主動配電網(wǎng)的負(fù)荷規(guī)劃與控制

黃新宇

（江蘇省電力公司張家港市供電公司，江蘇張家港 215600）

主動配電網(wǎng)的負(fù)荷規(guī)劃與控制

黃新宇

（江蘇省電力公司張家港市供電公司，江蘇張家港 215600）

近年來，針對分布式可再生能源的接入和兼容的問題，主動配電網(wǎng)這一概念得到廣泛關(guān)注。本文介紹了主動配網(wǎng)的定義和特征，同時介紹分布式電源對負(fù)荷優(yōu)化與控制的影響，配網(wǎng)規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合資源規(guī)劃，運(yùn)行模式由單電源轉(zhuǎn)為多模式，規(guī)劃與運(yùn)行一體化。配網(wǎng)規(guī)劃需要考慮到多種電源、不同容量供電類型組合、可中斷負(fù)荷，最后介紹了主動配電系統(tǒng)負(fù)荷控制技術(shù)。

主動配電 負(fù)荷優(yōu)化與控制 分布式電源

伴隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展，如何接入現(xiàn)有電網(wǎng)及電網(wǎng)兼容性問題變得日益突出，這一問題開始得到IEEE、IET等國際學(xué)術(shù)組織的足夠關(guān)注。

主動配電系統(tǒng)的概念在2012年CIGRE會議第一次被提出［1］，其內(nèi)容主要是具備組合控制各種分布式能源（分布式電源（DG），可控負(fù)荷（CL），儲能（ES），需求側(cè)管理（DSM））能力的配電網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)主動配電網(wǎng)的目的是不僅在于能夠加大配電網(wǎng)絡(luò)對可再生能源的接納能力，同時還可以提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率，延緩配電網(wǎng)的升級投資，另外還能提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性。

主動配電網(wǎng)有四個特征：①具備一定分布式可控資源；②具有較完善的可觀可控水平；③具有實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的管控中心；④具有可靈活調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？捎^性體現(xiàn)在主動配電網(wǎng)控制中心可以監(jiān)測到主網(wǎng)、配電網(wǎng)和用戶側(cè)的負(fù)荷及分布式電源的運(yùn)行情況，在此基礎(chǔ)上預(yù)測其發(fā)展?fàn)顟B(tài)，提出優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略?？煽匦泽w現(xiàn)在對分布式電源、儲能、負(fù)荷的靈活有效控制上，當(dāng)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略制定后，通過控制中心能實(shí)現(xiàn)有效執(zhí)行。

目前對電網(wǎng)的監(jiān)測范圍只能到配電網(wǎng)，無法知道更多用戶實(shí)際使用信息，主動配網(wǎng)可以知道更多用戶信息，進(jìn)而主動服務(wù)用戶，為用戶提供最優(yōu)方案。供電企業(yè)可以先將網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷準(zhǔn)備好，提醒用戶選擇用電，用戶可以隨時查詢實(shí)時電價，調(diào)整用電行為，可以查詢附近的分布式電源自主選用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)電力資源最優(yōu)分配。

1　分布式電源對負(fù)荷優(yōu)化與控制的影響

分布式電源（DG）的引入改變了配電網(wǎng)絡(luò)，使其從原來的輻射式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)檫B接眾多電源和用戶的網(wǎng)絡(luò)，因而使得配電系統(tǒng)的控制和管理變得更加復(fù)雜。具體表現(xiàn)為：首先，徹底改變傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運(yùn)行（如無功補(bǔ)償，電壓控制等）；其次，需要重新考慮在配電網(wǎng)自動化和需求側(cè)管理方面的設(shè)計(jì)規(guī)劃；再次，需要考慮協(xié)調(diào)分布式電源之間的控制和調(diào)度。

隨著越來越多的分布式發(fā)電和需求側(cè)電力資源的配置、多種分布式電源入網(wǎng)，同時電動汽車、智能家電等新興用電領(lǐng)域的逐漸興起，新型用電設(shè)施和用電方式增多，原來的電力消費(fèi)者也逐漸變成了電力供應(yīng)者，國家電網(wǎng)也從單一的電能分配角色轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苌a(chǎn)、儲存、輸送和分配的新型電力交換系統(tǒng)，能源互聯(lián)網(wǎng)正是順應(yīng)這一變化的產(chǎn)物。主動配電網(wǎng)的建設(shè)給原有電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制帶來新的挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)如下：

1.1配電網(wǎng)規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合資源規(guī)劃

分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃影響有以下幾方面：

（1）對負(fù)荷預(yù)測影響。分布式電源（DG）在負(fù)荷側(cè)能夠給自身負(fù)荷供電，同時還可以將多余負(fù)荷賣給電力公司，電力公司原有的負(fù)荷預(yù)測方式都因此大受影響；

（2）對規(guī)劃目標(biāo)影響。原來的規(guī)劃僅僅考慮配網(wǎng)投資運(yùn)行成本最低，加入DG后，要考慮DG投資與運(yùn)行成本，對于可再生能源，還應(yīng)考慮配網(wǎng)對可再生能源的接納能力、環(huán)保效益及可再生能源的波動性。同時由于負(fù)荷和可再生能源的隨機(jī)波動，增加了配網(wǎng)規(guī)劃的困難，需要進(jìn)一步提高規(guī)劃方案的適應(yīng)性；

（3）對規(guī)劃約束條件影響。配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃不僅要考慮滿足負(fù)荷的需要，還要考慮輸送DG功率的需要，另外要注意協(xié)調(diào)網(wǎng)架的建設(shè)與DG位置，以及協(xié)調(diào)DGY運(yùn)行特性與負(fù)荷的運(yùn)行特性；

（4）對規(guī)劃策略影響。由于DG的投資主體多元化，存在技術(shù)要求與網(wǎng)架協(xié)調(diào)規(guī)劃在運(yùn)營上存在競爭矛盾，利益主體多元化導(dǎo)致矛盾產(chǎn)生。

1.2配電網(wǎng)運(yùn)行由單電源模式變?yōu)槎嚯娫茨Ｊ?/p>

分布式電源的引入對配電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響如線路潮流、節(jié)點(diǎn)電壓、網(wǎng)絡(luò)損耗等，配網(wǎng)重構(gòu)、變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等配網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的措施都要考慮到如何與分布式電源協(xié)調(diào)運(yùn)行，配電網(wǎng)的控制管理將變得更加復(fù)雜。

1.3配網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行一體化

電網(wǎng)規(guī)劃是對預(yù)期的負(fù)荷配置足夠的電源容量和網(wǎng)架，接入分布式電源后，配電網(wǎng)從原有的輸電網(wǎng)向用戶配送功率轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d各種分布式電源，儲能設(shè)備和主動負(fù)荷的載體，協(xié)調(diào)多電源的輸送和運(yùn)行。

隨著接入分布式電源后，配電網(wǎng)的潮流分布和網(wǎng)損發(fā)生變化，不僅電源總?cè)萘堪l(fā)生變化，也帶來了諧波問題，饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓被抬高；同時由于故障發(fā)生時短路電流大小和方向都將改變。線路保護(hù)的靈敏度降低或者保護(hù)范圍縮小，這會引起線路保護(hù)誤動作，導(dǎo)致潛在危險。

大量分布式電源的出現(xiàn)使得最優(yōu)規(guī)劃方案變的困難。故需綜合考慮資源的利用效率、電網(wǎng)的安全、環(huán)保運(yùn)行，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的一體化考慮。

2　包含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃和控制

2.1對多種分布式資源的規(guī)劃管理

ADS（active distribution system主動配電系統(tǒng)）中含有多種分布式資源DER（distributed energy resource）（包括DG，DSI（demand side integration 需求側(cè)集成），EV（electricity vehicle電動汽車）等）的大量接入，配電網(wǎng)架構(gòu)發(fā)生根本變化，即從傳統(tǒng)的單向供電變?yōu)殡p向供電，隨著配電網(wǎng)復(fù)雜性增加，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時出現(xiàn)有功功率不平衡現(xiàn)象，因此需要考慮協(xié)調(diào)優(yōu)化各種電源與負(fù)荷，以保障配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時必須采取有效檢測手段及合理的治理措施以解決分布式電源接入后的電能質(zhì)量問題。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃基于最大負(fù)荷考慮，雖然有利于識別系統(tǒng)負(fù)荷水平，但沒有考慮負(fù)荷時間的變化特性（季節(jié)性峰荷，瞬時負(fù)荷特性等），往往需要投入大量資金建設(shè)配電網(wǎng)架，供配電設(shè)備得不到充分利用，造成規(guī)劃結(jié)果與實(shí)際不符。通過配電網(wǎng)的主動管理，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）資產(chǎn)管理：即通過充分利用目前配電網(wǎng)中配置的多源量測和綜合利用物聯(lián)網(wǎng)，傳感及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

（2）故障管理：對高可靠性用戶，推廣自愈技術(shù)；搶修管理系統(tǒng)與調(diào)度自動化和用戶管理系統(tǒng)的集成；分島運(yùn)行（充分利用分布式電源）縮短故障停電時間。

（3）繼電保護(hù)管理：繼電保護(hù)定值的在線整定及適用于主動配電網(wǎng)的新型保護(hù)系統(tǒng)。

（4）供電質(zhì)量管理：包括基于同步信息量測進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)等效的主動配網(wǎng)安全合環(huán)技術(shù)；基于高可靠性電源主動尋找的重點(diǎn)用戶運(yùn)行風(fēng)險預(yù)防管理技術(shù)；針對電壓暫降和短時中斷的有源快速切換管理技術(shù)；基于雙端同步信息量測的單相接地故障快速電網(wǎng)自愈技術(shù)。

2.2不同類型供電容量最優(yōu)組合規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)組合規(guī)劃方案接近實(shí)際需求并提高資源利用率，同時實(shí)現(xiàn)配電營運(yùn)投資成本最小，在滿足用戶用電需求的前提下，利用平均容量成本和年持續(xù)負(fù)荷曲線，給出可中斷負(fù)荷、分布式電源以及配網(wǎng)擴(kuò)容的容量分配方法。

其中配電擴(kuò)容成本是指增加變電站數(shù)量或變電站擴(kuò)容以及架設(shè)新的配電線路。

分布電源成本包括設(shè)備投資運(yùn)行及管理中產(chǎn)生的固定及變動成本；可中斷負(fù)荷成本取決于配電公司與用戶簽訂合同所制定的補(bǔ)償水平，與中斷電價，中斷提前通知時間，中斷持續(xù)時間有關(guān)。

不同類型供電電源間容量分配基于以下原則：1）在保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，總供電容量滿足負(fù)荷要求；2）將負(fù)荷需求分配給不同類型供電源，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總成本最低。

2.3含分布式電源和可中斷負(fù)荷的配電網(wǎng)規(guī)劃

傳統(tǒng)規(guī)劃，側(cè)重一次電網(wǎng)架構(gòu)的確定與變壓器容量的選擇。主動配電網(wǎng)規(guī)劃強(qiáng)調(diào)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)可靠的一次電網(wǎng)架構(gòu)，深度協(xié)調(diào)的二次自動化系統(tǒng)與功能強(qiáng)大的智能決策支持系統(tǒng)。主動規(guī)劃強(qiáng)調(diào)由配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)單位主動對區(qū)域內(nèi)的分布式可再生能源發(fā)電能力進(jìn)行主動評估，掌握區(qū)域內(nèi)可再生能源發(fā)電的資源分布，主動規(guī)劃接入點(diǎn)，評估消納能力，并在必要時對電網(wǎng)進(jìn)行前瞻性改造。

主動配電網(wǎng)規(guī)劃必須綜合考慮多種因素的影響，例如傳統(tǒng)的一次網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、新型智能保護(hù)開斷設(shè)備、分布式能源、新型配電設(shè)備和用于構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的新增配電線路的綜合影響，從而實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、智能化的發(fā)展。

含分布式電源的主動配電網(wǎng)規(guī)劃是從配電運(yùn)營角度出發(fā)，基于系統(tǒng)負(fù)荷增長的情況，在系統(tǒng)達(dá)到容量限制時，在滿足各約束條件前提下，規(guī)劃出滿足負(fù)荷增長需求的最佳增容方案，方案需要考慮到可中斷負(fù)荷管理調(diào)節(jié)因素后的線路架設(shè)位置，以及在適當(dāng)位置安裝適當(dāng)容量的分布式電源。在已知可中斷負(fù)荷，分布式電源和電網(wǎng)擴(kuò)建這三種方式所承擔(dān)的負(fù)荷功率確定后，規(guī)劃配電網(wǎng)建設(shè)方案使安裝分布式電源和擴(kuò)建電網(wǎng)總費(fèi)用最小。

2.4主動配電系統(tǒng)負(fù)荷控制技術(shù)［2］

主動配電系統(tǒng)中，電力公司由于能夠掌握負(fù)荷的變化規(guī)律和響應(yīng)特性，以及分布式能源的出力特性，所以能夠通過主動控制及優(yōu)化運(yùn)行方式，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對能源的綜合優(yōu)化利用以及為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

主動配電系統(tǒng)的運(yùn)行控制系統(tǒng)將配電網(wǎng)絡(luò)分層分區(qū)，從而形成不同電壓等級、不同地區(qū)分布的控制區(qū)域。在合理考慮臨近控制區(qū)影響條件下，主動配電系統(tǒng)對每個控制區(qū)主要實(shí)施區(qū)域局部控制。

主動配網(wǎng)的運(yùn)行控制模式分以下3種：

（1）網(wǎng)側(cè)運(yùn)行控制模式。主動配電管理系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)使用的控制模式，即僅依靠直接對中壓并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)，儲能裝置，電能質(zhì)量治理裝置等電網(wǎng)側(cè)可控設(shè)備進(jìn)行控制。

（2）源-網(wǎng)雙側(cè)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制模式。主動配電系同在電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行控制模式失效的情況下，通過用戶側(cè)微網(wǎng)管理系統(tǒng)間接地，或通過協(xié)議直接對用戶側(cè)的分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，即從網(wǎng)端和發(fā)電端共同協(xié)調(diào)抑制其對配電網(wǎng)的影響。

（3）源側(cè)運(yùn)行控制模式。對于一定滲透率并網(wǎng)用戶側(cè)而言，應(yīng)用微網(wǎng)管理系統(tǒng)（或分布式發(fā)電控制系統(tǒng)），對于多個零散小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，原則上應(yīng)實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用及少量上網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)僅監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)狀態(tài)。

僅當(dāng)以上兩種情況在發(fā)生影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行或電能質(zhì)量超標(biāo)時，電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用ADMS直接通過并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行切除；

主動配電系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于能夠?qū)ο到y(tǒng)（系統(tǒng)內(nèi)多種可控資源與分布式電源）實(shí)現(xiàn)主動管理，提高已有資產(chǎn)的利用率。系統(tǒng)可控資源是指電網(wǎng)側(cè)可控資源包括柔性負(fù)載，無功補(bǔ)償以及需求側(cè)管理等，主動配電系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測配電網(wǎng)絡(luò)各關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括分布式電源運(yùn)行工況，儲能單元荷電狀態(tài)，柔性負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)及可中斷負(fù)荷的啟停狀態(tài)等，在滿足系統(tǒng)各單元的約束分析條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量流的全局優(yōu)化管理。（主動配電系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1）

2.5多能源系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化控制

針對主動配網(wǎng)中多種能源時空特性的互補(bǔ)特征，對分布式發(fā)電，冷熱電三聯(lián)供機(jī)組，電壓敏感負(fù)荷，需求側(cè)響應(yīng)（激勵響應(yīng)負(fù)荷），電力儲能（含電動汽車），蓄熱蓄冷設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行與風(fēng)險平抑。（多能源系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化控制構(gòu)架如圖2所示）

3　結(jié)語

面對國內(nèi)嚴(yán)峻的能源緊缺形勢與日益增長的用電需求矛盾，尋求能夠大量，友好的接入主動式能源的解決方案具有重大意義，解決當(dāng)前供電可靠性不足和提高電能質(zhì)量是配電網(wǎng)未來發(fā)展的重點(diǎn)。隨著分布式電源的接入，電動汽車和充電站在未來環(huán)境改善扮演更加重要的角色，現(xiàn)有的配電網(wǎng)控制變得更加復(fù)雜，其控制保護(hù)早已區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，配電網(wǎng)發(fā)展向主動電網(wǎng)邁進(jìn)，發(fā)展主動配電系統(tǒng)，具有現(xiàn)實(shí)的迫切性！

［1］羅莎.主動配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行與負(fù)荷終端管理研究［D］.長沙理工大學(xué)，2013.

［2］余南華.主動配電網(wǎng)技術(shù)體系設(shè)計(jì)［J］.供用電，2014（5）.

黃新宇（1972—），男，江蘇張家港人，大學(xué)本科，高級工程師，高級技師，從事電力系統(tǒng)及其自動化方面工作。