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【争鸣与探索】中国电科院周勤勇:基于“道、法、术”思想的电力系统规划体系探讨

2022-06-19 11:54:10

摘要

处于能源变革时期的电力系统需要建立科学合理的规划体系。基于我国传统电力系统规划现状和面临的新形势,分析并提出了原有规划体系和方法的不适应性。分析了“道、法、术”思想体系的来源和应用,并提出了电力系统“道、法、术”规划体系及其相互关系。针对现有电力系统规划不以系统扩张为主要解决手段的规划本质,提出了以探索电力系统演化规律为主要内容的“道”的规划内容,以打破传统环节流程、建立适应新规划方法要求的规划规则和技术导则为主旨的“法”的规划内容,以及互联网思维指导下的术”层次的电网规划新方法。

引言

我国电力系统规划一般分为发电、输电、配电和用电等环节,各环节规划面临的挑战如图1所示。

图1  电力系统规划各环节及面临的挑战

在发电环节,由于新能源出力具有随机性、间歇性特点,突破了生产模拟方法中电源出力可控的原则,我国大规模新能源集中开发的现实更是放大了这种特性,通过电力电量平衡确定电源规划变得越来越难。

在输电网环节,一方面是走廊、站址等资源稀缺,电网发展的空间有限;另一方面,仅靠电网的扩张不能完全解决新能源发展带来的诸多问题,譬如新能源逐渐替代常规电源后,系统短路容量下降、对直流支撑不足、频率稳定问题凸显,原来一直以电网扩张为目标的规划方法就会逐渐失效。

在配电网环节,随着微电网和区域综合能源网络的出现,原来的确定性规划的基础条件逐渐模糊,在不确定规划下开展的规划可能出现过于保守的结果。

在用电环节,用电侧智能化需求突出,需求响应等技术的应用使得负荷与电网、电源出现双向互动,负荷特性发生较大变化,加之负荷节点侧微电网和综合能源网络的出现,原来偏重于宏观的负荷预测方法的准确度急剧下降。

综上所述,原来在电力系统各环节已经成熟的规划方法面临电力系统转型的挑战,出现了逐渐失效和准确性下降等问题。因此,需要更好、更新、更适用的规划方法和技术,由于发、输、配、用各环节之间界限越来越模糊,而且未来的互动性更强,因此仅在各环节的原有方法基础上讨论,局限性很明显,未来电力系统规划应该有更好的规划体系。

一、“道、法、术”基本概念及体系

“道、法、术”是我国学者对我国古代哲学思想的一种体系归纳和提炼,也是一种方法论[1]

“道”最早起源于《道德经》,是规律,是一种客观存在。如日升日落,春夏秋冬,盛极必衰,物极必反等。

在《道德经》的注疏中[2],有“以道御术”一说,研究者对于“术”的理解比较统一,指具体可执行的操作方法。

“法”可寻源我国古代法家著作,一般指法律、法则,在具体应用中主要指法则。

“道、法、术”体系中,“道”为最高层面,“法”居中,“术”为基础。具体应用,“术”为执行层面,是面向单一对象的处理方法;“法”为约束规则层面,面向同类型事物的规约,“术”要符合“法”;“道”则为升华成果,其成果的反向应用则不局限于同一类事物,具有广阔的扩展外延。“术”、“法”、“道”层层递进。“道、法、术”作为一种指导思想和方法论,具有规律、法则和执行方法3个清晰的层次关系,适用于行业战略、规划体系的建设。目前,在商业、管理等领域得到了应用。

上述电力系统各环节的规划方法属于“术”层面的规划方法,要对“术”层面的规划方法进行革新,需要有更高层次的“道”的指导,即所谓的“以道御术”。“以道御术”的途径是“法”,“法”既是两者的桥梁,又是“术”的归纳和提炼。

二、“道”:电力系统演化规律研究

1 . “道”的电力系统规划方法探索

“道”是规律。世界万物都有其发展规律,电力系统也不例外。在“道”的层面开展的电力系统规划是战略研究的一部分,具体而言应该是对电力系统演化及生命周期的一种科学探索。在现有的规划体系中,这并不是规划的构成部分。虽然现在电力系统界也有很多研究面向未来,但更多的是研究其可能的形态,并没有上升到具有普适性规律的层面。

在现有“术”层次规划方法失效的情况下,规划者需要 “站在未来看现在”,知道未来的演变目标和现在所处的“生命”期,确定“术”层次的规划目标。

对未来的电力系统演化及生命周期的探索,不能靠经验主义和推测,而是更多交叉科学的应用,包括自然科学、经济学、社会学和哲学等等,如图2所示。

图2  对应“道”的电力系统规划方法

以文献[3]提出的“递弱代偿”原理为例,该原理指出“愈原始愈简单的物类其存在度愈高,愈后衍愈复杂的物类其存在度愈低,并且存在度呈一个递减趋势。随着存在度的递减,后衍物种为了保证自身能够稳定衍存,就会相应地增加和发展自己续存的能力及结构属性。”其中,存在度的衡量方法有3项硬指标:在宇宙中的空间质量;在宇宙中的时间分布;存在状态稳定性。以这个原则审视我们的电力系统,交流电力系统存在的空间质量最大、时间分布最长、状态最稳定。随着电力系统的发展,系统越来越复杂,其状态也可能由稳定趋向于不稳定,但为了维持其稳定,就需要通过各种技术手段来加强,譬如采用具有快速励磁的发电机组来改善系统的暂态稳定性,导致了动态稳定问题的发生,然后就采用了PSS装置来改善这一问题;虽然特高压直流解决了大容量远距离输送的需求,但为了保障其容量效益的充分发挥,需要采用一些辅助设施和手段。

所以,电力系统也有其发展的客观规律,而且与“生命体”一样,有着类似生、长、盛、衰、老、亡的生命周期。将电力系统视作为一个可观测、可预测的“生命体”,通过演化规律和路径的研究探索其未来,是一种高层次的战略规划,也是“道”层次的规划内容。

2.  “道”的电力系统规划方法实践探索

“道”层次规划目标是获得电力系统所处阶段、问题和对策,既需要借鉴以往的经验,又需要普适性规律的应用探索。图3是对电力系统发展过程的一种粗略的总结示意图,自从交流电力系统诞生以来,电力系统在发展过程中,每一个阶段都会出现一种主导风险,有时是几种风险的叠加。譬如一开始因为电网过于弱小,功角稳定问题十分突出,随着大机组的出现,“大机小网”问题又使得系统频率稳定风险很大,继续扩大电网后,曾一度出现了动态稳定问题,当电网发展壮大到一定程度后,静态安全问题又成为主要安全约束,当现有电网进入较为成熟期后,随着直流规模的增加,电压稳定问题又成为主导。

图3  电力系统及其安全稳定水平演化示意图

从过去的发展经验来看,交流电网不断扩张和升级是解决过去遇到的几乎所有风险的有效手段,所以,过去的电力系统规划都是电网扩张型规划。从电力系统发展的趋势来判断,未来的主要影响因素是新能源发电占比的不断提升,常规电源“空心化”将导致系统短路电流容量下降,对常规直流的支撑水平下降,另外系统的频率问题也逐渐突出并进入不可接受的范围。如果采用以往电网扩张型的规划思路,则既不能有效增加系统短路容量,还增加了直流间的相互影响,电压稳定性可能进一步恶化,另外,由于普遍采用电力电子设备,电力电子的快速响应和惯性系统运动过程交互影响,产生了一些原来未曾发现的振荡问题。与电力系统其他发展阶段类似,电力系统的安全稳定出现质变,安全稳定水平也将在达到顶峰后下降。为了能够维持系统的发展和运行,需要通过电力系统的技术革新,重新提升电力系统安全稳定水平,这就是典型的“代偿”特性体现。至于什么时候出现这样的拐点,则需要利用其他交叉科学,进行深入研究。

       技术革新将替代系统扩张而成为未来电力系统规划的主要目标和内容,假设这种可能性已经被证明(“道”层次规划的范畴),现有的“术”的规划将会有的放矢。

三、“法”:电力系统规划遵循法则

从“以道御术”的基本设定来看,“道”和“术”两层规划体系从目标、方向到具体执行方法构成了一个完整的规划路径。但是,电力系统规划工作是一个长期并且周而复始的工作,经验、原则、边界的固化和复制可以大幅提升工作效率,并且可以保障与电力系统后续建设、调试、运行等阶段的有效衔接,这就是“法”。

现有电力系统规划遵循的“法”有如下2类:

1)程序之“法”。规定了电力系统规划的流程和研究深度。目前来看,除了国家电网公司2009年颁布的《国家电网公司规划设计内容深度规定》(Q/GDW 268-2009)外,没有其他正式颁布的规范。但在电力系统规划行业内,有约定成俗的基本流程,包括负荷预测、电力电量平衡、电源规划、电网规划、电气计算等流程。在过去的规划中,由于电源规划主要依据负荷水平和负荷特性确定,因此不依赖于电网规划,但随着新能源容量和负荷不确定性的增加,源网荷(输电网和配电网)一体规划的需求越来越突出,原来各流程严格的时序性将被打乱。

2)技术规范之“法”。电力系统是最复杂的人造系统,安全性、稳定性、可靠性需要在规划阶段就有所保障,因此电力系统规划需要遵循必要的原则,如“N-1”原则、“分层分区”原则等。我国自从1981年颁布《电力系统安全稳定导则》以来,电力系统安全稳定事故大幅度降低,我国电力系统已经成为世界上最安全的电力系统之一。、《电力系统技术导则(试行)》(SD131-84)和《电力系统安全稳定计算技术规范》(DL/T 1234-2013)等一系标准和技术规范。同样,由于大规模新能源的出现和大容量直流、多直流馈入系统等新事物的出现,原有的一系列技术规范也面临着重新修订。

一般而言,法则、规范应该是在“术”的规划方法实践基础上,对成效进行检验后的提炼和总结。面对新形势,“术”的规划方法需要创新和检验,因此,“法”的建立需要比较漫长的过程。但电力系统规划也可以参照智能电网和全球能源互联网的工作方式,在未有全面的示范和验证之前,开展标准体系的建设工作。


四、“术”:互联网思维下的规划方法

在“道”的战略规划层面,可以预见未来电力系统处于一个拐点和变革区,原有使用于扩张型规划的诸如经验规划法、层次分析法和数学优化算法等规划方法,都将逐渐失效。而且由于各环节界限逐渐模糊,需要新的思想方法和技术手段进行电力系统规划。

传统电力系统中,分散布局的电源结构通过电网大规模互联,实现普遍供电,且用户可以实现直接的“即插即用”,具有典型的开放和共享的互联网特征[4]。未来,电力系统在源、荷端都会表现出综合能源的特性,负荷端也不再是被动的,而且能够具有针对源端新能源处理特性相呼应的响应能力,无处不在的“节点”控制能够使电网的输送、分配达到上述目标,这是与未来互联网特性高度相符的。因此,互联网思维的电力系统规划方法可能成为未来规划的应用方法。

互联网思维具有开放、平等、共享、互动、重混等理念,基于此,可以借助这些理念,建立“法”层次的电力系统规划方法。如图4所示。

图4  基于互联网思维的电力系统规划方法

从共享概念出发,类似信息路由器对信息的再传输和再分配,建设能源路由器(Energy hub)[5],实现对能源的再分配和再传输,可以兼顾不同电压电压等级、输配方式(交直流)而实现能量平衡控制,这是对现有电网节点的一次革命性突破,替代了原有枢纽节点、调度控制系统的部分甚至全部的功能。目前,能源路由器已经基本完成概念设计,并进入实际设备研制阶段,最初是在配电网层面实现[6]

电力系统并不能够直接跳跃式的发展,而是逐渐过渡的过程,因此重混的概念将启发从现实到规划电网的实现路径研究。针对目前大规模新能源输送存在的困境和未来更大规模新能源跨区输送要求,柔性直流电网成为一种合理的选择,但现有电网的“存量”资产不可能全部改造,这就涉及2种方式的衔接和过渡,这便是未来电网重混的基本内容。

互联网思维的电力系统规划方法让从业者以新的思路规划未来电网,结合社会的宏观需求与最新科技在行业内的应用趋势,确定了电力系统作为综合能源系统的功能定位,未来电网具有信息物理网的形态结构,并能够与现有电网重混衔接的实现路径。

以重混概念下的柔性直流电网为例,需要在规划中进一步研究设计:不同新能源分布、规模的组织、汇集和接入方式;柔性直流电网的结构、换流站的布点和接入方式;柔性直流电网与受端交流电网的连接方式,等等。


五、结语

依据“道、法、术”的体系关系设计出来的规划体系自然能体现其整体体系和层次关系。以本文所举方法为例,如果“道”对应的规划得出结果是电网面临一个发展的拐点,需要新系统的“代偿”来提升电网的安全稳定水平,“术”对应的规划应该根据出现拐点的这种规律,采用互联网思维方法设计新一代电力系统,“法”则应该打破原有的思维定势和各环节的结构界限,制定适用未来规划的程序法则和技术规范。从我国的电力系统规划体系建设来看,目前还主要停留在“术”的层次,对“法”的层次也有积极意义的尝试,而在“道”的层次,则还处于开荒阶段。但从三者的关系来看,“道”的层次的规划结果反而是最重要的,应该作为以后在规划体系中的重点推进和突破方向。


参考文献

[1] 王孺童.道德经讲义[M].北京:中华书局,2013.

[2] 平心而谈.《道德经》小感:用术识道以道御术[EB/OL].[2016].http://www.jianshu.com/p/5010df63b4b8.

[3] 王东岳.物演通论[M].北京:中信出版社,2015.

[4] 周孝信.以互联网思维建设改造传统电力系统[N].中国电力报:2015-7-10(T01).

[5] 赵争鸣,冯高辉,袁立强,张春朋.电能路由器的发展及其关键技术[J].中国电机工程学报,2017,37(13):3823-3834.

[6] 盛万兴,兰征,段青,等.自储能型能量路由器研究[J].电网技术,2017,41(2):387-393.

[7] 盛万兴,段青,梁英,等.面向能源互联网的灵活配电系统关键装备与组网形态研究[J].中国电机工程学报,2015,35(15):3760-3769.  

 


周勤勇,博士,2003年6月进入中国电力科学研究院系统所工作。公司规划计划专业领军人才,大电网构建理论及安全策略技术科技攻关团队、大规模新能源广域消纳电力系统技术科技攻关团队核心骨干。长期从事电力系统分析、规划及电网新技术应用研究等工作,参与国家电网“十一五”开始的电网发展规划并负责安全性研究工作,参与我国第一个超高压可控电抗器、特高压串补的系统应用和主参数设计等工作。

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