主動(dòng)配電網(wǎng)“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法研究

李旭斌，朱永潔，喻琢舟，翁興航，張?jiān)娊?/p>

（1.韶關(guān)市擎能設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，廣東韶關(guān) 512026；2.廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512028；3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

在能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)峻的背景下，我國(guó)出臺(tái)許多政策積極推動(dòng)可再生能源、電動(dòng)汽車等清潔資源的發(fā)展應(yīng)用[1]，分布式電源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等清潔資源大量接入配電網(wǎng)已成為重要發(fā)展趨勢(shì)[2]。主動(dòng)配電網(wǎng)具有完備的能量管理系統(tǒng)和主動(dòng)電壓控制能力，可對(duì)多種能源接入下的配電網(wǎng)實(shí)行有效的能量管理，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3-5]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于分布式電源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等接入的主動(dòng)配電網(wǎng)潮流優(yōu)化控制做了大量研究[6-8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種計(jì)及不確定時(shí)滯的有源配電網(wǎng)無(wú)功電壓魯棒控制方法，該方法充分利用光伏的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，解決含多種不確定性因素的配電網(wǎng)局部過(guò)電壓?jiǎn)栴}；文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了“集群自律-群間協(xié)調(diào)-輸配協(xié)同”的主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[11]提出一種主動(dòng)配電網(wǎng)集中/就地自適應(yīng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制方法，根據(jù)配網(wǎng)控制條件將設(shè)備及光伏的控制模式劃分為就地趨優(yōu)控制和集中優(yōu)化控制2個(gè)部分，就地控制建立協(xié)同功率因數(shù)和動(dòng)態(tài)趨優(yōu)因子指標(biāo)，兼顧全局需求調(diào)節(jié)光伏與設(shè)備無(wú)功出力；集中控制則根據(jù)無(wú)功充裕程度選擇電壓越限風(fēng)險(xiǎn)或網(wǎng)損最小為目標(biāo)，進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了綜合考慮發(fā)電成本、配網(wǎng)峰谷差和網(wǎng)損的兩階段協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車最優(yōu)充電，但沒(méi)有協(xié)調(diào)考慮儲(chǔ)能裝置。文獻(xiàn)[13]提出了一種考慮分布式電源及儲(chǔ)能配合的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃-運(yùn)行聯(lián)合優(yōu)化模型，但沒(méi)有考慮分布式電源和儲(chǔ)能的調(diào)度成本?，F(xiàn)有研究多從配電網(wǎng)網(wǎng)損的角度出發(fā)，進(jìn)行分布式電源、電動(dòng)汽車等的優(yōu)化調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損，但未考慮儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等需求側(cè)響應(yīng)資源的調(diào)度費(fèi)用，模型的準(zhǔn)確性和優(yōu)化結(jié)果的實(shí)用性有待提高。

本文設(shè)計(jì)了主動(dòng)配電網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，提出了一種考慮配電網(wǎng)綜合運(yùn)行效益的“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法，考慮電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能的調(diào)度費(fèi)用，以配電網(wǎng)運(yùn)行的綜合效益最大為目標(biāo)，以配電網(wǎng)潮流、分布式電源出力、電容器投切、儲(chǔ)能出力、電動(dòng)汽車出力為約束。采用IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 “源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

主動(dòng)配電網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制框架如圖1所示，包括協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度管理主站（包含數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)）、GIS系統(tǒng)（或DSCADA系統(tǒng)）接口模塊、負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊、儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車需求管理模塊、協(xié)調(diào)調(diào)度決策模塊等。

圖1 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)框架

依托配電網(wǎng)GIS（或DSCADA系統(tǒng)）采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在后臺(tái)軟件系統(tǒng)中對(duì)配電線路進(jìn)行準(zhǔn)確建模后實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果經(jīng)由調(diào)度決策模塊形成控制指令，經(jīng)由通信系統(tǒng)下發(fā)至各設(shè)備，各設(shè)備經(jīng)由自動(dòng)化控制裝置響應(yīng)執(zhí)行控制指令。

協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度管理主站主要負(fù)責(zé)源荷儲(chǔ)設(shè)備管理、維護(hù)與工況管理、事件與告警管理、控制調(diào)度決策的執(zhí)行與管理、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)管理、控制效果分析等工作?？稍陔娏ο到y(tǒng)相關(guān)部門配置多臺(tái)工作站，便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各調(diào)控設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)。

GIS系統(tǒng)（或DSCADA系統(tǒng)）接口模塊，主要負(fù)責(zé)與配電自動(dòng)化系統(tǒng)中已有的地理信息系統(tǒng)（GIS）或配網(wǎng)SCADA系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，獲取10 kV線路信息、變電站10 kV母線側(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息，并在需要實(shí)時(shí)配電自動(dòng)化系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊，根據(jù)來(lái)自線路各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù)信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行未來(lái)24 h的負(fù)荷預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果輸送至協(xié)調(diào)調(diào)度決策模塊。

儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車管理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置的功率輸出、剩余功率狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電樁的充電功率，接收各充電樁的階段性充電需求、當(dāng)前充電模式以及參與調(diào)度的容量與時(shí)間限制。

協(xié)調(diào)調(diào)度決策模塊主要根據(jù)來(lái)自負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊的24 h負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，以及來(lái)自GIS系統(tǒng)的10 kV線路信息，來(lái)自儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車管理模塊的可調(diào)整資源信息，利用動(dòng)態(tài)建模技術(shù)和優(yōu)化計(jì)算方法，以1 h為優(yōu)化計(jì)算間隔，自動(dòng)生成優(yōu)化結(jié)果及調(diào)度指令，將指令通過(guò)通信工具通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度管理主站下發(fā)執(zhí)行。

2 “源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

主動(dòng)配電網(wǎng)“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，是指利用通信手段在線實(shí)時(shí)收集全網(wǎng)或局部運(yùn)行的數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行日負(fù)荷預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)時(shí)收集的電動(dòng)汽車充電需求，通過(guò)主站的優(yōu)化計(jì)算，對(duì)區(qū)域內(nèi)補(bǔ)償設(shè)備、充電樁、儲(chǔ)能進(jìn)行控制與調(diào)度，在保障電壓合格的前提下，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行的綜合效益最大化。

在本策略中，對(duì)于儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電2種靈活資源，若其接收電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度控制，則根據(jù)其調(diào)度控制功率再給予相應(yīng)的補(bǔ)償。對(duì)于電動(dòng)汽車，其接收調(diào)度前，已告知后臺(tái)系統(tǒng)其可接受的充電時(shí)間及充電電量需求，以便后臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃制定與實(shí)施。

2.1優(yōu)化控制模型

源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制以配電網(wǎng)運(yùn)行的綜合效益最大為目標(biāo)，其數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行如下介紹。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

式中： f為配電網(wǎng)的綜合運(yùn)行效益，即在階梯電價(jià)下，用優(yōu)化調(diào)度產(chǎn)生的網(wǎng)損降低效益與設(shè)備利用率提升效益之和，減去電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能的調(diào)度費(fèi)用；ΔCploss為因調(diào)度產(chǎn)生的網(wǎng)損經(jīng)濟(jì)效益；ΔCrc為因調(diào)度產(chǎn)生的電網(wǎng)設(shè)備利用率提升效益；ΔCv2g為因調(diào)度產(chǎn)生的電動(dòng)汽車調(diào)度費(fèi)用；ΔCess為因調(diào)度產(chǎn)生的儲(chǔ)能調(diào)度費(fèi)用。

調(diào)度產(chǎn)生的網(wǎng)損經(jīng)濟(jì)效益ΔCploss，指調(diào)度后比調(diào)度前優(yōu)化的網(wǎng)損經(jīng)濟(jì)效益，即：

網(wǎng)損造成的經(jīng)濟(jì)損失Cploss可表示為：

式中：T為總運(yùn)行時(shí)段數(shù)量；E為線路集合；(i,j)為線路lij；rij為線路lij的電阻；?t,ij為在時(shí)段t中線路lij的電流幅值的平方，ηt為綜合售電電價(jià)。

因調(diào)度產(chǎn)生的電網(wǎng)設(shè)備利用效益ΔCrc，指調(diào)度控制后，配網(wǎng)設(shè)備利用效益有所提升，本文從2個(gè)角度進(jìn)行這部分效益的衡量：其一從負(fù)載率角度，調(diào)度后比調(diào)度前負(fù)荷的峰值將會(huì)有所削減，這可以帶來(lái)延緩配電網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)改造的效益；其二從負(fù)荷率角度，調(diào)度后設(shè)備負(fù)荷曲線更加平滑，電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，這部分效益將其作為提升因子納入負(fù)載率提升效益中。具體可表示為：

式中：Lri為控制調(diào)度后負(fù)荷點(diǎn)i的負(fù)荷率變化值；為控制調(diào)度后負(fù)荷點(diǎn)i的峰值負(fù)荷大小差值；ci為變電站i的單位容量的投資費(fèi)用；yi為負(fù)荷點(diǎn)i的變電站資金等年值系數(shù)；NTS為配電網(wǎng)中的變電站總數(shù)。

因調(diào)度產(chǎn)生的電動(dòng)汽車調(diào)度費(fèi)用ΔCv2g，指利用充電費(fèi)用優(yōu)惠進(jìn)行電動(dòng)汽車調(diào)度，可用調(diào)度后比調(diào)度前少收取的電動(dòng)汽車充電費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，即：

電動(dòng)汽車充電費(fèi)用Cv2g可表示為：

因調(diào)度產(chǎn)生的儲(chǔ)能調(diào)度費(fèi)用ΔCess，指調(diào)度后比調(diào)度前多支付的儲(chǔ)能放電費(fèi)用與儲(chǔ)能少收取的充電費(fèi)用之和，可表示為：

儲(chǔ)能充放電費(fèi)用Cess可表示為：

2.1.2 約束條件

（1）功率平衡約束

式中：N為節(jié)點(diǎn)集合；對(duì)于任意(i,j)∈E，線路lij的阻抗為zij=rij+jxij，且有 yij=1 zij=gij-jbij；Iij為由節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的線路電流幅值；Vt,i為在時(shí)段t中節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；vj,t為在時(shí)段t中節(jié)點(diǎn)j的電壓幅值的平方；、和分別為發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和光伏電源的注入有功功率；、和分別為發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和光伏電源的注入無(wú)功功率；Sij,t=Pij,t+jQij,t表示在時(shí)段t中線路始端節(jié)點(diǎn)的復(fù)功率，且由節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j。

（2）節(jié)點(diǎn)電壓約束

式中：Vi,min和Vi,max分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值下界和上界。

（3）分布式電源出力約束

式中：QDG,i為分布式電源i運(yùn)行時(shí)發(fā)出的無(wú)功功率；φ為分布式電源運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)角。

（4）電容器運(yùn)行約束

式中：Qcb,i為分組投切電容器組運(yùn)行時(shí)發(fā)出的無(wú)功功率；k為分組投切電容器組的組數(shù)，取值范圍為0～Ki；為在單位標(biāo)幺電壓下，分組投切電容器組投運(yùn)一組電容時(shí)發(fā)出的無(wú)功功率；ΩCB為含分組投切電容器組的節(jié)點(diǎn)集合。

（5）電動(dòng)汽車充電限制約束

（6）儲(chǔ)能充放電狀態(tài)約束

在正常運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備通常處于以下3種運(yùn)行狀態(tài)之一：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和不充放電狀態(tài)。儲(chǔ)能設(shè)備的充放電狀態(tài)約束可表示為：

該控制模型的物理含義是，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等設(shè)備資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，在配電網(wǎng)及設(shè)備運(yùn)行的約束條件下，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行的綜合效益最優(yōu)。

2.2 實(shí)現(xiàn)步驟流程

基于上述提出的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型，結(jié)合主動(dòng)配電網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，本文提出的“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制流程如圖2所示，具體步驟為：

（1）采集計(jì)算區(qū)域當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)形成未來(lái)24 h預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線；

（2）按照10 kV配電線路單線圖及當(dāng)前的運(yùn)行方式建立配電線路計(jì)算模型；

（3）結(jié)合當(dāng)前儲(chǔ)能剩余容量信息、功率信息及電動(dòng)汽車充電需求信息、受調(diào)度響應(yīng)信息，形成優(yōu)化計(jì)算參數(shù)；

（4）構(gòu)建協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型，調(diào)用成熟工程軟件包的分支定界方法進(jìn)行求解；

（5）計(jì)算得到各個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)未來(lái)24 h、儲(chǔ)能充放電功率及時(shí)間、充電樁充放電功率及時(shí)間，將第1個(gè)小時(shí)的計(jì)算結(jié)果形成為控制指令下發(fā)，1 h后重新執(zhí)行步驟（1），進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化。

圖2 優(yōu)化控制流程

3 算例分析

本文應(yīng)用IEEE33節(jié)點(diǎn)模型，驗(yàn)證所提協(xié)調(diào)控制方法的有效性，線路模型如圖3所示，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖

表1 “源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”仿真數(shù)據(jù)設(shè)置

選用負(fù)荷曲線、光伏出力曲線如圖4所示。分別進(jìn)行以下2種場(chǎng)景的仿真：（1）采用傳統(tǒng)控制策略，電動(dòng)汽車根據(jù)用戶需求進(jìn)行恒功率充電，儲(chǔ)能作為應(yīng)急電源，不參與日常電網(wǎng)調(diào)度，無(wú)功補(bǔ)償裝置控制補(bǔ)償點(diǎn)補(bǔ)償功率因數(shù)在0.90及以上；（2）采用本文提出的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，調(diào)節(jié)儲(chǔ)能充放電、電動(dòng)汽車接入以及無(wú)功補(bǔ)償裝置。仿真結(jié)果如圖5、6所示。

圖4 負(fù)荷功率及光伏出力曲線

圖5 兩種控制模式下的饋線有功負(fù)荷

圖6 兩種控制模式下節(jié)點(diǎn)30的電壓

由圖5、6可以看出，采用協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，根據(jù)電網(wǎng)綜合效益指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，電動(dòng)汽車以及儲(chǔ)能在保持經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，可以最大限度地削峰填谷，負(fù)荷曲線趨于平穩(wěn)，電容器進(jìn)行協(xié)調(diào)無(wú)功補(bǔ)償，減少了線路無(wú)功遠(yuǎn)距離傳輸，降低了節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)。而傳統(tǒng)控制策略下，用戶與電網(wǎng)僅滿足自生或并網(wǎng)點(diǎn)的需求，使得負(fù)荷曲線有較大的波動(dòng)。同時(shí)在中午時(shí)分，由于負(fù)荷與光伏出力時(shí)序上的不同，造成了有功功率的倒送，光伏并網(wǎng)點(diǎn)以及附近節(jié)點(diǎn)的電壓偏高，而在晚間用電高峰出現(xiàn)了電壓越下限的情況。

如表2所示，相比之下協(xié)調(diào)優(yōu)化策略能更好地改善電氣指標(biāo)，具有較好的配電網(wǎng)控制效益，配電網(wǎng)效益提升約6%。

表2 兩種策略下綜合運(yùn)行效益對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車大量接入背景下，設(shè)計(jì)了主動(dòng)配電網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種考慮配電網(wǎng)綜合運(yùn)行效益的“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法，構(gòu)建源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制模型。運(yùn)用IEEE33節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行本文方法與傳統(tǒng)控制方法的仿真對(duì)比，結(jié)果表明，本文所提方法可以有效地削峰填谷、提升配電網(wǎng)電壓質(zhì)量、提升配電網(wǎng)綜合運(yùn)行效益，可為配電網(wǎng)源荷儲(chǔ)運(yùn)行控制提供重要的參考價(jià)值。