主動(dòng)配電網(wǎng)的負(fù)荷規(guī)劃與控制

黃新宇

【摘 要】 近年來(lái)，針對(duì)分布式可再生能源的接入和兼容的問(wèn)題，主動(dòng)配電網(wǎng)這一概念得到廣泛關(guān)注。本文介紹了主動(dòng)配網(wǎng)的定義和特征，同時(shí)介紹分布式電源對(duì)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(dòng)配電系統(tǒng)負(fù)荷控制技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 主動(dòng)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(wèn)題變得日益突出，這一問(wèn)題開(kāi)始得到IEEE、IET等國(guó)際學(xué)術(shù)組織的足夠關(guān)注。

主動(dòng)配電系統(tǒng)的概念在2012年CIGRE會(huì)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(chǔ)能（ES），需求側(cè)管理（DSM））能力的配電網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)主動(dòng)配電網(wǎng)的目的是不僅在于能夠加大配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)可再生能源的接納能力，同時(shí)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(jí)投資，另外還能提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性。

主動(dòng)配電網(wǎng)有四個(gè)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(dòng)配電網(wǎng)控制中心可以監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)分布式電源、儲(chǔ)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(guò)控制中心能實(shí)現(xiàn)有效執(zhí)行。

目前對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)范圍只能到配電網(wǎng)，無(wú)法知道更多用戶實(shí)際使用信息，主動(dòng)配網(wǎng)可以知道更多用戶信息，進(jìn)而主動(dòng)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(shí)查詢實(shí)時(shí)電價(jià)，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(duì)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(lái)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(wú)功補(bǔ)償，電壓控制等）；其次，需要重新考慮在配電網(wǎng)自動(dòng)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(lái)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(shí)電動(dòng)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(lái)的電力消費(fèi)者也逐漸變成了電力供應(yīng)者，國(guó)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(chǔ)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(dòng)配電網(wǎng)的建設(shè)給原有電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制帶來(lái)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(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃影響有以下幾方面：

（1）對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)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(shí)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(cè)方式都因此大受影響；

（2）對(duì)規(guī)劃目標(biāo)影響。原來(lái)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(duì)于可再生能源，還應(yīng)考慮配網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力、環(huán)保效益及可再生能源的波動(dòng)性。同時(shí)由于負(fù)荷和可再生能源的隨機(jī)波動(dòng)，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(duì)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(duì)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(yíng)上存在競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)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(chǔ)能設(shè)備和主動(dòng)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(lái)了諧波問(wèn)題，饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓被抬高；同時(shí)由于故障發(fā)生時(shí)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(huì)引起線路保護(hù)誤動(dòng)作，導(dǎo)致潛在危險(xiǎn)。

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(duì)多種分布式資源的規(guī)劃管理

ADS（active distribution system主動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)必須采取有效檢測(cè)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(wèn)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(shí)別系統(tǒng)負(fù)荷水平，但沒(méi)有考慮負(fù)荷時(shí)間的變化特性（季節(jié)性峰荷，瞬時(shí)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(guò)配電網(wǎng)的主動(dòng)管理，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

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

（2）故障管理：對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(cè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)等效的主動(dòng)配網(wǎng)安全合環(huán)技術(shù)；基于高可靠性電源主動(dòng)尋找的重點(diǎn)用戶運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防管理技術(shù)；針對(duì)電壓暫降和短時(shí)中斷的有源快速切換管理技術(shù)；基于雙端同步信息量測(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)配電營(yíng)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(dòng)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(jià)，中斷提前通知時(shí)間，中斷持續(xù)時(shí)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(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)與功能強(qiáng)大的智能決策支持系統(tǒng)。主動(dòng)規(guī)劃強(qiáng)調(diào)由配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)單位主動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)的分布式可再生能源發(fā)電能力進(jìn)行主動(dòng)評(píng)估，掌握區(qū)域內(nèi)可再生能源發(fā)電的資源分布，主動(dòng)規(guī)劃接入點(diǎn)，評(píng)估消納能力，并在必要時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行前瞻性改造。

主動(dòng)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(kāi)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(dòng)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(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃是從配電運(yùn)營(yíng)角度出發(fā)，基于系統(tǒng)負(fù)荷增長(zhǎng)的情況，在系統(tǒng)達(dá)到容量限制時(shí)，在滿足各約束條件前提下，規(guī)劃出滿足負(fù)荷增長(zhǎng)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(dòng)配電系統(tǒng)負(fù)荷控制技術(shù)[2]

主動(dòng)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(guò)主動(dòng)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(dòng)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(jí)、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(dòng)配電系統(tǒng)對(duì)每個(gè)控制區(qū)主要實(shí)施區(qū)域局部控制。

主動(dòng)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(dòng)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(duì)中壓并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)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(dòng)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(guò)用戶側(cè)微網(wǎng)管理系統(tǒng)間接地，或通過(guò)協(xié)議直接對(duì)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(duì)配電網(wǎng)的影響。

（3）源側(cè)運(yùn)行控制模式。對(duì)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(duì)于多個(gè)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(cè)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(shí)，電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用ADMS直接通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行切除；

主動(dòng)配電系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(wú)功補(bǔ)償以及需求側(cè)管理等，主動(dòng)配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(dòng)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(duì)主動(dòng)配網(wǎng)中多種能源時(shí)空特性的互補(bǔ)特征，對(duì)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(lì)響應(yīng)負(fù)荷），電力儲(chǔ)能（含電動(dòng)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(xiǎn)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(yǔ)

面對(duì)國(guó)內(nèi)嚴(yán)峻的能源緊缺形勢(shì)與日益增長(zhǎng)的用電需求矛盾，尋求能夠大量，友好的接入主動(dòng)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(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。隨著分布式電源的接入，電動(dòng)汽車和充電站在未來(lái)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(dòng)電網(wǎng)邁進(jìn)，發(fā)展主動(dòng)配電系統(tǒng)，具有現(xiàn)實(shí)的迫切性！

參考文獻(xiàn)：

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