源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同主動(dòng)配電網(wǎng)分布魯棒優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

張曉毅，高振峰，孫雷

（國(guó)網(wǎng)冀北綜合能源服務(wù)有限公司，北京 100142）

可再生能源大量并網(wǎng)，使得電力系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，這些問(wèn)題主要包括接觸點(diǎn)電壓、電流突然升高、諧波干擾嚴(yán)重、新能源消納困難等。隨著電力系統(tǒng)的改造和智能化配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，電力系統(tǒng)改造和智能化配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)推動(dòng)了電力系統(tǒng)的巨大變革。現(xiàn)代配電網(wǎng)絡(luò)除了負(fù)責(zé)配電外，還配備了大量終端監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。近幾年，圍繞“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的積極配網(wǎng)協(xié)調(diào)與優(yōu)化運(yùn)營(yíng)受到了越來(lái)越多的重視。目前，提出了一種基于需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)資源的協(xié)調(diào)方法，該方法通過(guò)改善供需雙方資源的協(xié)同控制，有效地解決了目前電網(wǎng)中存在的隨機(jī)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)成本最低，以此為目標(biāo)構(gòu)建“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”最優(yōu)調(diào)度模型[1]；后來(lái)提出了一種分布式多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法，該方法將局部多項(xiàng)資源與能量存儲(chǔ)單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了分布式電源的聯(lián)合輸出。將分析結(jié)果及時(shí)反饋到區(qū)域調(diào)度層，充分考慮并發(fā)揮了配電網(wǎng)絡(luò)的自主性[2]。由于源網(wǎng)荷儲(chǔ)變量的多維度性，所以這兩種方法都很難優(yōu)化調(diào)度配電網(wǎng)。針對(duì)這一問(wèn)題，構(gòu)建了一種“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同的魯棒優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同魯棒優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能有效地改善電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，使配電網(wǎng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，基于智能設(shè)備，構(gòu)建了基于智能設(shè)備的多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度結(jié)構(gòu)。利用智能終端裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集與優(yōu)化控制[3]。

1.1 接口適配器

IEC61968 總線將配電網(wǎng)絡(luò)與微網(wǎng)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合起來(lái)，并利用接口適配器來(lái)獲得電力網(wǎng)調(diào)度的能力，從而達(dá)到最優(yōu)調(diào)度[4]。

接口適配器使對(duì)象類(lèi)和適配器類(lèi)分離，在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)現(xiàn)有的類(lèi)型進(jìn)行復(fù)用。該結(jié)構(gòu)既增強(qiáng)了類(lèi)的可視化和可重用性，將特定業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程封裝在適配器中，在增強(qiáng)適配器可用性的同時(shí)，使用戶端能夠方便查看相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同一個(gè)適配者類(lèi)可以在許多不同的系統(tǒng)中重復(fù)使用[5-6]。

1.2 智能監(jiān)控裝置

在配電網(wǎng)絡(luò)中配置智能監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)有功處理的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的采集與上傳。通過(guò)對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同主動(dòng)配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)不受篡改和盜用[7-8]。

智能監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，將可控負(fù)荷設(shè)置在可控負(fù)荷側(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)可控負(fù)荷的電力需求，并具備雙向通信功能，滿足電力通信直流規(guī)約[9]。采用縱向加密技術(shù)，確保了調(diào)度和用戶的需要，并保證了調(diào)度過(guò)程和用戶使用的私密性[10]。

1.3 配網(wǎng)綜合調(diào)度中心

配網(wǎng)綜合調(diào)度中心是負(fù)荷調(diào)度系統(tǒng)的核心，全部負(fù)荷信息匯集到調(diào)度中心，使其具備實(shí)時(shí)發(fā)電、負(fù)荷預(yù)測(cè)、負(fù)荷側(cè)雙向通信等多種功能，并利用實(shí)時(shí)電價(jià)指導(dǎo)、負(fù)荷曲線配置等方式，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)跟蹤[11]。

在多源數(shù)據(jù)融合中，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，并在主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)模擬設(shè)計(jì)最優(yōu)調(diào)度方案，以達(dá)到多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的閉環(huán)模式管理[12-13]。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同魯棒優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)軟件部分，主要包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1：獲取源網(wǎng)荷儲(chǔ)的運(yùn)行參量數(shù)據(jù)；

步驟2：根據(jù)獲取的運(yùn)行參量數(shù)據(jù)以及預(yù)設(shè)調(diào)度模型，得到源網(wǎng)荷儲(chǔ)的調(diào)度控制策略[14]；

1）源網(wǎng)荷儲(chǔ)供電可靠性

系統(tǒng)的可靠度是以用戶的斷電損耗為度量的，當(dāng)電源供應(yīng)不足或斷電對(duì)用戶和供電公司造成的經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，利用故障列舉法對(duì)用戶的損耗進(jìn)行估計(jì)，其計(jì)算步驟如下：

系統(tǒng)停電損失期望，計(jì)算公式為：

式中，fI表示系統(tǒng)缺供電損失率；ZNS(t)表示主動(dòng)配電網(wǎng)群供電不足期望值，該值由主動(dòng)配電網(wǎng)負(fù)荷功率損失決定，其計(jì)算公式為：

式中，A表示不可用參數(shù)組合；B表示可用參數(shù)組合；i、j分別表示機(jī)組編號(hào)；Wi(t)、Wj(t) 分別表示機(jī)組i、j在時(shí)間t下的輸出功率；Ri(t)表示發(fā)電單元[15]。

2）調(diào)度模型構(gòu)建

1 目標(biāo)函數(shù)確定

配電網(wǎng)的供電可靠性最高，供電可靠性主要體現(xiàn)在配電網(wǎng)側(cè)綜合負(fù)荷曲線的波動(dòng)情況，由供電負(fù)荷波動(dòng)幅度和波動(dòng)率共同評(píng)價(jià)[16]。

目標(biāo)函數(shù)f1可表示為：

②約束條件

對(duì)于分布式電源出力約束：主動(dòng)配電網(wǎng)中電源實(shí)際輸出的功率，應(yīng)該在分布式電源功率輸出的最小值和最大值之間；

對(duì)于節(jié)點(diǎn)電壓約束：主動(dòng)配電網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的電壓值，應(yīng)該在分布式電源實(shí)際電壓輸出的最小值和最大值之間；

對(duì)于支路功率約束：主動(dòng)配電網(wǎng)在某條線路輸送的功率，應(yīng)該在支路功率的最小值和最大值之間；

對(duì)于總功率守恒約束：在不同時(shí)刻主動(dòng)配電網(wǎng)的總功率守恒約束，由常規(guī)機(jī)組有功輸出功率WE(t)、不可控負(fù)荷需要的有功功率WM(t)決定，公式可表達(dá)為：

通過(guò)式（4）能夠得到總功率守恒結(jié)果，然而，由于源網(wǎng)荷儲(chǔ)變量的多維度性，存在大量不確定性參數(shù)，所以為了提供系統(tǒng)魯棒性，應(yīng)將問(wèn)題描述成：

式中，x、y分別表示決策變量和不確定量；gi(x,y)表示約束條件函數(shù)；z表示有界閉集。

步驟3：協(xié)同調(diào)度控制策略。

魯棒優(yōu)化核心在于惡劣場(chǎng)景下的優(yōu)化調(diào)度方案，源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同調(diào)度指的是充分利用主動(dòng)配電網(wǎng)中的電力儲(chǔ)能和負(fù)荷，配合可再生能源并網(wǎng)后，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良性互動(dòng)，進(jìn)而保證主動(dòng)配電網(wǎng)供電具有可靠性。

在主動(dòng)配電網(wǎng)中，可將電力系統(tǒng)魯棒優(yōu)化調(diào)度分成日前調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度這兩個(gè)階段，詳細(xì)調(diào)度內(nèi)容為：

在日前調(diào)度階段，通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的功率分配和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載進(jìn)行了預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)誤差，將20%的儲(chǔ)能系統(tǒng)作為備用余量。將能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)與彈性負(fù)荷之間的限制與可調(diào)用能力相結(jié)合，對(duì)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)與負(fù)荷收集器的日前調(diào)用計(jì)劃，并針對(duì)不同使用者狀況，制定了相應(yīng)的反應(yīng)方案，并與客戶進(jìn)行溝通[17-18]。

在實(shí)時(shí)調(diào)度階段，每隔15 min 對(duì)分配電源與負(fù)荷功率的輸出偏差進(jìn)行校正，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最終充放電效果。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況分析

開(kāi)發(fā)區(qū)為一地區(qū)光電產(chǎn)業(yè)聚集的高科技園區(qū)，面積30 km2。該地區(qū)包括兩臺(tái)主變壓器，分別是編號(hào)為1 的容量為50 MVA 的10.5 kV 主變壓器、編號(hào)為2 的容量為160 MVA 的20 kV 主變壓器。這兩個(gè)變壓器位于該區(qū)域中心位置，承擔(dān)了全部負(fù)荷，2020 年的最大發(fā)電量是95.80 MW。供電區(qū)目前有180 MW并網(wǎng)的光伏發(fā)電能力，近期規(guī)劃的光伏發(fā)電量為45～55 MW。

大規(guī)模的分布式光伏（PV）接入將使新區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)特性發(fā)生巨大變化。首先，由于光伏接地密度大，使得潮流分布不均，且存在大量的待機(jī)情況，這就給配電網(wǎng)的分配造成了一定的難度。

選擇2 號(hào)主變壓器總功率進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 2號(hào)主變壓器總功率

由表1 可看出，主變壓器分布并不均勻，出現(xiàn)倒送情況。主變壓器不僅區(qū)域內(nèi)光伏消納效率不佳，還存在過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用基于需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)資源的協(xié)調(diào)方法、基于分層分布式多源協(xié)調(diào)方法、分布魯棒優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)比分析負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度安排情況，如圖3所示。

圖3 三種方法負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度對(duì)比分析

由圖3 可知，使用基于需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)資源的協(xié)調(diào)方法與理想調(diào)度相比，在100～150 min、150～200 min 內(nèi)，出現(xiàn)了不應(yīng)該參與的調(diào)控階段，在0～100 min 內(nèi)，參與的調(diào)控階段一致，并且負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度最大誤差為0.04 MW；使用基于分層分布式多源協(xié)調(diào)方法與理想調(diào)度相比，在50～100 min、150～200 min 內(nèi)，出現(xiàn)了不應(yīng)該參與的調(diào)控階段，在0～50 min、250～300 min 內(nèi)，參與的調(diào)控階段一致，并且負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度最大誤差為0.04 MW；使用分布魯棒優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)與理想調(diào)度相比，參與的調(diào)控階段一致，并且負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度最大誤差為0.01 MW。綜上所述，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度安排效果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電力市場(chǎng)中的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同主動(dòng)配電網(wǎng)分布魯棒進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行了主動(dòng)分配。在電力系統(tǒng)中，合理地使用各類(lèi)資源，并制訂相應(yīng)的控制策略，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)調(diào)度的關(guān)鍵。結(jié)合配電網(wǎng)內(nèi)部源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源建立了優(yōu)化調(diào)度方法，但還不完善，有待于深入探討。目前，我國(guó)配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究和完善，主要是針對(duì)配電網(wǎng)的控制策略，構(gòu)建配電網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化模型。