譚大帥 戴 彬 郭 剛 田由甲 王 帥

分布式光伏管控平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚大帥 戴 彬 郭 剛 田由甲 王 帥

（天津市普迅電力信息技術(shù)有限公司，天津 300192）

在“雙碳”和新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，分布式光伏接入比例不斷提高，對配電網(wǎng)電壓、調(diào)度運(yùn)行及調(diào)峰等環(huán)節(jié)造成強(qiáng)烈沖擊。本文設(shè)計(jì)包含感知層、平臺層、應(yīng)用層三層架構(gòu)體系的分布式光伏管控平臺，以及小容量居民光伏和大容量工商業(yè)分布式光伏本地和遠(yuǎn)程通信方案，并研究分布式光伏采集模型的構(gòu)建、多源數(shù)據(jù)融合估計(jì)、面向分布式光伏的有功、無功功率優(yōu)化控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對小容量居民光伏的可觀可測和對大容量工商業(yè)分布式光伏的可觀可測可調(diào)可控。平臺在天津?yàn)I海地區(qū)進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證，效果良好。

分布式光伏；新型電力系統(tǒng)；新能源管控；分布式光伏采集；分布式光伏控制

0 引言

隨著“雙碳”、新型電力系統(tǒng)等相關(guān)政策的出臺和落地實(shí)施，分布式新能源行業(yè)開啟了發(fā)展加速度，截至2022年三季度累計(jì)并網(wǎng)容量35 806.7萬kW，其中分布式光伏14 242.7萬kW。大規(guī)模分布式光伏的接入會改變低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，影響低壓故障特性，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大影響[1]?，F(xiàn)有調(diào)度模式中，調(diào)度對分布式發(fā)電功率的精準(zhǔn)預(yù)測手段缺失，臺區(qū)負(fù)載、用戶負(fù)荷特性預(yù)測能力不足，分布式新能源狀態(tài)信息未實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)備管理系統(tǒng)（power production management system, PMS）、用采等量測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不足，數(shù)據(jù)未整合，導(dǎo)致調(diào)度部門對新能源承載力風(fēng)險(xiǎn)分析與電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)辨識不足，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來威脅[2-4]。

文獻(xiàn)[5]基于“云、管、邊、端”的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念，探討分布式電源集群調(diào)控中的體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)“集群自律-群間協(xié)調(diào)-輸配協(xié)同”的主動配電網(wǎng)能量管理與運(yùn)行調(diào)控體系結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7-13]對分布式光伏站的接入方法和監(jiān)控需求進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[14-17]建立了基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與地基云圖的光伏超短期功率預(yù)測模型，以及基于衛(wèi)星遙感的超短期分布式光伏功率預(yù)測模型，并對并網(wǎng)型光伏電站發(fā)電功率預(yù)測方法與系統(tǒng)進(jìn)行定義。文獻(xiàn)[18]研究大規(guī)模分布式光伏接入的配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法。文獻(xiàn)[19]闡述了光伏電站分層分布式自動功率控制技術(shù)。以 上研究均未涉及分布式光伏調(diào)度管控平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

針對分布式光伏狀態(tài)信息實(shí)時(shí)性差，終端與通道尚不能支撐潮流、電壓控制，光伏消納和承載力精確分析能力不足，尚無統(tǒng)一的分布式光伏管控平臺的問題，本文從感知層、平臺層和應(yīng)用層進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論證。

1 總體設(shè)計(jì)

分布式光伏站點(diǎn)通常數(shù)量多，單體容量小，分布比較廣，數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)變電站數(shù)據(jù)采集方式存在一定差異，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控；同時(shí)，信息模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與常規(guī)調(diào)度信息數(shù)據(jù)存在差異。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)的分布式光伏管控平臺為感知層、平臺層、應(yīng)用層三層架構(gòu)體系，用以支撐地區(qū)電網(wǎng)分布式光伏調(diào)度體系建設(shè)。

分布式光伏管控平臺總體架構(gòu)如圖1所示。在感知層，設(shè)計(jì)了RS 485/高速電力線通信（high-speed power line communication, HPLC）/LoRa三種本地通信方式，電力光纖/5G切片/4G專網(wǎng)/電力無線專網(wǎng)/長距智能WiFi五種遠(yuǎn)程通信方式的架構(gòu)；在平臺層，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)、模型、決策三個(gè)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動運(yùn)維、聚合模型搭建及廣義狀態(tài)估計(jì)；在應(yīng)用層，設(shè)計(jì)了狀態(tài)全息感知、功率精準(zhǔn)預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)智能感知、臺區(qū)柔性控制、多能全景展示、主配協(xié)同防控、能源規(guī)劃輔助等應(yīng)用功能。

1.1 感知層

通常情況下，接入地區(qū)電網(wǎng)的10kV并網(wǎng)光伏場站通信全部采用電力光纖專線方式，0.4kV并網(wǎng)分布式光伏僅通過用采系統(tǒng)采集電表信息，存在本地和遠(yuǎn)程組網(wǎng)方案復(fù)雜、安全性要求高、大容量工商業(yè)光伏和小容量居民光伏控制需求不一樣的問題。本文在感知層設(shè)計(jì)了大容量工商業(yè)分布式光伏本地及遠(yuǎn)程通信和安全加密方案，以實(shí)現(xiàn)分布式光伏的深度監(jiān)測及智能控制。

存量的低壓小容量分布式光伏容量小，單體調(diào)控對電網(wǎng)影響較小，對其只需實(shí)現(xiàn)“可觀、可測”。針對160kW以上的大容量工商業(yè)低壓分布式光伏，其單體調(diào)控對電網(wǎng)的影響較大，本文設(shè)計(jì)了本地和遠(yuǎn)程通信方案，對其實(shí)現(xiàn)“可觀、可測、可調(diào)、可控”。感知層總體采集策略見表1。

圖1 分布式光伏管控平臺總體架構(gòu)

表1 感知層總體采集策略

1）大容量工商業(yè)分布式光伏通信方案

（1）本地通信方案設(shè)計(jì)

大容量工商業(yè)分布式光伏智能終端下行采用HPLC技術(shù)。已配置支持HPLC的光伏逆變器用戶，可直接與臺區(qū)智能終端進(jìn)行信息交互。配置了不支持HPLC光伏逆變器的用戶，可在光伏電站側(cè)新增光伏控制器，采用RS 485方式與光伏逆變器及并網(wǎng)開關(guān)通信，負(fù)責(zé)電壓、電流、有功功率、無功功率、電量及開關(guān)狀態(tài)等的數(shù)據(jù)采集、加密及上傳。大容量工商業(yè)分布式光伏本地通信方案如圖2所示。

圖2 大容量工商業(yè)分布式光伏本地通信方案

（2）遠(yuǎn)程通信方案設(shè)計(jì)

對電力光纖網(wǎng)絡(luò)已覆蓋的臺區(qū)，本文設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet passive optical network, EPON）組網(wǎng)方式，通過電力光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)臺區(qū)智能終端光伏采集數(shù)據(jù)上傳至電力通信站，再通過電力光傳輸網(wǎng)絡(luò)專線通道將光伏采集數(shù)據(jù)接入安全接入?yún)^(qū)。調(diào)控指令的下發(fā)可通過以電力光纖網(wǎng)為基礎(chǔ)的同步數(shù)字體系（synchronous digital hierarchy, SDH）及EPON網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。

對電力光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋不便的臺區(qū)，本文采用電力無線專網(wǎng)、5G切片專網(wǎng)或長距離WiFi方式接入的設(shè)計(jì)。1 800MHz頻段電力無線專網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE（TD-SCDMA long term evolution）技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)平均通信時(shí)延100ms，系統(tǒng)可靠性99.99%，上行峰值速率為8Mbit/s，下行為9Mbit/s。對于已覆蓋1 800MHz頻段電力無線專網(wǎng)的臺區(qū)，利用電力無線專網(wǎng)進(jìn)行光伏采集數(shù)據(jù)的上傳與調(diào)控指令的下發(fā)；對于無電力無線專網(wǎng)覆蓋的臺區(qū)，可選擇采用5G切片專網(wǎng)或長距智能WiFi兩種通信方式。5G切片網(wǎng)絡(luò)具有超大規(guī)模連接、超低時(shí)延、超高寬帶的特性，網(wǎng)絡(luò)性能大幅提升，在電力通信站部署多接入邊緣計(jì)算（multi-access edge computing, MEC）和用戶面功能（user plane function, UPF），將光伏采集數(shù)據(jù)通過專享5G切片網(wǎng)絡(luò)上傳至電力通信站，再通過電力光傳輸網(wǎng)絡(luò)專線或調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道將光伏采集數(shù)據(jù)接入安全接入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)采集信息的上傳與調(diào)控指令的下發(fā)。長距離WiFi通過智能Mesh協(xié)議中繼組網(wǎng)，每跳中繼距離在7～8km，速率26～70Mbit/s，可自適應(yīng)或人工配置，上行單跳時(shí)延＜5ms。臺區(qū)智能終端通過網(wǎng)線連接至長距智能WiFi終端A，通過空中接口傳至位于變電站的長距智能WiFi終端B，由電力通信網(wǎng)回傳至電力公司安全接入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)光伏監(jiān)測數(shù)據(jù)的可觀、可控。大容量工商業(yè)分布式光伏遠(yuǎn)程通信方案如圖3所示。

2）小容量戶用光伏方案設(shè)計(jì)

對于單體容量＜160kW的小容量戶用光伏，本文設(shè)計(jì)通過國網(wǎng)公司營銷中心的用采系統(tǒng)獲取其上網(wǎng)電表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“可觀、可測”功能。

3）安全防護(hù)設(shè)計(jì)

在安全防護(hù)設(shè)計(jì)方面，本文設(shè)計(jì)在地調(diào)建立安全接入?yún)^(qū)，安全接入?yún)^(qū)與生產(chǎn)控制大區(qū)邊界處采用正反向電力專用橫向單向安全隔離裝置，安全接入?yún)^(qū)中為與控制區(qū)（Ⅰ區(qū)）連接的通道前端邊界部署縱向加密認(rèn)證裝置，并具備與無線網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）、無線專網(wǎng)的通信能力。

在低壓分布式光伏采集的感知層，利用4G/5G、無線專網(wǎng)通過微型縱向加密認(rèn)證裝置接入地調(diào)安全接入?yún)^(qū)，同時(shí)在光伏控制器加裝與融合終端一致的加密芯片，保證底層數(shù)據(jù)的安全，滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)要求。

圖3 大容量工商業(yè)分布式光伏遠(yuǎn)程通信方案

1.2 平臺層

在平臺層，本文設(shè)計(jì)模型中心、數(shù)據(jù)中心、決策中心，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、分析挖掘及應(yīng)用，提供基礎(chǔ)支撐，對外統(tǒng)一提供服務(wù)。

1）面向有源配電網(wǎng)的模型聚合

綜合主網(wǎng)網(wǎng)架和配電網(wǎng)圖模，設(shè)計(jì)分布式光伏聚合功能，結(jié)合各等級電網(wǎng)拓?fù)溥B接關(guān)系，從低電壓等級到高電壓等級逐層聚合建模，形成每一層級光伏虛擬機(jī)組，具備提供完整模型文件給相關(guān)各應(yīng)用功能調(diào)用的能力。

2）數(shù)據(jù)自動運(yùn)維

通過數(shù)據(jù)采集器將分布式光伏電站逆變器數(shù)據(jù)、并網(wǎng)開關(guān)數(shù)據(jù)等自動采集上傳至云端，對每個(gè)光伏電站進(jìn)行相對應(yīng)的自動編號，方便統(tǒng)一化管理。設(shè)備檔案信息可以實(shí)現(xiàn)自動錄入和生成相對應(yīng)的設(shè)備拓?fù)?。設(shè)備拓?fù)渖芍饕ㄟ^導(dǎo)入含有分布式光伏的CAD圖，利用算法自動生成設(shè)備拓?fù)洹?/p>

3）廣義狀態(tài)估計(jì)

本文融合調(diào)度控制系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、用采數(shù)據(jù)系統(tǒng)及光伏等多源數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)清洗、濾波、估計(jì)、差值等方式，實(shí)現(xiàn)廣義狀態(tài)估計(jì)算法，補(bǔ)全電網(wǎng)分析所需要的遙信、遙測數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)分析提供準(zhǔn)確的多維度、多尺度的數(shù)據(jù)，形成電網(wǎng)分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層設(shè)計(jì)了分布式光伏實(shí)時(shí)監(jiān)測功能、分布式光伏高精度網(wǎng)格化（臺區(qū)）功率預(yù)測、面向含分布式光伏有源配電網(wǎng)的承載力分析、含分布式光伏有源配電網(wǎng)的消納能力分析、面向含分布式光伏有源配電網(wǎng)的安全分析、饋線（臺區(qū)）級自動電壓控制（automatic voltage control, AVC）/自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）功能建設(shè)、無功電壓優(yōu)化控制功能、有功優(yōu)化控制功能、多能全景展示、光伏發(fā)展輔助規(guī)劃十大應(yīng)用功能。

1）分布式光伏實(shí)時(shí)監(jiān)測功能

本文設(shè)計(jì)了分布式光伏管理平臺互聯(lián)互通接口，實(shí)現(xiàn)以10kV饋線為聚合單元的分布式光伏信息接入，從而實(shí)現(xiàn)光伏的可觀可測；完善分布式光伏實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，多維度展示出力、電壓等運(yùn)行狀態(tài)，方便對可控資源信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握。

2）分布式光伏高精度網(wǎng)格化（臺區(qū)）功率預(yù)測

本文基于分布式光伏分區(qū)進(jìn)行建模，結(jié)合網(wǎng)格化氣象、用戶負(fù)荷等數(shù)據(jù)預(yù)測未來短期及超短期線路分布式光伏出力及臺區(qū)負(fù)荷曲線，提升分布式光伏精準(zhǔn)預(yù)測能力，為電力系統(tǒng)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)服務(wù)。

3）面向含分布式光伏有源配電網(wǎng)的承載力分析

針對分布式光伏接入后配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓越限、線路潮流、線損等問題，本文借助光伏發(fā)電功率預(yù)測及分布式光伏、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等資源數(shù)據(jù)，結(jié)合可調(diào)資源申報(bào)的基礎(chǔ)發(fā)用電曲線、可調(diào)容量情況，以及調(diào)節(jié)資源運(yùn)行、電網(wǎng)安全等約束條件，設(shè)計(jì)了多設(shè)備多維度分布式光伏接入承載力分析，降低電力電量平衡風(fēng)險(xiǎn)，改善電能質(zhì)量。

4）含分布式光伏有源配電網(wǎng)的消納能力分析

本文設(shè)計(jì)了地區(qū)電網(wǎng)分布式光伏多時(shí)間尺度消納能力分析模塊，通過對比分析電網(wǎng)在接入分布式光伏前后的消納能力，得出對應(yīng)結(jié)論，為提升電網(wǎng)清潔能源消納能力提供數(shù)據(jù)支撐。

5）面向含分布式光伏有源配電網(wǎng)的安全分析

針對包含分布式光伏的配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合各類資源聯(lián)動特性，本文擴(kuò)展靜態(tài)安全分析及電壓穩(wěn)定分析應(yīng)用，設(shè)計(jì)搭建分布式光伏、電化學(xué)儲能、柔性直流裝置及備自投策略模型，針對有源配電網(wǎng)設(shè)備重過載、過電壓及三相不平衡等運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)給出輔助決策，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)同預(yù)防及校正控制功能。

6）饋線（臺區(qū)）級AVC/AGC功能建設(shè)

本文設(shè)計(jì)了基于智能融合終端的臺區(qū)級AVC/ AGC融合終端APP，計(jì)算可控資源，實(shí)現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)有功功率、無功功率、電壓等的柔性調(diào)控。

7）無功電壓優(yōu)化控制功能

針對分布式光伏接入電網(wǎng)后帶來的無功電壓控制問題，本文開展適應(yīng)分布式光伏并網(wǎng)的自動電壓控制技術(shù)研究，提高分布式光伏并網(wǎng)規(guī)?？焖僭黾拥碾娋W(wǎng)電壓調(diào)控能力。本文提出適應(yīng)分布式光伏并網(wǎng)的自動電壓控制方法，開發(fā)支持分布式光伏并網(wǎng)的自動電壓控制系統(tǒng)并投入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)分布式光伏AVC和地區(qū)電網(wǎng)AVC協(xié)同調(diào)控。

8）有功優(yōu)化控制功能

針對分布式光伏接入電網(wǎng)后帶來的有功功率控制問題，本文設(shè)計(jì)在光伏功率波動的情況下，通過下發(fā)有功調(diào)度指令有效降低集群并網(wǎng)點(diǎn)功率峰谷差，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電就近消納和削峰填谷的目標(biāo)。在計(jì)劃運(yùn)行曲線日內(nèi)執(zhí)行過程中或分解上級調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)指令時(shí)，綜合考慮所轄地區(qū)的分布式光伏的容量及其他模塊建議調(diào)整值，按照容量、負(fù)荷率等分配原則，分配功率曲線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。

9）多能全景展示

基于電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）平臺提供的地理影像、矢量地圖、電網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)等，對各類設(shè)備圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行自動成圖建模，實(shí)現(xiàn)對光伏裝機(jī)容量、消納情況、空間位置等分布情況全覽，輔助支撐區(qū)域能源結(jié)構(gòu)分析；應(yīng)用電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)渲染、熱點(diǎn)、散點(diǎn)等專題圖分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏各類監(jiān)測、指標(biāo)數(shù)據(jù)多樣展示、監(jiān)測薄弱點(diǎn)預(yù)警，為電網(wǎng)調(diào)度管理提供可視化支撐。

10）光伏發(fā)展輔助規(guī)劃

本文基于不同區(qū)域的資源稟賦條件，分析不同區(qū)域光伏廣泛接入下的光伏發(fā)電潛力多尺度評估；基于多時(shí)間尺度規(guī)劃因素，研究不同區(qū)域多維度趨勢發(fā)展容量及預(yù)期；基于廣泛接入的光伏發(fā)展趨勢，研究光伏發(fā)展規(guī)劃預(yù)期帶來的安全發(fā)展因子。

2 軟硬件關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分布式光伏采集模型的構(gòu)建

1）逆變器模型

逆變器實(shí)現(xiàn)DC-AC變換，將光伏發(fā)電輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電。本文設(shè)計(jì)了逆變器的通用模型如圖4所示，逆變器的采集點(diǎn)表見表2。

圖4 逆變器通用模型

2）光伏站模型

分布式光伏站包含光伏板、逆變器、并網(wǎng)開關(guān)、電表等設(shè)備，本文將光伏站抽象為具體的變電站模型，將基本臺賬信息、上下級拓?fù)湫畔?、管控模式等信息進(jìn)行統(tǒng)一考慮，分布式光伏電站模型如圖5所示。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合估計(jì)

傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)可按主網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)主流算法（如正交分解法及最小二乘法等）進(jìn)行計(jì)算。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的非線性量測方程為

表2 逆變器的采集點(diǎn)表

圖5 分布式光伏電站模型

式中：為量測矢量；為狀態(tài)變量矢量；()為量測函數(shù)矢量；為量測誤差矢量。

式中，為權(quán)重矩陣。

配電網(wǎng)數(shù)據(jù)冗余度低、邊緣計(jì)算設(shè)備采集網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不足導(dǎo)致數(shù)據(jù)連續(xù)性差、邊端采集數(shù)據(jù)和調(diào)控云端融合數(shù)據(jù)多源、多時(shí)空，造成通過有限量測信息進(jìn)行配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)困難的問題。

本文通過從地調(diào)配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中獲取主配電網(wǎng)拼接模型，以臺區(qū)為聚合點(diǎn)與拼接模型開展自適應(yīng)匹配，最終完成主配電網(wǎng)、臺區(qū)及分布式光伏的模型拼接。建立覆蓋380V低壓電容電抗器、儲能、負(fù)荷及分布式光伏的詳細(xì)模型，并構(gòu)建從220kV到380V的主配電網(wǎng)一體化狀態(tài)估計(jì)模型。

基于主配電網(wǎng)一張圖模型，融合地區(qū)電網(wǎng)全量實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)、分布式光伏準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)、功率預(yù)測數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，采用主配電網(wǎng)實(shí)時(shí)量測與分布式光伏歷史數(shù)據(jù)插值數(shù)據(jù)自適應(yīng)的偽量測魯棒生成方法。通過短期預(yù)測數(shù)據(jù)和擬合插值獲得偽量測，補(bǔ)齊缺失實(shí)時(shí)量測，通過偽量測與實(shí)時(shí)量測分級自適應(yīng)匹配，實(shí)現(xiàn)主配電網(wǎng)多源融合精準(zhǔn)估計(jì)。

2.3 面向分布式光伏的無功電壓優(yōu)化控制

高比例分布式光伏規(guī)?；尤牒?，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)潮流單向流動變?yōu)槌绷鞫嘞蛄鲃?，將產(chǎn)生局部過電壓、欠電壓或高網(wǎng)損等問題。本文針對上述無功電壓問題，設(shè)計(jì)面向分布式光伏的地區(qū)電網(wǎng)/配電饋線/臺區(qū)的三級協(xié)同無功電壓優(yōu)化控制模塊，面向中壓配電饋線建立相對獨(dú)立的饋線級無功電壓優(yōu)化控制功能模塊，并與上級地調(diào)AVC和下級臺區(qū)無功電壓優(yōu)化控制功能共同組成整體的控制體系。構(gòu)建由地區(qū)電網(wǎng)、中壓配電饋線及臺區(qū)各層級組成的三級電壓無功優(yōu)化協(xié)調(diào)控制架構(gòu)如圖6所示。

1）饋線級無功電壓優(yōu)化控制功能

利用饋線組內(nèi)光伏電站、分布式光伏、補(bǔ)償裝置等設(shè)備的無功調(diào)控能力，使組內(nèi)分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓（無功）響應(yīng)上級調(diào)控指令，并實(shí)時(shí)優(yōu)化組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓，保證節(jié)點(diǎn)電壓不越限，降低組內(nèi)網(wǎng)絡(luò)損耗，平抑組內(nèi)功率和電壓波動。

圖6 三級電壓無功優(yōu)化協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

以中壓配電網(wǎng)10kV饋線或饋線組為控制對象，構(gòu)建中壓配電網(wǎng)二級電壓控制模型，其優(yōu)化目標(biāo)為饋線關(guān)口無功達(dá)到上級下發(fā)的目標(biāo)值，同時(shí)降低饋線的有功網(wǎng)損，其約束條件為饋線上各配電變壓器的母線電壓合格，以及各配電變壓器下的分布式光伏無功出力在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)；根據(jù)各配電變壓器無功注入對饋線有功網(wǎng)損和電壓的靈敏度，構(gòu)造二次規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)。求解該優(yōu)化模型可以得到支持分布式光伏的饋線級無功電壓控制策略，即得到各配電變壓器無功注入的控制策略。

2）地調(diào)AVC模塊主配協(xié)同無功電壓優(yōu)化控制功能

本文設(shè)計(jì)通過地調(diào)AVC模塊和面向分布式光伏無功電壓優(yōu)化控制模塊的輸配協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)高壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償設(shè)備與分布式光伏集群之間的雙向互動。地調(diào)AVC功能可向饋線組發(fā)送各個(gè)10kV饋線關(guān)口功率因數(shù)目標(biāo)值，可充分發(fā)揮饋線組內(nèi)分布式光伏發(fā)電自身的無功調(diào)節(jié)能力，減少中壓配電網(wǎng)內(nèi)無功不合理流動，支撐其末端電壓；當(dāng)中壓配電網(wǎng)內(nèi)無功調(diào)節(jié)能力不足時(shí)，饋線級向地調(diào)AVC發(fā)送10kV母線電壓期望目標(biāo)值，通過發(fā)揮上級地區(qū)電網(wǎng)中變電站內(nèi)的調(diào)壓手段，保證中壓配電網(wǎng)電壓合格。

2.4 面向分布式光伏的有功優(yōu)化控制

高比例分布式光伏規(guī)?；尤牒?，在特殊天氣或運(yùn)行方式下將出現(xiàn)由于分布式光伏大發(fā)導(dǎo)致局部配電網(wǎng)重過載的情況，此外也存在需要分布式光伏參與主網(wǎng)調(diào)峰的場景。針對上述有功控制問題，本文設(shè)計(jì)面向分布式光伏的有功優(yōu)化控制功能，接收地調(diào)AGC的協(xié)調(diào)控制指令，通過控制分布式光伏有功輸出，解決局部重過載問題，并可配合主網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式光伏合理消納。

針對含分布式光伏中壓配電網(wǎng)的有功控制，構(gòu)建包含分布式光伏臺區(qū)本地有功控制、饋線級有功優(yōu)化控制及主配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化控制功能的三級控制架構(gòu)。面向分布式光伏的有功優(yōu)化控制架構(gòu)如圖7所示。

圖7 面向分布式光伏有功優(yōu)化控制架構(gòu)

饋線級有功優(yōu)化控制功能基于分組控制模式對地區(qū)中壓配電網(wǎng)內(nèi)部光伏進(jìn)行主動管理，通過聚合控制區(qū)域內(nèi)的臺區(qū)分布式光伏及其他可調(diào)資源，將中壓配電網(wǎng)內(nèi)部分布式光伏按照電網(wǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行分組資源聚合和集中管理，并將聚合運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提供給地調(diào)AGC模塊及其他應(yīng)用。

饋線級有功優(yōu)化控制對于指令解聚合，充分利用10kV集中式光伏場站、分布式光伏及儲能裝置的有功調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)部的有功最優(yōu)分配，改善潮流分布，促進(jìn)分布式光伏消納?；诜纸M優(yōu)化控制指令，以饋線組內(nèi)棄風(fēng)及棄光量最小為目標(biāo)，綜合考慮所轄的分布式光伏容量、安全評估模塊給定的電網(wǎng)安全運(yùn)行限值及其他決策模塊建議調(diào)整值，以主配電網(wǎng)設(shè)備約束和網(wǎng)絡(luò)約束為約束條件，進(jìn)行饋線組內(nèi)臺區(qū)有功控制目標(biāo)優(yōu)化求解，分解控制目標(biāo)并下發(fā)給各臺區(qū)級有功優(yōu)化控制模塊。

當(dāng)?shù)卣{(diào)AGC模塊接收上級AGC下發(fā)的協(xié)調(diào)控制指令后，計(jì)及分布式光伏及其他可調(diào)資源可調(diào)容量，將整體指令進(jìn)行解聚合，生成對含分布式光伏配電網(wǎng)饋線的有功控制總指令，再由饋線級有功優(yōu)化控制對該指令解聚合。

面向分布式光伏的有功優(yōu)化控制功能，具備閉環(huán)和半閉環(huán)的控制模式。對于系統(tǒng)生成的有功優(yōu)化控制策略，閉環(huán)狀態(tài)下自動向臺區(qū)控制對象下發(fā)臺區(qū)有功控制指令，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式光伏的自動閉環(huán)控制；在半閉環(huán)狀態(tài)下由調(diào)度人員對優(yōu)化控制策略進(jìn)行審查后，確定優(yōu)化控制方案是否下發(fā)進(jìn)行 控制。

2.5 臺區(qū)分布式光伏管控APP

本文設(shè)計(jì)了臺區(qū)分布式光伏管控APP，來實(shí)現(xiàn)臺區(qū)自動有功控制、臺區(qū)自動電壓控制，將臺區(qū)內(nèi)的各類有功、無功資源接入系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集臺區(qū)并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)、各類資源有功、無功數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的臺區(qū)功率、臺區(qū)電壓、設(shè)備功率控制區(qū)間，進(jìn)行臺區(qū)有功自治、電壓自治，自動生成控制策略并下發(fā)控制指令。在臺區(qū)自治合格的基礎(chǔ)上響應(yīng)主站的 指令。

臺區(qū)分布式光伏管控APP整體架構(gòu)如圖8所示。

圖8 臺區(qū)分布式光伏管控APP架構(gòu)

控制策略下發(fā)模塊完成對光伏控制器的數(shù)據(jù)處理，包括遙測、遙信數(shù)據(jù)接收、寫入共享內(nèi)存，以及從共享內(nèi)存中讀取遙控、遙調(diào)命令進(jìn)行下發(fā)。

主站策略響應(yīng)模塊通過IEC 104完成與主站的交互，包括遙測、遙信上傳及遙調(diào)、遙控命令接收，數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存。同時(shí)基于共享內(nèi)存中臺區(qū)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行策略計(jì)算，生成設(shè)備控制指令后寫入共享內(nèi)存。

臺區(qū)融合終端APP控制模式見表3，包括臺區(qū)自治模式及主站聯(lián)動模式。同時(shí)設(shè)計(jì)了如下策略。

表3 臺區(qū)融合終端APP控制模式

1）控制目標(biāo)：支持臺區(qū)總有功設(shè)定值，支持自由發(fā)、增有功、降有功等指令，支持臺區(qū)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓、無功功率或功率因數(shù)設(shè)定。

2）控制約束：各類有功無功資源的上下限、最大控制步長約束、控制死區(qū)約束，各母線電壓的上下限約束等。

3）控制指令：各類有功無功資源的設(shè)定值。

4）快速功率控制：快速響應(yīng)主站調(diào)節(jié)指令，及時(shí)增發(fā)電量，以及臺區(qū)內(nèi)各類有功資源的合理分布，降低不必要的棄電損失。

5）電壓越限控制：當(dāng)電壓越限時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整代價(jià)最小的電壓校正控制。

基于以上策略，APP輸出臺區(qū)內(nèi)設(shè)備（光伏、儲能、充電樁、斷路器）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括有功、無功、電壓、電流、電量、電能質(zhì)量等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及告警事件；臺區(qū)整體能力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括無功調(diào)節(jié)能力上限、無功調(diào)節(jié)能力下限、有功調(diào)節(jié)能力上限、有功調(diào)節(jié)能力下限；臺區(qū)調(diào)控記錄，包括臺區(qū)自治調(diào)控記錄和響應(yīng)主站指令的調(diào)控記錄等。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件架構(gòu)

分布式光伏管控平臺軟件架構(gòu)如圖9所示，軟件架構(gòu)基于數(shù)據(jù)源、平臺層及數(shù)據(jù)中臺，包含服務(wù)層和應(yīng)用層。

圖9 分布式光伏管控平臺軟件架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)間交互

本文設(shè)計(jì)的分布式光伏管控平臺依托調(diào)度自動化系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)、調(diào)控云平臺、省級智慧能源服務(wù)平臺、天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)、配電Ⅳ區(qū)主站、物聯(lián)管理平臺、營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)、PMS、站端設(shè)備等獲取電網(wǎng)量測數(shù)據(jù)、拓?fù)淠Ｐ?、GIS數(shù)據(jù)、分布式光伏用戶信息、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、可調(diào)節(jié)負(fù)荷量測數(shù)據(jù)及運(yùn)行曲線，向調(diào)度自動化系統(tǒng)及配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)發(fā)送預(yù)測數(shù)據(jù)及電網(wǎng)輔助決策。面向新型電力系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)分布式光伏調(diào)度系統(tǒng)的信息交互示意圖如圖10所示。

圖10 分布式光伏調(diào)度系統(tǒng)信息交互示意圖

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的分布式光伏管控平臺實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)全息感知，趨勢精準(zhǔn)預(yù)測，多維全景分析展示，主配協(xié)同控制，風(fēng)險(xiǎn)智能識別，光伏消納分析，光伏規(guī)劃輔助等功能。分布式光伏管控平臺系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 分布式光伏管控平臺系統(tǒng)界面

4 成效評價(jià)

天津?yàn)I海地區(qū)位于渤海灣，在風(fēng)能、光伏等可再生能源發(fā)展方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢條件。截至2020年底，地區(qū)光伏裝機(jī)容量已達(dá)到141.05萬kW，地區(qū)最大滲透率25%，預(yù)計(jì)到2025年濱海新區(qū)地區(qū)最大滲透率將達(dá)到68%。其中，僅整區(qū)分布式光伏總?cè)萘靠沙^90萬kW，10kV分層負(fù)荷滲透率將達(dá)到甚至超過70%。

2022年9月5日，通過濱海分布式光伏管控平臺，對濱海新區(qū)生態(tài)城科技園13、14號樓兩臺分布式光伏終端進(jìn)行有功遙調(diào)測試?？萍紙@13、14號樓臺區(qū)下共接入兩臺逆變器，測試前，該臺區(qū)分布式實(shí)時(shí)有功功率為45.357kW，平臺側(cè)于2022年9月5日10:22:43下發(fā)遙調(diào)指令至13、14號樓臺區(qū)融合終端，下發(fā)有功功率目標(biāo)遙調(diào)值為35kW，臺區(qū)融合終端接收遙調(diào)指令后，通過臺區(qū)AGC功能自動調(diào)節(jié)兩臺逆變器有功功率至21.037kW、14.146kW，并將指令下發(fā)至逆變器，逆變器收到調(diào)控指令后，立即降低有功功率至目標(biāo)值，并通過遙測信息上傳兩臺逆變器有功功率反饋值至平臺（調(diào)控指令響應(yīng)時(shí)間＜1min）。

分布式光伏管控平臺上線運(yùn)行一年時(shí)間，將分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓合格率提升至99.99%，含有分布式光伏并網(wǎng)的臺區(qū)及饋線反向潮流負(fù)載率維持在60%內(nèi)，現(xiàn)場運(yùn)行效果良好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了分布式光伏管控平臺的體系架構(gòu)，并對小容量居民光伏和大容量工商業(yè)分布式光伏本地和遠(yuǎn)程通信方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，論述了小容量居民光伏和大容量工商業(yè)分布式光伏的管控及軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了分布式光伏管控平臺的開發(fā)。該管控平臺實(shí)現(xiàn)了基于分布式光伏的態(tài)勢感知，支撐分布式光伏廣泛接入和全額消納；實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)全息感知，實(shí)現(xiàn)了含光伏廣泛接入的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識別；實(shí)現(xiàn)了基于臺區(qū)的柔性控制，實(shí)現(xiàn)了新型電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。在天津?yàn)I海地區(qū)的試點(diǎn)運(yùn)行表明平臺應(yīng)用效果良好。此外，本文未針對全量的分布式光伏開展群調(diào)群控工作，下一步將在更多省市公司進(jìn)行技術(shù)論證，保證系統(tǒng)的通用性和可靠性，并繼續(xù)加強(qiáng)在低壓分布式光伏預(yù)測及臺區(qū)級的多資源協(xié)調(diào)優(yōu)化自治系統(tǒng)方面的研究。

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Design and implementation of distributed photovoltaic control platform

TAN Dashuai DAI Bin GUO Gang TIAN Youjia WANG Shuai

(Tianjin Puxun Power Information Technology Co., Ltd, Tianjin 300192)

Under the background of “double carbon” and new power system construction, the access proportion of distributed photovoltaic is constantly increasing, which has a strong impact on distribution network voltage, dispatching operation and peak shaving. This paper designs a distributed new energy management and control platform with a three-layer architecture including the perception layer, platform layer and application layer, designs a small capacity residential photovoltaic and large capacity industrial and commercial distributed photovoltaic local and remote communication scheme, studies the construction of distributed photovoltaic acquisition model, multi-source data fusion estimation, distributed new energy oriented active and reactive power optimization control and other key technologies, and realizes the ob-servable and measurable value of small capacity residential photo- voltaic and the observable, measurable, adjustable and controllable value of large capacity industrial and commercial distribution photovoltaic. The platform has been technically verified in Tianjin Binhai area, with good effect and certain promotion value.

distributed photovoltaic; novel power system; new energy management and control; distributed photovoltaic acquisition; distributed photovoltaic control

2022-10-31

2023-01-02

譚大帥（1987—），男，河北省保定市人，碩士，高級工程師，主要從事EMS/DMS系統(tǒng)的研制與開發(fā)工作。