主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)分析

吳稀西 喇先壽 段紀(jì)鵬 方曉曦 馬俊杰

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1887

作者簡(jiǎn)介：

吳稀西（1986—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃、新型電力系統(tǒng)。

喇先壽（1990—），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃。

段紀(jì)鵬（1992—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)橥顿Y管理及配電網(wǎng)規(guī)劃。

摘要：在當(dāng)前能源與環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的背景下，分布式能源被越來越多的人所重視。但是，由于分布式電源自身的特性，以及其間歇性的隨機(jī)、波動(dòng)特性，使傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的靈活性不足，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)。近年來，隨著智能電網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使配電網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出一種開放性的特點(diǎn)。但是，在新能源占比不斷增加的同時(shí)，新能源接入也給配電網(wǎng)絡(luò)帶來了諸多負(fù)面效應(yīng)。主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)（Active Distribution Network， ADN）就是為解決上述問題而提出的。在主動(dòng)配網(wǎng)中，新能源接入可使其具有更高的靈活與高效性，并可有效提升其安全穩(wěn)定程度，降低其對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊。對(duì) ADN在規(guī)劃、運(yùn)行過程中面臨的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：主動(dòng)配電網(wǎng)??示范條件??運(yùn)行??關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM73

主動(dòng)配電網(wǎng)是一種新興的供電方式，它綜合利用可再生能源、儲(chǔ)能裝置、智能控制等多種技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)控制與優(yōu)化。本項(xiàng)目研究了基于分布式能源（如太陽能、風(fēng)能、燃料電池等）的接入，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的自主調(diào)控與優(yōu)化。能量存儲(chǔ)是指能量?jī)?chǔ)存裝置（如蓄電池、液流電池等）。電網(wǎng)的接入，可使電網(wǎng)有源可調(diào)，最優(yōu)運(yùn)行；智能控制就是將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)引入到電力系統(tǒng)中，使其能夠自主地、最優(yōu)地運(yùn)行。

1?ADN規(guī)劃

1.1 ADN設(shè)備優(yōu)化配置

在主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃中，為了保證系統(tǒng)能夠滿足負(fù)荷需求，提高系統(tǒng)的靈活度，對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化配置是非常必要的。當(dāng)前，有源電力網(wǎng)設(shè)備的最優(yōu)配置方法有整數(shù)規(guī)劃、無約束規(guī)劃、遺傳算法模擬退火以及動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。本項(xiàng)目以主動(dòng)配電網(wǎng)為研究對(duì)象，采用整數(shù)規(guī)劃與非約束規(guī)劃相結(jié)合的方式，建立主動(dòng)配電網(wǎng)裝備最優(yōu)配置模型，以提升配電網(wǎng)的運(yùn)行效率與精度[1-2]。

1.2 ADN規(guī)劃與配電網(wǎng)規(guī)劃的融合

分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃提出了新的要求。一方面，由于分布式電源出力的不確定度增大，使配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃面臨更多的不確定因素；同時(shí)，在市場(chǎng)化進(jìn)程中，配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃也將受到更多的市場(chǎng)化約束。為此，有必要把有源電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃有機(jī)地結(jié)合起來，才能更好地解決今后配電網(wǎng)絡(luò)所面對(duì)的各種問題。當(dāng)前，主動(dòng)配網(wǎng)規(guī)劃主要采用兩種方式：（1）將主動(dòng)配網(wǎng)規(guī)劃與配電網(wǎng)絡(luò)相分離，兼顧分布式電源接入。在此基礎(chǔ)上，將有源電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃作為配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的子問題加以解決。本項(xiàng)目提出的主動(dòng)配網(wǎng)方案能夠有效地應(yīng)對(duì)主動(dòng)配網(wǎng)的不確定問題，然而，新能源出力的預(yù)測(cè)誤差卻忽視了主動(dòng)配網(wǎng)規(guī)劃中蓄能接入容量的主動(dòng)配網(wǎng)規(guī)劃等約束條件。（2）主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)與主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)從配電網(wǎng)絡(luò)中分離出來。同時(shí)，將分布式電源與新能源出力的不確定因素引入到配電網(wǎng)絡(luò)模型中。將會(huì)對(duì) ADN進(jìn)行合理的配置（如圖1所示）。

2 ADN運(yùn)行控制

主動(dòng)配電網(wǎng)的操作控制可以劃分為負(fù)荷控制與主動(dòng)控制兩大類。負(fù)載控制就是通過對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)中分布式電源的出力特征和負(fù)載特征，對(duì)分布式電源進(jìn)行最優(yōu)的功率分配，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)。隨著新能源比例的不斷增加，主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行控制面臨著新的問題與挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配網(wǎng)的柔性互聯(lián)與友好交互，需對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中各類設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)與管理，以達(dá)到多目標(biāo)最優(yōu)求解。例如：在分布式電源局部控制或者在直流配網(wǎng)中采用電壓/無功兩個(gè)層次，最大限度地發(fā)揮新能源出力的特點(diǎn)以及配電網(wǎng)中各類設(shè)備的工作特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)中，通常僅考慮源、荷兩方的協(xié)同協(xié)作。但是，受電力波動(dòng)、間歇性等因素影響，主動(dòng)電網(wǎng)中新能源出力的隨機(jī)性，使得大量新能源接入到配電網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。為此，需要綜合考慮多目標(biāo)，如配電裝置、負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)等，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制。主動(dòng)配電網(wǎng)是主動(dòng)配電網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為主動(dòng)配電網(wǎng)提供靈活的組網(wǎng)與友好的人機(jī)交互。其中，強(qiáng)化學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等是近年來發(fā)展起來的一種新方法。加強(qiáng)學(xué)習(xí)就是在不斷地與外部環(huán)境相互作用的過程中，不斷地提高自己的學(xué)習(xí)能力。知識(shí)圖譜是一種可以用來刻畫和表示知識(shí)內(nèi)容的圖方法。深度學(xué)習(xí)是近年來興起的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法。針對(duì)主動(dòng)配網(wǎng)的運(yùn)行控制問題，提出采用動(dòng)態(tài)電壓/無功調(diào)節(jié)技術(shù)，以改善主動(dòng)配網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行；通過對(duì)光伏出力曲線的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分布式電源的合理配置；為改善配電系統(tǒng)的安全可靠，可將柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控與控制中[3-4]。

3 ADN調(diào)度優(yōu)化

3.1可再生能源消納

在存儲(chǔ)可再生能源方面存在兩大難題。首先，如何解決新能源消納能力不強(qiáng)、消納能力不強(qiáng)等難題。其次，如何降低新能源對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的沖擊，又能保證配電網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)前者，本項(xiàng)目擬通過降低新能源發(fā)電功率波動(dòng)所帶來的備用容量需求，來抑制新能源發(fā)電的波動(dòng)性。針對(duì)后一種情況，可以采取多種措施來降低可再生能量的存儲(chǔ)，具體敘述如下。

一是在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，適度地增大備用容量。在不考慮存儲(chǔ)費(fèi)用的情況下，為了提高系統(tǒng)的備用容量，需要對(duì)各種儲(chǔ)能資源在電網(wǎng)中的分布進(jìn)行合理規(guī)劃。實(shí)現(xiàn)了對(duì)可再生能源發(fā)電量的預(yù)報(bào)。二是在對(duì)可再生能源發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，采用修正系數(shù)、光滑系數(shù)等方法，降低了預(yù)報(bào)的誤差。三是對(duì)已有的配電網(wǎng)進(jìn)行有效的整合。例如：在配電網(wǎng)絡(luò)中，如何對(duì)已有的負(fù)載進(jìn)行合理的利用，以改善配電網(wǎng)絡(luò)中分散電源的功率預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。第四，要發(fā)揮分散供電的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 ADN內(nèi)分布式電源優(yōu)化運(yùn)行

在主動(dòng)配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)的供電水平取決于多種因素，如何優(yōu)化配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性能是配電網(wǎng)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。這是決定其安全性與穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。在優(yōu)化過程中，主要采用敏感性分析法和整體規(guī)劃法兩種方法。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于敏感性分析的最優(yōu)控制算法，即通過對(duì)各個(gè)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行分析，從而對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備間的相互作用進(jìn)行分析。獲得一條界限，以確定系統(tǒng)操作的弱點(diǎn)。即通過調(diào)整各裝置的運(yùn)行參數(shù)，從而達(dá)到改善整個(gè)系統(tǒng)性能的目的。在決定配電網(wǎng)等級(jí)時(shí)，可采用敏感性分析法或整體計(jì)劃法來決定配電網(wǎng)水平。敏感性分析法能夠綜合考慮各裝置的工作狀況和各因素對(duì)系統(tǒng)的影響程度，從而決定其出力大小。

3.3可再生能源出力預(yù)測(cè)

目前，可再生資源的生產(chǎn)已有兩大類。一是以歷史資料為基礎(chǔ)，如歷史回歸分析、時(shí)序分析等；二是以隨機(jī)過程為基礎(chǔ)，如灰色預(yù)測(cè)、 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。在這種模型中， BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是比較常用的一種，它有 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。本項(xiàng)目提出的新能源消納能力預(yù)測(cè)方法，可以滿足多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下新能源消納能力的需求。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于新能源發(fā)電之預(yù)測(cè)有其優(yōu)越性。但其不足之處在于：（1）網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本少，易產(chǎn)生錯(cuò)誤；（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)時(shí)易出現(xiàn)局部極小現(xiàn)象；（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差隨預(yù)測(cè)誤差的增大而增大，從而降低了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4.1可靠性指標(biāo)

當(dāng)前，主動(dòng)配電網(wǎng)的可靠度評(píng)估方法主要有兩個(gè)方面：一是針對(duì)新能源接入的主動(dòng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估；二是探討了能量?jī)?chǔ)存裝置對(duì)電力系統(tǒng)的可靠度的影響。針對(duì)電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)電網(wǎng)可靠度的影響，部分學(xué)者提出了基于蒙特卡洛仿真的電網(wǎng)可靠度評(píng)價(jià)方法，但其僅對(duì)已有信息進(jìn)行估計(jì)，無法反映電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行方案對(duì)電網(wǎng)可靠度的影響。本項(xiàng)目提出了一種新能源發(fā)電系統(tǒng)的新能源發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。然而，現(xiàn)有研究?jī)H考慮新能源出力的不確定因素，未能體現(xiàn)儲(chǔ)能裝置對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響。因此，在主動(dòng)配電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行中，需要綜合考慮儲(chǔ)能裝置對(duì)電網(wǎng)可靠度的影響，即新能源出力的不確定度與能耗。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目將新能源出力的不確定因素納入其中，并綜合考慮新能源出力和負(fù)荷的相互關(guān)聯(lián)，并結(jié)合儲(chǔ)能裝置對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。

4.2環(huán)保性指標(biāo)

ADN的環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：環(huán)境污染與資源消耗。因此，對(duì) ADN進(jìn)行環(huán)境效益評(píng)估是十分必要的。從能源消費(fèi)角度看，分布式能源及儲(chǔ)能裝置對(duì)電網(wǎng)的整體效益有較大的影響。因此，對(duì) ADN的環(huán)境友好度進(jìn)行評(píng)價(jià)是十分必要的。在對(duì)資源消費(fèi)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中各類能耗占能耗總量的比重來確定。在評(píng)價(jià)時(shí)，要考慮到可再生能源產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)和風(fēng)電、光伏發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響。有源網(wǎng)絡(luò)的工作方式分為有源工作方式和無源工作方式。在主動(dòng)工作方式下，由于工作狀態(tài)的改變，使其工作方式能夠適應(yīng)各種要求，因此具有很好的彈性和適應(yīng)性。無源方式以其工作狀態(tài)為依據(jù)，可控性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。為度量主動(dòng)配電網(wǎng)的環(huán)保程度，需要對(duì)其在規(guī)劃與運(yùn)行階段進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[5-6]。

5結(jié)語綜上所述，主動(dòng)配網(wǎng)中新能源出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)，給配電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問題，本項(xiàng)目擬開展如下研究：（1）通過對(duì)分布式電源的合理布置，以及對(duì)分布式電源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)分布式電源的高效利用，提升配電網(wǎng)絡(luò)的靈活性；（2）以智能電網(wǎng)為手段，對(duì)各類資源（如電動(dòng)汽車充電設(shè)施、分布式能源發(fā)電等）進(jìn)行優(yōu)化配置，以提升系統(tǒng)運(yùn)行效率為目標(biāo)；（3）針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)中可再生能源的靈活調(diào)控問題，以保障主動(dòng)配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)，從主動(dòng)配電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行兩個(gè)角度，開展主動(dòng)配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，為主動(dòng)配網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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