基于分布式電源的主動配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵問題研究

韓田蕾

【摘 ?要】論文提出了考慮主動管理（AM）的配電網(wǎng)絡(luò)分布式分散式發(fā)電（DG）機(jī)組的長期動態(tài)規(guī)劃。在AM運(yùn)行模式下，配電網(wǎng)設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)（電壓和電流）的實時測量進(jìn)行實時控制。該模型確定了分布式發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)規(guī)模、位置和投資時間。能源價格和負(fù)荷增長率的不確定性是通過基于情景的建模方法來處理的。在AM環(huán)境下，最優(yōu)分布式電源規(guī)劃的計算是一個混合整數(shù)的非線性問題，可以用商業(yè)優(yōu)化軟件包如GAMS來解決。

【Abstract】In this paper， the long-term dynamic planning of distributed generation （DG） units in distribution networks considering active management （AM） is proposed. In AM operation mode， distribution network equipment carries out real-time control according to real-time measurement of system parameters （voltage and current）. The model determines the optimal size， location and investment time of distributed generator sets. The uncertainty of energy price and load growth rate is dealt with by scenario-based modeling. In AM environment， the calculation of optimal distributed power planning is a nonlinear problem of mixed integers， which can be solved by commercial optimization packages such as GAMS.

【關(guān)鍵詞】分布式電源;配電網(wǎng);規(guī)劃

【Keywords】distributed generation; distribution network; planning

【中圖分類號】TM715 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）05-0124-02

1 主動配電網(wǎng)的當(dāng)代發(fā)展概述

1.1 主動配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的區(qū)別

常規(guī)配電網(wǎng)規(guī)劃的主要內(nèi)容包括：收集電力市場和用戶的信息、需求預(yù)測、確定網(wǎng)絡(luò)需求、替代研究對替代品進(jìn)行評估、選擇設(shè)計方案。為克服傳統(tǒng)配網(wǎng)規(guī)劃的不足，主動式配網(wǎng)主要考慮了主動管理的作用，采用了統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃的思想。在綜合考慮用戶和電力供應(yīng)的同時，在全要素多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃過程中，主要考慮了2個最優(yōu)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)和1個網(wǎng)絡(luò)解，通過多個時間尺度來反映用戶和電力供應(yīng)特性的變化、評估和計算的過程中的選擇。

1.2 主動配電網(wǎng)規(guī)劃概述

配電網(wǎng)規(guī)劃是在安全和運(yùn)行約束下，以最小的成本確定滿足電力需求的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)配置。對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行投資是為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無論是需求的增長、發(fā)電的連接，還是老化資產(chǎn)的更新。在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展規(guī)劃任務(wù)中，有2種常用的方法可以用來尋找最優(yōu)解，即最優(yōu)化方法和啟發(fā)式規(guī)劃方法。盡管在過去，由于現(xiàn)實生活中的應(yīng)用需要相對較大的計算能力，最優(yōu)化方法的范圍是有限的，但是不斷增長的當(dāng)代計算處理速度已經(jīng)導(dǎo)致對這種方法的研究數(shù)量的增長。因此，即使有多個目標(biāo)（超出了正常的單一目標(biāo)，即最低成本系統(tǒng)擴(kuò)展），現(xiàn)在也提出了更復(fù)雜的技術(shù)。

2 分布式電源下的主動配電網(wǎng)規(guī)劃必要性

分散式發(fā)電是一種直接連接到配電網(wǎng)絡(luò)的電力源。近年來，經(jīng)濟(jì)問題和技術(shù)問題促使DG裝置的使用。發(fā)展分布式發(fā)電機(jī)組可以提高能源供應(yīng)的安全性、投資的靈活性以及降低電力損耗和運(yùn)行成本。在大多數(shù)情況下，配電網(wǎng)絡(luò)是以輻射形式擴(kuò)展的。因此，分布式發(fā)電機(jī)組與配電網(wǎng)的整合可能會改變配電饋線的潮流。因此，投資規(guī)模、投資地點(diǎn)、投資技術(shù)和投資時機(jī)對其潛在收益具有決定性影響。如果配電系統(tǒng)在不適當(dāng)?shù)臈l件下運(yùn)行，分布式發(fā)電機(jī)可能會影響配電系統(tǒng)。分布式電源規(guī)劃報告模型一般可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩大類。在靜態(tài)模型中，投資決策在規(guī)劃期的第1年實施，但在動態(tài)模型中，危險品機(jī)組的投資年份也由規(guī)劃者決定，不一定是規(guī)劃期的第1年。動態(tài)模型是指投資年度也由最優(yōu)化程序決定的模型。考慮到AM在配電系統(tǒng)運(yùn)行中的良好性能，將主動網(wǎng)絡(luò)管理方法引入最優(yōu)動態(tài)分布式電源規(guī)劃中。

3 主動配電網(wǎng)絡(luò)的管理

分布式電源裝置在配電網(wǎng)中的高滲透率會給配電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行帶來許多技術(shù)問題。造成這些問題的原因之一是可再生或不可再生能源的裝機(jī)容量與主機(jī)本地網(wǎng)絡(luò)不匹配。換句話說，與電源相連的網(wǎng)絡(luò)容量可能不足以提供電力。因此，為避免網(wǎng)絡(luò)加固的成本，配電網(wǎng)運(yùn)營商（DNO）需要一種可靠的方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運(yùn)行。根據(jù)AM方法對配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理時，可以對不同作業(yè)裝置之間的相互作用進(jìn)行規(guī)劃和控制，以利于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和穩(wěn)定。

分布式電源單元的有功功率調(diào)節(jié)是限制配電網(wǎng)電壓上升的應(yīng)用策略之一。在發(fā)電量大、負(fù)荷低的情況下，可以通過減少部分分布式電源的發(fā)電量來解決電壓升高的問題。如果能量消耗量相對較低，則有利于降低分布式電源的消耗，而不利于配電系統(tǒng)的改善。有載分接開關(guān)的AM側(cè)重于在允許范圍內(nèi)保持電壓分布。由于連續(xù)的負(fù)荷變化可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的電壓降低，或者由DG發(fā)電產(chǎn)生的電壓分布在DG連接的節(jié)點(diǎn)上增加，所以采用OLTCs管理來保持電壓在允許的范圍之內(nèi)。有載分接開關(guān)（OLTC）的設(shè)置是基于母線電壓信息的，而母線電壓上升（或下降）問題最為嚴(yán)重。利用RPC管理，當(dāng)超過安全電壓范圍時，可以控制配電系統(tǒng)中的無功潮流，校正電壓分布。遠(yuǎn)程控制是通過向每個單元發(fā)送控制命令來實現(xiàn)的。使用RPC還可以減少網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗。最佳控制策略是基于協(xié)調(diào)同步電壓控制和無功功率的應(yīng)用。本文考慮了配電網(wǎng)的3種運(yùn)行方式，以確定最優(yōu)規(guī)劃。

為確定分布式電源裝置的最優(yōu)規(guī)劃，本文考慮了3種分布式電網(wǎng)的運(yùn)行方式。這3種運(yùn)作模式相互比較如下：

模式1：傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，中壓變電站在低電壓水平向用戶供電是單向的。在這種模式下，沒有DG連接到網(wǎng)絡(luò)。

模式2：無源配電網(wǎng)絡(luò)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，為改善技術(shù)特性，在網(wǎng)絡(luò)中安裝了電信總局和RPC設(shè)備。當(dāng)滲透水平較高時，單向功率流有可能向雙向功率流轉(zhuǎn)變。分布式發(fā)電機(jī)組和RPC的輸出不受DNO的控制。

模式3：主動配電網(wǎng)。在這種模式下，AMRs和其他測量裝置被安裝在負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)要求上。因此，中壓變電站有載分接開關(guān)可以根據(jù)一次系統(tǒng)參數(shù)的測量進(jìn)行自動控制。為提高網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)性能，在網(wǎng)絡(luò)中安裝和控制RPC。AM程序?qū)⒂糜诜咒N網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和智能操作。

4 仿真結(jié)果分析和設(shè)計

本文將隨機(jī)規(guī)劃問題用于能源價格和負(fù)荷增長率的不確定性建模，建立了能源價格和負(fù)荷增長率的隨機(jī)規(guī)劃模型。確定性問題可以用隨機(jī)過程中的隨機(jī)變量代替隨機(jī)過程中的期望變量或預(yù)期變量來求得。此外，本文分析了網(wǎng)絡(luò)需求水平，提出了網(wǎng)絡(luò)需求水平的概念，建立了網(wǎng)絡(luò)需求水平的數(shù)學(xué)模型?？紤]了峰值負(fù)荷、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷、中等負(fù)荷和輕負(fù)荷4個需求水平，得到了不同需求水平下的分布式發(fā)電量值。這意味著，在輕負(fù)荷水平，危險品將受到限制。利用GAMS求解該優(yōu)化問題，可以得到具有靜態(tài)或動態(tài)規(guī)劃的裝置的最優(yōu)運(yùn)行水平。在本文中，假設(shè)每年的需求增長率為γs，因此，在每個需求水平上，OLTC和RPC的最優(yōu)設(shè)置將逐年改變。如果考慮到需求增長率，第1年峰值負(fù)荷的損失值為0.643MW，達(dá)到1.268MW。在常規(guī)電網(wǎng)中，輕負(fù)荷從第1年的0.159 MW增加到最近幾年的0.291MW。在這些網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中安裝了分布式電源（DG）和RPC設(shè)備，以改善網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特性，但是AM程序并沒有得到應(yīng)用。與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)相比，功率損耗值已經(jīng)降低。例如，第1年的損失值為0.091MW，考慮到需求增長率，該值達(dá)到0.191MW。在無源網(wǎng)絡(luò)中，電力損耗從第1年的0.081MW增加到最近幾年的0.065MW。降低網(wǎng)損的主要原因是被動網(wǎng)絡(luò)中的RPC固定不動，從而導(dǎo)致輕負(fù)載時網(wǎng)損增加。一般來說，與無源網(wǎng)絡(luò)相比，主動網(wǎng)絡(luò)的功率損耗值有所下降。提取了動態(tài)規(guī)劃10年有功損耗（MW）的預(yù)期值。從這些數(shù)據(jù)可以看出，適當(dāng)?shù)姆植茧娫次恢每梢愿纳齐妷悍植?。計算結(jié)果表明，采用動態(tài)規(guī)劃模型和自動調(diào)節(jié)模型，配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況將更好。采用這種方法，分布式發(fā)電機(jī)組的總調(diào)度功率也得到了提高。

數(shù)值計算和比較結(jié)果表明，采用動態(tài)投資規(guī)劃和調(diào)幅技術(shù)可以提高電網(wǎng)的電壓分布、有功損耗和DNO成本。實施AM方法與PM方法相比有許多不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，同時也提高了分布式發(fā)電機(jī)組的調(diào)度能力，降低了分布式發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)絡(luò)中的定義成本函數(shù)。因此，創(chuàng)造良好的操作條件對系統(tǒng)的規(guī)劃有很大的影響。未來可以研究分解技術(shù)，如Benders分解，以提高隨機(jī)動態(tài)分布規(guī)劃的解決效率。

5 結(jié)語

當(dāng)代新發(fā)展對配電網(wǎng)系統(tǒng)提出了新要求。配電網(wǎng)是直接面向多元用戶，是支撐社會發(fā)展的主要基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施。隨著近年來新冠疫情的不斷影響，線上平臺、無紙化辦公、云網(wǎng)絡(luò)、5G時代、新能源汽車、大數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，在人工智能、新能源、綠色出行等方面催生滋養(yǎng)出眾多新型業(yè)態(tài)，因此，實現(xiàn)配電網(wǎng)的創(chuàng)新發(fā)展和需求的步伐不斷加快，配電網(wǎng)是電網(wǎng)數(shù)字化、智能化發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要組成部分，同時也兼顧社會責(zé)任和經(jīng)濟(jì)效益的有效保障。

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