城市高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)

劉友波，曾 宇，張 曦，劉 暢，4，金 勇，劉俊勇，楊 翔，謝卓越

（1.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司 南寧局，廣西 南寧 530021；3.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；4.國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；5.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著高滲透率新能源以及具備源／荷二象性負(fù)荷的廣泛接入［1］，充裕的靈活運(yùn)行裕度已成為保障城市電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的必要條件。然而，由于城市電網(wǎng)在以往規(guī)劃中并未考慮系統(tǒng)運(yùn)行對于靈活性的需求，當(dāng)前運(yùn)行中各類因規(guī)劃缺陷而導(dǎo)致的靈活性不足問題凸顯［1］。在未來分布式新能源高比例滲透、負(fù)荷分布不均衡性進(jìn)一步加劇的背景下，靈活裕度受限所導(dǎo)致的城市電網(wǎng)局部區(qū)域局部時段的新能源消納、供電能力不足、輸電阻塞頻繁等問題將更加嚴(yán)重［2］。

高壓配電網(wǎng)站間聯(lián)絡(luò)豐富，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靈活，拓?fù)渲貥?gòu)具備廣域時間尺度上的靈活調(diào)控能力。運(yùn)行期間，對于在城市220 kV 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上極易出現(xiàn)輸電線路過載的問題，調(diào)度方面通常采用110 kV 高壓配電網(wǎng)重構(gòu)的方式來進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，再配合切負(fù)荷操作來解決［3］。近年來，針對高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供的研究也受到了廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［4］通過構(gòu)建110 kV 高壓配電網(wǎng)“源”、“荷”網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的簡約表達(dá)方式，提出了利用負(fù)荷轉(zhuǎn)供的阻塞管控策略以解決城市220 kV輸電斷面的阻塞問題；文獻(xiàn)［5］提出了計(jì)及高壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力的220 kV 片區(qū)電網(wǎng)供電能力計(jì)算模型，以最大限度發(fā)揮高壓配電網(wǎng)的供電潛力；文獻(xiàn)［6］提出了一種以高壓配電網(wǎng)重構(gòu)為手段的220 kV 輸電網(wǎng)安全概率評估模型。上述文獻(xiàn)分別從高壓配電網(wǎng)模型的簡化表達(dá)及評估方法的實(shí)用性方面進(jìn)行創(chuàng)新，通過建立高壓配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)城市輸電線路容量的動態(tài)提升，以盤活高壓配電網(wǎng)運(yùn)行靈活性。然而，高滲透新能源及隨機(jī)負(fù)荷的廣泛接入使得城市電網(wǎng)供需時空分布變化愈發(fā)頻繁，不僅加劇了城市電網(wǎng)的線路過載風(fēng)險，還限制了新能源的外送能力，運(yùn)行人員不得不頻繁調(diào)整高壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以緩解系統(tǒng)運(yùn)行壓力，進(jìn)而帶來了較大的安全隱患。

隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，多個省網(wǎng)公司已在城市電網(wǎng)各片區(qū)內(nèi)開展儲能電站的部署［7］，儲能電站快速響應(yīng)的調(diào)控能力可滿足城市電網(wǎng)在時空維度上的彈性、靈活性需求，當(dāng)前的研究工作主要圍繞儲能與不同靈活性資源的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行。文獻(xiàn)［8］針對多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提出了一種計(jì)及耗能用戶需求響應(yīng)和共享儲能的協(xié)同優(yōu)化策略；文獻(xiàn)［9］為解決當(dāng)前配電網(wǎng)靈活性不足的問題，研究基于電動汽車充電、儲能及可中斷負(fù)荷的協(xié)同調(diào)度策略，以提升配電網(wǎng)靈活適應(yīng)性，然而未考慮到網(wǎng)架重構(gòu)作為一種網(wǎng)絡(luò)型靈活資源對于提升系統(tǒng)靈活性的積極作用［10］；文獻(xiàn)［11］提出了一種考慮儲能并網(wǎng)下的配電網(wǎng)重構(gòu)風(fēng)險規(guī)避策略，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險，但未能保證求解的魯棒性；文獻(xiàn)［12］在儲能配置過程中充分發(fā)揮電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)各靈活性資源的潛能，在保證投資經(jīng)濟(jì)性的同時，兼顧系統(tǒng)靈活性的提升需求；文獻(xiàn)［13］從緩解輸電阻塞、提升能源消納能力2 個靈活性維度出發(fā)，提出了一種考慮儲能調(diào)度和網(wǎng)架拓?fù)鋬?yōu)化的網(wǎng)絡(luò)約束機(jī)組組合模型，該方法雖充分發(fā)揮了儲能有序充放電及網(wǎng)架拓?fù)鋬?yōu)化在提高電網(wǎng)靈活性方面所具有的協(xié)同效應(yīng)，但忽略了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁操作將會引起斷路器的性能下降、運(yùn)行成本提高、拓?fù)鋾r序變化所帶來的運(yùn)行風(fēng)險等問題。

基于上述研究，為盤活高壓配電網(wǎng)運(yùn)行靈活性，降低運(yùn)行風(fēng)險，本文提出了一種考慮高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供及儲能充放電策略的協(xié)同優(yōu)化策略，通過儲能靈活充放電動態(tài)提升線路容量，從而避免高壓配電網(wǎng)頻繁控制，并進(jìn)行城市高壓配電網(wǎng)調(diào)峰策略優(yōu)化與負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策系統(tǒng)的研發(fā)工作，為調(diào)度人員提供“沙盤模擬”，以實(shí)現(xiàn)城市高壓配電系統(tǒng)分布式新能源和儲能廣泛發(fā)展的運(yùn)行方式優(yōu)化以及調(diào)峰與負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略制定。

1 高壓配電網(wǎng)輔助決策需求分析

近年來，在分布式新能源與儲能廣泛發(fā)展的背景下，城市電網(wǎng)朝著智能化、數(shù)字化、自動化的方向建設(shè)發(fā)展，在升級換代的過程中面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，舊問題尚未完全解決，新問題接踵而至，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）城市電網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)朝著多樣化發(fā)展，調(diào)度對象和場景日益復(fù)雜多樣。在儲能電站和新能源日益廣泛接入導(dǎo)致潮流隨機(jī)性增大、調(diào)度非計(jì)劃性增強(qiáng)等復(fù)雜場景下，現(xiàn)有輔助決策系統(tǒng)難以為風(fēng)險量化分析提供運(yùn)行控制與決策支持。

2）城市電網(wǎng)供電需求與靈活性不足的矛盾日益凸顯。電動汽車的普及以及清潔能源的廣泛滲透，城市電網(wǎng)受限于有限的靈活調(diào)節(jié)資源，導(dǎo)致供需時空分布變化愈發(fā)頻繁，運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)一步加劇［14］。當(dāng)前，城市電網(wǎng)需要提供更充裕的輸電備用容量和更強(qiáng)的靈活調(diào)節(jié)能力。

3）新形態(tài)城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行評價耦合度較低。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，規(guī)劃元素日益多樣化，由于當(dāng)前缺乏為城市電網(wǎng)的精細(xì)化規(guī)劃提供可靠運(yùn)行推演的工具，城市電網(wǎng)規(guī)劃配置與運(yùn)行控制未能深度耦合，無法滿足未來多樣化分布式電源和多元化負(fù)荷的快速發(fā)展需求［15］。

4）大量電氣新設(shè)備廣泛應(yīng)用下傳統(tǒng)信息模型低效率問題凸顯。傳統(tǒng)公共信息模型（common information model，CIM）采用無差異化的元件描述，雖提高了自動化系統(tǒng)的開發(fā)效率，但忽略了高壓配電網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行調(diào)整、計(jì)算需求、可視化等方面與輸電系統(tǒng)的本質(zhì)差異［16］，難以滿足上層計(jì)算的高級應(yīng)用需求。

2 高壓配電網(wǎng)信息模型體系與構(gòu)造

城市電網(wǎng)通常采用由220 kV 輸電網(wǎng)、110 kV 高壓配電網(wǎng)及110 kV 以下電壓等級中低壓配電網(wǎng)所組成的骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見附錄A 圖A1。由于缺乏用于調(diào)節(jié)潮流分布的可控裝置，城市電網(wǎng)阻塞管理往往是通過調(diào)整高壓配電網(wǎng)靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，同時配合負(fù)荷削減的方式進(jìn)行。因此，高壓配電網(wǎng)對保障城市電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。

然而，當(dāng)前地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)采取傳統(tǒng)物理建模思路所構(gòu)造的CIM，由于缺乏對高壓配電網(wǎng)模型的簡化再處理，對物理設(shè)備的信息描述過于精確，給地區(qū)調(diào)度的工作人員帶來了較大的信息處理負(fù)擔(dān)，因此，有必要構(gòu)建滿足其靈活運(yùn)行需求的模型體系，在靈活表達(dá)其運(yùn)行方式的同時，實(shí)現(xiàn)模型特征的簡化提取，以減少后續(xù)高級應(yīng)用時需關(guān)注的設(shè)備狀態(tài)與電氣接線細(xì)節(jié)［16］，便于后續(xù)基于圖模一體化運(yùn)行控制與決策支持系統(tǒng)的開發(fā)，為地區(qū)電網(wǎng)的靈活調(diào)度運(yùn)行提供重要的理論與技術(shù)支撐。

2.1 信息模型構(gòu)造

高壓配電網(wǎng)設(shè)備種類繁多，運(yùn)行方式多樣。針對設(shè)備元件不同的物理屬性，結(jié)合高壓配電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)，采用面向CIM 的對象封裝方法構(gòu)建其功能結(jié)構(gòu)化模型［16］，將變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的高低壓設(shè)備組定義為變電單元的概念，并進(jìn)一步劃分為配電容量單元（distribution capacity unit，DCU）類和實(shí)際負(fù)載單元（actual load unit，ALU）類。DCU類作為變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備的集合，ALU 類作為變電站內(nèi)負(fù)荷母線、饋線開關(guān)等設(shè)備的集合，通過繼承原有類關(guān)聯(lián)的全部屬性，兩者所包含設(shè)備如表1所示。

表1 2類變電單元所包含的設(shè)備Table 1 Equipment contained in two types of transformer units

由表1 可知，DCU 用于描述任意時刻的系統(tǒng)方式與結(jié)構(gòu)，ALU 用于描述任意時刻的負(fù)荷位置與狀態(tài)［16］。

2.2 模型解析聚合

梳理通用信息模型的解析聚合過程，采用面向CIM 的對象封裝方法，其具體流程如下（流程圖見附錄A圖A2）：

1）采用SAX 流解析方式，以變電站為單位，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)提取其屬性并以該身份標(biāo)識（identity，ID）為索引，將同一變電站下的全部設(shè)備聚合為一個數(shù)組，從而實(shí)現(xiàn)對CIM文件的解析［16］；

2）解析屬性過程中，通過將變電站ID 屬性值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對象屬性的直接賦值；

3）分別抽取數(shù)組中變壓器模型的成員變壓器繞組、母聯(lián)開關(guān)模型的端點(diǎn)作為起點(diǎn)和終點(diǎn)，基于深度搜索技術(shù)，將搜索過程中各設(shè)備連接點(diǎn)進(jìn)行合并形成拓?fù)鋶u，通過分配新ID，即可形成變電單元模型中的DCU和ALU［16］；

4）通過對靜態(tài)元件的深度搜索形成變電單元模型后，按索引為高、中壓母聯(lián)開關(guān)及變壓器兩側(cè)開關(guān)的實(shí)時狀態(tài)值進(jìn)行賦值［16］；

5）基于變電單元的類構(gòu)造方法，獲取各關(guān)鍵元件的運(yùn)行狀態(tài)信息，按照新定義的變電單元通用信息模型，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行方式的再解讀。

3 計(jì)及儲能與負(fù)荷轉(zhuǎn)供靈活調(diào)節(jié)的雙層優(yōu)化模型

目前，輸電系統(tǒng)運(yùn)營商（transmission system operator，TSO）實(shí)現(xiàn)阻塞管理的方式往往是通過向配電系統(tǒng)運(yùn)營商（distribution system operator，DSO）釋放運(yùn)行約束，并通過優(yōu)化高壓配電網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)以滿足安全運(yùn)行需求的方式進(jìn)行。因此，結(jié)合實(shí)際調(diào)度方式，通過定義輸配電網(wǎng)運(yùn)行邊界，構(gòu)建TSO-DSO 時序雙層優(yōu)化模型，在上層模型中，考慮220 kV 輸電網(wǎng)安全運(yùn)行及儲能充放電約束所得到的運(yùn)行邊界，用于計(jì)算下層每一個高壓配電網(wǎng)分組的最優(yōu)拓?fù)錉顟B(tài)，上下層模型間通過交替迭代的方式進(jìn)行求解，具體說明如下。

3.1 上層優(yōu)化模型

為求解輸配電網(wǎng)接口的運(yùn)行邊界，考慮儲能電站的靈活充放能力，在滿足輸電網(wǎng)安全運(yùn)行約束的前提下，以最小化發(fā)電成本及總轉(zhuǎn)移容量Cope為目標(biāo)，其數(shù)學(xué)模型描述如下：

式中：T為優(yōu)化時間集合；i、k為節(jié)點(diǎn)編號；cLTA、cRES、cg為成本系數(shù)；Δ為第y次迭代過程中t時刻節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移容量；Δ為第y次迭代過程中t時刻新能源機(jī)組的切機(jī)量為第y次迭代過程中t時刻發(fā)電機(jī)的有功出力；NRES、Ng分別為新能源機(jī)組和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組所在的輸電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合；CT-H為220 kV輸電網(wǎng)與110 kV高壓配電網(wǎng)接口區(qū)域聯(lián)絡(luò)線集合。

1）潮流平衡約束。

2）安全運(yùn)行約束。

式中：Vi，max、Vi，min分別為節(jié)點(diǎn)電壓的上、下限分別為第y次迭代中t時刻流過線路（i，j）的有功和無功功率為線路容量上限、分別為發(fā)電機(jī)出力的上、下限。式（7）為電壓幅值平方的約束；式（8）為線路容量約束；式（9）為發(fā)電機(jī)出力約束。

3）功率轉(zhuǎn)移約束。

式中：α為無功功率系數(shù)。式（10）、（11）為t時刻節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷轉(zhuǎn)移約束，即節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷大小等于與該節(jié)點(diǎn)相連的所有輸配電網(wǎng)接口功率之和以及該節(jié)點(diǎn)發(fā)生的轉(zhuǎn)移容量之和；式（12）為高壓配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的功率轉(zhuǎn)移約束，對于不同高壓配電網(wǎng)區(qū)域，其內(nèi)部的總轉(zhuǎn)移功率為0，即當(dāng)從某一個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)出負(fù)荷時，必有某個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入相同功率的負(fù)荷。

4）儲能運(yùn)行約束。

式中：、分別為第y次迭代過程中t時刻儲能的充、放電功率；NESS為儲能電站所連接的輸電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合；ηch、ηdis分別為儲能充、放電效率；、分別為第y次迭代過程中t時刻儲能的充、放電狀態(tài)變量；為第y次迭代過 程 中t時刻 儲 能 荷電狀態(tài)值；Δt為單位時間；Smax、Smin分別為儲能荷電狀態(tài)上、下限值；Ps、Es分別為儲能額定功率、容量。

3.2 下層高壓配電網(wǎng)重構(gòu)模型

式中：BH為110 kV 高壓配電網(wǎng)變電單元節(jié)點(diǎn)集合；Δ為第y次迭代過程中t時刻變電單元的負(fù)荷削減量。式（20）保證了在轉(zhuǎn)供過程中盡可能少地切除負(fù)荷。

1）功率平衡約束。

式中：l為節(jié)點(diǎn)編號；CH為高壓配電網(wǎng)區(qū)域線路集合；、分 別 為 第y次 迭 代 過 程 中t時 刻 流 經(jīng) 線 路（i，k）、（m，k）電流幅值的平方；rik、xik和rmk、xmk分別為線路（i，k）、（m，k）的電阻和電抗；分別為第y次迭代過程中t時刻流經(jīng)線路（k，l）和線路（m，k）的有功、無功功率。關(guān)于輸配電網(wǎng)接口及高壓配電網(wǎng)中的電壓、電流和功率所滿足的二階錐約束，具體見文獻(xiàn)［17］。

2）高壓配電網(wǎng)輻射狀約束。

3）負(fù)荷削減約束。

4）線路功率約束。

3.3 求解流程

采用交替迭代的方式實(shí)現(xiàn)對所建雙層模型的優(yōu)化求解，以獲取高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供與儲能電站的時序協(xié)同優(yōu)化策略，求解流程如下（流程圖見附錄A圖A3）。

首先，通過所獲取的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行潮流計(jì)算得到系統(tǒng)24 h 的運(yùn)行狀態(tài)，包括輸配電網(wǎng)初始運(yùn)行邊界及接口功率，其中初始運(yùn)行邊界定義為線路（i，k）的傳輸容量。若220 kV 輸電網(wǎng)中存在線路過載現(xiàn)象，則進(jìn)行上層模型的優(yōu)化，求解時序運(yùn)行邊界儲能充放電策略，并基于所求得的時序運(yùn)行邊界獲取下層高壓配電網(wǎng)分組負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略，此時輸配電網(wǎng)接口功率完成更新，若判斷220 kV 輸電網(wǎng)中仍存在阻塞現(xiàn)象，則反復(fù)迭代直至輸電線路過載現(xiàn)象消除為止。

算法迭代的收斂條件為運(yùn)行邊界不再發(fā)生變化。由式（19）可知，在迭代過程中，運(yùn)行邊界的取值是不斷下降的，當(dāng)降低到一定程度時，算法將通過切負(fù)荷的手段來緩解阻塞。當(dāng)負(fù)荷水平降低時，線路負(fù)載率水平必然會降低。由于轉(zhuǎn)移容量作為目標(biāo)函數(shù)的一部分，當(dāng)線路阻塞全部消除時，轉(zhuǎn)移容量必然為0，此時運(yùn)行邊界不再發(fā)生變化，算法收斂。該方法僅需要求解運(yùn)行邊界變化時的高壓配電網(wǎng)重構(gòu)模型，可有效降低計(jì)算時間，便于在線應(yīng)用。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)踐

以具備68 座110 kV 變電站及23 座220 kV 變電站的地區(qū)電網(wǎng)為實(shí)例對象進(jìn)行系統(tǒng)搭建。該區(qū)域高壓配電網(wǎng)輸變電容量約為5 680 MV·A，供電面積約為2 500 km2，約占系統(tǒng)總規(guī)模的1/3?；谠摰貐^(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)中所截取的CIM 數(shù)據(jù)文件，該運(yùn)行控制與決策支持系統(tǒng)采用所開發(fā)的高壓配電網(wǎng)通用信息模型，可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有CIM 數(shù)據(jù)庫、計(jì)算模型間的信息交互，以協(xié)同優(yōu)化、輔助調(diào)控為核心，從而支撐地區(qū)調(diào)度的運(yùn)行優(yōu)化，其體系架構(gòu)如圖1 所示。圖中，F(xiàn)U表示功能單元，是DCU和ALU的統(tǒng)稱。

圖1 體系架構(gòu)Fig.1 System architecture

結(jié)合城市高壓配電網(wǎng)的運(yùn)行特性，從工程實(shí)踐應(yīng)用的角度出發(fā)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)表達(dá)，沙盤推演-可視化互動，優(yōu)化調(diào)度策略應(yīng)用，檢修集中狀態(tài)下的最優(yōu)轉(zhuǎn)供策略制定，基于預(yù)案生成、查詢、反演的圖模一體化［18］，報表智能形成等功能，包含用戶管理、基礎(chǔ)信息展示、調(diào)度控制、數(shù)據(jù)管理等模塊，具體功能如附錄B圖B1所示。

4.1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)表達(dá)

考慮到高壓配電網(wǎng)站內(nèi)外接線、運(yùn)行方式復(fù)雜，為突出重點(diǎn)，以典型內(nèi)橋接線／單母線分段接線為例，其運(yùn)行狀態(tài)可分為“正常運(yùn)行”“變壓器分列運(yùn)行”“高壓母線運(yùn)行-變壓器停役”“高壓母線-變壓器均停役”4 類典型運(yùn)行方式；上述狀態(tài)下的高壓配電網(wǎng)采用所定義的變電單元類予以描述，可得到如附錄B 圖B2 所示的高壓配電網(wǎng)變電單元典型方式?；谏鲜鏊_發(fā)的變電單元通用信息模型，在擴(kuò)展CIM 聚合操作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其可視化及高級應(yīng)用界面，相比于傳統(tǒng)地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)的表達(dá)方式，具備如下優(yōu)勢：

1）基于規(guī)范化的變電單元類，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)廠站圖等多個圖層間的綜合顯示，在實(shí)現(xiàn)對設(shè)備維度降維的同時，更加符合調(diào)度員在實(shí)際工作中的分析思維與操作習(xí)慣；

2）所應(yīng)用的110 kV系統(tǒng)涉及2 604個開關(guān)量，通過對信息物理模型的簡化抽取及高效聚合，全局所需關(guān)注狀態(tài)量壓縮至372 個，在實(shí)現(xiàn)決策變量降維的同時，可提升地區(qū)調(diào)度對關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)的把控能力。

4.2 算例分析

4.2.1 算例系統(tǒng)說明

以某城市電網(wǎng)為例驗(yàn)證所提方法的有效性。該系統(tǒng)共包含23 座220 kV 變電站、28 條220 kV 輸電線路、100 個110 kV 高壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、140 條110 kV線路、60個輸配電網(wǎng)接口，峰值負(fù)荷達(dá)到2 232.8 MW，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見附錄C 圖C1。其中，高壓配電網(wǎng)共分為26 個組別，如圖C1 中陰影部分所示。假設(shè)儲能電站、大規(guī)模集中式光伏電廠通過220 kV 電壓等級的輸電網(wǎng)并網(wǎng)，兩者在該系統(tǒng)中的配置分別見附錄C表C1 和表C2，儲能配置容量為400 MW·h，光伏電廠最大出力功率為300 MW。

4.2.2 測試結(jié)果

為驗(yàn)證本文方法的優(yōu)越性，擬設(shè)置如下3 種場景。場景1：僅考慮高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略。在該場景下，儲能不參與運(yùn)行優(yōu)化，僅通過負(fù)荷轉(zhuǎn)供滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行約束，優(yōu)化前后線路運(yùn)行狀況如附錄D 圖D1所示，由圖可知，若不采取任何手段，則部分線路在某些時段存在嚴(yán)重的過載狀況，當(dāng)采取高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供后，線路重過載的情況得到一定程度的緩解。場景2：僅考慮儲能優(yōu)化策略。在該場景下，僅通過儲能充放電策略滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行約束，優(yōu)化后線路運(yùn)行狀況如附錄D 圖D2 所示，由圖可知，僅通過儲能的充放電策略同樣能將線路負(fù)載率限制在最大容許范圍內(nèi)。場景3：考慮高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供及儲能充放電策略的協(xié)同優(yōu)化策略，即本文所提協(xié)同優(yōu)化策略。優(yōu)化前后線路運(yùn)行狀況如附錄D 圖D3所示。由圖可知，優(yōu)化后的線路負(fù)載率均在最大容許范圍內(nèi)，輸電網(wǎng)過載進(jìn)一步得到緩解。3 種場景下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移容量、清潔能源消納情況以及切負(fù)荷量對比如表2所示。

表2 優(yōu)化結(jié)果對比Table 2 Comparison of optimization results

由表2 可知，場景1 僅考慮高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，棄光量達(dá)234.45 MW·h；場景2 僅考慮儲能充放電策略，棄光量較場景1 有所下降；而場景3 同時考慮高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供及儲能充放電策略，僅有1 個高壓配電網(wǎng)分組發(fā)生重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了清潔能源及負(fù)荷全部消納。

由上述分析可知，僅考慮高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供或儲能充放電策略，其控制代價較大且效果有限。一方面，僅依靠負(fù)荷轉(zhuǎn)供的調(diào)控方式難以避免頻繁的倒閘操作，存在運(yùn)行風(fēng)險；另一方面，僅依靠儲能調(diào)節(jié)會因頻繁的充放電而降低儲能的使用壽命，從而削弱其經(jīng)濟(jì)性。而采用本文所提考慮儲能充放電策略及高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供協(xié)同控制后，可進(jìn)一步提升清潔能源及負(fù)荷消納力度，同時可降低負(fù)荷轉(zhuǎn)供頻次，究其原因，這是因?yàn)閮δ茈娬眷`活的充放電功率調(diào)節(jié)和供蓄能力能夠動態(tài)提升線路容量，在降低負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本的同時可保證連續(xù)斷面下各個局部都留有充足的供電裕度，以應(yīng)對系統(tǒng)在調(diào)峰期間復(fù)雜的運(yùn)行工況，避免頻繁的負(fù)荷轉(zhuǎn)供風(fēng)險。

4.2.3 計(jì)算效率對比

選取某時間斷面，從計(jì)算時間和性能表現(xiàn)兩方面，對本文所構(gòu)建的雙層優(yōu)化模型與傳統(tǒng)計(jì)算模型進(jìn)行對比，可得到如下結(jié)論。

1）上層優(yōu)化模型：本文構(gòu)建的上層優(yōu)化模型所需計(jì)算時間僅為6.43 s，符合在線應(yīng)用需求，且最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)也在可接受范圍內(nèi)，表明需要較少的轉(zhuǎn)移容量即可消除輸電線路過載。

2）下層優(yōu)化模型：本文首先將高壓配電網(wǎng)進(jìn)行分組，并采用分布式求解的方式求解每一個分組內(nèi)的負(fù)荷轉(zhuǎn)供問題，為驗(yàn)證本文所提模型帶來的計(jì)算性能提升，將該模型記為模型1，并將集中式優(yōu)化模型（即一次優(yōu)化全部高壓配電網(wǎng)拓?fù)洌┯洖槟Ｐ?，采用CPLEX 求解器求解，得到模型1 迭代2 次的總計(jì)算時間為3.67 s，模型2 的總計(jì)算時間不小于1 h。由此可知，傳統(tǒng)集中式優(yōu)化模型所需優(yōu)化時間較長，無法在1 h內(nèi)給出優(yōu)化結(jié)果，而本文所提方法采用分布式并行的計(jì)算方式，可實(shí)現(xiàn)對每個分組重構(gòu)模型的獨(dú)立求解，僅需迭代2 次，3.67 s 即可完成優(yōu)化，計(jì)算效率進(jìn)一步提高，更適合在線應(yīng)用。

4.3 沙盤推演-可視化互動

傳統(tǒng)地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)大多依賴于調(diào)度人員知識經(jīng)驗(yàn)的調(diào)控方式，不僅難以挖掘高壓配電網(wǎng)調(diào)控能力，更無法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)配電網(wǎng)方式調(diào)整的自動優(yōu)化，難以實(shí)現(xiàn)某一斷面的計(jì)算態(tài)分析，還可能加劇系統(tǒng)的潛在運(yùn)行風(fēng)險。沙盤推演作為模擬實(shí)戰(zhàn)演練的分析工具，可結(jié)合可視化互動技術(shù)，通過整合當(dāng)前高壓配電網(wǎng)現(xiàn)有靈活調(diào)控資源，構(gòu)建完整的可觀調(diào)控信息平臺，為高壓配電網(wǎng)處于復(fù)雜運(yùn)行場景下的方式調(diào)整提供快速分析及調(diào)控支撐，從而輔助運(yùn)行人員正確決策［19］。

4.3.1 線路過載緩解場景

該輔助決策系統(tǒng)可支撐城市高壓配電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行場景下的優(yōu)化調(diào)度。以線路過載緩解場景為例，通過選擇操作時間段及執(zhí)行不同優(yōu)化策略，使得系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險得到有效緩解，其可視化應(yīng)用如附錄E圖E1（a）所示。優(yōu)化后的拓?fù)鋱D上將顯示更新后的設(shè)備狀態(tài)信息，以儲能設(shè)備為例，可方便查閱包括其站名、所屬ID、額定容量／功率、當(dāng)前充放電功率、電池荷電狀態(tài)等信息，通過點(diǎn)擊拓?fù)鋱D上的儲能站點(diǎn)標(biāo)識，也可將其運(yùn)行狀況以曲線圖、柱狀圖的方式進(jìn)行展示。同時，左下角窗口可展示轉(zhuǎn)供過程中所涉及的開關(guān)動作序列信息，通過點(diǎn)擊開關(guān)名稱，可定位到拓?fù)鋱D上開關(guān)的對應(yīng)位置，并支持以Excel報表的形式將系統(tǒng)運(yùn)行簡報導(dǎo)出至客戶端，方便調(diào)度人員查閱，其可視化應(yīng)用如附錄E圖E1（b）、（c）所示。

4.3.2 主變停電檢修場景

由于轉(zhuǎn)供過程中涉及大范圍的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，高壓開關(guān)的時序操作往往伴隨著較大的潛在風(fēng)險［20］。為提高城市高壓配電網(wǎng)檢修及運(yùn)行方式調(diào)整下的靈活可靠性，實(shí)現(xiàn)檢修集中狀態(tài)下的最優(yōu)轉(zhuǎn)供策略制定，該輔助決策系統(tǒng)可結(jié)合該地區(qū)實(shí)際情況制定設(shè)備檢修的推演預(yù)案，通過時間選擇可模擬當(dāng)天任意時刻的檢修計(jì)劃安排，該過程中充分考慮了轉(zhuǎn)供時序的操作風(fēng)險，通過設(shè)置轉(zhuǎn)供風(fēng)險約束，將不滿足約束的開關(guān)序列排除，輔助調(diào)度人員在可行解中快速、精準(zhǔn)地找到一組較優(yōu)的、可操作的開關(guān)序列。其操作界面如附錄E 圖E2所示，針對該地區(qū)110 kV 主變的檢修停電場景，在選擇合適的檢修時間段后進(jìn)行模擬檢修操作，將其變壓器及旁路開關(guān)設(shè)置為檢修狀態(tài)，此時該臺主變的可視化狀態(tài)由藍(lán)色實(shí)線圈轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色虛線圈，通過執(zhí)行不同優(yōu)化策略模擬系統(tǒng)檢修運(yùn)行下的工況，根據(jù)前后潮流及運(yùn)行狀態(tài)的變化進(jìn)行預(yù)案的操作分析［21］，為調(diào)度人員提供檢修停電事件下的模擬沙盤運(yùn)行。該檢修預(yù)案的過程推演主要包括檢修前運(yùn)行狀態(tài)評估、檢修設(shè)備設(shè)置、檢修狀態(tài)下的最優(yōu)轉(zhuǎn)供策略制定3個環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

本文提出了考慮儲能充放電策略及高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供的協(xié)同優(yōu)化策略，并從自動化信息模型與工程應(yīng)用的角度出發(fā)，研發(fā)滿足高壓配電網(wǎng)靈活調(diào)度的運(yùn)行控制與決策支持系統(tǒng)，主要結(jié)論如下。

1）所提協(xié)同優(yōu)化策略可實(shí)現(xiàn)清潔能源及負(fù)荷的全部消納，與僅考慮單一調(diào)節(jié)手段的優(yōu)化策略相比，其優(yōu)化效果更加明顯。由測試算例可知，負(fù)荷轉(zhuǎn)移容量由94.89 MW·h 下降為35.32 MW·h，同比下降了62.8 %，表明考慮儲能充放電策略后，高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移容量顯著降低，從而有效避免高壓配電網(wǎng)開關(guān)頻繁動作，降低運(yùn)行風(fēng)險。

2）所開發(fā)系統(tǒng)適用于高壓配電網(wǎng)檢修及運(yùn)行方式調(diào)整下的轉(zhuǎn)供時序操作判定，靈活適應(yīng)調(diào)度人員檢修及運(yùn)行方式調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)城市高壓配電系統(tǒng)分布式新能源及儲能廣泛發(fā)展的運(yùn)行方式優(yōu)化以及調(diào)峰與負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略制定。

隨著未來城市新能源設(shè)備和新型電氣傳輸形態(tài)的高滲透式應(yīng)用，如何在更精細(xì)電網(wǎng)模型條件下，制定更為合理的城市高壓配電網(wǎng)多維度優(yōu)化運(yùn)行策略，探索基于新型變電單元的城市電網(wǎng)運(yùn)行方式及輔助決策方法將是下一步的研究重點(diǎn)。

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