田 赟， 馮李軍

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)永濟市供電公司，山西 永濟 044500）

0 引言

近年來，國家高度重視分布式電源發(fā)展，并在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出要優(yōu)化太陽能開發(fā)格局，優(yōu)先發(fā)展分布式發(fā)電。山西省政府落實黨中央對資源型地區(qū)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的部署，提出了建設(shè)“資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展示范區(qū)”、打造“能源革命排頭兵”和構(gòu)建“內(nèi)陸地區(qū)對外開放新高地”的三大目標定位，大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，實施光伏扶貧政策，使分布式光伏發(fā)電獲得巨大發(fā)展。截止到2018 年底，山西電網(wǎng)分布式電源裝機已達3 600 MW，其中分布式光伏裝機達2 200 MW，接近全省最大用電負荷平均值的10%。分布式電源大規(guī)模接入，在改變配電網(wǎng)運行特性，使其從傳統(tǒng)的無源型結(jié)構(gòu)變?yōu)楸椴茧娫吹膹?fù)雜結(jié)構(gòu)的同時，給電網(wǎng)的主網(wǎng)電力平衡管理和配電網(wǎng)運行控制帶來技術(shù)上的挑戰(zhàn)[1]，研究分布式電源“源—網(wǎng)”數(shù)據(jù)交互技術(shù)，實現(xiàn)分布式電源與主網(wǎng)和配電網(wǎng)的“物聯(lián)”成為熱門課題。

1 分布式電源大規(guī)模接入影響及現(xiàn)狀分析

1.1 分布式電源大規(guī)模接入帶來電力平衡難題

分布式電源直接向配電網(wǎng)用戶提供電源，與電力負荷是相抵消的關(guān)系，呈現(xiàn)“負用電”特性，對傳統(tǒng)負荷預(yù)測模型產(chǎn)生影響，尤其是分布式光伏，其發(fā)電出力受光照等環(huán)境因素影響，波動性、間歇性顯著，加大了負荷趨勢和空間負荷分布的分析難度，不利于電力平衡管理[2]。目前，山西省分布式光伏裝機容量已超全省最大負荷的10%，午間山西電網(wǎng)調(diào)峰難問題日益凸顯，晴天午間光伏發(fā)電調(diào)峰比后夜調(diào)峰更加困難，主網(wǎng)調(diào)峰困難由“一日一難”惡化為“一日兩難”，同時4 個地區(qū)電網(wǎng)的分布式光伏裝機占最大負荷比例接近10%，省地級電網(wǎng)電力平衡均面臨新挑戰(zhàn)。受分布式電源管理職責界面、電站建設(shè)情況和自動化技術(shù)條件限制，分布式光伏功率預(yù)測和實時監(jiān)測手段缺失，覆蓋分布式電源的電力平衡工作舉步維艱，亟須構(gòu)建含分布式電源的電力平衡管理機制，提升電力平衡管理水平。

1.2 分布式電源數(shù)據(jù)接入現(xiàn)狀分析

國家電網(wǎng)公司《分布式電源調(diào)度運行管理規(guī)范》要求“10～35 kV 分布式電源應(yīng)能實時采集并網(wǎng)運行信息，包括設(shè)備狀態(tài)、電壓、電流、有功功率、無功功率和發(fā)電量等，并上傳至相關(guān)調(diào)度。380/220 V 如納入調(diào)度管轄，應(yīng)通過用電信息采集系統(tǒng)采集并網(wǎng)運行信息并接入調(diào)度自動化系統(tǒng)，主要包括每日電流、電壓和發(fā)電量信息”。目前山西電網(wǎng)各地縣調(diào)調(diào)管10～35 kV 光伏電站部分尚未實現(xiàn)，380/220 V 光伏均未實現(xiàn)自動化信息接入調(diào)度，僅通過用電信息采集系統(tǒng)向營銷部門傳輸電量信息，自動化信息接入情況總體較差，同時由于新能源接入地調(diào)自動化系統(tǒng)缺乏具體的技術(shù)規(guī)范，監(jiān)視信息及監(jiān)視界面尚無統(tǒng)一標準，省地級調(diào)度對分布式光伏的運行信息掌控不足，嚴重影響分布式電源設(shè)備實時調(diào)度控制。

2 分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互模型研究

分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互需要實現(xiàn)分布式電源數(shù)據(jù)的“可觀、可測”，即發(fā)電出力數(shù)據(jù)的實時采集和未來數(shù)據(jù)的預(yù)測分析，同時建立省地縣三級調(diào)度數(shù)據(jù)共享機制和與電站的交互機制[3-4]，從而為主網(wǎng)和配電網(wǎng)運行控制以及“源—網(wǎng)”協(xié)調(diào)運行提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 分布式電源調(diào)度數(shù)據(jù)采集模式選擇

目前，在分布式電源數(shù)據(jù)信息采集模式上主要有兩類。

a） 省調(diào)集中采集轉(zhuǎn)發(fā)模式。各分布式電源信息直接傳送至省調(diào)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)地縣調(diào)。該模式有助于統(tǒng)一規(guī)范分布式電源調(diào)度數(shù)據(jù)上傳內(nèi)容及格式，并且有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和集中管理，同時，對于不具備分布式電源信息接入條件的場站，可由省調(diào)端集中統(tǒng)一采取間接估算等方法獲取數(shù)據(jù)。省調(diào)安全防護的嚴苛標準雖然可確保調(diào)度數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)安全，但在數(shù)據(jù)接入方面的投入相對較大，尤其是通過直采信息接入存在一定的困難。

b) 地調(diào)采集逐級上傳模式。各分布式電源信息直接傳送至地調(diào)，再將數(shù)據(jù)逐級向上級調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。該模式符合目前調(diào)度數(shù)據(jù)上送的模式，且在直采信息接入的投入上有很大的優(yōu)勢，亦有利于分布式電源數(shù)據(jù)異常信息的整治和分級管理，但對數(shù)據(jù)上傳規(guī)范性和集中管理方面會有影響，尤其對于不具備直采信息接入條件的場站，不利于統(tǒng)一間接式估算算法的應(yīng)用。

鑒于上述兩類數(shù)據(jù)采集上傳模式的優(yōu)缺點對比，可選取2 種模式相結(jié)合的方法進行分布式電源數(shù)據(jù)采集模型的設(shè)計，即對具備直采信息的分布式電源場站，可通過地縣調(diào)直采后逐級上傳至省調(diào)模式，對于不具備直采信息的分布式電源場站，可通過采取省調(diào)統(tǒng)一間接估算模式，進而兩類不同數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中至省調(diào)進行管理，再由省調(diào)共享至地縣調(diào)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的全覆蓋。

2.2 分布式電源數(shù)據(jù)采集和分析模型的建立

為確保分布式電源數(shù)據(jù)采集的可拓展性、交互性以及校核準確性，在模型建立過程中，著重要做好數(shù)據(jù)交互開發(fā)和接口管理工作[5]，主要內(nèi)容有以下幾點。

a) 獲取智能調(diào)度系統(tǒng)（D5000 系統(tǒng)） 安全Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)平臺具備直采數(shù)據(jù)接入條件的分布式光伏和集中式光伏實時數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要通過地調(diào)上傳獲取，用于實時監(jiān)視以及無直采接入分布式光伏實時出力的估算。

b) 獲取D5000 系統(tǒng)安全Ⅱ區(qū)氣象采集服務(wù)器集中式電站氣象信息，用于10～35 kV 分布式光伏出力預(yù)測。由于目前的分布式光伏電站不具備氣象信息上傳條件，所以需要參考集中式電站氣象數(shù)據(jù)。

c) 獲取D5000 系統(tǒng)安全Ⅳ區(qū)的營銷用電采集系統(tǒng)380/220 V 分布式光伏容量數(shù)據(jù)，用于分布式光伏基礎(chǔ)信息維護和實時出力的估算。

d） 獲取D5000 系統(tǒng)安全Ⅳ區(qū)山西全省氣象系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于380/220 V 分布式光伏出力預(yù)測和出力估算數(shù)據(jù)校核。詳情見圖1。

在分布式電源數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時采集分析和預(yù)測的基礎(chǔ)上，可搭建分布式電源調(diào)度管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以具備分布式電源接入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、分布式光伏出力預(yù)測、分布式光伏出力實時監(jiān)測、分布式電源數(shù)據(jù)可視化展示和統(tǒng)計分析功能，同時可通過調(diào)度管理系統(tǒng)OMS（operation management system） 分享數(shù)據(jù)至分布式電源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)框架見圖2。

圖1 分布式電源數(shù)據(jù)采集模型

圖2 分布式電源調(diào)度數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框架

2.3 分布式光伏數(shù)據(jù)估算和預(yù)測方法分析

2.3.1 利用固定曲線擬合公式進行功率預(yù)測和估算

對于10～35 kV 分布式光伏功率預(yù)測，以單個電站為最小預(yù)測單位，預(yù)測方式選取就近的集中式光伏的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象文件中的輻照度數(shù)據(jù)進行推算[6]。前期通過大量數(shù)據(jù)采集和曲線擬合，經(jīng)推算，獲取公式為P=0.112x2+0.919x-0.019 7，其中P為每單位容量的功率，x為輻照度。以山西分布式光伏出力數(shù)據(jù)為例，取時長為3 天、每天96 個點的預(yù)測功率和實際功率對比見圖3。

對功率預(yù)測進行合格率評估，具體評估方法見下式

式中：PPi為i時刻預(yù)測功率；PMi為實際發(fā)電功率；Ci為i時刻預(yù)測的開機容量；n為統(tǒng)計時段的總樣本數(shù)；Bi為i時刻預(yù)測絕對誤差是否合格，若合格為1，不合格為0；T為判定閾值，短期功率預(yù)測T為20%。經(jīng)測算3 日的合格率分別為80.16%、81.09%、82.35%，符合相關(guān)技術(shù)標準對功率預(yù)測合格率應(yīng)大于80%的要求。

圖3 固定曲線擬合預(yù)測功率與實際功率對比曲線圖

對于380/220 V 分布式光伏功率預(yù)測，采取基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和氣象特征的虛擬電站定制策略，通過聚類和歸集，形成數(shù)量較少的虛擬電站進行降維分析。預(yù)測方式為以縣為單位進行預(yù)測，根據(jù)所在縣域的集中式光伏電站氣象數(shù)據(jù)加權(quán)平均得到輻照度數(shù)據(jù)進行預(yù)測。如某一縣域無集中式電站，就近選取典型集中式電站天氣數(shù)據(jù)進行模擬推算，同時利用縣域輻照度氣象數(shù)據(jù)進行校核。

對于不具備直采條件的分布式光伏出力估算，10～35 kV 電站根據(jù)就近典型直采電站的實發(fā)功率，同樣利用分布式光伏功率與輻照度的單一變量函數(shù)關(guān)系反推算出實時的輻照度，再根據(jù)輻照度模擬出電站實發(fā)功率。380/220 V 分布式光伏以縣域為單位，依托各縣域的裝機數(shù)據(jù)，取集中式光伏電站以及就近典型分布式直采電站的實發(fā)功率推算出實時輻照度，并通過加權(quán)平均后，根據(jù)輻照度模擬出電站實發(fā)功率。

2.3.2 基于氣象條件相似度的非固定功率預(yù)測方法

通過獲取一個電站（或縣域） 待預(yù)測日96 點的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)及相似氣象歷史數(shù)據(jù)和歷史負荷，抽取樣本時間內(nèi)氣象數(shù)據(jù)最接近且時刻點最接近的n個氣象歷史數(shù)據(jù)及對應(yīng)時刻負荷數(shù)據(jù)，計算每個時刻的平均值，再取全部96 點數(shù)據(jù)進行曲線擬合和算法推導，建立負荷相對于氣象的全天一元二次方程式模型，并將待測時刻的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)代入模型，得到預(yù)測功率。同樣，以山西分布式光伏出力數(shù)據(jù)為例，取時長為3 天、每天96 個點的預(yù)測功率和實際功率對比見圖4。

圖4 基于相似度算法的預(yù)測功率與實際功率對比曲線圖

對功率預(yù)測進行合格率評估，得到3 天數(shù)據(jù)的QR分別為95.56%、95.62%、96.11%。

該算法相較于固定曲線擬合公式算法，由于提取歷史相似氣象和相似負荷數(shù)據(jù)進行校對，能夠減少歷史采集數(shù)據(jù)異常帶來的數(shù)據(jù)偏差，并通過擬合得到符合當日數(shù)據(jù)要求的曲線，無固定的算法方程式和系數(shù)，有相對的靈活性且更為精確，這從合格率評估即可以看出，建議在實際應(yīng)用中選取此種算法。

3 結(jié)束語

本文分析了山西電網(wǎng)分布式電源，主要是分布式光伏的接入現(xiàn)狀以及對主配網(wǎng)運行的影響，就分布式電源數(shù)據(jù)接入的模式進行對比，并結(jié)合當前部分分布式光伏電站不具備直采信息接入條件的情況，選定分級直采上傳和統(tǒng)一估算相結(jié)合的數(shù)據(jù)交互方式，另提出了分布式光伏電站的間接估算方法，對實現(xiàn)配電網(wǎng)分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互有一定的指導作用，亦對分布式電源與主配電網(wǎng)“物聯(lián)”起到基礎(chǔ)性的研究作用。