主動配電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)和需求側(cè)管理規(guī)劃

于大為 侯學(xué)文 馬平 董躍哲

摘要：? 針對長島縣規(guī)劃發(fā)展海上風(fēng)電以及對配電網(wǎng)進(jìn)行改造的實際情況，本文提出考慮分布式能源并網(wǎng)和需求側(cè)主動管理的綜合規(guī)劃方案。以年綜合費用最小為目標(biāo)函數(shù)，計及各種電氣約束條件，建立風(fēng)能并網(wǎng)的分布式能源和需求側(cè)管理綜合規(guī)劃模型，并采用多場景技術(shù)和進(jìn)化策略算法，對綜合規(guī)劃模型進(jìn)行求解。同時，以修改后的長島縣30節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，對規(guī)劃模型進(jìn)行仿真驗證，并對不同規(guī)劃方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析。分析結(jié)果表明，得到的綜合規(guī)劃方案既能實現(xiàn)年綜合費用最優(yōu)，也符合該地區(qū)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定要求。該研究為長島主動配電網(wǎng)分布式能源規(guī)劃和建立需求側(cè)管理機(jī)制提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：? 主動配電網(wǎng); 分布式能源; 需求側(cè)主動管理; 綜合規(guī)劃; 進(jìn)化策略算法

中圖分類號： TM731 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

分布式能源在配電網(wǎng)中滲透率的提高給配電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)已不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展要求。自動化及電力電子等智能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，作為智能電網(wǎng)發(fā)展產(chǎn)物，主動配電網(wǎng)（active distribution network，ADNs）技術(shù)在配電系統(tǒng)中的地位越來越明顯。主動配電網(wǎng)的主要特點是通過建立需求側(cè)管理機(jī)制合理分配電能，促進(jìn)分布式電源的消納，保證配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行。近年來，對主動配電網(wǎng)的研究有許多，程耀華等人[1]將低碳優(yōu)化與需求側(cè)管理相結(jié)合，規(guī)劃電網(wǎng)模型，通過構(gòu)建不同場景對需求側(cè)管理方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而降低碳排放量，提升系統(tǒng)整體效益;曾鳴等人[2]從用戶、企業(yè)、政府3個角度研究需求側(cè)響應(yīng)保障機(jī)制，對需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行規(guī)劃;張沈習(xí)等人[3]構(gòu)建多層模型模擬各種場景下分布式能源有功出力，將需求側(cè)管理與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)聯(lián)系起來，研究分布式能源并網(wǎng)合理規(guī)劃問題;G.Mokryani[4]提出一種結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)的概率方法來規(guī)劃主動配電網(wǎng)，在規(guī)劃范圍內(nèi)最大限度降低線路總運行成本和總能量損耗;A.Barbato等人[5]提出一種新型完全分布式需求側(cè)管理系統(tǒng)，通過制定實時定價方案，控制高峰期用戶用電需求量;梁甜甜等人[6]構(gòu)建了在智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求側(cè)管理模型，實現(xiàn)實時用戶響應(yīng)，并促進(jìn)分布式能源的自由接入;曾鳴等人[7]全面分析分布式能源并網(wǎng)后對配電網(wǎng)的影響，探索需求側(cè)管理最優(yōu)方案;Li Y等人[8]對分布式能源并網(wǎng)規(guī)劃問題，提出考慮儲能集成系統(tǒng)的兩階段優(yōu)化方案;D.Lizondo等人[9]分析智能家居能源管理系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)對配電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響。以上對分布式能源并網(wǎng)規(guī)劃問題的研究缺少實例分析。基于此，本文以年綜合費用最小為目標(biāo)函數(shù)，在計及各種約束條件基礎(chǔ)上，建立風(fēng)能并網(wǎng)的分布式能源和需求側(cè)管理綜合規(guī)劃模型。采用進(jìn)化算法對目標(biāo)函數(shù)求解，對規(guī)劃模型進(jìn)行仿真驗證，并對長島縣主動配電網(wǎng)分布式能源規(guī)劃和需求側(cè)管理方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析。該研究為主動配電網(wǎng)在新型負(fù)荷領(lǐng)域的控制與管理提供了理論依據(jù)。

1 主動配電網(wǎng)綜合規(guī)劃必要性分析

長島縣位于山東半島北部，風(fēng)力資源豐富，適合大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運行。傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電由于安裝位置等因素對鳥類棲息環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，考慮環(huán)保要求，長島計劃發(fā)展海上風(fēng)電，同時建立需求側(cè)管理機(jī)制來促進(jìn)分布式電源的消納[1011]。本文依據(jù)長島縣供電公司2017年8月1日24個時段的采集數(shù)據(jù)，繪制負(fù)荷曲線和風(fēng)力發(fā)電量曲線，8月1日24時段負(fù)荷曲線圖如圖1所示，8月1日24時段風(fēng)力發(fā)電量曲線如圖2所示。由圖1可以看出，用電高峰時段在中午11點左右和下午5點以后，該時間段長島漁家樂空調(diào)、風(fēng)扇、照明等電氣設(shè)備使用量大幅增加;由圖2可以看出，分布式風(fēng)能發(fā)電表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性，風(fēng)機(jī)出力高峰期集中在上午8～9點，而在用電高峰期間風(fēng)機(jī)有功出力不明顯。由圖1和圖2分析可得，長島地區(qū)分布式能源的進(jìn)一步規(guī)劃，能有效緩解電網(wǎng)供電壓力，降低購電費用，提升環(huán)保效益。而風(fēng)力發(fā)電有較強(qiáng)隨機(jī)性，一旦分布式風(fēng)能產(chǎn)能過剩而電網(wǎng)用電負(fù)荷處于低谷期，將造成資源浪費和運維成本增加，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后電網(wǎng)波動性增強(qiáng)，也會造成電力系統(tǒng)備用容量增加。因此，引入需求側(cè)管理機(jī)制既能夠改善風(fēng)機(jī)并網(wǎng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高電源側(cè)備用容量裕度，也能夠改善系統(tǒng)負(fù)荷特性，降低線路供載壓力，起到削峰填谷的目的。

4 算例分析

目前，長島縣有110 kV變電站1座，35 kV變電站4座。由于其特殊的地理位置及豐富的風(fēng)力資源，為海上分布式風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電提供了有利條件;加之旅游業(yè)、海產(chǎn)加工業(yè)發(fā)達(dá)，漁家樂居民用電和加工廠工業(yè)用電在電網(wǎng)總用電中所占比重較高，為需求側(cè)主動管理提供了可能。IEEE30節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，根據(jù)長島電網(wǎng)實際情況，對圖4中IEEE30節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行修改，利用修改后配電網(wǎng)對綜合模型進(jìn)行規(guī)劃。

4.1 規(guī)劃分析

圖4中，節(jié)點3和4為可中斷負(fù)荷節(jié)點，最大可中斷量不允許超過05 MW和12 MW，風(fēng)電安裝的待選節(jié)點為2，5，8，單臺額定容量為03 MW，節(jié)點允許新增最大有功出力為17 MW，該配電系統(tǒng)計劃并網(wǎng)風(fēng)機(jī)組總有功出力為32 MW。上級電網(wǎng)上網(wǎng)電價為0379元/kWh，節(jié)點3和節(jié)點4可中斷補(bǔ)償費用分別為0148元/kWh和0137元/kWh，節(jié)點2風(fēng)機(jī)的運行管理費用為0368元/kWh，節(jié)點5為036元/kWh，節(jié)點8為03元/kWh。進(jìn)化策略的最大迭代次數(shù)為20次，每次產(chǎn)生100個新個體與原始15個個體組成新種群，最終篩選出15個最優(yōu)個體反復(fù)迭代。拉丁超立方采樣的樣本數(shù)為30，即構(gòu)建30個風(fēng)速負(fù)荷的耦合場景。在進(jìn)化算法的基礎(chǔ)上，本設(shè)計方案如下：

1） 考慮節(jié)點2，5，8分布式電源規(guī)劃，而不考慮負(fù)荷側(cè)管理。

2） 采用節(jié)點2，5，8規(guī)劃分布式電源和節(jié)點3，4進(jìn)行負(fù)荷側(cè)管理。

兩種方案的年綜合費用如表1所示，第1種方案規(guī)劃結(jié)果比較如表2所示，第2種方案規(guī)劃結(jié)果比較如表3所示。

由表2和表3可以看出，由于單臺海上風(fēng)機(jī)額定容量為03 MW，方案1不考慮需求側(cè)管理，風(fēng)機(jī)實際規(guī)劃容量應(yīng)為0 MW，503 MW，603 MW;方案2考慮需求側(cè)管理，風(fēng)機(jī)實際規(guī)劃容量應(yīng)為0 MW，603 MW，503 MW。通過2種方案比較可知，采用需求側(cè)管理機(jī)制，主動配電網(wǎng)與單純分布式風(fēng)能并網(wǎng)相比較，多花費綜合費用1 300元。同時，方案1在規(guī)劃過程中，由于受線路最大允許載流量、有載調(diào)壓變壓器允許最大容量等運行條件限制，該方案在用電高峰期容易造成配電網(wǎng)重載或越限情況產(chǎn)生，嚴(yán)重時甚至影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行;方案2采用需求側(cè)管理與控制措施對電網(wǎng)帶來的優(yōu)勢，一方面降低了購電成本和網(wǎng)損，引導(dǎo)用戶側(cè)配合電網(wǎng)合理用電;另一方面需求側(cè)可中斷負(fù)荷計劃投切，既能為風(fēng)電并網(wǎng)提供額外備用容量，降低發(fā)電側(cè)備用容量儲備壓力，促進(jìn)分布式能源消納，又能通過用電高峰期負(fù)荷切除，提高線路和變壓器容量裕度，滿足電網(wǎng)運行約束，避免重載和過載現(xiàn)象產(chǎn)生。

4.2 主動配電網(wǎng)需求側(cè)管理機(jī)制應(yīng)用

通過實例驗證，長島地區(qū)適合規(guī)劃海上風(fēng)電項目，采取負(fù)荷側(cè)可中斷管理規(guī)劃方案，能在年綜合費用一定的情況下，改善配電系統(tǒng)不利狀況，提升環(huán)保效益。實地研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點3負(fù)荷種類中，漁家樂占比較大;節(jié)點4負(fù)荷種類中，海鮮加工廠占比較大。長島工商業(yè)用電電價為075元/kWh，居民用電電價為0547元/kWh，在需求側(cè)管理方面，采用柔性電價機(jī)制[20]，與漁家樂簽訂用電協(xié)議，高峰時段限制漁家樂使用空調(diào)數(shù)量，同時按照較為便宜的居民用電電價對漁家樂售電。針對海鮮加工廠負(fù)荷管理，簽訂優(yōu)惠協(xié)議，在可中斷負(fù)荷切除后，非中斷部分按照原售電價格60%～80%售電。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合長島地區(qū)配電系統(tǒng)實際情況，以年綜合費用最小建立目標(biāo)函數(shù)，在滿足多種約束條件基礎(chǔ)上，采用主動配電網(wǎng)分布式能源規(guī)劃和需求側(cè)管理多場景模型，利用進(jìn)化策略算法，對長島電網(wǎng)30節(jié)點配電系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真求解。規(guī)劃過程中，采用基于超拉丁立方采樣的蒙特卡洛模擬法，對風(fēng)速、負(fù)荷隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣模擬，有效克服了風(fēng)速和負(fù)荷并網(wǎng)不確定性對電網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生的影響。在實際應(yīng)用中，該研究能夠改善負(fù)荷特性，避免線路重載和過載現(xiàn)象產(chǎn)生，為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供額外備用容量，有利于長島配電網(wǎng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。本文雖然將分布式能源并網(wǎng)和需求側(cè)管理聯(lián)合構(gòu)建模型進(jìn)行規(guī)劃，但仍需深入研究需求側(cè)管理對分布式能源并網(wǎng)的影響，以及分布式能源并網(wǎng)在系統(tǒng)運行方面對需求側(cè)管理的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程耀華， 張寧， 康重慶， 等. 考慮需求側(cè)管理的低碳電網(wǎng)規(guī)劃[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2016， 40（23）： 6169.

[2] 曾鳴， 韓旭， 李博. 促進(jìn)主動配電網(wǎng)運行的需求側(cè)響應(yīng)保障機(jī)制[J]. 電力建設(shè)， 2015， 36（1）： 110114.

[3] 張沈習(xí)， 袁加妍， 程浩忠， 等. 主動配電網(wǎng)中考慮需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的分布式電源規(guī)劃方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2016， 36（s1）： 19.

[4] Mokryani G. Active distribution networks planning with integration of demand response[J]. Solar Energy， 2015， 122（3）： 13621370.

[5] Barbato A， Capone A， Chen L， et al. A distributed demandside management framework for the smart grid[J]. Computer Communications， 2015， 57： 1324.

[6] 梁甜甜， 高賜威， 王蓓蓓. 智能電網(wǎng)下電力需求側(cè)管理應(yīng)用[J]. 電力自動化設(shè)備， 2012， 32（5）： 8185.

[7] 曾鳴， 彭麗霖， 孫靜惠， 等. 兼容需求側(cè)可調(diào)控資源的分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運行及其求解算法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2016， 40（6）： 16501656.

[8] Li Y， Feng B， Li G Q， et al. Optimal distributed generation planning in active distribution networks considering integration of energy storage[J]. Applied Energy， 2018， 210： 10731081.

[9] Lizondo D， Rodriguez S， Will A， et al. An artificial immune network for distributed demandside management in smart grids[J]. Information Sciences， 2018， 438： 3245.

[10] 曾鳴， 李晨， 陳英杰， 等. 風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)背景下我國電力需求側(cè)響應(yīng)實施模式[J]. 華東電力， 2012， 40（3）： 363367.

[11] 萬振東. 考慮大規(guī)模風(fēng)電消納能力的電網(wǎng)靈活規(guī)劃[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2011.

[12] 彭顯剛， 林利祥， 劉藝， 等. 基于縱橫交叉拉丁超立方采樣蒙特卡洛模擬法的分布式電源優(yōu)化配置[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2015， 35（16）： 40774085.

[13] 張翔， 程浩忠， 方陳， 等. 考慮主動管理模式的多目標(biāo)分布式電源規(guī)劃[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報， 2014， 48（9）： 12311238.

[14] 馬兵， 王瑞峰. 計及需求響應(yīng)的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報： 理學(xué)版， 2016， 48（4）： 95101.

[15] 曾鳴， 呂春泉， 邱柳青， 等. 風(fēng)電并網(wǎng)時基于需求側(cè)響應(yīng)的輸電規(guī)劃模型[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2011， 35（4）： 129134.

[16] 于晗， 鐘志勇， 黃杰波， 等. 采用拉丁超立方采樣的電力系統(tǒng)概率潮流計算方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（21）： 3235， 81.

[17] 徐雨田， 廖清芬， 劉滌塵， 等. 主動管理模式下基于多場景分析的分布式電源規(guī)劃[J]. 電工電能新技術(shù)， 2018， 37（2）： 3846.

[18] 裴志剛. 建立可中斷負(fù)荷激勵機(jī)制緩解用電高峰期電力緊張[J]. 浙江電力， 2011， 30（12）： 1215.

[19] 阮冰潔， 楊強(qiáng)， 顏文俊. 計及實時電價的柔性負(fù)荷系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制研究[J]. 機(jī)電工程， 2015， 32（6）： 857862.

[20] 王建軍， 李莉， 譚忠富， 等. 電力需求側(cè)響應(yīng)利益聯(lián)動機(jī)制的系統(tǒng)動力學(xué)模擬[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐， 2011， 31（12）： 22872295.