楊劍峰，張 長，董 杰，張旭陽，任核權(quán)，張建浩

（國網(wǎng)紹興供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，紹興 312000）

近年來，隨著化石燃料的日益枯竭和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，大力發(fā)展可再生能源、實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國政府和各國際組織的共識[1]。分布式發(fā)電DG（distributed generation）是一種主要的可再生能源利用技術(shù)，具有投資小、建設(shè)周期短、調(diào)控靈活等優(yōu)勢，得到了越來越多的重視和推廣應(yīng)用。然而，風(fēng)、光等分布式發(fā)電主要的一次能源具有較強(qiáng)的隨機(jī)波動性，其大量接入將大大增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性和調(diào)控的復(fù)雜性。因此，為減小DG給電網(wǎng)帶來的不利影響，微網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

微網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線與配電網(wǎng)進(jìn)行功率交互，一方面會對配電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，如售電功率變化、電能質(zhì)量影響等[3]；另一方面，微網(wǎng)靈活柔性的響應(yīng)能力可以在不同運(yùn)行場景下輔助配電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化，如優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行特性[4-5]以及故障態(tài)下的快速自組網(wǎng)[6-7]等。隨著微網(wǎng)在配電網(wǎng)中的數(shù)量不斷增加，深入研究區(qū)域多微網(wǎng)接入對配電網(wǎng)的交互影響，實(shí)現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)與多微網(wǎng)間的協(xié)同優(yōu)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)控制策略主要包含對各可控單元進(jìn)行直接控制的微源級控制策略，以及通過各獨(dú)立微網(wǎng)對可控單元進(jìn)行控制的兩級控制策略[8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種含多微網(wǎng)配電網(wǎng)雙層控制策略，上層控制中心從配電網(wǎng)層面對各微網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，防止其危及配電網(wǎng)的安全性。當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，上級控制中心將控制各微網(wǎng)從配電網(wǎng)退出，以孤島模式實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷的供電；下層控制中心接收上層控制指令調(diào)度微網(wǎng)內(nèi)各可控設(shè)備出力，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。文獻(xiàn)[10]提出了一種含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度控制策略，在小時(shí)級尺度上綜合考慮光伏、儲能和負(fù)荷特性，通過組合方案決策實(shí)現(xiàn)全局資源配置最優(yōu)；在分鐘級尺度上通過各微網(wǎng)協(xié)調(diào)互濟(jì)，最大程度保證光伏消納和負(fù)荷穩(wěn)定；在秒級尺度上保證各微網(wǎng)內(nèi)部源荷儲平衡穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[11]考慮各微網(wǎng)控制目標(biāo)不同提出了一種分層控制策略，微網(wǎng)控制層負(fù)責(zé)微網(wǎng)內(nèi)部經(jīng)濟(jì)調(diào)度和故障處置，協(xié)調(diào)控制層僅負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子微網(wǎng)出力，并在故障時(shí)保證微網(wǎng)運(yùn)行模式過渡平穩(wěn)。文獻(xiàn)[12]提出了含多微網(wǎng)配電網(wǎng)兩層嵌套模型，內(nèi)層以配電網(wǎng)功率和電壓波動最小為目標(biāo)，致力于保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行；外層在內(nèi)層調(diào)度結(jié)果的約束下，以微網(wǎng)成本和環(huán)境懲罰費(fèi)用最小為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益優(yōu)化。

目前針對含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的相關(guān)研究，大多是面向正常運(yùn)行方式的。本文面向配電網(wǎng)故障場景，提出了一種含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式主動協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化策略。該策略針對故障上游區(qū)段和下游區(qū)段，分別建立了以經(jīng)濟(jì)效益最大和削減負(fù)荷量最小為目標(biāo)的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型。同時(shí)，針對獨(dú)立微網(wǎng)，建立了以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)的微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型。通過兩者間的主動協(xié)同來實(shí)現(xiàn)故障后不同區(qū)段的有序供電。

1 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行策略

目前的含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略主要有兩種，一種是基于集中式思想的含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層集中式協(xié)同運(yùn)行控制策略，另一種是基于分布式思想的含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式協(xié)同運(yùn)行控制策略。

1.1 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層集中式協(xié)同運(yùn)行

含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層集中式協(xié)同運(yùn)行控制策略[13]，即微源級控制策略，其控制體系如圖1所示。

圖1 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層集中式協(xié)同運(yùn)行控制體系Fig.1 Hierarchical centralized collaborative operation and control system of distribution network with multi-microgrid

含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層集中式協(xié)同控制策略，可以分為上層配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)DEMS（distribu?tion energy management system）與下層可控單元兩部分。

（1）上層DEMS收集配電網(wǎng)的所有相關(guān)信息，包括所有可再生能源發(fā)電預(yù)測值和負(fù)荷預(yù)測值以及負(fù)荷參與需求響應(yīng)的計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上對配電網(wǎng)內(nèi)部所有可控設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并將調(diào)度指令下發(fā)給相應(yīng)的微網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)整體的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（2）下層微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)MEMS（microgrid energy management system）接收上層DEMS下達(dá)的內(nèi)部各可控設(shè)備調(diào)度指令，并依據(jù)上級指令調(diào)整其所轄可控設(shè)備的輸出功率，來保證微網(wǎng)與配電網(wǎng)間的交換功率符合的交換功率計(jì)劃。

集中式控制策略能夠使DEMS全面獲取配電網(wǎng)運(yùn)行信息以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制，且優(yōu)化控制相對簡單。但在含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，各微網(wǎng)與配電網(wǎng)可能歸屬于不同的利益主體，集中式全局優(yōu)化難以有效保護(hù)各微網(wǎng)的隱私以及保障各微網(wǎng)的利益。

1.2 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式協(xié)同運(yùn)行

含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式協(xié)同運(yùn)行控制體系[14]如圖2所示。

圖2 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式協(xié)同運(yùn)行控制體系Fig.2 Hierarchical distributed collaborative operation and control system of distribution network with multi-microgrid

含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式協(xié)同控制策略，可以分為上層配電網(wǎng)與下層可控單元之間的交互，以及可控單元內(nèi)部的協(xié)調(diào)兩部分。

（1）各MEMS根據(jù)自身負(fù)荷需求，參考配電網(wǎng)提供的購售電電價(jià)等信息，制定自身的優(yōu)化運(yùn)行策略，并將生成的電力交易計(jì)劃發(fā)送給DEMS；DEMS結(jié)合配網(wǎng)內(nèi)其他發(fā)電和負(fù)荷預(yù)測信息，形成自身的調(diào)度計(jì)劃，并將與各微網(wǎng)的購售電計(jì)劃下發(fā)至各MEMS。

（2）各MEMS根據(jù)內(nèi)部各分布式電源出力的上下限約束、發(fā)電成本、出力預(yù)測數(shù)據(jù)及負(fù)荷需求等數(shù)據(jù)，對內(nèi)部的可控單元進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以完成與配電網(wǎng)的購售電計(jì)劃。

在含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式協(xié)同運(yùn)行控制策略中，上層DEMS無需獲取各微網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備和用戶的產(chǎn)能、用能狀況，只對各MEMS下達(dá)調(diào)度指令。這樣既能保護(hù)各微網(wǎng)的隱私，也能保證微網(wǎng)所有者的利益。

2 故障場景下含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)主動協(xié)同控制策略

含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)主動協(xié)同控制策略是指當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，DEMS主動調(diào)整包括各微網(wǎng)在內(nèi)的可控單元，以保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶的可靠供電。

實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)-多微網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的機(jī)制有很多，本文將只探討通過電價(jià)激勵(lì)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)和微網(wǎng)間的協(xié)同運(yùn)行。

2.1 故障場景下主動協(xié)同控制策略

故障場景下含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)主動協(xié)同控制策略如下：

（1）當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，DEMS首先判斷故障上游區(qū)段會不會出現(xiàn)運(yùn)行安全問題。若有問題，則調(diào)整故障上游區(qū)段內(nèi)的調(diào)度計(jì)劃，并將新的調(diào)度指令和激勵(lì)電價(jià)傳達(dá)給故障上游區(qū)段內(nèi)的各MEMS（記為上游MEMS）。在生成新的調(diào)度指令時(shí)，除上游MEMS外，DEMS還可以調(diào)整與上級電網(wǎng)的購售電計(jì)劃。

（2）若某上游MEMS不能執(zhí)行新下達(dá)的調(diào)度指令，則將自己可接收的電力交易計(jì)劃值上傳給DEMS。DEMS收到各MEMS反饋信息后，若未滿足運(yùn)行安全要求，則對還有調(diào)整能力和意愿的MEMS下達(dá)新一輪的調(diào)度指令和激勵(lì)電價(jià)，直至運(yùn)行安全問題得到解決。

（3）當(dāng)故障上游區(qū)段安全性問題得到解決后，DEMS判斷故障下游區(qū)段是否存在微網(wǎng)。若故障下游區(qū)段內(nèi)存在微網(wǎng)，DEMS向故障下游區(qū)段內(nèi)微網(wǎng)的MEMS（記為下游MEMS）傳達(dá)新的調(diào)度指令和激勵(lì)電價(jià)。

（4）若故障下游區(qū)段微網(wǎng)不能承擔(dān)故障區(qū)域所有負(fù)荷的供電，需要對故障下游區(qū)段的負(fù)荷進(jìn)行部分切除。故障下游區(qū)段負(fù)荷切除順序?yàn)椋汗收舷掠螀^(qū)段非重要負(fù)荷→微網(wǎng)內(nèi)部非重要負(fù)荷→故障下游區(qū)段重要負(fù)荷→微網(wǎng)內(nèi)部重要負(fù)荷→故障下游區(qū)段特別重要負(fù)荷。

具體的協(xié)同控制策略流程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)故障場景下主動協(xié)同控制流程Fig.3 Flow chart of active collaborative control of distribution network in fault scenario

2.2 故障場景下配電網(wǎng)主動協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型

1）優(yōu)化變量

配電網(wǎng)主動協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化模型的優(yōu)化變量ZDis為配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)和各微網(wǎng)的電力交易計(jì)劃值。

式中：PGrid為配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)電力交易功率，為正表示從上級電網(wǎng)購電，為負(fù)表示向上級電網(wǎng)售電；為配電網(wǎng)與故障上游區(qū)段微網(wǎng)i的電力交易功率，為正表示從微網(wǎng)i購電，為負(fù)表示向微網(wǎng)i售電；為配電網(wǎng)與故障下游區(qū)段微網(wǎng)i的電力交易功率，為正表示從微網(wǎng)i購電，為負(fù)表示向微網(wǎng)i售電。

2）目標(biāo)函數(shù)

針對故障上游區(qū)段和下游區(qū)段，配電網(wǎng)主動協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型各有一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

對于故障上游區(qū)段，假設(shè)上級電網(wǎng)的電力供應(yīng)始終充足，因此其優(yōu)化目標(biāo)為故障上游區(qū)段供電的經(jīng)濟(jì)效益最大。具體表達(dá)式如下：

2.3 故障場景下微網(wǎng)主動協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型

1）優(yōu)化變量

微網(wǎng)主動協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化模型的優(yōu)化變量ZMG為內(nèi)部各種可控發(fā)電和儲能設(shè)備的有功出力，即

式中，PES,i為微網(wǎng)內(nèi)部第i個(gè)儲能裝置的充放電功率；PMT,i為微網(wǎng)內(nèi)第i個(gè)微型燃?xì)廨啓C(jī)的放電功率。

2）目標(biāo)函數(shù)

與配電網(wǎng)主動協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型類似，微網(wǎng)主動協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型的目標(biāo)函數(shù)也分為故障上游區(qū)段和下游區(qū)段。

對于故障上游區(qū)段的微網(wǎng)，其優(yōu)化目標(biāo)為微網(wǎng)自身的收益最大。具體表達(dá)式為

3 算例分析

為驗(yàn)證所提策略的有效性，本文在IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)上添加3個(gè)微網(wǎng)，來構(gòu)建算例系統(tǒng)。修改后的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)如圖4所示。其中，空心節(jié)點(diǎn)為重要負(fù)荷，實(shí)心節(jié)點(diǎn)為非重要負(fù)荷，微網(wǎng)I、II、III重要負(fù)荷占比分別為55%、50%、60%，無特別重要負(fù)荷，3個(gè)微網(wǎng)的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

圖4 改造后的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)模型Fig.4 Model of modified IEEE 33-node distribution network

表1 微網(wǎng)設(shè)備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters of microgrids

3個(gè)微網(wǎng)與上級配電網(wǎng)在日前階段制定的調(diào)度計(jì)劃分別如圖5～圖7所示。

圖5 微網(wǎng)1日前調(diào)度計(jì)劃Fig.5 Day-ahead dispatching plan for Microgrid 1

圖6 微網(wǎng)2日前調(diào)度計(jì)劃Fig.6 Day-ahead dispatching plan for Microgrid 2

圖7 微網(wǎng)3日前調(diào)度計(jì)劃Fig.7 Day-ahead dispatching plan for Microgrid 3

假設(shè)在t=16時(shí)刻，線路9-10和6-7分別因故障退出運(yùn)行。由于故障上游區(qū)段微網(wǎng)的日前調(diào)度計(jì)劃并未對配電網(wǎng)故障上游區(qū)段的安全性構(gòu)成威脅，因此，上層DEMS不對故障上游MEMS下達(dá)新的控制指令。

故障下游區(qū)段內(nèi)存在微網(wǎng)3，DEMS向微網(wǎng)3的MEMS下達(dá)新的調(diào)度指令，以故障下游區(qū)段失電負(fù)荷量最小為目標(biāo)，從微網(wǎng)3購電為故障下游區(qū)段的負(fù)荷進(jìn)行供電。

3.1 線路9-10因故障退出運(yùn)行

當(dāng)線路9-10因故障退出運(yùn)行時(shí)，根據(jù)本文所提的優(yōu)化調(diào)度策略，DEMS要求微網(wǎng)3調(diào)整其內(nèi)部設(shè)備的出力計(jì)劃。新的調(diào)度結(jié)果如表2所示。

表2 線路9-10故障后的微網(wǎng)3調(diào)度結(jié)果Tab.2 Dispatching result of Microgrid 3 under branch 9-10 contingency

可以看出，由于在日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度階段追求經(jīng)濟(jì)利益最大，微網(wǎng)3的微燃機(jī)已經(jīng)處于滿發(fā)的狀態(tài)（如圖7所示）。所以當(dāng)線路9-10因故障退出運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)3無法承擔(dān)故障下游區(qū)段全部535.935 kW負(fù)荷。此時(shí)，需要配電網(wǎng)和微網(wǎng)3根據(jù)預(yù)先設(shè)定的順序依次切掉配網(wǎng)的非重要負(fù)荷和微網(wǎng)3內(nèi)部的部分非重要負(fù)荷。

最終，配電網(wǎng)總共切除了303.75 kW的非重要負(fù)荷，全部115.714 kW重要負(fù)荷均保持供電。微網(wǎng)3切除了12.239 kW的非重要負(fù)荷，總共有104.232 kW的重要及非重要負(fù)荷保持供電。故障下游區(qū)段各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷切除情況如圖8所示。

圖8 線路9-10故障下游區(qū)段各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷切除情況Fig.8 Load shedding at nodes in the downstream section under branch 9-10 contingency

3.2 線路6-7因故障退出運(yùn)行

當(dāng)線路6-7因故障退出運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)3的新調(diào)度結(jié)果如表3所示。

表3 線路6-7故障后的微網(wǎng)3調(diào)度結(jié)果Tab.3 Dispatching result of Microgrid 3 under branch 6-7 contingency

可以看出，當(dāng)線路9-10因故障退出運(yùn)行時(shí)，故障下游區(qū)段負(fù)荷有顯著增加，達(dá)到了844.506 kW。此時(shí)，為了保證對故障下游區(qū)段的供電，微網(wǎng)III切掉了自己全部的46.588 kW·h非重要負(fù)荷。配電網(wǎng)切掉577.972 kW·h的負(fù)荷，其中非重要負(fù)荷為419.464 kW·h，重要負(fù)荷為158.508 kW·h，僅有150.064 kW的重要負(fù)荷保持供電。故障下游區(qū)段各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷切除情況如圖9所示。

圖9 線路6-7故障下游區(qū)段各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷切除情況Fig.9 Load shedding at nodes in the downstream section under branch 6-7 contingency

4 結(jié)語

本文面向未來多微網(wǎng)接入配電網(wǎng)的情景，提出了一種故障場景下的含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)分層分布式主動協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化策略。針對故障上游區(qū)段和下游區(qū)段的供電要求，分別建立了以經(jīng)濟(jì)效益最大和削減負(fù)荷量最小為目標(biāo)的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型，并通過與追求經(jīng)濟(jì)效益最大的微網(wǎng)間的主動協(xié)同，來實(shí)現(xiàn)故障后不同區(qū)段的有序供電。

通過算例分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，若故障下游區(qū)段存在微網(wǎng)，該策略能夠在切除微網(wǎng)內(nèi)部非重要負(fù)荷的前提下，盡可能為下游區(qū)段重要負(fù)荷的供電，對于實(shí)現(xiàn)故障后不同區(qū)段的有序供電具有一定的促進(jìn)作用。