未来电网运行形态研究

高海翔，王小宇，刘 锋，沈 沉，梅生伟

(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084)

未来电网运行形态研究

高海翔，王小宇，刘 锋，沈 沉，梅生伟

(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084)

电网的运行形态指电网的运行和调度方式，它描述了电网中能量和信息的流动情况。未来电网运行形态的研究是对现阶段电网发展方向的一种预测，其结果将为电网规划设计、设备研发和标准制定提供战略参考。本文回顾了电网运行形态的发展历史，并在分析电网发展驱动因素的基础上，结合对未来电网在供应侧与需求侧重大结构变化的预测，设计了未来电网的运行形态。研究表明，需求侧的发展与变化将是未来电网运行和调度的重要特点，它使得未来电网中能量和信息的流动形式更为灵活同时也更为复杂。这样一种未来电网运行形态的实现，依赖于需求侧响应、微电网等关键技术的支撑。

未来电网;运行形态;需求侧响应;微电网

1 引言

电网是电能大规模输送的主要途径。从19世纪末至今一百多年中，为满足用户的用电需求，电网在不断地发展变化。现阶段，用户对电能质量和用电可靠性的高要求、环境保护和化石能源紧缺所带来的压力、提高电网效率和经济性的迫切需求，又对电网的发展提出了新的目标和方向。

电网的运行形态是指电网的运行和调度方式，它关系到电网的规划设计、设备研发和标准制定。因此，未来电网会有怎样的运行形态，需要怎样的技术支撑，一直是国内外学术和工程领域所关注的重要问题之一［1-12］。文献［1，2］探讨了电网在未来可能发生的结构上的变化，包括输电线路和配电网。文献［3-6］分析了未来电网的调度方式所可能发生的改变，其中文献［3］回顾了电网控制中心的发展历史，并由此分析得到未来电网调度的可能形态。文献［4-6］则关注调度形态的某些具体技术演化，如人机交互和能量管理。文献［7-12］结合社会对未来电网所提出的发展需求，从整体层面设计了未来电网的运行形态。

已有文献大多根据社会需求来分析未来电网所应当具有的特性，并未从历史的角度看待电网运行形态的发展。同时，它们也没有明确指出电网运行形态与电网结构之间的密切关系。本文认为，电网运行形态的演变是一个长期的历史过程，受到许多因素的驱动，特别地，其中一些关键因素将起到决定性的作用。从此观点出发，本文首先对电网运行发展历程进行回顾与分析，找出驱动电网运行形态发展的关键因素，并分析了其演化趋势;进而，本文对未来电网供应侧和需求侧的结构变化进行了预测，并在预测结果上对未来电网的运行形态进行了设计。

2 电网运行形态的内容

电网的运行形态包括不同电压等级的电网、主网架和配电网、集中式和分布式发电之间的协调运行和协同调度。

电网的运行方式指电能从发电设备处产生后，如何经过不同电压等级的电网，到达用电负荷处，它描述了电网中能量的流动。电网的运行方式同电网结构紧密相连:当电网结构变化时，运行方式也会发生相应的改变。

电网的调度方式是指调度中心得到电网的运行信息、制定决策、形成具体调度指令，并最终将这些指令下达的具体过程，它描述了电网中信息的流动。电网的调度方式同样依赖于电网的结构形态:不同结构的电网，会有不同的调度方式与其对应。

综上所述，电网中能量的流动方式和信息的流动方式共同构成了电网的运行形态，它同电网结构密切相关。

3 电网运行形态发展驱动因素及其演化分析

3.1 电网运行形态的发展历程

19世纪末至今，电力系统的结构发生了很大变化，电网的运行形态也随之改变。迄今为止，运行形态的发展历程可以划分为四个阶段:电力发展初期、中心站系统时期、输电网形成时期和大电网时期。本节将阐述每一阶段的电网结构以及与其相对应的运行形态。

3.1.1 电力发展初期

从19世纪80年代出现公共供电系统，到90年代中心站系统的出现，是电力工业发展的初级阶段。在此时期中，电能由发电厂产生，直接通过线路输送给负荷，中间并未经过变电或者配电的环节。由于电压等级很低，发电厂一般都是坐落在距离负荷中心非常近的地方。负荷的分布范围也不能太大，通常是在距离发电厂800m(半英里)之内。

在这样的小供电系统中，电力线路仅仅是作为发电厂和负荷之间的连接线，能量从发电厂到负荷单向流动。由于电力线路上没有可控设备，此时的调度内容主要是根据负荷的变化改变电厂的发电机出力，保证负荷处的电压稳定，调度的响应时间也比较长。此时的电网运行形态如图1所示。调度中心收集电厂、输电线路、负荷的运行数据，判断电网的运行状态，并根据其变化对电厂中的发电机或原动机发出控制信号，构成了电网中信息的流动。

3.1.2 中心站系统时期

19世纪末，电动机负荷开始成为电网负荷的主体［13，14］。随着所需功率的增加，建造大容量电厂成为必然的趋势。由于环境因素，大容量电厂往往距离负荷中心比较远。因此电能从电厂中产生，必须通过远距离输电输送到城市中。输电容量和输电距离的增加，使得输电线路的电压等级不断提高，以满足经济性的要求。

在高压远距离输电的背景下，中心站系统逐渐形成［15，16］:电厂将电能通过高压输电线输送到建造在城市当中的中心站(Central station)降压，再通过低压配电线将电能直接输送到负荷处。这样既满足了负荷范围扩大的需要，又避免了建造多条高压输电线路所带来的经济负担，同时在城市中采用低电压等级输电也保证了人身安全。这个时期的电网运行形态如图2所示。调度中心既要收集电厂、输电线路和负荷的运行数据，也要收集中心站和配电网络线路的运行数据，调度员根据这些数据做出决策，控制电厂和变电站的运行。此时调度的主要内容，是电厂的发电量控制，以及变电站的有功和无功功率分配。调度的时间响应仍然比较缓慢，出现故障不易快速排除。

图1 电力发展初期电网运行形态Fig．1 Operation morphology of power grid at preliminary stage

图2 中心站系统时期电网运行形态Fig．2 Operation morphology of power grid at central station stage

3.1.3 输电网形成时期

进入20世纪20年代，居民、工业和商业用电量飞速增长，电能在人们日常生活中的地位越来越重要，对电能稳定性的要求也越来越高。这便给电力工业的发展就提出了新的要求［17，18］。地区电网之间的互联就成为了必然趋势。通过互联，将几个不同地区电网连接在一起，既可以实现大电网的负荷分配，减少地区电网的备用容量和发电负担，又可以在地区电厂枯水时从处于丰水期的电厂得到电能，保证供电的连续性和稳定性，实现资源的优化配置［19］。

由于电网中能量的流动区域相比原来的地区电网大大增加，故障的波及范围也随之增加，电网的及时调度对于其正常运行也就更加重要。此时电网的运行形态如图3所示。

图3 输电网形成时期电网运行形态Fig．3 Operation morphology of power grid at transmission network formation stage

相比之前的地区电网，调度中心所得到的电网测量数据大大增加，每一条线路、每一个变电站的数据都会汇总到调度中心。由于远动装置的发展，此时电力线路上的断路器等设备可以直接完成远方动作。因此调度对象包括电厂、输电网、变电站和配电网，电网中信息的流动范围随之扩大，原有的单向流动也变为双向流动。电网的互联会带来很多的问题，包括有功无功的调度、稳定性的控制，因此调度的内容不仅包括有功、无功能量的产生和分配，还包括电力系统的潮流计算、经济调度、电力装置保护、负荷预测等内容。如果所涉及到两个电力公司之间的功率交换，那么调度中心还需要做好两个电力公司之间的调度协调工作。

3.1.4 大电网时期

20世纪50年代，随着远离负荷中心的大型水电站、坑口火电厂、港口火电厂以及核电站的开发与兴建，需要将大量电能输送至几百公里乃至上千公里外的负荷中心，330kV及以上的超高压互联电网开始出现、跨区域的大电网逐渐形成。随后几十年，电网的规模以前所未有的速度增长，成为了人类所制造的最大系统。

在大电网中，流动的信息量是巨大的。如果这些信息都由同一个调度中心进行处理、分析和传输，不仅不经济，而且不利于调度的快速响应。此外，由于电网最重要的调度决策是由人来完成，面对如此之大的电网，一个调度中心所有调度人员的精力是远远不够的。因此电网调度采取了分层、分级的形式。将大电网分为几个比较小的区域电网，并为其分别设立调度中心。如果这几个区域电网仍然比较大，可以进一步细分。每一级的调度中心所处理内容的维度是不一样的，越靠上层的调度中心，它所调度的是更加广阔、更加宏观的电网区域。越靠近下层，则调度范围越窄，调度工作也就更加精细，而且处于下层的调度中心要听从上层调度中心的调度命令［20，21］。这个时期电网的运行形态如图4所示。

这个时期的调度内容更加多样，包括有功无功调节、负荷预测、经济调度、检修计划制定、实时预警和管理、安全校核等。

3.2 电网运行形态发展的驱动因素及其演化分析

根据前文对电网运行形态发展历程的回顾，可以总结出驱动电网运行形态发展的四个因素:时间、经济、环境和技术。为了研究未来电网的运行形态，需要分析这些驱动因素在未来的演化情况以及它们对未来电网运行形态提出的要求。

3.2.1 时间驱动

以时间为驱动的电网运行形态是由时间在调度中的重要作用所决定的。无论是负荷侧的需求，还是电网的需求和电力公司本身的利益要求，都希望调度能够在最短时间内完成。对调度响应速度的追求贯穿了电网运行形态发展的整个历程。

在未来电网中，对时间的追求仍将继续。为了使调度做到更加快速和精准，一方面需要改进已有的调度方式，使信息的流动更加快速和精准，另一方面要扩大调度的范围和内容:电力电子变流器在发电和用电装置中的大量使用、各种灵活输电方式的采用，都有助于缩小调度的时间尺度。此外，为了在更小的时间尺度内实现电网功率的精确平衡，不仅需要对电网的发电侧进行调度，还需要对传统意义上的需求侧进行调度，配以适当的储能设备调度，达到时间因素的要求。

图4 大电网时期电网运行形态Fig．4 Operation morphology of power grid at large power grid stage

3.2.2 经济驱动

经济因素是对电网的运行形态影响最大的因素之一，它在驱动电网结构改变的同时，促使其运行形态同结构更加紧密地贴合。

随着经济的发展，未来电网的负荷会进一步增长。面对不断增长的负荷，电网的发电量需要不断增加，除了传统的发电形式，各种新型发电形式都会不断地接入到电网中来。此外，不断增长的负荷也使仅仅靠调度发电侧来改变电网的运行状态变得十分困难，对需求侧的调度也因而成为经济性的必然要求。最后，为了减少线路上的损耗，需要采取各种新型输电方式，同时发展负荷侧的分布式电源，减小输电线路上的功率传递。

3.2.3 环境驱动

环境因素主要是通过驱动电网结构的改变来推动电网运行形态变化的。

环境因素对未来电网的驱动作用不仅体现在决定发电厂位置上，还体现在资源的分布以及环境保护的压力方面。面对全球的环保和资源压力，节能减排、提高效率已经成为未来电网所必须满足的要求。为此，电网一方面要做到减小损耗，另一方面要改变发电资源的组成配置。这意味着要减少化石能源所产生的电能在总电能中的比重，大大增加各种清洁可再生能源如风能、太阳能、潮汐能、地热能等的发电比重。

3.2.4 技术驱动

技术因素是电网运行形态的最直接驱动力，它直接决定了电网的结构。

在未来电网中，无论是电能的产生、输送和使用，还是信息的收集、传输和处理，都会在技术方面有很大的发展:在发电侧，集中式和分布式新能源发电设备和装置都会在提高能源利用效率、增加可控性和电网友好性方面有所提高;在输电侧，各种新型输电方式和装置都会投入使用，以减小网损、提高线路的可靠性;在用户侧，各种可控负荷、分布式控制中心的投入，使得需求侧响应成为未来电网运行形态的重要组成部分。技术的进步也会促进二次设备的改进，使运行数据的收集、传输和共享，控制信号的产生、传输和执行，都更加快捷、科学和精确。

4 未来电网运行形态设计及关键技术

根据前文对电网运行形态驱动因素的演化分析，本节提出对未来电网运行形态的设想，并探讨支持其实现的关键技术。

4.1 未来电网的能量流动

在传统意义的发电侧，由于环境和经济因素的要求，将形成以大规模可再生能源为主、化石能源为辅的格局。发电中心和负荷中心地理位置的不重合，要求大规模可再生能源通过大容量、高电压、远距离的电能输送，采用多种新型、灵活的输电技术接入电网。此外，发电装置大多通过电力电子装置接入电网，通过对输入电能进行变换，电网的电能质量得以提高。储能装置的接入，使得电网的稳定性大大提高、故障恢复也更加迅速。

相比发电侧，未来电网的需求侧将会出现更为显著的变化。需求侧设备将比现有电网大大扩充，分布式电源、电动汽车、储能等包含电力电子变频器的新型装置接入电网，使配电网的结构和能量流动更加复杂和灵活。在大部分地区，这些装置会构成微电网，它可以通过离网和并网的状态切换，保证对负荷的持续供电，减小电网的故障范围并为电网提供功率支持。配电网中的智能用电设备，可以灵活调整其功率需求，帮助电网达到功率平衡。这便为需求侧响应的实现提供了技术基础。

4.2 未来电网的信息流动

与未来电网的结构和能量流动相对应，其调度形态和信息流动应当具有如下特点:

(1)在传统的发电侧，对大规模新能源做出比较准确的预测，由此安排系统的调度计划。对于实际情况和预测值之间的功率差值，可以通过需求侧响应调节负荷的功率需求，达到电网的功率平衡。

(2)将化石能源发电、部分水电以及各种储能装置作为系统的备用容量。当系统出现故障或者仅通过需求功率调节无法满足系统的功率平衡时，利用这些装置来发出或者储存能量，保证系统的功率平衡，维护系统的安全和稳定。

(3)以平衡发电侧为目标，利用需求响应对负荷进行调度，在分布式调度中心和电网需求侧之间建立信息的双向流动。其内容包括需求侧微电网内部的调度，微网之间的调度以及直接对负荷的调度。对需求侧的管理和调度也将是未来电网调度的重点和关键。在微电网内部，调度信息的产生和下达将由大量的分布式自动调度装置完成，人工调度只需要关注这些微电网的外部特性，在整个电力网络的层面上对其进行调度和调节。

(4)由于电网电能质量和稳定性的提高，调度的重点在于引导和控制整个系统的能量流动，对社会的能源和资源进行优化配置，提高能源的利用效率。

总结未来电网运行形态的能量和信息流动情况，可以得到整体的运行形态如图5所示。

4.3 未来电网运行形态的关键技术

相比现有电网，未来电网中的能量和信息流动将更加灵活和复杂。电网在需求侧的发展，将使这一变化更为显著。这样的运行形态，需要一系列关键技术的支撑。

4.3.1 能量流动的关键技术

未来电网中能量的灵活流动主要依赖于储能技术和微电网技术的支撑。

储能装置是指可以大规模、经济储存电能的设备。储能装置在未来电网中的应用，改变了电网必须实现瞬时功率平衡的能量流动模式。通过储能装置的充电和放电操作，可以将一个时段内多余的能量储存起来，在其他的时段释放，这意味着电网的能量可以跨越时间层面实现灵活流动。

微电网技术是由需求侧的分布式发电、智能型用电设备和储能设备组成的微型电网，它可以起到就地平衡功率、提高电网效率、减小电网故障范围的作用［22-24］。微电网技术改变了以往需求侧单向辐射状供电的能量流动方式，构建起电能的多向可控流动渠道，包括电能从配电网到微网、从微网到配电网以及微网之间的流动方式，实现了电网能量在空间层面的灵活流动。

4.3.2 信息流动的关键技术

未来电网中信息的灵活流动主要依赖于需求侧响应和多代理两项关键技术的支撑。

需求侧响应是根据电网的状况，控制或调整负荷功率的电网调度方式。它可以对负荷曲线“削峰填谷”，提高电网整体的运行效率，保证电网在故障情况下安全稳定运行［25-34］。需求侧响应将电网的信息流动延伸到电网末梢，使原本无法控制的需求侧设备也能够向电网提供信息并接受电网的调度，从而扩展了电网的信息流动范围。

多代理技术是将调度目标分配给各分布式代理完成的信息传输和处理技术［35-38］。它采用上层通信支持和分散处理的方式，改变了电网原有的信息汇集和集中处理的流动方式。这些代理与电网、同一层次以及不同层次代理之间的信息流动与交互，将大大增加未来电网信息流动的灵活性和复杂程度。

5 结论

电网运行形态的演变是一个长期的历史过程，受到许多因素的驱动，其中时间、经济、环境和技术是四个具有决定性的因素。这些因素在未来的演化，又对电网的运行形态提出了要求。在未来电网的运行形态中，能量和信息的流动将更加灵活和复杂，它们依赖于储能技术、微电网技术、需求侧响应和分布式代理技术等关键技术的支撑。

由于未来电网中需求侧的显著变化，需求侧调度将成为未来电网运行形态的重要组成部分:

图5 未来电网的运行形态Fig．5 Operation morphology of future power grid

(1)扩大了电网的调度范围，使电网的需求侧也成为了可调度的。

(2)调动了用户的积极性，用户会自发地为电网的安全稳定做出一定的贡献。

(3)减少了电网运行的成本，降低了发电厂和电力网络调度的难度，有利于新能源的接入，使得电网的运行更加经济和灵活。

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Operation morphology design for future power grids

GAO Hai-xiang，WANG Xiao-yu，LIU Feng，SHEN Chen，MEI Sheng-wei
(Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Operation morphology describes how energy and information flow in the power grid，which contains operation and dispatching of the grid．Power system operation is experiencing transformation under the development trends of smart grid．With the massive introduction of renewable energy resources and smart grid technologies in power grids，it is desirable to know what operation morphology future power grids will have．This paper reviews the evolution of power grid operation morphology and analyzes the drivers for the operation development．Based on the review and analysis results，a new operation morphology considering the changes of grid infrastructure is proposed for future power grids．According to the research，development and changes of demand side are key features of future power grid，which make energy flow and information flow more flexible and complicated．The key technologies including energy storage，demand side response，micro grid and distributed agent are discussed for the realization of the designed operation morphology．

future power grid;operation morphology;demand side response;micro gird

TM734

:A

:1003-3076(2014)01-0058-08

2012-10-17

国家电网公司重大科技项目(SGKJ［2009］12)

高海翔 (1989-)，男，河北籍，博士研究生，研究方向为电力系统仿真与分析;王小宇 (1978-)，男，陕西籍，助研，博士，研究方向为电力系统分析、运行与控制等。