適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢的配電網(wǎng)集中-分布式形態(tài)及其分層分區(qū)方法

趙鵬臻，謝 寧，殷佳敏，王承民

（上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240）

0 引言

近年來，風(fēng)電、光伏等新能源大量替代常規(guī)機組，電動汽車、分布式能源、儲能等交互式用能設(shè)備廣泛應(yīng)用。然而分布式電源出力的不確定性和波動性會很大程度上影響電網(wǎng)的可靠性[1]，電力電子技術(shù)和儲能技術(shù)的發(fā)展也給配電網(wǎng)帶來了雙向潮流等一系列問題。同時，多能源互補發(fā)電正在逐漸替代傳統(tǒng)的單一能源發(fā)電，發(fā)電由集中式逐漸向分布式過渡，一定程度上加劇了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。在這種情況下，傳統(tǒng)電網(wǎng)的形態(tài)與規(guī)劃方法已經(jīng)不再適用，亟需一種全新的、符合當(dāng)前配電網(wǎng)復(fù)雜化發(fā)展趨勢的運行管理模式及形態(tài)。

為此，電力行業(yè)進行了一系列的嘗試。歐盟資助的智能電網(wǎng)綜合研究計劃ELECTRA 在2015 年國際供電會議上提出了自治電網(wǎng)的概念，現(xiàn)下多稱為元胞電網(wǎng)，其是采用分布式形態(tài)結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)的典型代表[2]。含微網(wǎng)的主動配電網(wǎng)以集中式配電網(wǎng)為主，分布式微電網(wǎng)為輔，可通過拓撲變化降低損耗，提高效益。微網(wǎng)作為獨立自治主體，有效接入新要素，能在主網(wǎng)故障情況下滿足更多負荷需求[3-6]；同時主動配電網(wǎng)可以發(fā)揮集中式作用，通過對內(nèi)部電源的主動控制來達到電網(wǎng)經(jīng)濟運行的目的[7-10]。耦合協(xié)同型配電網(wǎng)以集中式為主發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟效益，在大面積故障時轉(zhuǎn)為分布式結(jié)構(gòu)，有效保障負荷需求，正常運行狀態(tài)下全網(wǎng)協(xié)調(diào)運行，崩潰狀態(tài)下分解為耦合單元獨立運行。

在規(guī)劃模型方面，文獻[11-15]通過網(wǎng)格化的規(guī)劃方法規(guī)范配電網(wǎng)的建設(shè)從而實現(xiàn)供電高可靠性的目標。文獻[16]提出了基于網(wǎng)格化單元制的配電網(wǎng)調(diào)控運行系列關(guān)鍵技術(shù)。文獻[17]采用了基于地理系統(tǒng)的網(wǎng)格化規(guī)劃方法。文獻[18]利用層次分析法建立了網(wǎng)格建設(shè)需求評價體系，實現(xiàn)城市配電網(wǎng)目標網(wǎng)格的有序過渡。文獻[19]提出了基于負荷聚類分塊的中壓配網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法。文獻[20]提出了一種利用船舶儲能的近海靈活供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法，實現(xiàn)了高可靠性的分布式電網(wǎng)構(gòu)建。文獻[21]提出了基于“雙Q 理論”的配電網(wǎng)單元制規(guī)劃技術(shù)。文獻[22]實現(xiàn)了以單元制配電網(wǎng)為特征的運行控制，顯著提高了配電網(wǎng)的供電可靠性。文獻[23]利用單元制規(guī)劃對分布式電源電網(wǎng)網(wǎng)架實現(xiàn)重構(gòu)。

綜上可以看出，目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)對電網(wǎng)組織形態(tài)的發(fā)展開始了研究，使配電網(wǎng)逐步適應(yīng)未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。但是這些研究嘗試較為紛繁復(fù)雜，同時也尚未形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的規(guī)劃體系，不利于后人在此基礎(chǔ)上進行更進一步的研究。為梳理未來配電網(wǎng)集中-分布式形態(tài)的定義功能，明確其與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的本質(zhì)區(qū)別，構(gòu)建清晰規(guī)劃體系，本文基于復(fù)雜系統(tǒng)控制理論，提出未來配電網(wǎng)的集中-分布式形態(tài)以及在該形態(tài)下配電網(wǎng)的規(guī)劃流程與聚散運行方式，并針對規(guī)劃流程中的分層分區(qū)與電力電量平衡進行了詳細的探究。

1 未來配電網(wǎng)的集中-分布式形態(tài)及其規(guī)劃流程

1.1 集中-分布式形態(tài)結(jié)構(gòu)

未來配電網(wǎng)的集中-分布式形態(tài)是基于復(fù)雜系統(tǒng)控制理論[24]，配合其大系統(tǒng)集中-分布式運行管理體系的未來配電網(wǎng)形態(tài)，它將系統(tǒng)分為集中層、協(xié)調(diào)層、分布層3 層結(jié)構(gòu)，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 未來配電網(wǎng)的集中-分布式形態(tài)Fig.1 Centralized-distributed pattern of future distribution network

在集中-分布式形態(tài)中，集中層、協(xié)調(diào)層、分布層3 層間層次分明，在控制權(quán)限上分屬不同層級，體現(xiàn)出集中思想，提高了資源分配效率。另一方面，協(xié)調(diào)層和分布層的同一層級下可存在多個電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且各自的控制權(quán)限分屬于上層級的不同模塊，彼此完全獨立，體現(xiàn)出分布思想，增強了電網(wǎng)的靈活性，提高了可再生能源就地消納能力。

1.2 規(guī)劃流程及聚散運行方式

1.2.1 規(guī)劃流程

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃流程主要包含負荷預(yù)測和網(wǎng)架規(guī)劃[25]。而未來配電網(wǎng)在集中-分布式形態(tài)下的規(guī)劃流程產(chǎn)生了較大的變化，具體規(guī)劃流程如圖2 所示。

圖2 集中-分布式形態(tài)配電網(wǎng)的規(guī)劃流程Fig.2 Planning process of centralized-distributed distribution network

大量靈活性資源的接入給未來配電網(wǎng)的運行帶來了更多的不確定性，為了更準確地預(yù)測負荷的增長情況，需要將負荷預(yù)測和電源規(guī)劃相結(jié)合，即將凈負荷預(yù)測與分布式電源規(guī)劃協(xié)同進行，從而制定分布式發(fā)電和儲能的裝機計劃并得到凈負荷預(yù)測。

集中-分布式形態(tài)中，配電網(wǎng)被分為集中層、協(xié)調(diào)層、分布層3 層結(jié)構(gòu)，且靈活性資源的接入使得未來配電網(wǎng)具有較低的凈負荷密度。因此相較于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，未來配電網(wǎng)的規(guī)劃流程中增加了分層分區(qū)環(huán)節(jié)，以保證短時孤島能力下最小化功率缺額，從而減少損耗與成本。

在網(wǎng)架規(guī)劃的過程中，則需要根據(jù)負荷預(yù)測與電源規(guī)劃、分層分區(qū)的結(jié)果逐級確定主接線模式及電力平衡，確定變電設(shè)施和輸電線路的建設(shè)及擴建計劃。

1.2.2 聚散運行方式

集中-分布式形態(tài)下的控制模式是基于協(xié)調(diào)層和聯(lián)絡(luò)線控制的“聚散”多狀態(tài)運行模式，具體架構(gòu)如圖3 所示。配電網(wǎng)正常運行狀態(tài)為“聚”狀態(tài)，該狀態(tài)下的分布層電網(wǎng)與協(xié)調(diào)層電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線進行電能和服務(wù)交易，同時隨時改變部分聯(lián)絡(luò)線的通斷狀態(tài)以達到潮流最優(yōu)的效果；當(dāng)分布層電網(wǎng)發(fā)生故障時，會緊急切入“散”狀態(tài)運行，防止故障擴大影響主網(wǎng)運行。

圖3 “聚散”運行方式架構(gòu)Fig.3 Architecture of“gathering and scattering”operation mode

集中-分布式形態(tài)下的“聚散”運行方式其模式切換較傳統(tǒng)配電網(wǎng)更加靈活，可利用協(xié)調(diào)層的控制靈活切換模式，及時準確地處理電網(wǎng)中各種突發(fā)情況。這種高靈活性、高自由度的運行方式控制策略使得未來配電網(wǎng)具有更高的可拓展性。

2 分層分區(qū)及電力電量平衡

2.1 分層分區(qū)方法

2.1.1 集中層和協(xié)調(diào)層劃分方法

集中層和協(xié)調(diào)層是開展高壓配電網(wǎng)規(guī)劃的基本單位，主要用于高壓配電網(wǎng)變電站布點和目標網(wǎng)架構(gòu)建。其中，集中層為220 kV 變電站，直接與輸電網(wǎng)相連；而協(xié)調(diào)層為110 kV 線路，直接與集中層相連。一般一個集中層下設(shè)一個或多個協(xié)調(diào)層，原則上每個協(xié)調(diào)層下負荷不超過1 000 MW。

2.1.2 基于多層聚類的分布層劃分方法

分布層電網(wǎng)是開展中壓配電網(wǎng)目標網(wǎng)架規(guī)劃的基本單位，確定分布層電網(wǎng)劃分是未來集中-分布式形態(tài)配電網(wǎng)規(guī)劃工作的重點，其劃分依據(jù)主要是最小化功率缺額，即凈負荷最小。由于功率缺額需從協(xié)調(diào)層傳輸，而較大的傳輸功率意味著更高的運行損耗和故障電流，且網(wǎng)架成本也更高，因此最小化分布層電網(wǎng)的功率缺額可有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性。

基于多層聚類的分布層電網(wǎng)分區(qū)劃分方法是一種自上而下確定標準、自下而上聚類劃分的方法，其主要流程包括確定凈負荷密度及多級聚類2個部分，如圖4 所示。

圖4 基于多層聚類的分布層劃分方法Fig.4 Distribution layer division method based on multilayer clustering

具體流程如下：

1）確定配電網(wǎng)規(guī)劃范圍，以及集中層所覆蓋的范圍。

2）使用負荷預(yù)測和電力電量平衡方法確定整個集中層的凈負荷密度及未來增長情況，確定分布式電源和儲能容量的分布情況，最終得到其數(shù)據(jù)的分布密度統(tǒng)計圖表。

3）明確分布層電網(wǎng)建設(shè)目標數(shù)量和范圍，以分布層電網(wǎng)和集中/協(xié)調(diào)層功率交換最小為目標，計算得到每個分布層電網(wǎng)應(yīng)有的最小凈負荷值Pmin,avr：

式中：Nd為分布層電網(wǎng)建設(shè)目標數(shù)量；Nc為負荷預(yù)測和電力電量平衡統(tǒng)計區(qū)域數(shù)；PLoad,max,j為區(qū)域j的最大負荷；CDG,avr,j為基于分布式發(fā)電處理模型和多能互補發(fā)電模型的區(qū)域j平均分布式發(fā)電出力；CES,max,j為區(qū)域j的儲能最大出力。

4）確定規(guī)劃區(qū)域內(nèi)所有地塊（或用戶區(qū)塊）的類型、凈負荷密度、地理位置和面積。

5）以類型統(tǒng)一、地理位置接近為目標，利用聚類方法得到各供電單元。

6）以凈負荷值平均最小、地理位置接近為目標，利用聚類方法得到各分布層電網(wǎng)。各分布層的凈負荷值計算公式如式（2），聚類過程如圖5 所示。

圖5 分布層電網(wǎng)聚類流程Fig.5 Process of distribution layer grid clustering

式中：Pavr為凈負荷值；T為統(tǒng)計持續(xù)時間；CDG,t為t時刻分布式電源的出力；CES,t為t時刻儲能的出力（充電為負值）；PL,t為t時刻的負荷；CDG,avr為分布式電源的平均出力；CES,avr為儲能的平均出力；PL,avr為平均負荷。

具體聚類流程為：（1）輸入分布層電網(wǎng)最大面積、各供電單元凈負荷密度、面積、地理位置、類型，預(yù)計分布層電網(wǎng)數(shù)、凈負荷值后，以均勻分布為依據(jù)初始化聚類中心；（2）對每個聚類中心周邊凈負荷密度進行估計，計算每個分布層電網(wǎng)預(yù)計面積，再遍歷所有儲能類型供電單元，將其劃入最近分布層電網(wǎng)聚類中，并遍歷其余所有類型供電單元，將其劃入可使凈負荷值向目標靠近的最近分布層電網(wǎng)聚類中；（3）更新聚類中心，若是達到迭代上限則輸出分布層劃分結(jié)果。

2.2 電力電量平衡

2.2.1 逐級電力平衡

逐級電力平衡分為集中層電力概率平衡、協(xié)調(diào)層電力概率平衡和分布層電網(wǎng)分區(qū)電力概率平衡，具體步驟如下：

1）集中層電力概率平衡。集中層在整個配電網(wǎng)范圍內(nèi)依據(jù)式（3）對所有協(xié)調(diào)層電網(wǎng)進行電力平衡，從輸電網(wǎng)調(diào)度電力，滿足區(qū)域內(nèi)分布式電源出力無法覆蓋的負荷。

式中：CTtF為集中層從輸電網(wǎng)調(diào)度的出力；NC為集中層所屬的協(xié)調(diào)層電網(wǎng)數(shù)；CFtC,k為第k個協(xié)調(diào)層電網(wǎng)從集中層調(diào)度的出力；σ為可接受誤差，表示要求電力平衡概率所接受的失誤率，該參數(shù)與可靠性相關(guān)，可靠性越高，該系數(shù)越小。

式（3）表示集中層優(yōu)先在所有協(xié)調(diào)層配電網(wǎng)之間進行電力平衡，剩余部分從輸電網(wǎng)調(diào)度。

2）協(xié)調(diào)層電力概率平衡。協(xié)調(diào)層依據(jù)式（4）在所覆蓋的分布層電網(wǎng)間完成概率平衡。

式中：CFtC為協(xié)調(diào)層從集中層調(diào)度的出力；CES,C為協(xié)調(diào)層中儲能出力；ND為協(xié)調(diào)層電網(wǎng)下所屬的分布層電網(wǎng)數(shù)；αl為第l個分布層電網(wǎng)的平衡比；PLoad,max,l為第l個分布層電網(wǎng)的最大負荷；D為備用系數(shù)，考慮到分級調(diào)度以及可再生能源就地消納，一般取0.2～0.3。

式（4）表示在一定的概率要求下，集中層調(diào)度出力和協(xié)調(diào)層儲能出力之和，可以匹配協(xié)調(diào)層所屬所有分布層電網(wǎng)中分布式電源不能覆蓋的部分負荷。

3）分布層電網(wǎng)分區(qū)電力概率平衡。分布層電網(wǎng)分區(qū)需要綜合考慮源荷儲出力概率模型，依據(jù)式（5）完成概率平衡。

式中：CDG,d為分布層電網(wǎng)中分布式電源出力；CES,d為分布層電網(wǎng)中儲能出力；PLoad,max,d為分布層電網(wǎng)中最大負荷；α為平衡比，表示分布式電源要承擔(dān)的負荷比例，該系數(shù)與規(guī)劃區(qū)域的可再生能源分布情況、投資成本等相關(guān)。

式（5）表示分布層電網(wǎng)中分布式電源和儲能的出力，匹配其所需承擔(dān)的最大負荷比例的概率要滿足一定的要求，根據(jù)各級電力平衡公式，每一層的概率平衡都有不同的可接受誤差。集中層的可接受誤差最小，協(xié)調(diào)層根據(jù)其所屬的分布層電網(wǎng)的整體性質(zhì)有相對較低的可接受誤差，而對于分布層，具有較高可靠性要求和大占比重要負荷的分布層電網(wǎng)的可接受誤差較小，其他分布層的可接受誤差則可以適當(dāng)放寬要求。

2.2.2 電量平衡

未來配電網(wǎng)在集中-分布式形態(tài)下的電量平衡同樣是基于分層分區(qū)平衡，綜合考慮配電網(wǎng)范圍內(nèi)所有靈活性資源的源荷儲之間的平衡。且考慮到儲能的出力/負荷時間平均為0 的情況，規(guī)劃中的電量平衡不能計及儲能電量，但儲能容量配置需要滿足相關(guān)規(guī)定要求。為保證可再生能源發(fā)電就地消納，電量平衡應(yīng)以分布式發(fā)電全部消納為基礎(chǔ)進行。其具體步驟如圖6 所示。

圖6 電量平衡步驟Fig.6 Procedures of power balance

3 算例分析

3.1 算例模型基本信息

采用國內(nèi)某城市2025 年空間負荷預(yù)測數(shù)據(jù)作為算例網(wǎng)絡(luò)（備用系數(shù)D=0.2），分別對不考慮分層分區(qū)及電力概率平衡、僅考慮分層分區(qū)、考慮分層分區(qū)及電力概率平衡3 種情況進行電源規(guī)劃，分析其經(jīng)濟性和可靠性。國內(nèi)某城市2025 年空間負荷預(yù)測數(shù)據(jù)如圖7 所示。

本文中電源規(guī)劃使用式（6）—式（9）所示的經(jīng)濟性最優(yōu)目標函數(shù)，綜合考慮電源及儲能配置成本fs、維護成本fm以及考慮可再生能源發(fā)電后碳減排的環(huán)保節(jié)約成本fc。

式中：n為分布層電網(wǎng)總數(shù)；cPV，cPVm分別為單位容量光伏電站的初始投入費用和維護費用；PPVi為第i個節(jié)點安裝光伏電站的裝機容量；cWT，cWTm分別為單位容量風(fēng)電機組的初始投入費用和維護費用；PWTi為第i個節(jié)點安裝風(fēng)電機組的裝機容量；cTH，cTHm分別為單位容量火力發(fā)電的初始投入費用和維護費用；PTHi為第i個節(jié)點安裝燃氣輪機發(fā)電的裝機容量；cES，cESm分別為儲能裝置單位儲能量的初始投入費用和維護費用；CES為協(xié)調(diào)層儲能最大儲能量；αt=1/(1+r)t，r為利率；TP為規(guī)劃年限；為燃煤機組單位發(fā)電量的碳排放量；為單位排放量成交價；tPV為光伏電站年平均工作時長；tWT為風(fēng)電機組年平均工作時長。

約束條件主要考慮電力（概率）平衡約束、儲能約束、光伏發(fā)電約束、風(fēng)力發(fā)電約束及分層分區(qū)協(xié)同約束。

3.2 規(guī)劃方案及對比分析

1）不考慮分層分區(qū)以及電力概率平衡情況。該情況下，可再生能源發(fā)電在整個區(qū)域內(nèi)進行消納，通過調(diào)整約束條件中可再生能源發(fā)電裝機占比相關(guān)參數(shù)，得到經(jīng)濟性、供電可靠率與可再生能源發(fā)電裝機占比的關(guān)系曲線，如圖8 所示。

圖8 無分層分區(qū)和概率平衡時經(jīng)濟性、供電可靠率與可再生能源發(fā)電裝機占比關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between economy，power supply reliability and renewable energy generation penetration without layered and partitioned operation and probability balance

2）僅考慮分層分區(qū)的情況進行規(guī)劃。在這種情況下，根據(jù)該地區(qū)的行政規(guī)劃簡單地將其劃分為5 個區(qū)域，這5 個區(qū)域同屬于一個協(xié)調(diào)層電網(wǎng)下。由于風(fēng)光等可再生資源多集中于東區(qū)、西區(qū)及郊區(qū)3 個區(qū)域，因此可再生能源發(fā)電在這3 個區(qū)域內(nèi)分區(qū)消納且參與全協(xié)調(diào)層電力平衡，在這3 個區(qū)域中安裝風(fēng)電機組和光伏機組；在老城區(qū)和城南安裝燃氣輪機組保證對重要負荷的不間斷供電，同時也安裝一定的光伏機組以提高發(fā)電清潔性。同樣通過調(diào)整約束條件中可再生能源發(fā)電裝機占比相關(guān)參數(shù)，得到經(jīng)濟性、供電可靠率與可再生能源發(fā)電裝機占比的關(guān)系曲線，如圖9 所示。

圖9 僅考慮分層分區(qū)時經(jīng)濟性、供電可靠率與可再生能源發(fā)電裝機占比關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between economy，power supply reliability and renewable energy generation penetration only considering layered and partitioned operation

3）同時考慮分層分區(qū)及電力概率平衡（可接受誤差σ=0.01，平衡比α=1.2）。分層分區(qū)方案及分布式電源安裝計劃和2）相同。同樣通過調(diào)整約束條件中可再生能源發(fā)電滲透率相關(guān)參數(shù)，得到經(jīng)濟性、供電可靠率與可再生能源發(fā)電裝機占比的關(guān)系曲線，如圖10 所示。

圖10 考慮分層分區(qū)及電力概率平衡時經(jīng)濟性、供電可靠率與可再生能源發(fā)電裝機占比關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curves between economy，power supply reliability and renewable energy power generation penetration considering both layered and partitioned operation and probability balance

本文選取了高可再生能源發(fā)電裝機占比（60%）、中可再生能源發(fā)電裝機占比（40%）及低可再生能源發(fā)電裝機占比（10%）3 個斷面下3 種方法的規(guī)劃方案，用以對不同方法進行對比，具體規(guī)劃方案如表1所示。其中，方法1 是不考慮分層分區(qū)以及電力概率平衡的規(guī)劃方法；方法2 是僅考慮分層分區(qū)不考慮電力概率平衡的方法；方法3 是既考慮分層分區(qū)也考慮電力概率平衡的方法（可接受誤差σ=0.01，平衡比α=1.2）。

表1 不同斷面下3種方法的規(guī)劃方案對比Table 1 Comparison of three planning schemes among three methods under different sections

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，無分層分區(qū)及電力概率平衡的規(guī)劃方法有著較好的可靠性，但是經(jīng)濟性極差，尤其是隨著可再生能源發(fā)電裝機占比的進一步提高后，該方法與分層分區(qū)及電力概率平衡方法的經(jīng)濟性差異進一步提高。同時，通過圖9、圖10 的曲線可以發(fā)現(xiàn)通過犧牲一部分經(jīng)濟性，分層分區(qū)及電力概率平衡的規(guī)劃方法也可以達到一個較高的可靠性，從而滿足配網(wǎng)可靠性需求。

通過對比表1 中方法2 和方法3 的規(guī)劃方案結(jié)果以及圖9 和圖10 可以發(fā)現(xiàn)，利用電力概率平衡方法可以在保證一定可靠性要求的情況下顯著降低投資成本，因此可以在可靠性要求較低的地區(qū)使用該方法，以提高投資回報率。

4 結(jié)語

隨著負荷量與負荷類型的增長、分布式電源和儲能的接入，我國電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜。為了適應(yīng)當(dāng)前配電網(wǎng)復(fù)雜化發(fā)展趨勢，本文借鑒復(fù)雜系統(tǒng)智能遞階控制思想，提出了未來配電網(wǎng)的集中-分布式形態(tài)，將配電網(wǎng)劃分為集中層、協(xié)調(diào)層、分布層，并基于該形態(tài)提出了聚散運行方式，實現(xiàn)配電網(wǎng)形態(tài)靈活轉(zhuǎn)變，大大提高配電網(wǎng)靈活性與可靠性。

對比傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃，本文規(guī)范了未來配電網(wǎng)在集中-分布式形態(tài)下的規(guī)劃流程，并針對與傳統(tǒng)規(guī)劃流程差異較大的分層分區(qū)環(huán)節(jié)與電力電量平衡環(huán)節(jié)進行了詳細的探討，給出了具體的分布層分區(qū)劃分方法步驟與電力電量平衡方法，并通過算例模擬證明了該方法在高可再生能源發(fā)電裝機占比系統(tǒng)中經(jīng)濟性和可靠性的優(yōu)勢，給未來配電網(wǎng)的研究提供了重要參考價值。