多元融合高彈性電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

周兵凱，楊曉峰，李繼成，農(nóng)仁飚，陳 騫

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題日益突出，大規(guī)模新能源發(fā)電及大容量儲能系統(tǒng)等的快速發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被提出[1-3]，主要目標(biāo)是將新能源發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模接入電網(wǎng)中，減少化石能源的利用，實(shí)現(xiàn)電能的優(yōu)化管理及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型[4-6]。目前能源互聯(lián)網(wǎng)的研究尚處于初級階段，在系統(tǒng)級最優(yōu)化運(yùn)行控制、硬件設(shè)備設(shè)計(jì)和新型電力市場等多方面還存在諸多問題：如何實(shí)現(xiàn)間歇式新能源的平滑接入、高效存儲的關(guān)鍵設(shè)計(jì)；如何提升“源-網(wǎng)-荷-儲”之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行能力；如何改善電力系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)，使能源互聯(lián)網(wǎng)輸出的電能質(zhì)量滿足用戶要求等[7-10]。

為此，國網(wǎng)浙江省電力有限公司首次提出了“建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合的高彈性電網(wǎng)”的解決方案[11]，有力推動電力互聯(lián)網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。同時(shí)應(yīng)用“大云物移智鏈”和5G 通信等技術(shù)賦能信息化電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化，提高電網(wǎng)輔助服務(wù)能力，提升運(yùn)行效益的目標(biāo)[12-13]。此外，多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)將有效提升未來電網(wǎng)的核心能力，同時(shí)具備互動資源充足、運(yùn)行調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、綜合能效優(yōu)等典型特征。因此，發(fā)展多元融合高彈性電網(wǎng)將成為未來電網(wǎng)智能化、多元化及穩(wěn)定化的重要實(shí)現(xiàn)途徑之一。

為更好促進(jìn)多元融合高彈性電網(wǎng)發(fā)展，本文從建設(shè)的必要性、核心能力和基本特征、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢及未來研究方向等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析與闡述，為業(yè)內(nèi)同仁開展多元融合高彈性電網(wǎng)相關(guān)研究工作提供參考。

1 多元融合高彈性電網(wǎng)的內(nèi)涵及其建設(shè)必要性

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下的多元融合高彈性電網(wǎng)

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的一種典型形態(tài)，多元融合高彈性電網(wǎng)具有海量資源喚醒、源-網(wǎng)-荷-儲全交互、安全效率雙提升等多方面的優(yōu)勢。多元融合高彈性電網(wǎng)不僅可降低組網(wǎng)設(shè)備冗余占比，而且應(yīng)用“大云物移智鏈”等先進(jìn)技術(shù)手段，深度開發(fā)和充分釋放電網(wǎng)潛力，豐富電網(wǎng)安全運(yùn)行的調(diào)控手段，提升了電網(wǎng)的安全水平和系統(tǒng)運(yùn)行效率。

多元融合高彈性電網(wǎng)的構(gòu)建并非目前各種能源的簡單組合體，而是能源網(wǎng)系統(tǒng)級發(fā)展演變的高級形態(tài)，是新能源大規(guī)模開發(fā)、大范圍智能化配置、實(shí)現(xiàn)資源高效利用的基礎(chǔ)性平臺。多元融合高彈性電網(wǎng)將全面提升資源優(yōu)化配置能力和電網(wǎng)安全性，使新能源的大規(guī)模接入、傳輸和消納得到充分的滿足，從根本和源頭上解決棄光、棄風(fēng)等問題。

多元融合高彈性電網(wǎng)從能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)、市場等多個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)力，從煤、油、氣等傳統(tǒng)能源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕履茉礊橹鲗?dǎo)、電能為核心傳輸載體、各單元互通互聯(lián)的新型能源體系，從而實(shí)現(xiàn)綠色、高效、低碳、清潔的能源創(chuàng)新型發(fā)展新道路。多元融合高彈性電網(wǎng)的全面建成既適應(yīng)了當(dāng)今我國能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，并將有力地促進(jìn)我國打造“新時(shí)代國家電網(wǎng)全面展示具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的重要窗口”主陣地的發(fā)展進(jìn)程。

1.2 多元融合高彈性電網(wǎng)的建設(shè)必要性

鑒于電網(wǎng)日益增多的非理想干擾因素對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的挑戰(zhàn)，以及自然因素所導(dǎo)致的重大危害事件威脅，電網(wǎng)的“柔性”和“彈性”概念被相繼提出。前者主要指電網(wǎng)高度可調(diào)的能力，后者側(cè)重危害事件發(fā)生時(shí)的可恢復(fù)性[14]。近年來全球電網(wǎng)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電力系統(tǒng)受自然災(zāi)害影響較為突出。如地震、海嘯、冰災(zāi)等極端自然災(zāi)害，直接影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。1986 年以來，全球十大成本最為高昂的自然災(zāi)害中，中國就占了3 席[15-17]。此外，信息網(wǎng)的不斷融合發(fā)展也使傳統(tǒng)電網(wǎng)中輸電、配電、用電等部分產(chǎn)生新的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致從公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)對電力基礎(chǔ)設(shè)施的入侵和攻擊成為可能。并且隨著電力信息物理系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模增大、復(fù)雜性增加、攻擊電力終端設(shè)備的技術(shù)手段和風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加與擴(kuò)大。因此，為進(jìn)一步提升新時(shí)代電網(wǎng)的可靠性與安全性，降低各種不確定因素、高危害事件的惡劣影響，建設(shè)高彈性電網(wǎng)已經(jīng)成為新時(shí)代下社會發(fā)展的必然趨勢。

此外，隨著新能源汽車，煤改電等能源技術(shù)的快速發(fā)展，電能逐漸變成廣泛的終端能源消費(fèi)形式[18]，因此，確保安全可靠的電能供應(yīng)是保障國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的必然要求。在此大背景下，多元融合高彈性電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，典型主體架構(gòu)如圖1 所示。其作為建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心載體，應(yīng)用“大云物移智鏈”等技術(shù)手段賦能電網(wǎng)，從根本上優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、多元性及輔助服務(wù)能力，提升運(yùn)行效益。

圖1 多元融合高彈性電網(wǎng)系統(tǒng)的主體架構(gòu)

從圖1 可以看出，多元融合高彈性電網(wǎng)以傳統(tǒng)能源的大電網(wǎng)為主干，廣泛接入風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電及儲能單元，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，將網(wǎng)內(nèi)各組成單元的運(yùn)行信息、狀態(tài)等傳遞至電網(wǎng)的監(jiān)控中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其集監(jiān)測、預(yù)警、決策等功能于一體的智能化管理系統(tǒng)。同時(shí)，在多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展中，應(yīng)開展網(wǎng)絡(luò)攻擊的防護(hù)策略研究。在對輸配用業(yè)務(wù)范圍下可能受到的網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，提出相應(yīng)安全防護(hù)策略，提升多元融合高彈性電網(wǎng)運(yùn)行安全性，降低網(wǎng)絡(luò)攻擊、網(wǎng)絡(luò)入侵非法操作等對用戶用電安全產(chǎn)生的不利影響，對保障電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行以及全社會用電安全具有積極深遠(yuǎn)的意義。針對協(xié)同網(wǎng)絡(luò)攻擊引發(fā)的電網(wǎng)級聯(lián)故障進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警和辨識，將有助于電力信息物理系統(tǒng)在遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)維持并恢復(fù)其正常功能，增強(qiáng)電網(wǎng)彈性與韌性；借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者深度學(xué)習(xí)算法對檢測機(jī)制性能進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合區(qū)塊鏈和云計(jì)算技術(shù)的分布式安全及高性能特性，顯著增強(qiáng)了未來高彈性電網(wǎng)系統(tǒng)有效防御信息竊取和網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力。多元融合高彈性電網(wǎng)亦包含規(guī)模不一的微電網(wǎng)以及分布式電源等自治單元，通過單元中的電源終端、負(fù)荷終端對信息進(jìn)行的實(shí)時(shí)收集上傳，實(shí)現(xiàn)從下到上分散自治能量流動優(yōu)化管理[19]。與此同時(shí)，通過擴(kuò)大各單元間的信息互聯(lián)、能源互通，發(fā)揮廣域內(nèi)分布式電源及可再生新能源的互補(bǔ)性，進(jìn)一步提高多元融合高彈性電網(wǎng)系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性與安全性。

2 多元融合高彈性電網(wǎng)的基本特征及應(yīng)用場景

2.1 基本特征

2.1.1 彈性電網(wǎng)的高承載力

承載力是指電網(wǎng)承受外界擾動的能力。一方面可以理解為電網(wǎng)應(yīng)對沖擊的能力，電網(wǎng)遭受的廣義沖擊包括極端自然災(zāi)害、嚴(yán)重系統(tǒng)故障、恐怖襲擊或人為破壞，以及誤操作等小概率而影響較大的事件[20]。另一方面，類比材料學(xué)的“韌性”定義，可理解為電網(wǎng)所能承受的極限能力的指標(biāo)[14]。

實(shí)際上，電力、天然氣、交通以及供水系統(tǒng)等能源系統(tǒng)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之間不可避免的存在耦合關(guān)系。如燃?xì)狻⒐┧到y(tǒng)的運(yùn)輸管道受損，即使燃?xì)廨啓C(jī)正常，但是燃?xì)夂凸┧袛?，也無法繼續(xù)為電網(wǎng)供電[21]。彈性電網(wǎng)旨在統(tǒng)籌能源系統(tǒng)及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，提高電網(wǎng)整體的資產(chǎn)利用率和承載能力。此外，高彈性電網(wǎng)具備更穩(wěn)定的送端及受端電網(wǎng)，其可承載性能大大增強(qiáng)，形成“強(qiáng)交/強(qiáng)直”的特高壓輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大容量、大范圍新能源的跨地域、超遠(yuǎn)程、高效能輸送，明顯提升不同區(qū)域之間電力交換和承載力。

2.1.2 多元融合電網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”高互動

近年來?xiàng)夛L(fēng)、棄光等現(xiàn)象仍然存在，影響了新能源發(fā)電等并網(wǎng)能力[22]。發(fā)揮多元融合電網(wǎng)資源整合平臺的配置作用是解決這一難題的重要措施。多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)增強(qiáng)了“源-網(wǎng)-荷-儲”互動管理，改變傳統(tǒng)電網(wǎng)單一的適應(yīng)負(fù)載變化模式，實(shí)現(xiàn)“更加綠色安全的電力供應(yīng)、更加經(jīng)濟(jì)高效的電力消費(fèi)、更加互動共贏的電力服務(wù)”的目標(biāo)，其中，“源-網(wǎng)-荷-儲”高互動結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 “源-網(wǎng)-荷-儲”互動示意

多元融合高彈性電網(wǎng)通過充分發(fā)揮網(wǎng)內(nèi)各類資源特性，促進(jìn)新能源高效消納，推動“源荷互動、源網(wǎng)互動、網(wǎng)荷互動、網(wǎng)儲互動”的高互動能力多元電網(wǎng)的發(fā)展[23]。重點(diǎn)建立“源-網(wǎng)-荷-儲”在線互動智能化管控平臺，保障新能源的大量廣泛接入，并兼顧大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送要求。多元融合高彈性電網(wǎng)著力打造三大系統(tǒng)：一是建設(shè)大規(guī)?；酉到y(tǒng)，開發(fā)終端管理模塊，在負(fù)荷和海量資源信息分類基礎(chǔ)上實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度管理；二是建設(shè)大型安全控制系統(tǒng)，及時(shí)感知、預(yù)警、處理局部故障，并在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)實(shí)施負(fù)荷與發(fā)電快速協(xié)同控制；三是建設(shè)信息互動集成通信系統(tǒng)，及時(shí)感知電網(wǎng)狀態(tài)變化和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”等多環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的集合與共享[24]。

2.1.3 彈性電網(wǎng)的高自愈性

高自愈性指能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障，對電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性、可靠性實(shí)時(shí)評估、判斷，自動恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，避免大面積停電事故。高自愈彈性電網(wǎng)至少應(yīng)包含以下功能：一是實(shí)時(shí)或超實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時(shí)預(yù)測功能，提供緊急情況下的決策支持；二是自適應(yīng)分布控制功能，促進(jìn)電網(wǎng)靈活運(yùn)行[25]。

彈性電網(wǎng)高自愈性體現(xiàn)在以分布式電源相互協(xié)同為手段，以不失或少失負(fù)荷為目標(biāo)，保障電網(wǎng)在正常穩(wěn)定工況下的全局協(xié)同或局部協(xié)同[26]。多源協(xié)同自愈控制是高彈性電網(wǎng)完成自愈功能的重要措施，涵蓋了供電區(qū)域的科學(xué)規(guī)劃、運(yùn)行模式切換、故障下安全運(yùn)行等關(guān)鍵步驟，兼顧高彈性電網(wǎng)在自愈進(jìn)程中的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性。當(dāng)受到干擾發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)，彈性電網(wǎng)將在最短的時(shí)間內(nèi)消除故障，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行狀態(tài)或在損失部分供電的狀況下關(guān)鍵部分的持續(xù)運(yùn)行。

2.1.4 彈性電網(wǎng)的高效能

高彈性電網(wǎng)有著電力流、信息流及業(yè)務(wù)流多元素強(qiáng)融合的顯著優(yōu)勢，它利用各種新能源，使電網(wǎng)系統(tǒng)更加清潔高效。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）高彈性電網(wǎng)具備更優(yōu)的資源配置功能，送端及受端網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性強(qiáng)，可承載性能顯著提升，有效實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源的跨區(qū)高效輸送[27-28]。

（2）高彈性電網(wǎng)能夠最大化利用不同資源的特點(diǎn)，科學(xué)統(tǒng)籌系統(tǒng)設(shè)備，采取需求側(cè)管理的方式提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率，提升經(jīng)濟(jì)效益。

（3）高彈性電網(wǎng)采用先進(jìn)的通信管理技術(shù)，綜合管理電網(wǎng)信息、維護(hù)以及監(jiān)控工作，提升電能利用效率，減少資源浪費(fèi)。

2.2 典型應(yīng)用場景

隨著世界各國對能源互聯(lián)網(wǎng)支持力度不斷加大，近年來涌現(xiàn)出許多新技術(shù)，使能源開發(fā)配置等更加高效。

建設(shè)規(guī)劃方面，能源解決方案供應(yīng)商基于實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶需求、環(huán)境狀況等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，助力企業(yè)開展新能源規(guī)劃選址。例如，基于智能傳感和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)時(shí)收集風(fēng)電企業(yè)的風(fēng)電場數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和模擬數(shù)據(jù)等，結(jié)合地理位置、環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析，提供風(fēng)電場規(guī)劃、風(fēng)能資源評估與選址等技術(shù)解決方案。

能源傳輸運(yùn)營方面，能源集成服務(wù)商借助智能傳感和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)的故障監(jiān)測與預(yù)判。例如，南瑞公司開發(fā)的輸電線路分布式故障診斷系統(tǒng)，通過分布式線路監(jiān)測設(shè)備、安全接入平臺、APP 服務(wù)器和移動終端等，實(shí)時(shí)監(jiān)測輸電線路，自動記錄故障時(shí)的導(dǎo)線溫度、工頻電量等，將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到監(jiān)控運(yùn)維中心分析，開展全網(wǎng)負(fù)載狀況評價(jià)、故障診斷和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[29]。

能源管理調(diào)度方面，能源綜合服務(wù)商統(tǒng)籌規(guī)劃能源供給側(cè)、負(fù)荷側(cè)及儲能側(cè)的管理與控制，提高綜合能效。例如，協(xié)鑫集團(tuán)的智慧能源中心，借助大數(shù)據(jù)、微網(wǎng)等技術(shù)手段將分布式發(fā)、輸、配、用、儲電融合，把氣、光、風(fēng)、熱等各種能源融合，根據(jù)用電需求統(tǒng)籌調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多類型能源的集成和有效互補(bǔ)，提高了能源利用率[30]。

能源數(shù)據(jù)分析方面，能源運(yùn)營企業(yè)以智能傳感器為媒介獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)和用能設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)對經(jīng)濟(jì)趨勢、政策成效等的評估。例如，國家電網(wǎng)重點(diǎn)打造基于電力大數(shù)據(jù)的能源公共服務(wù)建設(shè)與應(yīng)用工程，結(jié)合工業(yè)、民用電力數(shù)據(jù)，預(yù)測區(qū)域和行業(yè)的經(jīng)濟(jì)走向和發(fā)展動態(tài)；通過電力使用情況有效識別房屋空置狀況，支持政府宏觀調(diào)控房地產(chǎn)市場等。

多元融合高彈性電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，主要應(yīng)用在建設(shè)規(guī)劃、能源傳輸運(yùn)營、管理調(diào)度、數(shù)據(jù)分析等方面，打破了供電、供氣、供熱/冷獨(dú)立運(yùn)行和規(guī)劃的時(shí)空格局，有效改善能源系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，多種能源的統(tǒng)籌規(guī)劃可在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，降低冗余備用，提高設(shè)施利用率。未來發(fā)展需要重點(diǎn)在升級電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提升協(xié)調(diào)控制水平、增強(qiáng)新能源消納能力、深度挖掘儲能潛力、拓展綜合能源供應(yīng)、完善能源電力市場、深化人工智能等方面實(shí)現(xiàn)突破[31]。多元融合高彈性電網(wǎng)將為我國產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級賦能，成為未來新型能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

3 多元融合高彈性電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多元融合高彈性電網(wǎng)的系統(tǒng)級模型構(gòu)建技術(shù)

在多元融合高彈性電網(wǎng)系統(tǒng)級模型構(gòu)建中，既要根據(jù)風(fēng)機(jī)、光伏、熱電聯(lián)產(chǎn)、儲能設(shè)備等運(yùn)行特性分別建立數(shù)學(xué)模型，也要構(gòu)建電、熱、氣等多能流潮流，因而模型構(gòu)建具有高維數(shù)、非凸非線性等特點(diǎn)。結(jié)合獨(dú)立模型特點(diǎn)，采取相應(yīng)的模型簡化和求解算法，目前主要有：對部分非線性約束條件線性化以建立混合整數(shù)線性規(guī)劃模型[32]；進(jìn)行連續(xù)、整數(shù)變量解耦，分解大規(guī)模問題，分塊迭代求解[33]；利用智能算法求解模型中的多目標(biāo)問題[34]。同時(shí)，彈性電網(wǎng)的分析要注重搭建科學(xué)合理的框架，收集電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息，重視電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行特征，在此基礎(chǔ)上建立電網(wǎng)潮流數(shù)學(xué)模型；特別要重視脆弱模型的簡化，并對簡化電網(wǎng)脆弱模型可應(yīng)用的彈性條件加以驗(yàn)證，最大化地降低彈性評估中計(jì)算復(fù)雜度[35]。

3.2 高效運(yùn)行控制技術(shù)

多元融合高彈性電網(wǎng)的能量變換和信息交互是相對獨(dú)立的過程，兩者的協(xié)調(diào)運(yùn)行是高效調(diào)控電能的關(guān)鍵[36]。

在系統(tǒng)運(yùn)行部分，宏觀層面上形成新能源發(fā)電與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電出力的優(yōu)化組合，通過新能源發(fā)電、儲能等技術(shù)，引導(dǎo)用戶負(fù)荷主動追蹤發(fā)電側(cè)出力。微觀層面上，通過儲能模塊內(nèi)部自動充放電調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各模塊的內(nèi)部自優(yōu)化，提高可控性。在運(yùn)行通信部分，實(shí)現(xiàn)信息流在各能源模塊間的雙向自由流動，對收集到的模塊數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初步分類后，輸入云端信息處理單元，滿足用戶的初級數(shù)據(jù)需求[37]。在云端信息處理部分，需把能源供應(yīng)模塊、能源網(wǎng)絡(luò)模塊以及能源需求的數(shù)據(jù)信息匯總，反饋到優(yōu)化模塊來制定系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行計(jì)劃。并在較大時(shí)間尺度上，將全能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息反饋到系統(tǒng)能源規(guī)劃模塊中，以進(jìn)一步循環(huán)優(yōu)化、修正系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)。

同時(shí)，在多元融合高彈性電網(wǎng)中，能量流通互補(bǔ)技術(shù)的探索尤為重要，目前主要聚焦于控制策略與控制技術(shù)研究方面[38]，控制策略主要指多類型能源發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方案等；控制技術(shù)主要指以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的非傳統(tǒng)控制策略及模型，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制、電網(wǎng)自愈自動控制、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制、接入端口控制技術(shù)等。

3.3 柔性直流輸電技術(shù)

在電能輸送方面，柔性直流輸電技術(shù)能夠靈活控制電網(wǎng)系統(tǒng)潮流，解耦有功功率和無功功率，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電壓幅值，因此滿足多元融合高彈性電網(wǎng)中大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨骩39]。目前柔性直流輸電以500～800 kV，3～5 GW 級為主，而具有更佳絕緣特性、更高電壓、更大容量的特高壓柔性直流輸電亟待發(fā)展完善[40]。在多元融合高彈性電網(wǎng)框架下建設(shè)特高壓柔性直流輸電骨干網(wǎng)，需綜合統(tǒng)籌多元融合高彈性電網(wǎng)規(guī)劃和電網(wǎng)架構(gòu)等方面的理論，重點(diǎn)研制特高壓柔性直流換流器、直流斷路器、直流電纜、變壓器、潮流控制器等關(guān)鍵基礎(chǔ)核心設(shè)備技術(shù)?，F(xiàn)階段已經(jīng)步入柔性直流輸電的快速發(fā)展期，柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)和不斷完善，將對未來多元融合高彈性電網(wǎng)的建設(shè)生態(tài)帶來深刻影響。

3.4 故障容錯(cuò)與恢復(fù)技術(shù)

近年來，圍繞多元數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)為基礎(chǔ)的電網(wǎng)故障判別與恢復(fù)技術(shù)已開展了廣泛的理論研究工作。在對多元數(shù)據(jù)信息源完成單獨(dú)的診斷基礎(chǔ)上，實(shí)施系統(tǒng)整體故障性診斷，但上述診斷結(jié)果解釋性不強(qiáng)，且多元數(shù)據(jù)信息未得到充分利用[41]。在多元融合高彈性電網(wǎng)中，系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的智能化采集技術(shù)較為成熟，可在調(diào)度端獲得診斷單元所需的各類數(shù)據(jù)信息，為電網(wǎng)故障診斷提供了有利條件。因此，應(yīng)考慮從電網(wǎng)、設(shè)備、生態(tài)及社會環(huán)境等方面出發(fā)，在多元化分布數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)的冗余性識別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、改善誤差數(shù)據(jù)，增補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)多元融合高彈性電網(wǎng)故障全過程的精確分析、定位、判斷與處理。

在未來多元融合高彈性電網(wǎng)中，分布式電源的靈活接入、多變壓器運(yùn)行方式帶來的雙向潮流、系統(tǒng)阻抗變化等問題也會給繼電保護(hù)帶來挑戰(zhàn)和發(fā)展契機(jī)[42]。多元融合高彈性電網(wǎng)可借助新型傳感器技術(shù)獲取反饋量，簡化了保護(hù)算法，縮短了數(shù)據(jù)處理時(shí)間[43]。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對電網(wǎng)故障特性進(jìn)行了大量研究，并對控制系統(tǒng)、接地方式、換流器閉鎖時(shí)間等多種影響因素進(jìn)行考慮，同時(shí)建立了較為精確的故障暫態(tài)模型[44]。

3.5 儲能技術(shù)

儲能技術(shù)被認(rèn)為是應(yīng)對電網(wǎng)負(fù)荷波動問題的重要手段，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的持續(xù)關(guān)注[45]。據(jù)CNESA 全球儲能項(xiàng)目庫不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019 年底，我國已投運(yùn)儲能累計(jì)規(guī)模為32.4 GW，占全球總規(guī)模的17.6%。大規(guī)模儲能與新能源發(fā)電的協(xié)同規(guī)劃與調(diào)度是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)級儲能應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵問題，間歇式新能源并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性所面臨的新挑戰(zhàn)為儲能的大批量規(guī)?；瘧?yīng)用提供了新的發(fā)展機(jī)遇，作為一種可靈活分配的資源是目前解決可再生新能源發(fā)電不確定性和波動性問題的有效方案之一[46-47]。

此外，大規(guī)?？稍偕履茉床⒕W(wǎng)要求系統(tǒng)提升其調(diào)頻能力以及負(fù)荷的跟蹤備用能力，而針對這兩個(gè)問題，儲能技術(shù)需要達(dá)到充放電周期為分鐘至小時(shí)級，適用的儲能技術(shù)包括鎳鎘電池、鋰離子電池、鉛酸電池等。同時(shí)，新能源設(shè)備的大量投入也面臨著如何使基荷機(jī)組進(jìn)行有效組合的艱難挑戰(zhàn)，這就要求儲能的充放電周期為小時(shí)至日級，適用的儲能方案主要有抽水蓄能、鈉硫電池等。此外，超級電容儲能作為當(dāng)前較為成熟的儲能技術(shù)之一，已廣泛地應(yīng)用在諸多國家電力系統(tǒng)中[48-51]。

3.6 資源開發(fā)技術(shù)

資源開發(fā)技術(shù)可在一定能源區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、整體設(shè)計(jì)規(guī)劃，并且能夠因地制宜地分配區(qū)域內(nèi)的多種資源。在初步規(guī)劃階段，重點(diǎn)分析資源開發(fā)利用模式，確定傳統(tǒng)化石能源和光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電容量及選址，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的資源開發(fā)和高效利用方案，以確保后續(xù)開發(fā)的合理性[52]。未來的多元融合高彈性電網(wǎng)中，將以現(xiàn)有智能電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)進(jìn)構(gòu)建軟件平臺和信息處理分析系統(tǒng)。在能量管理優(yōu)化模型方面，由于新能源廣泛接入，能量流動將從輻射狀的簡單形式轉(zhuǎn)化為多向流動的復(fù)雜形式，將大幅增加能量管理建模的難度與可實(shí)施性[53-54]，同時(shí)這也給資源開發(fā)技術(shù)研究帶來挑戰(zhàn)。結(jié)合多元融合高彈性電網(wǎng)的特點(diǎn)，將能源生產(chǎn)、存儲、輸送和終端利用等環(huán)節(jié)的信息流與能量流相互融合，通過統(tǒng)籌整個(gè)能源層面的深度挖掘和合理化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)能源供需側(cè)的協(xié)同匹配，優(yōu)化資源利用梯級，從而使能源資源開發(fā)利用率得到顯著的提升。

3.7 電力市場機(jī)制優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)電力市場機(jī)制研究多基于固定時(shí)間內(nèi)的特定用戶開展定量分析。由于多元融合高彈性電網(wǎng)的多樣性用戶、海量數(shù)據(jù)信息、復(fù)雜用能行為，傳統(tǒng)研究方法適用場景受限，并存在精度、魯棒性差等問題。因此有必要通過對全網(wǎng)終端用戶的能源消費(fèi)特征分析，依托海量用戶數(shù)據(jù)綜合制定多元融合高彈性電網(wǎng)下的電力市場機(jī)制。一方面，為實(shí)現(xiàn)終端用戶用能特點(diǎn)和消費(fèi)行為的精準(zhǔn)預(yù)測，需要以電、氣、熱等海量多時(shí)空異構(gòu)資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以成本、供需、效率等為指標(biāo)的綜合評價(jià)方法，構(gòu)建計(jì)量模型、智能預(yù)測模型等。另一方面，探究人工智能與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建立特定用戶個(gè)體及用戶群體標(biāo)簽化能源消費(fèi)模型中的作用，并開展能源消費(fèi)數(shù)據(jù)的多維度研究，探討智能化的供用電方案，提供數(shù)據(jù)信息增值等服務(wù)。

綜上，在多能消費(fèi)特征預(yù)測、能源交易模式等方面，當(dāng)前仍存在多能負(fù)荷不確定性導(dǎo)致的預(yù)測量化困難、主體間能源交易效率低、協(xié)調(diào)互補(bǔ)能力弱、數(shù)據(jù)信息交流不暢等問題[55]。因此需研究精確多能預(yù)測、先進(jìn)交易模式、用戶響應(yīng)優(yōu)化等技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)多元融合高彈性電網(wǎng)的電力市場機(jī)制優(yōu)化提供有力的技術(shù)和理論支撐。

3.8 “大云物移智鏈”信息技術(shù)

在多元融合高彈性電網(wǎng)的技術(shù)框架下，將云端信息計(jì)算處理與大數(shù)據(jù)技術(shù)深度結(jié)合，詳細(xì)示意如圖3 所示。在微觀角度上，利用移動互聯(lián)網(wǎng)、通信、云存儲和大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)，滿足未來電網(wǎng)發(fā)展的信息化、智能化、海量數(shù)據(jù)存儲與融合交互等業(yè)務(wù)需求，同時(shí)讓用戶無論在何時(shí)何地，都可按自身實(shí)際需求訂制并獲取相關(guān)信息服務(wù)，便捷地掌握能源資源信息[56]。另一方面，利用大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，對用戶用能習(xí)慣進(jìn)行精確分析，為用戶量身定制和推送能源綜合利用優(yōu)化方案。在宏觀角度上，云端大數(shù)據(jù)技術(shù)擔(dān)任集數(shù)據(jù)信息匯總、計(jì)算、分析、交流于一體的綜合化職能，是銜接各技術(shù)單元的關(guān)鍵[52]。建設(shè)前期，將能源規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總到云端，利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、分析及展現(xiàn)技術(shù)評估建設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并結(jié)合廣域能源優(yōu)化配置技術(shù)，制定全面的優(yōu)化建設(shè)方案。在系統(tǒng)運(yùn)行中，云端也可同時(shí)收集各能源模塊間的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)分析模擬仿真技術(shù)為手段，預(yù)測能源模塊間的能量流，聯(lián)合多能流互補(bǔ)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)度并優(yōu)化能源資源分配[57]。

圖3 電網(wǎng)發(fā)展整體趨勢及所需關(guān)鍵技術(shù)

然而，網(wǎng)內(nèi)物理設(shè)備的控制高度依賴于數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，若信息系統(tǒng)受到外來攻擊，容易引發(fā)電網(wǎng)內(nèi)復(fù)雜的物理交互，進(jìn)而威脅系統(tǒng)的安全，此問題即信息物理安全性[58]。目前主要以潮流等靜態(tài)分析工具為智能電網(wǎng)信息物理安全的研究基礎(chǔ)，本質(zhì)上分離了物理安全和信息安全。多元融合高彈性電網(wǎng)涵蓋電力系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等諸多復(fù)雜系統(tǒng)[59]，有必要把上述系統(tǒng)置于統(tǒng)一框架內(nèi)開展全方位、多維度研究。針對網(wǎng)絡(luò)病毒、漏洞、虛假數(shù)據(jù)注入、竊聽等外部網(wǎng)絡(luò)攻擊手段及可能發(fā)生的大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)故障，需要深入探討應(yīng)對的信息物理安全防護(hù)措施，以及防護(hù)措施的有效協(xié)調(diào)與配合[60]。

3.9 整體規(guī)劃設(shè)計(jì)

多元融合高彈性電網(wǎng)的規(guī)劃體系應(yīng)注重整體性和科學(xué)性。為充分發(fā)揮多元融合高彈性電網(wǎng)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、開放互動等特性，系統(tǒng)層面的規(guī)劃設(shè)計(jì)需考慮供電的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及多電壓等級網(wǎng)絡(luò)的綜合協(xié)調(diào)和統(tǒng)一規(guī)劃[61-62]。在對區(qū)域內(nèi)資源分布和用戶能源需求進(jìn)行全面分析基礎(chǔ)上，綜合確定各環(huán)節(jié)的能源供需平衡、設(shè)備建造使用年限等規(guī)劃必備核心信息[63]。同時(shí)接納大規(guī)模新能源發(fā)電是能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主要任務(wù)，根據(jù)電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的耦合，利用較易于存儲的天然氣、熱能等，并以熱能形式儲存荷谷期過剩光伏、風(fēng)電能量，滿足用戶側(cè)多類型的用能需求[64]。在能源傳輸環(huán)節(jié)，由于大規(guī)模電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等耦合交錯(cuò)，應(yīng)合理規(guī)劃大型能源生產(chǎn)基地和負(fù)荷中心的地理位置分布[65]。此外，接入能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的難易程度也是需要考慮的因素，需就源、網(wǎng)環(huán)節(jié)開展協(xié)同規(guī)劃，以保障新能源就地消納和遠(yuǎn)距離傳輸效益。

4 研究展望

多元融合高彈性電網(wǎng)基于能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)進(jìn)行建設(shè)，是傳統(tǒng)能源、新能源及互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)相互滲透、相互融合的結(jié)果。作為未來能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式電源、儲能、負(fù)荷等的智能匯集區(qū)，多元融合高彈性電網(wǎng)有效提升了供電可靠性與能效，并能夠?qū)Α霸?網(wǎng)-荷-儲”開展智能化協(xié)調(diào)管理。對多元融合高彈性電網(wǎng)的發(fā)展建議如下：

（1）多元融合高彈性電網(wǎng)目前仍處于探索階段，在現(xiàn)有電網(wǎng)形式下，建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)需要綜合考慮安全、可靠、綠色可持續(xù)性及經(jīng)濟(jì)性等因素，因此不宜在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的重復(fù)建設(shè)，而應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮現(xiàn)有存量資源的深度挖掘和后續(xù)增量資源的有序開發(fā)。

（2）對建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下的多元融合高彈性電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)亟待開展系統(tǒng)深入的研究。主要包含運(yùn)行方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)建模、協(xié)調(diào)控制、故障識別與隔離等方面，還需兼顧系統(tǒng)運(yùn)行中的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)等問題，現(xiàn)階段宜集中精力開展基礎(chǔ)性理論、關(guān)鍵技術(shù)研究及典型示范應(yīng)用，為后續(xù)大規(guī)模工程化推廣提供充分的理論和技術(shù)支撐。

（3）集彈性傳感、先進(jìn)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、大云物移智鏈、控制與保護(hù)、計(jì)量功能一體化的先進(jìn)智能新裝備研發(fā)，是建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)必不可少的環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)也建議應(yīng)加強(qiáng)國際間合作，共同建立統(tǒng)一的工程標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 結(jié)語

能源技術(shù)、控制技術(shù)和先進(jìn)信息互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等為多元融合高彈性電網(wǎng)的建立和發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐和可靠保障，目前多元融合高彈性電網(wǎng)的建設(shè)正處于探索和典型示范應(yīng)用階段。本文主要分析了多元融合高彈性電網(wǎng)的概念、必要性、基本特征、核心能力以及建立多元融合高彈性電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和所面臨的問題，目的在于引起業(yè)界專家學(xué)者的關(guān)注，共同推進(jìn)多元融合高彈性電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為解決能源危機(jī)問題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。