未來智能電網中的獨立電力系統模式

1)獨立電力系統數字化建模理論和方法。

為準確模擬獨立電力系統中各類設備本身的物理運行規律以及能量管理和控制措施對系統動態過程的影響，需要深入研究獨立電力系統數字仿真建模方法。

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

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

2)獨立電力系統全過程實時/超實時仿真的理論和方法。

提高獨立電力系統全過程仿真的準確性和快速性，使其達到實時或超實時，是實現數字虛擬獨立電力系統的前提條件。

一方面，獨立電力系統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過程相互交織在一起，極大地增加了系統仿真的復雜度。為解決這一問題，可采用全數字機電暫態和電磁暫態混合仿真技術，有效協調系統仿真規模、精度和速度等問題，為模擬獨立電力系統的動態特性提供新的方法和途徑。

另一方面，采用并行計算技術，針對獨立電力系統的結構設計高效的分解協調策略，并在高性能并行計算機上加以實現，可大大提高獨立電力系統全過程仿真的速度。

3.2 全方位信息化的獨立電力系統

全方位信息化是對獨立電力系統運行狀態進行監視和控制的重要基礎。一方面，信息化系統通過先進的量測體系和可靠的通信系統，獲得全面、準確的系統實時運行狀態信息;基于所獲得的實時運行狀態信息，實現對系統元件的在線狀態評估和故障診斷。另一方面，系統的決策和控制信號也將通過信息化系統可靠、有效地下達，實現對系統的實時閉環控制。

1)可靠的數據量測和傳輸技術。

獨立電力系統的數據量測與傳輸技術必須適應實際應用環境的要求。

①獨立電力系統往往包含大量特殊元器件，并采用交、直流混合網絡，其保護和控制邏輯十分復雜。相應地，系統所需數據量測的內容和性能要求與傳統互聯電力系統也存在很大不同。

②獨立電力系統中可再生能源發電受自然環境影響很大(如風速波動對風機出力的影響、云層移動對光伏機組出力的影響等)，系統運行狀態的變化非常頻繁且迅速，因此對數據測量的實時性要求很高。

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

2)獨立電力系統的狀態估計。

傳統電力系統狀態估計理論和方法一般針對大型互聯電網設計，而獨立電力系統的電氣距離一般較近，系統中各量測量之間耦合程度較高，如何利用這一特點設計具有更強容錯能力、更高準確性和更快計算效率的狀態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

獨立電力系統的自愈控制能力包括系統在線預警和控制能力。在系統運行過程中，通過對系統運行狀態進行實時監視，對系統可能發生的安全穩定隱患進行預警，進而采取適當控制措施加以消除，提高系統的安全穩定水平、系統緊急狀況下的快速重構與恢復能力。當系統發生故障時，系統自動進行重構，由斷路器或其保護裝置隔離故障負載或發電機，使無故障部分的重要負載最大限度地快速恢復供電。

1)在線預警和控制能力。

實現獨立電力系統的在線預警和控制需要解決2個關鍵問題：

①建立一套運行指標體系，作為獨立電力系統運行狀態優劣的考核標準。該指標體系的建立應從用戶的需求和運行環境對獨立電力系統的要求出發，將這些需求構建成完整的可量化的指標體系。

②在此基礎上，以指標體系為依據，分別建立“獨立電力系統運行狀態評估系統”和“獨立電力系統能量管理系統”。

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

2)緊急情況下的快速重構與恢復能力。

獨立電力系統的實際運行環境對系統緊急情況下的快速重構與恢復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中含有許多電子負載，對于電力中斷和電能質量非常敏感，因此在系統故障時，必須快速恢復重要負載的供電以提高系統的存活能力。

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

4 結語

新能源的大規模開發和利用給傳統電力系統的運行和控制帶來了眾多挑戰。獨立電力系統作為未來電網能源供應和消費的一種新模式，是解決傳統互聯電力系統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，并結合獨立電力系統的特點探討了獨立電力系統發展過程中面臨的主要問題和需要研究的關鍵技術，以期為未來電網的發展提供有益參考。

作者：

清華大學電機系電力系統國家重點實驗室：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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