黃素娟, 張曉青， 孫保華，虞堅陽， 黃偉藝， 宋云翔

(1. 南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 國網(wǎng)常州供電公司，江蘇 常州 213003)

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主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

黃素娟1, 張曉青1， 孫保華2，虞堅陽3， 黃偉藝2， 宋云翔2

(1. 南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 國網(wǎng)常州供電公司，江蘇 常州 213003)

分布式電源的不斷增多以及電動汽車等多樣性負(fù)荷的發(fā)展，給配電網(wǎng)的運行控制帶來了極大挑戰(zhàn)。為充分發(fā)揮主動配電網(wǎng)的作用，適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，提出一種主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。文中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計、軟件架構(gòu)設(shè)計，以及包含特性分析、態(tài)勢感知、協(xié)調(diào)控制在內(nèi)的應(yīng)用功能設(shè)計，通過實現(xiàn)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷的互動協(xié)調(diào)控制，充分挖掘配電網(wǎng)中可調(diào)可控資源的潛力，在主動配電網(wǎng)安全可靠運行基礎(chǔ)上，提升分布式電源的有效消納以及多樣化負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力。文中設(shè)計開發(fā)出的主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)已應(yīng)用于常州配電網(wǎng)。

主動配電網(wǎng); 協(xié)調(diào)控制; 系統(tǒng)設(shè)計; 分布式電源

0 引言

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率不斷上升，傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生改變。可再生新能源的接入加劇了系統(tǒng)的隨機性和波動性，使得配電網(wǎng)傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方式已無法滿足大規(guī)模分布式電源接入的現(xiàn)實需求[1]。主動配電網(wǎng)是實現(xiàn)對大量接入配電網(wǎng)的分布式電源進(jìn)行主動管理的有效解決方案。目前，國內(nèi)外正在開展相關(guān)技術(shù)的研究，我國也已將主動配電網(wǎng)作為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的研究方向[2-4]。文獻(xiàn)[5]提出了以24 h為長周期的優(yōu)化計算與以15 min為短周期的優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的分布式能源優(yōu)化運行方案。文獻(xiàn)[6]提出了主動配電網(wǎng)分層能量管理下的分布式能源協(xié)調(diào)控制體系。文獻(xiàn)[7-9]分別研究了分布式發(fā)電、柔性負(fù)荷以及儲能系統(tǒng)與主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

這些文獻(xiàn)對主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制研究大多停留在理論分析及仿真上，本文從主動配電網(wǎng)的特性出發(fā)，綜合考慮分布式電源、配電網(wǎng)、儲能、柔性負(fù)荷等多種可調(diào)可控資源，提出一種主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，用于配電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下的網(wǎng)-源-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是圍繞網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用，運用適應(yīng)于主動配電網(wǎng)的網(wǎng)-源-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制機制，創(chuàng)新配電網(wǎng)的調(diào)度控制模式，通過實現(xiàn)對分布式電源、儲能、柔性負(fù)荷等配電網(wǎng)可調(diào)可控資源的互動協(xié)調(diào)控制，提升分布式電源的有效消納和高效利用以及多樣化負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力，為網(wǎng)-源-荷的友好互動提供強有力的技術(shù)支撐。主動配電網(wǎng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Active distribution network coordination control system

主動配電網(wǎng)管理協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)模型，一方面利用目前已有系統(tǒng)，如配電自動化系統(tǒng)、營銷負(fù)控系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、PMS、EMS；另一方面采集分布式電源運行信息、電動汽車充電設(shè)施運行信息等。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以中壓配電網(wǎng)、分布式電源、分布式儲能、電動汽車、柔性負(fù)荷等為管控對象，在配電自動化全覆蓋的基礎(chǔ)上，融合EMS、PMS/GIS、營銷、負(fù)控、用采等外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建從分布式電源到柔性負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的全景全量協(xié)同管理[10]。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括操作系統(tǒng)層、應(yīng)用支撐層和高級應(yīng)用層。其中操作系統(tǒng)層和應(yīng)用支撐層是基于配電自動化系統(tǒng)軟件平臺搭建的統(tǒng)一平臺；應(yīng)用層包含3個部分，分別是網(wǎng)源荷特性分析、主動配電網(wǎng)態(tài)勢感知、網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制。作為輔助調(diào)度人員進(jìn)行配電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)控的支持系統(tǒng)，系統(tǒng)功能的設(shè)置面向?qū)嶋H的業(yè)務(wù)需求，進(jìn)而實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的安全可靠運行。主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Active distribution network coordination control system software structure diagram

2.3 與其他系統(tǒng)的信息交互

對于主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言，無論是全局集中控制還是局部自治控制，都需要標(biāo)準(zhǔn)化的信息建模與交互，使得主動配電網(wǎng)信息得到有效的集成和應(yīng)用，才能完成上層的分析應(yīng)用功能。因此，通過信息交互總線建立與各分布式電源管理系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、DMS系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)等的友好接口。

系統(tǒng)間的信息交互通過遵循IEC 61968/61970國際標(biāo)準(zhǔn)的信息交互總線實現(xiàn)，保證接口的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)化。主動配電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)利用信息交互總線從以下各系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容。

(1) EMS系統(tǒng)：變電站圖形、模型、實時數(shù)據(jù)信息；

(2) DMS系統(tǒng)：配網(wǎng)實時、歷史數(shù)據(jù)；

(3) PMS/GIS系統(tǒng)：10 kV配網(wǎng)圖形、模型信息；

(4) 用電采集系統(tǒng)：10 kV配變(含專變)運行信息、可調(diào)負(fù)荷運行信息；

(5) 營銷系統(tǒng)：專變模型、可調(diào)負(fù)荷模型、充電樁模型和運行信息；

(6) 分布式能源監(jiān)控系統(tǒng)：分布式電源模型、分布式電源運行信息。

主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)通過主動感知、特性分析和協(xié)調(diào)控制得出控制策略，通過信息交互總線下發(fā)至DMS系統(tǒng)、負(fù)控系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)和分布式能源監(jiān)控系統(tǒng)等，對應(yīng)系統(tǒng)接收到主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)送的控制策略后，通過分析處理后對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 功能設(shè)計

3.1 網(wǎng)源荷特性分析

網(wǎng)源荷特性分析完成主動配電網(wǎng)可調(diào)控資源的特征和性能分析，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括分布式電源特性分析、分布式儲能特性分析、配電網(wǎng)調(diào)節(jié)特性分析和柔性負(fù)荷特性分析。

3.1.1 分布式電源特性分析

(1) 分布式光伏：分析分布式光伏的出力特性，分析不同時間段、不同天氣類型光伏出力變化率的分布特性分析光伏并網(wǎng)點電壓與光伏出力的關(guān)聯(lián)特性等。

(2) 分布式風(fēng)機：分析一段時期內(nèi)的出力曲線，分析風(fēng)速對風(fēng)機出力水平的影響，分析統(tǒng)計風(fēng)機所在位置風(fēng)資源的時間分布特性，分析風(fēng)機出力變化率的特性分布，分析并網(wǎng)點電壓與風(fēng)機出力的關(guān)聯(lián)特性，風(fēng)機類型及安裝方式對出力分布和出力變化率的影響等。

3.1.2 分布式儲能特性分析

根據(jù)分布式儲能的充放電特性，分析電網(wǎng)各種情況下儲能系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力和負(fù)荷支撐能力，根據(jù)儲能歷史充放電樣本數(shù)據(jù)，分析不同類型、容量的儲能充放電轉(zhuǎn)換效率。包括分析儲能充放電特性曲線，儲能充放電經(jīng)濟(jì)性分析，分析儲能對于平抑分布式電源出力波動的影響等。

3.1.3 配電網(wǎng)調(diào)節(jié)特性分析

在充分考慮分布式發(fā)電間歇性和波動性特征的基礎(chǔ)上，分析影響配電網(wǎng)消納分布式電源能力的各個因素；分析節(jié)點電壓限制和支路電流過載風(fēng)險對分布式能源接納能力的影響；分析配電網(wǎng)在某確定的計劃方式下的供電能力和最多能接入的分布式發(fā)電的容量，為分布式發(fā)電的接入和協(xié)調(diào)控制提供參考依據(jù)。

3.1.4 柔性負(fù)荷特性分析

柔性負(fù)荷特性分析主要是指可調(diào)控的負(fù)荷特性分析，掌握各種柔性負(fù)荷的運行特性，為負(fù)荷的調(diào)度提供依據(jù)[11]。具體包括負(fù)荷中剛性部分與柔性部分所占比重分析，不同類型負(fù)荷的用電特性分析，不同負(fù)荷對于電價等激勵的敏感度分析，不同時間尺度下負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍及其成本差異分析等。

3.2 運行態(tài)勢感知

配電網(wǎng)運行態(tài)勢感知通過對接入配網(wǎng)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，應(yīng)用態(tài)勢感知的先進(jìn)技術(shù)，準(zhǔn)確分析出配電網(wǎng)的狀態(tài)及變化趨勢等。配電網(wǎng)運行態(tài)勢感知主要包括多源信息融合、饋線級負(fù)荷預(yù)測、分布式電源功率預(yù)測、主動配電網(wǎng)風(fēng)險分析、電網(wǎng)狀態(tài)評估、含分布式電源的潮流分析等。

(1) 多源信息融合。多源信息融合應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、聚類分析等理論，對多時間尺度的多源測量信息進(jìn)行清洗、分類、聚合，剔除錯誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行信息融合。多源數(shù)據(jù)在滿足合理性校驗后按照人工定義的優(yōu)先級存放，經(jīng)判斷后將最優(yōu)數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中，為主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的各個應(yīng)用功能提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 饋線級負(fù)荷預(yù)測。通過分析挖掘歷史饋線負(fù)荷數(shù)據(jù)資料，分析用電負(fù)荷的變化特性規(guī)律，提取出影響?zhàn)伨€負(fù)荷變化量的相關(guān)因素，分析在不同因素影響下負(fù)荷特性的變化情況，包括負(fù)荷類型、天氣情況、日期類型、不同類型負(fù)荷比例等。建立饋線負(fù)荷預(yù)測模型，實現(xiàn)饋線負(fù)荷的預(yù)測。

(3) 分布式電源功率預(yù)測。根據(jù)實時氣象數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)以及光伏電站、風(fēng)電場的實時運行數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，建立光伏、風(fēng)機等分布式電源發(fā)電預(yù)測的模型，對分布式電源短期和超短期的輸出功率進(jìn)行預(yù)測。

(4) 主動配電網(wǎng)風(fēng)險分析。根據(jù)分布式電源的出力特點，分析分布式電源接入對配電網(wǎng)影響，結(jié)合電力系統(tǒng)風(fēng)險分析的基本原理，對于節(jié)點過電壓和設(shè)備過負(fù)荷進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)計算[12]，為主動配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供決策依據(jù)。

(5) 主動配電電網(wǎng)狀態(tài)評估。主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的量測數(shù)據(jù)來自多個相關(guān)系統(tǒng)，包含實時數(shù)據(jù)、準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)以及離線數(shù)據(jù)，而且各個點采集到的系統(tǒng)時標(biāo)有所不同、采集數(shù)據(jù)類型有所不同，利用這些數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確評估系統(tǒng)運行狀態(tài)，滿足調(diào)度監(jiān)測及輔助決策分析的需求。

(6) 含分布式電源的潮流分析。分析光伏、風(fēng)機等典型分布式電源的工作原理、運行方式及各自并網(wǎng)運行的特點，分別等效為PQ，PV，PI等節(jié)點類型[13]，建立含分布式電源的配網(wǎng)潮流計算模型，對含有多種分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計算。提供多種潮流算法，包括前推回代法、牛頓拉夫遜法及最優(yōu)乘子法等。既能進(jìn)行輻射網(wǎng)的潮流計算，也能進(jìn)行環(huán)網(wǎng)的潮流計算。

3.3 網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制

協(xié)調(diào)控制的核心在于將主動配電網(wǎng)存在的各類可調(diào)可控資源有效充分地利用起來，實現(xiàn)下級到上級的可調(diào)度容量和以及反饋信號的提交，上級到下級的控制策略和目標(biāo)曲線的下發(fā)、控制策略的評估等功能。具體包括可調(diào)度容量分析、網(wǎng)-源-荷協(xié)調(diào)控制、策略評估等。

(1) 可調(diào)度容量分析?？烧{(diào)度容量分析指在主動配電網(wǎng)分層控制的每一層可實現(xiàn)對本層可調(diào)度電源容量和可調(diào)度負(fù)荷容量的分析，為上層應(yīng)用提供基本的數(shù)據(jù)支撐。分析建立在負(fù)荷預(yù)測、分布式發(fā)電預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、柔性?fù)荷減載合同及電價等信息基礎(chǔ)上，并結(jié)合各類資源的特性分析，給出本層可調(diào)度電源容量和負(fù)荷容量。

(2) 網(wǎng)-源-荷-儲協(xié)調(diào)控制。協(xié)調(diào)控制模塊將主動配電網(wǎng)中存在的各類可調(diào)可控資源均納入調(diào)控范圍，對象包括配電網(wǎng)設(shè)備、分布式電源、微網(wǎng)、儲能、柔性負(fù)荷等。協(xié)調(diào)控制整體框架如圖3所示，分為日前和日內(nèi)2個時間尺度[14-19]。日前優(yōu)化是對分布式電源有功功率、儲能的充放電計劃及柔性負(fù)荷減載量、減載時段的計劃。其目標(biāo)是在確保電網(wǎng)安全可靠運行及可再生新能源利用最大化的前提下，整個優(yōu)化周期內(nèi)的電網(wǎng)運行成本最低，運行成本包括分布式電源發(fā)電成本、儲能充放電成本、柔性負(fù)荷減載補償成本、上級電網(wǎng)與區(qū)域配電網(wǎng)之前的購售電成本及網(wǎng)損成本。

圖3 主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制框圖Fig.3 Active distribution network coordinated control block diagram

日內(nèi)準(zhǔn)實時優(yōu)化在日前優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前配電網(wǎng)的潮流分布情況、節(jié)點電壓情況、分布式能源運行狀態(tài)以及儲能的充放電情況，結(jié)合超短期負(fù)荷預(yù)測，對日前的優(yōu)化決策進(jìn)行滾動修正。在配電網(wǎng)運行出現(xiàn)節(jié)點電壓越限或支路功率越限等異常情況時，將分布式電源無功功率調(diào)整和有功功率削減作為一種控制手段。給出的控制策略包括配網(wǎng)運行方式調(diào)整，儲能充放電功率的調(diào)整，可控分布式電源的有功功率削減、無功功率的調(diào)整，柔性負(fù)荷減載等。

(3) 策略評估。建立優(yōu)化調(diào)度策略評估體系，對運行控制策略的執(zhí)行效果進(jìn)行評估，并根據(jù)評估結(jié)果，更新協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度策略庫[20]，為后續(xù)策略優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

為探索主動配電網(wǎng)的建設(shè)和運維經(jīng)驗，常州供電公司于2016年在武進(jìn)區(qū)規(guī)劃建設(shè)了主動配電網(wǎng)示范區(qū)，覆蓋范圍包括4個變電站供電的47回10(20) kV線路，其中分布式電源16戶，柔性負(fù)荷4戶，并建設(shè)有光伏儲能一體化充電站。本文設(shè)計的主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)于2016年12月在常州投入運行，融合了調(diào)度EMS、配電自動化DMS、用電信息采集、分布式電源運行監(jiān)控、電動汽車充電設(shè)施運行監(jiān)控等各類系統(tǒng)中的網(wǎng)源荷信息，從就地主動響應(yīng)、線路空間均衡、區(qū)域綜合協(xié)調(diào)多個層面，通過日前和日內(nèi)2個時間尺度優(yōu)化，進(jìn)行源-網(wǎng)-荷-儲各類資源協(xié)調(diào)控制，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)供電、削峰填谷、儲充優(yōu)化運行、保障新能源消納、規(guī)劃指引的目標(biāo)。常州主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 常州主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)界面Fig.4 Changzhou active distribution network coordinated control system interface

5 結(jié)論

本文針對主動配電網(wǎng)的特征，提出了一種主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)通過實現(xiàn)網(wǎng)-源-荷多方資源的互動協(xié)調(diào)控制，充分發(fā)揮分布式電源、儲能、柔性負(fù)荷等配電網(wǎng)可調(diào)可控資源在配電網(wǎng)運行中的作用，在主動配電網(wǎng)安全可靠運行基礎(chǔ)上，提升分布式電源的有效消納和高效利用以及多樣化負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力，為主動配電網(wǎng)的研究和深入開展提供參考和借鑒。

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(編輯 徐林菊)

Design and Application of Coordinated Control System in Active Distribution Network

HUANG Sujuan1, ZHANG Xiaoqing1, SUN Baohua2,YU Jianyang3, HUANG Weiyi2, SONG Yunxiang2

(1. NARI Group Corporation, Nanjing 211106, China; 2. NARI Technology Development Limited Company,Nanjing 211106, China; 3. State Grid Changzhou Power Supply Company, Changzhou 213003, China)

With constantly increasing accesses of distributed generators and diversity load development such as electric vehicles, the operational control of distribution network is facing a huge challenge. In order to make full use of active distribution network and meet the development requirement of smart grid, this paper proposes a coordinated control system in active distribution network. The paper elaborates the general architectural design, software architectural design, and functional designs including of characteristic analysis, situation awareness and coordinated control. Through the coordinated interaction and control of source-load-storage being realized, the potential of controllable resources in distribution network is fully exploited, distributed generator optimizes its power generation absorption and diversity load improves its ability of participating in electric network load adjustment basing on active distribution network in safe and reliable operation. The coordinated control system designed and developed based on this paper has been applied in Changzhou distribution network.

active distribution network; coordinated control; architectural design; distributed generator

2017-03-01；

2017-04-05

國家電網(wǎng)公司科技項目(能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的分布式儲能的優(yōu)化配置與運行控制關(guān)鍵技術(shù)研究)

TM732

A

2096-3203(2017)04-0025-06

黃素娟

黃素娟(1986—)，女，河南睢縣人，工程師，研究方向為智能配電網(wǎng)及配電自動化系統(tǒng)(E-mail：huangsujuan@sgepri.sgcc.com.cn)；

張曉青(1985—)，女，江蘇徐州人，工程師，研究方向為智能配電網(wǎng)及配電自動化系統(tǒng)(E-mail：zhangxiaoqing@sgepri.sgcc.com.cn)；

孫保華(1985—)，男，江蘇南京人，工程師，從事配網(wǎng)調(diào)度自動化及其相關(guān)工作(E-mail：sunbaohua@sgepri.sgcc.com.cn)；

虞堅陽(1974—)，男，江蘇常州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動化系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)管理相關(guān)工作(E-mail：yujianyang@js.sgcc.com.cn)；

黃偉芝(1992—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事配網(wǎng)調(diào)度自動化及其相關(guān)工作(E-mail：huangweiyi@sgepri.sgcc.com.cn)；

宋云翔(1966—)，男，貴州金河人，高級工程師，從事主動配電網(wǎng)技術(shù)與管理工作(E-mail：songyunxiang@sgepri.sgcc.com.cn)。