當大規模的間歇式可再生能源發電并入電網、越來越普及的電動汽車隨機接入電網，如何才能保障智能電網安全可靠地運行？“源、網、荷”協同的智能電網能量管理和運行控制至關重要，采用“分布自治-集中協調”的架構和決策機制，通過能量管理系統家族實現分散自律控制，通過控制中心能量管理實現源網荷的協同。
電力是如今人類不可或缺的一種基礎保障。以中國為例，電力消費在一次能源消費中的比重超過40%，電力和電力系統的重要性正越來越突出。由于目前“電能的大規模存儲”仍是世界性難題，要保證電網安全穩定運行，就必須保持發電和負荷在任何位置、任何時刻均處于平衡狀態，這對電網運行的能量管理和運行控制提出了極大的挑戰。
一個挑戰，三大難題
在發電側，常規電力系統可以存儲發電原料，例如水電站有水庫來儲存具有勢能的水，火電廠的燃料也可以存儲，因此發電側的輸出功率在一定程度上是可以調整的。但是，為了應對全球氣候變化，傳統電力系統正在從主要以燃燒化石能源發電向可再生能源發電轉型，這使情況發生了變化。目前可再生能源發電最主要的形式是風能和太陽能光伏發電，而這兩種能源本身都無法儲存。另外受自然天氣因素影響，風能、太陽能等可再生能源發電具有很強的波動性、間歇性、不確定性，且很難預測。與傳統能源發電相比，可再生能源發電的可控性很差，對其發電出力的大規模調整幾乎是不可能實現的。若要使可再生能源與傳統能源發電共同入網，就需要調整其他能源發電出力來維持發電和負荷的實時平衡，這對其他能源的調度提出了嚴峻的挑戰。
在負荷側，能源清潔化還帶來了另外一個新的變革，即電動汽車的發展。隨著電動汽車技術的快速發展，可以預見，將有大量電動汽車涌入大大小小的城市，而這些電動汽車又引入了新的不確定性，即什么時候充電、在哪里充電。另一方面，電動汽車的蓄電池作為儲能設備，在必要的時候，也可以被電網利用，在高峰負荷時放電，在低谷負荷時充電，削峰填谷，平抑峰谷差。對傳統負荷來說，也可以通過價格杠桿激勵來引導錯峰用電，使負荷參與到發電和負荷的功率平衡中。
在電網側，發電和負荷之間的電力傳輸和功率平衡是通過電網來實現的，這需要堅強的電網作為支撐。我國風光電資源主要集中在北部和西北部，這些地區當地的負荷很小，實際上，我國的負荷中心主要集中在東部。將電力從中國北部和西北部輸送到東部要跨越遙遠的距離，需要通過特高壓遠距離輸電來解決，這對電網基礎設施和電網運行調控提出了挑戰。電網是否足夠堅強、是否具備足夠的彈性?在電源波動性、間歇性、不確定性很強的情況下，是否能保證發電和負荷之間功率的時時處處平衡?我們必須給出答案。
可以看到，電能不能大規模存儲這一挑戰實際上向我們提出了“源、網、荷”三個方面的問題：如何消納大規模間歇式可再生能源發電?如何支撐未來電動汽車的廣泛隨機接入?如何保障智能電網運行的安全可靠性?這些問題對智能電網能量的管理和運行控制至關重要。
三管齊下，協同攻克
面對上述問題，智能電網技術是一種有效的解決方法。為了使電力系統更加靈活、可靠、高效地運行，目前世界上的大部分國家都在著手利用現代信息技術改造電力基礎設施，發展智能電網已成為世界各國能源工業可持續發展的重大戰略舉措之一。而要通過智能電網技術解決上述難題，就要針對“源、網、荷”三方面的特性三管齊下，這正是國家973計劃項目“源網荷協同的智能電網能量管理和運行控制基礎研究”的研究思路和目標。
電網的規模是巨大的。大量的發電和負荷元件通過電網在空間上聯成了一個整體。我們發現，不同的發電和負荷元件，其動態表現差異極大。例如，在運行過程中，轉動的發電機具有很大的機械慣性，而光伏發電通過電力電子裝置接入電網，慣性很小。不同的電源對控制的響應很不相同，既有機電過程，又有電磁過程。在物理上，電以光速傳播，轉瞬即達，在這種情況下，既要保證發電負荷的即時平衡，又要追求可再生能源發電的最大化利用，還要盡可能降低常規發電的運行成本，難度極大。如果采取局部就地控制的方法，的確可以滿足對快速性的要求，卻無法顧及全局性能；如果采取全局集中控制的方法，則容易顧及全局不同發電負荷之間的協調，而無法滿足快速控制要求。認識到這一點后，我們采用將“分與合”合二為一的方法來解決，也就是“分布自治-集中協調”的調度控制方法，兼顧控制快速性和全局最優性。
分布自治，集中協調
何為分布自治?實際上就是分散的自治控制。在一個典型的風（光）電場中，通常有眾多的風機（或光伏陣列），其有功出力和無功出力在一定程度上是可控的，同時配置有一定容量的可控無功補償設備，有時還配有充放電可控的儲能設備，這些設備可通過風（光）電場內的自治能量管理系統（EMS）實現自律控制。通過自律控制，可有效降低風（光）電出力波動對電網的負面影響，提高風（光）電場并網的可控性和友好性，為全電網的協同調控和可再生能源的最大化消納夯實基礎，也就是分布自治。以華北風電場為例：通過分布自治，風電場在電網接入點的電壓波動下降到原來的1/3，大風下電壓水平提高5千伏，顯著降低了風電場脫網風險。因此分布自治可以實現快速決策和快速控制，實現源-荷的自律，實現控制對象對電網的友好。
何為集中協調?實際上就是通過集中協調的全局優化，實現源-網-荷的協同，獲取全局效益，即實現全局協調優化。在電力系統中，不同的電源有不同的特點。火電機組可以開停，可以調整它們的輸出功率，但是要付出較大的代價；水電機組最容易調控，但是水庫中具有勢能的水是有限的，需要在最合適的時候使用；風能和光能屬于自然力，人類無法左右，只能預測其變化規律，然后根據預測結果調控火電、水電等常規電源的出力，來適應風光電的變化，進而在保證發電負荷時時平衡的前提下，使得整個電力系統的運行效益達到最優。如果再將負荷側的調控手段考慮進來，例如電動汽車的充放電和常規負荷的錯峰，那么我們需要解決的就是一個考慮時間和空間的全局協調優化問題。
關鍵的EMS系統
我們從能量和信息的共性視角來考慮“源、網、荷”三者協同運行這一目標。智能電網中存在兩個流。第一個流是在源、網、荷之間雙向流動的能量流。“源”包括常規能源和可再生能源等，“網”包括輸電網、配電網和微電網等，“荷”包括傳統負荷和主動負荷（含電動汽車）；在“源、網、荷”中還可能配置有各類儲能。在任何時刻、任何位置，能量流都必須保持平衡。第二個流則是雙向信息流。智能電網控制中心的EMS作為智能電網“智慧”的核心，統領著信息流，調控著能量流，保障著智能電網的安全、經濟、優質和環保運行。由此可見，對于“源、網、荷”三者協同運行這一目標，滿足“分布自治-集中協調”要求的EMS系統是關鍵。
但值得注意的是，智能電網EMS和常規EMS有很大的不同。由于智能電網規模巨大，組成元件眾多，傳統的集中控制已不可能達到目的。為此，我們提出了智能電網EMS家族概念，由EMS家族成員完成分散的自律控制，由控制中心EMS實現全局協調控制。EMS家族囊括了眾多分布在源、網、荷3個環節各部分的EMS成員。EMS家族各成員負責各自所管轄部分的能量流的自律調控，以保證調控的敏捷性和可靠性。家族各成員通過通信網絡互聯互動，形成面向“源、網、荷”協同的EMS家族網絡，支撐整個智能電網的高效安全運行。在“源”側，為了實現大規模風電場和光伏電站的自律調控，分別有風電場EMS（W-EMS）和光伏電站EMS（P-EMS）。在“網”側，為了實現輸電網、變電站、配電網和微網等的自律調控，分別有輸電EMS（T-EMS）、變電站EMS（S-EMS）、配電EMS（D-EMS）和微網EMS（u-EMS）。在“荷”側，為了實現電動車集群、樓宇、家庭等的自律調控，分別有電動車集群EMS（V-EMS）、樓宇EMS（B-EMS）和家庭EMS（H-EMS）。
EMS家族成員通常具有共性的功能結構，主要包括建模(modelling)、感知（awareness）、調度計劃（dispatch scheduling）、安全評估（security assessment）、協調控制（coordinated control）、與其他成員互動（interaction）等應用組。由于所管轄對象的運行需求和特性不同（例如風電和光電就很不相同），EMS家族成員也具有鮮明的個性。我們的研究團隊重點解決了以下兩方面的技術難題：EMS家族成員內部的自律調控，即同一EMS家族的成員要對自己的控制對象實施自治控制；EMS家族成員之間的協同調控，即在不同EMS家族成員之間，需要通過協調互動達到協同的目標，支撐全局電網的安全高效運行。由于家族成員的特點不同、功能眾多，這種協調具有顯著的多樣性。例如，在家族成員之間，有源-網、輸-配、站-中心、配-微、配-荷、微-荷、源-網-荷等協調。目前，研究團隊初步實現了支撐大規模可再生能源并網的自律協同EMS，用于自律協同控制的風/光電站分布式EMS已在全國349個大型風電場/光伏電站得到應用，用于協同的輸電EMS已在6個千萬千瓦級風光基地得到應用。截至2015年底，已經接入自律協同控制網絡的風/光電總裝機容量為0.487億千瓦，占全國集中并網風/光電總裝機（1.33億千瓦）的37%。以冀北風電基地為例，僅僅通過EMS的信息介入和控制，其電場電壓波動便平均下降至原來的30%，匯集區域先后發生110千伏以上故障11次，均未誘發連鎖脫網，張北風電匯集區域外送能力由投運前的780兆瓦提升至1000兆瓦，顯著提高了可再生能源的并網能力。
在負荷調度方面，事實證明，我們研發的EMS能夠解決棄風棄光嚴重的問題。以棄風棄光率較高的甘肅為例，受經濟下行影響，甘肅以高載能企業為主的重工業用電量持續下降，新能源消納問題愈加突出。針對支撐大規模可再生能源消納的甘肅負荷調度，研究團隊經過為期一年的現場試驗驗證，證明高載能負荷具有小時級調節能力。在甘肅新能源基地附近，有電解鋁負荷約140萬千瓦，可調容量約5%～10%；碳化硅、鐵合金等按爐冶煉負荷約300萬千瓦，可調容量約10%～20%。此外，部分高載能企業建有自備電廠，總容量約330萬千瓦。當風電、光電大發而導致棄電時，這些負荷可以通過小時級功率調節，并通過自備電廠提供短時調峰服務，實現企業用電負荷與可再生能源功率相匹配，實現源-荷協同的電力平衡。據初步測算，對2015年的甘肅電網，高載能負荷與可再生能源協同調度可提高近8億千瓦時的棄風棄光電量消納。同時，還可以將棄風棄光電量以較低電價銷售給高載能行業，顯著提高高載能用電企業的盈利能力和用電量。
可以看到，面對電力提出的棘手挑戰，“源、網、荷”三管齊下、通過EMS家族內和家族間的協同管控來支撐電網的高效運行，這是一種行之有效的方式，也是對全球電力挑戰的一次有力回擊。
作者：張伯明、孫宏斌
（張伯明，博士，清華大學電機系教授,長期從事電力系統分析和調度自動化教學和科研。中國電機工程學 會會士，電力系統自動化專委會副主任(2001- ), IEEE Fellow（2010），中國科協首席科學傳播專家（ 2016-2019），973計劃項目“源網荷協同的智能電網能量管理和運行控制”的首席科學家（2013-2017） 。）
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