劉顯茁，王皓懷，田偉達，郭自豪，鄒紅波

（1.南方電網(wǎng)電力調度控制中心，廣東廣州 510623；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100084；3.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000）

0 引言

電力系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的發(fā)展進程日新月異，主要體現(xiàn)在多種能源變革技術的廣泛應用，以主動配電網(wǎng)為代表的微網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)+在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用為解決能源問題提供了相應的思路[1]。在分區(qū)分層電網(wǎng)體系中，能源互聯(lián)網(wǎng)以區(qū)域能源系統(tǒng)的形式體現(xiàn)，將綜合利用互補、協(xié)調優(yōu)化運行等理念滲入其中，從而提升對分布式電源管理和控制的水平。最終以“低碳、經濟、高效”[2]運行目標為原則，將綜合能源運行的具體優(yōu)化模型為指導，實現(xiàn)區(qū)域能源網(wǎng)絡運行的可靠性、經濟性和清潔性。

目前針對協(xié)同區(qū)域能源優(yōu)化，文獻[3]提出了考慮碳交易成本及區(qū)域能源優(yōu)化的配電網(wǎng)擴展規(guī)劃。文獻[4]提出了跨區(qū)域多能源協(xié)調分配的市場價格機制設計。文獻[5]提出了考慮區(qū)域多能源系統(tǒng)集群協(xié)同優(yōu)化的聯(lián)合需求側響應模型。文獻[6]考慮不確定性的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)源-荷-儲協(xié)調優(yōu)化。文獻[7]設計了區(qū)域能源優(yōu)化配置原則。文獻[8]研究了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)“站-網(wǎng)”布局優(yōu)化。文獻[9]研究了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)差異化發(fā)展模式。文獻[10]分析了面向區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的光儲能量協(xié)同管理策略。

針對分層優(yōu)化，文獻[11]研究了含多能微網(wǎng)群的區(qū)域電熱綜合能源系統(tǒng)分層自治優(yōu)化調度。文獻[12]分析了能源互聯(lián)網(wǎng)多源多層次協(xié)調優(yōu)化方法。文獻[13]研究了含電動汽車的新能源微電網(wǎng)多目標分層優(yōu)化調度。文獻[14]研究了計及動態(tài)響應特征的農村綜合能源系統(tǒng)分層調控策略。文獻[15]基于分層分布式調度的多園區(qū)服務商與綜合能源供應商2 級協(xié)調優(yōu)化運行。文獻[16]建立了含多能微網(wǎng)群的區(qū)域電熱綜合能源系統(tǒng)分層自治優(yōu)化調度模型。文獻[17]研究了大規(guī)模集群可再生能源有功分層協(xié)調控制策略。

上述文獻針對綜合能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等均采用分層優(yōu)化，是由于綜合能源系統(tǒng)中各種能源結構的差異性，優(yōu)化過程需要采用不同的目標、變量進行迭代，因此也適用于本文的多源協(xié)同區(qū)域綜合能源優(yōu)化。另一方面，這些文獻中，針對多級能源系統(tǒng)的研究集中在規(guī)劃、運行和交易3 個方面，且主要以大規(guī)模綜合能源為基礎，尚未討論微電網(wǎng)參與的多級能源綜合系統(tǒng)，并且微網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)與孤島運行方式下能源的優(yōu)化策略存在明顯差異，應當進一步進行仿真分析，說明含有微網(wǎng)的區(qū)域能源在不同運行模式下的優(yōu)化調度、交易成本結果。

因此，本文將雙層優(yōu)化模型應用到輸電網(wǎng)-微網(wǎng)的聯(lián)合系統(tǒng)中，優(yōu)化機組運行成本，提出了多級能源區(qū)域分層協(xié)調控制模型；利用輸電網(wǎng)、微網(wǎng)雙重優(yōu)化解決能源協(xié)調問題。利用多級能源優(yōu)化提升能源跨區(qū)調度的能力；利用分層模型有效提升對多種變量綜合控制的能力和效果。

1 多級能源區(qū)域協(xié)調系統(tǒng)

1.1 分層求解方法

控制優(yōu)化策略中，個體受到總體的優(yōu)化目標控制，針對不同的控制策略和控制方式產生控制結果，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。以往的多級能源區(qū)域協(xié)調控制以集中控制為原則，需要采集多方面信息，針對各種控制對象數(shù)量龐大的情況，需要引入復雜的邏輯關系進行多維度優(yōu)化，因此需要進行較大規(guī)模的求解耗時。為解決這一問題，針對含有多維度控制變量的情況，引入分層優(yōu)化，可以按照對象的優(yōu)化策略和優(yōu)化類別進行分類，將優(yōu)化目標、控制時間尺度、優(yōu)化對象進行合理分配，將傳統(tǒng)的集中優(yōu)化分解為分層多級優(yōu)化，形成若干子問題，減少優(yōu)化過程中的信息交叉和變量迭代。針對不同層級的優(yōu)化模型，能夠兼顧整體環(huán)境干擾情況下個體利益最優(yōu)的結果，通過層級之間的耦合關系將控制方式進行平衡，有機求解共同決策變量[18]。

與傳統(tǒng)的整體優(yōu)化方法相比，分層分布式優(yōu)化方法具有不可比擬的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在：（1）可以同時覆蓋優(yōu)化控制過程中多個不同甚至相互矛盾的目標；（2）優(yōu)化中的多目標分等級優(yōu)化的決策方法與實際情況更加接近；（3）可以鮮明地表示出上級控制決策者與下層各個個體間的相互作用[19]。

1.2 協(xié)調控制模型分層求解

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化調度涉及到2 種具有明顯不同目標函數(shù)的決策者，即全局調度決策者和自治區(qū)域內儲能、分布式電源（DG）、柔性負荷、分布式冷熱源等可控資源。其系統(tǒng)示意圖如圖1 所示[20]。

圖1 多級能源系統(tǒng)Fig.1 Multi-stage energy systems

上層全局調度決策者需要依照區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)全局的調度情況制定優(yōu)化調度目標（如網(wǎng)損，電壓水平，調度成本等）及策略，因此是全局層面的最優(yōu)問題。下層優(yōu)化需要以上層的優(yōu)化結果作為輸入，將上層優(yōu)化過程中涉及到的變量結果作為求解輸入，包括相應的儲能、分布式電源、柔性負荷、分布式冷熱聯(lián)供等可控電源的出力，將多種能源的調度運行策略模型計及其中，實現(xiàn)以提高可再生能源滲透率、抑制可再生能源波動性為目標的多級優(yōu)化策略。最終實現(xiàn)上層和下層的同步優(yōu)化[21]。

本文所提上層調度主要求解輸電網(wǎng)問題，即輸電網(wǎng)日前基礎組合問題，在滿足可再生能源負荷波動的情況下優(yōu)化機組處理，進而優(yōu)化成本。由于輸電網(wǎng)系統(tǒng)與微網(wǎng)系統(tǒng)直接相連，從全局層面上優(yōu)化網(wǎng)絡則需要分別對輸電網(wǎng)和微網(wǎng)進行優(yōu)化。而下層模型主要針對微網(wǎng)，具有網(wǎng)絡狀或者輻射狀特點，也是負荷集中的網(wǎng)絡，在每個節(jié)點可以部署相應的需求響應負荷，通過上下限約束進行調動。在優(yōu)化模型整體求解過程中，需要統(tǒng)籌考慮上下層網(wǎng)絡交換變量的關系，即輸電網(wǎng)售電至微網(wǎng)，微網(wǎng)通過功率調節(jié)反饋輸電網(wǎng)的節(jié)點負荷。

2 多級能源區(qū)域協(xié)調雙層優(yōu)化模型

2.1 上層優(yōu)化模型

上層優(yōu)化問題的目標函數(shù)為最小化系統(tǒng)發(fā)輸電、備用、微網(wǎng)購售電和微網(wǎng)需求響應的各項發(fā)電總成本[22]。具體的目標函數(shù)F1為：

1）節(jié)點功率約束。

式中：Pinj，t為考慮傳統(tǒng)機組、風機組、所有節(jié)點需求的節(jié)點功率凈注入；P*inj，t為考慮風電預測誤差、發(fā)電機備用和微網(wǎng)需求響應之后的節(jié)點凈注入功率；μGSF為風機出力預測系數(shù)。

2）機組運行約束。

式中：wg，t為機組運行狀態(tài)變量；Pg,tmax和Pg,tmin分別為機組出力最大值和最小值；Rgmax和Rgmin分別為機組爬坡約束最大值和最小值。

3）供需平衡約束。

式中：PD,t為t時段負荷需求；PW,t為風電機組出力；式（7）為功率供給和需求的平衡關系。

4）風電預測誤差約束

2.2 下層優(yōu)化模型

下層優(yōu)化問題需要優(yōu)化微網(wǎng)運行，包括分布式發(fā)電、儲能、與輸電網(wǎng)的能量交換、需求響應等最小化；可調度負荷水平、出售電能、需求響應收益最大化[23]。目標函數(shù)F2為：

1）機組運行約束。

2）可調度負荷約束。

3）需求響應約束。

4）儲能運行約束。

式中：PBt儲能出力；bt為儲能裝置狀態(tài)。

5）購售電約束。

6）功率平衡約束。

2.3 多級能源區(qū)域協(xié)調雙層優(yōu)化模型求解

采用改進的遺傳算法[24-26]對上層規(guī)劃模型求解。采用原對偶內點法[27]對下層規(guī)劃的最優(yōu)潮流模型求解。模型求解過程如下。

1）輸入網(wǎng)絡原始數(shù)據(jù)，建立機組、風電、儲能、可響應負荷模型，并設定遺傳參數(shù)。

2）隨機生成滿足約束條件的狀態(tài)參數(shù)、初始種群。

3）對上層優(yōu)化的父種群進行選擇、交叉、變異遺傳操作，產生子種群。

“楓橋經驗”發(fā)源于20世紀60年代紹興楓橋的“社教運動”，主要內容是發(fā)動和依靠群眾，堅持矛盾不上交，就地解決，實現(xiàn)捕人少，治安好。50年來，“楓橋經驗”不斷尋求自身突破與理念升華，成為有效化解社會矛盾的好經驗、社會治安綜合治理的好典型、新時期社會管理創(chuàng)新的好樣板?！皸鳂蚪涷灐弊鳛橐环N獨特的地方治理模式探索，在一定意義上，已成為一種活的、具有本土性質的法治實踐。從法治的視角看，“楓橋經驗”與時俱進的發(fā)展，呈現(xiàn)出四種轉變：

4）利用原對偶內點法求解下層規(guī)劃的最優(yōu)潮流模型，對多級能源最優(yōu)模型進行求解，從而求出上層規(guī)劃所得子種群個體對應的下層規(guī)劃最優(yōu)值。

5）將下層規(guī)劃得到的最優(yōu)值反饋到上層規(guī)劃，求出上層規(guī)劃各個體的適應度值并排序。

6）判斷是否達到收斂條件，如果未達到，則返回到步驟3），達到輸出最優(yōu)解。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

為驗證本文所提的雙層模型，選擇輸電網(wǎng)-微網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)，如圖2 所示。其中，G1，G2，G3為傳統(tǒng)機組，參數(shù)見表1；風機節(jié)點為B3；L2，L1，L4為可響應負荷節(jié)點；L3，L5為常規(guī)負荷節(jié)點；DG1和DG2均為儲能。同時本文考慮微網(wǎng)可以實現(xiàn)孤島運行，由微網(wǎng)內部分布式機組供電。

圖2 輸電網(wǎng)-微網(wǎng)聯(lián)系系統(tǒng)示意圖Fig.2 Illustration of transmission and microgrid network

表1 機組參數(shù)Table 1 Unit parameters

3.2 結果分析

3.2.1 風電滲透率對成本的影響

在成本分析中，風力發(fā)電的滲透水平影響著輸電網(wǎng)絡中的潮流分布，進而影響整體網(wǎng)絡的運行成本。針對本文的仿真條件對部署的風電節(jié)點滲透率水平進行動態(tài)調整后，得到的輸電網(wǎng)成本和微網(wǎng)成本如表2 所示。

表2 不同風電滲透率成本Table 2 Costs of different wind power permeability rates

從表2 可知，在聯(lián)合優(yōu)化過程中，滲透率的增加會提升運行成本。同時，聯(lián)合優(yōu)化相比孤島模式成本降低。其原因在于輸電網(wǎng)與微網(wǎng)進行功率交換時導致功率變化。在聯(lián)合優(yōu)化過程中，擁有功率交換的能力，能夠有效平衡潮流的分布，減輕方便增加對輸電網(wǎng)整體運行的壓力。

3.2.2 微網(wǎng)機組容量影響

由于微網(wǎng)在不同容量模式下的運行成本不同，考慮在固定的風電滲透率水平（20%）情況下，將微網(wǎng)機組容量進行調整，測試不同的成本運行情況。具體如表3 所示。

表3 不同容量的成本Table 3 Costs of different capacity

從表3 可知，在輸電網(wǎng)和微網(wǎng)量和優(yōu)化模式下，微網(wǎng)絡機組容量的增加會降低運行成本。同時，相比孤島模式聯(lián)合優(yōu)化的結果成本要更低。說明功率交換存在降低網(wǎng)絡運行成本的因素，讓負荷的可控能力更強。隨著微網(wǎng)機組的容量增加，微網(wǎng)成本逐漸增加，說明微網(wǎng)機組運行帶來系統(tǒng)成本的增加。

3.2.3 可響應負荷水平對成本的影響

分析微網(wǎng)中可響應負荷水平對成本的影響。通過設置不同的響應比例，進行成本對比分析。如表4 所示。

從表4 可知，在可響應負荷水平增加的過程中，微網(wǎng)和輸電網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化的成本均會下降。同時，相比孤島模式下，聯(lián)合優(yōu)化成本要更低。得益于可響應負荷的時間可控、負荷量可轉移的特性，聯(lián)合優(yōu)化可以有效改善潮流分布，從而降低網(wǎng)絡成本?？身憫綖?0%時，微網(wǎng)成本下降11.3%；響應水平為40%時，微網(wǎng)成本下降13.9%；響應水平為60%時，微網(wǎng)成本下降16.3%。說明隨著可響應負荷水平增加，微網(wǎng)在聯(lián)合運行狀態(tài)下的成本減少水平越高，說明綜合效益越好。

4 結語

本文針對多源協(xié)同的分層區(qū)域能源綜合系統(tǒng)調度優(yōu)化進行求解。根據(jù)求解得到的結果，說明在風電滲透率水平增加的情況下，多級能源綜合控制能夠降低成本。同時，在微網(wǎng)機組容量逐漸增加的情況下，微網(wǎng)絡的聯(lián)合優(yōu)化運行成本低于孤島運行模式，實現(xiàn)微網(wǎng)絡在以較低的成本運行。隨著負荷響應水平的不同，相比孤島模式成本下降在11%～17%之間。另一方面，可響應負荷水平的增加也會降低聯(lián)合優(yōu)化的運行成本。