含高滲透率分布式電源的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃綜述

袁 越,吳 涵，陸 丹，楊 蘇，黃俊輝，關志堅，韓 俊

(1.河海大學 能源與電氣學院,江蘇 南京 210098；2.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008)

含高滲透率分布式電源的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃綜述

袁 越1,吳 涵1，陸 丹1，楊 蘇1，黃俊輝2，關志堅2，韓 俊2

(1.河海大學 能源與電氣學院,江蘇 南京 210098；2.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008)

分布式電源的大量接入給主動配電系統(tǒng)的規(guī)劃研究帶來了新的挑戰(zhàn)。結合主動配電網的運行特征，從元件建模、優(yōu)化調度和規(guī)劃研究等方面對其規(guī)劃問題進行了綜述?？偨Y并分析了面向規(guī)劃的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化調度的模型及求解算法等方面的成果。對分布式電源和儲能的選址定容，以及配電網網架規(guī)劃等方面作了詳細介紹。最后對相關領域未來的研究方向進行了展望。

主動配電系統(tǒng)；配電網規(guī)劃；優(yōu)化調度；分布式電源

0 引言

可再生能源接入電網有集中式和分散式兩種形式，分散接入能夠實現(xiàn)可再生能源的就地、就近消納，相比于集中式接入，其對安裝地的要求較低、接納的效率更高，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ俏磥矸植际诫娫囱芯亢烷_發(fā)的重點。但分布式可再生能源接入點多為配電網，傳統(tǒng)配電網電壓等級低，網架結構弱，調節(jié)能力不足，間歇性的分布式可再生能源大量接入配電網，勢必將產生一系列的技術、政策和市場上的問題。為此，主動配電系統(tǒng)的概念應運而生[1-2]。主動配電系統(tǒng)能夠主動協(xié)調系統(tǒng)中的柔性可控負荷、儲能以及聯(lián)絡線開關、無功補償裝置等資源，實現(xiàn)分布式能源的最大化消納；當遇到故障時，非故障區(qū)域可由主動配電系統(tǒng)的管理系統(tǒng)協(xié)同分布式電源繼續(xù)供電。分布式能源的監(jiān)控系統(tǒng)可以與配電系統(tǒng)實現(xiàn)源網協(xié)調一體化控制，從而有效降低配電網的電壓波動、提高供電可靠性并優(yōu)化配網電能質量。

配電網規(guī)劃是根據規(guī)劃期間負荷預測的結果和現(xiàn)有網絡的基本情況，確定最優(yōu)的系統(tǒng)建設方案，在滿足負荷增長和安全可靠供應電能的前提下，使配電網的建設和運行費用最小[3]。研究配電網規(guī)劃有利于降低投資成本，保障未來配電網運行的安全性、可靠性和經濟性。與傳統(tǒng)配電網規(guī)劃方法不同的是，含高滲透率分布式電源的主動配電系統(tǒng)的運行情況具有更強的不確定性，需要在規(guī)劃階段考慮到運行中可能遇到的各種不確定性工況。在規(guī)劃時考慮運行情況是主動配電系統(tǒng)規(guī)劃的一大特點。同時，主動配電系統(tǒng)包含分布式電源、儲能、柔性可控負荷等多種新型元件設備，元件建模的精確程度、時間尺度以及元件的運行控制方式都將對配電系統(tǒng)運行規(guī)劃的成本、效益和性能產生深遠的影響，有必要在主動配電系統(tǒng)規(guī)劃研究時加以考慮。

隨著可再生能源滲透率目標的提出，迫切需要對考慮源、網、荷(儲)協(xié)調控制的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃技術進行研究，盡快形成成熟的理論與方法體系，為主動配電系統(tǒng)規(guī)劃、建設提供指導。本文針對含高滲透率分布式電源的主動配電系統(tǒng)，從元件建模、運行調度和規(guī)劃研究3個方面對目前國內外的研究成果進行了總結，提煉發(fā)展脈絡，給出相應的研究重點和未來展望，為主動配電系統(tǒng)的深入研究提供參考。

1 源、荷元件建模研究現(xiàn)狀

相比于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，主動配電網引入了風電/光伏等分布式電源、儲能電池系統(tǒng)以及以電動汽車為代表的新型柔性可控負荷，對這些源(荷)元件建模是主動配電網協(xié)調運行與優(yōu)化規(guī)劃的基礎。

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

光伏發(fā)電系統(tǒng)的建?？煞譃楣夥l(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型[4]，在主動配電系統(tǒng)規(guī)劃計算中，重點關注穩(wěn)態(tài)模型。光伏發(fā)電系統(tǒng)若采用電壓控制模式，可等效為PV節(jié)點；若采用電流控制模式，可等效為PI節(jié)點；對于安裝了無功補償裝置的恒功率因數(shù)控制光伏發(fā)電系統(tǒng)可以等效為PQ(V)節(jié)點[5]?？紤]到光伏電源的隨機性，可以采用隨機潮流的方法計算光伏發(fā)電出力[6]。

1.2 儲能電池系統(tǒng)建模

儲能技術有利于提高間歇式能源的可控性，提高配電網對間歇性能源的接納能力。受儲能安裝環(huán)境和容量需求的限制，電池儲能技術在配電網中的應用更為廣泛。電池儲能系統(tǒng)的工作特性與其充放電功率和荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)等因素有關。文獻[7]基于恒定內阻模型確立了儲能開路電壓和SOC之間的關系。文獻[8-9]研究了儲能最大充放電功率與SOC的關系，確立了兩者之間的非線性函數(shù)。

建立適用于不同應用場景的多時間尺度電池儲能仿真模型，是儲能優(yōu)化配置和控制的基礎。文獻[10]建立了電池儲能系統(tǒng)的多時間尺度統(tǒng)一模型，研究了電池儲能系統(tǒng)的機電暫態(tài)特性和中長期動態(tài)特性。文獻[11]建立了儲能裝置的戴維南等效電路模型，未考慮SOC對模型參數(shù)的影響，僅適用于仿真時間較短的場景。

1.3 風力發(fā)電系統(tǒng)建模

目前國內外對于風力發(fā)電系統(tǒng)的建模研究[12-13]已較為成熟?，F(xiàn)階段，風力發(fā)電成本仍然較高，難以同常規(guī)能源發(fā)電相競爭，這制約著風電產業(yè)的發(fā)展。因此，國內外學者對風電的運行成本和價值進行了研究。文獻[14]以風機輸出功率為約束條件、成本為目標函數(shù)建立了風電場成本的非線性數(shù)學模型。文獻[15]以可靠性為理論基礎，確定了風電場運行維護成本模型。文獻[16]以電網總成本最小化為目標，以資源儲量、電力電量平衡、備用容量和水電調度為約束，構建了研究風電附加成本的確定性模型。

1.4 柔性可控負荷建模

柔性負荷調度是發(fā)電調度的補充，可有效緩解高峰期的用電壓力，同時增強電網對間歇式能源的消納能力。根據用戶的響應特性，不同的柔性負荷需要建立不同的模型。針對電動汽車、冰蓄冷以及部分工商業(yè)用戶等總用電量不變，但用電特性靈活的負荷，建立可轉移負荷的負荷模型[17-18]。針對洗衣機、烘干機、工業(yè)大用戶等受生產流程約束的負荷，建立可平移負荷模型[19-20]。針對空調、照明等可根據需要對用電量進行一定削減的負荷，建立可削減負荷模型[21-22]。

2 面向規(guī)劃的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化調度研究現(xiàn)狀

2.1 優(yōu)化調度的數(shù)學模型

構建源網荷協(xié)調優(yōu)化調度的數(shù)學模型是進行源網荷協(xié)調控制的關鍵。其數(shù)學模型可具體分為有功平衡調度模型和計及潮流的優(yōu)化調度模型。

有功平衡調度模型[23-24]只考慮系統(tǒng)中有功的平衡，淡化了無功和電壓調節(jié)部分的內容，適用于配電網內源網荷的利益協(xié)調等問題。

由于配電網靠近終端用戶，對電壓、無功更為敏感，實際使用的配電網調度模型都是計及潮流的優(yōu)化調度模型。文獻[25]考慮了網絡潮流約束和電動汽車充放電的隨機性，對主動配電網運行進行管理。文獻[26]建立了配電網的有功-無功協(xié)調動態(tài)優(yōu)化模型，綜合考慮了分布式電源出力、儲能充放電功率以及電容器組投切等決策變量，進一步深化了主動配電系統(tǒng)優(yōu)化調度的內涵。含有電容器組、有載調壓變壓器抽頭、聯(lián)絡線開關等整數(shù)變量的優(yōu)化調度模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型(mixed-integer nonlinear programming, MINLP)，其建模和求解較為復雜。文獻[27]研究了含電壓敏感型負荷和儲能電池等柔性負荷的主動配電網協(xié)調優(yōu)化控制方法。文獻[28]以聯(lián)絡開關和可控分布式電源為控制手段，提出計及分布式電源的主動配電網優(yōu)化調度模型。對于含多個微電網的配電系統(tǒng)，文獻[29]建立了雙層的主動配電網能量調度數(shù)學模型，上層為配電網，下層為微網。該模型是一個雙層非線性規(guī)劃問題。

2.2 優(yōu)化調度的求解算法

非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題的求解方法較為復雜，難以采用解析的方式求解。目前常用的求解方法有粒子群算法、和聲算法、多代理系統(tǒng)優(yōu)化法以及借用優(yōu)化軟件求解等方法。文獻[28，30-31]分別對粒子群算法進行了不同程度的改進，從而提高了該算法在求解主動配電系統(tǒng)運行調度時的尋優(yōu)速度。文獻[32]采用一種和聲搜索算法對主動配電網多目標優(yōu)化模型進行求解，該算法可免于嚴苛的數(shù)學約束，具有良好的計算性能。文獻[33]將配電網優(yōu)化調度分為日前調度階段和日前無功優(yōu)化階段，日前調度階段為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題(mixed-integer linear programming, MILP)，采用GAMS優(yōu)化軟件求解；日前無功優(yōu)化階段為非線性規(guī)劃問題(nonlinear programming, NLP)，采用粒子群算法求解。文獻[26，34]分別采用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon求解器以及MOSEK求解器求解。

3 含高滲透率的主動配電網規(guī)劃研究現(xiàn)狀

3.1 分布式電源選址定容規(guī)劃

分布式電源的接入改變了配電網中的潮流分布，其隨機性也增加了主動配電網規(guī)劃和運行調度的難度。同時，通過安裝分布式電源，能夠改善主動配電網中電源的充裕度，進而影響電網的構建和改造。對分布式電源接入配電網的位置和容量進行合理規(guī)劃尤為重要。

文獻[35-40]分別以配電公司的投資和運行費用最小[35-36]、停電損失最小[37]、網絡損耗最小[38]、環(huán)境成本最小[39-40]為目標，建立了分布式電源選址定容的單目標規(guī)劃模型。文獻[41]綜合考慮網損、電壓質量和電流質量3個指標，建立了分布式電源選址定容的多目標決策模型，并提出了一種改進多目標微分進化算法對模型進行求解。文獻[42]建立了分布式電源單位成本收益和其接入后改善電網所得收益最大化的多目標規(guī)劃模型，并采用改進非劣排序遺傳算法對模型進行求解。此外，文獻[43]計及風電和負荷的隨機波動特性，使用混合整數(shù)非線性規(guī)劃法對模型進行求解。文獻[44]考慮風速、光照強度和負荷間的相關性，以年綜合費最小為目標，建立DG選址定容機會約束規(guī)劃模型。

3.2 配電網網架規(guī)劃

配電網網架規(guī)劃是指滿足用戶供電需求的前提下，對各種可能的線路回數(shù)、網架以及導線截面等方案進行選擇和比較，從而選出最優(yōu)的方案。其目標函數(shù)一般考慮投資成本、生產費用、可靠性、環(huán)保性以及網損等因素，本質上是一個多維度、非線性的復雜組合優(yōu)化問題。主要求解方法有數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化方法和啟發(fā)式算法兩類，且啟發(fā)式算法更具優(yōu)勢[45]。

文獻[46-47]分別以年綜合費用最小和全壽命周期成本最小為目標對配電網進行網架規(guī)劃。文獻[48]考慮了電網安全性、供電可靠性、負荷覆蓋率以及差異化成本和效益建立了抗災性配電網多目標規(guī)劃模型。文獻[49]以投資、運行和維護綜合成本最小、網絡抗毀度最大為目標建立了配電網網架多目標規(guī)劃模型。文獻[50]建立了含微電網的配電網網架規(guī)劃模型。文獻[51-52]考慮了負荷預測的不確定性對配電網網架規(guī)劃的影響。文獻[53-54]采用遺傳算法、文獻[55]采用人工魚群算法對配電網網架進行優(yōu)化規(guī)劃。

目前已有部分學者將分布式電源與配電網網架進行協(xié)調規(guī)劃。協(xié)調規(guī)劃既可降低配電網網損費用和購電成本，同時也有助于提高系統(tǒng)運行的可靠性。文獻[56]以配電網年費用最小為目標函數(shù)，建立綜合規(guī)劃模型，并將規(guī)劃分為2個階段進行。文獻[57]基于機會約束規(guī)劃提出了分布式電源和配電網網架多目標規(guī)劃模型。

3.3 儲能的選址定容規(guī)劃

儲能系統(tǒng)有利于平滑間歇式能源的功率波動、實現(xiàn)削峰填谷、改善配網的電壓質量。儲能系統(tǒng)合理的選址定容在很大程度上影響著主動配電網對間歇式能源的完全消納以及配電網網絡的優(yōu)化運行。

文獻[58-59]分別以儲能裝置容量最小和初始投資最小為目標建立儲能優(yōu)化配置的單目標規(guī)劃模型。文獻[60]考慮儲能的投資成本和發(fā)電成本，文獻[61]考慮配電網中儲能系統(tǒng)的削峰填谷能力、電壓質量以及功率主動調節(jié)能力，文獻[62]考慮電網負荷特性、儲能造價以及風電接納效益，分別建立了主動配電網儲能系統(tǒng)的多目標優(yōu)化配置模型。文獻[63]基于神經網絡和遺傳算法求解儲能最優(yōu)配置。文獻[64]提出系統(tǒng)充裕度指標計算方法，并通過充裕度指標和棄風期望指標實現(xiàn)儲能容量的合理配置。文獻[65]計及了出力和負荷的預測誤差，采用區(qū)間估計方法得到儲能容量的配置。

4 未來研究方向展望

4.1 主動配電系統(tǒng)元件建模方法

4.1.1 考慮性能損耗及長期成本的元件建模

主動配電系統(tǒng)元件設備在投入運行后，其性能隨著時間推移逐漸劣化，其維修成本則逐漸增加，因此在對元件建模時需要綜合考慮元件的全壽命周期性能和成本。元件性能計算是一個復雜的大規(guī)模非線性過程，需要對折損過程進行簡化。

4.1.2 源、網、荷隨機特性一體化建模

主動配電網的源、網、荷(儲)協(xié)調控制過程以及規(guī)劃過程均是在不確定性環(huán)境下的優(yōu)化過程。同時，負荷側也具備一定的不確定性?，F(xiàn)有研究表明，主動配電網電源側、負荷側的不確定性之間具備某種關聯(lián)特性，因此，在今后的研究中可采用整體建模思路對主動配電網協(xié)調控制、規(guī)劃面臨的隨機特性進行整體建模。

4.2 面向規(guī)劃的主動配電網協(xié)調控制

4.2.1 面向中長期規(guī)劃的主動配電系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方法

現(xiàn)有的主動配電系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化模型主要是MINLP問題，求解算法也多為啟發(fā)式算法，計算性能難以滿足規(guī)劃計算的需求，求解最大的難點是潮流方程的非線性。配電網不同于輸電網，其高R/X比和電壓敏感特性決定了不能采用輸電網規(guī)劃中常用的直流潮流模型。同時，在進行分布式電源和負荷協(xié)調控制時，由于分布式電源的擾動會影響負荷點的電壓，需要考慮負荷靜態(tài)電壓特性。因此，亟需改進傳統(tǒng)配電網潮流模型，計及負荷靜態(tài)電壓特性，并在滿足計算精度的前提下提高運算速度和收斂性，構造滿足配電網規(guī)劃計算要求的簡化潮流模型。

4.2.2 考慮源網荷隨機特性的日前調度策略

隨著大量可再生能源并網發(fā)電，發(fā)電側的隨機性顯著增加，同時負荷也具有一定的隨機性。風電、光伏等不可控發(fā)電機組通過調度手段，可實現(xiàn)發(fā)電出力的相對可控。根據源網荷的隨機運行特性，制定合理的日前調度計劃，實現(xiàn)配電系統(tǒng)雙側的協(xié)調調度、削峰填谷和節(jié)能減排的功能。

4.3 主動配電網源網荷協(xié)調規(guī)劃方法

4.3.1 考慮多主體協(xié)同的配電網規(guī)劃

隨著電力市場改革的推進，廠網逐步分離，越來越多的投資主體參與到主動配電系統(tǒng)的建設中來。協(xié)調分布式電源發(fā)電商、配電公司、負荷集中商以及各個投資主體之間的利益成為亟待解決的難題，在配電網規(guī)劃階段就需加以重視。

4.3.2 計及源荷不確定性及相關性的配電網規(guī)劃

配電網源和荷均具有一定的不確定性，同時兩者之間又具有某種關聯(lián)性。這些不確定性和相關性對配電網的運行產生了不可忽視的影響。在配電網早期的規(guī)劃階段就需予以考慮。

4.3.3 考慮投資風險的主動配電網規(guī)劃

隨著電力體制改革的逐步深化，供電企業(yè)成為市場經濟中的一個主體，提高經濟效益并降低投資風險是其最關心的問題之一。從供電公司的角度出發(fā)，在主動配電網初期規(guī)劃時，需要考慮各種規(guī)劃方案帶來的投資成本和風險問題。

5 結論

目前主動配電系統(tǒng)還處于研究和示范階段，本文基于主動配電系統(tǒng)的運行特點，從元件建模、優(yōu)化調度和規(guī)劃研究3個方面綜述了其規(guī)劃的現(xiàn)狀及存在問題，主要結論如下：

(1) 對主動配電系統(tǒng)中源、網、荷(儲)進行建模是配網運行和優(yōu)化的基礎工作，今后的研究重點將是元件性能的深化建模和考慮不同時間尺度的元件建模。同時，考慮到源網荷的隨機性和相關性，對源網荷的一體化建模的研究也是未來的研究方向之一。

(2) 主動配電系統(tǒng)可控可調的對象較多，優(yōu)化調度模型也較為復雜，造成了求解的困難。如何簡化主動配電系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，構造滿足計算精度要求的高性能優(yōu)化調度模型是未來的研究方向之一。同時考慮源網荷的隨機特性的協(xié)調優(yōu)化模型也是未來主動配電網協(xié)調運行的研究方向之一。

(3) 主動配電系統(tǒng)的規(guī)劃研究目前主要集中于分布式電源的選址定容、配電網網架規(guī)劃以及儲能的選址定容等方面，在未來電力市場和高滲透率分布式電源情景下，將主要研究考慮源荷相關性、投資風險和多主體協(xié)調等方面的主動配電網規(guī)劃模型。

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A Review of Active Distribution System Planning with High Penetration Distributed Generation

YUAN Yue1, WU Han1, LU Dan1, YANG Su1, HUANG Junhui2, GUAN Zhijian2, HAN Jun2

(1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu Province, China;2. State Grid Jiangsu Economic Research Institute, Nanjing 210008, Jiangsu Province, China)

With the development of distributed generation, the planning of active distribution system faces a new challenge. From the aspects of the element modeling, optimal dispatch and the planning, this paper summarizes the research of the distribution network planning. Some optimal dispatch modeling methods and algorithms are studied. The related distributed generation configuration, energy storage systems configuration and active network planning are introduced in detail. At last, the prospect of the active network planning with high penetration distributed generation is outlined.

active distribution system; distribution network planning; optimal dispatch; distributed generation

袁越

TK02;TM 71

A

2096-2185(2016)01-0006-08

國網江蘇省電力公司經濟技術研究院項目(JE201601)

2016-05-21

袁越(1966—)，男，教授，博士研究生導師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、能源互聯(lián)網， yyuan@hhu.edu.cn；

吳涵(1990—)，男，博士研究生，研究方向為主動配電系統(tǒng)規(guī)劃、電力市場，wuhan@hhu.edu.cn；

陸丹 (1992—)，女，碩士研究生，研究方向為孤島微網風險評估， ludan_hhu@163.com；

楊蘇(1992—)，男，碩士研究生，主要從事微網風險評估研究，yangsu0205@126.com；

黃俊輝(1965—)，男，本科，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃及相關管理工作，huangjh@js.sgcc.com.cn；

關志堅(1971—)，男，碩士，高級工程師，主要從事配電網規(guī)劃相關管理工作;

韓俊(1985—)，男，博士，高級工程師，主要從事配電網規(guī)劃及相關理論應用研究工作，hjchallenge@126.com。

Project supported by State Grid Jiangsu Economic Research Institute Program(JE201601)