“源、网、荷”回击电力挑战
当大规模的间歇式可再生能源发电并入电网、越来越普及的电动汽车随机接入电网，如何才能保障智能电网安全可靠地运行？“源、网、荷”协同的智能电网能量管理和运行控制至关重要，采用“分布自治-集中协调”的架构和决策机制，通过能量管理系统家族实现分散自律控制，通过控制中心能量管理实现源网荷的协同。
电力是如今人类不可或缺的一种基础保障。以中国为例，电力消费在一次能源消费中的比重超过40%，电力和电力系统的重要性正越来越突出。由于目前“电能的大规模存储”仍是世界性难题，要保证电网安全稳定运行，就必须保持发电和负荷在任何位置、任何时刻均处于平衡状态，这对电网运行的能量管理和运行控制提出了极大的挑战。
一个挑战，三大难题
在发电侧，常规电力系统可以存储发电原料，例如水电站有水库来储存具有势能的水，火电厂的燃料也可以存储，因此发电侧的输出功率在一定程度上是可以调整的。但是，为了应对全球气候变化，传统电力系统正在从主要以燃烧化石能源发电向可再生能源发电转型，这使情况发生了变化。目前可再生能源发电最主要的形式是风能和太阳能光伏发电，而这两种能源本身都无法储存。另外受自然天气因素影响，风能、太阳能等可再生能源发电具有很强的波动性、间歇性、不确定性，且很难预测。与传统能源发电相比，可再生能源发电的可控性很差，对其发电出力的大规模调整几乎是不可能实现的。若要使可再生能源与传统能源发电共同入网，就需要调整其他能源发电出力来维持发电和负荷的实时平衡，这对其他能源的调度提出了严峻的挑战。
在负荷侧，能源清洁化还带来了另外一个新的变革，即电动汽车的发展。随着电动汽车技术的快速发展，可以预见，将有大量电动汽车涌入大大小小的城市，而这些电动汽车又引入了新的不确定性，即什么时候充电、在哪里充电。另一方面，电动汽车的蓄电池作为储能设备，在必要的时候，也可以被电网利用，在高峰负荷时放电，在低谷负荷时充电，削峰填谷，平抑峰谷差。对传统负荷来说，也可以通过价格杠杆激励来引导错峰用电，使负荷参与到发电和负荷的功率平衡中。
在电网侧，发电和负荷之间的电力传输和功率平衡是通过电网来实现的，这需要坚强的电网作为支撑。我国风光电资源主要集中在北部和西北部，这些地区当地的负荷很小，实际上，我国的负荷中心主要集中在东部。将电力从中国北部和西北部输送到东部要跨越遥远的距离，需要通过特高压远距离输电来解决，这对电网基础设施和电网运行调控提出了挑战。电网是否足够坚强、是否具备足够的弹性?在电源波动性、间歇性、不确定性很强的情况下，是否能保证发电和负荷之间功率的时时处处平衡?我们必须给出答案。
可以看到，电能不能大规模存储这一挑战实际上向我们提出了“源、网、荷”三个方面的问题：如何消纳大规模间歇式可再生能源发电?如何支撑未来电动汽车的广泛随机接入?如何保障智能电网运行的安全可靠性?这些问题对智能电网能量的管理和运行控制至关重要。
三管齐下，协同攻克
面对上述问题，智能电网技术是一种有效的解决方法。为了使电力系统更加灵活、可靠、高效地运行，目前世界上的大部分国家都在着手利用现代信息技术改造电力基础设施，发展智能电网已成为世界各国能源工业可持续发展的重大战略举措之一。而要通过智能电网技术解决上述难题，就要针对“源、网、荷”三方面的特性三管齐下，这正是国家973计划项目“源网荷协同的智能电网能量管理和运行控制基础研究”的研究思路和目标。
电网的规模是巨大的。大量的发电和负荷元件通过电网在空间上联成了一个整体。我们发现，不同的发电和负荷元件，其动态表现差异极大。例如，在运行过程中，转动的发电机具有很大的机械惯性，而光伏发电通过电力电子装置接入电网，惯性很小。不同的电源对控制的响应很不相同，既有机电过程，又有电磁过程。在物理上，电以光速传播，转瞬即达，在这种情况下，既要保证发电负荷的即时平衡，又要追求可再生能源发电的最大化利用，还要尽可能降低常规发电的运行成本，难度极大。如果采取局部就地控制的方法，的确可以满足对快速性的要求，却无法顾及全局性能；如果采取全局集中控制的方法，则容易顾及全局不同发电负荷之间的协调，而无法满足快速控制要求。认识到这一点后，我们采用将“分与合”合二为一的方法来解决，也就是“分布自治-集中协调”的调度控制方法，兼顾控制快速性和全局最优性。
分布自治，集中协调
何为分布自治?实际上就是分散的自治控制。在一个典型的风（光）电场中，通常有众多的风机（或光伏阵列），其有功出力和无功出力在一定程度上是可控的，同时配置有一定容量的可控无功补偿设备，有时还配有充放电可控的储能设备，这些设备可通过风（光）电场内的自治能量管理系统（EMS）实现自律控制。通过自律控制，可有效降低风（光）电出力波动对电网的负面影响，提高风（光）电场并网的可控性和友好性，为全电网的协同调控和可再生能源的最大化消纳夯实基础，也就是分布自治。以华北风电场为例：通过分布自治，风电场在电网接入点的电压波动下降到原来的1/3，大风下电压水平提高5千伏，显著降低了风电场脱网风险。因此分布自治可以实现快速决策和快速控制，实现源-荷的自律，实现控制对象对电网的友好。
何为集中协调?实际上就是通过集中协调的全局优化，实现源-网-荷的协同，获取全局效益，即实现全局协调优化。在电力系统中，不同的电源有不同的特点。火电机组可以开停，可以调整它们的输出功率，但是要付出较大的代价；水电机组最容易调控，但是水库中具有势能的水是有限的，需要在最合适的时候使用；风能和光能属于自然力，人类无法左右，只能预测其变化规律，然后根据预测结果调控火电、水电等常规电源的出力，来适应风光电的变化，进而在保证发电负荷时时平衡的前提下，使得整个电力系统的运行效益达到最优。如果再将负荷侧的调控手段考虑进来，例如电动汽车的充放电和常规负荷的错峰，那么我们需要解决的就是一个考虑时间和空间的全局协调优化问题。
关键的EMS系统
我们从能量和信息的共性视角来考虑“源、网、荷”三者协同运行这一目标。智能电网中存在两个流。第一个流是在源、网、荷之间双向流动的能量流。“源”包括常规能源和可再生能源等，“网”包括输电网、配电网和微电网等，“荷”包括传统负荷和主动负荷（含电动汽车）；在“源、网、荷”中还可能配置有各类储能。在任何时刻、任何位置，能量流都必须保持平衡。第二个流则是双向信息流。智能电网控制中心的EMS作为智能电网“智慧”的核心，统领着信息流，调控着能量流，保障着智能电网的安全、经济、优质和环保运行。由此可见，对于“源、网、荷”三者协同运行这一目标，满足“分布自治-集中协调”要求的EMS系统是关键。
但值得注意的是，智能电网EMS和常规EMS有很大的不同。由于智能电网规模巨大，组成元件众多，传统的集中控制已不可能达到目的。为此，我们提出了智能电网EMS家族概念，由EMS家族成员完成分散的自律控制，由控制中心EMS实现全局协调控制。EMS家族囊括了众多分布在源、网、荷3个环节各部分的EMS成员。EMS家族各成员负责各自所管辖部分的能量流的自律调控，以保证调控的敏捷性和可靠性。家族各成员通过通信网络互联互动，形成面向“源、网、荷”协同的EMS家族网络，支撑整个智能电网的高效安全运行。在“源”侧，为了实现大规模风电场和光伏电站的自律调控，分别有风电场EMS（W-EMS）和光伏电站EMS（P-EMS）。在“网”侧，为了实现输电网、变电站、配电网和微网等的自律调控，分别有输电EMS（T-EMS）、变电站EMS（S-EMS）、配电EMS（D-EMS）和微网EMS（u-EMS）。在“荷”侧，为了实现电动车集群、楼宇、家庭等的自律调控，分别有电动车集群EMS（V-EMS）、楼宇EMS（B-EMS）和家庭EMS（H-EMS）。
EMS家族成员通常具有共性的功能结构，主要包括建模(modelling)、感知（awareness）、调度计划（dispatch scheduling）、安全评估（security assessment）、协调控制（coordinated control）、与其他成员互动（interaction）等应用组。由于所管辖对象的运行需求和特性不同（例如风电和光电就很不相同），EMS家族成员也具有鲜明的个性。我们的研究团队重点解决了以下两方面的技术难题：EMS家族成员内部的自律调控，即同一EMS家族的成员要对自己的控制对象实施自治控制；EMS家族成员之间的协同调控，即在不同EMS家族成员之间，需要通过协调互动达到协同的目标，支撑全局电网的安全高效运行。由于家族成员的特点不同、功能众多，这种协调具有显著的多样性。例如，在家族成员之间，有源-网、输-配、站-中心、配-微、配-荷、微-荷、源-网-荷等协调。目前，研究团队初步实现了支撑大规模可再生能源并网的自律协同EMS，用于自律协同控制的风/光电站分布式EMS已在全国349个大型风电场/光伏电站得到应用，用于协同的输电EMS已在6个千万千瓦级风光基地得到应用。截至2015年底，已经接入自律协同控制网络的风/光电总装机容量为0.487亿千瓦，占全国集中并网风/光电总装机（1.33亿千瓦）的37%。以冀北风电基地为例，仅仅通过EMS的信息介入和控制，其电场电压波动便平均下降至原来的30%，汇集区域先后发生110千伏以上故障11次，均未诱发连锁脱网，张北风电汇集区域外送能力由投运前的780兆瓦提升至1000兆瓦，显著提高了可再生能源的并网能力。
在负荷调度方面，事实证明，我们研发的EMS能够解决弃风弃光严重的问题。以弃风弃光率较高的甘肃为例，受经济下行影响，甘肃以高载能企业为主的重工业用电量持续下降，新能源消纳问题愈加突出。针对支撑大规模可再生能源消纳的甘肃负荷调度，研究团队经过为期一年的现场试验验证，证明高载能负荷具有小时级调节能力。在甘肃新能源基地附近，有电解铝负荷约140万千瓦，可调容量约5%～10%；碳化硅、铁合金等按炉冶炼负荷约300万千瓦，可调容量约10%～20%。此外，部分高载能企业建有自备电厂，总容量约330万千瓦。当风电、光电大发而导致弃电时，这些负荷可以通过小时级功率调节，并通过自备电厂提供短时调峰服务，实现企业用电负荷与可再生能源功率相匹配，实现源-荷协同的电力平衡。据初步测算，对2015年的甘肃电网，高载能负荷与可再生能源协同调度可提高近8亿千瓦时的弃风弃光电量消纳。同时，还可以将弃风弃光电量以较低电价销售给高载能行业，显著提高高载能用电企业的盈利能力和用电量。
可以看到，面对电力提出的棘手挑战，“源、网、荷”三管齐下、通过EMS家族内和家族间的协同管控来支撑电网的高效运行，这是一种行之有效的方式，也是对全球电力挑战的一次有力回击。
作者：张伯明、孙宏斌
（张伯明，博士，清华大学电机系教授,长期从事电力系统分析和调度自动化教学和科研。中国电机工程学 会会士，电力系统自动化专委会副主任(2001- ), IEEE Fellow（2010），中国科协首席科学传播专家（ 2016-2019），973计划项目“源网荷协同的智能电网能量管理和运行控制”的首席科学家（2013-2017） 。）