配電網(wǎng)分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互技術(shù)研究

田 赟， 馮李軍

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)永濟(jì)市供電公司，山西 永濟(jì) 044500）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家高度重視分布式電源發(fā)展，并在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出要優(yōu)化太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)格局，優(yōu)先發(fā)展分布式發(fā)電。山西省政府落實(shí)黨中央對(duì)資源型地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的部署，提出了建設(shè)“資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展示范區(qū)”、打造“能源革命排頭兵”和構(gòu)建“內(nèi)陸地區(qū)對(duì)外開(kāi)放新高地”的三大目標(biāo)定位，大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，實(shí)施光伏扶貧政策，使分布式光伏發(fā)電獲得巨大發(fā)展。截止到2018 年底，山西電網(wǎng)分布式電源裝機(jī)已達(dá)3 600 MW，其中分布式光伏裝機(jī)達(dá)2 200 MW，接近全省最大用電負(fù)荷平均值的10%。分布式電源大規(guī)模接入，在改變配電網(wǎng)運(yùn)行特性，使其從傳統(tǒng)的無(wú)源型結(jié)構(gòu)變?yōu)楸椴茧娫吹膹?fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，給電網(wǎng)的主網(wǎng)電力平衡管理和配電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來(lái)技術(shù)上的挑戰(zhàn)[1]，研究分布式電源“源—網(wǎng)”數(shù)據(jù)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式電源與主網(wǎng)和配電網(wǎng)的“物聯(lián)”成為熱門(mén)課題。

1 分布式電源大規(guī)模接入影響及現(xiàn)狀分析

1.1 分布式電源大規(guī)模接入帶來(lái)電力平衡難題

分布式電源直接向配電網(wǎng)用戶(hù)提供電源，與電力負(fù)荷是相抵消的關(guān)系，呈現(xiàn)“負(fù)用電”特性，對(duì)傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型產(chǎn)生影響，尤其是分布式光伏，其發(fā)電出力受光照等環(huán)境因素影響，波動(dòng)性、間歇性顯著，加大了負(fù)荷趨勢(shì)和空間負(fù)荷分布的分析難度，不利于電力平衡管理[2]。目前，山西省分布式光伏裝機(jī)容量已超全省最大負(fù)荷的10%，午間山西電網(wǎng)調(diào)峰難問(wèn)題日益凸顯，晴天午間光伏發(fā)電調(diào)峰比后夜調(diào)峰更加困難，主網(wǎng)調(diào)峰困難由“一日一難”惡化為“一日兩難”，同時(shí)4 個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的分布式光伏裝機(jī)占最大負(fù)荷比例接近10%，省地級(jí)電網(wǎng)電力平衡均面臨新挑戰(zhàn)。受分布式電源管理職責(zé)界面、電站建設(shè)情況和自動(dòng)化技術(shù)條件限制，分布式光伏功率預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段缺失，覆蓋分布式電源的電力平衡工作舉步維艱，亟須構(gòu)建含分布式電源的電力平衡管理機(jī)制，提升電力平衡管理水平。

1.2 分布式電源數(shù)據(jù)接入現(xiàn)狀分析

國(guó)家電網(wǎng)公司《分布式電源調(diào)度運(yùn)行管理規(guī)范》要求“10～35 kV 分布式電源應(yīng)能實(shí)時(shí)采集并網(wǎng)運(yùn)行信息，包括設(shè)備狀態(tài)、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和發(fā)電量等，并上傳至相關(guān)調(diào)度。380/220 V 如納入調(diào)度管轄，應(yīng)通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)采集并網(wǎng)運(yùn)行信息并接入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，主要包括每日電流、電壓和發(fā)電量信息”。目前山西電網(wǎng)各地縣調(diào)調(diào)管10～35 kV 光伏電站部分尚未實(shí)現(xiàn)，380/220 V 光伏均未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化信息接入調(diào)度，僅通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)向營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)傳輸電量信息，自動(dòng)化信息接入情況總體較差，同時(shí)由于新能源接入地調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)缺乏具體的技術(shù)規(guī)范，監(jiān)視信息及監(jiān)視界面尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，省地級(jí)調(diào)度對(duì)分布式光伏的運(yùn)行信息掌控不足，嚴(yán)重影響分布式電源設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)度控制。

2 分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互模型研究

分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互需要實(shí)現(xiàn)分布式電源數(shù)據(jù)的“可觀、可測(cè)”，即發(fā)電出力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和未來(lái)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)分析，同時(shí)建立省地縣三級(jí)調(diào)度數(shù)據(jù)共享機(jī)制和與電站的交互機(jī)制[3-4]，從而為主網(wǎng)和配電網(wǎng)運(yùn)行控制以及“源—網(wǎng)”協(xié)調(diào)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 分布式電源調(diào)度數(shù)據(jù)采集模式選擇

目前，在分布式電源數(shù)據(jù)信息采集模式上主要有兩類(lèi)。

a） 省調(diào)集中采集轉(zhuǎn)發(fā)模式。各分布式電源信息直接傳送至省調(diào)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)地縣調(diào)。該模式有助于統(tǒng)一規(guī)范分布式電源調(diào)度數(shù)據(jù)上傳內(nèi)容及格式，并且有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和集中管理，同時(shí)，對(duì)于不具備分布式電源信息接入條件的場(chǎng)站，可由省調(diào)端集中統(tǒng)一采取間接估算等方法獲取數(shù)據(jù)。省調(diào)安全防護(hù)的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)雖然可確保調(diào)度數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)安全，但在數(shù)據(jù)接入方面的投入相對(duì)較大，尤其是通過(guò)直采信息接入存在一定的困難。

b) 地調(diào)采集逐級(jí)上傳模式。各分布式電源信息直接傳送至地調(diào)，再將數(shù)據(jù)逐級(jí)向上級(jí)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。該模式符合目前調(diào)度數(shù)據(jù)上送的模式，且在直采信息接入的投入上有很大的優(yōu)勢(shì)，亦有利于分布式電源數(shù)據(jù)異常信息的整治和分級(jí)管理，但對(duì)數(shù)據(jù)上傳規(guī)范性和集中管理方面會(huì)有影響，尤其對(duì)于不具備直采信息接入條件的場(chǎng)站，不利于統(tǒng)一間接式估算算法的應(yīng)用。

鑒于上述兩類(lèi)數(shù)據(jù)采集上傳模式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，可選取2 種模式相結(jié)合的方法進(jìn)行分布式電源數(shù)據(jù)采集模型的設(shè)計(jì)，即對(duì)具備直采信息的分布式電源場(chǎng)站，可通過(guò)地縣調(diào)直采后逐級(jí)上傳至省調(diào)模式，對(duì)于不具備直采信息的分布式電源場(chǎng)站，可通過(guò)采取省調(diào)統(tǒng)一間接估算模式，進(jìn)而兩類(lèi)不同數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中至省調(diào)進(jìn)行管理，再由省調(diào)共享至地縣調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的全覆蓋。

2.2 分布式電源數(shù)據(jù)采集和分析模型的建立

為確保分布式電源數(shù)據(jù)采集的可拓展性、交互性以及校核準(zhǔn)確性，在模型建立過(guò)程中，著重要做好數(shù)據(jù)交互開(kāi)發(fā)和接口管理工作[5]，主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)。

a) 獲取智能調(diào)度系統(tǒng)（D5000 系統(tǒng)） 安全Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)平臺(tái)具備直采數(shù)據(jù)接入條件的分布式光伏和集中式光伏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要通過(guò)地調(diào)上傳獲取，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視以及無(wú)直采接入分布式光伏實(shí)時(shí)出力的估算。

b) 獲取D5000 系統(tǒng)安全Ⅱ區(qū)氣象采集服務(wù)器集中式電站氣象信息，用于10～35 kV 分布式光伏出力預(yù)測(cè)。由于目前的分布式光伏電站不具備氣象信息上傳條件，所以需要參考集中式電站氣象數(shù)據(jù)。

c) 獲取D5000 系統(tǒng)安全Ⅳ區(qū)的營(yíng)銷(xiāo)用電采集系統(tǒng)380/220 V 分布式光伏容量數(shù)據(jù)，用于分布式光伏基礎(chǔ)信息維護(hù)和實(shí)時(shí)出力的估算。

d） 獲取D5000 系統(tǒng)安全Ⅳ區(qū)山西全省氣象系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于380/220 V 分布式光伏出力預(yù)測(cè)和出力估算數(shù)據(jù)校核。詳情見(jiàn)圖1。

在分布式電源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集分析和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，可搭建分布式電源調(diào)度管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以具備分布式電源接入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、分布式光伏出力預(yù)測(cè)、分布式光伏出力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分布式電源數(shù)據(jù)可視化展示和統(tǒng)計(jì)分析功能，同時(shí)可通過(guò)調(diào)度管理系統(tǒng)OMS（operation management system） 分享數(shù)據(jù)至分布式電源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)框架見(jiàn)圖2。

圖1 分布式電源數(shù)據(jù)采集模型

圖2 分布式電源調(diào)度數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框架

2.3 分布式光伏數(shù)據(jù)估算和預(yù)測(cè)方法分析

2.3.1 利用固定曲線(xiàn)擬合公式進(jìn)行功率預(yù)測(cè)和估算

對(duì)于10～35 kV 分布式光伏功率預(yù)測(cè)，以單個(gè)電站為最小預(yù)測(cè)單位，預(yù)測(cè)方式選取就近的集中式光伏的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象文件中的輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行推算[6]。前期通過(guò)大量數(shù)據(jù)采集和曲線(xiàn)擬合，經(jīng)推算，獲取公式為P=0.112x2+0.919x-0.019 7，其中P為每單位容量的功率，x為輻照度。以山西分布式光伏出力數(shù)據(jù)為例，取時(shí)長(zhǎng)為3 天、每天96 個(gè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)功率和實(shí)際功率對(duì)比見(jiàn)圖3。

對(duì)功率預(yù)測(cè)進(jìn)行合格率評(píng)估，具體評(píng)估方法見(jiàn)下式

式中：PPi為i時(shí)刻預(yù)測(cè)功率；PMi為實(shí)際發(fā)電功率；Ci為i時(shí)刻預(yù)測(cè)的開(kāi)機(jī)容量；n為統(tǒng)計(jì)時(shí)段的總樣本數(shù)；Bi為i時(shí)刻預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差是否合格，若合格為1，不合格為0；T為判定閾值，短期功率預(yù)測(cè)T為20%。經(jīng)測(cè)算3 日的合格率分別為80.16%、81.09%、82.35%，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率預(yù)測(cè)合格率應(yīng)大于80%的要求。

圖3 固定曲線(xiàn)擬合預(yù)測(cè)功率與實(shí)際功率對(duì)比曲線(xiàn)圖

對(duì)于380/220 V 分布式光伏功率預(yù)測(cè)，采取基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和氣象特征的虛擬電站定制策略，通過(guò)聚類(lèi)和歸集，形成數(shù)量較少的虛擬電站進(jìn)行降維分析。預(yù)測(cè)方式為以縣為單位進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)所在縣域的集中式光伏電站氣象數(shù)據(jù)加權(quán)平均得到輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如某一縣域無(wú)集中式電站，就近選取典型集中式電站天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬推算，同時(shí)利用縣域輻照度氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。

對(duì)于不具備直采條件的分布式光伏出力估算，10～35 kV 電站根據(jù)就近典型直采電站的實(shí)發(fā)功率，同樣利用分布式光伏功率與輻照度的單一變量函數(shù)關(guān)系反推算出實(shí)時(shí)的輻照度，再根據(jù)輻照度模擬出電站實(shí)發(fā)功率。380/220 V 分布式光伏以縣域?yàn)閱挝?，依托各縣域的裝機(jī)數(shù)據(jù)，取集中式光伏電站以及就近典型分布式直采電站的實(shí)發(fā)功率推算出實(shí)時(shí)輻照度，并通過(guò)加權(quán)平均后，根據(jù)輻照度模擬出電站實(shí)發(fā)功率。

2.3.2 基于氣象條件相似度的非固定功率預(yù)測(cè)方法

通過(guò)獲取一個(gè)電站（或縣域） 待預(yù)測(cè)日96 點(diǎn)的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及相似氣象歷史數(shù)據(jù)和歷史負(fù)荷，抽取樣本時(shí)間內(nèi)氣象數(shù)據(jù)最接近且時(shí)刻點(diǎn)最接近的n個(gè)氣象歷史數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)時(shí)刻負(fù)荷數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的平均值，再取全部96 點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合和算法推導(dǎo)，建立負(fù)荷相對(duì)于氣象的全天一元二次方程式模型，并將待測(cè)時(shí)刻的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)代入模型，得到預(yù)測(cè)功率。同樣，以山西分布式光伏出力數(shù)據(jù)為例，取時(shí)長(zhǎng)為3 天、每天96 個(gè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)功率和實(shí)際功率對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 基于相似度算法的預(yù)測(cè)功率與實(shí)際功率對(duì)比曲線(xiàn)圖

對(duì)功率預(yù)測(cè)進(jìn)行合格率評(píng)估，得到3 天數(shù)據(jù)的QR分別為95.56%、95.62%、96.11%。

該算法相較于固定曲線(xiàn)擬合公式算法，由于提取歷史相似氣象和相似負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，能夠減少歷史采集數(shù)據(jù)異常帶來(lái)的數(shù)據(jù)偏差，并通過(guò)擬合得到符合當(dāng)日數(shù)據(jù)要求的曲線(xiàn)，無(wú)固定的算法方程式和系數(shù)，有相對(duì)的靈活性且更為精確，這從合格率評(píng)估即可以看出，建議在實(shí)際應(yīng)用中選取此種算法。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了山西電網(wǎng)分布式電源，主要是分布式光伏的接入現(xiàn)狀以及對(duì)主配網(wǎng)運(yùn)行的影響，就分布式電源數(shù)據(jù)接入的模式進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合當(dāng)前部分分布式光伏電站不具備直采信息接入條件的情況，選定分級(jí)直采上傳和統(tǒng)一估算相結(jié)合的數(shù)據(jù)交互方式，另提出了分布式光伏電站的間接估算方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式電源“源—網(wǎng)”調(diào)度數(shù)據(jù)交互有一定的指導(dǎo)作用，亦對(duì)分布式電源與主配電網(wǎng)“物聯(lián)”起到基礎(chǔ)性的研究作用。