未來配電網(wǎng)的分布式形態(tài)及規(guī)劃方法

趙一男，宋斌，錢振宇，李順昕

(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100038；2. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

目前電力系統(tǒng)正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。分布式電源相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與當(dāng)前集中式的大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并不契合，同時大電網(wǎng)面對小概率高風(fēng)險（low probability high impact, LPHI）事件時保全負荷的應(yīng)對能力有待進一步提升。微電網(wǎng)是主動配電網(wǎng)的支撐形式，卻又相對獨立[1]。 針對可再生能源高度滲透的電力系統(tǒng)，文獻[2]提出了元胞電網(wǎng)(web of cells)[2]的概念。在構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)的背景下，電力物聯(lián)網(wǎng)和堅強智能電網(wǎng)統(tǒng)一于能源互聯(lián)網(wǎng)，深度交融[3]。就結(jié)構(gòu)特征而言，電力物聯(lián)網(wǎng)是集中式結(jié)構(gòu)形態(tài)電力系統(tǒng)代表[4]。未來電力系統(tǒng)將由多個元胞組成，發(fā)輸配的界限不再明確，元胞是在一定的電力或地理邊界范圍內(nèi)互聯(lián)的分布式發(fā)電機、儲能單元及負荷的靈活組合[5]。當(dāng)前需要新形態(tài)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，既發(fā)揮集中式結(jié)構(gòu)的規(guī)模經(jīng)濟效益，又借助分布式電源提高應(yīng)對LPHI事件的能力。

針對含大量分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃研究，重點在于不確定性要素的研究。在電源不確定性建模方面，文獻[6-10]針對風(fēng)光等不確定性發(fā)電方式接入電力系統(tǒng)的規(guī)劃及運行問題進行了研究，提出風(fēng)儲系統(tǒng)聯(lián)合運行、綜合效應(yīng)電力系統(tǒng)規(guī)劃、不確定性要素統(tǒng)一建模等理論。在資源調(diào)控方面，文獻 [11-17]綜合考慮靈活性要素，建立靈活性評估指標(biāo)和靈活性規(guī)劃方案，將儲能作為可調(diào)控的靈活性資源進行規(guī)劃。柔性方法是利用靈活性資源應(yīng)對不確定性要素的典型方法，當(dāng)前對柔性規(guī)劃方法的研究主要分為兩類，一類是用于多場景篩選，先用場景縮減技術(shù)選擇合適的規(guī)劃場景，再用傳統(tǒng)的規(guī)劃模型進行計算[18-22]；另一類強調(diào)對系統(tǒng)內(nèi)資源的柔性建模，進而對電網(wǎng)柔性分析和規(guī)劃。

總的來說，當(dāng)前急需新的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)，進一步解決不確定性規(guī)劃方法產(chǎn)生投資冗余問題。本文建立集中-分布式結(jié)構(gòu)電網(wǎng)的框架，提出基于分布式結(jié)構(gòu)供電要求的分布式單元劃分方法，通過改進的柔性規(guī)劃方法，完成含分布式形態(tài)配電網(wǎng)的規(guī)劃方案設(shè)計。

1 含分布式形態(tài)的未來配電網(wǎng)

1.1 分布式形態(tài)配電網(wǎng)運行模式

本文將未來配電網(wǎng)看作集中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)并存或相互轉(zhuǎn)化的形式，即呈現(xiàn)集中-分布式形態(tài)。在分布式運行狀態(tài)下，不強求各分布式單元完全實現(xiàn)自給自足，按照重要負荷優(yōu)化供電、最大化供電以及就近原則進行負荷之間的取舍。對于 電源側(cè)可控資源，微型燃氣輪機為配電臺區(qū)內(nèi)的常規(guī)電源，分布式光伏和分布式風(fēng)電為臺區(qū)內(nèi)的新能源。微型燃氣輪機屬于完全可控的范疇。分布式光伏和分布式風(fēng)電由外部環(huán)境決定最大發(fā)電量，可控部分為發(fā)電設(shè)備上網(wǎng)功率。

未來配電網(wǎng)的理想狀態(tài)是：在正常狀態(tài)和緊急狀態(tài)下，各分布式單元實現(xiàn)頻率、功率相互支撐。在嚴(yán)重故障時分解為多個能在短時間內(nèi)獨立自治的分布式單元。由于目前相關(guān)技術(shù)限制以及減少投資冗余的考慮，系統(tǒng)以保障重要負荷供電為目標(biāo)，根據(jù)故障發(fā)生時的實際情況選取分解點。本文的研究重點在于未來配電網(wǎng)的體系架構(gòu)以及規(guī)劃方法。

1.2 分布式單元供電能力評估

未來配電網(wǎng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)是完成最低一級分布式單元劃分。根據(jù)負荷類型、儲能、分布式電源等情況，以自治水平和保障重要負荷的優(yōu)先供電的能力進行評估劃分，評價指標(biāo)如下。

可再生能源容量占比為

重要負荷占比為

1.3 分布式單元劃分方法

2 未來配電網(wǎng)柔性規(guī)劃方法

2.1 柔性建模方法

隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，傳統(tǒng)優(yōu)化建模中采用剛性約束的局限性逐步凸顯。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況以及故障時，部分配電線路和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會出現(xiàn)過載和過電壓的情形，系統(tǒng)調(diào)度人員會在規(guī)定時間內(nèi)恢復(fù)該越限運行點至安全位置。因此，在規(guī)劃中可以考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實際情況，柔性化處理部分約束條件，實現(xiàn)可控資源調(diào)節(jié)。

文獻[23]對電力系統(tǒng)原先數(shù)學(xué)模型的約束條件進行了柔性處理，柔性指數(shù)與柔性區(qū)間的設(shè)置過于主觀，約束條件處理較為隨意，一定程度上違背了規(guī)劃的安全技術(shù)導(dǎo)則。本文將柔性建模分為被動柔性和主動柔性，被動柔性用于描述系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié)需求，主動柔性用于描述系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。根據(jù)各要素的區(qū)間建?？梢詫s束條件進行改進。這種柔性處理方法是對被動要素不確定性的處理和主動要素可控性的最大化利用，是本文柔性規(guī)劃的基本思想，可用于改進傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法。

對系統(tǒng)中的被動不確定性要素，以柔性指數(shù)和柔性區(qū)間的形式進行統(tǒng)一建模，柔性區(qū)間是被動性要素的誤差最大波動范圍，即負荷預(yù)測或者可再生能源出力預(yù)測的最大波動范圍，柔性指數(shù)是特定場景下合理的被動性要素誤差波動系數(shù)，2項參數(shù)是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及資金允許的經(jīng)濟情況決定的，被動柔性指數(shù)越大，意味著要應(yīng)對的系統(tǒng)不確定性越強。

根據(jù)對可再生能源發(fā)電機組出力不確定性的柔性建模，本文改進了常規(guī)配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的約束條件，具體如下。

可再生能源發(fā)電機組功率上限約束為

2.2 未來配電網(wǎng)規(guī)劃方法

結(jié)合未來配電網(wǎng)具有集中式和分布式形態(tài)特征的特點，本文對未來配電網(wǎng)進行分布式規(guī)劃和集中式運行驗證，即在初始的分布式單元柔性劃分方案的基礎(chǔ)上使用柔性方法規(guī)劃每個分布式單元內(nèi)的電源和線路，接著進行整體方案的運行可行性驗證，然后再使用柔性方法重新選取分布式單元，進行最后的分布式單元運行校驗。當(dāng)存在新增負荷節(jié)點或當(dāng)整體方案運行驗證柔性水平不達標(biāo)時，需要對配電網(wǎng)整體網(wǎng)架進行柔性規(guī)劃。本文建立的雙層柔性規(guī)劃模型如圖1所示。本文通過非網(wǎng)絡(luò)解模型優(yōu)化并篩選最惡劣運行場景，再利用網(wǎng)絡(luò)解模型求解規(guī)劃方案，含分布式單元的未來配電網(wǎng)規(guī)劃流程如圖2所示。

圖1 雙層柔性規(guī)劃模型Fig. 1 Bilevel planning model considering flexibility

圖2 未來配電網(wǎng)規(guī)劃流程Fig. 2 The planning process of futures distribution network

3 算例分析

以修改的文獻[24]中配電網(wǎng)測試系統(tǒng)作為未來配電網(wǎng)案例，電壓等級為10 kV，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)共有3條饋線、108個節(jié)點，線路傳輸功率上限統(tǒng)一設(shè)置為1.5 MW，總負荷為7.774 MW，存在21個分布式光伏電源、4個容量為100 kV·A的分布式風(fēng)電電源、2個裝機容量為1 MW的燃氣輪機機組，系統(tǒng)內(nèi)有2個0.5 MW/2 M W·h的電動汽車充電站和2個參數(shù)為1 MW/4 MW·h的儲能電站，以上電源均按功率因數(shù)0.95處理。設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電價為0.7426元/(kW·h)，假設(shè)年負荷增長率為5%，折現(xiàn)率為7%，規(guī)劃10年后的算例網(wǎng)架和電源(計算資產(chǎn)回收系數(shù)為0.142)，因要提高分布式單元完全可控供電能力，只對微型燃氣輪機機組進行選址定容規(guī)劃。

圖3 未來配電網(wǎng)規(guī)劃算例拓撲Fig. 3 Topology diagram of future distribution network planning example

根據(jù)某地區(qū)風(fēng)光發(fā)電以及負荷數(shù)據(jù)，設(shè)置12個運行場景，分別為一年內(nèi)不同月份的典型日，每個典型日作為24 h處理，考慮柔性指數(shù)時，假設(shè)被動要素實際值呈均值為預(yù)測值、方差為預(yù)測值的5%的正態(tài)分布，這樣設(shè)置被動柔性區(qū)間為預(yù)測值的10%，當(dāng)被動柔性指數(shù)為1時，滿足超過95%的概率情形，假設(shè)主動柔性極限為原極限值的10%。在完成新建線路規(guī)劃后，劃分分布式單元，結(jié)果如圖4所示。各分布式單元參數(shù)如表1所示。

圖4 各分布式單元規(guī)劃方案Fig. 4 Planning schemes of dispatching units

表1 各分布式單元規(guī)劃方案參數(shù)比較Table 1 Comparison of basic parameters of coupling units' planning schemes

選取負荷總量最大的單元2進行柔性規(guī)劃分析，不同優(yōu)化方法求解的規(guī)劃方案如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)考慮不確定性情形相同時，新建的燃氣輪機發(fā)電機組電源選址基本集中在節(jié)點11、12處，線路擴容方案相近，一定程度上表明不同優(yōu)化方法的優(yōu)化方向一致，說明了本文提出的柔性方法的有效性。

圖5 單元2規(guī)劃方案Fig. 5 Planning schemes of unit 2

表2 單元2規(guī)劃方案參數(shù)比較Table 2 Comparison of basic parameters of unit 2's planning scheme

對比被動柔性優(yōu)化方案和魯棒優(yōu)化方案，基于電量充裕約束，被動柔性優(yōu)化方案成本更低，而主動柔性優(yōu)化方案由于柔性調(diào)節(jié)能力最強，投資成本最低，而兼顧主被動柔性的優(yōu)化方案投資成本適中。

對配電網(wǎng)整體網(wǎng)架進行運行驗證分析，求解得網(wǎng)架柔性水平不達標(biāo)，進一步進行網(wǎng)架規(guī)劃，由于僅進行了線路擴容規(guī)劃，分布式單元劃分方案不變，檢驗柔性水平達標(biāo)，最終規(guī)劃方案如圖6所示。

圖6 未來配電網(wǎng)最終規(guī)劃方案Fig. 6 Final planning scheme for future distribution network

最終規(guī)劃方案加固了3條主饋線，此時未來配電網(wǎng)在正常狀態(tài)下能夠整體良好運行，說明了規(guī)劃方案的有效性和可行性。此時場景中的各類電源、儲能設(shè)備出力情況如圖7所示。

圖7 各類電源、儲能設(shè)備出力情況Fig. 7 Output of various power units and energy storage equipment

由圖7可知，在01:00?08:00，負荷總需求較低，此時優(yōu)先考慮由配電網(wǎng)內(nèi)可再生能源供電，由于風(fēng)力和光照情況，該時間段供電主體為配電網(wǎng)內(nèi)的微型燃氣輪機機組；而在10:00?17:00，負荷總需求較高，需要上級電網(wǎng)饋入功率的額外補充。同時，在該配電網(wǎng)中，儲能電站和電動汽車充電站有一定的削峰填谷作用?？偟膩碚f，該調(diào)度方案展現(xiàn)了未來配電網(wǎng)整體運行時在惡劣場景下有效調(diào)配各類電源及儲能設(shè)備的能力。

4 結(jié)語

本文研究的未來配電網(wǎng)的分布式形態(tài)及柔性規(guī)劃方法，符合分布式電源、電動汽車等電力系統(tǒng)新要素的發(fā)展趨勢，是未來配電網(wǎng)分布式結(jié)構(gòu)形態(tài)的設(shè)想。本文提出的未來配電網(wǎng)分布式形態(tài)在應(yīng)對LPHI事件時，可以分解為各分布式單元，有效保障負荷需求，能有效針對含大量分布式電源的配電網(wǎng)進行規(guī)劃。對未來配電網(wǎng)分布式形態(tài)控制層面的研究是下一步的主要工作。