电力生态系统视角下的电网演变及电力系统聚合理论.pdf

第 4 2卷 第 2 2 期 2 0 1 4年 1 1 月 1 6日 电 力 系统 保 护 与控制 P o we r S y s t e m Pr o t e c t i o n a n d Co n t r o l Vlo 1 42 NO 2 2 NO V 1 6 201 4 电力生态系统视角下的电网演变及电力系统聚合理论 贺 兴 ，艾 芊 ，余志文 ，徐意婷 ，章 健 ( 1 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 2 0 0 2 4 O ；2 上海市电力公司市区供电公司，上海 2 0 0 0 8 O ) 摘要：为了满足新时代电网 发展的客观需求，提出一种综合生态学、行为学、组织学，并引入大数据分析方法的聚合理论。 聚合 理论 以一个全新 的视 角对 电力 系统的运行特征 、演 变规律和调度模 型进行描述 ，可辅助指导 电网运 行的行 为规 范、运 营 模式、调度方案的制定。通过充分利用海量数据资源和采用更为普适灵活的组织群体运行模式，契合了电网海量数据资源和 主体分布式、多元化、智能化的发展趋势，保障并加速了现代 电网的演变进程，具有实用性、前瞻性和指导性。 关键词：聚合理论；演变；生态学；行为学；组织学；大数据 Po we r s ys t e m e vo l ut i o n an d a g gr e g a t i o n t he o r y und e r t h e v i e w o f po we r e c o s y s t e m HE X i n g ， A I Q i a n ， Y U Z h i w e n ， XU Y i t i n g ， Z HA NG J i a n ( 1 S c h o o l o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o T o n g Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a 2 Ur b an Po we r S u p p l y C o mp an y , S ME PC， S h a n g h a i 2 0 0 0 8 0 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：T o me e t t h e n e e d o f g r i d d e v e l o p me n t i n n e w g e n e r a t i o n ，a n a g g r e g a t i o n t h e o r y i n t e g r a t i n g wi t h E c o l o g y ,Be h a v i o r a l S c i e n c e ， Or g an i z a t i o n Th e o r y a s we l l a s b i g d a t a a n a l y s i s me t h o d i s p r o p o s e d T h e a g g r e g a t i o n t h e o ry d e s c r i b e s t h e p o we r s y s t e m o p e r a t i o n f e a t u r e s ，e v o l u t i o n l a w,a n d d i s p a t c h mo d e l f r o m t h e n e w p e r s p e c t i v e o f Ec o l o gy ,wh i c h c a n g u i d e t h e d e s i g n o f t h e b e h a v i o r n o r m，o p e r a t i o n mo d e ，an d d i s p a t c h s c h e me o f p o we r g r i d o p e r a t i o n I t ma k e s f u l l u s e o f ma s s i v e d a t a a n d a d o p t s o r g n i z a t i o n g r o u p o p e r a t i o n mo d e wh i c h i s mo r e u n i v e r s a l a n d mo r e fl e x i b l e ， c o n f o r ms t o t h e d e v e l o p me n t t e n d e n c y c h a r a c t e r i z e d a s p o we r g r i d ma s s d a t a s o u r c e s ， a n d b e i n g d i s t r i b u t e d ， d i v e r s i fi e d ， and i nte l l i g e n t ， a n d g u a r a n t e e s a n d s p e e d s u p t h e e v o l u t i o n p r o c e s s an d mo d e m p o we r g r i d ， wh i c h i s p r a c t i c a l ， p r o s p e c t i v e ， a n d i n s t r u c t i v e K e y wo r d s ： a g g r e g a t i o n t h e o r y ； e v o l u t i o n ； Ec o l o g y ； Be h a v i o r a l s c i e n c e ； Or g a n i z a t i o n a l Th e o r y； b i g d a t a 中图分类 号： T M7 7 文献标识码 ：A 文章编 号： 1 6 7 4 3 4 1 5 ( 2 0 1 4 ) 2 2 0 1 0 0 0 8 0 引言 以新能源( 如核能、氢能等) 、可再生能源( 如水 能、风能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等) 代替化石能源 的新 能源革命是当今世界的重要主 题l l J 。 而上述能源的利用绝大部分是通过 电气化实 现的L 8 。2 0 0 0年，美国工程院将以电网技术为代 表的电气化评为 2 0世纪人类所取得的最伟大的科 学成就I J 。而迎接能源革命的挑战，加快能源结构 转型 ，发展新一代电网技术，成为当前电力系统发 展的主要任务 。 国家 电网公司指出，新一代智能电网的建设应 当遵循安全可靠、经济高效、清洁环保、透 明开放、 友好互动等客观要求 ，这就要求在 电网稳定的大 基金项目：国家科技支撑计划课题 ( 2 0 1 3 B A A 0 1 B 0 4 ) 前提下，设置相关激励制度调动个体的能动性 ，并 制定相关的调度管理措施使个体积极与其余个体及 电网互动，提升整个系统的资源优化程度，并以环 保为一刚性约束。 发展新一代电网，需对其特色、发展瓶颈及相 应的解决方法进行研究。这不仅仅涉及 电力系统、 电力电子、信息通信与管理控制等相关专业，更需 要综合利用生态学、社会学、行为学、组织学 、大 数据等领域，在多时空尺度上关注 电气化历程 的不 同阶段尤其是阶段转换时的突破瓶颈和核心传承， 相关因素 ( 源 网荷个体；电力系统；外界环境 )的 行为、发展规律及推动作用，抽象提取 出电力系统 演变的普适性规律 。在此基础上，建立 电力系统演 变模型，提 出相关理论即电力系统聚合理论l l 7 - 1 8 1 。 聚合是指两个或多个个体通过某种联系形成聚合体 的过程 ，而参与的个体也可 以是聚合体，即聚合可 1 0 2 电力 系统 保护 与控制 大环境的影响，故个体无法积极与环境互动 以主动 利用环境 ，仅被动地适应生存环境 ，系统运行特点 和调度策略具有当地特色。 ( 2 )第二代电网互联 电网 从生态系统的角度看，第二代 电力系统仅需在 全 P E c o S 实现能量平衡而并非在互联 的每个区域 内，这实现了广域资源优化和优势资源利用 ；系统 控制体系以领导层 环境为主导，以团队为控制单位 进行 自上而下的调控，以集中调度或集散调度为主 要方式：系统调度 以 P E c o S和谐稳定为前提，兼顾 区域的需求和特点，下达调度指令；各区域被动地 对指令进行响应，工作模式类似于团队，区域中个 体 以所属团队的调度指令为统一 目标，根据经典模 型和经验惯例等， 在 区域控制 中心管理下进行工作、 产生绩效、获取报酬 。 ( 3 )第三代电网智能电网 面 向区域 的 白上而下 团队式 电力系统 已经成 熟 ，而新技术、新理论的发展以及能源转型的需求 则对电力系统的演变提供了新的动力和方 向。 目前 ，各个 国家、地域普遍在第二代 电网到第 三代 电网的过渡时期，根据各 自资源 的不 同，发展 的方 向也不尽相同，但信息流和能量流的区域性突 破和可再生能源 的消纳及 电能的多渠道利用是其基 本的共性 。第三代 电网的发展刚刚起步，电源侧可 再生能源转化和利用技术 已经成熟，但进入电网的 配套制度不够完善、迟滞脱节 ，标准也 尚未完善， 往往导致投资失调，弃风、弃光，发挥不到预期的 效果，是 电网的可再生能源和第三代电网演变的主 要制约。在风力资源和发 电设备都 良好的黑龙江平 原风电场 ，其风电场全年等效满负荷小时数也仅为 2 0 0 0多小时，弃风限电、电网检修计划等风电场与 电网不和谐运行极大地影响了真正产生效益的风机 并网小时数I 】 2 。 。而调度管理则是在资源结构和比 例协调的情况下，资源的优化配置和优势资源 的优 先利用，即规划合理的第三代 电网的运行规律和管 理模式是本文的重点研究内容。 ( 4 )三代电网对 比及 电网调度管理分析 其三代 电网的对比如表 2所示。 表 2第一代、第二代和第三代电网比较 T a b l e 2 Co mp a r is o n b e t we e n d if f e r e n t g e n e r a t io n s o f p o we r s y s t e m 贺 兴，等 电力生态系统视角 下的 电网演变 及 电力系统聚合理论 1 0 5 高的内聚力，但容易形成群体极化( g r o u p p o l a r i z a t i o n ) 或群体思维( g r o u p t h i n k ) ，所做出的决策经过不断的 同化往往是群体一致 的结论而并非最优的结论 ；针 对群体成员同质 点的打击可能使群体特性巨变，如 全 由风机组成的发 电群体当风停时其 出力将会较大 波动，群体系统鲁棒性较低；同质性群体面临有限 资源 时成员 问易形成竞争关系而降低成员的工作效 率 。而异质性群体相 反，冲突多、意见不一、不易 齐心协力，沟通成本 高、时间长 ，但异质群体的思 维发散 ，灵活性较高，且在工作 中会形成辅助 、互 补等关系使得成员的工作效率得到极大的提升。 ( b 群体规模( g r o u p s i z e ) 规模大 的群体拥有更多的资源，随着群体规模 的增加 ，生产力和新思想的增长率呈递减 的趋势， 互动和沟通 的复杂度 的增长率呈递增趋势。群体复 杂性问题和公平性问题也会随着群体规模 的增长而 显现出来，规模较大的群体工作难以组织协调，成 员问也容易职能冲突或竞争压制 ；难 以制定工作分 配和奖励分配制度，成员的责任感、公平感需求难 以满足 。最终会 导致群体较大的社会性虚度( s o c i a l l o a f i n g ) ，即成员在群体中工作时不努力或努力程度 远低于独立工作。 ( c )群体规范( g r o u p n o r m) 一 般 形成于沟通和决策 阶段而随后随着群 体 的成长而不断改进 ，规范由群体人格特征 、情境、 任务和群体历史共同决定。规范确保 了可为群体所 接受的行为，体现了群体的核心价值观，令群体区 别于其他群体：同时，对群体成员，规范确保 了其 行为的一致性 ，同时提供预测行为的基础。 ( d )群体内聚( g r o u p c o h e s i v e n e s s ) 群体保持集合的承诺程度，来 自促使群体成员 留在群体的各项因素。包括群体吸引力、抵抗脱离 群体的力量 以及保持群体成员身份的激励。 群体 内聚力和组织生产力并非直接关联，当群 体 目标和组织 目标一致性较高时，群体的组织生产 力才较高；反之，群体更可能因为个人私利或群体 极化、群体思维等而努力实现群体的 目标而放弃了 组织的利益。 2 3基于大数据的电力系统行为、组织学应用 如图 1 所示，第三代电网中个体智能化、多元 化 、分布式 ，个体异质性和主观能动性较强；系统 结构复杂，风、光等环境不确定性也将引入系统； 而评价机制和体系也呈多样化，碳排、环保、高效 等也成为系统运行的刚性或柔性指标 。传统模型通 过建立强因果关系推导，往往仅在特点约束或特定 目标时成立，而大数据则通过数据本身说明问题 ， 可 以证 明当数据足够大时，其随机矩阵的本征值必 然是收敛的且所含信息是完备的I J 。而长时间、跨 空问的数据采样和收集，在 当今 电网发展中并非强 制约因素。因此，采用大数据技术，结合相关 已有 的电力系统模型对电力系统进行认知和分析，将可 大幅度提升系统认知和分析能力，一定程度上解决 了第三代电力系统难以建模 、分析的问题；而对个 体而言，通过信息交互、共享等将从 自我系统认知 提升到生态系统认知而可作出更为有利的决策。 2 4综合案例 能源危机和环境 问题给可再生资源( R ZS ) O 用 相关技术的发展提供了动机 。 而 R E S以 DG等形式 并网，在电力系统中运行需要满足电网稳定的刚性 约束；同时，有利于系统稳定的工作行为将产生绩 效，可予以远超市场 电价的奖励 。这就促成 了DG、 储能、电能治理等系统运行相关设备和调度措施 的 结合：如 D G辅 以具有快速功率调节能力的小规模 储能单元进行秒级出力平滑 ；而对多个 D G或某个 片区，采用燃气轮机或水 电站进行局域功率调整 。 在此过程中，微网或微网集群的相关的概念、运行 约束、调度方法渐渐形成并走向成熟。而随着信息 流和能量流的发展， 各微网之间又可进行交互行为， 实现广域的资源优化，即虚拟 电厂 V P P 。结合传统 电网和大 型可再生 能源发 电，即构成 了超级 电网 S u p e r g r i d 。而在 V P P和 S u p e r g r i d中，个体彼此 间 地理、物理约束较小，运行较为灵活 ，此时，个体 主导的授权式群体管理模式将能更好地实现个体的 利益和发挥潜力 ， 具有一定的优越性。 而从长远看， 迫于 日益严峻的能源问题和环境压力，P E c o S产生 了可持续无污染发电的需求，则各国必然将通过一 系列的政策法规及对分布式多源不确定发电系统相 关技术的研发，引导以可再生清洁能源为主的能源 结构转型。而该过程中，核电、大型风机等政策推 行和项 目落地的可行性时要考虑民众的意见。则应 通过国家历年来的政策、 规划，电力系统相关制度、 规范及项 目、用户、群众 的调研等收集数据。以上 所做的分析、 研究均涉及庞大的数据和较为复杂的逻 辑，大数据与传统模型结合将是很好的研究手段。 3 结论 针对新一代 电网特色 ，发展时会遇到的瓶颈， 1 0 6一 电力 系统保护 与控制 如何解 决等 问题 ，本文提出了聚合理论及研究框 架。聚合理论采用大数据与常规模型结合为手段， 结合生态学、行为学 、组织学，对电力系统进行多 时空尺度的研究，以生态学发现问题和设定问题背 景，以行为学对问题现象进行深入剖析并提出解决 措施，以组织学研究解决问题的手段 ，最终形成聚 合理论。聚合理论不仅可以解释电力系统演变过程 中的行为、现象，并对新一代 电网的发展趋势进行 展望和指导，保障并加速 了电网的演变进程，具有 非常重要的意义。 参考文献 1 陈树勇，宋书芳，李兰欣，等智能电网技术综述 J 电网技术， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 8 ) ： 1 - 7 CHEN Sh u yo ng，S ONG Sh u- f a n g，LI La n xin，e t a 1 S u r v e y o n s ma r t g r id t e ch n o l o g y J P o w e r S y s t e m T e ch n o l o g y , 2 0 0 9 ， 3 3 ( 8 ) ： 1 - 7 2 S e cr e t a r y o f S t a t e f o r T r a d e a n d I n d u s t r y , U K O u r e n e r g y f u t u r e ：cr e a t i n g a l o w ca r b o n e co n o my R Un i t e d Kin g d o m： Br it is h Go v e r n me n t ， 2 0 0 3 ： 2 5 2 9 3 胡学浩 智能 电网：未来 电网 的发 展态势 J 电网技 术， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 1 4 ) ： 1 - 5 HU Xu e - h a o S ma r t g r id ： a d e v e l o p me n t t r e n d o f fut u r e p o we r g rid J P o we r S y e m T e chno l o gy, 2 0 0 9 ， 3 3 ( 1 4 ) ： 1 - 5 4 T A I H， HO GA I N E O B e h i n d t h e b u z z ， e i g h t s m a r t g r id t r e n d s s h a p i n g t h e in d u s t r y J I E E E P o we r& E n e r g y , 2 0 0 9 ， 7 ( 2 ) ： 9 6 9 7 5 余贻鑫 ，栾文鹏 智能 电网述评 J 中国电机工程 学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 3 4 ) ： 1 8 YU Yi xin， LUAN W e n - pe ng S m a r t g r id a nd it s imp l e me n t a t io n s J P r o ce e d in g s o f t h e CS E E ，2 0 0 9 ， 2 9 ( 3 4 ) ： 1 - 8 6 I P AK C HI A AL B UY E H F Gr i d o f t h e f u t u r e J I E E E P o we r &E n e r g y Ma g a z i n e ， 2 0 0 9 ， 7 ( 2 ) ： 5 2 6 2 7 王 明俊 智能 电网与智能能源 网 J 电网技 术， 2 0 1 0 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 - 5 WA NG Mi n g - j u n S ma r t g r i d and s ma r t e n e r gy r e s o u r ce g r id J P o we r S y s t e m T e chno l o g y , 2 0 1 0 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 - 5 8 周孝信，陈树勇，鲁 宗相电网和 电网技术发展 的回 顾 与展望一 一试 论三 代 电网 J 中 国电机工程 学报 ， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 2 ) ： 1 - 1 1 ZHOU Xia o x in ， CHEN S h u y o n g ， L U Z o n g - x ia n g Re v ie w a n d p r o s p e ct for p o we r s y s t e m d e v e l o p me n t a n d r e l a t e d t e chn o l o g ie s ： a co n ce p t o f t h r e e - g e n e r a t io n p o we r s y s t e ms J P r o ce e d i n g s o f t h e C S E E ， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 2 ) ： 1 1 1 9 C O NS T A B L E G S O ME R VI L L E B A ce n t u ry o f in no va t io n：t we n t y e ngine e r in g a chie v e me n t s t h a t t r ans f o r me d o u r l iv e s M Wa s h i n g t o n ， DC ： T h e N a t i o n a l Aca d e mie s P r e s s ， 2 0 0 3 ： 1 - 1 2 1 0 薛媛，陈哲照，王涛，等新能源发 电并 网系统 的控制 策略【 J J 电力系统保护与控制， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 3 ) ： 1 1 - 1 4 XUE Y u a n ， C HE N Z h e z h a o ， WANG T a o ， e t a 1 Co n t r o l s t r a t e gy o f g r id co n n e ct e d p o we r g e n e r a t io n s y s t e m o n r e n e wa b l e e n e r gy J P o we r S y s t e m P r o t e ct i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 3 ) ： 1 1 1 4 1 1 杨德州，王利平，张军， 等 大型分布式电源模型化研 究及其并 网特 性分析 一 一 ( 一) 光伏 电站 专题 J _电 力系统保护与控制， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 1 8 ) ： 1 0 4 - 1 1 0 YANG De z ho u，W ANG Li p ing，ZHANG J u n，e t a 1 M o d e l l in g o f t h e l a r g e s ca l e d is t r ib u t e d p o we r s u p p l y an d the a n a l y s is o f co r r e s pon d i n g#d - co n n e ct e d ch a r a ct e r i s tics - ( 1 ) p h o t o v o l t a i c p l ant t h e ma t ic J P o w e r S y s t e m P r o t e ct i o n and C o n t r o l ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 1 8 ) ： 1 0 4 1 1 0 1 2 董永平， 何世 恩，刘峻，等低碳 电力视角下的风 电消 纳 问题【 J 电力系统保护与控 制， 2 0 1 4 ， 4 2 ( 5 ) ： 1 2 - 1 6 DONG Yo n g - p in g ，HE S h i e n ，LI U J u n ，e t a 1 W in d po we r c o n s u mp t io n p r o b l e m in t he vie w of l o w ca r bo n p o we r J P o we r S y s t e m P r o t e ct io n a n d C o n o l ，2 0 1 4 ， 4 2 ( 5 ) ： 1 2 - 1 6 1 3 陈昌松，段善旭， 殷进军，等基于发电预测的分布式 发 电能量管理系统 J 1 电工技术学报，2 0 1 0 ，2 5 ( 3 ) ： l 5 0 1 5 6 C H E N C h ang - s o n g ， D UA N S h a n X U ， Y I N J i n - j u n ， e t a 1 E n e r g y man a g e me n t s y s t e m o f d is ib u t e d g e n e r a t io n b a s e d o n p o we r f o r e ca s t i n g J T r ans a ct io n s o f C h i n a E l e ct r o t e ch n ica l S o cie ty, 2 0 1 0 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 5 0 1 5 6 1 4 娄素华，王志磊，吴耀武， 等基于机会约束规划 的含 大规 模风电 电力系统协调经济调度 ( 英文) 【 J 1 电工技 术学报， 2 0 1 3 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 3 3 7 3 4 5 LOU S u - h u a ， WANG Z h i- l e i， WU Ya o wu ， e t a 1 Co o r d in a t e d e co n o mic d is p a t ch for p o we r s y s t e m wit h s i g n ifi cant wi n d p o we r g e n e r a t i o n b a s e d o n ch ance - co n s t r a i n e d p r o g r a mmi n g J T r a n s a ct i o n s o f C h i n a E l e ct r o t e chn i ca l S o cie ty, 2 0 1 3 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 3 3 7 3 4 5 1 5 胡兆光，谭显东， 许召元，等 2 0 5 0中国经济发展与电 力需求探索：基于电力供需研究实验室模拟实验【 M 北京：中国电力出版社， 2 0 1 1 ： 3 - 4 HU Zha o g uan g，TAN Xia n do ng ，XU Sh a o yu an ，e t a 1 贺 兴，等 电力 生态 系统视角下的 电网演变及 电力系统聚合理论 一1 0 7 E n q u i r y f o r C h in a S e co n o mi c d e v e l b r n e n t a n d e l e ct r icit y d e m a n d t il l 2 0 5 0 ： s imu l a t io n s u p p o r t e d b y in t e l l ig e n t l a b o r a t o r y for e co n o my - ， e n e r g y - e l e ct r ic i t y - e n v i r o n me n t M B e i j i n g ：C h in a E l e ct r i c P o we r P r e s s ， 2 01 1 ： 3 - 4 1 6 刘振亚 智能 电网知识 读本 M】 北京：中国 电力 出版 社 2 0 1 0 L I U Z h e n - y a S ma r t g r i d k n o wl e d g e r e a d e r M B e i j in g ： Ch in a El e ct r ic Po we r P r e s s ， 2 01 0 1 7 艾 芊，贺 兴，余 志文 电力系 统聚合 理论 概念及 研究 框架 J 低压 电器， 2 0 1 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 5 0 - 5 5 A I Qi a n ， HE Xi n g ， Y U Z h i - we n C o n ce p t and r e s e a r ch f r a me wo r k o f a g g r e g a t io n t h e o r y for p o we r s y s t e m J L o w V o l t a g e A p p a r a t u s ， 2 0 1 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 5 0 5