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数字电网推动构建新型电力系统

日期:2021-04-28    来源:南方电网报   作者:张伟雄 宋超

国际电力网

2021
04/28
11:05
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关键词: 南方电网 新型电力系统 数字电网

4月24日,南方电网公司在广州发布《数字电网推动构建以新能源为主体的新型电力系统白皮书》(以下简称“白皮书”)。

“数字电网将成为承载新型电力系统的最佳形态。”在白皮书中,南方电网公司系统阐述了以新能源为主体的新型电力系统的背景和意义、新形势新要求以及“数字赋能、柔性开放、绿色高效”的三大显著特征,南方电网公司将依托数字电网建设,多措并举构建以新能源为主体的新型电力系统,服务碳达峰、碳中和战略目标实现。

南方电网公司做好新能源配套电网规划建设和发电电源上网接入。日前,广西白云岭风电场又一座风力发电机即将建成,公司党员服务队上门与风电场工作人员协调并网接入工作。

数字赋能

为高效消纳新能源提供“核心算法”

白皮书认为,新型电力系统将呈现数字与物理系统深度融合,以数据流引领和优化能量流、业务流。以数据作为核心生产要素,打通电源、电网、负荷、储能各环节信息,发电侧(发电厂等)实现“全面可观、精确可测、高度可控”,电网侧(电网企业)形成云端与边缘融合的调控体系,用电侧(用电用户)有效聚合海量可调节资源支撑实时动态响应。

白皮书介绍,2019年南方电网公司研究提出数字电网建设的战略部署。数字电网是以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等新一代数字技术为核心驱动力,以数据为关键生产要素,以现代电力能源网络与新一代信息网络为基础,通过数字技术与能源企业业务、管理深度融合,不断提高数字化、网络化、智能化水平,而形成的新型能源生态系统,具有灵活性、开放性、交互性、经济性、共享性等特性,使电网更加安全、可靠、绿色、高效、智能。

数字电网将成为承载新型电力系统的最佳形态。南方电网依托强大的“电力+算力”,通过海量信息数据分析和高性能计算技术,透过数据关系发现电网运行规律和潜在风险,实现电力系统安全稳定运行和资源大范围优化配置,使电网具备超强感知能力、智慧决策能力和快速执行能力。这给广东、广西、云南、贵州、海南五省区的清洁能源消纳和消费按下了“快进键”。

2020年底,五省区非化石能源装机和电量占比分别达到56%和53%,居世界前列,风电、光伏发电利用率均达99.7%,区域能源结构转型成效显著。

白皮书提出,南方电网公司将加快建设数字电网,持续打造和完善一系列数字业务技术平台,使之具有强大的数据管理能力、超强的计算能力和以数据驱动业务的能力;加速电网管理数字化转型,推动电网规划、建设、运维、物资、调度、营销等多专业高效协同,提升企业运转效率,确保面向众多新能源客户的高效服务水平;加大5G基站、物联网、电动汽车充电桩等新型基础设施建设配套投入;对接好国家工业互联网和数字政府,充分利用电网企业在算力、算法和数据资源上的优势,促进政府、产业上下游和用户的密切互动,引导能量、数据、服务有序流动,推动能源生态系统利益相关方开放合作、互利共生、协作创新。

柔性开放

支持新能源成为主力电源

白皮书认为,在新型电力系统中,电网作为消纳高比例新能源的核心枢纽作用更加显著。“跨省区主干电网+中小型区域电网+配网及微网”的柔性互联形态和数字化调控技术将使电网更加灵活可控,实现新能源按资源禀赋因地制宜广泛接入。大电网柔性互联促进资源互济共享能力进一步提升,配电网呈现交直流混合柔性电网与微电网等多种形式协同发展态势,而智能微电网作为提高供电可靠性和高渗透率分布式电源并网重要解决方案,将逐步在城市中心、工业园区、偏远地区等推广应用。此外,新能源+储能、新能源+负荷+储能等多元协调开发新模式也将不断涌现。

目前,南方电网西电东送已形成“八交十一直”输电大通道,送电规模超5800万千瓦,年送电量超2300亿千瓦时,已拥有自主化的大容量特高压多端柔性直流输电技术,在大型交直流电网规划、建设和运行技术与实践方面处于领先地位。同时,推进输配电线路无人机巡、数字变电站、智能配电房、智能微电网、智慧园区等数字化场景建设,人工智能广泛用于电网设备巡检、智能客服、负荷预测等业务。

南方电网公司将依托数字技术增强对新能源的“可观、可测、可控”水平,推进电力系统拥有更加敏锐的“五官”和更加聪明的“大脑”,支持新能源发电设备作为主力电源参与电力系统调控过程。

白皮书提出,南方电网公司还将持续利用数字技术构建坚强主网架和柔性配网;统筹利用风电、光伏、生物质等区域分布式能源资源,因地制宜建设交直流混合配电网和智能微电网,持续加强配电网数字化和柔性化水平,提升对分布式电源的承载力。

“十四五”和“十五五”期间,南方电网公司将推动南方五省区区域分别新增1亿千瓦风光新能源装机,新能源装机将从目前0.5亿千瓦增加到2030年2.5亿千瓦,支撑提前实现碳达峰。

白皮书还提出,南方电网公司大力实施创新驱动战略,增强构建新型电力系统的科技支撑力和产业带动力。南方电网公司将积极开展新型电力系统运行机理与发展形态、基于数据驱动的新型电力系统分析与控制基础理论和方法等基础研究,在新能源发电大规模并网消纳、数字电网、电力专用芯片、电网柔性互联、先进储能技术、虚拟电厂等方面实现突破,促进数字化技术与电力技术深度融合,建设支撑新型电力系统国家级创新平台,形成具有我国自主知识产权的新型电力系统关键技术和标准体系。加快实现关键领域核心技术独立自主和升级换代,促进形成完整且具备国际一流水平的电力产业链。

绿色高效

大数据技术助用户挖掘节能潜力

据预测,到2030年和2060年,我国新能源发电量占比将分别超过25%和60%,电力供给将朝着逐步实现零碳化迈进。白皮书认为,新能源将成为新增电源的主体,并在电源结构中占主导地位。

终端能源消费“新电气化”进程也将加快。工业、建筑、交通三大领域终端用能电气化水平将从目前的30%、30%和5%提升至2060年约50%、75%和50%,数字经济的快速发展也将推动终端用能电气化水平进一步提高。

而随着新能源和传统电源角色发生转变,需要有效完善的电力市场支撑,以更高效地协调不同市场主体的利益诉求,实现全要素资源的充分投入和优化配置。

白皮书提出,南方电网公司以数字技术助推能源消费革命,推动绿色生产生活方式广泛形成。“十三五”期间,南方电网持续推进电能替代,在电锅炉、电蓄冷、港口岸电等重点领域取得积极进展,“十三五”累计实现替代电量约1000亿千瓦时,2020年五省区电能占终端能源消费比重达32%,比2015年提升4个百分点。同时南方区域(以广东起步)电力现货市场和区域调频辅助服务市场在全国率先开展结算试运行,电力市场建设走在全国前列。

南方电网公司将利用数字技术构建适应新型电力系统的现代供电服务体系,提高服务效率和客户体验,支撑业务创新,帮助用户不断释放需求潜能;通过物联网和区块链技术聚合海量用户侧可调节资源,大力建设虚拟电厂,引导用户合理用电,促进发电侧与负荷侧双向互动。

南方电网公司还将通过大数据技术辅助用户挖掘节能潜力,促进能源消费从单一、被动、通用化的利用模式向融合多种需求、主动参与、定制化的高效利用模式转变,推动电动汽车、电能替代、节能减排、综合能源服务的发展;加快建设南方区域统一电力市场,丰富电力市场交易品种,探索灵活多样的市场化需求响应交易模式。

■ 访谈

南方电网公司首席技术专家,南网科研院党委书记、董事长饶宏

将在新型电力系统方面实现全面突破

问:与传统电力系统相比,以新能源为主体的新型电力系统有什么特点?

答:主要体现在以下五个方面。

一、在电源侧,电源开发将呈现风光新能源为主体、多种清洁能源协调发展态势。经初步测算,到2030和2060年,我国新能源发电量占比将分别超过25%和60%,高比例新能源特性将逐步呈现。

二、电网作为消纳高比例新能源的核心枢纽作用更加显著。大电网柔性互联将进一步提升更大范围资源配置能力,配电网与微电网协同发展,支撑分布式新能源高效就地消纳。

三、在负荷侧,终端能源消费“新电气化”进程加快,能效将进一步提升。电力电子装备的广泛应用在提升能效的同时将使需求侧电力电子化特征凸显。

四、规模化储能将加快发展并广泛应用。高比例新能源并网消纳需要合理配置大规模储能以提高系统的可控性和灵活性。

五、电力市场在资源优化配置和市场主体利益协调中的作用将更加凸显,对灵活高效的市场机制设计与实现技术提出了更高要求。

问:构建新型电力系统面临哪些挑战?

答:新型电力系统将给电网可靠供电、安全稳定和经济运行带来新的挑战:

在可靠供电方面,风光等新能源发电具有随机性、波动性和间歇性,大规模并网后会对新能源资源评估与发电预测、电力电量平衡、大范围资源配置、规模化储能等技术提出更高要求。此外,风光新能源高度依赖自然条件,发电设备耐受极端天气能力弱,系统保底供电和快速恢复能力面临更大挑战。

在电网安全稳定运行方面,新型电力系统在延续目前的复杂大电网特征的同时,由于源网荷储各环节高度电力电子化,系统安全稳定问题更加复杂。基于传统同步发电机的电力系统基础理论与技术,不能满足新型电力系统安全运行要求。

在电能供应经济性方面,新能源能量密度小、发电年利用小时数低,为保障高比例新能源并网消纳、系统安全与可靠供电,总体上系统建设和运营成本将上升。需推动电源侧降本增效,用户侧节能提效,电网企业履行好保底供电责任,利用灵活的市场机制释放源网荷储各环节潜力,将供电成本控制在合理范围。

问:构建新型电力系统将会给能源电力行业带来哪些新变化?

答:电源侧:新型电力系统电源结构发生重大转变,新能源发电成为主体电源,我们初步预测,到2060年新能源发电装机占比将超过70%;而煤电、气电等将由主力电源转变为辅助性的调节电源,年利用小时数将大幅下降。

用户侧:终端能源消费侧“新电气化”加快,电力用户侧能效提升需求将日渐迫切,用户侧分布式新能源应用更为广泛,需求侧参与电网调节的内外部驱动力进一步增强。

电网侧:大规模新能源并网后,对电网柔性可控提出更高要求,电网的特性也因为高度电力电子化而更加复杂,电网保障电力持续可靠供电和安全稳定难度增大。

技术产业:新能源、新型储能,中小型抽水蓄能等技术和产业将加快发展及推广应用。

总体而言,构建以新能源为主体的新型电力系统没有不可克服的技术障碍,关键在于确保安全可靠的前提下经济上具有可行性。

问:为什么说科技创新在新型电力系统构建中处于核心地位?

答:新型电力系统内涵丰富,包括发输配用各个环节,涉及政府、企业、用户等多方主体,需要综合协调处理好众多问题。但构建以新能源为主体的新型电力系统首先面临的是大规模新能源发电如何高效并网与消纳、系统功率如何实现多时间尺度的平衡、系统各环节效率如何提升降低供电成本等重大技术难题。技术问题解决了,我们就能有更好的基础、更大的回旋空间解决其他类型的问题。所以,我们说科技创新处于核心地位,抓住了科技创新就能抓住构建新型电力系统全局的牛鼻子。

展开来说,新型电力系统最大的特征是新能源发电占据主体地位,前面已经说到,新型电力系统与传统电力系统相比有两个重大区别。首先是高比例新能源特征,新能源发电出力依赖风光等自然条件,随机性、波动性明显,电力系统潮流复杂多变;其次是新型电力系统采用基于电力电子变换的换流器实现能量变换,具有高度电力电子化特征。这两方面的特征使得新型电力系统与传统电力系统相比,在结构形态、系统特性存在较大差别,控制难度更大。目前的理论与技术难以满足新型电力系统安全运行要求,需要系统性、原创性的技术突破。

南方电网通过近20年不懈努力,已经在柔性直流输电、交直流大电网规划运行等领域取得了世界级的成果。我相信,通过我们的持续攻关,将在新型电力系统基础理论、分析方法、控制技术等方面实现全面的突破,支撑提前实现双碳目标。我们已经布局开展相关关键技术的研究。

我们认为,构建以新能源为主体的新型电力系统没有不可克服的技术障碍,关键在于确保安全可靠的前提下经济上具有可行性。

问:构建新型电力系统,需要重点攻克的关键技术有哪些?

答:为推动新能源发电由辅助电源向主体电源转变,电力系统发输配用等各环节都要做出重大调整。通过梳理,我们认为需要重点突破的技术主要包括大规模新能源高效消纳技术、远距离大容量直流输电技术、数字技术与先进电力电子技术融合的大电网柔性互联技术、交直流配电网与智能微网技术、高比例新能源和高比例电力电子装备接入电网的稳定运行控制技术、先进储能应用技术、促进新能源消纳的电力市场技术以及虚拟电厂技术。

当然,随着我们对新型电力系统内涵的认识不断加深,在科技攻关方向上将会更加明确、聚焦。

南网能源院党委书记、董事长吴宝英

构建以新能源为主体的新型电力系统是一场硬仗

问:以新能源为主体的新型电力系统有哪些显著特征?

答:从系统结构和特性看,新型电力系统有六个显著特征:

一是新能源逐步成为主体是最显著的特征,绿色低碳是最重要的标志。电源结构将发生重大调整。新能源装机将以数倍于电力需求的速度增长,规模迅速扩大。以南方电网为例,未来10年,将新增新能源装机2亿千瓦,占比提高22个百分点。2030年,南方电网非化石能源装机占比提升至65%、发电量占比提升至61%。

二是各类电源的定位作用发生转变。新能源成为提供电量支撑的主力。常规火电逐步成为提供电力为主的备用、调节、保安电源。储能逐步成为重要“电源”,平抑新能源出力特性。

三是电源出力特性复杂多变。风电、光伏发电固有的随机性、间歇性,出力不稳定,电源侧出力特性变得复杂、多变。

四是需求侧特性趋向复杂。分布式电源、智能家居、绿色工业、绿色建筑、绿色交通等广泛应用,需求侧由“纯用户”转变为“电力产消者”。

五是电网全面数字化智能化。云大物移智等数字技术全面融入电网规划建设,依托强大的“电力+算力”,数字电网具备超强感知能力、智能决策能力和快速执行能力,支撑新型电力系统安全高效运行。

六是电网运行控制难度加大。新能源发电装机点多面广、“靠天吃饭”,协调多点、多样、多变的电源与系统安全稳定、可靠供电的矛盾难度加大,系统响应速度要求更快,运行方式安排、运行调度控制更加困难,智能运行调度更加重要。

问:构建以新能源为主体的新型电力系统将面临哪些挑战?

答:构建以新能源为主体的新型电力系统是一场硬仗,面临的挑战主要是解决“清洁、可靠、经济”不可能三角的矛盾。主要有五个方面的挑战:

一是电源科学协调发展问题。电源协调发展是电力系统科学发展的客观要求,新能源成为主体的过程中,统筹规划建设结构优化、布局合理、互利共赢的供给体系,是构建新型电力系统的重要课题。

二是确保电力系统安全稳定问题。风光发电机组有效惯量小,系统抗扰动能力降低。电网承受较大潮流波动压力,频率控制难度加大。风光发电机组容易大规模脱网,引发严重的连锁故障。电力电子装置大量应用增加系统次同步振荡风险。

三是确保电力可靠供应问题。风光发电“靠天吃饭”特征明显,电力支撑能力不足,影响供电可靠性。特殊气候状况下,风光发电出力不稳定甚至停机,加大电力供需失衡风险。

四是电力总成本增加问题。海上风电、光热等发电成本较高,需要配套建设的备用、调节、兜底保障性电源,以及电网建设等投资,电力总成本将提高,需要随着经济社会发展研究解决。

五是新型电力系统相关技术问题。通过科技创新,解决新型电力系统规划设计运行等相关技术问题。

问:南方电网公司在构建以新能源为主体的新型电力系统中将发挥哪些作用?

答:构建以新能源为主体的新型电力系统是电力企业职责所在,南方电网公司将发挥人才、技术、经验优势,在五个方面发挥积极作用:

一是发挥国有企业战略支撑作用。坚持在大局下行动、为全局作贡献,全面融入、全力服务碳达峰碳中和目标实现,加快推动能源电力绿色低碳发展,努力成为推进国家现代化的重要力量、贯彻新发展理念的排头兵、构建新发展格局的生力军、高质量发展的引领者。

二是在新型电力系统规划设计建设中发挥重要作用。主动参与国家构建新型电力系统顶层设计,配合做好新型电力系统规划,融入和服务好新型电力系统建设,贡献南网力量。

三是数字电网规划建设中发挥主要作用。数字电网是新型电力系统的核心,“十三五”期间,南方电网公司全面启动了数字电网规划建设。未来,将加大技术攻关,加快建设,构建更加绿色低碳的数字电网平台。

四是在确保新型电力系统安全稳定运行中发挥关键作用。发挥驾驭复杂大电网运行的技术优势和经验,加快技术攻关升级,推动电网运行调度智能化。合理安排运行方式,确保新能源消纳和系统安全稳定运行。

五是在绿色低碳技术研究、标准制定、电力市场、政策制定、机制建设等方面发挥支撑作用。

南网数研院党委副书记、董事、总经理李鹏

先进数字化技术将支撑构筑新型电力系统的关键技术体系

问:面对新型电力系统带来的新形势和新要求,数字技术将发挥什么作用?

答:新型电力系统中新能源将成为主力电源,高渗透率接入的新能源将深刻改变传统电力系统的形态、特性和机理,在新型电力系统中,系统波动性急剧增大,惯量明显降低;系统分布式特征更加明显、设备数量急剧增加;多元化市场的利益格局更加复杂。

以习近平同志为核心的党中央在指导能源革命、建设数字中国、发展数字经济方面作出一系列重大决策部署,数字技术是迎接这些新形势新要求的重要手段,其作用贯穿于能源生产、供给和消费等全部环节。

在能源生产环节,数字技术将支撑电力系统拥有更加敏锐的“五官”和更加聪明的“大脑”,大幅提升新能源的“可观、可测、可控”水平,支持千万台级新能源设备作为主力电源参与电力系统调控过程,这将奠定新型电力系统充分消纳新能源、确保安全运行和清洁低碳的关键基础。

在能源供给环节,数字技术将支撑新型电力系统中万物互联和全面感知,及时发现和预警电网风险,做出智能判断和决策。数字技术将加速电网管理数字化转型,推动电网多专业高效协同,确保面向千万级新能源客户的高效服务水平。数字技术将塑造新型能源产业生态,促进上下游联动。

在能源消费环节,数字技术将是促进节能减排、实现“解放用户”的关键手段,提供更加灵活、高效、个性化的用能普惠服务以及能效管理、节能服务等增值服务,促进负荷侧可调节资源与新能源互动,满足客户对美好生活的能源电力需求。

问:如何理解数字电网?

答:2019年,南方电网公司研究提出数字电网建设的战略部署。数字电网是以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等新一代数字技术为核心驱动力,以数据为关键生产要素,以现代电力能源网络与新一代信息网络为基础,通过数字技术与能源企业业务、管理深度融合,不断提高数字化、网络化、智能化水平,而形成的新型能源生态系统,具有灵活性、开放性、交互性、经济性、共享性等特性,使电网更加智能、安全、可靠、绿色、高效。

值得强调的是数字电网不是与物理电网割裂开的另一张信息网,也不可简单地把电网企业数字化转型和相关信息化工作理解为数字电网。数字电网是电网在物理世界与数字世界的深度融合后的产物,它的主要形态表现为:充分利用海量小微传感器、智能设备、电力物联网、分布式数据处理、数据挖掘及共享服务等技术手段,建设具备云资源存储、大数据处理、数据驱动分析、高度智能化等能力的强大软件平台,能够不完全依赖电网模型,在海量数据基础上,通过大数据和先进计算技术,透过数据关系发现电网运行规律,推动实现电网的智能运行。

问:为什么说数字电网将成为承载新型电力系统的最佳形态?

答:我认为数字电网将成为承载新型电力系统的最佳形态主要有以下几个原因:

第一,新型电力系统将成为具有显著数字化特征的信息物理系统。传统电力系统中,系统的设计、运行和分析均建立在数学模型基础上,系统稳定措施主要涉及发电机组固有的转动惯量,控制保护体系建立在相对“慢速”的系统机电特性上。新型电力系统具有明显的弱惯性特点,难以建立精确的数学模型,控制保护体系必须频繁应对更加“快速”的电磁暂态过程。电力系统的研究目标从关注“机电同步过程”发展为更多地关注“数据同步过程”,研究方法从“模型等效”发展为更多地基于“数据驱动”。

第二,数字化技术将支撑构筑新型电力系统的关键技术体系。电力系统传统技术体系主要面向特定功能,包括基于测量、传输和计算的运行控制系统,基于计量和人机交互的客户服务系统,以模型和参数为核心的仿真系统等,基本采用面向功能设计的集中式架构,数据基础相对薄弱,较难满足新型电力系统数字化发展提出的新要求。新型电力系统中,功能主体数量和数据规模激增,在解决位于不同时间尺度、不同空间维度、不同运动过程中多个复杂对象的巨系统问题时,全局数据作为基础和纽带的作用将更加凸显。

先进数字化技术将支撑构筑新型电力系统的关键技术体系。小微传感、芯片化智能终端提供灵活、便捷、准确、高效的边缘感知和控制能力,形成覆盖新型电力系统的神经末梢网络;云计算、物联网提供超大规模信息连接和处理能力,奠定新型电力系统关键的数字基础设施;大数据提供丰富数据分析和挖掘能力,推动新型电力系统多专业融合、协同发展;人工智能提供超强算力,提升新型电力系统智能分析和决策水平;区块链提供高强度的数据管理和保护能力,构筑新型电力系统生态发展的安全核心。

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