新型电力系统的挑战与实践(广东中调-刘宇)

新型电力系统的挑战与实践广东中调一一新型电力系统形态与发展二新型电力系统的问题和挑战三新型电力系统调度控制技术和研究实践四新型电力系统研究体系探讨2党中央、党中央、国务院强化国家顶层设计，系统谋划战略部署，先后出台一系列重磅规划和政策，擘画了新型电力系统建设宏伟蓝图。2014年6月于加强新形势下电力系统稳定工作的指导意见》，提出要准确把扎实做好新形势下电力系统稳定国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》全面阐述了新型电力系统发展理念于加强新形势下电力系统稳定工作的指导意见》，提出要准确把扎实做好新形势下电力系统稳定国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》全面阐述了新型电力系统发展理念、发展阶段总体架构习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上，提出要构建清洁低碳安全高效的能源体系，深化电力体制改革，构建新型电力党的二十大报告强调要加快规划建设党的二十大报告强调要加快规划建设新型能源体系，加强能源产供储销体系建设，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上庄严宣布，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力改革加快构建新型电力系统的指导意快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力4 什么是新型电力系统？ 什么是新型电力系统？截止至2023年底，广东新能源装机容量为4507万千广东海上风电达到1084万千瓦（全国第二最大风机2023年12月12日粤港澳湾区首个百万千瓦级海上风电场 什么是新型电力系统？2023年底，我国已投运12项柔性直流输电工程， 什么是新型电力系统？海量分布式电源、储能、电动汽车、虚拟电厂等新型广义负荷的广泛接入，用户供需互动日益频繁，使得传统配2024年3月31日，三峡乌兰察布新一代电网友好绿色电站示范项目正式投运，包括新建170万千瓦风电、30万千万光伏、55万千瓦*2小时储能，建成全球储能配置规模最大、比例最高的单体新能源场站，充分发挥“源、网、78新型电力系统基本特征-新型电力系统基本特征新型电力系统是以确保能源电力安全新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以源网荷储多向协同、灵活互动为坚强支撑，以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电力系统，是新型能源体系的重要组成和实现“双碳”目标的关键载体。一一新型电力系统形态与发展二新型电力系统的问题和挑战三新型电力系统调度控制技术和研究实践四新型电力系统研究体系探讨9大停电事故案例-英国8.9大停电超过海上风电机组的频率变化保护动作阈值（0.125Hz/s再次导致风电机组脱网，加剧系统频率大幅跌落，英国总负荷约为3300万千瓦英国总负荷约为3300万千瓦，系统旋转备用容量100万千 瓦,发电即时出力占比为：25%天然气发电，19%核能发电，5%生物质发电，2%燃煤发电，7%来自欧洲的高压直流送电，27%风力发电，13%分布式风电和光伏发电。问题与启示：l系统惯量水平偏低l调频备用容量不足l频率变化保护动作值设置不合理大停电事故案例-美国德州2021大停电机叶片结冰导致50%的燃气轮机和57%的风机脱网停运，得州爆发了持续数天的大规模问题与启示：l网间电力互济能力不足，互联通道容量仅占得州最大用电负荷的1.8%。l高比例风光受天气影响敏感，极端天气易造成大规模脱网引发共模连锁停电风险。大停电事故案例-7.24欧洲大陆同步电网解列事故概述：2021年7月24日，法国和西班牙电网之间的联络线故障引发连锁反应，导致西班牙、葡萄牙和法国部分地区电网从欧洲大陆同步电网中解列。解列后欧洲西南区域电网频率大幅跌落，触发低频减载动作，导致大面积停电，3600万的电网解列后，损失250万千瓦电力输入，频率最低下降至48.65H水泵231万和损失负荷约425万千瓦（共656万）。西班牙、葡萄牙电网新能源占比高（西班牙、葡萄牙电网新能源占比高（装机占比33.9%，事故前出力占比54.5%）。问题与启示：l系统频率快速下跌至48.65Hz，切除负荷和水泵容量大幅超过联络线损失功率。l新能源对频率波动耐受能力差，紧急情况下二三道防线切负荷量受大量新能源接入影响需切量大幅增加。大停电事故案例-1.23巴基斯坦全国性大停电事故概述：2023年1月23日早晨，随着停机调峰机组陆续并网发电，巴基斯坦机组出力与负荷增长不匹配，系统出现频率、有功及电压波动，逐渐演化成连锁故障。包括部分机组跳闸、Guddu电厂（巴基斯坦最大的火力发电巴基斯坦电源侧以火电为主巴基斯坦电源侧以火电为主，向下调节能力不足，夜间通过限制风电出力实现调峰，在早晨负荷爬升时再解除限制，提高风电并网功率。问题与启示：l调节能力不足l调控不当，风险辨识不到位l电网安全稳定防线配置不当大停电事故案例-8.15巴西全国性大停电事故概述：2023年8月15日，巴西东北部500kV线路主保护误动，近区电压发生突降，随后部分线路传输有功功率基本不变、无功功率增长，导致另一回500kV线路进入保护动作区域而动作跳闸，随后北部和东北部电网发生线路误动近区部分新能源机组的故障穿越特性与巴西国调线路误动近区部分新能源机组的故障穿越特性与巴西国调仿真结果相差较大甚至特性相反，新能源机组暂态无功支撑能力未达到要求。问题与启示：l主干线路保护误动l新能源故障穿越特性不满足要求l安全防线管理不到位挑战三挑战三电力供应安全的挑战挑战二系统调节支撑能力的挑战挑战五系统极端风险的挑战挑战二系统调节支撑能力的挑战挑战五系统极端风险的挑战挑战六适应新型电力系统体制机制的挑战挑战一安全稳定运行的挑战挑战四挑战四二次系统保障支撑的挑战挑战一：安全稳定运行的挑战新型电力系统运行需应对更广泛来源、更宽泛时间尺度的不确定性，耦合关系复杂，导致系统运行方式在源网荷电网侧：海量、广泛分布的电力电子元件及其复杂的控制特性，导致“离线计算+故障匹配”模式难以满足运行50挑战一：安全稳定运行的挑战新型电力系统海量、广泛分布的电力电子元件及其复杂的控制特性，与海量的运行方式相互耦合，使得系统稳定新能源复杂的动态响应行为及故障穿越特性，与传统元件设备动态交互作用，深刻影响系统稳定特性，并且引入次同步振荡2007大秦线铁路3-4Hz2010沽源地区风电场6-8Hz2013广东南澳柔直工程30Hz次/超同步振荡2015新疆哈密直驱风电场20-80Hz超同步/高频振荡2013宁夏吴忠直驱风电场95Hz2014德国北海海上风电场250Hz2017鲁西柔直工程挑战一：安全稳定运行的挑战传统安全稳定控制措施切机措施主要是切除主网大机组，切负荷措施主要是切除供电线路，与海量新能源机组及新型电力系统安全稳定控制需要动态纳入更多的源网荷储资源灵活控制，并向电网末端延伸；为减少对用户的影挑战二：系统调节支撑能力的挑战u跟网型变流器电源在弱电网下锁相环引起失稳风险u无法工作在100%新能源电力系统中，限制了电力电子电源的发展。弱网下跟网型控制引起的失稳挑战二：系统调节支撑能力的挑战新能源随机性、波动性、间歇性的特点，决定其保证性出率和长期电量分配上存在较大波动。按南网2030年2.5亿千瓦的新能源装机，30%~60%的日内功率波动将达到0.75~1.5亿千瓦，超过全网年最大负荷的20~40%。叠加对极端天气的耐受能力相对脆弱，以及新能源本身惯量2024年7月23日广东统调负荷曲线（冬季典型，高峰在下午）2024年1月24日广东统调负荷曲线（冬季典型，高峰在晚上）挑战二：系统调节支撑能力的挑战新型电力系统下，电网的潮流由以往的电源侧向负荷侧单向流动，变成了电源侧和负荷侧间的双向流动。新能源随着海量分布式新能源及可调资源接入，电网的调节特性由源随荷动向源荷互动发展，需要通过市场化的经济手挑战三：电力供应安全的挑战08:159:1520:1523:150 随着分布式光伏渗透率提高，春节负荷低谷转向午谷，系统峰谷负荷时间间隔由15小时缩短至6小时，系统调控难度更大。04500040000挑战三：电力供应安全的挑战新能源功率预测偏差大，不确定性强，为局部断面精准调控带来困难。断面内常规火电机组“又顶又窝”，即风06:006:0018:00机97%0挑战四：二次系统保障支撑的挑战距离保护反方向区外故障误动（保护2）纵联距离保护正方向区内故障拒动(保护2)距离保护反方向区外故障误动（保护2）挑战四：二次系统保障支撑的挑战11223344动网省“1+6”“1+6+65”▲▲▲▲▲▲挑战四：二次系统保障支撑的挑战新型电力系统中的多种应用场景对通信速度、带宽、延迟等有不同的要求，尤其是在紧急情况下，系统需要低延随着智能设备的激增和异构网络的广泛应用，通信系统需要处理海量数据并进行异构网络的整合，确保互联互通挑战五：网络安全的挑战以数字电网支撑构建新型电力系统加速推进，新的业务形态和运行模式给电力监控系统网络安全带来了一系列新的风险挑战。一是系统暴露面扩大。地域分布广泛、物理防护薄弱的新能源、新型储能及用户主体大量接入，网络更加开放、边界更加模糊。二是攻击范围发生变化。数字技术推动源网荷储就地平衡自治，取代传统集中控制模式，通过网络攻击恶意控制第三方主体系统可直接影响电网安全稳定运行。三是敏感数据泄露勒索凸显。新型电力系统下，大量的报价、交易、用户身份等敏感数据进入电力监控系统网络空间，以经济利益为目的数据泄露转变挑战五：极端风险的挑战新能源高渗透率下系统运行条件受气象驱动特征日趋明显，极端自然灾害可能导致多个设备跳闸，然而气象及严挑战六：适应新型电力系统体制机制的挑战全面深化改革委员会第二次会议审议通过《关于深化电力体制改革加快市场发展需求：随着海量多元新型主体的涌现，电力市场形态逐步发生系统安全运行需求：高比例新能源接入后，系统灵活调节能力供需矛盾挑战六：适应新型电力系统体制机制的挑战一次能源价格高位下“搭便车”显现。2022年，欧洲电力电力系统灵活调节供需矛盾突出。美国加州电力净负荷曲线由2008年的“鸭子曲线”转变为2023年春季以来更一一新型电力系统形态与发展二新型电力系统的问题和挑战三新型电力系统调度控制技术和研究实践四新型电力系统研究体系探讨挑战一关键技术：建模与仿真分析技术挑战一关键技术：建模与仿真分析技术推动建模与测试业务从人工向自动化及智能化转变，实现建模的多引擎模型自动转换+多引擎仿真集成至统一平台上，提升电网企业在电力电子设备建模及测试方面的精准度及效率，保障电网安全稳定运行。双高电力系统运行分析多软件应用集成平台集成大型模型库集成多引擎模型转换方法支撑开展应用挑战一关键技术：稳定特性演变及机理研究提出双高电力系统的同步-电压稳定耦合稳定性提出计及系统电压特性影响的双高电力系统频率响应电磁暂态影响机电暂态稳定性如何建模？如何耦合？交互影响？同步稳定与电压稳定存在耦合如何耦合？如何影响？何时解耦？频率稳定与电压稳定存在耦合如何耦合？如何影响？何时解耦？挑战一关键技术：稳定特性演变及机理研究问题同步-电压耦合稳定同步-电压耦合稳定双高电力系统同步-电压稳定时空耦合机理分析双高电力系统电压-频率稳定时空耦合机理分析跨时间尺度建模跨时间尺度过渡过程电压-电压-响挑战一关键技术：系统特性研究建设新型电力系统参数与动态模型数据平台，夯实电网稳定计算分析数智化基础，建立安全稳定计算所需要的设推动建设全电磁新能源仿真平台。逐步建立并完善基于链接库以及基于结构化模型的的新能源电磁暂态模型库。新型电力系统参数与动态模型数据平台半实物仿真试验的验证模式挑战一关键技术：在线安全稳定控制系统构建构建适应海量新能源接入的超大规模系统在线安全稳定A优化稳控策略建模并开发自动校核程序提出基于图神经网络的在线智能判稳方法A优化稳控策略建模并开发自动校核程序提出基于图神经网络的在线智能判稳方法挑战一关键技术：在线安全稳定控制系统构建紧急控制方面，通过稳定控制策略长周期自动制定，短周期在线更新迭代，实现稳定控制技术从“年周期保守型控制策略”到“月周时间尺度精准匹配型控制策略”的运行点微调运行点微调果及调整建议计算结果及定值远方修改定值未来态场景调整建议及控制策略装置端策略装置管控模块分析系统管控模块厂站装置自动控制预防控制在线计算稳定控制稳定裕度校核结策略模型及定值镜像模拟稳定边界高效机电及电策略自动刻画技术磁仿真技术重组技术高保真镜像模拟厂站端控制策略，实时在线分析电网稳定情况，实时校核稳控策略及定值适应性，并远方挑战一关键技术：安全稳定计算的智能化、实时化建设在线安全稳定分析计算平台：优化升级多类型仿真工具，研发海量仿真结果的智能化分析技术，实现安全稳定计算分析技术从“人工+离线”向”智能+在线”研发短路电流在线智能决策技术：实现日前计划校核、日内实时监控、未来智能预测、历史数据反演等多时间尺统一数据中台平衡分析数据稳定分析数据经济分析数据业务模块功率预测稳定计算方式优化稳控校核与生成体化算分户界云上任务调度器群云上任务分类分发池数据轻量化交互计析用客户端挑战二关键技术：主动支撑技术电网侧：以灵活高效驾驭新型电力系统为目标，大力推进“调度对电网主设备的全面、独立、程序化控制”的调控一体化目标模式建设。将设备监控业务由变电转移至调度，实现了调度对变电站统一调度与监控，大幅提升调40挑战二关键技术：主动支撑技术源侧：加快新能源配套接入工程规划建设，提升新能源占比，不断提高新能源三可能力建设，实现新能源和传统电源的协同控制。统筹建设新能源调节相关电源（抽水蓄能等）建设，调整燃煤、燃气机组定位，合理优化传统电源建设。广东推动全国实现了新能源、储能等市场主体参与现货荷侧：实现从电网向用户单向供电转变为用户与电网双向互动，用户有效参与到电网调节等场景中。目前已实现需求影响资源达最大负荷的5%以上。下一步需进一步提高新型负荷管理系统4141挑战二关键技术：主动支撑技术u构网型变流器面临复杂电力电子环境条件下的耦合和相互激励的问题，可能引起宽频振荡4242挑战二关键技术：主动支撑技术43挑战二关键技术：主动支撑技术u完成具有自主知识产权构网型变流器通用控制装置和样机研制，在清远泉涌陆上风电场开展示范应用。u已完成3MW样机改造，稳定运行2个月，并4444挑战二关键技术：主动支撑技术4545u进一步丰富应用场景、发挥构网型主动支撑作用挑战二关键技术：主动支撑技术46实时调节能力46实时调节能力动态评估技术精准量化暂态支撑多级协同优化技术认知协同快速频率响应多无功源协同及支撑暂态电压控制动态调节能力评估不准动态交互作用机理认识不清难以主动支撑频率电压对象特征复杂，具有强随机性关键瓶颈关键技术•资源不确定•运行约束多多时间尺度协同控制，耦合程度强P/put/s传统系统新型系统对象海量、响应快速、逻辑复杂挑战二关键技术：主动支撑技术47u提出新能源场站频率电压支撑能力量化表征理论方法，构建新能源场站实时调节能力动态评估体系。u提出基于预测-迭代的场站功率随动-主动支撑控制技术，构建多机组-场站两级暂态快速频率响应协同控制体系。u开发具有完全自主知识产权的新能源场站主动支撑控制装置，填补行业空白。u通过多个典型场景进行系统的验证及示范，包括：挑战三关键技术：新能源功率预测技术针对极端天气下新能源功率预测偏差大的问题，对新能源场站实测功率应用自适应窗口长度的旋转门算法，并基为克服极端天气频次低、样本少的问题，使用数据增强等方法实现训练集上各样本类别平衡，基于多种机器学习模型构成集合预测对极端天气与非极端天气下的新能源功率预测进48挑战三关键技术：新能源功率预测技术数据处理数据处理短期功率预测以数值天气预报、风电场的历史功率、场站基础信息等数据作为输入源，预测步骤包括数据处理、特征工程模型选择-模型训练-功率预测特征工程模型选择-模型训练-功率预测特征筛选特征构建X_X特征筛选特征构建X_XX*=minX_Xmaxmin实测功率数据49LightGBMXGBOOST15min气象数据场站基础信息功率预测挑战三关键技术：新能源功率预测技术超短期功率预测是指自上报时刻起未来15分钟至4小时的预测预报，时间分辨率为15分钟。主要包括三个步模型训练模型融合Bagging法模型训练模型融合Bagging法50机器学习单模型深度学习Boosting法Stacking法挑战四关键技术：保护新原理研究基于行波波前的超高速保护基于参数识别的单端量高阻接地距离保护基于行波波前的超高速保护基于参数识别的单端量高阻接地距离保护基于模型识别的纵联保护在故障初瞬，配置利用行波波前的单端量保护在故障暂态调节过程，配置利用参数/模型识别的保护方法；在故障稳态，配置传统后备保护低惯量系统故障穿越策略时序图保护配置方案示意图低惯量系统故障穿越策略时序图保护配置方案示意图挑战四关键技术：新原理线路保护样机研制项目研制的PSL-621U-IN线路保护装置通过国家继电保护及自动化设备质量检验检测中心（许昌开普检测研究院股份有限公司）的型式检验和动模测试。2023年10月13日在汕头挂网试运行，目前装置运行稳定可靠。下一步将开展适用于常规交流保护原理的新能源控制策略研究，从电源角度提出继电保护专业对新能源的特性约束要求。型式试验报告挑战四关键技术：云边融合智能调度运行技术（CEP）源网荷储综合监视、全局滚动优化平衡、现货市场交易、运维分析等业务提供集约化的挑战四关键技术：云边融合智能调度运行技术（CEP）挑战四关键技术：云边融合智能调度运行技术（CEP）挑战四关键技术：新型电力通信技术攻关思路及实践：一是构筑了大带宽、高可靠骨干通信网基础设施，优化光缆网络建设改造，完善大容量OTN光传输网络覆盖、升级传输ASON网，支撑云边高效高速协同。二是建设了融合多种技术的“最后一公里”通信网，积极推进IOPPC、5G、载波、WAPI、230M、北斗三号等技术的建设应用，满足新型电力系统海量业务边端互动需求。未来方向：新型电力系统在新能源接入、源荷互动、以及低惯量系统安全稳定运行水平等方面需要通信提供技术支撑，国家对未来网络技术发展作出了战略部署，电力通信在光传输网络、5G/6G、量子通信、卫星通信等前沿技术的研究和应用有着广泛的发展空间。广东电网电力通信智能风险管控体系6G广东电网电力通信智能风险管控体系6G算力网络未来制造纳米制造激光制造未来能源可控核聚变未来健康基因治疗合成生物未来空间深海深地深空量子精密测量下一代光网络量子通信下一代互联网类脑智能卫星互联网未来信息未来网络云 云 端数字本体数字化源ZN挑战五关键技术：新型电力系统网络安全防护原则针对新型电力系统业务发展趋势及网络安全内外部环境变化，对“十六字方针”进行优化、细化和扩展，围绕“信任-安全”模型主线，形成安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证、态势感知、节点免疫的基本防护原则。挑战五关键技术：新型电力系统网络安全防护原则安全分区：在现有生产控制大区、管理信息大区基础上，根据业务模块的安全性差异、功能差异、管理界面等划分相对独立的安全域。网络专用：以信任等级为基础，重新构建面向新型电力系统安全分区与网络专用间的映射关系，对不同安全分区采取分级网络专用。横向隔离：完善横向装置定时通断、网络安全事件日志等功能，仅允许主站向厂站、终端单向发起交互。挑战五关键技术：新型电力系统网络安全防护原则纵向认证：部署在户外或者用户侧等物理防护条件较差的系统或终端，进行点对点、端到端的身份认证、数据加密、访问控制。节点免疫（新增逐步采用基于可信计算的安全免疫防护技术，建立从系统固件、引导程序到操作系统、应用程序的全流程信任链，构建设备本体可信执行环境，形成对病毒、木马等恶意代码的主动免疫。态势感知（新增从变电站、发电厂等传统电力环境向新型电力系统用户侧、开放环境设施覆盖。具备动态风控及响应处置联动能力，逐步实现多级阻断(终端/厂站/主站)、多层次阻断(链路层/网络层/应用层)。挑战五关键技术：新型电力系统极端风险防控体系完善重大电力基础设施安全风险防控措施，积极推动合理布局本地保障电源和黑启动电源，持续优化网架结构和重要输电通道路径，推进储能等新能源应急技术应用，提高极端情景下电网的极限生存能力。挑战六关键技术：新型电力系统的现货市场机制构建构建新能源、储能、煤电、灵活性资源等多元主体参与的市场机制：适应高比例新能源。推动新能源参与中长期、现货市场，实现保障性收购向市场化消纳的转变。以点带面挑战六关键技术：新型电力系统的现货市场机制构建构建新能源、储能、煤电、灵活性资源等多元主体参与的市场机制：构建新能源、储能、煤电、灵活性资源等多元主体参与的市场机制：促进储能产业发展。实现储能配且用，逐步建立多元化市场模式，形成稳定可持续的商业模式。现货现货区域调频跨省备用新能源租赁中长期为独立储能开辟电能量、辅助服为独立储能开辟电能量、辅助服市场模式下独立储能市场模式下独立储能用足用好参