有源配電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度仿真教學(xué)工具設(shè)計

楊軍　王江　駱亞帥　王楠楠

摘? 要? 為適應(yīng)分布式光伏滲透率不斷提高的有源配電系統(tǒng)運行調(diào)控教學(xué)培訓(xùn)需求，開發(fā)一套仿真和實訓(xùn)工具，從而為學(xué)員提供輔助教學(xué)工具。該工具需具備配電網(wǎng)圖形模型、分布式光伏模擬、發(fā)電功率預(yù)測、數(shù)據(jù)采集、故障處理模擬等功能，可實現(xiàn)基于案例的教學(xué)設(shè)計，能夠滿足學(xué)員針對分布式光伏高滲透率的有源配電系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)的仿真培訓(xùn)需求。通過仿真模擬、案例教學(xué)等多樣化手段，解決傳統(tǒng)教學(xué)方式受時間、設(shè)備等因素的限制，學(xué)員可隨時參與、深度交互，有效提升分布式光伏調(diào)度控制仿真教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞? 分布式光伏；有源配電系統(tǒng)；仿真教學(xué)；案例教學(xué)

中圖分類號：G647.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0037-06

0? 引言

“雙碳”目標(biāo)下，需要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]，我國新能源開發(fā)遵循集中式與分布式并舉的原則，優(yōu)先推動風(fēng)能、太陽能就地就近開發(fā)利用[2]。隨著技術(shù)不斷成熟以及國家政策的不斷推動，分布式光伏裝機(jī)迎來快速發(fā)展。截至2022年6月底，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營范圍分布式新能源裝機(jī)容量1.16億千瓦，華北、華中、華東分布式光伏滲透率分別為17.81%、9.85%、9.92%，傳統(tǒng)配電網(wǎng)正加快向高滲透率分布式光伏的有源配電網(wǎng)演變[3]。

分布式光伏出力具有較強(qiáng)的間歇性、波動性和不確定性，其分散、高滲透接入配電網(wǎng)將導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓波動、越限[4]等問題，影響電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)安全運行[5]。從設(shè)備成本、系統(tǒng)可靠性來看，對分布式光伏的逆變器加以控制[6]，實現(xiàn)無功電壓的可調(diào)可控的目標(biāo)，是目前解決有源配電網(wǎng)無功電壓波動、越限問題的有效手段。有源配電網(wǎng)電壓控制可以采用多種方法，包括基于靈敏度的本地控制[7]、分層分區(qū)控制[8]、群調(diào)群控[9]、多時間尺度協(xié)調(diào)控制[10]、基于柔性互聯(lián)設(shè)備的電壓控制[11]、多產(chǎn)銷者互動調(diào)壓[12]等。針對配電網(wǎng)及分布式電源調(diào)控仿真模擬，研究者設(shè)計了基于改進(jìn)引力搜索算法的無功優(yōu)化仿真方法[13]、基于虛擬儀器的電壓無功綜合控制系統(tǒng)[14]、光伏發(fā)電并網(wǎng)虛擬仿真系統(tǒng)[15]等。隨著分布式光伏滲透率的不斷提高，傳統(tǒng)仿真方法未充分考慮分布式光伏參與電網(wǎng)調(diào)控的新形勢，不能滿足新型電力系統(tǒng)對學(xué)員專業(yè)知識和素質(zhì)能力的學(xué)習(xí)需求。

為適應(yīng)分布式電源滲透率不斷提高的有源配電系統(tǒng)運行調(diào)控教學(xué)培訓(xùn)需求，亟須開發(fā)分布式電源優(yōu)化調(diào)度仿真實訓(xùn)工具，為學(xué)員提供輔助教學(xué)工具，解決傳統(tǒng)課件式培訓(xùn)受時間、設(shè)備、師資等諸多因素限制，無法達(dá)到有效培訓(xùn)目標(biāo)的問題，使受訓(xùn)人員可以隨時參與、深度交互，并實現(xiàn)豐富的案例教學(xué)，有效提升了分布式光伏調(diào)度控制的仿真教學(xué)效果，為新型電力系統(tǒng)下有源配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)人才培養(yǎng)提供支持。

1? 總體架構(gòu)設(shè)計

1.1? 功能需求

開發(fā)一套有源配電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度仿真和實訓(xùn)工具，通過仿真模擬與案例教學(xué)，提升學(xué)員的理論知識、技術(shù)能力以及專業(yè)素質(zhì)。

1）在理論知識方面，能夠使學(xué)員掌握有源配電網(wǎng)圖形模型及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒?，掌握分布式光伏出力特點及預(yù)測方法，掌握分布式光伏有功及無功控制能力及特點，掌握分布式光伏對配電網(wǎng)電壓影響分析計算方法，掌握分布式光伏自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）、自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）、一

次調(diào)頻（Primary Frequency Regulation，PFR）等的機(jī)理和方法，理解分布式光伏群調(diào)群控的原理和生成方法。

2）在技術(shù)能力方面，能夠使學(xué)員提升有源配電網(wǎng)運行狀態(tài)分析與判讀能力，掌握分布式電源調(diào)控指令下發(fā)及操作能力，提升基于理論知識和現(xiàn)代工具分析和解決工程實際問題的能力。

3）在專業(yè)素養(yǎng)方面，能夠培養(yǎng)學(xué)員“雙碳”和生態(tài)文明意識；具備自主學(xué)習(xí)、適應(yīng)發(fā)展和終身學(xué)習(xí)的意識和素養(yǎng)，具備工程倫理的理念。

1.2? 系統(tǒng)運行環(huán)境

系統(tǒng)運行環(huán)境如圖1所示，主要包括用于分布式光伏模擬的工作站1臺，用于模擬數(shù)據(jù)采集模塊的工作站（或?qū)嶓w通信管理機(jī)）1臺，交換機(jī)1臺，用于模擬調(diào)度主站的服務(wù)器1臺。將分布式電源調(diào)度培訓(xùn)系統(tǒng)安裝在調(diào)度模擬服務(wù)器上，服務(wù)器通過IEC104規(guī)約[16]實時采集分布式光伏模擬工作站的數(shù)據(jù)，并通過客戶端/服務(wù)器模式與多個操作站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。學(xué)員通過培訓(xùn)操作站查看配電網(wǎng)運行狀態(tài)，通過調(diào)度主站模擬服務(wù)器下達(dá)指令，調(diào)整與優(yōu)化分布式光伏運行狀態(tài)。

2? 仿真模擬教學(xué)設(shè)計

有源配電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度教學(xué)工具需要具備配電網(wǎng)圖形模型、分布式光伏仿真模擬等功能，使學(xué)員有效掌握有源配電網(wǎng)調(diào)控知識和技能。仿真模擬教學(xué)設(shè)計主要包括光伏運行模擬、發(fā)電預(yù)測、數(shù)據(jù)采集、調(diào)度模擬以及案例定義等主要功能模塊。

2.1? 配電網(wǎng)圖形模型

如圖2所示，基于電氣元件模型及連接關(guān)系構(gòu)建有源配電網(wǎng)拓?fù)洌瑢崟r顯示配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，使學(xué)員掌握有源配電網(wǎng)圖形模型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；掌握分布式光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響分析與仿真方法；掌握有源配電網(wǎng)運行狀態(tài)分析與判斷能力。

2.2? 光伏配置

分布式光伏模擬模塊，包括曲線配置、光伏運行實時數(shù)據(jù)生成等功能，用于模擬分布式光伏運行。光伏出力特性與光照強(qiáng)度密切相關(guān)，具有間歇性、隨機(jī)性和波動性，學(xué)員可以對其出力曲線進(jìn)行配置。從而掌握分布式光伏發(fā)電原理，掌握伏安特性曲線與最大功率點跟蹤原理，掌握光照、溫度對光伏出力的影響趨勢，以及光伏發(fā)電量分析計算方法。

光伏配置的典型曲線如圖3和圖4所示，在晴朗天氣，光伏出力類似于正弦半波。在多元天氣，由于光照強(qiáng)度波動較大，導(dǎo)致光伏出力發(fā)生較大波動，秒級最大降幅可達(dá)50%以上。

2.3? 功率預(yù)測

配電網(wǎng)運行調(diào)度需要建立在對電源出力的準(zhǔn)確預(yù)測基礎(chǔ)之上[17]，通過功率預(yù)測模塊使學(xué)員理解分布式光伏功率預(yù)測對配電網(wǎng)調(diào)度控制的重要意義，理解光照、溫度對光伏出力影響的定量分析方法，理解常用的光伏功率預(yù)測方法，理解光伏預(yù)測絕對誤差、相對誤差、準(zhǔn)確率的計算方法。

分布式光伏發(fā)電預(yù)測，用于預(yù)測分布式光伏發(fā)電曲線、最大理論可發(fā)等數(shù)據(jù)，包括短期預(yù)測與超短期預(yù)測。短期預(yù)測要求在調(diào)度機(jī)構(gòu)規(guī)定的時間上報次日0時至24時功率曲線，時間分辨率為15分鐘；超短期預(yù)測要求滾動預(yù)測未來15分鐘至4小時的功率曲線，時間分辨率為15分鐘。

在分布式光伏模擬主機(jī)建立光伏預(yù)測的曲線顯示畫面，從Excel導(dǎo)入的光照強(qiáng)度、溫度、歷史發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并模擬氣象信息的預(yù)測值。對每一個分布式光伏單獨設(shè)計一個畫面，每15分鐘更新預(yù)測曲線。將每日的數(shù)據(jù)保存在歷史數(shù)據(jù)庫，并與實際功率曲線進(jìn)行對比，實時展示絕對誤差和相對誤差等。

2.4? 數(shù)據(jù)交互

數(shù)據(jù)交互模塊用于光伏模擬工作站與調(diào)度服務(wù)器的通信交互，包括IEC104服務(wù)端、IEC104客戶端、實時數(shù)據(jù)刷新、指定執(zhí)行等功能，用于采集分布式光伏模擬模塊數(shù)據(jù)和執(zhí)行調(diào)度模擬模塊下發(fā)指令。通過數(shù)據(jù)交互模塊，使學(xué)員理解IEC104通信規(guī)約的機(jī)理與數(shù)據(jù)交互過程；理解分布式光伏可觀可測可調(diào)可控，對數(shù)據(jù)采集范圍及控制等功能的需求，以及對通信實時性、可靠性等的需求；培養(yǎng)數(shù)據(jù)思維，理解多方式實時數(shù)據(jù)處理和展示的方法；具備工程倫理的理念。

采用IEC104規(guī)約實現(xiàn)配電主站與分布式電源終端的數(shù)據(jù)交互，包括IEC104服務(wù)端、IEC104客戶端、遙測遙信采集、遙控指令執(zhí)行等功能。

2.5? 有源配電網(wǎng)調(diào)度模擬

有源配電網(wǎng)調(diào)度模擬模塊，主要功能包括AVC優(yōu)化、AGC優(yōu)化、群調(diào)群控等，用于模擬分布式光伏與配電網(wǎng)調(diào)度主站。

根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[18]，接入用戶側(cè)的分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點功率因數(shù)應(yīng)實現(xiàn)0.95（超前）～0.95（滯后）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并具備電壓/無功控制，恒定功率因數(shù)和恒定無功功率等控制模式。同時，分布式光伏逆變器宜具備有功功率連續(xù)平滑調(diào)節(jié)的能力，能接受功率控制系統(tǒng)指令調(diào)節(jié)有功功率輸出值。

因此，光伏逆變器需要參與配電系統(tǒng)的調(diào)度控制，為電壓和頻率提供支撐。通過對分布式光伏運行控制的仿真模擬，使學(xué)員掌握分布式光伏逆變器功率控制原理、控制能力及特點；掌握分布式光伏的AVC、AGC、PFR等的原理與方法；掌握調(diào)控指令設(shè)置、下發(fā)及效驗方法；培養(yǎng)靈活運用理論知識分析與解決復(fù)雜工程實際問題的能力。

1）AVC指令下發(fā)。學(xué)員可以為各個分布式光伏站點下達(dá)AVC指令，當(dāng)并網(wǎng)點的電網(wǎng)電壓幅值越限時能夠按照可調(diào)整的Q-V下垂曲線去自動控制無功輸出。AVC功能如圖5所示，具體可設(shè)置參數(shù)包括無功功率值、死區(qū)范圍等。

2）AGC指令下發(fā)。分布式光伏的AGC指令下發(fā)可以與AVC系統(tǒng)兼容設(shè)計，共用底層控制器，增加上層有功功率控制功能即可。如圖6所示，學(xué)員可以下達(dá)AGC指令，包括有功功率設(shè)定值、調(diào)整范圍等。

3）PFR指令下發(fā)。隨著分布式光伏滲透率逐漸增大，PFR是提高電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性不可或缺的技術(shù)要求。學(xué)員可以根據(jù)并網(wǎng)點頻率信息，快速調(diào)節(jié)分布式電源有功出力，實現(xiàn)有功—頻率下垂響應(yīng)的控制功能。PFR控制功能模擬如圖7所示，當(dāng)電網(wǎng)頻率高于額定頻率時，分布式電源有功功率可最低向下調(diào)節(jié)額定出力的10%；當(dāng)電網(wǎng)頻率低于額定頻率時，由于一般運行于最大功率跟蹤點，不具備增加有功功率的能力；當(dāng)存在有功功率備用，或者額外的儲能裝置時，方可具備雙向有功—頻率調(diào)節(jié)能力。

4）群調(diào)群控功能。以電氣距離接近、集中管控為原則，分層分區(qū)實現(xiàn)分布式電源的集群化調(diào)節(jié)（多個分布式電源集中響應(yīng)控制及調(diào)度指令），參與配電網(wǎng)調(diào)壓。學(xué)員可以選擇群控群調(diào)方式包括恒無功功率控制、恒功率因數(shù)控制、分群控制等。分群控制的模擬頁面如圖8所示，學(xué)員可選擇三種調(diào)壓手段以及選擇加入的節(jié)點群對配電網(wǎng)節(jié)點電壓大小進(jìn)行改變。

3? 案例教學(xué)設(shè)計

案例定義模塊，用于裝載系統(tǒng)默認(rèn)案例、提供運行案例自定義功能，實現(xiàn)培訓(xùn)人員深度交互式培訓(xùn)。根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)模、光伏滲透率水平、光伏接入位置與容量、負(fù)荷特性等的區(qū)別，定義不同的案例進(jìn)行模擬。使學(xué)員掌握有源配電網(wǎng)常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接線方式、掌握分布式光伏并網(wǎng)方式、接入位置和容量配置策略。

以學(xué)員為中心，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education， OBE）[19]，設(shè)計有源配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)仿真模擬案例。通過案例教學(xué)，學(xué)員可以掌握分布式光伏運行特性、功率調(diào)節(jié)指令響應(yīng)原理，掌握分布式光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響計算分析方法，掌握基于AVC、AGC調(diào)整節(jié)點電壓的原理與方法，掌握調(diào)控指令下發(fā)及操作流程，提升分析和解決工程實際問題的能力。

基于所開發(fā)的仿真培訓(xùn)軟件開展案例演示，設(shè)置有源配電網(wǎng)圖形模型初始狀態(tài)，局部電壓越限狀態(tài)，通過AVC、AGC的指令下發(fā)操作，觀察電壓變化情況，電壓恢復(fù)正常則案例結(jié)束。

初始狀態(tài)下，在光伏電站2和3接入的節(jié)點及附近出現(xiàn)了節(jié)點電壓越限情況，且光伏接入點3附近的節(jié)點電壓越限程度最大。

電壓調(diào)節(jié)的總體思路如圖9所示，分布式光伏優(yōu)先采用就地控制策略；若節(jié)點電壓仍越限，則采用無功功率調(diào)節(jié)的方式；當(dāng)無功用盡電壓仍未恢復(fù)正常，則采用有功優(yōu)化縮減的方法。

通過AVC控制指令設(shè)置光伏電站的無功出力，圖10為電壓恢復(fù)情況，可見通過AVC調(diào)節(jié)可以使配電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

4? 結(jié)束語

本文設(shè)計和研發(fā)一種有源配電系統(tǒng)調(diào)控模擬仿真教學(xué)培訓(xùn)軟件，具體包括：分布式光伏模擬、發(fā)電功率預(yù)測、數(shù)據(jù)采集、調(diào)度主站模擬、案例定義等功能模塊。軟件已完成部署與應(yīng)用，運行狀態(tài)良好，滿足學(xué)員針對分布式光伏調(diào)控技術(shù)的仿真模擬與教學(xué)培訓(xùn)需求。通過多樣化的教學(xué)手段，解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)方式受時間、設(shè)備條件、師資力量等因素的限制，有效提升了實踐教學(xué)的效果。

5? 參考文獻(xiàn)

[1] 舒印彪，張麗英，張運洲，等.我國電力碳達(dá)峰、碳中和路徑研究[J].中國工程科學(xué)，2021，23（6）：1-14.

[2] 中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見[A/OL].（2022-10-07）[2023-09-08].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-10/24/content_5644613.htm.

[3] 王成山，李鵬，于浩.智能配電網(wǎng)的新形態(tài)及其靈活性特征分析與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（10）：13-21.

[4] Gholami K， Islam M R， Rahman M M， et al. State-of-the-art technologies for volt-var control to?support the penetration of renewable energy into?the smart distribution grids[J].Energy Reports，2022（8）：8630-8651.

[5] Ehsan A， Yang Q. State-of-the-art techniques for modelling of uncertainties in active distribution network planning： A review[J].Applied Energy，2019，239（APR.1）：1509-1523.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 33593-2017.分布式電源并網(wǎng)技術(shù)要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[7] Li P， Ji J， Ji H， et al. MPC-based local voltage control strategy of DGs in active distribution networks[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy，2020，11（4）：2911-2921.

[8] Xu R， Zhang C， Xu Y， et al. Multi-objective hierarchically-coordinated volt/var control for active distribution networks with droop-controlled PV inverters[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2021，13（2）：998-1011.

[9] Xiao C， Sun L， Ding M. Multiple Spatiotemporal Characteristics-Based Zonal Voltage Control for High Penetrated PVs in Active Distribution Net-works[J]. Energies，2020，13（249）：1-21.

[10] Xu Y， Dong Z Y， Zhang R， et al. Multi-timescale coordinated voltage/var control of high?renewable-penetrated distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，2017，32（6）：4398-4408.

[11] Hu R， Wang W， Chen Z， et al. Coordinated vol-tage regulation methods in active distribution networks with soft open points[J]. Sustainabi-lity，2020，12（22）：9453.

[12] Chen L， Liu N， Yu S， et al. A stochastic game approach for distributed voltage regulation among autonomous PV prosumers[J].IEEE Transactions on Power Systems，2021，37（1）：776-787.

[13] 陳功貴，劉利蘭，郭艷艷，等.基于改進(jìn)引力搜索算法的無功優(yōu)化仿真研究[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（5）：113-116，120.

[14] 張建良，齊冬蓮，吳越.基于虛擬儀器的電壓無功綜合控制系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（7）：141-146.

[15] 焦岳超，瞿博陽，張朋，等.光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真實驗項目建設(shè)與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2020（4）：123-124，127.

[16] 趙淵，沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-5-104遠(yuǎn)動規(guī)約在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003（10）：56-60，71.

[17] 王洪坤，葛磊蛟，李宏偉，等.分布式光伏發(fā)電的特性分析與預(yù)測方法綜述[J].電力建設(shè)，2017，38（7）：1-9.

[18] 國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 37408-2019.光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[19] 顧曉薇，胥孝川，王青，等.新興技術(shù)范式下基于OBE理念的教師教學(xué)方法創(chuàng)新與應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2023，9（1）：26-29.

*項目來源：北京市高等教育學(xué)會2022年立項面上課題（MS2022145）；北京市高等教育學(xué)會2022年立項重點課題（ZD202241）。

作者簡介：楊軍，博士，高級工程師。