考慮價(jià)格需求響應(yīng)的主動(dòng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

張劉冬， 丁 昊, 袁曉冬曾 飛， 李 強(qiáng)， 袁宇波

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103;2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

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考慮價(jià)格需求響應(yīng)的主動(dòng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

張劉冬1， 丁 昊2, 袁曉冬1曾 飛1， 李 強(qiáng)1， 袁宇波1

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103;2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

隨著分布式發(fā)電的滲透率提高，配電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)饋線過載、電壓越限等問題，從而限制了分布式電源的接入。需求響應(yīng)利用負(fù)荷側(cè)可調(diào)控資源參與主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度可以促進(jìn)大規(guī)模分布式電源消納。本文將價(jià)格型需求響應(yīng)引入現(xiàn)有主動(dòng)配電網(wǎng)的多時(shí)段優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度模型，構(gòu)建了三相主動(dòng)配電網(wǎng)有功-無功協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并提出了基于混合整數(shù)二階錐規(guī)劃的模型求解方法。該模型可通過需求響應(yīng)負(fù)荷調(diào)節(jié)，并協(xié)調(diào)與分布式電源、儲(chǔ)能裝置、無功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降損、保證饋線負(fù)載、電壓不越限的目的，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)全局能量管理優(yōu)化。對擴(kuò)展的IEEE 33節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所提出模型及算法的有效性和優(yōu)越性。

主動(dòng)配電網(wǎng)；分布式電源；價(jià)格需求響應(yīng)；經(jīng)濟(jì)調(diào)度；混合整數(shù)二階錐規(guī)劃

0 引言

隨著配電網(wǎng)中分布式電源(distributed generation，DG)、儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)、無功補(bǔ)償裝置等設(shè)備的滲透率日益提高，傳統(tǒng)配電網(wǎng)正在逐步向具有眾多可調(diào)可控資源的主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution networks，ADN)轉(zhuǎn)變[1,2]。大規(guī)模DG并網(wǎng)會(huì)引起電壓波動(dòng)甚至過電壓越限，并導(dǎo)致饋線潮流雙向流動(dòng)及過載，嚴(yán)重限制了AND對DG的消納[3]。從日前日內(nèi)多時(shí)段優(yōu)化運(yùn)行的前瞻視角確定ADN各可調(diào)設(shè)備的運(yùn)行操作策略，是解決該類問題的一種有效工具[4-8]。

針對ADN多時(shí)段優(yōu)化策略的制定，文獻(xiàn)[5-7]通過調(diào)度ADN中的ESS和DG等可調(diào)資源，研究了ADN多時(shí)段優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[8]建立了一個(gè)混合整數(shù)非凸非線性規(guī)劃模型，將變壓器的有載調(diào)壓分接頭和靜止無功補(bǔ)償器的優(yōu)化調(diào)度考慮在內(nèi)，并提出了一種離散變量連續(xù)化處理再規(guī)整的兩階段求解方法。另外，建立配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的三相模型已逐漸成為研究的主流[9-13]，并且如何在三相有功無功耦合的模型基礎(chǔ)上解決ADN的雙向潮流、線路損耗、棄風(fēng)(光) 、過電壓、饋線過載等問題是配電網(wǎng)運(yùn)行管理中面臨的挑戰(zhàn)[3]。

現(xiàn)有研究并未考慮將需求側(cè)資源參與配電網(wǎng)互動(dòng)，構(gòu)建從日前、日內(nèi)到實(shí)時(shí)的多時(shí)間尺度滾動(dòng)協(xié)調(diào)的需求響應(yīng)(demand response，DR)優(yōu)化調(diào)度模式，以有效提升DG消納水平，實(shí)現(xiàn)ADN全局能量管理優(yōu)化。針對該問題，本文將價(jià)格型需求響應(yīng)引入現(xiàn)有三相ADN的多時(shí)段優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度模型[14]，建立了考慮DG、ESS、無功補(bǔ)償裝置以及需求響應(yīng)負(fù)荷的連續(xù)、離散控制變量的三相ADN有功無功協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓水平、提高能源資源利用率、節(jié)能降損的目的，保證配電網(wǎng)整體的安全高效運(yùn)行。此外將該模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問題，并采用CPLEX優(yōu)化軟件對該問題進(jìn)行求解，采用擴(kuò)展的IEEE 33節(jié)點(diǎn)三相測試系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證了本文方法的有效性和優(yōu)越性。

1 價(jià)格型需求響應(yīng)模型

價(jià)格型DR是通過價(jià)格信號(hào)(如分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià))引導(dǎo)用戶合理調(diào)節(jié)和改善用電結(jié)構(gòu)和用電方式[15]。實(shí)時(shí)電價(jià)更新周期較分時(shí)電價(jià)更短，可以為1 h或更短，能夠有效傳達(dá)電價(jià)信號(hào)，引導(dǎo)用戶改變用電行為，響應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化。因此，針對ADN，本文通過實(shí)時(shí)電價(jià)引導(dǎo)用戶調(diào)節(jié)負(fù)荷響應(yīng)DG出力變化，有效提升DG消納水平，實(shí)現(xiàn)ADN全局能量管理優(yōu)化。

用戶的響應(yīng)行為描述是制定考慮DR調(diào)度策略的基礎(chǔ)，本文選用基于需求彈性的用戶響應(yīng)模型。用戶在不同電價(jià)下的響應(yīng)公式及響應(yīng)約束如下：

(1)

(2)

圖1 價(jià)格型DR的負(fù)荷變化功率與電價(jià)關(guān)系Fig.1 Relationship between the DR load change and price

(3)

(4)

(5)

2 有功-無功協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

ADN的動(dòng)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行一般以調(diào)度周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)損耗最小作為目標(biāo)函數(shù)[14]。但本文引入價(jià)格型DR后， 需要從社會(huì)福利[17]角度考慮修改該目標(biāo)函數(shù)。社會(huì)福利可通過售電收入減去配變關(guān)口購電成本獲得。因此，本文以最大化社會(huì)福利為目標(biāo)函數(shù)，具體表示為:

(6)

2.2 約束條件

AND動(dòng)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行的約束條件一般包括三相潮流方程、系統(tǒng)運(yùn)行安全約束、配變關(guān)口功率約束、儲(chǔ)能裝置運(yùn)行約束以及無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行約束等，具體分析如下。

(1) DistFlow支路潮流形式的三相輻射狀配電網(wǎng)潮流約束[14]。對于電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)j，有：

(7)

(8)

(9)

(10)

對于電網(wǎng)中支路ij，有：

(11)

標(biāo)準(zhǔn)二階錐形式：

(12)

(2) 系統(tǒng)運(yùn)行安全約束。

(13)

(14)

(3) 配變關(guān)口功率約束。為了抑制ADN的功率波動(dòng)對輸電網(wǎng)造成的影響，需要將配電網(wǎng)根節(jié)點(diǎn)的關(guān)口交換功率控制在某一范圍，即：

(15)

(16)

(4) 儲(chǔ)能裝置ESS 運(yùn)行約束。本文提出的有功無功協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型為提高DG的并網(wǎng)能力，充分利用配電網(wǎng)中的可再生能源，引入了儲(chǔ)能裝置ESS，其模型如下：

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(5) 離散無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行約束。受到生產(chǎn)制造技術(shù)和設(shè)備使用壽命的限制，在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)CB的操作次數(shù)有嚴(yán)格限制，且每一次投切都是成組操作，即CB的運(yùn)行應(yīng)該滿足如下約束特性：

(22)

(23)

(24)

(25)

(6) 連續(xù)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行約束。

(26)

(7) DG出力約束。

(27)

(28)

(8) 負(fù)荷無功功率約束。

(29)

2.3 模型求解

3 算例仿真與分析

3.1 擴(kuò)展的IEEE 33節(jié)點(diǎn)三相測試系統(tǒng)

本文采用的IEEE 33節(jié)點(diǎn)三相輻射狀配電系統(tǒng)共有33個(gè)節(jié)點(diǎn)、37條支路、5個(gè)環(huán)，開環(huán)運(yùn)行，根節(jié)點(diǎn)電壓12.66 kV，并將DG、SVC、CB、ESS加入其中，如圖2所示?；九渲脜?shù)為：節(jié)點(diǎn)18和31連接2個(gè)光伏PV，裝機(jī)容量300 kW，DG和負(fù)荷的功率因數(shù)設(shè)為0.95，三相獨(dú)立可調(diào)。設(shè)節(jié)點(diǎn)25連接SVC，無功補(bǔ)償區(qū)間為-300～300 kvar，三相獨(dú)立可調(diào)；節(jié)點(diǎn)5和22連接2個(gè)分組投切電容器組CB，每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)允許操作5次，每相有4組，每組的補(bǔ)償功率為25 kvar，即每相的補(bǔ)償功率為0～100 kvar共5種狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)16和33連接2個(gè)儲(chǔ)能裝置ESS，總充放電功率上限為240 kW，每相設(shè)為80 kW，總電量上限為1200 kW·h，充放電效率均為93.5%。

圖2 擴(kuò)展 IEEE 33節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)Fig.2 Modified IEEE 33-bus test system

系統(tǒng)日內(nèi)12時(shí)段的負(fù)荷曲線和光照強(qiáng)度曲線，利用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL的Homer 軟件，根據(jù)我國西北某市經(jīng)緯度產(chǎn)生?？紤]到配電系統(tǒng)涵蓋區(qū)域面積不大，且為結(jié)果分析簡便，所有的光伏PV均采用相同的光照曲線，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)采用相同的負(fù)荷曲線。將文獻(xiàn)[14]中給出的負(fù)荷設(shè)定為系統(tǒng)負(fù)荷曲線的峰值負(fù)荷，將光伏PV的裝機(jī)容量對應(yīng)為系統(tǒng)光照曲線的峰值光照點(diǎn)。

在MATLAB中調(diào)用CPLEX軟件包編制相關(guān)程序?qū)y試系統(tǒng)的線性優(yōu)化模型進(jìn)行求解。當(dāng)對偶間隙取0.01%時(shí)，在主頻2.4 GHz Intel CPU、8 GB內(nèi)存的PC上計(jì)算所需時(shí)間約為3.6 s。

3.2 與傳統(tǒng)三相ADN有功無功協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的比較分析

在傳統(tǒng)三相AND有功無功協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中,考慮到 DG 出力的波動(dòng)與負(fù)荷的變化不完全匹配，配電網(wǎng)中ESS、關(guān)口功率、節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流等受限的情況下，將會(huì)采取棄風(fēng)、棄光、切負(fù)荷策略以滿足硬性約束。

與傳統(tǒng)方法[14]相比，本文考慮價(jià)格型DR的方法可以通過價(jià)格型DR的調(diào)節(jié)作用，增大節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率，以提高系統(tǒng)消納大規(guī)模光伏PV發(fā)電的水平并增大社會(huì)福利。圖3為兩種方法的光伏PV1和PV2出力比較，從圖中可以看出：

(1) 在第1～2和11～12時(shí)段，配電系統(tǒng)的負(fù)荷水平較低，而光伏出力較大，由于配電網(wǎng)中ESS和配變關(guān)口不具備足夠的向下調(diào)節(jié)容量，傳統(tǒng)方法不得不通過棄光，以保證系統(tǒng)安全約束在允許光伏出力內(nèi)得到滿足。而本文方法通過價(jià)格型DR增大該調(diào)度時(shí)段內(nèi)的系統(tǒng)負(fù)荷，減小了棄光功率，并增大了光伏允許出力大小。

(2) 在第7～9時(shí)段，配電系統(tǒng)具備足夠的可調(diào)容量。但在該調(diào)度時(shí)段內(nèi)，受限于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全約束，傳統(tǒng)方法的光伏允許出力小于光伏預(yù)測出力。而本文方法基于DR的調(diào)節(jié)作用，通過增大節(jié)點(diǎn)18、31的負(fù)荷，以減小節(jié)點(diǎn)18和33、18和17、30和31、31和32之間的光伏送出饋線的負(fù)載，從而增大了光伏電站的光伏允許出力大小。

圖3 本文方法與傳統(tǒng)方法的光伏允許出力比較Fig.3 Comparison of allowable power output of PV between the proposed method and conventional method

可見，價(jià)格型DR可以作為ESS調(diào)節(jié)能力的有效補(bǔ)充，配合光伏出力變化，緩解光伏不確定性影響，提升系統(tǒng)消納大規(guī)模DG的水平。

表1列出了兩種方法得到的購電成本和社會(huì)福利。由表1可見，考慮價(jià)格型DR后，系統(tǒng)通過減少棄光功率減小了配變關(guān)口購電成本，并且系統(tǒng)負(fù)荷增大而增加了售電收入，最終提高了社會(huì)福利。

表1 本文方法與傳統(tǒng)方法的社會(huì)福利比較Table 1 Comparison of social welfare between the proposed method and conventional method $

4 結(jié)論

為了提高AND的DG消納水平，本文將價(jià)格型DR引入現(xiàn)有ADN的多時(shí)段優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度模型，構(gòu)建了三相ADN有功-無功協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并提出了基于混合整數(shù)二階錐規(guī)劃的模型求解方法。對擴(kuò)展的IEEE 33節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所提出模型及算法的有效性和優(yōu)越性。仿真分析表明該模型可通過DR負(fù)荷調(diào)節(jié)的日內(nèi)多時(shí)段優(yōu)化，達(dá)到配電網(wǎng)節(jié)能降損、保證饋線負(fù)載、電壓不越限、提高DG消納水平的目的，實(shí)現(xiàn)ADN全局能量管理優(yōu)化。

本文建立的模型是集中式經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，該模型仍存在處理信息海量、模型維護(hù)困難、求解問題規(guī)模龐大、單點(diǎn)故障失效等不足，因此未來需要進(jìn)一步研究考慮價(jià)格DR的ADN分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)DG的即插即用。

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(編輯 劉曉燕)

Active and Reactive Power Coordinated Economic Dispatch of Active DistributionNetworks with Consideration of Price-based Demand Response

ZHANG Liudong1, DING Hao2, YUAN Xiaodong1,ZENG Fei1, LI Qiang1, YUAN Yubo1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 211103, China;2. State Grid Jangsu Electric Power Company Maitenance Branch, Nanjing 211106, China)

With increasing penetration of distributed generation (DG), the overload of feeder lines and out of voltage limits will happen in distribution networks, which may limit the penetration of DG. Demand response can promote large-scale DG accommodation by utilizing demand side resources to participate in active distribution networks (ADN) scheduling. Therefore, a price-based demand response model is introduced to the existing multi-period optimization model for ADN, an active and reactive power coordinated economic dispatch model of three-phase ADN is developed and its solution method based on mixed integer second-order cone programming is proposed in this paper. The proposed model can reduce loss and ensure that the overload of feeder lines and out of voltage limits will not appear via optimizing the operation of DG, energy storage system and VAR compensation as well as demand response load. Simulation studies on the modified IEEE 33-bus system are presented to verify the effectiveness and advantage of the proposed model.

active distribution networks; distributed generation; price-based demand response; economic dispatch; mixed integer second-order cone programming

2017-03-04；

2017-04-10

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5210EF17001C);國網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目(J2016018, J2017038)

TM73

A

2096-3203(2017)04-0031-06

張劉冬

張劉冬(1987—)，男，江蘇如皋人，東南大學(xué)博士后，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，主動(dòng)配電網(wǎng)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化(E-mail：zldon_1987@126.com)；

丁 昊(1987—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)與保護(hù)、電網(wǎng)項(xiàng)目管理等工作(E-mail：dingh1@js.sgcc.com.cn);

袁曉冬(1979—)，男，江蘇宜興人，碩士，高級工程師,從事電能質(zhì)量分析，新能源發(fā)電，主動(dòng)配電網(wǎng)研究工作(E-mail：lannyyuan@hotmail.com)；

曾 飛(1984—)，男，江西贛州人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作(E-mail：15105168878@163.com)。