風(fēng)光新能源接入臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)面臨的問題及對策研究

國網(wǎng)張家界供電公司科技互聯(lián)網(wǎng)部 顏學(xué)杰 羅 昆 卓家全 華自科技股份有限公司 曹 攀 唐碧波 深圳市精實機電科技有限公司 張福興

1 引言

近年來，我國提出“整縣光伏”“新型電力系統(tǒng)”“源網(wǎng)荷儲一體化”等新能源發(fā)展戰(zhàn)略。尤其在用戶側(cè)，光伏發(fā)電的數(shù)量驟增，由此導(dǎo)致變壓器重過載、輸配電線路阻塞、電能質(zhì)量下降、電網(wǎng)諧波污染增多等現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，風(fēng)力、光伏發(fā)電的有序接入，以及以臺區(qū)為核心構(gòu)建新型電力系統(tǒng)成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點。本文重點圍繞用戶側(cè)臺區(qū)級風(fēng)光新能源接入，以及接入后臺區(qū)新型電力系統(tǒng)面臨的問題進行討論分析，并基于分析結(jié)果給出提升我國臺區(qū)新型電力系統(tǒng)科學(xué)構(gòu)建、風(fēng)光新能源有序接入與消納的對策建議。

2 國內(nèi)外研究綜述

國內(nèi)外有關(guān)新型電力系統(tǒng)的研究較多，形成了比較完善的理論體系。然而，對于臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)以及風(fēng)光新能源有序接入、消納問題的研究相對較少。通過文獻研讀和梳理，本文將用戶側(cè)風(fēng)光新能源有序接入、臺區(qū)新型電力系統(tǒng)建設(shè)、臺區(qū)配套儲能系統(tǒng)選址定容、臺區(qū)新型電力系統(tǒng)控制策略等進行綜述如下：

文獻[1]指出電化學(xué)儲能在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)的調(diào)壓、頂峰、調(diào)頻、削峰填谷等方面得到了廣泛應(yīng)用，重點介紹了電化學(xué)儲能系統(tǒng)在變電臺區(qū)中的作用及實現(xiàn)方式，并對電網(wǎng)公司每年批量退役電池在變電臺區(qū)的合理利用提出了合理建議。文獻[2]從配電臺區(qū)規(guī)劃的角度對風(fēng)光儲接入的臺區(qū)選址定容問題開展研究，分別對光伏、負(fù)載的出力模型進行了構(gòu)建，考慮變電臺區(qū)不同運行場景下的使用壽命與運行特性，提出了基于可變壽命的配變?nèi)珘勖芷诔杀灸Ｐ?，并通過算例驗證了模型的可行性與有效性。

文獻[3]提出儲能系統(tǒng)在提升低壓配電臺區(qū)頂峰、可靠性及電能質(zhì)量的重要作用，對當(dāng)前配電臺區(qū)配置儲能的容量配置、接入方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及有序調(diào)度進行了研究，研制了一款100kW/300kWh儲能系統(tǒng)進行了測試與驗證。文獻[4]對光伏發(fā)電系統(tǒng)配儲能的配置策略進行了詳細(xì)分析，據(jù)此解決光伏發(fā)電輸出功率隨機波動性大的問題。在對光伏發(fā)電特性、典型負(fù)荷特性進行分析的基礎(chǔ)上，提出配網(wǎng)光伏系統(tǒng)儲能容量配置模型。采用江蘇省典型居民與工業(yè)負(fù)荷進行分析，指出光儲聯(lián)合發(fā)電能夠進一步維持終端用戶的高收益。文獻[5]利用先進的電力電子技術(shù)構(gòu)建臺區(qū)配儲能的等效電路，基于切換系統(tǒng)理論構(gòu)建能夠表征臺區(qū)、儲能系統(tǒng)構(gòu)成及運行的等效模型，針對模型中出現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)性故障進行診斷，能夠準(zhǔn)確確定故障的位置、類型，并將故障信息進行有效反饋。

3 面臨的問題

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)包括了臺區(qū)、儲能系統(tǒng)、充電樁、風(fēng)光發(fā)電等。相比于傳統(tǒng)臺區(qū)系統(tǒng)，其在一次架構(gòu)方面既有產(chǎn)能系統(tǒng)也有用能系統(tǒng)，并需要根據(jù)源荷匹配情況、實時電價信息、無功缺額及電壓波動情況及時調(diào)整儲能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)及功率，是典型的局域性復(fù)雜能源系統(tǒng)；其在二次架構(gòu)方面需要具備終端全息感知、信息快速上傳、云邊有效協(xié)同、業(yè)務(wù)多場景應(yīng)用等，需要提升系統(tǒng)對信息的采集、傳輸、處理、應(yīng)用能力。然而，現(xiàn)有臺區(qū)架構(gòu)在儲能系統(tǒng)選址定容、風(fēng)光發(fā)電建設(shè)及接入、充電樁安全運營、信息采集共享、網(wǎng)絡(luò)高頻傳輸、業(yè)務(wù)協(xié)同與集成等方面還處于探索階段，需要在實踐中進一步完善。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)容量、可供電范圍雖小，但是接入終端較多、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，亟需先進的終端開發(fā)、系統(tǒng)集成與運營維護技術(shù)進行支撐。當(dāng)前，臺區(qū)新型電力系統(tǒng)在終端接入可靠性、信息傳輸安全性，以及系統(tǒng)管理集約化、智能化、無人化方面還存在較多技術(shù)難題。如不同廠家、不同類型終端設(shè)備的接口協(xié)議存在差異；一些重要的終端信息通過4G/5G 無線傳輸，信息傳輸?shù)臅r效性與安全性無法得到保證；臺區(qū)新型電力系統(tǒng)在終端選址定容的過程中，容易出現(xiàn)少配、錯配及冗余配置的情況；有些終端設(shè)備無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信與控制，需要增加額外的改造成本；建成的臺區(qū)儲能系統(tǒng)還需人為參與運行、維護，有些升級、更新業(yè)務(wù)需到現(xiàn)場完成，不僅增加大量的人力、資源浪費，而且不利于規(guī)?；_區(qū)級新型電力系統(tǒng)的集約化、智能化管理。

3.3 核心設(shè)備

臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)、一體化儲能系統(tǒng)、直流充電樁（堆）、能量協(xié)調(diào)控制與管理、數(shù)據(jù)接入與可視化、業(yè)務(wù)協(xié)同管控等軟硬件設(shè)施，一方面需要具備單臺套設(shè)備的高運行效率與先進性；另一方面，需要具備多終端集成后的系統(tǒng)協(xié)作能力。然而，現(xiàn)有臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的核心設(shè)備受技術(shù)條件、集成約束、場地限制、業(yè)主需求變化等限制，在實施的過程中暴露了許多問題，如一體化儲能系統(tǒng)的功率/容量按照標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品進行設(shè)計，導(dǎo)致在標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品基礎(chǔ)上增加或減少一定的配置比例會變得非常困難；臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)配套的風(fēng)光發(fā)電設(shè)備受到場地限制（如風(fēng)機周邊的高樓或大樹影響其發(fā)電效率、屋頂光伏因承重能力與場地面積導(dǎo)致容量配置比降低）等。

3.4 典型業(yè)務(wù)

相比于傳統(tǒng)臺區(qū)系統(tǒng)的變配電功能，新型臺區(qū)電力系統(tǒng)增加了風(fēng)光新能源消納、儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制、充電樁管理與運營、負(fù)荷削峰填谷、緊急備用電源、電壓與頻率調(diào)節(jié)等業(yè)務(wù)應(yīng)用。然而，對標(biāo)現(xiàn)有臺區(qū)系統(tǒng)以容量費、電費價差、光伏發(fā)電上網(wǎng)為主的盈利模式，無法覆蓋臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍，也難以調(diào)動終端用戶批量開展臺區(qū)新型電力系統(tǒng)建設(shè)與推廣的積極性。同時，一些新增業(yè)務(wù)功能的貢獻無法通過定量的方式進行評價。如儲能系統(tǒng)通過合理充放電緩解變壓器重過載，由此產(chǎn)生的減少配電設(shè)施投資、降低變配電事故風(fēng)險等不能兌現(xiàn)，風(fēng)光新能源就地利用與消納的補貼政策難以享受，以及儲能系統(tǒng)對上級10kV 電網(wǎng)支撐、配電末端供電質(zhì)量改善的效果無法較好地體現(xiàn)。此外，一些新舊業(yè)務(wù)在融合與相互適應(yīng)方面還存在較大的不確定性。

3.5 體制機制

臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)與試點示范正處于起步階段，有許多體制機制方面的問題還在討論、完善的過程中。如臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、數(shù)據(jù)接入與展示規(guī)范、碳排放計量與碳減排貢獻等。在臺區(qū)新型電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)方面，國家、行業(yè)團體等尚未出臺專門針對臺區(qū)配儲能、風(fēng)光新能源接入、充電樁運營管理的標(biāo)準(zhǔn)，只能參考已有其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容，但內(nèi)容相關(guān)部分與臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的規(guī)模化建設(shè)與發(fā)展存在諸多不匹配、不協(xié)調(diào)的問題。在數(shù)據(jù)接入與展示的規(guī)范性方面，若采用外網(wǎng)接入、傳輸與展示雖然會存在數(shù)據(jù)完全與業(yè)務(wù)風(fēng)險問題，但是能夠為更多優(yōu)秀企業(yè)參與這方面的研究與建設(shè)提供機會；如果考慮采用內(nèi)網(wǎng)接入、傳輸與展示，一方面也會涉及數(shù)據(jù)接入風(fēng)險與網(wǎng)絡(luò)安全問題，另一方面采用專用內(nèi)網(wǎng)會造成資源壁壘，一些優(yōu)秀的數(shù)據(jù)接入、傳輸與展示領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)就會被排斥在外。

4 解決的對策

4.1 分層遞階架構(gòu)模式

臺區(qū)新型電力系統(tǒng)是分部建設(shè)、分級管理的局域性綜合能源系統(tǒng)，其架構(gòu)可以分為就地設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)中臺層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層，層級之間實現(xiàn)業(yè)務(wù)的銜接與匹配。具體而言，在就地設(shè)備層構(gòu)建臺區(qū)、一體化儲能系統(tǒng)、交/直流充電樁、風(fēng)力發(fā)電機、光伏發(fā)電系統(tǒng)、常規(guī)負(fù)荷在內(nèi)的“源—網(wǎng)—荷—儲—充”系統(tǒng)，形成接口協(xié)議適配、功能作用互補的終端物聯(lián)系統(tǒng)；在網(wǎng)絡(luò)通信層，利用光纖通信、4G/5G 通信、專用網(wǎng)通信等方式，對實時采集的數(shù)據(jù)信息進行分別接入、分類匯總，并對匯總后的信息快速、精準(zhǔn)地上傳到數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)中臺；在數(shù)據(jù)中臺層，對接入的數(shù)據(jù)進行加工、處理，形成可以直接調(diào)用或展示的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)；在業(yè)務(wù)應(yīng)用層，根據(jù)臺區(qū)新型電力系統(tǒng)新舊業(yè)務(wù)需求，從數(shù)據(jù)中臺調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)加工處理后形成業(yè)務(wù)結(jié)果的數(shù)據(jù)進行業(yè)務(wù)支撐及可視化展示。

4.2 云邊協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

臺區(qū)新型電力系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)臺區(qū)系統(tǒng)，接入設(shè)備更多、節(jié)點關(guān)系更復(fù)雜、業(yè)務(wù)更新迭代加快。為了適應(yīng)這些需求，需要構(gòu)建云邊協(xié)同技術(shù)體系，實現(xiàn)不同層面、多業(yè)務(wù)的支撐能力。具體而言，在邊緣側(cè)具備各終端關(guān)鍵數(shù)據(jù)高頻采樣、擇需傳送、加工處理、協(xié)調(diào)控制的能力，即能夠及時準(zhǔn)確地采集風(fēng)、光、儲、充關(guān)鍵數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一要求的格式、順序傳輸?shù)竭吘墔f(xié)調(diào)與控制終端，經(jīng)過對這些信息的快速處理，形成信息上傳與指令下達的依據(jù)；在云端，部署高復(fù)雜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分類與業(yè)務(wù)支撐的存儲器、處理器，開發(fā)并定期更新相應(yīng)的模型、算法，基于邊緣側(cè)上傳或設(shè)備直接上傳的數(shù)據(jù)進行處理，并對處理的結(jié)果進行指令下達或可視化展示。

同時，云端還肩負(fù)模型、算法訓(xùn)練與更新的重任，基于終端布局及業(yè)務(wù)需求變化及時調(diào)整算法與策略，并將更新后的算法與策略進行下沉，在邊緣側(cè)置換已有策略或部署新增策略。通過云邊協(xié)同與不斷更新迭代，逐步開發(fā)同時滿足終端變化與業(yè)務(wù)需求的模型、算法、策略，并在應(yīng)用中及時完善，具備遠(yuǎn)程部署、更新、升級能力。

4.3 高效適配裝備體系

新能源領(lǐng)域現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)BMS、儲能變流器PCS、協(xié)調(diào)控制器CCS、能量管理系統(tǒng)EMS已經(jīng)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)不同應(yīng)用場景中進入試點示范或推廣應(yīng)用階段。但是專門針對臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的這些裝備研發(fā)還處于起步階段，在應(yīng)用容量、規(guī)模、協(xié)議、業(yè)務(wù)支撐能力方面均存在差別。因此，需要在綜合考慮臺區(qū)典型應(yīng)用場景及其需求的基礎(chǔ)上，開發(fā)、研制適用于臺區(qū)新型電力系統(tǒng)內(nèi)源網(wǎng)荷儲充安全接入、便捷傳輸、協(xié)同控制以及完美展示的裝備體系，并在裝備組態(tài)、適配、協(xié)同方面不斷挖潛增效。如在研制一體化儲能系統(tǒng)中，需要充分考慮臺區(qū)容量大小、過載能力的需求，同時開發(fā)多款功率/容量的裝備供用戶選擇，并提升不同裝備的現(xiàn)場組網(wǎng)接入、協(xié)調(diào)控制能力；在研制臺區(qū)能量協(xié)調(diào)控制與管理系統(tǒng)中，既要考慮現(xiàn)有源網(wǎng)荷儲充終端的接入能力，還要預(yù)留足夠的接口、空間為后續(xù)系統(tǒng)擴容、新裝備接入做好準(zhǔn)備。

4.4 新舊業(yè)務(wù)融合方案

無論從技術(shù)開發(fā)、運營管理，還是各類增值服務(wù)的角度上講，臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)面更廣、業(yè)務(wù)復(fù)雜度更大，面臨的首要問題是如何處理好新舊業(yè)務(wù)融合。需要從技術(shù)、管理、政策多個層面進行創(chuàng)新與嘗試，據(jù)此探索出穩(wěn)健的長效機制。從技術(shù)的角度上講，需要支撐臺區(qū)新型電力系統(tǒng)，一是貫通風(fēng)光新能源“就地利用、就近消納”“優(yōu)先自用、余電上網(wǎng)”的實現(xiàn)路徑；二是具備儲能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)、削峰填谷、備用電源、調(diào)壓穩(wěn)頻能力；三是具備充電樁狀態(tài)指示、路徑導(dǎo)引、費用結(jié)算、車網(wǎng)互動等運營與管理能力；四是具備風(fēng)光儲充聯(lián)合調(diào)控支撐臺區(qū)緩解重過載能力。

在管理層面，需要建立和完善專門針對臺區(qū)新型電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)的組織機構(gòu)、管理制度、運營規(guī)則及風(fēng)險防范機制，多措并舉提升臺區(qū)新型管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)開展的效率與效益。在政策層面，積極爭取并制定符合批量化臺區(qū)新型電力系統(tǒng)建設(shè)、運維的機制與政策，鼓勵有建設(shè)條件和需求的企業(yè)主動投入到臺區(qū)新型電力系統(tǒng)，并在運營過程中獲得持續(xù)、長久的盈利空間。

4.5 完善專用體制機制

臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)現(xiàn)處于探索和試點階段，在架構(gòu)、技術(shù)、裝備、業(yè)務(wù)模式等方面上不完善。本著“試點先行 經(jīng)驗指導(dǎo)”原則，前期構(gòu)建面向不同業(yè)務(wù)場景的試點示范區(qū)，從技術(shù)、管理、規(guī)范多個層面進行嘗試探索、去繁留精，形成具備復(fù)制推廣條件的典型經(jīng)驗和有益做法；中期在試點示范、經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，進行分區(qū)分類、重點推廣，逐步擴大示范的規(guī)模、范圍，充分暴露規(guī)?；茝V過程中面臨的各類不適應(yīng)，為進一步改善及更大規(guī)模的推廣奠定基礎(chǔ)；后期基于試點示范及規(guī)?；痉兜某晒e累、經(jīng)驗教訓(xùn)，從制度、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等方面進行總結(jié)，指導(dǎo)批量化臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的有序建設(shè)與規(guī)范運營。同時，在試點示范階段建立完備的預(yù)警糾偏、獎勵激勵機制，鼓勵單位、個人進行創(chuàng)新，根據(jù)創(chuàng)新成果及貢獻大小建立獎勵激勵的長效機制。

5 結(jié)語

本文在對風(fēng)光新能源發(fā)電、新型電力系統(tǒng)、臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)基本概念進行系統(tǒng)闡述的基礎(chǔ)上，介紹了積累典型的臺區(qū)新型電力系統(tǒng)應(yīng)用場景。同時，指出臺區(qū)新型電力系統(tǒng)面臨的多個問題，并從分層遞階架構(gòu)模式、云邊協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)、高效適配裝備體系、新舊業(yè)務(wù)融合方案、完善專用體制機制等多個方面提出對策建議。在今后的研究中，將詳細(xì)剖析臺區(qū)新型電力系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，尤其對風(fēng)光儲充終端數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、可視化進行詳細(xì)介紹。本文的研究成果不僅對臺區(qū)級新型電力系統(tǒng)進行系統(tǒng)闡述，而且為更多該類系統(tǒng)的建設(shè)與運用提供借鑒參考。