大數(shù)據(jù)聯(lián)盟下一種分布式光伏資源共享算法設(shè)計

劉洋　劉吉成

摘要：為了提升分布式光伏資源利用率，提高時均用電效率，提出大數(shù)據(jù)聯(lián)盟下分布式光伏資源共享算法。依據(jù)光伏發(fā)電-電-用電價值鏈建立資源共享目標(biāo)，并在約束條件下利用線性電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型建立主導(dǎo)節(jié)點選擇矩陣，劃分資源共享集群。針對集成的分布式光伏資源，依據(jù)大數(shù)據(jù)聯(lián)盟理論，將資源共享分為兩種資源共享模式，建立資源共享動態(tài)模型，實現(xiàn)資源共享。結(jié)果表明，所提方法的資源共享效果較好，能夠有效提升資源利用率，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：分布式光伏資源；資源共享；價值鏈；資源利用率；時均用電效率

中圖分類號：TM73 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-1646（2024）01-0109-06

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對于能源的需求不斷增長，引發(fā)了越來越多的環(huán)境問題。以非可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)無法滿足環(huán)保需求，因此，人們將目光轉(zhuǎn)移向風(fēng)力、光伏、水電等清潔能源，尤其是光伏資源具有分布范圍廣、開發(fā)潛力大等特點，成為最受到關(guān)注的能源?？紤]到光伏能源的分散性，分布式光伏資源的集中共享成為亟待解決的問題之一。

相關(guān)學(xué)者提出了自己的看法：羅首權(quán)等根據(jù)可調(diào)度資源的歸屬主體，明確區(qū)域可調(diào)度資源種類，在保證主體利益平衡的基礎(chǔ)上，建立以用電滿意度最高為目標(biāo)的雙層優(yōu)化共享模型。通過目標(biāo)級聯(lián)分析法不斷調(diào)整調(diào)度資源量，實現(xiàn)分布式資源的集中分配。但是，該算法需要調(diào)度大量聯(lián)動的硬件資源，運行成本較高，時均用電效率較低。付文杰等為了解決分布式資源集中共享問題，設(shè)計一種雙層規(guī)劃模型，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)分布式資源容量優(yōu)化。雖然方法按照強對偶理論將規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)公式進行求解，但是方法以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為設(shè)計基礎(chǔ)，要求執(zhí)行過程不能中斷，導(dǎo)致其抗干擾能力較差。陳瑞捷等從光伏出力不確定性人手，設(shè)計一種以模糊集理論為核心的兩階段調(diào)度模型。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)設(shè)計資源調(diào)度的約束條件后，優(yōu)化調(diào)度模型，得到合理的資源共享方案。但是，該方法分階段調(diào)度過程中相互之間缺少協(xié)調(diào)機制，應(yīng)用后資源利用率依舊較低。以解決上述共享算法的不足為目標(biāo)，本文基于大數(shù)據(jù)聯(lián)盟理論，設(shè)計了一種分布式光伏資源集成共享算法，力圖解決當(dāng)前存在的問題。

1 算法設(shè)計與應(yīng)用

1.1 建立光伏資源共享目標(biāo)約束條件

在資源集成共享算法設(shè)計中，首先需要建立共享目標(biāo)約束條件，在此基礎(chǔ)上完成后續(xù)計算。針對分布式光伏資源的運行模式，可以得出光伏發(fā)電一儲能一用電價值鏈。資源共享目標(biāo)約束條件的建立需要從價值鏈節(jié)點活動人手。光伏發(fā)電-儲能-用電價值鏈節(jié)點之間的互動關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，在價值鏈中通過光伏節(jié)點進行發(fā)電，為儲能節(jié)點、用電節(jié)點提供能源支持。而儲能節(jié)點的主要職能是保存日常供電后剩余的光伏資源，也是資源共享的主體。以此為基礎(chǔ)建立目標(biāo)約束條件，具體包括兩個優(yōu)化目標(biāo)，分別是能源交易總利潤和用電效率。

實際計算過程中，選取固定時間段，根據(jù)資源共享收益和光伏資源產(chǎn)生成本得到資源共享總利潤，計算表達式為

式中：λ為光伏資源共享總利潤；M為配電網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)量；i為某用戶；T為集中共享時間段；t為時刻；，為用戶在選定時刻通過共享向外輸出的資源量；B為用戶在選定時刻通過共享向內(nèi)輸入的資源量。

用電效率是所有用戶總用電量與光伏資源總發(fā)電量之比，需要注意的是總用電量的計算需要用總用電量減去外部買入電量，即

式中：θ為用電效率；F為光伏電網(wǎng)用電量；J為光伏資源發(fā)電量；D為從外部電網(wǎng)購買電量。在上述兩個共享目標(biāo)的約束下進行光伏資源集中共享研究。

1.2 分布式光伏資源共享集群劃分

考慮到分布式光伏資源會受到外界因素干擾，存在不確定性，為了達到更好的資源共享效果，針對分布式光伏集群進行動態(tài)劃分，實現(xiàn)光伏資源集成處理。文中設(shè)計的光伏集群劃分方法主要包括兩個環(huán)節(jié)：一是主導(dǎo)節(jié)點選擇；二是集群劃分?；诠夥Y源共享區(qū)域的電壓偏差調(diào)節(jié)配電網(wǎng)節(jié)點的無功電源出力，選取區(qū)域內(nèi)二次指標(biāo)最小的節(jié)點為主導(dǎo)節(jié)點。計算過程中，利用線性電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型建立主導(dǎo)節(jié)點選擇矩陣，結(jié)合靈敏度矩陣進行線性處理，便于集群劃分計算，規(guī)?；植际焦夥潆娋W(wǎng)線性化矩陣可表示為

式中：S1、S2、S3、S4為節(jié)點靈敏度矩陣；AX為擾動增量；△Y為控制增量；△C為負荷節(jié)點的電壓增值；△V為負荷節(jié)點無功功率的變化量?？紤]到光伏資源共享區(qū)域內(nèi)往往包含多個負荷節(jié)點，為了準(zhǔn)確選取主導(dǎo)節(jié)點，設(shè)計主導(dǎo)節(jié)點η的目標(biāo)約束條件G為

η（G）=min（φ△C△V） （4）

式中，φ為對稱權(quán)值。主導(dǎo)節(jié)點選擇結(jié)束后，需要根據(jù)分布式光伏的調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度等特點進行集群劃分，分布式光伏場站的可調(diào)容量是集群成員選取的依據(jù)。將光伏并網(wǎng)逆變器感性無功功率約束區(qū)間表示為

2 共享效果驗證與分析

2.1 實驗背景與場景設(shè)置

在分布式光伏規(guī)?；l(fā)展、多點接人配電網(wǎng)的發(fā)展背景下可知，分布式光伏資源共享的關(guān)鍵問題在于共享集群劃分，因此，要充分考慮資源共享區(qū)域內(nèi)電壓偏差問題，搭建“高光伏出力、低系統(tǒng)負荷”場景驗證所提方法的有效性與可行性。采用MATLAB仿真軟件搭建分布式光伏的典型配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，運用MATLAB軟件搭建的仿真模型中共包含38個可觀測節(jié)點，9個光伏電源以及1個變電站。參考分布式光伏的接入電壓規(guī)模，可以將其劃分為35kV、10kV、380V以及220V四個等級。按照集群劃分結(jié)果，對配電網(wǎng)內(nèi)分布式光伏資源進行集成共享處理。配電網(wǎng)內(nèi)分布式光伏電源的接入信息如表1所示。

根據(jù)表1可知，本次實驗從裝機容量、通信方式兩方面描述光伏接入狀態(tài)。其中，觀測節(jié)點16、27、29、35所接入的光伏電源采用無線局域網(wǎng)進行通信，其余光伏電源的通信方式則是光纖通信。結(jié)合國家制定的供電標(biāo)準(zhǔn)，在測試實驗進行過程中，設(shè)置每個觀測節(jié)點的電壓標(biāo)值在[0.93，1.07]之間。

2.2 實驗數(shù)據(jù)來源

以國電電網(wǎng)電子商務(wù)公司的光伏運維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)1.1節(jié)中建立的光伏資源共享目標(biāo)約束條件，從中抽取能源交易總利潤和用電效率相關(guān)數(shù)據(jù)進行實驗分析。具體的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3 實驗結(jié)果分析

2.3.1 時均用電效率分析

在上述實驗設(shè)置場景下，展開資源共享效果測試。結(jié)合式（2）得出資源共享后仿真系統(tǒng)的時均用電效率，并以此來反映文中設(shè)計算法的有效性。選用文獻[3]方法和文獻[4]方法在仿真環(huán)境中進行光伏資源共享處理，同樣計算優(yōu)化后24h系統(tǒng)時均用電效率，得到圖3所示的用電效率對比圖。

根據(jù)圖3可知，相比其他兩種共享方法的優(yōu)化結(jié)果，所提方法的時均用電效率得到了明顯提升。所提方法在資源共享處理之前劃分了分布式光伏資源共享集群，準(zhǔn)確選取主導(dǎo)節(jié)點，有效提升了時均用電效率。

2.3.2 光伏資源利用率分析

為了進一步驗證所提方法分布式光伏資源集成共享效果，將資源利用率作為評價指標(biāo)，以表1中分布式光伏節(jié)點16、20、23、29和35為目標(biāo)，驗證3種方法對上述節(jié)點的資源利用效果，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，所提方法的資源利用率高于文獻[3]方法和文獻[4]方法，通過該方法處理后，光伏資源的利用率始終高于92%，說明其能夠有效提升光伏資源的利用效果，有利于緩解資源浪費問題。所提方法結(jié)合分布式光伏的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)能力等特點對光伏集群進行了劃分，然后再進行集成處理，提升了光伏資源利用率。

2.3.3 資源共享抗干擾效果分析

由于分布式光伏資源會受到外界因素干擾，存在不確定性，因此，從抗干擾效果出發(fā)驗證不同方法的資源共享效果。通過電壓偏差反映抗干擾效果，其計算表達式為

式中：U為實際電壓；UN為電網(wǎng)標(biāo)稱電壓。根據(jù)式（15）計算得出不同方法的電壓偏差，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，在實驗開始階段3種方法的電壓偏差變化趨勢明顯，其中，文獻[3]方法呈現(xiàn)出快速下降的特點；文獻[4]方法呈現(xiàn)出快速上升的特點；而所提方法的電壓偏差則保持在相對穩(wěn)定的變化區(qū)間。通過對比可知，所提方法的電壓偏差較為穩(wěn)定，說明在分布式光伏資源共享中，所提方法不易受到干擾因素的影響，抗干擾效果較好。本文針對分布式光伏集群進行動態(tài)劃分，并結(jié)合靈敏度矩陣進行線性處理，避免了傳統(tǒng)方法以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)，要求執(zhí)行過程不能中斷的問題，使方法的抗干擾性能得到了提升。

3 結(jié)束語

針對分布式光伏資源的集成共享問題進行研究，提出一種新的共享算法。根據(jù)實驗結(jié)果可知，所提方法有效提升了配電網(wǎng)的時均用電效率，達到了提升光伏資源利用率的目的，同時提升了資源共享的抗干擾效果，說明所提方法的資源共享效果較好，能夠有效提升資源利用效果。下一步研究重點是將用戶不確定性因素融入到共享算法中，實現(xiàn)日前市場與實時市場的資源協(xié)調(diào)調(diào)度。

（責(zé)任編輯：景勇 英文審校：尹淑英）