

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對省級電網(wǎng)調(diào)度體系帶來巨大挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在三個“變化”上。

平衡模式發(fā)生顯著變化

1.從“省級平衡”到“多級平衡”。

在我國，省級電網(wǎng)作為獨立平衡區(qū)的控制模式已經(jīng)持續(xù)幾十年，這是由省級電網(wǎng)的規(guī)模決定的，又與行政區(qū)劃相一致。對于地市電網(wǎng)而言，不存在平衡調(diào)節(jié)問題，裝機和負荷的規(guī)?？赡芟嗖詈艽?。分布式電源的發(fā)展改變了這一現(xiàn)狀，以整縣推進分布式光伏為例，一個市或一個縣的分布式電源裝機規(guī)?；九c其負荷水平相當，市、縣級電網(wǎng)本身即可實現(xiàn)功率平衡。同時，以園區(qū)為主體的微電網(wǎng)和虛擬電廠不斷涌現(xiàn)，對于連接在地市電網(wǎng)節(jié)點的一些微電網(wǎng)，其依靠自身冷熱電聯(lián)供、分布式光伏、儲能儲熱等實現(xiàn)內(nèi)部的功率平衡，只在個別時段和主網(wǎng)進行功率交換。因此，新型電力系統(tǒng)將是“省-地-縣-微網(wǎng)”的多級平衡，電網(wǎng)中的潮流分布、電壓分布等將發(fā)生顛覆性變化。

2.從“源隨荷動”到“源荷互動”。

在傳統(tǒng)的平衡模式下，負荷是自變量，各類電源的出力都是根據(jù)負荷的變化而調(diào)整變化，是因變量。而新能源出力具有間歇性、波動性和時變性的特點，無法像火電等傳統(tǒng)電源出力跟隨負荷變化，可能出現(xiàn)負荷高峰時段新能源出力很小或負荷低谷時段新能源出力很大的情況。因此，在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，必須充分挖掘負荷側(cè)的調(diào)節(jié)潛力，一方面充分利用市場機制引導(dǎo)負荷側(cè)自發(fā)調(diào)整，另一方面要大力發(fā)展可調(diào)節(jié)負荷，將可調(diào)節(jié)負荷、儲能等納入電力電量平衡，實現(xiàn)可控負荷、儲能和各類電源的協(xié)調(diào)互動。電源出力不必嚴格跟蹤負荷曲線，二者實現(xiàn)解耦。

3.從“分散預(yù)測”到“融合預(yù)測”。

與電網(wǎng)平衡模式相適應(yīng)，傳統(tǒng)的新能源功率預(yù)測是以省調(diào)為主體，負荷預(yù)測也是在地市負荷預(yù)測結(jié)果的基礎(chǔ)上進行加總，得到省網(wǎng)負荷預(yù)測曲線，從而進行機組發(fā)電計劃安排。在新型電力系統(tǒng)下，從個體來看，微網(wǎng)或虛擬電廠的運營商作為市場參與主體，需要對內(nèi)部的新能源和負荷分別進行預(yù)測，并將并網(wǎng)點的凈功率交換計劃提交給調(diào)度部門。從地縣調(diào)來看，大量分散式風(fēng)電和分布式光伏的接入使負荷曲線的形狀發(fā)生根本性改變，單純進行負荷預(yù)測已失去意義，必須對新能源和負荷進行分別預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果進行融合分析。對省調(diào)而言，為了更精確地制定日前計劃，集中式新能源、分布式電源和負荷的預(yù)測也將進一步融合。

運行控制發(fā)生顯著變化

1.從控制傳統(tǒng)電源到控制新型電源（源荷儲）。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)運行控制對象是火、水、核等電源，近年來風(fēng)電、光伏也被納入控制體系，控制方式是通過有功控制系統(tǒng)、無功電壓控制系統(tǒng)等下發(fā)指令，直接控制機組有功和無功出力。在新型電力系統(tǒng)下，隨著源網(wǎng)荷儲各類資源的涌現(xiàn)，新型控制對象除了傳統(tǒng)的電源類型外，還包括新型儲能、可控負荷、微電網(wǎng)、虛擬電廠等。其中，新型儲能將作為一類特殊電源參與到電網(wǎng)運行控制中，分散配置的儲能可以和火電、風(fēng)電、光伏等作為一個整體接收調(diào)度指令，集中式大規(guī)模的儲能電站可單獨接收調(diào)度指令，參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。這里值得一提的是虛擬電廠，其可以按照事先設(shè)定的發(fā)電計劃曲線運行，也可作為獨立的控制對象接收調(diào)度機構(gòu)下發(fā)的有功、無功指令，對電網(wǎng)頻率、電壓進行調(diào)節(jié)。

2.從集中控制到分散協(xié)同控制。

電網(wǎng)運行的傳統(tǒng)控制方式是分層分級集中控制，國-網(wǎng)-省-地-縣五級調(diào)度中心大致按照設(shè)備等級分工協(xié)作，國調(diào)負責(zé)跨區(qū)域聯(lián)絡(luò)線路和變電設(shè)備的調(diào)度管理以及跨區(qū)域送電機組的出力控制；網(wǎng)調(diào)負責(zé)省間聯(lián)絡(luò)線路及變電設(shè)備的運行管理，控制網(wǎng)內(nèi)點對網(wǎng)送電的機組出力；省調(diào)負責(zé)省內(nèi)輸配電設(shè)備和省內(nèi)機組出力的控制。隨著各類分布式電源、微電網(wǎng)、可控負荷的大量接入，以省調(diào)為主體的集中控制模式將導(dǎo)致控制成本急劇上升，因此必須采取分散協(xié)同的控制模式。對于每一個虛擬電廠或微電網(wǎng)，都有自己的控制中心，負責(zé)控制內(nèi)部的各類可調(diào)節(jié)資源。對于整縣開發(fā)的分布式光伏，也要建立縣域的控制中心，根據(jù)接入電壓等級，省調(diào)或地調(diào)對于每個控制中心下發(fā)總的控制指令，實現(xiàn)分散下的集中控制，如果條件成熟，在不同的控制中心之間也可以開展數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)更高級的自愈控制。

3.從應(yīng)對簡單事件到復(fù)雜嚴重事件。

電力系統(tǒng)發(fā)生極端嚴重故障的概率并不高，沿用多年的“N-1”和“N-2”可靠性標準確保了電網(wǎng)在經(jīng)受簡單預(yù)想故障時的安全運行。大量新能源的接入可能放大常規(guī)事件對電網(wǎng)的影響，事實上放大了系統(tǒng)的脆弱性。例如全網(wǎng)性的小風(fēng)天氣將導(dǎo)致風(fēng)電出力偏低，在風(fēng)電占比不高時，對電網(wǎng)的影響并不顯著；但在高比例風(fēng)電接入的條件下，可能導(dǎo)致供電能力不足，威脅電網(wǎng)安全運行。極端天氣也會使嚴重故障越來越多，這種影響很容易突破“N-2”，導(dǎo)致多重故障的發(fā)生。電網(wǎng)運行必須做好面對更加復(fù)雜嚴重事件的準備。

體制機制發(fā)生顯著變化

1.從計劃到市場。

當前部分省份正在試點進行電力現(xiàn)貨市場改革，市場化改革的推進將使得電網(wǎng)生產(chǎn)組織方式發(fā)生根本變化。對于省級電網(wǎng)調(diào)度而言，在建立中長期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)等省級各類市場有序銜接的市場體系基礎(chǔ)上，如何建立促進新能源消納的市場機制，充分發(fā)揮新能源發(fā)電邊際成本低的優(yōu)勢，并實現(xiàn)電力市場和碳交易市場的協(xié)調(diào)配合，還有很多地方需要進一步研究。同時，面對新能源大規(guī)模接入后電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻需求，應(yīng)推動省間和省內(nèi)輔助服務(wù)市場建設(shè)，調(diào)動儲能、分布式、可調(diào)節(jié)負荷等各類資源提供服務(wù)的積極性。

2.從調(diào)度大電網(wǎng)到輸配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度。

隨著高比例新能源的接入，尤其是分布式電源的大規(guī)模并網(wǎng)，對配電網(wǎng)的調(diào)度管理提出了更高要求。在技術(shù)手段上，地、縣調(diào)要通過調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備運行信息的感知，實現(xiàn)對分布式電源的可觀、可測、可調(diào)、可控，實現(xiàn)對可調(diào)節(jié)負荷的精準控制，配電網(wǎng)將變得更加友好和透明。在調(diào)度管理上，分布式電源外送的輸變電設(shè)備也將納入調(diào)度管理范圍，在檢修計劃、方式安排、應(yīng)急處置等方面，省調(diào)與地、縣調(diào)的聯(lián)系將更加緊密，實現(xiàn)輸配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度。

3.從以省調(diào)作為新能源調(diào)度主體到省地兩級調(diào)度作為新能源調(diào)度主體。

集中式新能源場站接入的電壓等級從35千伏到220千伏，這一組電壓等級恰好是省、地兩級調(diào)度的調(diào)管范圍。實際運行中，對于風(fēng)電機組和光伏單元，往往是由省調(diào)牽頭負責(zé)從前期并網(wǎng)手續(xù)到后期運行管理的各項工作，并直接調(diào)度其有功出力，地調(diào)負責(zé)新能源站內(nèi)升壓設(shè)備的調(diào)度和管理。分布式電源多采用自發(fā)自用模式，調(diào)度很少進行干預(yù)。隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模的增加，一方面大量集中式新能源項目并網(wǎng)和運行已超過省調(diào)的業(yè)務(wù)承載能力，部分集中式新能源場站的調(diào)度管理業(yè)務(wù)需要下放給地調(diào)。另一方面，分布式和微電網(wǎng)的發(fā)展強化了地調(diào)對新能源的管理，地調(diào)在分布式電源的調(diào)度管理上應(yīng)承擔(dān)更多的責(zé)任。因此，省、地兩級調(diào)度都會成為新能源調(diào)度的主體。

相關(guān)建議

1.嚴守安全底線，充分發(fā)揮省調(diào)在保障新型電力系統(tǒng)安全運行方面的支撐作用。

在保障電力供應(yīng)方面，省級電網(wǎng)作為獨立控制區(qū)的運行模式將長期存在，省級電網(wǎng)調(diào)度作為電網(wǎng)平衡控制的主體，承擔(dān)著保障供需平衡和電力供應(yīng)的職責(zé)。應(yīng)以省調(diào)為主體，構(gòu)建源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制體系，完善平衡支撐手段，將現(xiàn)有平衡模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿婵紤]各類資源的一二次能源綜合平衡。在保障安全穩(wěn)定方面，深化對大電網(wǎng)穩(wěn)定機理的認識，尤其要考慮大規(guī)模集中式和分布式新能源、可控負荷、儲能接入后對電網(wǎng)穩(wěn)定特性的影響，改變傳統(tǒng)上只考慮高電壓等級、忽視低電壓等級的不足，實現(xiàn)輸配電網(wǎng)、源荷儲的精細化建模，形成對新型電力系統(tǒng)的態(tài)勢感知和控制決策能力。

2.加強地縣調(diào)管理，打造省地縣融合的新型調(diào)度體系。

隨著整縣分布式光伏的建設(shè)推進和微電網(wǎng)、虛擬電廠的接入，地縣調(diào)將在新能源調(diào)度運行中發(fā)揮越來越重要的作用。地縣調(diào)應(yīng)加快建設(shè)適應(yīng)有源配電網(wǎng)調(diào)控運行的技術(shù)支持系統(tǒng)，并因地制宜探索各類數(shù)據(jù)接入方式，實現(xiàn)分布式、負荷、微網(wǎng)等各類可控資源的可觀、可測、可調(diào)和可控，并與省調(diào)負荷預(yù)測、新能源功率預(yù)測、有功/無功自動控制等技術(shù)支持系統(tǒng)實現(xiàn)銜接。在管理上也要建立省、地、縣一體化的運行管控體系，實現(xiàn)各級調(diào)度業(yè)務(wù)的深度融合。

3.提升系統(tǒng)韌性，做好應(yīng)對極端事件和極端情況的準備。

隨著新能源逐漸成為電力和電量供應(yīng)的主體，之前對電網(wǎng)影響較小或只有局部影響的事件可能成為嚴重威脅電網(wǎng)安全的事件。例如，強烈低溫寒潮天氣會導(dǎo)致大量風(fēng)機因氣溫過低而停機，對于一個省級電網(wǎng)而言，短時間內(nèi)的功率波動可能達到風(fēng)電裝機的50%~70%，輕則影響電網(wǎng)供電平衡，重則威脅到電網(wǎng)的安全運行。部分地區(qū)夏季“極熱無風(fēng)”特性明顯，對于目前的電力系統(tǒng)這種影響并不顯著，而一旦新能源成為電量主體，這種影響極可能導(dǎo)致電網(wǎng)供電能力不足。面對可能產(chǎn)生嚴重后果的小概率事件，省級調(diào)度必須提升電力系統(tǒng)的韌性，做好應(yīng)對極端事件的準備，這也是未來必須面對和解決的課題。