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ISSN 1000-7229 CN 11-2583/TM
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过度依赖化石能源的发展模式正在发生变革，加快构建以清洁能源输送为主导的能源互联网已成为能源发展的必然趋势。分析了能源互联网的基本内涵和特征，阐述了能源互联网框架体系构建和顶层设计的基本理念，以电力发展为核心提出了能源互联网发展中的任务和挑战，并对能源互联网的发展路径进行了展望。
能源互联网的兴起是全球能源环境与经济发展双重压力导致的结果，这种趋势不可避免地促进大数据分析技术的快速发展。大数据技术是指从各种各样类型的海量数据中，快速获得有价值信息的技术。简要介绍了国网智研院美国研究院大数据团队的研究工作和实验室软硬件配置，介绍了智能电网数据结构和计算架构等概念性的设计。重点介绍了与斯坦福大学合作进行的用户分组分类和需求响应定量计算方法，以及非侵入式电能分解。这些工作基于集成的数据模型和开源软件技术，将为电网公司和客户同时带来收益。
能源互联网可以实现大规模可再生能源的高效利用与远距离传输。基于模块化多电平技术的直流电网是构成能源互联网、实现可再生能源电能传输的重要组成部分与有效技术手段。但受限于现有电力电子技术的发展，单个模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的额定电压和额定电流难以提高，难以实现跨国或者跨洲的大规模可再生能源电力传输。针对上述问题，研究了MMC的子模块串、并联，桥臂串、并联及换流站串、并联的拓扑结构，并对比分析了各种结构在大规模风电并网传输中应用的技术优缺点。为了综合MMC和相控换流器（line commutated converter, LCC）的技术优势，并适应未来能源互联网的需要，还研究了MMC与LCC的串、并联结构。最后，仿真研究了串联结构的均压问题和并联结构的均流问题。通过对各种串并联扩容方法的对比研究，得出了MMC串联及MMC与LCC串联在高压大功率场合中更具技术优势的结论。研究结果可以为大功率换流站的构成方法与工程应用提供参考。
在独立微网中，确保能源供需平衡与系统备用充足对满足用户需求、维持微网安全运行十分重要，因此电池储能系统必不可少。然而，由于现阶段电池储能系统成本较高，需要进行合理规划以选择最优系统规模。基于此，该文首先构建独立微网电池储能系统规划目标函数，并从供需平衡、备用要求等方面给出约束条件；之后通过改进的和声搜索算法对电池储能系统的安装年、额定功率与容量进行最优规划；最后，通过3种不同的微网运行情景验证模型和算法的有效性。
提出恒电压运行的概念并论证恒电压运行是电网发展的终极目标。从恒电压运行的效益、恒电压运行的实现手段和恒电压运行的成本估计3个方面展开论述。恒电压运行的效益包括4个方面，分别为恒电压运行是坚强智能电网的终极表现形式；恒电压运行能够最大程度地抵御故障扰动并提高系统稳定性；恒电压运行可彻底解决大规模可再生能源接入电网引起的电压波动问题；恒电压运行可实现网损最小化。恒电压运行的实现手段主要是采用基于模块化多电平换流器技术的静止同步补偿器（modular multilevel converter based STATCOM，MMC-STATCOM），目前技术水平下单个MMC-STATCOM的合理容量为500 MVA。对一个具有2万km、500 kV输电线路的受端骨干网架进行了恒电压运行成本估计，表明所需要安装的MMC-STATCOM容量在3 000万 kVA以下，其投资成本在100亿人民币以内。
欧洲电网是世界上最大区域互联电网，也是世界上少见的实现了多国互联运行的电网。欧洲电网的电源装机总量全球最大，其对可再生能源的接纳和利用，也是各国推进能源转型、促进高比例的可再生能源消纳的学习典范。在分析欧洲电网各国当前电源结构、负荷特性和电网互联现状的基础上，总结了几个主要欧洲国家目前电网的发展情况以及它们与周边邻国互联现状的主要特征。此外，在对具体的电网数据分析的基础上，分析了构建能源互联网在物理平台、信息平台和融资机制3个方面可能的建设需求，总结了欧洲电网的发展对于构建能源互联网的3点启示。该文的分析和结论，对能源互联网的深入研究具有一定的参考价值。
结合大规模风电并网的需求，在建立风电场出力多场景概率模型的基础上，提出了两步的风电场建设与输电网扩展协调规划综合模型。模型联合考虑了风电场接入和输电网建设情况，同时兼顾了对规划方案技术性、经济性、协调性及适应性这4个方面的要求，实现了规划方案的综合效益最优化。最后以考虑风电接入的测试算例验证了所提出模型的有效性。
南方五省区及其近海地区新能源资源储备丰富，大规模发展风能、太阳能等新能源发电，将有助于缓解南方各省区能源短缺和环境污染等方面的矛盾。同时，作为“西部大开发”战略的重要组成部分，“西电东送”是优化南方五省区电力资源配置、促进经济结构调整的一项重要举措，也会对各省区的新能源开发和消纳产生影响。从南方电网“西电东送”特性和送受端电网新能源发电特性的相互作用机理出发，运用含新能源的南方电网中长期运行模拟手段，分析南方电网“西电东送”特性对送受端电网新能源消纳能力的影响，为“西电东送”送电水平的合理确定和各省区新能源开发时序的合理安排提供参考。
特高压直流（UHVDC）风火联合外送可实现西部、北部风电跨区远距离输送，扩大风电消纳范围。提出了优化特高压直流风火打捆外送配套电源规模的研究方法，首先研究了UHVDC输送火电、风电的技术性约束，包括UHVDC输电运行方式，以及对风电、火电配套规模的影响，提出了配套电源的研究原则及思路；其次，建立了特高压直流风电、火电联合外送配套电源规模的优化方法；最后，以酒泉—湖南±800 kV特高压直流输电工程为例，给出了酒泉—湖南特高压直流风电、火电配套规模，验证了方法的科学性。提出的研究方法对扩大我国北部风电消纳范围，提高特高压直流通道输送效率具有重要意义。
光伏、水电出力都与天气条件有关，水电能够快速调节并具有可储能的库容，可以与光伏互补运行，弥补光伏的间歇性，目前研究2种电源在不同时间维度上的互补特性的论文较少。该文提出了水电与光伏的互补特性分析方法，建立了基于弃光率以及火电机组负荷率的水光互补评价指标，采用光伏时序出力模拟以及包含水电的电力系统运行模拟实现对水光互补评价指标的计算。以青海省2020年电力系统规划数据为例，研究了青海省2020年水光互补的特性，根据计算结果对青海省未来水光互补运行提出了建议。
大容量风力发电基地的快速发展给电力系统安全与经济运行带来了新的问题，对输电系统进行规划时，既要考虑具备足够的可用输电能力（available transfer capability, ATC）以容纳大规模风电并网, 又要避免输电容量过分冗余造成投资浪费。在此背景下, 针对含有大容量风力发电的电力系统, 提出了一种计及ATC的输电系统规划随机优化模型, 主要内容包括:（1）在考虑风速和负荷等随机变量之间相关性以及线路和发电机故障概率的基础上, 构造了ATC概率模型；（2）采用拉丁超立方采样和灵敏度分析相结合的方法求解ATC概率模型；（3）构建以输电线路投资成本最小和ATC期望值最大为目标的优化模型, 将输电系统规划的经济性和运行风险进行有机结合。采用遗传算法求解所建立的输电系统规划优化模型, 并用18节点和46节点算例系统说明所发展模型和方法的基本特征。
随着国家和地方政府持续出台支持政策，分布式光伏发电快速发展，局部地区渗透率较高，对电网提出了改造需求，自身也面临限电风险。针对高渗透率分布式光伏发电接入带来的电网改造成本、降低损耗、延缓电网投资等成本效益，提出一种计及电网改造的高渗透率分布式光伏接入的综合成本效益分析方法，基于典型规划场景的年度8 760 h分析结果，对高渗透率分布式光伏接入进行优化规划研究，研究结论可为实现高渗透率分布式光伏科学规划提供参考。
实施面向低碳发展的电网规划，是电网企业乃至电力系统应对“碳锁定”效应，实现向低碳化转型的重要基础。从时空两维度全面分析了电网规划中的低碳要素；在常规电网规划流程的基础上，分析了低碳电网规划的新模式，研究了低碳要素的引入对电网规划流程中各环节的影响；在此基础上，结合我国电力工业的禀赋特点及发展现状，为我国电网的低碳化规划提出了建议。
能源互联网是未来能源供应体系的重要发展方向，冷热电三联供实现了冷/热和电能之间的联系，是能源互联网的核心部件之一。在考虑集中式冷热电三联供运行时，燃气-蒸汽联合循环机组的启停机方式和运行状态将直接影响到三联供机组的工作效率与运行收益，合理的开机策略是保障三联供机组经济化运行的前提与基础。针对以燃气-蒸汽联合循环机组为动力装置，使用吸收式溴化锂制冷技术，配有以相变材料为主体的储能设备的三联供机组进行分析，根据对三联供机组运行相关参数，在对某地区的冷热电负荷进行详细调研的基础上，建立起集中式三联供运行的经济性目标函数，给出三联供机组经济化运行的启停机策略，从而达到提升工作效率、增加运行收益的目的。
能源互联网正在逐步影响电网的规划建设方式，其对于相关的负荷预测技术也提出了更高的要求。节假日负荷预测由于存在与正常工作日差异较大且历史数据较少的原因，其负荷预测的效果往往不理想。通过相关因素统一修正模型对气象、时间等相关因素进行修正处理之后，得到统一相关因素影响下的正常工作日数据。考虑“近大远小”的原则，对于正常工作日和节假日负荷曲线之间的相关性进行分析，并基于点对点倍比预测模型提出节假日负荷预测模型，该模型能够自动削弱历史中不正常数据对于预测精度的影响。将提出的预测方法应用于我国北方某城市和某地区的节假日负荷预测，算例分析结果显示预测精度能够满足实际需要，可以为相关电力部门节假日负荷预测提供一定的参考价值。
用电需求的饱和负荷预测可以确定一个地区未来电网发展与用电需求的最终规模，并以其远期电网规划目标指导近期电网建设，可以有效减少电网改造成本，做到有步骤有条理地进行该地区区域电网的改造与建设，对区域规划、区域经济与电网之间的协调发展具有重要意义。该文提出了基于改进Logistic模型的负荷发展历程阶段划分理论，并给出了饱和负荷的新内涵，修正与完善了判定电力饱和负荷的量化指标体系。最后采用改进Logistic模型对案例进行了研究与分析，完成了案例用电饱和规模以及饱和时间点的预测与分析工作，并验证了其可行性。
在输电网发展方案选取方面，电网的发展、调度等部门往往侧重点不同，采取的评价指标与方法也不同，难以形成客观、全面、统一的发展方案，造成电网规划、建设、运行等环节出现矛盾。针对上述问题，提出了一种基于适应度和证据理论的输电网发展方案选取方法。建立适应度概念来定量评价电网发展的程度，用证据理论整合了安全性、经济性等各方面电网适应度，得到的可选性参数为输电网发展方案的选取提供了依据。该方法能够解决输电网发展方案选取上各部门难以协调一致的问题，对实际电网发展方案选取的模拟表明了该方法的可行性和有效性。
随着电力市场的深化，用户的可靠性得到重视，为充分体现用户对可靠性的不同要求，将用户的停电成本作为经济性指标，加入优化目标函数作统一优化的紧急控制策略，得到广泛应用。然而，这些决策模型中没有考虑系统的暂态稳定性，这就使得在执行完发电机再调度和切负荷操作后，系统可能无法再次承受故障而不发生暂态失稳。针对这种不足，提出了一种考虑暂态稳定约束的最优紧急控制决策模型，在该模型中加入了表示系统在新的运行点满足暂态稳定的相关约束，因此，发电机再调度以及切负荷等操作完成后，系统仍然能保持暂态稳定性。最后，以IEEE-RBTS的6节点系统和新英格兰39节点系统为算例，对所提出的策略作出具体阐述，并比较该方法与不考虑暂态稳定约束的算法在结果上的差别。
电网运营效率体现了电网运营的精益化水平，对于电网企业的经营效益具有重要影响。对面向未来电网规划方案的电网运营效率进行科学评估对电网建设具有重要的指导意义。该文从发电侧与输电侧2个角度出发，设计了电网运营效率评价指标集。基于电力系统时序运行模拟技术，提出了电网运营效率评价指标的计算方法，能够充分考虑电力系统运行的复杂边界条件以及多种运行场景，全面准确地反映电力系统的运营效率。采用江苏电网2018年的规划方案实际数据进行了实证分析，研究了晋北——南京特高压直流工程以及江苏千万kW级风电基地对电网运营效率的影响。结果表明，晋北直流的建设会在一定程度上增加系统网损和输电阻塞，对运营效率有一定负面影响，风电间歇性也会增加与风电距离较近的线路阻塞进而降低电网运营效率。
准确的消纳能力评估对于风电发展规划具有重要意义,但在规划阶段难以获取详实的时序风电出力数据，典型的时序消纳评估方法难以适用，亟需研究根据有限的风资源概率特性数据进行消纳能力评估的方法。基于随机生产模拟原理，提出了一种以风电电量消纳最大化为目标的泛函极值模型和基于启发式方法的实用化评估算法。该方法仅需要风资源的概率分布信息，可较好解决规划阶段风电数据源有限的难题，且计算速度较快。基于我国北方某大型风电基地2014年实际运行数据及2020年规划数据,进行了仿真分析。通过2014年实际风电消纳结果及仿真结果的对比验证了所提方法的正确性，然后针对2020年规划数据分析了风电电量消纳与装机容量的饱和趋势，并定量研究了灵活性措施对风电消纳的促进作用，为风电规划提出了建议。
随着电网规模增大和外界影响因素增多，现有的评价理论能否对电网的发展方向、发展模式提供有效的科技支撑是值得思考和研究的问题。该文除了拓展安全性评价体系和完善经济性评价体系外，还提出了评价大电网适应性的评价体系。总结了现有电网评价体系的特点与适用范围，结合大电网的构建特点与发展趋势，提出了大电网适应性评价理论与评价体系框架，分析了适应性评价可解决的问题，论述了建立适应性评价体系的重要意义，研究了适应性评价体系的关键理论和实现技术等问题。
首先概述了在风电和光电方面发展比较领先的国家在电力系统规划评价方面已取得的成果和经验。然后, 分析了高渗透率间歇性电源并网与电力网络规划之间的相互影响, 并在此基础上对含高渗透率间歇性电源的电力网络规划综合评价指标体系做了初步探索。以传统指标体系为基础,引入了风险评估、接纳间歇性电源最大能力、输电能力、间歇性电源可置信容量及污染物减排量等指标, 来评估间歇性可再生能源规模化并网后的网络规划方案的经济性、供电质量、灵活性、环保性等。最后, 针对巴西南部46节点系统的2个备选网络规划方案对所提评价指标体系做了说明。分析结果表明,间歇性电源接入电力系统的适应程度对电力系统接纳间歇性电源的能力和运行风险具有重要影响, 因此在确定电力网络规划方案时需要在经济性与对间歇性电源并网的适应性方面适当折衷。
针对目前输电网规划方案综合决策中存在不确定因素以及确定指标权重方法主观性强的问题，提出了基于组合权重和云模型的输电网规划方案综合决策方法。该方法首先基于层次分析法、序关系法计算的主观权重和熵权法、变异系数法计算的客观权重，利用粒子群优化算法求取各评价指标的组合权重，克服了单一专家赋权或客观赋权的不足。然后采用云模型对各方案进行优劣排序，充分发挥了云模型能反映评价信息的模糊性和随机性的优势。最后结合IEEE Garver-6算例验证了该决策方法的有效性。
在同时考虑发电机组和输电线路可靠性的前提下，引入了等效无风电场景，利用蒙特卡洛法来评估风电并网后对系统可靠性的影响，并基于此场景提出在可靠性意义下风电备用需求的计算方法，来量化风电间歇性对系统可靠性的影响。同时随着南方电网风电渗透率逐步增加，需要对风电在规划中的容量效益以及对系统容量充裕度的贡献进行评估，来减小电力供需预测产生的偏差，避免投资浪费，并为今后电力市场改革中容量市场的建立提供数据参考和支持。以上述可靠性评估模型为基础，基于序列运算对南方电网风电可信容量和容量可信度进行评估，并以南方电网实际系统为例，研究风电出力特性、渗透率和风区相关性等对容量可信度的影响。
