未來智能電網(wǎng)中的獨立電力系統(tǒng)模式

1)獨立電力系統(tǒng)數(shù)字化建模理論和方法。

為準(zhǔn)確模擬獨立電力系統(tǒng)中各類設(shè)備本身的物理運行規(guī)律以及能量管理和控制措施對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響，需要深入研究獨立電力系統(tǒng)數(shù)字仿真建模方法。

獨立電力系統(tǒng)的建模必須考慮系統(tǒng)自身的特點。首先，需要建立獨立電力系統(tǒng)中特有的復(fù)雜元件和裝置的仿真模型，如非陸用電力系統(tǒng)中的多相發(fā)電機和電動機、孤立區(qū)域電力系統(tǒng)和微電網(wǎng)中含電力電子接口的各種可再生能源發(fā)電裝置等。其次，還要考慮系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的時間常數(shù)相差較大的問題，例如，獨立電力系統(tǒng)中一次能源轉(zhuǎn)化的時間常數(shù)多以s計，發(fā)電裝置中電磁暫態(tài)過程以μs計，機電暫態(tài)過程以ms或幾十ms計，而電力電子變流器中開關(guān)及其控制過程以μs甚至ns計。

同時，還需要提出一套評估和校驗仿真模型準(zhǔn)確性和魯棒性的理論或方法，設(shè)計合理的評估和校驗指標(biāo)，用于定量地衡量仿真模型的準(zhǔn)確程度和魯棒程度。

2)獨立電力系統(tǒng)全過程實時/超實時仿真的理論和方法。

提高獨立電力系統(tǒng)全過程仿真的準(zhǔn)確性和快速性，使其達(dá)到實時或超實時，是實現(xiàn)數(shù)字虛擬獨立電力系統(tǒng)的前提條件。

一方面，獨立電力系統(tǒng)中包含了大量的電力電子裝置，且涉及的頻率范圍十分廣泛，反映不同物理特征的動態(tài)過程相互交織在一起，極大地增加了系統(tǒng)仿真的復(fù)雜度。為解決這一問題，可采用全數(shù)字機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)，有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)仿真規(guī)模、精度和速度等問題，為模擬獨立電力系統(tǒng)的動態(tài)特性提供新的方法和途徑。

另一方面，采用并行計算技術(shù)，針對獨立電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計高效的分解協(xié)調(diào)策略，并在高性能并行計算機上加以實現(xiàn)，可大大提高獨立電力系統(tǒng)全過程仿真的速度。

3.2 全方位信息化的獨立電力系統(tǒng)

全方位信息化是對獨立電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制的重要基礎(chǔ)。一方面，信息化系統(tǒng)通過先進(jìn)的量測體系和可靠的通信系統(tǒng)，獲得全面、準(zhǔn)確的系統(tǒng)實時運行狀態(tài)信息;基于所獲得的實時運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)元件的在線狀態(tài)評估和故障診斷。另一方面，系統(tǒng)的決策和控制信號也將通過信息化系統(tǒng)可靠、有效地下達(dá)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時閉環(huán)控制。

1)可靠的數(shù)據(jù)量測和傳輸技術(shù)。

獨立電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量測與傳輸技術(shù)必須適應(yīng)實際應(yīng)用環(huán)境的要求。

①獨立電力系統(tǒng)往往包含大量特殊元器件，并采用交、直流混合網(wǎng)絡(luò)，其保護(hù)和控制邏輯十分復(fù)雜。相應(yīng)地，系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)量測的內(nèi)容和性能要求與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)也存在很大不同。

②獨立電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電受自然環(huán)境影響很大(如風(fēng)速波動對風(fēng)機出力的影響、云層移動對光伏機組出力的影響等)，系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化非常頻繁且迅速，因此對數(shù)據(jù)測量的實時性要求很高。

③船舶/飛機/空間站電力系統(tǒng)多運行于惡劣的自然環(huán)境(海洋、高空或太空環(huán)境)中，大量電力設(shè)備緊湊地安裝在有限的空間中，存在較強的電磁干擾。因此，數(shù)據(jù)采集和通信設(shè)備亦必須具有抵抗電磁干擾的能力。

2)獨立電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計理論和方法一般針對大型互聯(lián)電網(wǎng)設(shè)計，而獨立電力系統(tǒng)的電氣距離一般較近，系統(tǒng)中各量測量之間耦合程度較高，如何利用這一特點設(shè)計具有更強容錯能力、更高準(zhǔn)確性和更快計算效率的狀態(tài)估計方法也是重要的研究方向之一。

3.3 具有自愈控制能力的獨立電力系統(tǒng)

獨立電力系統(tǒng)的自愈控制能力包括系統(tǒng)在線預(yù)警和控制能力。在系統(tǒng)運行過程中，通過對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視，對系統(tǒng)可能發(fā)生的安全穩(wěn)定隱患進(jìn)行預(yù)警，進(jìn)而采取適當(dāng)控制措施加以消除，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平、系統(tǒng)緊急狀況下的快速重構(gòu)與恢復(fù)能力。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動進(jìn)行重構(gòu)，由斷路器或其保護(hù)裝置隔離故障負(fù)載或發(fā)電機，使無故障部分的重要負(fù)載最大限度地快速恢復(fù)供電。

1)在線預(yù)警和控制能力。

實現(xiàn)獨立電力系統(tǒng)的在線預(yù)警和控制需要解決2個關(guān)鍵問題：

①建立一套運行指標(biāo)體系，作為獨立電力系統(tǒng)運行狀態(tài)優(yōu)劣的考核標(biāo)準(zhǔn)。該指標(biāo)體系的建立應(yīng)從用戶的需求和運行環(huán)境對獨立電力系統(tǒng)的要求出發(fā)，將這些需求構(gòu)建成完整的可量化的指標(biāo)體系。

②在此基礎(chǔ)上，以指標(biāo)體系為依據(jù)，分別建立“獨立電力系統(tǒng)運行狀態(tài)評估系統(tǒng)”和“獨立電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)”。

前者用來評估獨立電力系統(tǒng)的運行是否處于滿意狀態(tài)，后者在某一個或某一組指標(biāo)偏離預(yù)先設(shè)定的偏差允許值時，通過快速決策和控制，消除那些不滿足指標(biāo)要求的運行狀態(tài)，使系統(tǒng)重新回到滿意的運行狀態(tài)。

2)緊急情況下的快速重構(gòu)與恢復(fù)能力。

獨立電力系統(tǒng)的實際運行環(huán)境對系統(tǒng)緊急情況下的快速重構(gòu)與恢復(fù)能力提出了很高的要求。例如，船舶/飛機/空間站等非陸用電力系統(tǒng)中含有許多電子負(fù)載，對于電力中斷和電能質(zhì)量非常敏感，因此在系統(tǒng)故障時，必須快速恢復(fù)重要負(fù)載的供電以提高系統(tǒng)的存活能力。

高效可靠的快速重構(gòu)算法是提高獨立電力系統(tǒng)安全性和存活性的核心。獨立電力系統(tǒng)的快速重構(gòu)算法需要綜合考慮多方面的約束：既要考慮靜態(tài)約束，如潮流約束、電壓電流限值約束等;又要考慮穩(wěn)定約束，如暫態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定等，使系統(tǒng)在重構(gòu)過程中能夠保持穩(wěn)定。

4 結(jié)語

新能源的大規(guī)模開發(fā)和利用給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行和控制帶來了眾多挑戰(zhàn)。獨立電力系統(tǒng)作為未來電網(wǎng)能源供應(yīng)和消費的一種新模式，是解決傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)所面臨難題的重要途徑之一。筆者介紹了幾類典型的獨立電力系統(tǒng)，并結(jié)合獨立電力系統(tǒng)的特點探討了獨立電力系統(tǒng)發(fā)展過程中面臨的主要問題和需要研究的關(guān)鍵技術(shù)，以期為未來電網(wǎng)的發(fā)展提供有益參考。

作者：

清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室：陳來軍，梅生偉，許寅

陜西省地方電力(集團)有限公司：任正某

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