新電改形勢下智能配電網(wǎng)調(diào)度互動研究應(yīng)用

周冬旭， 張　明， 朱　紅, 余　昆

(1. 國網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京210019；2. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京210098)

0　引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)、電動汽車技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，配電網(wǎng)的運(yùn)行特性發(fā)生了根本性改變，運(yùn)行狀態(tài)變化頻繁，供電可靠性和電能質(zhì)量下降，甚至引發(fā)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象[1-5]。同時(shí)，電力體制改革不斷深入推進(jìn)，特別是2015年《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》等一系列文件的頒布與實(shí)施，使得電力市場環(huán)境和機(jī)制日趨成熟，并呈現(xiàn)出多元化的態(tài)勢。這就需要電力市場的參與者，包括發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和需求側(cè)，能夠通過建立合理有效的交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各方利益的共贏。

為了應(yīng)對這一系列變化，重點(diǎn)解決能源雙向互動控制、資源最優(yōu)化運(yùn)行模式，以及用戶彈性控制等問題，源網(wǎng)荷互動運(yùn)行控制概念應(yīng)運(yùn)而生[6]，即通過電源、電網(wǎng)、負(fù)荷三者之間進(jìn)行協(xié)調(diào)互動以提高電網(wǎng)功率動態(tài)平衡能力，適應(yīng)未來智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。2016年江蘇省電力公司提出并構(gòu)建了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)，旨在解決特高壓等外部電源通道發(fā)生故障后，電網(wǎng)功率、頻率的穩(wěn)定問題[7-8]。同時(shí)，以激勵(lì)用戶互動為目標(biāo)的需求側(cè)響應(yīng)互動的研究也已逐步展開和深入，并取得良好的效果[9-15]。

綜上，雖然目前對于源網(wǎng)荷互動理論及技術(shù)的研究成果較多，但缺乏針對互動體系全局性的思考和把握，特別是欠缺對相關(guān)成果應(yīng)用與實(shí)踐的報(bào)道。文中考慮電力體制改革的大背景，以含分布式電源、電動汽車充換電站、微電網(wǎng)及智能小區(qū)等元素的智能配電網(wǎng)為研究對象，建立了智能配電網(wǎng)調(diào)度互動體系結(jié)構(gòu)，提出了互動機(jī)制、互動策略及實(shí)現(xiàn)方法，采用新型軟件平臺圖模一體化方案開發(fā)了智能配電網(wǎng)調(diào)度互動決策支持系統(tǒng)，并進(jìn)行示范應(yīng)用。研究成果實(shí)現(xiàn)了源網(wǎng)荷的統(tǒng)一協(xié)調(diào)互動，增強(qiáng)了智能配電網(wǎng)的運(yùn)行彈性水平和互動響應(yīng)能力，降低了電網(wǎng)建設(shè)投資成本，提高了新能源消納水平，有力保障了智能配電網(wǎng)的靈活、高效運(yùn)行。

1　調(diào)度互動框架構(gòu)建

1.1　網(wǎng)源荷互動條件下的電力流框架

隨著各種新型電力元素的出現(xiàn)，配電網(wǎng)中的電能關(guān)系隨之發(fā)生變化，形成的物理對象及其電力流關(guān)系如圖1所示。

圖1　電力流示意Fig.1　Schematic diagram of power flow

電能經(jīng)過變壓器、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)，最終達(dá)到用戶端。而配電網(wǎng)在接受上級電源的同時(shí)，也消納著分布式電源、微電網(wǎng)等新能源。配電網(wǎng)作為與廣大電力用戶密切相關(guān)的重要環(huán)節(jié)，為各類用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠電能，利用儲能技術(shù)將多余的電能進(jìn)行儲存和再利用。

1.2　網(wǎng)源荷互動條件下的業(yè)務(wù)流和信息流框架

隨著電力體制改革的進(jìn)一步推進(jìn)，除了電能轉(zhuǎn)換、輸送和分配相關(guān)的物理對象發(fā)生了變化，其管理部門也發(fā)生了較大的變化，出現(xiàn)了能源服務(wù)公司、電動汽車運(yùn)營商、售電公司等新興行業(yè)。這些新的要素大多與配電網(wǎng)相關(guān)，鑒于此可建立與電力流相對應(yīng)的智能配電網(wǎng)互動主體與業(yè)務(wù)關(guān)系，如圖2所示。分布式光伏與微電網(wǎng)為配電網(wǎng)提供電能，并受能源服務(wù)公司的管理，同時(shí)能源服務(wù)公司參與配電網(wǎng)的調(diào)度互動響應(yīng)。配電網(wǎng)運(yùn)行管理的部門主要分為調(diào)度、營銷、運(yùn)檢、發(fā)策等部門，不同部門承擔(dān)著配電網(wǎng)不同的業(yè)務(wù)，如保電業(yè)務(wù)、檢修業(yè)務(wù)、業(yè)擴(kuò)業(yè)務(wù)、運(yùn)行優(yōu)化等。負(fù)荷側(cè)分為政府定價(jià)用戶、中小型用戶以及電動汽車用戶，其中政府定價(jià)用戶、中小型用戶購入電能，并參與配網(wǎng)側(cè)的需求響應(yīng)。電動汽車則通過充換電站運(yùn)營商與配電網(wǎng)互動，一方面消耗配電網(wǎng)電能，一方面在配電網(wǎng)用電緊張時(shí)向配電網(wǎng)輸送電能。

圖2　業(yè)務(wù)流示意Fig.2　Schematic diagram of operation flow

信息流主要是指為實(shí)現(xiàn)上述的電力流、業(yè)務(wù)流而建立的網(wǎng)源荷三側(cè)相關(guān)互動主體間的信息流動。

1.3　調(diào)度互動體系結(jié)構(gòu)

在建立電力流、業(yè)務(wù)流、信息流的基礎(chǔ)上，文中提出了智能配電網(wǎng)調(diào)度互動體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示?？紤]不同互動場景和互動條件，對源網(wǎng)荷各側(cè)互動主體，特別是能源服務(wù)公司、負(fù)荷聚合商等新興元素的互動特性進(jìn)行分析，以電網(wǎng)峰谷差、負(fù)荷均衡、供電可靠率為互動目標(biāo)，構(gòu)建智能配電網(wǎng)調(diào)度互動框架。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的互動機(jī)制，并與各類互動場景實(shí)現(xiàn)方法相適應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

圖3　調(diào)度互動體系結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of dispatching interaction

2　調(diào)度互動機(jī)制設(shè)計(jì)

智能配電網(wǎng)的可調(diào)度互動資源包括負(fù)荷資源、分布式電源資源，以及儲能資源。其中負(fù)荷資源包括工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)辦公負(fù)荷、居民負(fù)荷；分布式電源資源包括可控和不可控類型；儲能資源包括電動汽車及充換電站。在歸納并分析上述可調(diào)度資源特性的基礎(chǔ)上[16-19]，文中將工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)辦公負(fù)荷劃分為可中斷調(diào)度資源，將居民負(fù)荷、分布式電源、電動汽車及充換電站劃分為可平移調(diào)度資源?？芍袛嗾{(diào)度資源和可平移調(diào)度資源在不同互動場景下，所包含的資源類型也會發(fā)生相應(yīng)調(diào)整。

2.1　考慮價(jià)格偏好因素的可中斷資源互動模型

考慮價(jià)格偏好因素的可中斷資源互動模型的目標(biāo)為在既定的購電價(jià)格下，供電公司將原本用于購電的費(fèi)用補(bǔ)償用戶可中斷負(fù)荷，若兩者差值大于0，則相當(dāng)于負(fù)荷削減帶來了成本的節(jié)約，再考慮輸配電成本和運(yùn)行費(fèi)用，使供電公司成本節(jié)約函數(shù)最大。

約束條件包括:(1) 個(gè)人理性條件。即要鼓勵(lì)用戶參與，滿足用戶參與能獲得更多利潤。(2) 激勵(lì)相容條件。即用戶參與可中斷負(fù)荷合同后，披露真實(shí)信息的利潤大于機(jī)會成本，從而保證用戶上報(bào)真實(shí)的用戶類型。

2.2　基于貝葉斯納什均衡的可平移資源互動機(jī)制

供電公司的電價(jià)策略可以影響用戶的用電行為，但不能控制用戶的用電行為，則這個(gè)問題可以用Stackelberg博弈模型來描述。供電公司和用戶視為一對博弈參與者，有N個(gè)Stackelberg博弈模型，就有N對供電公司與用戶博弈參與者。

供電公司在某個(gè)時(shí)間段發(fā)布可平移資源的基準(zhǔn)電價(jià)信息并傳遞給用戶，用戶設(shè)計(jì)自身可平移負(fù)荷用電初步計(jì)劃，再報(bào)給供電公司。供電公司結(jié)合此項(xiàng)用電計(jì)劃，計(jì)算此時(shí)節(jié)點(diǎn)潮流分布并獲得各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)靈敏度，根據(jù)靈敏度重新擬定電價(jià)再次發(fā)布用電價(jià)格信息。用戶根據(jù)新的電價(jià)擬定最終用電計(jì)劃。在整個(gè)博弈過程中，用戶根據(jù)用電價(jià)格不斷調(diào)整用電計(jì)劃，達(dá)到用電成本最低的目標(biāo)。

3　調(diào)度互動實(shí)現(xiàn)技術(shù)

在前文建立調(diào)度互動框架和互動機(jī)制的條件下，文中考慮年度負(fù)荷、月度負(fù)荷，以及日負(fù)荷等多負(fù)荷水平下的源網(wǎng)荷調(diào)度互動，并分別制定相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

3.1　長期(年度)調(diào)度互動技術(shù)

通過長期時(shí)間尺度下的互動，利用源網(wǎng)荷三側(cè)資源的協(xié)調(diào)降低負(fù)荷峰谷差、減少尖峰負(fù)荷；優(yōu)化饋線聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的分布，合理規(guī)劃分布式電源、電動汽車充放電設(shè)施、可中斷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)源荷的協(xié)調(diào)發(fā)展。

考慮到配電網(wǎng)源、荷資源的規(guī)劃不在調(diào)度部門完成，而電價(jià)等政策也不是由調(diào)度部門掌控，因此對于配網(wǎng)調(diào)度來說，長期調(diào)度互動分為兩個(gè)階段：配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)辨識階段和常態(tài)運(yùn)行方式優(yōu)化決策階段。

(1) 配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)辨識階段。針對配電網(wǎng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，如配電網(wǎng)的電壓功率數(shù)據(jù)，設(shè)備的負(fù)載率，故障信息，保電申請等，評估配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)。

(2) 常態(tài)運(yùn)行方式優(yōu)化決策階段。主要考慮的是季節(jié)性運(yùn)行方式的優(yōu)化。由于天氣、溫度、濕度、生產(chǎn)生活規(guī)律的變化，在不同的季節(jié)，負(fù)荷的特點(diǎn)存在較大的不同，而電價(jià)也存在差異，比如江蘇省在夏季實(shí)行尖峰電價(jià)。在不同的季節(jié)里，分時(shí)電價(jià)的費(fèi)率不同，使得負(fù)荷的響應(yīng)也不同。

3.2　中長期(月度)調(diào)度互動技術(shù)

綜合考慮社會生產(chǎn)和生活規(guī)律、檢修方式、負(fù)荷平衡和保電方式對用電負(fù)荷的影響，同時(shí)計(jì)及分布式發(fā)電和電動汽車充放電等因素，對電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，形成智能配電網(wǎng)的中長期調(diào)度互動方案。中長期調(diào)度互動方案重點(diǎn)解決以下問題：

(1) 用能管理。供電公司與大用戶或者負(fù)荷聚合商協(xié)商互動，針對某段時(shí)間可能出現(xiàn)的檢修計(jì)劃、高峰負(fù)荷等，建議用戶改變用電的時(shí)間。

(2) 保電業(yè)務(wù)與檢修業(yè)務(wù)的互動。如某條線路有保電的需求，則應(yīng)不安排檢修計(jì)劃；而如果必須進(jìn)行檢修，則保電的時(shí)間應(yīng)與用戶進(jìn)行溝通協(xié)商，并縮短檢修工作時(shí)間。

3.3　短期(日前)調(diào)度互動技術(shù)

短期調(diào)度互動是在中長期調(diào)度互動實(shí)施基礎(chǔ)上，對一天內(nèi)的能量平衡進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)及臨時(shí)檢修和臨時(shí)保電因素，優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行方式以彌補(bǔ)常態(tài)運(yùn)行方式的不足。短期調(diào)度互動主要考慮日前的多時(shí)段優(yōu)化，內(nèi)容包括：

(1) 檢修計(jì)劃、保電計(jì)劃等。這兩項(xiàng)業(yè)務(wù)在中長期已經(jīng)確定了日期、時(shí)段以及相關(guān)的設(shè)備，作為不可控變量。

(2) 各類負(fù)荷對于電價(jià)響應(yīng)的潛力，微電網(wǎng)的調(diào)控潛力，充換電站和電動汽車的調(diào)峰潛力等。

(3) 各時(shí)段尖峰電價(jià)、分時(shí)電價(jià)。

各階段調(diào)度互動策略如表1所示。

表1　各階段調(diào)度互動策略Tab.1　Interactive scheduling strategy

4　實(shí)踐探索及示范應(yīng)用

為了促進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和落地應(yīng)用，課題組開發(fā)了基于OPEN3200系統(tǒng)的智能配電網(wǎng)調(diào)度互動決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備分時(shí)(尖峰)電價(jià)仿真、長期調(diào)度互動方案、中長期調(diào)度互動方案，以及短期調(diào)度互動方案等功能，并通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與計(jì)算。系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)界面Fig.4　System interface

課題組選取南京青奧智能電網(wǎng)示范區(qū)作為試點(diǎn)應(yīng)用對象，以驗(yàn)證研究成果的有效性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。建立了相應(yīng)的電網(wǎng)模型，包括220 kV變電站2座，110 kV變電站7座，10 kV饋線154條，以及1家分布式光伏電源和1座公共汽車充換電站。

4.1　薄弱性分析計(jì)算

選取2016年示范區(qū)內(nèi)全年電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行配電網(wǎng)薄弱度評估和薄弱環(huán)節(jié)辨識，以此形成長期優(yōu)化調(diào)度方案。部分計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　計(jì)算結(jié)果Tab.2　Calculation results

從表2可以看出，怡康線整體薄弱度最高(計(jì)算結(jié)果越高，代表線路越薄弱)。同時(shí)，通過實(shí)地調(diào)查、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出，怡康線主干線電纜截面較小，并且由于所供負(fù)荷容量逐年增長，線路在負(fù)荷高峰期經(jīng)常出現(xiàn)重載情況。特別是怡康線與其他線路聯(lián)絡(luò)較少，一旦出現(xiàn)故障跳閘、臨時(shí)消缺等異常情況，大部分負(fù)荷無法在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)供，造成負(fù)荷失電，影響供電可靠性。實(shí)際結(jié)論與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果相一致。解決這一“卡脖子”現(xiàn)象是通過上報(bào)技改，合理規(guī)劃供電路徑及更換大截面導(dǎo)線，同時(shí)加強(qiáng)對重點(diǎn)用戶、重點(diǎn)區(qū)域設(shè)備的巡視和檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備缺陷和異常。

4.2　可中斷資源及可平移資源互動響應(yīng)

(1) 可中斷資源互動響應(yīng)。

2016年8月20日，根據(jù)上級調(diào)度要求，香堤線需要在8：00—17:00削減負(fù)荷200 kW，經(jīng)智能配電網(wǎng)調(diào)度互動決策支持系統(tǒng)計(jì)算后，得出了可中斷負(fù)荷執(zhí)行方案，并通過運(yùn)行方式的調(diào)整，完成了預(yù)期目標(biāo)。結(jié)果如圖5所示。

圖5　香堤線互動結(jié)果Fig.5　Interactive results of Xiangdi

(2) 可平移資源互動響應(yīng)。

2016年8月25日14:00—17:00，紫創(chuàng)線需要臨時(shí)消缺，停電范圍包括橡膠某廠、充換電站2家用戶。通過系統(tǒng)給出的轉(zhuǎn)供方案，以上2家用戶作為可平移資源，由黃山路線轉(zhuǎn)供。結(jié)果如圖6所示。

圖6　紫創(chuàng)線和黃山路線互動結(jié)果Fig.6　Interactive results of Zichuang and Huangshan

2016年迎峰度夏期間，該系統(tǒng)安排可中斷負(fù)荷執(zhí)行計(jì)劃13項(xiàng)、調(diào)整運(yùn)行方式257次、微電網(wǎng)交換功率調(diào)控5次，平均每天削減高峰負(fù)荷5.2 MW，平均負(fù)荷峰谷差率降低5.7%，電壓合格率100%，實(shí)施效果顯著，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了源網(wǎng)荷的統(tǒng)一協(xié)調(diào)互動，有效保障了南京電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5　結(jié)語

文中在考慮電力體制改革大背景下，提出了智能配電網(wǎng)調(diào)度互動體系框架，包括源網(wǎng)荷各側(cè)互動主體，特別是能源服務(wù)公司、負(fù)荷聚合商等新興元素。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了考慮價(jià)格偏好因素的可中斷資源和基于貝葉斯納什均衡的可平移資源的互動機(jī)制，結(jié)合年度負(fù)荷、月度負(fù)荷、日負(fù)荷等多負(fù)荷水平提出了長期、中長期、短期的調(diào)度互動實(shí)現(xiàn)技術(shù)。最后，將研究成果進(jìn)行提煉總結(jié)，研發(fā)了智能配電網(wǎng)調(diào)度互動決策支持系統(tǒng)，并進(jìn)行示范應(yīng)用。工程實(shí)踐結(jié)果驗(yàn)證了所提理論和方法的有效性和合理性，有效增強(qiáng)了智能配電網(wǎng)的運(yùn)行彈性水平和互動響應(yīng)能力。

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