面向新型配电系统柔性互联和灵活互动的分布式智能电网技术体系

等前理工大尊等前理工大尊面向新型配电系统柔性互联和灵活互动的分布式智能电网技术体系华南理工大学二二Ⅲ一1、研究背景与意义2、分布式智能电网的价值定位和内涵3、分布式智能电网的理论框架4、分布式智能电网的技术体系与关键技术5、展望3大湾区年学论端●●2022年4月中央财经委员会第十一次会议提出“发展分布式智能电网”的要求，加快新型城市电力系统建设●2023年12月欧盟委员会《欧盟电网建设行动计划》指出欧洲电网必须朝“更智能、更分散、更灵活”的方向迈进《关于新形势下配电网高质量发展的指导意见》提出实现分布式智能电网“与大电网兼容并存、融合发展”2025年12月第二十一届分布式能源大会：分布式智能电网在当前能源转型背景下正成为构建新型电力系统的关键支柱4GSF大湾区年学论端华南理2大字2024年7月29日，国家能源局发布“关于政协第十四届全国委员会第二次会议第01856号(工交邮电类265号)提案答复的函”,答复函表示：◆国家能源局将加大配电网升级改造力度；制定分布式光伏相关规范；推动分布式新能源就地开发利用；推动分布式智能电网由示范建设到广泛应用◆要推进分布式智能电网等电力系统新业态健康发展，建设满足分布式新能源规模化开发和就地消纳要求的分布式智能电网，实现与大电网兼容并存、融合发展◆国家能源局将指导各省(区、市)在大电网末端、新能源富集乡村、高国家能源局比例新能源供电园区等区域，探索建设一批分布式智能电网项目5大湾区年学论端“双碳”战略目标引领下，国家大力推进新型能源体系建设，加快推动分布式光伏、电动汽车与储能等新质生产力“新三样”发展，发挥新型经营主体在我国能源绿色低碳转型中的重要作用双碳战略目标柔性化可调节nGSFGSF大湾区年学论端GreoterBayAreaScienceForum华南理工大学1.2源荷储发展新趋势带来的挑战(一)发电侧分布式发电规模快速扩大：近年来新能源发电规模快速扩大，尤其以分布式光伏为代表的分布式发电呈现爆发式增长，未来我国分布式发电将成为电力同比增长48%,占全部光伏发电装机的42%题凸显：高比例新能源接入、高比例电力电子设日火电☑水电核电抽水蓄能曲光伏风电□新型储能数据来源：《中国南方电网二O二四年新能源运行总结分析报告》《中国电力行业年度发展报告》61.2源荷储发展新趋势带来的挑战新型电力负荷高速发展：以电动汽车为代表的新型负荷快速发展，产消一2050年左右，电动汽车负荷极端情况下甚至超过传统负荷之和智能可控能力不足：智能电表主要实现计量自动化，负荷侧智能管理和控制水平不高灵活性挖掘不足：现有需求响应市场准入门槛高，分布式电力市场处智能电表GSF大湾区肆学论端1.2源荷储发展新趋势带来的挑战储能应用场景丰富：主要针对集中式大型储能、面向新能源消纳和系◆瓶颈与挑战亟需体系化架构和大规模集群调控方法：储能单元数量庞大、安全性问题尚未攻克：锂电池储能火灾安全事故危害大，传统预>使用效率有待提高：使用率不高，新能源配储等效利用系数仅为6.1%,储能电站能量效率为80%-85%分布式及微网分布式及微网用户侧储能1.5%2.0%电源侧辅助服务电网侧储能25.7%37.8%集中式新能源数据来源：《新能源配储能运行情况调研报告》中关村储能产业技术联盟，天风证券研究所891.3现有配电网的发展瓶颈配电系统的发展困境城乡分布式光伏承载力已近饱和，大规模反送导致收益和投资受限，亟需提升消纳能力储能、电动汽车等资源通过虚拟电厂与电网互动频次低，成本回收难，缺乏持续发展动力时间时间4调用频次分布式光伏时间时间价值不均衡、供需不平衡时间可调节负荷时间可调节负荷时间时间储能、可调节负荷困境1.4技术发展带来的新机遇◆新一代电力电子技术与设备助力配电网安全运行与柔性互联◆自动化技术显著提高管理效率：配电自动化覆盖率达到90%,配网自愈覆盖率52.75%,全国各地区基本实现了智能电表全覆盖◆数字化技术有效支撑透明电网：智能终端与传感技术实现设备终端信息采集，边缘计算技术实现终端侧算力增强，物联网通信技术实现边缘信息传输，南网电力全域物联网平台已接入终端规模突破100万台，提升电网的感知能力和互动能力；数字孪生实现全生命周期状态评估与预测◆智能化技术支撑能力显著增强：人工智能技术推动知识自动化，智算Q1Q3VoutVinV1直流配网用光伏变换器拓扑图人工智能云计算物联网大数据云计算云大物移智技术数据来源：《中国智能电表行业发展前景与投资战略规划分析报告》《南方电网公司数字生产“十四五”行动计划》10GSFGSF大湾区年学论端华南理工大学1.5分布式智能电网建设的必要性与意义◆“双碳”目标下建设新型电力系统的重要内容◆充分适应新型电力系统源荷发展的新趋势，突破现有配电网发展瓶颈◆配电网是新形势下电网安全可靠供电的关键制约，需要从根本上提升电网安全可靠用电水平◆把握数字化智能化技术发展带来的新机遇，形成互济平衡、柔性组网、灵活互动、智能协控的新型配电系统GSFGSF大湾区舞学论端2、分布式智能电网的价值定位和内涵5、展望GSFGSF2.1分布式智能电网的内涵与价值分布式智能电网核心内涵是，以海量分布式资源为主体，具备较大程度电力电量自平衡能力(分布式电网)和智能化水平(智能电网),能够与大电网灵活协同的配用电网络互济平衡柔性组网灵活互动智能协控电力就地自平衡分层分区自组织多元主体互动主配协同新型商业模式源网荷储一体化物理属性技术属性价值属性分布式组织架构组织在一起形成分布式智能电网互济平衡技术分布式感知与优化技术核心目标：安全充裕重要目标：经济高效提高供电可靠性提升系统韧性保障信息安全提高系统运行效率与经济性降低对基础设施建设的要求提升系统运行灵活性高比例电力电子设备数字化智能化技术发展目标：清洁低碳推动能源低碳转型提高终端部门电气化率减少碳排放GSGSF2.3与其他相关电网概念的区别分布式智能电网是在主动配电网的基础上进一步朝着互济平衡、柔性组网、灵活互动、智能协控发展的新型电力系统配电网，旨在提高接纳新能源和多样化负荷的承载能力和灵活性驱动力智能电网技术升级高级量测体系、高级配电运行、高级输电运行和高级资产管理经济、集成、优化智能配电网测、遥调，配网自愈微电网局部区域供电能力分布式智能电网分布式感知、优化与控制技术，数字化和智能化技术互济平衡、柔性组网灵活互动、智能协控GSGSFBB2.4分布式智能电网组织架构分布式单元是进行潮流组织的基本单位，多个单元可以组成分布式集群集群B集群A分布式单元集群建筑集群资源分布式发电建筑集群资源分布式发电外部能量交换分布式储能配电设备分布式单元以“柔性环网”为基本网架形态，采用“合环设计，柔性互联运行”的思路单元控制器进行自律优化控制，集群控制器协调分布式单元进行协同优化控制集群控制器·收集单元控制器的交互信息●实行全局优化控制单元控制器●向下分解指令单元控制浴单元控制器●向下分解指令单元控制浴指令指令上层电网上层电网分布式单元集群本地控制器……本地控制器之间的信息交互单元控制器向本地控制器的集中协调控制单元控制器之间的信息交互集群控制器向单元控制器的集中协调控制outh(h1、研究背景与意义2、分布式智能电网的价值定位和内涵3、分布式智能电网的理论框架4、分布式智能电网的技术体系与关键技术5、展望GSGSF大湾区斜学论端3.1分布式智能电网的理论与科学方法分布式单元建模与分布式集群划分与模型驱动数据驱动潮流自组织电力+算力’的集群效应与中心去中心化交易调控整合混合式交易GSFGSF大湾区肆学论端GreoterBayAreaScienceForum3.2分布式智能电网的理论示例◆难点定性准则的电力系统建模带来前所未有的挑战主体，对象种类繁多、运行特性迥异、机理不明晰和数字孪生技术，形成一个与实际系统同步更新的虚拟副本力传输功率、波动性程度等为目标函数进行多目标优化根据指标实时动态优化集群划分策略层层次划分知识知识涌现节能力调控集群集群聚合控制分布式集群分布式集群20GSFGSF大湾区年学论端3.2分布式智能电网的理论示例(一)分布式智能电网建模理论问题：构建能源细胞标准单元和实现能源细胞集群的动态划分建立具有自治平衡和柔性互联属性的能源细胞数学模型，研究能源细胞的动态划分与聚合机制，提出基于能源细胞的分布式电力网络的数学建模及其高效求解方法自治平衡柔性互联灵活互动智能协控基本结构单元动态划分聚合分布式建筑集群分布式建筑集群资源发电交通路网资源分布式储能网资源高效求解框架21GSF3.2分布式智能电网的理论示例问题：能源细胞基本单元的标准化结构设计与数学建模能源细胞作为分布式智能电网的基础单元，因资源禀赋迥异而具备差异化功能。为实现柔性互联与协同优化，需构建标准化的单元结构与统一的数学模型，规范其输入/输出接口、内部功能结构层次以及对外交互规范结构层次设计控制层华南理工大学量子密钥分发安全补偿还原信息还原信息信息低功耗传输信息低功耗传输编码器解码器编码器解码器统一状态方程状态空间维度较高状态空间维度较高奇异摄动理论降维分解中速中速快速响应子系统响应子系统响应响应子系统响应子系统响应子系统短时尺度调度短时尺度调度调度提供计算边界响应系统22GSF大湾区斜学论端3.2分布式智能电网的理论示例华南理2大拿图神经网络。问题：能源细胞基本单元的反馈迭代式最优划分方法面对分布式智能电网结构复杂、设备众多、控制异构等特点，需通过网络划分实现系统降维，并以电力电量自平衡的能源细胞形态开展分布式运行，结合实时状态评估实现能源细胞边界的最优动态调整■灵活资源利用率■细胞能量自给率■新能源就近消纳率■鲁棒灵活性潜力■能量互济耦合度划分评价与调整电资源禀赋特性储气资源禀储赋特性热消热消K-means聚类23GSFGSF大湾区每学论端GreaterBayAreaScien华南理2大学3.2分布式智能电网的理论示例◆分布式态势感知：基于分布式感知网络理论部署广泛的传感器和采集设备，形成庞大的感知网络，各分布式单元通过边缘计算等方法初步处理传感网络的实时信息◆分布式优化与控制：通过多源信息融合、虚拟场景推演等方法表征源网荷储各类要素不确定性，通过分布式优化通过将全局优化问题分解成多个局部问题，并在各子系统之间协调实现寻优以制定各分布式单元的调控策略层间协同立性下，进行最少的信息交换，降低信息传输压力。层间协同私有数据和变量信息，信息保密性好。下级控制只在上、下级控制中心之间分布式优化与控制分布式优化与控制保证各级、各区域之间的信息交流及策略协调协调层协调层控制中心同层协同下级控制可以不传递信息，也可以传递边界信息，保护隐私24GSFGSFGreaterBoyAreaScienceForum华南理工大学3.2分布式智能电网的理论示例(二)分布式单元协同理论问题：能源细胞的灵活性表征及其聚合空间的最优估计方法基于风险概率与机会约束刻画各类资源的灵活性，构建概率多胞形并进行聚合，结合上下包络线线性逼近与聚合空间优化，实现对能源细胞内灵活资源聚合空间的高效估计概率灵活性(P⁰58-PEp(P<P;=80%p(m%c7)-20%(a)总灵活性区域示意图(b)概率灵活性示意图目标函数搜索方向辅助线maxfx)最优解Ωmaxfx)最优解Ω,:t时刻下分布式资源聚合灵活域Ω:t时刻下第i个分布式资源的灵活域④:闵可夫斯基加和φ:t时刻下第i个分布式资源的调节量minf(x)最优解25GSFGSFGreaterBoyAreaScienceForum华南理工大学3.2分布式智能电网的理论示例(二)分布式单元协同理论问题：基于异质自适应交替方向乘子法的能源细胞集群协同优化模型求解方法分布式智能电网中，能源细胞数量众多、决策分散，局部与全局利益容易产生冲突，导致协调优化困难。需在保证自治性的同时，协调运行状态并自适应调整参数变量，实现高效的协同优化求解能源细胞能源细胞θ能源细胞传输变量更新策略迭代进行更新更新26GSFGSFGreaterBayAreScienceForum3.2分布式智能电网的理论示例(二)分布式单元协同理论问题：灵活组网条件下能源细胞集群的分布式协同运行优化组网形式不确定性下，能源细胞分布式协同运行优化问题非凸，难以求解；考虑多主体、异质性、不确定的边界约束，将该问题松弛为凸优化问题，并利用割平面渐次收缩法，在保障计算精度前提下求解一系列凸问题并实现优化2→二次收缩后松弛区域27GSFGSF大湾区舞学论端5、展望28GSFGSF大湾区舞学论端华南理工大学4分布式智能电网的技术体系与关键技术应用层信息层分布式电能交易平台虚拟电厂分布式单元规划分布式单元协同运行在线故障保护与恢复……物理层直流配电车网互动GSF大湾区年学论端华南理工大字4分布式智能电网的技术体系与关键技术◆直流配电技术：通过电力电子装备柔性互联装置实现配电网交流到直流或交直流混联的转变，解决传统交流配电网中直流负荷供电需要经过多个电能变换环节带来较多损耗的问题，需研究直流配电网关键设施及多元化电源、负荷接口典型设计技术，研制直流配电系统保护、测控制一体化装置◆智能软开关：通过灵活配置和动态调整电力系统的拓扑结构和运行方式，以应对不断变化的电力需求和供应条件。需研究多样化的智能软开关的拓扑结构与运行模式，及其对应的一次网络结构与运行模式，以满足新型配电系统的灵活控制需求◆小微智能传感器：智能传感器是具有内置处理能力和通信功能的传感器，能够在采集数据的同时，对数据进行初步处理和分析，并通过网络传输数据。重点关注通过采用新的物化效应、芯片技术等，实现传感器小型化、微型化变革，兼有信息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断智能化功能王成山，季节，冀浩然，等.配电系统智能软开关技术及应用[J].电力系统自动化，2022,46(04):1-14.姜淞瀚，彭克，徐丙垠，等.直流配电系统示范工程现状与展望[J].电力自动化设备，2021,41(05):219-231.294分布式智能电网的技术体系与关键技术问题：柔性配电网的典型拓扑形态与技术特征柔性配电网的拓扑结构依据其应用场景和功能需求，可以划分为多类，例如：基于背靠背电压源型换流器的柔性互联形态、含直流母线的点对点柔性互联形态、交直流混合柔性互联形态。每种形态在灵活性、可靠性和经济性方面各有优势，适用多类电网需求0G0G支路阻抗0G0GVSCVSCACGAC4分布式智能电网的技术体系与关键技术台区控制网格控制分布式电源、电动汽车、储能系统…◆区块链技术：该技术提供了去中心化电力系统自动化，2022,46(17):142-152.面向城市能源系统分布式资源的边缘智能体系架构面向城市能源系统分布式资源的边缘智能体系架构签名医家块后所