2024分层分群的电网体系结构与储能市场格局

分层分群的电网体系结构与储能市场格局鉴于未来电网的超复杂性(Extreme

complexity)，电网体系结构(grid

architecture)的研究至关重要。它是整个grid的最顶层的描述(模型)。需要，体系结构优先。互联（输电）系统的体系结构电网分层分群体系结构分层分群电网体系的科学性100%风-水-光能源转型场景下储能市场格局之探讨报告内容I. 互联（输电）系统的体系结构I.1

互联（输电）系统中平衡区的概念[1]

BN

Cohn.

Control

of

Generation

and

Power

Flow

on

Interconnected

Systems

[M].

New

York:

John

Wiley

&

Sons,Ltd,1966:

1-100.① 发电和负荷;② 智能控制（

如EMS

）

和通信。⚫互联系统发电和潮流控制理论[1]提出了“控制区（Control

Area）”的概念，

后来更名为平衡区（Balance

Area，简记BA），意指区域内电功率能够保持近乎瞬时的净功率平衡。⚫BA的定义：每个BA都有

BA包括如下三个基本功能：① 进行发电/负荷调度(Dispatch)；② 当地的反馈控制，用于平滑波动；③ 通过削减发电/负荷来缓解故障。I.2

互联系统

(由若干互联的BAs组成）群集运行规范各BAs按照如下规范工作：平衡区内发电的调节（Dispatch）需要随时吸收其内部负荷的变化（简称净功率平衡），即使发生大的扰动也要自行解决，并且进行自优化；平衡区之间联络线上的功率均按功率交换计划（

on

schedule）工作。为了电网的安全运行，相对于受端系统总容量该计划值不能太大；为保证BA（包括机组启停的约束）的经济运行，该功率值要相对平稳（每天的数值应稳定在少数几个功率水平上）。天中特高压直流典型日运行曲线（2017年）II.

电网分层分群体系结构[注1]

分布式发电、用能电气化和灵活负荷的充分利用是电力的未来，也是能源的未来。电网的变化已经日益偏离20世纪电网发展所依据的基本原理和假设。如果不指出这些，会对电网的可靠性和功能造成严重的不良后果。发展的新原动力，主要是演变中的用户期望、新技术的涌现、以及从大规模的中央经济到网络经济的改变。后者是由于连接到配电的分布式能源（DER)的渗透率的增长[注1]和无处不在的通信联系所驱动的。此外原动力中还包括韧性不足和赛博攻击威胁的不断增加。II.1

电网体系结构改变的原动力[2]FelixF.Wu,PravinP.Varaiya,RonS.Y.Hui.SmartGridwithIntelligentPeripheryfortheFuture:ArchitecturefortheEnergyInternet(J),Engineering,

2015,1(4)II.2

带有智能外围的智能电网（GRIP）的构想

——互联系统群集模式由输电向外围拓展

置于高压输电系统内的能量管理系统（EnergyManagementSystem，EMS）覆盖了数百个发电机和变电站，数十年来在管理和控制电力系统以确保其经济可靠的运行方面取得了巨大的成功。但是如果将这个系统及其底层的集中式操作范式扩展到配电系统，并扩展到未来网络中成千上万的生产型消费者，将导致效率低下，是不明智和站不住脚的。文献[2]提出如下的设想：未来的配电网、微网、建筑单元（大楼、工厂和住宅等）与输电系统的差异将逐步消失，具有本地发电和双向电力潮流的特点，都将配有EMS，并按照“群（cluster）”的理念实现各自的净功率平衡。这里的群就是前述的BA。区域输电系统A区域输电系统L配电网A配电网M微电网A微电网N建筑单元A建筑单元O建筑物群集（Clusters）微网群集配电网群集区域输电系统群集电网分层分群（群集嵌套）体系结构（或称集群的自然层次结构）示意图（配电网中也可能直接包括建筑单元）输电系统（互联电力系统）是若干个平衡区BA（即区域性输电网-功率平衡区）互联起来的群集（clusters），每个BA是一个集群（cluster）[注2]；每个区域性输电网是若干个配电网互联起来的群集；每个配电网是若干个微网、建筑单元组成的群集；每个微网又可以是由若干个建筑单元互联起来的群集。[注2]

网络的基本单位——集群（Cluster）和

群集（Clusters）。II.2

带有智能外围的智能电网（GRIP）的构想

——互联系统群集模式由输电向外围拓展

如右图所示——“分层分群”互联输电系统[注3]

需满足电网的安全约束，如远距离输送风光火打捆电功率的值相对于受端系统总容量不能太大；为保证送端和受端平衡区BA的安全（包括机组启停约束的）经济运行，该功率值要相对平稳。⚫每个群都有：① 发电和或负荷；② 智能控制（CEMS）和通信。⚫每个群也包括如下三个基本功能：① 进行发电/负荷调度(Dispatch)；② 当地的反馈控制，用于平滑波动；③ 通过削减发电/负荷来缓解故障。⚫

各群按照如下规范协调工作：①

群内发电的调节（Dispatch），需要随时吸收其内部负荷的变化（简称维持净功率平衡）即使发生大的扰动也要自行解决，并且从群的利益出发进行自优化（selfish

optimization)；②

从电网的总体利益出发，各群之间进行协

调

产

生

群

间

的

功

率

交

换

计

划（schedule）[注3]

，各群必须履行在此计划中所规定的任务。与互联电力系统中平衡区（BA）的概念相似：II.2带有智能外围的智能电网（GRIP）的构想——互联系统群集模式由输电向外围拓展II.2

带有智能外围的智能电网（GRIP）的构想

——互联系统群集模式由输电向外围拓展

分层分群的概念看似与当今的电力系统并无太大不同，在许多方面差异不大。但是一个关键的不同是，潮流不再只是从大型系统到用户单向流动。配电系统或大电网上的大多数节点乃至终端用户的电表都可以注入和吸收功率，并且可以在这两个模式之间平稳地切换[注]。（进而）多种规模的经济高效的储能（它是功率对时间的积分）的到来，改变了电网瞬时功率平衡的模式，这也需要对配电系统及其运行进行变革。[注]从大系统和批发市场运营商的角度来看，他们希望每个输电和配电（T&D）接口都可以在充当负荷节点和充当供应节点之间切换运行方式。III.

分层分群电网体系的科学性为使Grid体系结构的规范或开发具有严谨性，尽可能地使用数学的方法，和新的方法学(如互联网和·物联网）亦即，上述分层分群的电网体系结构是有数学基础的。本质上，所有群协作解决一个常见的优化问题，定会产生必要的协调信号。

在局部，每个群都可以使用协调框架内的本地目标和约束来执行优化。————————————MungChiang,StevenLow,etal.LayeringasOptimizationDecomposition:AMathematicalTheoryofNetworkArchitectures[J].ProceedingsoftheIEEE,Vol.95,No.1,January

2007.JeffreyD.Taft.GridArchitecture[J].IEEEPower&energy,Volume17,No5,September/October

2019.III.1

电网分层分群体系结构的数学基础依据[3]的网络体系结构数学理论“Layering

as

Optimization

Decomposition”，

文献[4]通过对多种规模高比例DER电网的研究，确认对于分层分群的电网体系结构能满足边界约束、控制联合与分解以及可扩展性等属性的的主要原则是：全局协调内部的局部优化电网被认为是上世纪最伟大的发明,而互联网是这个世纪最伟大的创新。互联网是智能的，可以轻松地适应接连不断地具有颠覆性的信息革命的快速变化的情景。

在新的电力时代，我们希望电网能像互联网一样智能化[5]。研究已表明：III.2

未来的电网像互联网一样智能[5]YanliLIU，YixinYU，FelixF.WU&etal.AGridasSmartasInternet[J],Engineering,2020,6(7):

778-788.Application

LayerTransport

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerApplication

LayerTransport

LayerNetwork

LayerPhysical

LayerA

C

D

B图

7

数据流路径示意:

(a)协议栈中（b）互联网络结构中ABTransport

Layer(a)(b)Global

InternetNSP

BackboneISP

BackboneLANANAPNSPISPCDB（1）互联网之所以智能，是因为:（a)协议栈的分层结构明确了分工，适合于技术创新；而(b)多层的分群方式构造的（子）网络组成则使责任分担成为可能。其智能分布在整个网络层次结构中。N)局域网(LA本地互联网提供商(ISP)骨干网互联网全球网络服务提供商（NSP）骨干网MarketLayerSchedulingLayerBalancing

LayerBalancing

LayerSchedulingLayerBalancing

LayerMarketLayerSchedulingLayerBalancing

LayerA C D B图10

集群的分层体系结构中由A到B输送功率（a）

CEMS的分层结构中（b)电气网络结构中（

2

）

具有分层分群体系结构（如GRIP）的电网，

因为（

a)CEMS

的分层结构明确了分工，适合于技术创新；而(b)多层的分群方式构造的（子）网络组成则使责任分担成为可能。具有Internet

一样结构特点和运行范式，从而也像Internet一样智能。III.3

结论具有分层分群体系结构（如GRIP【2】）的电网像Internet一样智能【5】，并且具有数学基础【3，4】

，特别适合将来的电网的需要：更好地利用多变的可再生能源（Variable

renewable

energy,

VRE）：分布式运营模式将最大程度地利用多变的可再生能源，因为VRE的运营将掌握在当地利益相关者的手中，他们对资源的预测，计划（schedule）和控制有更好的了解。为生产型消费者（prosumers）赋权：生产型消费者将完全控制自己的发电和负载的运行，并获得安装和运行最高效的设备的激励机制，例如太阳能光伏，电池储能系统，电动汽车充电系统以及ICT硬件和软件等。与外围设备的责任分担：在新的数字化时代，外围设备的智能和能力与电网运营商在管理其子电网方面相似，因为硬件变得越来越便宜，软件变得越来越智能。纳米，迷你和微电网的无缝集成：新范式的责任分担功能与当今的纳米，迷你和微电网的自治或半自治理念兼容，有助于它们的无缝集成。

此外，允许群集的半自治运行将防止生产型消费者的“逃离”电网。快速适应技术创新：GRIP的分层体系结构使整合创新技术变得容易。增强韧性（Resiliency）和抵御不断增加的赛博攻击(Cyber-attack)。BA理念可把DERs的使用同来自电网的各种压力解耦，并提供一种可以更具体地应用DER提升大容量系统韧性（且不降低配电的可靠性）的结构。在该结构下，大电网的运行部门不要求配电层次上任何详细的可观性，同时还可避免事故扩大化和赛博安全漏洞。IV.

100%风-水-光能源转型场景下储能市场格局之探讨IV.1.

100%风-水-光能源转型场景斯坦福大学马克·雅各布森（Mark

Jacobson）团队最近发表了一篇200页的论文，其结论是：从BAU（business-as-usual）能源完全过渡到清洁的可再生的风-水-太阳能（WWS

wind-water-solar）电力、热、储能和输配电系统的场景下，将能以低成本减少和消除全球变暖、空气污染和能源安全三大问题。理想情况下，80%的问题将在2030年得到解决，到

2035-2050年将达到100%。在全球范围内，WWS将使最终使用能源降低56.4%，购电人的年度能源成本降低62.7%，社会（购电人加上健康和气候）年度能源成本降低了

92.0%。140多个国家转型的资本成本净现值为

61.5

万亿美元，中国地区的成本

13-14万亿美元[注]。5.5-6年可回收成本。世界平均用电量比BAU增加了85%占用0.36%世界的土地，所创造的工作岗位将比整体失去的工作岗位多

2800

万个。95%的技术已经成熟。不确定性问题之一是，能否获得足够的政策支持。[注]我国现在以煤炭为主的能源形式，其转型的压力极其巨大，但同时也是我国抓住第四次产业革命的机遇！

[6]Low-CosttoGlobalWarming,AirPollution,andEnergyInsecurityfor145CountriesByMarkZ.Jacobson,StanfordUniversity,October25,2021（Energy&EnvironmentalScience

）VI.2.

中国电网灵活性资源—储能格局的探讨储能类型最大充电功率（GW）最大放电功率（GW）最大储能量（TWh)最大放电功率下的存储小时数(hr)PHS

=抽水的水电存储CSP-elec

=太阳能收集器-发电CSP-PCM=太阳能收集器-相变材料存储电池水电厂CW-STES

=冷水明