王成山，孫充勃，李鵬(智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市300072)

主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王成山，孫充勃，李鵬
(智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市300072)

分布式電源(distributed generation，DG)和電動(dòng)汽車(chē)的大量接入、智能家居的普及、需求側(cè)響應(yīng)的全面實(shí)施等顯著增強(qiáng)了配電系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的復(fù)雜性，同時(shí)，未來(lái)的配電網(wǎng)對(duì)規(guī)劃與運(yùn)行的優(yōu)化策略提出了更高的要求。作為未來(lái)配電網(wǎng)的一種發(fā)展模式，主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)開(kāi)始受到人們的關(guān)注。介紹了ADN的概念和內(nèi)涵，從規(guī)劃和運(yùn)行2個(gè)方面總結(jié)了ADN優(yōu)化技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)注重點(diǎn)，并從“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)的綜合優(yōu)化、多周期優(yōu)化及其協(xié)調(diào)配合、分層分布式優(yōu)化策略等3個(gè)角度對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和梳理。

主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN);分布式電源(DG);規(guī)劃;最優(yōu)潮流;無(wú)功優(yōu)化;網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

0 引言

近年來(lái)，分布式電源(distributed generation，DG)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，未來(lái)DG、分布式儲(chǔ)能將廣泛而高密度地接入電網(wǎng)，并在未來(lái)節(jié)能減排中扮演越來(lái)越重要的角色，配電網(wǎng)也會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜。DG的高滲透率接入，在不斷滿足電網(wǎng)能量需求的同時(shí)，也使新的市場(chǎng)、新的服務(wù)、新的交易機(jī)制得到了嘗試和發(fā)展，其對(duì)電網(wǎng)和環(huán)境帶來(lái)的效益也越來(lái)越受到關(guān)注。在智能配電網(wǎng)(smart distribution grid，SDG)和主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)的框架下，新的配電模式正在逐漸形成［1］。

智能電網(wǎng)是指一個(gè)完全自動(dòng)化的供電網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個(gè)用戶和節(jié)點(diǎn)都得到了實(shí)時(shí)監(jiān)控，并保證了從發(fā)電廠到用戶端電器之間的每一點(diǎn)上的電流和信息的雙向流動(dòng)。通過(guò)廣泛應(yīng)用的分布式智能和寬帶通訊及自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成，可以保證市場(chǎng)交易實(shí)時(shí)進(jìn)行和電網(wǎng)上各成員之間無(wú)縫連接及實(shí)時(shí)互動(dòng)［2］。由于目前在“發(fā)、輸、配、用”電這一鏈條中，同發(fā)電和輸電環(huán)節(jié)相比，配電、用電以及電力公司和終端用戶的合作等環(huán)節(jié)上相對(duì)薄弱，影響了系統(tǒng)的整體性能和效率，所以SDG成為了目前智能電網(wǎng)的研究重點(diǎn)。

DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)以及智能終端的大量接入，使配電網(wǎng)具備了一定的主動(dòng)調(diào)節(jié)、優(yōu)化負(fù)荷的能力，具有主動(dòng)管理能力的配電網(wǎng)稱為ADN［3-4］。ADN通過(guò)引入DG及其他可控資源，輔助以靈活有效的協(xié)調(diào)控制技術(shù)和管理手段，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)可再生能源的高度兼容和對(duì)已有資產(chǎn)的高效利用，并且可以延緩配電網(wǎng)的升級(jí)投資、提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性［5］。

ADN的實(shí)施與發(fā)展關(guān)鍵在于優(yōu)化，即從規(guī)劃、運(yùn)行、管理、評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面入手，徹底改變已有配電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的效益最大化。然而，由于先進(jìn)的量測(cè)體系和通信設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得配電網(wǎng)數(shù)據(jù)海量化，大量具有隨機(jī)性和間歇性的DG的接入使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加復(fù)雜，未來(lái)配電網(wǎng)對(duì)可靠性、電能質(zhì)量、資產(chǎn)利用率的要求越來(lái)越高，人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注和電網(wǎng)效益的綜合化，均使得配電系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行面臨著新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，這些豐富多樣的資源的引入也為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能化、主動(dòng)化提供了機(jī)遇。很多高級(jí)控制功能更加受到關(guān)注，例如，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、電壓/無(wú)功控制、最優(yōu)潮流、需求側(cè)響應(yīng)等，使得可控設(shè)備日益增多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加多變、運(yùn)行方式更加靈活，運(yùn)行優(yōu)化策略的實(shí)施將成為現(xiàn)實(shí)需求。

為此，本文介紹ADN的概念和內(nèi)涵，從規(guī)劃和運(yùn)行2個(gè)方面總結(jié)ADN優(yōu)化技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)注重點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和梳理。

圖1 ADN功能框圖Fig.1 Function layout architecture of ADN

1 ADN

根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(conference international des grands reseaux electriques，CIGRE)配電與分布式發(fā)電專委會(huì)C6．11項(xiàng)目組的工作報(bào)告，ADN可定義為:可以綜合控制分布式能源的配電網(wǎng)，可以使用靈活的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)潮流的有效管理，分布式能源在其合理的監(jiān)管環(huán)境和接入準(zhǔn)則基礎(chǔ)上承擔(dān)系統(tǒng)一定的支撐作用［6］。

ADN的功能框圖如圖1所示［7］。首先，利用高級(jí)量測(cè)體系和先進(jìn)的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠收集，通過(guò)負(fù)荷和發(fā)電預(yù)測(cè)以及狀態(tài)估計(jì)等功能準(zhǔn)確感知系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。然后，利用系統(tǒng)的可控資源和分布式能源進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)市場(chǎng)價(jià)格的制定、能源交易的管理等方式激勵(lì)電力用戶響應(yīng)配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的調(diào)度計(jì)劃，在滿足各種運(yùn)行約束的前提下，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行。ADN的作用就是變被動(dòng)控制方式為主動(dòng)控制方式，依靠主動(dòng)式的電網(wǎng)管理對(duì)這些資源進(jìn)行整合。因此，現(xiàn)代配電網(wǎng)已經(jīng)不再等同于僅僅將電力能源從輸電系統(tǒng)配送到中低壓終端用戶的傳統(tǒng)配電網(wǎng)，在2012年的CIGRE年會(huì)上C6工作組開(kāi)始考慮采用主動(dòng)配電系統(tǒng)(active distribution system，ADS)來(lái)代替ADN的概念［8］。

為了更好地理解ADN的含義，這里將其和微網(wǎng)進(jìn)行比較:(1)從設(shè)計(jì)理念上，微網(wǎng)是一種自下而上的方法，能集中解決網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)的并網(wǎng)運(yùn)行以及當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的孤島運(yùn)行，而ADN采用自上而下的設(shè)計(jì)理念，從整體角度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行;(2)從運(yùn)行模式上，微網(wǎng)是一個(gè)自治系統(tǒng)，可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行，而ADN是由電力企業(yè)管理的公共配電網(wǎng)，常態(tài)方式下不孤島運(yùn)行;(3)從系統(tǒng)規(guī)模上，微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)DG與本地電網(wǎng)耦合較為合理的技術(shù)方案，但其規(guī)模和應(yīng)用范圍往往受限，而ADN旨在解決電網(wǎng)兼容及應(yīng)用大規(guī)模間歇式可再生能源，是一種可以兼容微網(wǎng)及其他新能源集成技術(shù)的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu);(4)從資源利用上，微網(wǎng)強(qiáng)調(diào)的是能量的平衡，滿足能量上的自給自足和自治運(yùn)行，而ADN更強(qiáng)調(diào)信息價(jià)值的利用，通過(guò)高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)和先進(jìn)的通信技術(shù)達(dá)到全網(wǎng)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

2 ADN優(yōu)化技術(shù)

如前所述，優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)是ADN的核心技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)主動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。由于系統(tǒng)的信息化和自動(dòng)化水平顯著提高，運(yùn)行控制策略的實(shí)施更加快速化，使系統(tǒng)的運(yùn)行和規(guī)劃結(jié)合得更加緊密，合理的規(guī)劃方案對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行策略的制定具有較大的影響。因此，這里將ADN的優(yōu)化技術(shù)分為規(guī)劃和運(yùn)行2個(gè)方面進(jìn)行介紹。

2.1 ADN規(guī)劃

ADN規(guī)劃不僅要考慮傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的內(nèi)容，還要考慮DG接入、電動(dòng)汽車(chē)管理、需求側(cè)響應(yīng)等方面的影響。由于DG不同的安裝位置和容量對(duì)系統(tǒng)的電壓分布、電壓穩(wěn)定性等產(chǎn)生不同程度的影響，其選址和定容方法［9-15］成為規(guī)劃研究的重點(diǎn)。這里對(duì)ADN規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行整理和總結(jié)，并從以下3個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1.1 成本目標(biāo)計(jì)算

隨著對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行要求的提高，在規(guī)劃時(shí)僅僅考慮經(jīng)濟(jì)性已不能滿足要求，往往需要綜合性指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)［9］對(duì)DG的優(yōu)化配置問(wèn)題進(jìn)行了深入總結(jié)，目標(biāo)函數(shù)主要包括經(jīng)濟(jì)性成本(網(wǎng)損或者能量損耗成本)、可靠性成本(平均停電時(shí)間)、供電質(zhì)量(電壓偏差)、DG效益最大、DG接入量最大、成本效益比最大等。除此之外，文獻(xiàn)［10］介紹了考慮電壓改善、網(wǎng)損降低和環(huán)境效益提升的DG多目標(biāo)綜合優(yōu)化配置模型;文獻(xiàn)［11］從電壓穩(wěn)定性的角度著手提出了一種提高電壓穩(wěn)定域的DG優(yōu)化配置方法;文獻(xiàn)［12］從最大程度利用DG資源的角度出發(fā)，探索對(duì)多類型DG進(jìn)行配置及運(yùn)行調(diào)度的方法?？梢?jiàn)，考慮DG后的電網(wǎng)供電可靠性、穩(wěn)定性以及環(huán)境效益日趨成為規(guī)劃研究中的重點(diǎn)考慮因素。

2.1.2 DG處理方式

總體而言，DG分為不可控型和可控型兩大類。不可控型DG(如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電)輸出功率受環(huán)境影響很大，具有明顯的隨機(jī)性和波動(dòng)性，會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而可控型DG的靈活利用可以提高系統(tǒng)可靠性、改善電能質(zhì)量等。并且，對(duì)不同類型DG的組合規(guī)劃研究還有利于部分電網(wǎng)的孤島運(yùn)行和關(guān)鍵負(fù)荷保障供電，有助于實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈控制。因此，考慮不同類型DG的技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面的差異才能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)含DG配電網(wǎng)的合理規(guī)劃，為ADN技術(shù)的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。然而，目前的研究考慮較為簡(jiǎn)單，未充分體現(xiàn)形式各樣的DG在規(guī)劃中所發(fā)揮作用的區(qū)別。

2.1.3 配電網(wǎng)升級(jí)

隨著負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)以及大量新型設(shè)備的接入，配電網(wǎng)的變電站、線路、變壓器、保護(hù)裝置以及量測(cè)設(shè)備等都需要進(jìn)行升級(jí)改造［16-22］。而DG優(yōu)化配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整以及無(wú)功設(shè)備的合理布局對(duì)緩解系統(tǒng)堵塞、延緩系統(tǒng)升級(jí)也都有明顯的作用。DG優(yōu)化配置屬于配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃研究的一部分，然而，目前的研究將DG優(yōu)化配置與其他擴(kuò)展規(guī)劃劃分得太過(guò)明顯，這顯然是不合理的。如何權(quán)衡DG規(guī)劃與傳統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃，確定最優(yōu)的系統(tǒng)建設(shè)方案，使得在滿足ADN技術(shù)要求的前提下達(dá)到綜合效益最大，應(yīng)該受到重視。文獻(xiàn)［16］建立ADN的擴(kuò)展規(guī)劃模型，重點(diǎn)針對(duì)一次能源的間歇性和靈活可控的運(yùn)行策略開(kāi)展研究，采用情景分析法來(lái)描述DG和負(fù)荷的不確定性;文獻(xiàn)［17］將DG接入給供電公司和客戶帶來(lái)的效益作為優(yōu)化目標(biāo)，考慮升級(jí)投資的延期作為其中的一個(gè)指標(biāo);文獻(xiàn)［18］提出一種風(fēng)電和聯(lián)絡(luò)線協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，并建立了風(fēng)電/聯(lián)絡(luò)線的投資運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)可靠性以及全網(wǎng)有功損耗的多目標(biāo)優(yōu)化框架，以尋求二者的最優(yōu)結(jié)合。上述文獻(xiàn)在該方面進(jìn)行了一些探索，但是還需深入研究，尤其是在ADN資源越來(lái)越豐富的情況下，各種規(guī)劃手段的協(xié)調(diào)配合和資源選取更加復(fù)雜。

2.2 ADN運(yùn)行優(yōu)化

ADN運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題可以結(jié)合圖2來(lái)說(shuō)明。系統(tǒng)可以利用的資源包括可控型DG、不可控型DG、可控負(fù)載、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能裝置、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等。其中，部分DG由“不可調(diào)度”變?yōu)椤翱烧{(diào)度”，與配電網(wǎng)的傳統(tǒng)優(yōu)化手段相互配合，不僅可以實(shí)現(xiàn)DG的充分利用，還可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性、改善電能質(zhì)量、降低系統(tǒng)阻塞等。而儲(chǔ)能裝置的接入可以起到削峰填谷、平滑擾動(dòng)的作用，電動(dòng)汽車(chē)回饋電網(wǎng)技術(shù)可以向電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，以提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率和安全性。

對(duì)于優(yōu)化手段，傳統(tǒng)的方法包括最優(yōu)潮流［23-27］、無(wú)功優(yōu)化［28-32］、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)［33-35］等，考慮儲(chǔ)能技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)、需求側(cè)響應(yīng)等手段后，優(yōu)化策略趨于綜合化，一些基于魯棒優(yōu)化、概率模型以及動(dòng)態(tài)優(yōu)化的思想得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。而這使得優(yōu)化模型的規(guī)模越來(lái)越大，非線性越來(lái)越強(qiáng)，優(yōu)化問(wèn)題的求解變得越來(lái)越困難。

圖2 ADN運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題Fig.2 Optimization of the ADN operation

這里通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究工作的梳理，分別從目標(biāo)函數(shù)、約束條件、優(yōu)化手段、優(yōu)化算法等幾個(gè)方面闡述相關(guān)研究的異同，如表1所示。

表1 運(yùn)行優(yōu)化方法文獻(xiàn)總結(jié)Table 1 Summery of the reviewed operation strategy

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)綜合化

目標(biāo)函數(shù)的綜合化是配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略的發(fā)展趨勢(shì)，也是ADN實(shí)現(xiàn)整體管理、全局協(xié)調(diào)控制的必然選擇。優(yōu)化目標(biāo)將不僅僅從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，更多的是將提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、供電質(zhì)量、環(huán)境效益考慮進(jìn)去，在權(quán)衡利弊之后給出綜合性的效益指標(biāo)。例如，文獻(xiàn)［23］考慮了各種DG對(duì)環(huán)境的不同影響，提出用環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)衡量DG對(duì)環(huán)境的影響建立DG的環(huán)境成本模型;文獻(xiàn)［24］為了保證大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，并利用風(fēng)電來(lái)減少環(huán)境污染，引入“能源環(huán)境效益”的概念，構(gòu)建了包含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。為了更好地解決多目標(biāo)函數(shù)問(wèn)題，一些新的處理方式得到了發(fā)展。比如，基于帕累托最優(yōu)概念的多目標(biāo)進(jìn)化算法［36］(multi-objective evolutionary algorithms，MOEAs)因不需要偏好設(shè)置，使得算法的實(shí)用性得到極大提高。

在ADN的推動(dòng)下，考慮到不同優(yōu)化周期對(duì)分布式能源的響應(yīng)速度要求不同，需要提供的報(bào)酬也應(yīng)該有所差別。歐美一些國(guó)家試圖通過(guò)成熟的電力市場(chǎng)以及嚴(yán)格的并網(wǎng)準(zhǔn)則、完善的市場(chǎng)價(jià)格和補(bǔ)償機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的調(diào)度和管理。但是，對(duì)該管理成本的評(píng)估和分析還未在運(yùn)行策略中深入考慮。

2.2.2 優(yōu)化策略全面化

配電網(wǎng)的優(yōu)化手段多種多樣，但是可以發(fā)現(xiàn)，它們所采用的目標(biāo)函數(shù)和約束條件都有明顯的類似之處，其目的都是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行。為了整合系統(tǒng)資源，給出綜合、全面的運(yùn)行方案，人們開(kāi)始考慮多種優(yōu)化手段相結(jié)合和協(xié)調(diào)優(yōu)化。例如，在最優(yōu)潮流中考慮DG無(wú)功特性和電容器投切變化，無(wú)功優(yōu)化中考慮DG有功出力變化，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中考慮DG出力特性和變壓器分接頭變化等。

同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)間歇性能源的接入給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法成為了當(dāng)前較為流行的解決方案，為配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的日調(diào)度和在線預(yù)調(diào)度創(chuàng)造了條件［37-38］。除此之外，基于點(diǎn)估計(jì)法、蒙特卡羅法和情景分析法等隨機(jī)因素處理方式也得到了大量的應(yīng)用，這些方法根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)特性對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行聚合，進(jìn)而得到系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)方案。

未來(lái)的配電網(wǎng)運(yùn)行控制策略將朝著更加全面化的趨勢(shì)發(fā)展，其目標(biāo)函數(shù)、約束條件越來(lái)越豐富，優(yōu)化手段開(kāi)始互相滲透，多時(shí)間尺度優(yōu)化以及隨機(jī)處理方法的應(yīng)用將更加深入，ADN的推進(jìn)將使這一趨勢(shì)更加明顯。

2.2.3 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，多種多樣的儲(chǔ)能裝置的出現(xiàn)使得儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用得到了研究人員越來(lái)越多的青睞。在制定運(yùn)行策略時(shí)考慮儲(chǔ)能技術(shù)的利用，對(duì)消納可再生能源、提高電力系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性都有顯著的作用。

由于儲(chǔ)能裝置具有時(shí)間上的延續(xù)性，對(duì)含儲(chǔ)能的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化通常采用基于時(shí)間區(qū)間的優(yōu)化方法。如文獻(xiàn)［25］研究了含有風(fēng)力發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的配電網(wǎng)最優(yōu)潮流，考慮了電價(jià)機(jī)制和風(fēng)電削減系數(shù)，給出了有功和無(wú)功同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的A-R-OPF模型;文獻(xiàn)［26］在此基礎(chǔ)上研究了儲(chǔ)能技術(shù)在不同時(shí)間尺度下的優(yōu)化效果，分析并比較了靈活充放電控制與固定充放電控制的優(yōu)缺點(diǎn);文獻(xiàn)［27］從整個(gè)系統(tǒng)角度研究了有功和無(wú)功潮流控制，重點(diǎn)考慮了儲(chǔ)能裝置的最優(yōu)控制問(wèn)題，約束條件考慮到儲(chǔ)能的容量限制以及內(nèi)部損耗等。不同的儲(chǔ)能裝置，其技術(shù)特點(diǎn)有較大的差異，大體可以分為能量型和功率型，對(duì)研究不同時(shí)間尺度下的運(yùn)行策略提供了較好的基礎(chǔ)。然而，目前的研究對(duì)儲(chǔ)能類型的區(qū)別尚不明顯，并且多數(shù)情況下僅考慮1種甚至1個(gè)儲(chǔ)能裝置接入配電網(wǎng)，其研究還處于初級(jí)階段。

2.2.4 DG輔助服務(wù)和無(wú)功市場(chǎng)

在利用DG進(jìn)行電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)始關(guān)注其潛在能力，使其在輸出有功功率的同時(shí)盡量提供一定的輔助服務(wù)，充分發(fā)揮DG的最大效益。其中，DG作為連續(xù)無(wú)功源參與配電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制，為配電網(wǎng)提供無(wú)功輔助服務(wù)，可解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)無(wú)功調(diào)壓手段調(diào)節(jié)離散化、調(diào)節(jié)速度慢、難以實(shí)現(xiàn)電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，并能減少大容量無(wú)功補(bǔ)償裝置的投入［30］。為此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)DG的無(wú)功特性進(jìn)行研究。例如，文獻(xiàn)［42］給出了同步電機(jī)型DG的無(wú)功出力范圍，描述了有功和無(wú)功出力的非線性關(guān)系;文獻(xiàn)［1］針對(duì)風(fēng)機(jī)開(kāi)展研究，給出了同步電機(jī)和雙饋電機(jī)的運(yùn)行范圍，同時(shí)考慮無(wú)功電價(jià)機(jī)制，在有功出力和無(wú)功服務(wù)之間進(jìn)行成本效益的權(quán)衡。

但是，在無(wú)功優(yōu)化模型中必須對(duì)各種DG分情況處理。DG的運(yùn)營(yíng)商一般有3類，即配網(wǎng)公司、大用戶和獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商，且大用戶和獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商一般不愿意讓所屬的DG發(fā)出無(wú)功功率，因而這類DG在無(wú)功優(yōu)化中一般不作為無(wú)功調(diào)節(jié)的控制手段。此時(shí)，建立考慮DG的電力無(wú)功市場(chǎng)機(jī)制越來(lái)越受到重視。目前，國(guó)外較典型的市場(chǎng)機(jī)制，如紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商采用嵌入式成本定價(jià)來(lái)進(jìn)行無(wú)功服務(wù)計(jì)費(fèi)，并建立了相應(yīng)的懲罰措施和補(bǔ)償機(jī)制;英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司要求強(qiáng)制性無(wú)功服務(wù)，并且對(duì)于有裕量的電源要求其增強(qiáng)無(wú)功服務(wù)。隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展及無(wú)功定價(jià)機(jī)制的逐步完善，有些大用戶或獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商也將主動(dòng)參與無(wú)功輔助服務(wù)［1］。

2.2.5 優(yōu)化算法性能的提升

配電網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題屬于大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性組合優(yōu)化問(wèn)題，快速、準(zhǔn)確、高效的求解方法一直是其研究重點(diǎn)。目前主要的研究思路是對(duì)原有算法的改進(jìn)、2種算法的結(jié)合和互補(bǔ)、新型求解算法的探索和利用，如錐優(yōu)化方法［34］、SALHE-EA算法［42］、改進(jìn)的細(xì)菌覓食算法［43］、自適應(yīng)粒子群算法［44］、遺傳算法［45］等。隨著優(yōu)化策略的不斷發(fā)展，特別是可利用資源的多樣化和調(diào)度計(jì)劃的實(shí)時(shí)化，優(yōu)化算法在計(jì)算速度、尋優(yōu)能力上需要進(jìn)一步加強(qiáng)。限于篇幅，這里對(duì)算法部分不做詳細(xì)介紹。

2.3 規(guī)劃與運(yùn)行一體化

在未來(lái)的配電系統(tǒng)中，新型傳感器和先進(jìn)通信手段的廣泛應(yīng)用將為中低壓配電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息的獲取創(chuàng)造條件，智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備與高級(jí)配電自動(dòng)化控制策略將使得配電系統(tǒng)運(yùn)行方式在短時(shí)間(分鐘內(nèi)或更短)內(nèi)轉(zhuǎn)變成為可能，系統(tǒng)所具備的快速負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力將構(gòu)成配電系統(tǒng)新的運(yùn)行特征，使得配電系統(tǒng)規(guī)劃與配電系統(tǒng)運(yùn)行策略高度耦合。

目前的研究開(kāi)始關(guān)注這一方面，將上述規(guī)劃技術(shù)與運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。例如，文獻(xiàn)［12］提出了一種典型的雙層優(yōu)化模型，即第1層實(shí)現(xiàn)DG優(yōu)化配置，第2層實(shí)現(xiàn)DG和儲(chǔ)能的節(jié)能調(diào)度。但是該模型僅在運(yùn)行層計(jì)及了規(guī)劃的影響，而運(yùn)行策略對(duì)規(guī)劃層的影響考慮的不夠深入。配電網(wǎng)優(yōu)化將在規(guī)劃中考慮運(yùn)行策略的影響，在運(yùn)行中考慮規(guī)劃方案的約束，運(yùn)行問(wèn)題與規(guī)劃問(wèn)題的求解是一個(gè)交替互動(dòng)求解的過(guò)程。如何建立規(guī)劃與運(yùn)行一體化的優(yōu)化框架和模型，還需進(jìn)一步探索和完善。

3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)的ADN優(yōu)化將是在滿足節(jié)能發(fā)電調(diào)度、環(huán)保排放、成本控制、實(shí)時(shí)/日前電力市場(chǎng)、網(wǎng)損優(yōu)化等不同要求下，充分考慮配電網(wǎng)安全和節(jié)能環(huán)保等約束條件的大規(guī)模、多目標(biāo)、多時(shí)段、安全經(jīng)濟(jì)一體化的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化。但是，目前的研究尚處于起步階段，如何體現(xiàn)新型設(shè)備在ADN中的價(jià)值，全面、綜合利用各種控制手段來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效益的最大化，有待進(jìn)一步研究。本文從3個(gè)角度剖析未來(lái)ADN優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 “源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)的綜合優(yōu)化

從政策、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多方面考慮，電力行業(yè)都急需引入需求側(cè)資源和更加靈活高效的系統(tǒng)運(yùn)行管理手段，以應(yīng)對(duì)新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展和用電負(fù)荷的急劇增加。一方面，ADN鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，支持用戶使用DG，為客戶提供靈活定制、多種選擇、高效便捷的服務(wù)。另一方面，輔助服務(wù)市場(chǎng)不斷發(fā)展和完善，需求側(cè)資源將參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)，而基于市場(chǎng)價(jià)格激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)計(jì)劃可以鼓勵(lì)用戶調(diào)整自己的用電方式以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

在電網(wǎng)與電力用戶的雙向互動(dòng)下，配電網(wǎng)的運(yùn)行將依賴于電動(dòng)汽車(chē)充放電、智能家居、DG與微網(wǎng)、分布式儲(chǔ)能等與傳統(tǒng)調(diào)控方式相互配合的“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)分布式系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控策略。對(duì)此，還有很多問(wèn)題需要解決和探索。首先，由于用戶用電行為具有隨機(jī)性、意愿性與時(shí)變性的特點(diǎn)，對(duì)其還缺乏完善、恰當(dāng)?shù)挠秒娯?fù)荷特性分析方法;其次，如何將智能用電負(fù)荷形成主動(dòng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷參與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，還需合理、可行的激勵(lì)措施和電價(jià)機(jī)制;再次，目前的研究開(kāi)始關(guān)注DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)等“源”在運(yùn)行優(yōu)化中所發(fā)揮的作用，并將其與“網(wǎng)”側(cè)的調(diào)控手段進(jìn)行結(jié)合，但是對(duì)電價(jià)引導(dǎo)機(jī)制、需求側(cè)管理等“荷”與“網(wǎng)”、“源”之間的配合還未能深入研究。

雖然歐洲和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有了一定的研究成果，但在電力市場(chǎng)開(kāi)放程度、用戶用電習(xí)慣、居民住宅模式和負(fù)荷構(gòu)成情況等方面，中國(guó)有自己獨(dú)特的國(guó)情特點(diǎn)，需要結(jié)合我國(guó)實(shí)際開(kāi)展相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。

3.2 多周期優(yōu)化及其協(xié)調(diào)配合

面對(duì)大量隨機(jī)性和間歇性DG的接入以及更加協(xié)調(diào)和靈活的運(yùn)行方式，采用基于時(shí)間點(diǎn)的確定性優(yōu)化策略已無(wú)法滿足要求。研究日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)多周期優(yōu)化及相互之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)有效控制電網(wǎng)運(yùn)行成本，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)大范圍資源優(yōu)化配置的有效途徑之一。

傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度采用三級(jí)調(diào)度，根據(jù)不同時(shí)間級(jí)的負(fù)荷預(yù)報(bào)，采用不同時(shí)間級(jí)的調(diào)度優(yōu)化，包括日調(diào)度時(shí)間級(jí)、預(yù)調(diào)度時(shí)間級(jí)、在線調(diào)度時(shí)間級(jí)。借鑒該思想，文獻(xiàn)［46］研究了用于ADN管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法，提出了兩階段優(yōu)化策略，通過(guò)日前優(yōu)化和日內(nèi)調(diào)整來(lái)保證滿足運(yùn)行要求前提下的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，如圖3所示。該文獻(xiàn)給出了多周期優(yōu)化及其協(xié)調(diào)配合的初步思想，即在日前優(yōu)化中，對(duì)不可控DG和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)可控DG用戶和響應(yīng)負(fù)荷的競(jìng)價(jià)制定DG的發(fā)電計(jì)劃和無(wú)功輔助計(jì)劃、電壓調(diào)節(jié)方案等;在日內(nèi)調(diào)整中，為了應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化和偶然事件的發(fā)生，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，改變DG用戶和響應(yīng)負(fù)荷的功率，以及改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，尋找經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)。

圖3 多周期優(yōu)化策略Fig.3 The multi-period optimization

但是，目前的市場(chǎng)競(jìng)價(jià)機(jī)制尚不夠完善，如何通過(guò)多時(shí)空尺度的協(xié)調(diào)調(diào)度達(dá)到“多級(jí)協(xié)調(diào)、逐級(jí)細(xì)化”，DG用戶和響應(yīng)負(fù)荷參與電網(wǎng)優(yōu)化的主動(dòng)管理成本如何計(jì)算，都還有待探索。

3.3 分層分布式優(yōu)化策略

由于ADN控制方式的復(fù)雜化和數(shù)據(jù)信息的海量化，以及考慮通訊的延遲和計(jì)算時(shí)間的需求，基于集中式控制結(jié)構(gòu)的全系統(tǒng)整體優(yōu)化無(wú)法滿足具有較強(qiáng)隨機(jī)性和快速變化性的配電網(wǎng)的要求。因此，靈活的分布式控制策略受到越來(lái)越多的關(guān)注。

實(shí)現(xiàn)ADN的主動(dòng)優(yōu)化與控制，須同時(shí)兼顧全局優(yōu)化與局部自治控制的要求。由于全局優(yōu)化一般采用歷史數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)完全一致，且全局優(yōu)化與實(shí)時(shí)控制對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求有差異，因此需研究在全局優(yōu)化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)局部協(xié)調(diào)自治，使ADN實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與最優(yōu)狀態(tài)保持相近。

分層分布式優(yōu)化策略采用多agent技術(shù)，充分利用配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將配電網(wǎng)絡(luò)分層分區(qū)加以劃分，形成不同電壓等級(jí)、不同地區(qū)分布的控制區(qū)域。圖4為一種基于多agent技術(shù)的典型的三層優(yōu)化控制框架［47］。其中，中間層為區(qū)域協(xié)調(diào)agent，包括微網(wǎng)(MG)、單元包(Cell)和虛擬發(fā)電廠(virtual power plants，VPP)，針對(duì)電網(wǎng)的某一子系統(tǒng)進(jìn)行管理，使其參與到整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化控制中，建立了全局優(yōu)化和單個(gè)調(diào)節(jié)設(shè)備的橋梁。在每個(gè)控制區(qū)實(shí)施就地局部控制時(shí)需要考慮臨近控制區(qū)的影響，各個(gè)agent之間采用合理的協(xié)調(diào)機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化和局部協(xié)調(diào)的統(tǒng)一的關(guān)鍵所在。

圖4 基于多agent技術(shù)的分層分布式優(yōu)化框架Fig.4 The agent-based multilayer optimization framework

4 結(jié)語(yǔ)

ADN提供了先進(jìn)的量測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊支持，使得配電網(wǎng)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)。隨著優(yōu)化技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，規(guī)劃與優(yōu)化的相互滲透，“源-網(wǎng)-荷”之間的互動(dòng)，配電網(wǎng)優(yōu)化將不斷趨于綜合化、全面化。同時(shí)，基于多周期優(yōu)化策略和分層分布式優(yōu)化框架，可以實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)的大量融合，局部與整體的高度統(tǒng)一。

雖然目前ADN的發(fā)展才剛剛開(kāi)始，電力市場(chǎng)機(jī)制尚不完善，ADN技術(shù)的分析與評(píng)價(jià)缺乏合理有效的方法，電力企業(yè)和用戶主動(dòng)參與電網(wǎng)的積極性不夠高。但是，通過(guò)政策鼓勵(lì)、技術(shù)創(chuàng)新以及管理體制的變革，ADN的發(fā)展將充滿活力，未來(lái)的配電網(wǎng)將是在智能配電網(wǎng)和ADN主導(dǎo)下的開(kāi)放、互動(dòng)、綠色、高效的新型配電網(wǎng)。

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(編輯:張小飛)

Review and Perspective on the Optimization of Active Distribution Network

WANG Chengshan，SUN Chongbo，LI Peng
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072)

With the increasing integration of distributed energy resources(DER)and electric vehicles(EV)，the intelligent home and demand side response are being gradually popularized．As a result，the operation and planning complexity of distribution system are significantly enhanced．Moreover，the higher demands of power supply make the system optimization more difficult．As one development mode of the future distribution system，active distribution network begins to attract more and more attention．Its concept and management system are introduced，and the operation and planning strategy are reviewed including the presentsituation as wellas the current concerns．Finally，the developmenttrends are sorted out from three aspects:the source-network-demand interaction，the multi-period coordination，and the multi-layer distributed strategy．

active distribution network(ADN);distributed generation(DG);planning;optimal power flow;reactive power optimization;network reconfiguration

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0008-08

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.002

2014-11-25

2014-12-09

王成山(1962)，男，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全分析、城市電網(wǎng)規(guī)劃、分布式發(fā)電系統(tǒng);

孫充勃(1987)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電系統(tǒng)仿真;

李鵬(1981)，男，通信作者，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電磁暫態(tài)仿真與分布式發(fā)電技術(shù)。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(EPRIPDKJ〔2012〕3185)。