區(qū)域多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)實(shí)景設(shè)計(jì)與探索

劉冰旖

摘 要：研究了區(qū)域高彈性電網(wǎng)建設(shè)實(shí)景設(shè)計(jì)與探索。結(jié)合浙江省電力公司提出的多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)思路及重點(diǎn)工作，依托選定區(qū)資源現(xiàn)狀，謀劃區(qū)域多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)綜合實(shí)景示范，從能源供給側(cè)綠色低碳、能源消費(fèi)側(cè)節(jié)約共享、能源網(wǎng)絡(luò)側(cè)智慧高效三方面設(shè)計(jì)綜合實(shí)景示范方案，提出自主彈性的需求響應(yīng)體系、智慧彈性的電力網(wǎng)絡(luò)體系、時空彈性的源荷互動體系促進(jìn)多能轉(zhuǎn)換高效利用以及社會綜合能效提升。

關(guān)鍵詞：高彈性;概念設(shè)計(jì);多元融合;區(qū)域示范

中圖分類號：TM73 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0047-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.010

Design and Exploration of Multi-Factor Integrated High-elstic Power Grid Construction in a Certain Area

LIU Bingyi

（State Grid Hangzhou Power Supply Company， Hangzhou 310000，China）

Abstract：Researched on the actual design and exploration of the regional high-elasticity electrical grid construction. Combined with the ideas and key tasks of the multi-factor integrated high-elasticity electrical grid constructions that Zhejiang Electric Power Corporation proposed， relying on the current situation of resources in the selected area， Plan a comprehensive exterior demonstration of the regional multi-factor integrated high-elasticity electrical grid constructions，Design a comprehensive demonstration program from three effective aspects： green and low carbon on the energy supply side， conservation and sharing on the energy consumption side， and intelligence and efficiency on the energy network side， propose that an autonomous elasticity demand response system， an intelligent elasticity electrical grid network system， and a spatiotemporal elasticity source-load interaction system all promote the high efficiency of converting multi-energy and the improvement of social comprehensive energy efficiency.

Keywords： high elasticity;conceptual design;multi-factor integrated;regional demonstration

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)程不斷加快，日益增長的用能需求與緊缺的能源供應(yīng)矛盾不斷突出。面對能源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，習(xí)近平總書記從保障國家能源安全的全局高度提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略[1];黨的十九大會議指出要加快建立綠色生產(chǎn)和消費(fèi)的法律制度和政策導(dǎo)向，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系[2]，推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系[3]。七十五屆聯(lián)合國大會上習(xí)近平總書記向全世界表示，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[4]。中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議布置了“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”等重點(diǎn)工作[5]。

新一輪的能源革命正蓬勃興起。浙江省電力有限公司給出了“建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合高彈性電網(wǎng)”[6]這一解決方案，旨在破解電網(wǎng)安全、低碳和經(jīng)濟(jì)協(xié)同的難題[7]。多元融合高彈性電網(wǎng)是海量資源被喚醒、源網(wǎng)荷儲柔性互動、安全效率雙提升的電網(wǎng)[8]，其建設(shè)完全符合“雙碳”決策部署要求，是智能電網(wǎng)建設(shè)的延伸[9]，將有效提升未來電網(wǎng)的核心能力，同時具備互動資源充足、運(yùn)行調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、綜合能效優(yōu)等典型特征[10]?；谀茉椿ヂ?lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)思路及重點(diǎn)工作，筆者謀劃設(shè)計(jì)區(qū)域多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)綜合實(shí)景示范，以示范建設(shè)一體踐行“三個理念”和破解“三元矛盾”，打造能源互聯(lián)網(wǎng)“試驗(yàn)田”和多元融合高彈性電網(wǎng)“樣板間”。

1 選定區(qū)域現(xiàn)狀

選定區(qū)域位于浙江省杭州市，杭州屬于典型的能源受端城市，外來電占比80%以上。選定區(qū)域也是典型的大受端電網(wǎng)，核心地區(qū)外來電比例高達(dá)90%以上。選定區(qū)域本地電源以單機(jī)6 000 kW以下小電源為主，由于出力特性限制，主要小型電廠難以通過技術(shù)直接進(jìn)行發(fā)電出力調(diào)節(jié)，彈性資源差難以參與互動。選定區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)小型火電廠有燃煤熱電廠、生物智能（沼氣）發(fā)電廠、垃圾發(fā)電廠三種形式，但是受發(fā)電技術(shù)和政策制約，難以參與電網(wǎng)調(diào)度互動。區(qū)域內(nèi)10 kV及以上并網(wǎng)分布式光伏電站未配置協(xié)調(diào)控制類裝置，因此無法通過技術(shù)手段進(jìn)行發(fā)電參數(shù)調(diào)節(jié)，且相關(guān)發(fā)電管理機(jī)制、補(bǔ)償機(jī)制、獎勵機(jī)制正處于摸索試行階段，不足以支撐區(qū)域內(nèi)能源需求的高速提升。本地電源彈性調(diào)控能力不足，對安全綠色用能需求迫切。

從資源利用現(xiàn)狀來看，提出3方面改進(jìn)建議。一是可以充分利用區(qū)域內(nèi)閑散用戶資源，調(diào)用區(qū)域內(nèi)現(xiàn)存的用戶側(cè)屋頂光伏、儲能、備用發(fā)電機(jī)組等資源，用于降低用電高峰期線路重過載，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷尖峰就地補(bǔ)償。二是通過有效手段挖掘彈性負(fù)荷資源，建立有效的政策支撐與激勵機(jī)制，引導(dǎo)用戶或電動汽車有序差異化彈性用電，避免大量用戶集中用電，騰出電網(wǎng)的安全運(yùn)行裕度。三是建立深度融合的智慧能源網(wǎng)絡(luò)，提升光伏、儲能、發(fā)電機(jī)、電動汽車的智慧協(xié)同，制定有效的協(xié)同運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智慧能源電網(wǎng)的多能互補(bǔ)、多能協(xié)同。

筆者以設(shè)計(jì)區(qū)域多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)實(shí)景為目標(biāo)，從供給側(cè)、消費(fèi)側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)三側(cè)入手規(guī)劃綠色低碳、節(jié)約共享、智慧高效的能源生態(tài)，圍繞“源網(wǎng)荷儲”高效互動著力設(shè)計(jì)綠色能源新發(fā)展建設(shè)體系，設(shè)計(jì)多元融合高彈性電網(wǎng)的實(shí)景圖。

2 規(guī)劃目標(biāo)與方案

圍繞建成安全高效、互動開放、清潔低碳、活力智慧的多元融合高彈性電網(wǎng)示范目標(biāo)，從能源供給側(cè)綠色低碳、能源消費(fèi)側(cè)節(jié)約共享、能源網(wǎng)絡(luò)側(cè)智慧高效三方面設(shè)計(jì)綜合實(shí)景示范總體方案。

2.1 能源供給側(cè)綠色低碳

以綠色低碳的能源供給為示范區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，通過清潔能源輸送、新能源搭配儲能、綠電交易補(bǔ)償?shù)榷嘈问綄?shí)現(xiàn)能源供給零產(chǎn)碳。一是提升主網(wǎng)優(yōu)化工程，加快建設(shè)500 kV骨干網(wǎng)架，構(gòu)建松緊有度、疏密相間的220/110 kV網(wǎng)架，保障主網(wǎng)對綠色電的輸送力、消納力，暢通綠色能源大動脈。二是深入挖掘閑散屋頂資源，大力推廣分布式光伏建設(shè)，搭配空氣能、風(fēng)能等多種形式新能源，降低天氣因素影響，暢通綠色能源毛細(xì)血管，讓清潔能源充盈整個網(wǎng)絡(luò)。三是鼓勵5G基站、數(shù)據(jù)中心等用戶側(cè)儲能深入對接電源側(cè)儲能，提升儲能對間歇性光伏、風(fēng)電等清潔能源的儲備作用，在電網(wǎng)用電高峰發(fā)揮儲能削峰的積極效用。四是將區(qū)域內(nèi)所有業(yè)態(tài)融入綠電交易范圍，提升區(qū)域內(nèi)綠色清潔電占比。

2.2 能源消費(fèi)側(cè)節(jié)約共享

通過多能互補(bǔ)、節(jié)能減排、需求調(diào)配等手段打造選定區(qū)域節(jié)約共享的能源消費(fèi)路徑。一是打造多能互補(bǔ)生態(tài)，鼓勵出臺能源消費(fèi)價格引導(dǎo)機(jī)制，通過工業(yè)園區(qū)綜合能源、光儲充一體化建設(shè)，建立污水源熱泵、余熱回收、蓄冷蓄熱、光儲智能微電網(wǎng)耦合的多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)。二是搭建能源大數(shù)據(jù)共享共用云平臺，匯集油、電、氣、水等能源數(shù)據(jù)，科學(xué)預(yù)測用戶用能需求，精準(zhǔn)調(diào)控用戶用能形態(tài)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)能與耗能的有機(jī)平衡，助推清潔高效、多元互補(bǔ)、統(tǒng)籌發(fā)展的現(xiàn)代能源體系建設(shè)。三是推進(jìn)節(jié)能減排改造，通過社區(qū)用能智慧改造，實(shí)現(xiàn)多能全息感知、綠色節(jié)能管理、智慧安全用電的未來社區(qū)節(jié)約共享用電模板，通過建筑群空氣源冷熱交互系統(tǒng)建設(shè)，研發(fā)智慧用能系統(tǒng)、打造智慧用能服務(wù)體系，推動公共基礎(chǔ)設(shè)施零碳演變。四是倡導(dǎo)用戶主動開展低碳減排行為，推動政府出臺需求響應(yīng)激勵政策，通過價格激勵等方式引導(dǎo)用戶主動參與需求響應(yīng)，引導(dǎo)低碳綠色、彈性高效用能，在網(wǎng)荷互動中降低能耗。

2.3 能源網(wǎng)絡(luò)側(cè)智慧高效

通過建設(shè)供應(yīng)保障、節(jié)能降損、科技創(chuàng)新三張網(wǎng)，打造智慧高效的能源電力網(wǎng)絡(luò)。一是規(guī)劃建設(shè)靈活彈性、多供少損電力網(wǎng)架，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架跨壓、跨相互聯(lián)互濟(jì)，構(gòu)建能源交互新模式。二是全面應(yīng)用自動化手段提升網(wǎng)架資源主動配置和自主響應(yīng)能力，提升設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率，深化電能替代，減少一次化石能源輸出，減少二氧化碳、氮氧化物等氣體排放。三是依托線路動態(tài)增容、直流配電等技術(shù)手段，通過負(fù)荷均衡、負(fù)荷錯峰優(yōu)化、數(shù)字員工建設(shè)等方式強(qiáng)化負(fù)荷調(diào)控能力，降低電網(wǎng)運(yùn)行損耗。四是展望能源發(fā)展前沿技術(shù)，運(yùn)用柔性低頻供電系統(tǒng)與高溫超導(dǎo)輸電系統(tǒng)，建設(shè)多種元素支撐的多元互動直流微網(wǎng)系統(tǒng)，提升區(qū)域整體供電能力，減少能源損耗。

3 綠色能源新發(fā)展建設(shè)體系

為推動能源互聯(lián)網(wǎng)新發(fā)展、開創(chuàng)區(qū)域高彈性電網(wǎng)示范建設(shè)新局面，聚焦負(fù)荷側(cè)資源、電網(wǎng)側(cè)資源以及資源互動，提出自主彈性的需求響應(yīng)體系、智慧彈性的電力網(wǎng)絡(luò)體系、時空彈性的源荷互動體系，促進(jìn)多能轉(zhuǎn)換高效利用以及社會綜合能效提升。

3.1 自主彈性的需求響應(yīng)體系

深入挖掘負(fù)荷側(cè)資源，建立自主彈性需求響應(yīng)支撐體系，切實(shí)滿足度夏調(diào)峰、輸變電設(shè)備故障、分布式能源短時出力不足等場景的負(fù)荷需求，提高設(shè)備應(yīng)急調(diào)節(jié)能力，在一定程度上延緩電網(wǎng)投資，引導(dǎo)社會綠色用能，緩解電網(wǎng)供需矛盾。

①構(gòu)建全量需求響應(yīng)資源池，喚醒負(fù)荷側(cè)海量沉睡資源，打造全行業(yè)關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)的需求響應(yīng)負(fù)荷儲備庫，推動具備需求響應(yīng)綜合監(jiān)測、可調(diào)資源響應(yīng)能力查詢調(diào)用、響應(yīng)方案管理、用戶負(fù)荷資源監(jiān)視多項(xiàng)功能的負(fù)荷資源綜合管理平臺的建立。一是打造區(qū)域內(nèi)變電站、開關(guān)站、線路負(fù)荷資源互動，多維度多層級實(shí)現(xiàn)平臺互動，選定主要工業(yè)、樓宇用戶建立負(fù)荷資源池。二是深入分析區(qū)域內(nèi)各行各業(yè)負(fù)荷特性，細(xì)分可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源，辨識可響應(yīng)資源，實(shí)現(xiàn)全行業(yè)、多樣性、差異化可調(diào)節(jié)負(fù)荷管理。

②推動政府出臺重載變電站供電區(qū)域常態(tài)性響應(yīng)、電網(wǎng)檢修（故障）階段性響應(yīng)、儲能用戶時段性響應(yīng)、熱電廠網(wǎng)互動特殊性響應(yīng)等需求側(cè)響應(yīng)激勵政策，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲多元互動、靈活機(jī)制支撐互動、能源互聯(lián)高效互動。按照用戶負(fù)荷特性等不同維度，制定實(shí)用化需求側(cè)響應(yīng)策略，完善補(bǔ)貼發(fā)放規(guī)則，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)需求響應(yīng)。

3.2 智慧彈性的電力網(wǎng)絡(luò)體系

通過配電網(wǎng)設(shè)備管理提升，深挖在運(yùn)設(shè)備潛力，動態(tài)提升在運(yùn)設(shè)備載流能力，降低配網(wǎng)線損，踐行“節(jié)省的投資是最高效的投資”理念，建設(shè)具有智慧彈性的配電網(wǎng)絡(luò)體系，全面促進(jìn)電網(wǎng)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

3.2.1 兩軸應(yīng)用，彈性規(guī)劃。大數(shù)據(jù)分析形成從用戶申請用電到第N個月的負(fù)荷動態(tài)曲線，形成不同業(yè)態(tài)性質(zhì)用戶的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與聚類，預(yù)判未來用電負(fù)荷增長，根據(jù)用戶負(fù)荷增長匹配供電裕度，提升電網(wǎng)資源規(guī)劃利用效率，降低電網(wǎng)冗余，盤活電網(wǎng)資源，指導(dǎo)用戶接入配套投資和規(guī)劃建設(shè)投資，實(shí)現(xiàn)用戶彈性接入。

3.2.2 設(shè)備挖潛，智能運(yùn)檢。完善設(shè)備數(shù)據(jù)，建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知與管控體系，提升電網(wǎng)動態(tài)運(yùn)行極限。一是以智慧感知配電網(wǎng)格狀態(tài)為支撐，精準(zhǔn)主變畫像，支撐電網(wǎng)負(fù)荷柔性調(diào)度。二是構(gòu)建輸電線路輸送容量動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，及時采集線路運(yùn)行數(shù)據(jù)，布局線路動態(tài)增容。三是對達(dá)到負(fù)載率閾值的主變啟動基于配電自動化的負(fù)荷自動轉(zhuǎn)移，降低高負(fù)載率的主變負(fù)荷、提高低負(fù)載率的主變負(fù)荷，從而達(dá)到主變負(fù)荷平衡。四是通過架空線柱上開關(guān)融合感知提高配電線路設(shè)備運(yùn)行、供電的可靠性，大幅降低線路故障造成的停電損失。五是應(yīng)用虛擬數(shù)字員工實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)格運(yùn)檢智能化，通過設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻采集幫助巡檢人員全面掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，減少現(xiàn)場巡檢次數(shù)，從而減少人工巡檢成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)備層面節(jié)能減排、低碳高效。

3.2.3 智慧創(chuàng)新，綠色輸配。以高效低損的超導(dǎo)輸電、低頻輸電為手段，通過直流配電促進(jìn)多能互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)智創(chuàng)新。一是利用超導(dǎo)電纜輸電容量大、體積小、環(huán)境友好、靈活性高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效低損輸電新模式的探索。二是低頻輸電兼顧大容量電能輸送的優(yōu)點(diǎn)和投資經(jīng)濟(jì)性，是對工頻交流輸電和直流輸電方式的有益補(bǔ)充，能夠促進(jìn)選定區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)互通，提升供電可靠性。三是通過變電站就地支撐直流路燈、5G基站、數(shù)據(jù)機(jī)房等直流負(fù)荷，減少中間變換環(huán)節(jié)和配電環(huán)節(jié)，滿足綠色能源社會發(fā)展需求，降低負(fù)荷接入損耗。

3.3 時空彈性的源荷互動體系

承接“喚醒的資源是最優(yōu)質(zhì)的資源”理念，以綠色、低碳、高效為目標(biāo)，開展具有時空彈性的源荷互動體系建設(shè)。

3.3.1 完善彈性互動“兩庫”。以目標(biāo)為導(dǎo)向，梳理完善“彈性互動資源庫”和“彈性互動場景庫”。全面梳理彈性互動資源需求，量化區(qū)域彈性互動的資源稟賦，建立資源協(xié)同共享機(jī)制。全面梳理彈性互動場景需求，利用區(qū)域源、網(wǎng)、荷、儲四側(cè)彈性互動資源和各類應(yīng)用需求的時空匹配，提升資源利用效率。

3.3.2 搭建虛擬電廠系統(tǒng)。將可調(diào)負(fù)荷、分布式電源、儲能電站等資源聚合成“虛擬電廠”，參與到調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行控制中，參與調(diào)峰、備用、緊急控制等策略服務(wù)中。通過虛擬電廠負(fù)荷聚類大數(shù)據(jù)分析方法，生成主變短時重載問題解決方案，通過機(jī)器人交互、在線控制等手段進(jìn)行虛擬電廠優(yōu)化調(diào)控，對虛擬電廠開展運(yùn)行成本分析、節(jié)能效果評價、供需裕度校核等。

3.3.3 廣域調(diào)控平臺，實(shí)現(xiàn)海量沉睡資源整合配置、源網(wǎng)荷儲多方柔性互動，協(xié)同優(yōu)化發(fā)電側(cè)及儲能側(cè)資源，豐富電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段，提升動態(tài)負(fù)荷的實(shí)時響應(yīng)度。根據(jù)現(xiàn)有電網(wǎng)模型參數(shù)、運(yùn)行方式等數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)的預(yù)想故障進(jìn)行快速掃描，并給出應(yīng)對故障影響負(fù)荷的最優(yōu)轉(zhuǎn)供策略。通過開發(fā)電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略及動態(tài)調(diào)整等措施，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)自適應(yīng)優(yōu)化控制、各側(cè)資源彈性互動響應(yīng)等支撐手段，提升資源利用效率。

4 結(jié)語

圍繞建成“安全高效、互動開放、清潔低碳、活力智慧”多元融合高彈性電網(wǎng)實(shí)景示范目標(biāo)，通過能源供給側(cè)綠色低碳、能源消費(fèi)側(cè)節(jié)約共享、能源網(wǎng)絡(luò)側(cè)智慧高效推動綠色能源發(fā)展，以需求響應(yīng)體系、電力網(wǎng)絡(luò)體系、源荷互動體系為基石，合力完成高彈性電網(wǎng)實(shí)景設(shè)計(jì)與探索，助力全社會能效大幅提升，全面滿足人民美好生活的用能需求，并得出以下結(jié)論。

①高彈性電網(wǎng)建設(shè)需要從源側(cè)、網(wǎng)側(cè)、荷側(cè)共同發(fā)力，結(jié)合儲能，多方位多維度協(xié)同運(yùn)作，提供具備高彈、高效、高質(zhì)的多元融合互動。

②建立了“需求響應(yīng)、電力網(wǎng)絡(luò)、源荷互動”三大體系，充分挖掘沉睡資源，提高資源利用效率;拓展電網(wǎng)廣度、深度，提高設(shè)備彈性效率;開發(fā)具有可復(fù)制可推廣的源網(wǎng)荷儲互動場景。

③開展高彈性電網(wǎng)建設(shè)，推動電網(wǎng)由“源隨荷動”轉(zhuǎn)向“源網(wǎng)荷儲”多元互動，滿足電網(wǎng)適應(yīng)發(fā)電端新能源接入消納、用電端增加智能用電設(shè)備等新業(yè)態(tài)新業(yè)務(wù)的發(fā)展要求。

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