2021双碳目标驱动的数字化新型电力系统

双碳自标驱动的数字化新型电力系统 汤奕教授博士生导师 东南大学电力系统自动化研究所 01双碳自标下的新型电力系统特性 目录 Contents 02数字化是电力CPS协调规划的基础 03数字化是大电网稳定运行的保障 04数字化是配电网价值提升的途径 05数字化低碳示范智慧园区的构建 双碳目标下的新型电力系统特性 到2030年，单位国内生产总值二氧化碳排放 将比2005年下降65%以上，非化石能源占一 次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积 量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳 能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。 习近平 东南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 双碳目标下的新型电力系统特性电能替代将提升电力负荷水平 重点行业调研确定行业碳达峰需求确定行业碳达峰方室 工业交通角色需求及方案 工业(钢铁) 要积极开展钢铁行业碳达峰及降联行动：二要做好钢铁行业参与全国碳市场的相关准备工作：三要推进钢铁行业低碳技术创新：四要加强钢铁行业碳捕集、利用与封存技术应用示范：五要提升废钢利用水平：六要鼓励核心企业发挥示范引领作用。 建筑能源 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 要加大研发投入、开展技术创新，提升电动汽车发展战略地 交通(电动车) 位：二要探索电力交易市场化下用户侧商业生态；三要开展顶层设计和提前布局：四要出台在电力交易市场规则、电池梯级管理、财政支持等方面相关政策。 要调整优化产业产品结构，推动建筑材料行业绿色低碳转型发展；三要加大清洁能源使用比例，促进能源结构清洁低炭化； 建筑(绿建)三要加强低碳技术研发，推进建筑材料行业低碳技术的推广应 用：四要提升能源利用效率，加强全过程节能管理：五要做好建筑材料行业进入碳市场的准备工作， 一要推动电源结构和布局优化：二要加快电网向能源互联网转型升级，打造清洁能源优化配置平台：三要推动全社会节能提 能源（电力）效，提升终端电气化水平：四要推进电力系统技术装备创新， 提升系统安全和效率水平：五要推动健全市场机制和政策体系保障清洁能源安全高效利用。 双碳目标下的新型电力系统特性新基建将提升电力负荷水平 20%，80% 2021.3，178.8万台5G基站 建设 新能源汽人工 车充电桩智能 城际高铁 5G 工业特高压 互联网 城市轨交 大数据中心 2030,5% 东南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 双碳目标下的新型电力系统特性 要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统 高渗透率的可再生能源 “双碳目标下 新型电力系统特征 高比例的电力电子设备 高速增长的电力负荷需求 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 双碳目标下的新型电力系统特性 物理侧 新能源比例提升系统非线性增强运行方式多变 大电月之 中心 电力系统网络攻击外部系统数据通信方式多样 信息侧 东南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING.SEU 双碳自标下的新型电力系统特性 加速数字化转型，支撑能源互联网建设 能源互联网是以坚强智能电网为基础，将先进信息通信技术、控制技术与能源技术深度融合应用，有清洁低碳、安全可靠、泛在互联、高效互动、智能开放特征的智慧能源系统，可从三个方面促进能源清洁低碳转 数字化为电力CPS协调规划提供基础。数字化为大电网的稳定运行提供保障。数字化为配电网的价值提升提供途径。 东南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEI 01双碳自标下的新型电力系统特性 目录 Contents 02数字化是电力CPS协调规划的基础 03数字化是大电网稳定运行的保障 04数字化是配电网价值提升的途径 05数字化低碳示范智慧园区的构建 数字化是电力CPS协调规划的基础 传统发电厂新能源发电电力网架电力 网络规划 智慧家居数据中心5G基站气热 信息物理规划规划的挑战 双碳新数字新 要求基建 碳足迹跟踪数据中心 网络新能源消纳边缘计算 规划 供热供冷燃气轮机气热管道通信 同碳排放管理通信基站 网络碳策略优化电力负荷 规划 结构变动远控终端 能源网与 通信网融合 减少建设成本提高调度灵活性 提高系统可靠性与弹性 对新技术的优化利用实现多方信息融合 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 数字化是电力CPS协调规划的基础 实际物理能源网的碳流映射 高层系统控制中心（多能碳流测量、测源、揭合、控制、调度、路由集成中心） 高层系统控制中心：实现电力碳来源碳载体加工碳流传输碳终端 CPS协调规划的数字化手段能源来源能源加工能源传输 电能源使用 配电网馈线 5电气节点 李生碳网智禁楼 婚气节点乙配电网商业区城 电网与其他能源网耦合热电联/ 多能源种类的相互转换 燃气网馈线 李生碳网热电能产电动汽车 能源网络的源网荷互动燃气网 能源网与李生碳网的对应 工业区域 热→气→电→冷中信息 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 热网馈线 1838交通板经 热书点热网储能电站 数字化是电力CPS协调规划的基础雾状通信架构 雾状通信即不同区域有不同的通信方式；区域内部根据不同业务需求和通信方式的特征，综合考虑技术和经 济性，选择部署不同的通信规划方案， 通信主站 wifi Ce 区域电力业务及通信需求 雾状通信4G业务类型信息采集精准控制状态监测 5G 通信子站 LPWAN 无线 光纤 通信需求数据量大小通信时延采集频次 雾状通信综合指标 区域A区域C能耗优化速率优化区域需状通信规划方案 终端1终端2终端3 区域B 终端n 终端1终端2终端3 覆盖范围优化...... 雾状1a无线通信方式及通信特征 雾状3通信方式Wifi4G5GPLCLPWAN 终端1终端2终端3 雾状2通信特征能耗值通信带宽通信速率覆盖范围 東南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 数字化是电力CPS协调规划的基础信息物理协同规划 能量流融合规划 通信流 双碳目标下的规划融合 信息载体信息流 业务表达（碳流） 虚关联 需求关系：实关联 内在关联机理 调控 传输管理 产 能 多维产能 用户 多维负荷 单网规划 融合规划 电 力 网 架 网通 信 信息物理 融合网络 东南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERINGSEU 数字化是电力CPS协调规划的基础信息物理协同规划 功耗 产能 数据量 处理速度 能量限制 储能 碳排放 通信节点 通道质量通信流 路由策略 通信节点 能量节点 能量损耗能量流 用能能量节点 信息节点 碳轨迹 信息流 碳排放 信息节点 有线（边）特征：固定连接 （光纤）无传递延迟特征：特征： （光纤）无容量上限固定连接虚连接 （载波）拓扑同一性传输损耗关系图 容量上限 网络惯性 无线（图）特征：多能耦合 范围覆盖 可变连接 ·环境敏感 通信网络拓扑结构能量网络拓扑结构信息（碳）网络拓扑结构 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 01双碳自标下的新型电力系统特性 目录 Contents 02数字化是电力CPS协调规划的基础 03数字化是大电网稳定运行的保障 04数字化是配电网价值提升的途径 05数字化低碳示范智慧园区的构建 数字化是大电网稳定运行的保障双高电力系统安全稳定运行 出力特性 新能源特征 随机波动性 网动随源 备用不足 电网问题 功角稳定 拓扑结构惯量降低 复杂非线性电压稳定 问股扰动连锁故障 多时间尺度频率稳定 电网特征显著变化运行控制关键技术 ①电力系统故障的影响呈现全局化特点①新能源机组多时间尺度精细化建模 ②电力系统调节能力不断下降②高比例新能源接入后电网稳定特性的变化规律 ③电力系统抗扰动能力持续恶化新能源机组对电网电压支撑及低/高电压穿越协调控制技术 ④电力系统稳定形态更加复杂④新能源机组对电网惯量和一次调频支撑的优化控制技术 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 数字化是大电网稳定运行的保障新能源场站建模 针对集中式新能源场站，提出了基于数据-物理融合的新能源机组精准建模。针对小容量分布式或新建光伏电 站出力预测的问题，提出基于空间相关性的光伏主从预测技术， 基于数据-物理融合的风电机组精准建模方法基于空间相关性的光伏主从预测技术 机组出力和机组参数信息完整机组出力和机阻参收信息缺失参考伙电站防史气象信息BP-人工种NWP泰考光伏电站 应用场景及场站基本信息 风电场 拓扑结构 应用场景及场站基本信息 信息风电话风电场历史出 缺失拓扑结构 参考光伏电品历更出力时序就递 出力时效留口 AH8 日超标期光伏R电Y站电话 快失 物理模型TER与参考光状电RIX 机阻开机方式参数机组开机方式PCC动态特性 机组风速修正机组风速参数教据出 机幕学习尤其2在实配 风电场素合根型度不 风电场分群、聚合、等值 参数测网型 186 时库外推顶测时比翼法） 0.85480.4562 风电场豪合等值物理模型综合等值模型生成空网相关性预测0.19020.0964 東南大学电瓶工程电院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 数字化是大电网稳定运行的保障网侧参数辨识 LCC直流输电模型柔性直流输电系统模型 文流系统交流电网VSC换流器直流网络 Pa Pa +1831 401 EC vco AC FCL&.Rg 换流站1 典型FACTS设备模型 本MOV SVCSTATCOMTCSCUPFC 电力电子化设备模型（特别是控制器模型）具有模型复杂度高，参数可观性弱的特点（以LCC直流输电系统模型为例） 東南大学电氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING.SEU 数字化是大电网稳定运行的保障基于强化学习的网侧参数辨识 直流输电 复杂度高、可观性弱可处理复杂环境 学习 模型参数在线辨识速度要求泛化能力强强化 辨识特点特点 真实参数未知训练无需标签 仿真系统 逆变侧电压 -- 参数辨识系统模型仿真结果辨识后参数 复杂度高、可观性弱 在线输入/输出接口 量测提供历史场景 关键模型 参数直流电流 数据进行训练特征误差校正量 实际系统 记录 历史场景库强化学习算法 国家重点研发计划互联大电网高性能分析和态势感知技术针对华东电网-宾金直流参数辨识结果 東南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 数字化是大电网稳定运行的保障负荷精细化建模 目前负荷模型仍采用简单模型或典型参数，仿真结论与实际运行情况存在出入，对电网仿真分析工作带来了不利影响。随着能源互联网技术的不断深化，新型负荷元素接入电网，使得负荷侧呈现出电力电子化、随机性、智能化的新特点。开展精细化负荷建模具有十分重要的意义 龙政林枫宜华在线负荷建模 20%恒阻抗111 80%恒阻抗--1 电动机负荷032益 宾金灵绍雁准 ... 20%恒阻抗 1 1 2 80%恒阻抗 0 1 0 电动机负荷 0 0 0 . Cluster1Cluster2IClusterN 用户聚类 商业用户居民用户工业用户 不同负荷模型下，直流换相失败情况存在差异负荷类型多，数量大且通信协议复杂 东南大学電氣工程学院 SCHOOLOFELECTRICALENGINEERING,SEU 数字化是大电网稳定运行的保障负荷精细化建模 为实现对电力用户负荷信息的在线量测，研发了负荷智能终端和智能平台。智能终端采集的数据用于负荷模型的在线修正。智能终端实时采集用