賈 巍，方兵華，雷才嘉，高 慧，張晏玉，黃裕春

（廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局，廣州 510620）

0 引言

我國城市配電網(wǎng)在“十三五”期間發(fā)展快速，近年來電網(wǎng)公司全面推進世界一流配電網(wǎng)的建設，且已初顯成效[1－3]。隨著高比例可再生分布式電源（Renewable Dis?tributed Generation.RDG）、儲能和電動汽車等元素的接入，促使城市配電網(wǎng)向低碳性和智能性方向發(fā)展[4－5]。因此，研究“源網(wǎng)荷儲充”的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制是一流城市配電網(wǎng)規(guī)劃建設中的重要組成部分。

國內(nèi)外學者對配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制開展了大量研究。曾順奇等[6]以年綜合費用最小為目標，建立了主動配電網(wǎng)網(wǎng)架三層規(guī)劃模型，對源網(wǎng)荷儲進行協(xié)調(diào)優(yōu)化；姜琦等[7]構(gòu)建了基于遺傳算法的“源網(wǎng)荷儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化數(shù)學模型；Sharma S等[8]對風電、電容器和電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度進行研究，以降低配電網(wǎng)運行損耗及成本；周任軍等[9]應用新能源－負荷相似度指標和曲線波動度指標，建立含相似度與波動度指標約束的源荷協(xié)調(diào)兩階段優(yōu)化模型；曾鳴等[10]提出了能源互聯(lián)網(wǎng)廣義“源－網(wǎng)－荷－儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化運營模式；彭春華等[11]提出基于指數(shù)變化的差異化需求響應機制，建立以系統(tǒng)運行成本最低為目標的微電網(wǎng)源荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型。上述文獻在荷端是通過制定電動汽車充電電價來協(xié)調(diào)充電時段，且大多缺乏對配電網(wǎng)協(xié)調(diào)程度的約束，協(xié)調(diào)效果有限。

由于電動汽車充電會增加配電網(wǎng)的負擔，在電動汽車參與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方面，Trivino－Cabrera A等[12]考慮V2G市場驅(qū)動場景下，提出了一種聯(lián)合的電動汽車路由和充放電調(diào)度策略；Sufyan M等[13]研究車輛接入電網(wǎng)（Vehicle－to－grid.V2G）技術(shù)的電動汽車協(xié)調(diào)特性，采用螢火蟲算法優(yōu)化系統(tǒng)運行成本；劉東奇等[14]提出一種基于T－S模糊控制器，用于實現(xiàn)電動汽車接入電網(wǎng)（V2G）技術(shù)的電動汽車智能充電站控制策略；呂耀棠等[15]以減小饋線網(wǎng)損和日內(nèi)電壓波動為目標，建立了基于電價引導原則的車網(wǎng)互聯(lián)（V2G）功率模型；陳忠華等[16]提出V2G模式下的電動汽車有序充放電控制模型的設計方法。但以上研究鮮有考慮將電動汽車充電樁參與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

基于此，本文針對一流城市配電網(wǎng)現(xiàn)階段面臨的問題，提出源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。通過分析源網(wǎng)荷儲充設備資源的協(xié)調(diào)運行特性以及運行場景，進而提出適應多運行場景的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，包括分布協(xié)同策略和集中優(yōu)化策略，最后通過算例分析對本文所提控制策略的有效性進行驗證。

1 源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)運行特性及場景分析

1.1 協(xié)調(diào)運行特性

“源網(wǎng)荷儲充”中源端包括中壓接入的微型燃氣發(fā)電、光伏、水電等以及低壓接入的居民光伏。網(wǎng)端主要為配電變壓器低壓側(cè)集中無功補償裝置，包括分別以電容器為代表的離散型補償裝置和SVG為代表的連續(xù)型補償裝置；荷端主要為電動汽車和可中斷負荷；儲端即為儲能裝置；充端為電動汽車充電樁。源網(wǎng)荷儲充間的協(xié)調(diào)本質(zhì)上是有功和無功的交互影響與協(xié)調(diào)，在保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下，平抑配電網(wǎng)負荷波動，降低配電網(wǎng)運行損耗，釋放設備資源的利用空間，進而達到設備優(yōu)化配置、資源優(yōu)化利用及優(yōu)化效益的目的。一流配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲充運行如圖1所示。由圖可以看出，有功潮流主要受源荷儲充的影響，源端為RDG的有功出力，荷端為電動汽車、可中斷負荷等的用電需求，儲端為儲能裝置的充放電，充端為電動汽車充電樁的V2G響應[6]；無功潮流主要受源網(wǎng)充的影響，源端為RDG的無功出力，網(wǎng)端為電容器、SVG的無功出力，充端為電動汽車充電樁的無功響應[17]。

圖1 一流配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲充運行

由于在電網(wǎng)運行中有功潮流主要體現(xiàn)為負荷運行特性，若有功未協(xié)調(diào)則可能出現(xiàn)儲能充電負荷、電動汽車負荷與傳統(tǒng)負荷曲線峰峰疊加，加劇配電網(wǎng)的運行壓力，而在谷期儲能放電、電動汽車負荷退出，進一步加大配電網(wǎng)的峰谷差，降低設備整體利用率。無功潮流主要通過功率因數(shù)、電壓和網(wǎng)損等指標體現(xiàn)，若無功未協(xié)調(diào)則可能會增大配電網(wǎng)的無功潮流，惡化運行電壓，增加運行損耗。

因此，一流配電網(wǎng)的源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)特性表現(xiàn)為負荷曲線平滑、設備利用率較高、電壓合格、運行網(wǎng)損較低。在源網(wǎng)荷儲充各手段滿足剛性可控的條件下，其協(xié)調(diào)運行特性最優(yōu)，即各資源優(yōu)劣互補，較好地滿足配電網(wǎng)運行需求，達到最佳的電網(wǎng)運行效果；而在柔性可控條件下，應根據(jù)實際運行負荷特性與設備特性的差異，針對性地制定控制策略。

1.2 運行場景分析

源荷儲充接入給配電網(wǎng)運行控制帶來了重大影響，由于在不同的運行條件下，源網(wǎng)荷儲充控制方式方法和協(xié)調(diào)運行特性具有差異性，配電網(wǎng)運行控制效益也有所不同。本節(jié)從通信與協(xié)調(diào)控制的角度，對源網(wǎng)荷儲充不同的協(xié)調(diào)運行場景進行分析。

為區(qū)分和準確表達配電網(wǎng)不同場景下的源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)控制能力，現(xiàn)根據(jù)其通信完善程度及自動化水平高低進行分類，如表1所示。

可以看出，源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)運行場景實際上涵蓋了配電網(wǎng)發(fā)展控制的各個階段，為滿足各種條件下配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運行的要求，源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略應具備自適應性、普適性和魯棒性，實現(xiàn)不同場景下的控制應用。

2 適應多運行場景的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略

基于一流城市配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲充的運行場景分析，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，從全局有功－無功電壓優(yōu)化控制的角度，提出適應多運行場景的源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)優(yōu)化策略。

2.1 協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)優(yōu)化控制包括有功協(xié)調(diào)、無功協(xié)調(diào)，在保障電網(wǎng)安全運行的前提下，以節(jié)能降損、削峰填谷提升設備利用率為目的，其可控設備包括RDG、無功補償設備、電動汽車充電樁、儲能裝置等?？刂颇Ｊ桨袃?yōu)化和分布協(xié)同兩種，兩者互為主輔，集中優(yōu)化控制作為第一優(yōu)先級的高級控制模式，分布協(xié)同作為通信及自動化控制手段缺失或異常時的補充控制模式，可根據(jù)不同運行工況進行自適應配電網(wǎng)優(yōu)化控制，其架構(gòu)如圖2所示。圖中的實線箭頭表示配網(wǎng)實時數(shù)據(jù)信息流由起始端流向指向端，虛線箭頭表示控制信息流由起始端流向指向端。在集中優(yōu)化控制模式下，系統(tǒng)層通過GIS系統(tǒng)信息對線路進行建模，并通過通信層收集受控層的實時數(shù)據(jù)和負荷信息，在主站內(nèi)進行優(yōu)化計算，然后再通過通信層進行控制指令的下發(fā)。而在分布協(xié)同控制模式下，由于通信及自動化系統(tǒng)建設不完善或異常，受控層無法與上層系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，則根據(jù)本地測量得到的電氣數(shù)據(jù)，按照預設的就地協(xié)同策略進行自動控制，其數(shù)據(jù)和控制信息只在本層流動。

圖2 協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

2.2 分布協(xié)同策略

分布協(xié)同控制策略主要針對集中控制條件缺失的“源網(wǎng)荷儲充”設備，根據(jù)控制手段對有功及無功的調(diào)節(jié)效應，分別設置儲能及充電樁互動需求響應控制、無功補償設備及RDG的V/Q控制。

（1）儲能及充電樁的互動需求響應控制

根據(jù)當前充電樁及儲能接入配電網(wǎng)的RDG與負荷特性，對負荷的峰平谷時間段進行劃分并設置不同的激勵電價，基于變壓器功率監(jiān)測設置變壓器過載時充電樁輸出功率為0，并給出兩種充電模式供用戶選擇，分別實現(xiàn)儲能與充電樁的互動需求響應控制。具體步驟如下：

①收集充電樁及儲能接入?yún)^(qū)域的總負荷容量、各負荷類型及其占比，RDG接入類型及滲透率，電動汽車滲透率等；

②擬合其區(qū)域源荷復合負荷特性曲線；

③根據(jù)區(qū)域負荷特性曲線，劃分峰平谷3個時間段，并結(jié)合電動汽車充電特性設置不同的激勵電價，引導電動汽車及儲能用戶的充放電；

④對于充電站直接應用峰平谷電價，對于分散充電樁，監(jiān)測收集充電樁接入配變低壓側(cè)母線的總功率，計算配變的負載率，在配變過載時控制充電樁輸出功率為0，對處于空閑時段且電量充足的電動汽車，通過充電樁向電網(wǎng)輸入有功功率，且利用充電樁的無功響應能力向電網(wǎng)輸入無功功率；

⑤在配變正常運行時，設置不同的充電優(yōu)惠模式，并結(jié)合用戶充電電量需求，計算推送電動汽車充滿所需的時間及費用表，供用戶選擇。

（2）無功補償設備及RDG的V/Q控制

對于無功補償設備的V/Q控制，依據(jù)負荷水平不同對無功補償需求的差異性制定3組電壓控制區(qū)間和功率因數(shù)控制限值，則不同負載水平下的電壓控制分區(qū)及功率因數(shù)控制分區(qū)如表2所示。

表2 不同負載水平下的分區(qū)表

無功補償設備的V/Q控制流程如圖3所示。

圖3 無功補償設備的V/Q控制流程

對于RDG的V/Q控制，通過對配電網(wǎng)中RDG的并網(wǎng)點電壓監(jiān)測，用以評估當前并網(wǎng)點的電壓和無功狀況，并針對不同的電壓水平實行差異化控制，設置RDG不同的功率因數(shù)區(qū)間作為其無功出力的依據(jù)和約束條件。其控制流程如圖4所示。

圖4 RDG的V/Q控制流程

2.3 集中優(yōu)化策略

本文在蔡永翔等[18]研究中的中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制模型的基礎上，進一步提出根據(jù)負載阻抗和等效阻抗對控制變量的敏感性分配控制變量，即“源網(wǎng)荷儲充”的有功功率和無功功率，以實現(xiàn)集中優(yōu)化控制的最優(yōu)目標。

（1）目標函數(shù)

目標函數(shù)如下：

式中：w∈[0.1]為懲罰項；為節(jié)點i的負載阻抗；為節(jié)點i的等效阻抗；和分別為節(jié)點i的負載阻抗和等效阻抗對控制變量的靈敏度矢量；、和分別為節(jié)點i的負載阻抗和等效阻抗對“源網(wǎng)荷儲充”注入的有功功率和無功功率的敏感度矢量；Δu=[ΔP.ΔQ]T為控制變量變化的向量，ΔP、ΔQ分別為“源網(wǎng)荷儲充”注入的有功功率和無功功率的變化向量；ε=[ε1.ε2]T為電壓約束松弛變量矢量；G為懲罰昂貴發(fā)電控制變量的權(quán)重矩陣；H為懲罰松弛變量的權(quán)重矩陣。

（2）約束條件

約束條件如下：

式中：Vi(t+k)、Vi(t+k-1)分別為t時刻節(jié)點i的電壓預測值和量測值，和分別為節(jié)點i的電壓上下限值；為節(jié)點電壓相對于控制變量的靈敏度矩陣；ΔPx、ΔQx分別為“源網(wǎng)荷儲充”設備x的注入有功功率和無功功率變化量，和分別為注入有功功率和無功功率變化量的上下限值；Px、Qx分別為“源網(wǎng)荷儲充”設備x的注入有功功率和無功功率，和分別為注入有功功率、無功功率的上下限值。

2.4 具體實現(xiàn)流程

分布協(xié)同控制作為基本的后備保障控制，會預先設置嵌入到各受控設備，而集中優(yōu)化控制則作為常規(guī)控制模式設置在后臺系統(tǒng)中，在實際應用中，“源網(wǎng)荷儲充”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制以集中優(yōu)化控制作為第一控制模式；在通信和自動化控制手段缺失或異常時，才會采用分布協(xié)同控制模式，作為第二控制模式。具體實現(xiàn)流程如圖5所示。以上流程可根據(jù)實際情況設置間隔時間，每個固定周期重復進行判斷和控制，為適應配網(wǎng)自動化的建設和數(shù)據(jù)要求，建議每個運行周期為1 h，出于運行需要在人為干預下可靈活切換兩種運行模式。

圖5 協(xié)調(diào)優(yōu)化策略流程

3 算例分析

為驗證本文所提協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的有效性，在Matlab中對IEEE33標準節(jié)點系統(tǒng)進行多運行場景的算例仿真分析，擴展后的線路模型如圖6所示。

圖6 IEEE33節(jié)點系統(tǒng)擴展模型

在節(jié)點17、29均接入裝機容量為1 MW，超前功率因數(shù)為0.9，滯后功率因數(shù)為0.95的光伏電源；節(jié)點10、24均接入4組單組容量為60 kvar的電容器；節(jié)點15、31均接入無功出力區(qū)間為[－1 Mvar.1 Mvar]的SVG；節(jié)點6、14、33均接入充電樁，其電動汽車的充放電功率區(qū)間為[－0.4 MW.0.4 MW]，容量極限為[0.1.0 MW·h]，充放電容量需求為0.6 MW·h；節(jié)點18、30均接入充放 電 功 率 區(qū) 間 為[－0.3 MW.0.3 MW]，容 量 極 限 為[0.0.9 MW·h]，充放電系數(shù)為0.9/0.11的儲能。光伏出力及負荷功率曲線如圖7所示。

圖7 光伏出力及負荷功率曲線

采用本文所提協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略對1.2節(jié)的3個運行場景進行設置，仿真結(jié)果中有功負荷曲線如圖8所示，線路末端節(jié)點的電壓曲線如圖9所示。

圖8 3種場景下的有功負荷曲線

圖9 3種場景下線路末端節(jié)點32的電壓曲線

（1）場景1：單一電價下，考慮光伏并網(wǎng)，電動汽車根據(jù)用戶需求進行恒功率充電，儲能作為應急電源，不參與日常電網(wǎng)調(diào)度；利用無功補償裝置，控制并網(wǎng)點補償功率因數(shù)在0.95及以上。

（2）場景2：考慮需求側(cè)響應與光伏并網(wǎng)的情況，采用分布協(xié)同策略調(diào)節(jié)儲能充放電、電動汽車接入以及無功補償裝置，提高并網(wǎng)點的穩(wěn)定性。

（3）場景3：考慮需求側(cè)響應與光伏并網(wǎng)的情況，采用集中優(yōu)化策略調(diào)節(jié)儲能、電動汽車充放電以及無功補償裝置，使得配電網(wǎng)的綜合效益最高。

可以看出，場景1由于僅利用無功補償裝置進行調(diào)控，負荷曲線的波動未得到明顯改善，且中午時段光伏并網(wǎng)點及其鄰近節(jié)點易出現(xiàn)電壓越上限的情況，而夜間用電高峰可能出現(xiàn)電壓越下限；場景2設定了峰平谷電價，促使儲能及電動汽車進行電價需求響應，削峰填谷，一定程度上平緩了負荷曲線；場景3根據(jù)電網(wǎng)綜合效益指標進行調(diào)控，使得負荷曲線趨于平穩(wěn)，防止出現(xiàn)有功倒送的情況，同時降低了無功負荷水平，進一步降低了網(wǎng)損，保證了線路末端節(jié)點的電壓在合格區(qū)間。

3種場景下配電網(wǎng)控制的綜合運行效益如表3所示。由表可見，分布協(xié)同控制以及集中優(yōu)化控制均可以取得較高的配電網(wǎng)控制效益，相較于場景1，配電網(wǎng)控制的綜合效益在場景2下提升約6.34%，在場景3下提升約7.72%。

表3 3種場景下配電網(wǎng)控制綜合運行效益對比

4 結(jié)束語

本文針對城市配電網(wǎng)中接入新能源技術(shù)帶來的復雜多樣性與隨機不確定性問題，提出考慮多種運行場景的“源網(wǎng)荷儲充”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，總結(jié)如下：

（1）本文充分考慮源網(wǎng)荷儲充協(xié)調(diào)運行特性，提出的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略能夠適應配電網(wǎng)的多種運行場景；

（2）針對不同運行場景所實施的控制策略，可以有效平緩負荷曲線、改善運行電壓水平、具有較好的配電網(wǎng)控制效益；

（3）利用“源網(wǎng)荷儲充”各設備資源進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，可實現(xiàn)調(diào)控高效靈活，為一流城市配電網(wǎng)的規(guī)劃建設工作提供參考價值。