吳 爽，吳婧妤，王丙文，黃素娟，付 明

（國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106）

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

吳 爽，吳婧妤，王丙文，黃素娟，付 明

（國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106）

針對目前風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電均受天氣影響具有間歇性、波動性的特點，以及分布式電源特別是風(fēng)電、太陽能發(fā)電大量接入配電網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來的系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)適應(yīng)性、電壓控制、安全穩(wěn)定性等問題，研制出了一種分布式電源調(diào)控系統(tǒng)。在集中式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用給定調(diào)度關(guān)口功率的分布式電源最優(yōu)控制技術(shù)和分層分級分布式電源聯(lián)動協(xié)調(diào)控制技術(shù)，實現(xiàn)了分布式電源調(diào)控運行數(shù)據(jù)采集、負荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測以及協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等功能。文中具體介紹了分布式電源調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計思想、系統(tǒng)功能、關(guān)鍵技術(shù)以及典型工程應(yīng)用。

分布式電源；調(diào)度關(guān)口功率；分層分級；發(fā)電功率

近年來，隨著全球能源緊缺、環(huán)境污染、氣候惡化等問題的日益嚴峻，加快開發(fā)利用可再生能源已成為國際社會的共識，大力發(fā)展可再生能源已成為我國的重要能源戰(zhàn)略措施。中國作為世界上能源消耗量和需求量都非常大的發(fā)展中國家，政府高度重視能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展可再生清潔能源。

規(guī)模化分布式電源接入對未來電網(wǎng)的安全可靠運行提出了挑戰(zhàn)，電網(wǎng)公司將面對大量井噴式、小容量、分散化的分布式電源接入，這將對局域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行產(chǎn)生重大影響，具體表現(xiàn)為：分布式電源規(guī)?；尤牒蟛▌拥挠泄Τ隽τ绊懙诫娋W(wǎng)功率平衡特性，進而造成電網(wǎng)母線電壓大幅波動；分布式電源接入配電網(wǎng)后影響了傳統(tǒng)配電網(wǎng)負荷曲線，電力電量平衡在多電源網(wǎng)絡(luò)下變得尤其復(fù)雜；極端工況甚至?xí)l(fā)生頻率急劇變化，頻率跌落速率及觸發(fā)低頻減載、高頻切機等安全穩(wěn)定裝置、保護裝置動作的嚴重運行問題；分布式電源通過換流器并網(wǎng)，逆變器抗擾動和過負荷能力相對較差，并網(wǎng)點電壓不平衡、電壓/頻率波動、短時電壓越限均可引發(fā)逆變器脫網(wǎng)，電網(wǎng)運行指標(biāo)的局部劣化可能引發(fā)全網(wǎng)安全運行風(fēng)險[1]。

目前分布式電源的管理方式較為簡單，通常由電網(wǎng)調(diào)度對區(qū)域內(nèi)所有分布式電源進行單獨直接控制的模式[2]，對配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和通訊的要求很高，經(jīng)濟性較差[3]，并且我國配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)尚未形成成熟的且具備遠程調(diào)節(jié)、控制功能的控制體系，而且配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)尚未形成專門針對分布式電源應(yīng)用的專用控制功能。

2014年浙江供電公司對嘉興秀洲區(qū)開展了分布式電源發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。研制出的分布式電源調(diào)控系統(tǒng)具有以下特點：

1）采用開放式體系結(jié)構(gòu)，提供一體化支撐平臺。采用國際標(biāo)準開發(fā)，支持多種硬件平臺，所有功能模塊之間的接口標(biāo)準統(tǒng)一。

2）系統(tǒng)具有高度的安全保障特性，保證數(shù)據(jù)的安全并具備一定的保密措施。系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)采用雙機熱備份，防止意外丟失。

3）系統(tǒng)的重要設(shè)備或設(shè)備的重要部件為冗余配置，保證整個系統(tǒng)功能的可靠性不受單個節(jié)點故障的影響。

4）系統(tǒng)構(gòu)筑堅固有效的專用防火墻和物理隔離機制，最大限度阻止從外部對系統(tǒng)的非法侵入，有效地防止以非正常的方式對系統(tǒng)軟、硬件設(shè)備及各種數(shù)據(jù)進行訪問、更改等操作。

1 總體設(shè)計思想

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)對內(nèi)服務(wù)于電力調(diào)度、運檢、營銷等業(yè)務(wù)部門，包含電力部門對分布式電源的所有業(yè)務(wù)需求，對外服務(wù)于政府和社會，提供信息展示、信息定制和綜合評價等服務(wù)[4]。通過對分布式電源調(diào)控系統(tǒng)運行技術(shù)研究與驗證、強調(diào)信息的共享集成及綜合發(fā)布，以實現(xiàn)分布式電源的高效管理和經(jīng)濟運行的目標(biāo)；全面提升分布式電源的接入管理水平，更好的服務(wù)于分布式電源并網(wǎng)接入，降低分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)運行的影響程度，提高分布式電源利用率。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)采用滿足實時多任務(wù)等需求的UNIX操作系統(tǒng)作為支撐軟件，支持IEC61850、IEC61970、CIM/CIS（公用信息模型/組件接口規(guī)范），通過信息交換總線實現(xiàn)營銷、配電信息一體化，從而實現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間各類數(shù)據(jù)的交互，消除信息孤島，達成系統(tǒng)應(yīng)用智能化的集成與共享。

圖1 分布式電源調(diào)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 物理結(jié)構(gòu)

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、前置服務(wù)器、Web服務(wù)器、接口服務(wù)器、維護工作站、監(jiān)控工作站等組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成參數(shù)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的存儲。應(yīng)用服務(wù)器部署并運行各類管理應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)段與設(shè)備中控服務(wù)器、自助終端服務(wù)器通信，采集各類設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器負責(zé)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)發(fā)布。接口服務(wù)器實現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）等系統(tǒng)間的信息交互。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，平臺采用了雙網(wǎng)冗余設(shè)計，并通過負載均衡進行網(wǎng)絡(luò)分流，滿足海量數(shù)據(jù)的快速處理。

圖2 分布式電源調(diào)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 功能設(shè)計

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)主要功能包含分布式電源調(diào)控運行數(shù)據(jù)綜合采集、負荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測和協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

2.1 數(shù)據(jù)綜合采集

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)采集接口，可采集轄區(qū)范圍內(nèi)的所有光伏電站、風(fēng)電場、水電站、儲能站的各類數(shù)據(jù)，如氣象環(huán)境、逆變器、匯流箱、匯流柜、組件、電能計量裝置、升壓變壓器、升壓變電站母線、并網(wǎng)點、保護信息等其他類型數(shù)據(jù)，且可將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的數(shù)據(jù)格式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

圖3 數(shù)據(jù)綜合采集示意圖

2.2 負荷預(yù)測

負荷預(yù)測是電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度中的一項非常重要的工作，其預(yù)測準確度等級的高低直接影響到電力系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟性以及供電質(zhì)量，其特點可總結(jié)為：要預(yù)測的數(shù)據(jù)個數(shù)多、影響預(yù)測的因素復(fù)雜且具有隨機性以及預(yù)測精度要求高等[5]。

本系統(tǒng)采用基于聯(lián)想學(xué)習(xí)的LMBP[6-8]和經(jīng)驗日局部校正算法相結(jié)合，尋求負荷與各種相關(guān)因素間的關(guān)系，對未來的負荷進行科學(xué)預(yù)測，可實現(xiàn)短期負荷預(yù)測（預(yù)測1-7天）和超短期負荷預(yù)測（預(yù)測兩小時）。

預(yù)測負荷曲線步驟如下：首先，確定輸入、輸出量，建立基于聯(lián)想學(xué)習(xí)的LMBP和經(jīng)驗日局部校正算法模型；其次，尋找歷史參考日；再次，獲取歷史參考日的天氣數(shù)據(jù)、負荷歷史數(shù)據(jù)及它附近的負荷水平變化規(guī)律；最后，根據(jù)所建模型進行負荷預(yù)測，并得出預(yù)測負荷曲線。

具體的短期負荷預(yù)測模塊及實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 負荷預(yù)測實現(xiàn)示意圖

2.3 發(fā)電功率預(yù)測

預(yù)先獲得分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線，有助于電力系統(tǒng)調(diào)度部門統(tǒng)籌安排常規(guī)能源和分布式電源發(fā)電的協(xié)調(diào)配合，及時調(diào)整調(diào)度計劃，降低分布電源并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

分布式電源調(diào)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)算法與新型智能算法相結(jié)合的方法，對光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電進行建模，在預(yù)測方式上引入自學(xué)習(xí)因子，對預(yù)測結(jié)果進行實時修正，提高預(yù)測結(jié)果的準確率?？蓪崿F(xiàn)短期發(fā)電功率預(yù)測（預(yù)測1-7天）和超短期發(fā)電功率預(yù)測（預(yù)測兩小時）[9-11]。

預(yù)測發(fā)電功率曲線步驟如下：首先，獲取天氣歷史數(shù)據(jù)與發(fā)電功率歷史數(shù)據(jù)；其次，通過智能算法對歷史數(shù)據(jù)輸入進行訓(xùn)練、學(xué)習(xí)或?qū)?yōu)，建立模型或確定關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)值；最后，輸入預(yù)測日/預(yù)測時間段天氣數(shù)據(jù)，用第二步建立的模型分析處理，得出風(fēng)機/光伏發(fā)電功率預(yù)測曲線。

2.4 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

大量分布式電源接入配電網(wǎng)，會帶來的電壓失穩(wěn)、諧波、潮流波動等問題，影響電網(wǎng)的運行。協(xié)調(diào)控制功能是根據(jù)配電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)、發(fā)電功率預(yù)測結(jié)果、負荷預(yù)測結(jié)果等信息，在滿足系統(tǒng)運行約束的條件下，對系統(tǒng)的運行給出實時的優(yōu)化調(diào)度調(diào)整和控制策略，實現(xiàn)分布式電源的友好接入，保證系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，同時可以降低配電網(wǎng)運行有功損耗，提高系統(tǒng)實時運行的經(jīng)濟性[12]。

實時優(yōu)化控制要求在很短的時間內(nèi)根據(jù)預(yù)測結(jié)果和系統(tǒng)運行狀況的變化對系統(tǒng)的運行給出優(yōu)化控制策略，智能優(yōu)化算法雖然可以有效的解決隨機性問題，但其運行速度較慢，達不到實時優(yōu)化控制對算法運行速度的要求，故針對實時優(yōu)化控制系統(tǒng)采用基于CPLEX的傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃算法[13]，在滿足系統(tǒng)對優(yōu)化結(jié)果準確性要求的同時，保證系統(tǒng)的運行速度。針對實時優(yōu)化控制的功能和要求，將其技術(shù)路線分為控制策略制定和算法實現(xiàn)兩個步驟，具體如下：

1）控制策略

①優(yōu)先使用PV（photovoltaic太陽能）發(fā)電單元的出力，采用最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT），最大化的利用太陽能[14-15]；

②當(dāng)PV的輸出功率大于系統(tǒng)電力負荷時，首先向蓄電池和電動汽車充電，多余的電能出售給大電網(wǎng)，增加系統(tǒng)收益；

③當(dāng)PV的出力不能滿足系統(tǒng)電力負荷時，首先令蓄電池增加出力，并同時檢測蓄電池的荷電狀態(tài)（如蓄電池的剩余電量不能低于其最大容量的30%）；

④若所有的微電源在其出力范圍內(nèi)配合外網(wǎng)都不能滿足電力平衡，則按照負荷的重要程度依次剔除，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2）算法實現(xiàn)

①將系統(tǒng)運行約束條件中的不等式約束線性化，結(jié)合系統(tǒng)運行的等式約束，建立約束條件矩陣；

②根據(jù)系統(tǒng)運行的目標(biāo)函數(shù)，建立系統(tǒng)運行的混合整數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型；

③根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，編寫基于CPLEX的實時優(yōu)化控制算法模型；

④輸入超短期負荷預(yù)測數(shù)據(jù)及光伏發(fā)電預(yù)測數(shù)據(jù)，根據(jù)實時優(yōu)化控制算法，輸出下一時段的系統(tǒng)運行管理調(diào)度策略。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于給定調(diào)度關(guān)口功率的分布式電源最優(yōu)控制技術(shù)

分布式電源作為一種清潔能源，應(yīng)用越來越受到重視，但是其具有間歇不易控特性，導(dǎo)致電網(wǎng)不能像火力發(fā)電那樣直接通過AGC實現(xiàn)機組的出力控制，目前電網(wǎng)企業(yè)對分布式電源的調(diào)度是給定其關(guān)口功率，讓其自己協(xié)調(diào)控制其內(nèi)部的發(fā)電出力，實現(xiàn)分布式電源的總出力滿足給定關(guān)口功率范圍。

作為分布式電源，其發(fā)電組件數(shù)目比較多，每個發(fā)電組件的發(fā)電效率和發(fā)電成本可能都存在差異，考慮發(fā)電組件的運行狀況以及檢修計劃，以及輸送到電網(wǎng)的線路損耗，可以形成不同的調(diào)度控制策略。因此，需要從眾多的調(diào)度控制策略中尋找到最優(yōu)控制，從而實現(xiàn)效益最大化。構(gòu)造最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)，以單位發(fā)電成本最小為目標(biāo)，輔以發(fā)電組件最少、網(wǎng)絡(luò)損耗最低以及無功補償?shù)容o助裝置的投切數(shù)最少，借助生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)備發(fā)電成本、檢修計劃等以及氣象系統(tǒng)的氣象預(yù)報，結(jié)合當(dāng)前發(fā)電組件工況，利用潮流分析和無功優(yōu)化等高級應(yīng)用校核，得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)可行解。具體實現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 基于給定調(diào)度關(guān)口功率實現(xiàn)分布電源最優(yōu)控制框圖

3.2 分層分級分布式電源聯(lián)動協(xié)調(diào)控制技術(shù)

分布式電源調(diào)制功能是一項系統(tǒng)工程，被控制設(shè)備與其關(guān)聯(lián)設(shè)備之間通常存在某些聯(lián)系，需要實行聯(lián)動控制，才能達到控制目標(biāo)，因此提出了分層分級分布式電源聯(lián)動協(xié)調(diào)控制技術(shù)。把分布式電源需要控制的量按照數(shù)據(jù)類型進行分層，建立同層之間和不同層之間控制量的聯(lián)動協(xié)調(diào)策略；同時，控制量隸屬于具體的分布式電源發(fā)電設(shè)備，建立設(shè)備之間的聯(lián)動協(xié)調(diào)策略；此外，不同種類的設(shè)備存在包含關(guān)系，如風(fēng)電場集電線路下包含多臺發(fā)電風(fēng)機和箱變，倘若控制上層設(shè)備，需要同時對該設(shè)備下的其它設(shè)備進行聯(lián)動控制。在控制策略生成過程中，需要優(yōu)化控制流程，簡化控制過程，達到協(xié)調(diào)控制。具體實現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 分層分級分布式電源聯(lián)動協(xié)調(diào)控制流程

4 工程應(yīng)用

2014年，嘉興分布式電源調(diào)控系統(tǒng)作為國內(nèi)首套區(qū)域分布式電源調(diào)控系統(tǒng)成功應(yīng)用于浙江嘉興供電局啟動的微電網(wǎng)綜合示范工程建設(shè)中，系統(tǒng)接入嘉興市區(qū)、嘉善區(qū)、海寧區(qū)和平湖區(qū)共36座光伏電站，總計容量87.11MW，其中10 kV以上光伏電站29座，380V光伏電站7座。

系統(tǒng)接入光伏園區(qū)并已建成滿足接入要求的光伏電源信息，完成與縣級分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的電源信息交互，實現(xiàn)分布式電源調(diào)控系統(tǒng)與調(diào)度自動化、配網(wǎng)自動化、區(qū)域分布式電源運營系統(tǒng)、氣象局氣象系統(tǒng)等系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，預(yù)留與政府相關(guān)電源管理系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)（居民家庭用戶數(shù)據(jù)）、海訊數(shù)據(jù)庫、PMS系統(tǒng)等接口。

圖7 嘉興分布式電源調(diào)控系統(tǒng)主界面

圖8 發(fā)電功率實際值與預(yù)測值曲線圖

整個系統(tǒng)具備了對分布式電源的數(shù)據(jù)采集、負荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測和協(xié)調(diào)優(yōu)化控制功能，完成了綜合評價報告、運行狀態(tài)監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制及群控、數(shù)據(jù)挖掘及統(tǒng)計分析、出力調(diào)節(jié)及控制方式、負荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測等高級應(yīng)用功能。光伏發(fā)電輸出功率的預(yù)測值與實際值兩條曲線達到近似一致，系統(tǒng)平臺的預(yù)測與監(jiān)控效果得到了很好的驗證。通過該系統(tǒng)對所轄區(qū)域分布式電源的運行狀態(tài)、設(shè)備進行監(jiān)控維護，保證了分布式電源的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

該分布式電源調(diào)控系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的商用測試計算機為硬件平臺，軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。該系統(tǒng)已用于嘉興地區(qū)進行現(xiàn)場測試，實際應(yīng)用表明該調(diào)控系統(tǒng)具有運行準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設(shè)計要求。

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Design of a distributed power regulation system

WU Shuang，WU Jing-yu，WANG Bing-wen，HUANG Su-juan，F(xiàn)U Ming
（NARI Technology Development Co.Ltd.，Nanjing 211106，China）

For the current wind power and solar power have the characteristics of intermittent and volatile，and the problems of peak shifting and frequency regulation，the adaptive grid，voltage control，safety and stability are brought after the distributed power especially wind power，solar power large number of access distribution network，a new distributed power regulation system is proposed and designed.The distributed power regulation system based on centralized architecture uses the distributed power optimal control technology of given dispatch gateway power and the hierarchical classification joint coordination control technology，implements the functions of data collection，load forecasting，power generation forecasting and coordinated optimal control.Finally，a typical engineering application case is introduced.

distributed power；dispatch gateway power；hierarchical classification；power generation

TN87

A

1674－6236（2016）23-0173-04

2015-11-24稿件編號：201511228

國電電網(wǎng)科技項目（524608150077）

吳 爽（1986—），女，安徽安慶人，碩士，工程師。研究方向：新能源與微電網(wǎng)。