数智协同赋能新型电力系统

城市科学与计算研究中心数智协同赋能新型电力系统李勇教授，教育部长江学者清华大学电子工程系.城市科学与计算研究中心https://fi.ee.tsinghua.edu.cn華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实/创新碳中和是国际社会共识和中国郑重承诺20382045CarbonNeutralityAnnouncement中国20532060CHINANotaroeSource: UK COP26, Energy and climate Intelligence Unit碳中和与绿色低碳转型已是国际共识，迄今“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政已有151个国家提出碳中和战略目标，覆盖策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值了全球88%碳排放、90%GDP、85%人口。努力争取2060年前实现碳中和。”一第七十五届联合国大会一般性辩论，2020.09.22浦華大学电子工程系严蓬/题奋/求实【创新产业趋势：双碳目标驱动能源生产与利用革命双碳战略与能源独立目标驱动下，全球新能源占比持续提高新能源的随机性、波动性带来挑战与机会现阶段下中国能源供需平衡图（2020）碳中和下中国能源供需平衡图（2060）2020石油交通风光5.350023全口径22.02020用电量2050~7.5万亿kWh202320602050~2060用电量拌炭SLRE工业风光10.5光伏电力18~19万亿kWh2023用电量风光电力全口径29.29.2万亿kWh50亿kW工业00231002024全口径Australla主物质2024用电量水电建筑70亿kW煤炭风光14.1建筑9.9万亿kWh核电全口径33.5交通单位：亿kW天然气物庆00*2310023数据来源：国家能源局、中电联、清华大学研究、BloombergNEF道華大学电子工程系严蓬/劲奋求实|创新·研究挑战：新型电力系统是高度复杂、随机波动的复杂系统用户侧负荷新能源高占比电力用户新型电力系统电力用户分布式光伏及储能源随荷动电网调度发电供绘品侧传统电源太阳能发电风电源侧储能发电厂风光等随机性、波动性主体随着新能源在电力系统中占比的增加，新能源的波动性使得电力系统从能源结构单一，高度可控的系统逐渐变为高度复杂，随机波动的复杂系统需要以数字化表达、智能化决策与协同化运行的技术体系赋能新型电力系统！浦華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实/创新··核心技术：能源模拟器与能源大模型未来新能源高占比挑战电力系统供需平衡，函需构建支撑智能调控的电力数智李生系统荷负荷侧调整电力用户电力用户新能源高占比分布式光伏及储能源随荷动新型电力系统用电调度储能规划雲削峰填谷网侧风光预测能源大模型电网智能决策网侧储能能源模拟器实时调频智能调控rO源供给侧调整发电厂传统电源太阳能发电风电源侧储能睡风光等随机性、波动性主体浦華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实/创新··研究基础：城市模拟器基于第一性原理的大规模城市居民活动模拟步骤基于AIGC技术的居民活动轨迹模拟步骤二细粒度居民-城市实体交互模拟道華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实|创新核心技术1：能源模拟器研究目标：基于城市模拟器构建人类活动到能源链条的映射，实现能源链条全环节模拟。》化石燃料发电、风能、核能光伏发电源√电动车V2G储电》虚拟电厂储电>电网李生能源模拟储电力系统网荷>建筑耗能交通耗能：电动车充电居民活动模拟居民活动模拟&城市实体基础运转环境浦華大学电子工程系严蓬/奋/求实/创新能源模拟器：总体框架C[VilVe[(Gi Cos Pi + B sin P)VilVal(Ga sin @ B Cos a)=V~电路理论和发电功率流计算分析电网操作模拟用电EV分布式光伏支持电网关联决策电网模型反事实场景结果模拟数据華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实/创新能源模拟器：电网拓扑生成口分层聚类方法500kV启发式方法网状结构220 kV混合整数规划110kVTable 2. Validation of transformer substation numbers聚类树结构Voltage500kV220kV110kV10kV10 kVGenerated grid910053533047Ground truth [2]108237459108220 V电力需求拓扑验证王屹."强一简一强~供电模式下城市配电网网架结构规划研究[D].华北电力大学(北京)2016.DOI:10.7666/d.Y3115244浦華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实【创新能源模拟器：基于电路理论的潮流计算+ = 010 = Qi +VillVel(Ga sin 6iBi cosbia)口变压器和输电线路上的城市范围仿真结果110 kVGeneratora1730.0[MW)500 kVTime (h)500kvline220kVline110kV station[1] Singh, Sri N. Electric power generation: transmission and distribution. PHI Leaming Pvt. Ltd. , 2008.道華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实|创新·能源模拟器：屋顶光伏供能模拟总体目标根据建筑物表面积推断建筑物逐日的光伏产量方法使用以下映射函数[1]。系统效率 = 80%[1]光伏能源占地面积调整后的时间比例[2]E,=HA×S×K ×K2 ×rp(t)太阳辐射能光伏转换效率=16%[1]结果官方日产量总和[1]：192MkWh／天模拟日产量总和：226MkWh／天浦華大学电子工程系严蓬/勤奋/求实创新能源模拟器：建筑用能模拟总体目标根据建筑物占用率和建筑物属性推断建筑物在各天内的能源使用情况方法使用以下映射方程建筑i在t时刻的用电量动态耗电曲线[2]E;(t) = C;(N;(t),Hi,S;) × N;(t) × re(t)× S;建筑占地面积人均建筑面积能源使用量【1]模拟得到的时间步t时建筑物内人数N;(t)[1] M Gonz alezTorres, Luis P é rez-Lombard, . and Da Yan. 2022.fuels and drivers. Energy Reports 8 (2022).626 637[2] https://www.gov.cn/hengce/zhengceku/202012/03/content_5566580.htm道華大学电子工程系严蓬|勤奋/求实【创新能源模拟器：电动车用能模拟总体目标模拟电动汽车的电力使用及其充电行为，从而推断电动汽车充电站的充电负荷。数据输入电动汽车的模拟瞬时速度北京5238个充电站的位置、充电桩数量和容量数据[1]。平均速度方法-23.12× 10-3 × Vtrip + 0.439Vtrip ≤ 6.70-8.14 × 10-3 × Vtrip + 0.3386.70 ≤ Vtrip ≤ 12.711）电力使用模拟1]f(Vtrip) =-0.38 × 10-3 × Vtrip + 0.24012.71 ≤ Vtrip ≤ 21.75[2.11 × 10-3 × Vtrip + 0.18521.75 ≤ Vtrip ≤ 60.0