源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控及多向互動(dòng)的方法和策略研究

南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司、國(guó)電南瑞科技股份有限公司 岳 鵬

1 引言

目前。對(duì)于新型能源的研究和使用過(guò)于單一，尤其是在配電網(wǎng)中的能源使用，新能源的進(jìn)入導(dǎo)致供電系統(tǒng)難以維持平衡[1-2]。而源網(wǎng)荷儲(chǔ)的應(yīng)用或?qū)⒊蔀榻鉀Q問(wèn)題的關(guān)鍵。源網(wǎng)荷儲(chǔ)是電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能的一種運(yùn)營(yíng)方案和模式，能夠?qū)崿F(xiàn)用電負(fù)荷與儲(chǔ)能資源的精確化控制與管理，大大加強(qiáng)了電網(wǎng)運(yùn)作的安全性，并且改善清潔能源消納期間對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，讓電網(wǎng)的運(yùn)作更具效率性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等，實(shí)現(xiàn)資源利用率最大化以及經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。傳統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)調(diào)度機(jī)制不能夠適應(yīng)越來(lái)越快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3-4]。因此，本文在原有的機(jī)制基礎(chǔ)上提出了源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控及多向互動(dòng)的方法和策略研究，設(shè)計(jì)出更高效節(jié)能的源網(wǎng)荷儲(chǔ)機(jī)制，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，并且加快清潔能源的消納效率，提高整體互動(dòng)效率。

2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控設(shè)計(jì)

2.1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)配置

在電力系統(tǒng)中變電站分布特性和分布式電源的位置安排基礎(chǔ)上，對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，同時(shí)配合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的終端特點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刷新。

在用戶使用端的分布式電源和物聯(lián)網(wǎng)終端分別設(shè)置節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備。用戶的使用信息通過(guò)節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備進(jìn)行采集和傳輸，與電力系統(tǒng)終端計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]。上傳后的數(shù)據(jù)根據(jù)算法進(jìn)行處理，再將計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏ο到y(tǒng)的各個(gè)部門，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。這樣有助于在電力系統(tǒng)終端計(jì)算機(jī)故障停機(jī)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)依舊可以維持運(yùn)作。

2.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)的主動(dòng)配電網(wǎng)分析

電力系統(tǒng)的配電中心的各部分組成和聯(lián)系如下：電力源就是分布式電源，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著供電的責(zé)任，一般包含發(fā)電裝置、新能源裝置。能量流是代表電力系統(tǒng)中的電能在源網(wǎng)荷儲(chǔ)之間的傳輸流動(dòng)。通過(guò)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的配置，使得用戶的行為數(shù)據(jù)不再單一，逐漸多元化，并且可以云共享，在信息流中可以表現(xiàn)為一條高速運(yùn)轉(zhuǎn)的通道。配電節(jié)點(diǎn)中采集了所有的分布式電源和分布式裝置中的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，在今后的使用過(guò)程中，根據(jù)用戶和配電網(wǎng)各個(gè)部門的需求進(jìn)行查詢，這樣保證了源網(wǎng)荷儲(chǔ)能夠順利進(jìn)行協(xié)同調(diào)控。

本文所設(shè)計(jì)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控方法就是在分布式裝置系統(tǒng)聯(lián)合電力運(yùn)作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。通過(guò)對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以時(shí)刻獲取用戶的行為數(shù)據(jù)，并且對(duì)電網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)也做了協(xié)同調(diào)整，使得電力系統(tǒng)能夠適應(yīng)新能源的加入，維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷以及降低電力資源的非必要消耗的效果。

2.3 架構(gòu)多元協(xié)同調(diào)控模型

圖1為本文設(shè)計(jì)的多元協(xié)同調(diào)控模型配電網(wǎng)架構(gòu)圖。

圖1 配電網(wǎng)架構(gòu)圖

第一步，明確源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控的目的，是減少電力系統(tǒng)在進(jìn)行電力調(diào)度的時(shí)候產(chǎn)生的非必要能源消耗以及削峰填谷，這兩個(gè)目標(biāo)是相輔相成的。當(dāng)電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)出現(xiàn)細(xì)微波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)形成的峰谷差較小，相應(yīng)的非必要能源消耗就會(huì)大幅度減少，這時(shí)候的資源消耗就是電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)在進(jìn)行電力傳輸時(shí)，有效功率的作用效果和傳輸線路中的電阻消耗。

第二步，再對(duì)電路中的輸電線路的有效功率進(jìn)行計(jì)算，尋求平衡，減少傳輸過(guò)程中的消耗。設(shè)置分布式儲(chǔ)能就是為了減少這一部分的能源消耗。同時(shí)，在終端設(shè)置分布式電源是為了跟蹤新能源的使用數(shù)據(jù)便于及時(shí)調(diào)整策略。

第三步，在配電網(wǎng)架構(gòu)中分別設(shè)置可控負(fù)荷和常規(guī)負(fù)荷，根據(jù)不同時(shí)期的用電消耗對(duì)負(fù)荷及時(shí)調(diào)整。

第四步，安裝柔性負(fù)荷，對(duì)電路系統(tǒng)的功率的極限值進(jìn)行設(shè)計(jì)，使電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中始終維持較為穩(wěn)定的輸出功率，減少額外消耗的產(chǎn)生。

3 源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)調(diào)控平臺(tái)

源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)調(diào)控平臺(tái)可以接入自備電廠和電源側(cè)儲(chǔ)能等數(shù)據(jù)，并在這一基礎(chǔ)上按照可調(diào)節(jié)資源的接入方法和相應(yīng)特點(diǎn)，根據(jù)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)調(diào)控平臺(tái)的業(yè)務(wù)需求，對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與調(diào)度控制的要求，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到電網(wǎng)對(duì)于可調(diào)節(jié)負(fù)荷接入以及控制的要求?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷資源建設(shè)范圍包含自備電廠與工業(yè)大用戶、電源側(cè)儲(chǔ)能、充電樁等，具體包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：一是直調(diào)火電廠。反饋直調(diào)電廠的整體信息，例如電廠的數(shù)量、容量、出力、可調(diào)容量等；二是自備地方電廠。反饋地方自備電廠信息，其內(nèi)容同上；三是儲(chǔ)能電站。反饋儲(chǔ)能電站的運(yùn)行情況，包含儲(chǔ)能類型與分布、充放電功率、趨勢(shì)曲線等；四是綜合能源。反饋綜合能源情況，包含電氣化示范縣、采油注水等可調(diào)節(jié)對(duì)象的功率與可調(diào)容量等信息。

針對(duì)上述可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源實(shí)施單體建模與聚合建模。其中，單體建?？捎袑?duì)某一個(gè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源結(jié)合接入信息與自身屬性建模。聚合建模在單體建模的前提下，在空間和時(shí)間等維度建立單體調(diào)節(jié)資源自動(dòng)聚合的分類模型，建立聚合后的控制資源，用于后續(xù)的監(jiān)視與控制、分析等。在空間方面一般包含地區(qū)、分區(qū)、全網(wǎng)等，時(shí)間方面通常有1min級(jí)、15min級(jí)、30min級(jí)以及1h、2h級(jí)等，資源類型包含電源側(cè)儲(chǔ)能、負(fù)荷聚合商、就地響應(yīng)負(fù)荷和群控負(fù)荷的采集量與預(yù)測(cè)值等，同時(shí)還包含了各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的可調(diào)節(jié)量與響應(yīng)效率、控制結(jié)果等，可以為越限消除和備用控制以及電力平衡等業(yè)務(wù)提供必要支持。

3.2 構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)模型

源網(wǎng)荷儲(chǔ)與以往的資源調(diào)峰模式存在明顯差異，采用多向互動(dòng)調(diào)峰模式，綜合不同資源互補(bǔ)互利的原則，實(shí)現(xiàn)相互之間的高效聯(lián)動(dòng)與多種光伏滲透率匹配，尋求最佳的解決方案，從而維持系統(tǒng)峰谷差的穩(wěn)定性。調(diào)峰資源耦合可能會(huì)受各種內(nèi)外因素影響，所以在建模方法和方向的選擇上需要考慮到系統(tǒng)的峰谷差。本文將一個(gè)多因素影響的能源系統(tǒng)抽象成如圖2所示的二端口網(wǎng)絡(luò)。

圖2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)樞紐

圖2中f1～fn為該樞紐的輸入，包括調(diào)峰需求、各側(cè)調(diào)峰資源技術(shù)特性、用戶滿意度等；S1～S4為調(diào)峰資源類型，可以靈活組合從而建立多樣化的調(diào)峰方案。

3.3 模型的轉(zhuǎn)化求解

步驟1：整合好歷史數(shù)據(jù)資源，通過(guò)樣條插值法來(lái)完善殘缺的數(shù)據(jù)，之后通過(guò)FCM聚類法將光伏出力的隨機(jī)性進(jìn)行模型化處理。

步驟2：設(shè)置光照序列、滲透率序列、調(diào)峰裕度集合。

步驟3：分析系統(tǒng)有無(wú)調(diào)峰需求，若有則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

步驟4：利用功率分布轉(zhuǎn)移因子法轉(zhuǎn)化為線性約束條件。

步驟5：綜合分析源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)資源的調(diào)峰經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，通過(guò)源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)匹配模型獲得調(diào)峰策略集合。

步驟6：對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，制定光伏滲透率下的最優(yōu)調(diào)峰方案，并調(diào)整光伏滲透率、系統(tǒng)調(diào)峰裕度。

步驟7：輸出不同調(diào)峰裕度與不同光伏滲透率下各資源出力及調(diào)峰成本。

4 模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

以1天內(nèi)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各部分的有功功率情況為監(jiān)測(cè)對(duì)象，每15min為一個(gè)間隔周期，分為96個(gè)調(diào)度和運(yùn)行周期，按照當(dāng)天的常規(guī)負(fù)荷預(yù)測(cè)值，分布式電源發(fā)電的預(yù)測(cè)出力計(jì)劃同時(shí)對(duì)分布式儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷設(shè)備作出了相應(yīng)的功率設(shè)定，進(jìn)行多元協(xié)同調(diào)控和多向互動(dòng)的效果分析。

4.1 多元協(xié)同調(diào)控效果分析

用總負(fù)荷整體趨勢(shì)來(lái)衡量調(diào)度機(jī)制的效果。1天之內(nèi)的總體負(fù)荷的變化程度可以看出該電力系統(tǒng)的削峰填谷的效果。通過(guò)圖3可以看出，使用本文所設(shè)計(jì)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控方法得到的曲線相對(duì)光滑，表明數(shù)據(jù)相對(duì)平穩(wěn)，總負(fù)荷隨著時(shí)間的推移先達(dá)到峰值，再換面的下降，呈現(xiàn)一定的函數(shù)規(guī)律。而使用傳統(tǒng)的SGLS方法得出的曲線，呈現(xiàn)不規(guī)則的走勢(shì)，數(shù)據(jù)不是平穩(wěn)上升下降的，中間波動(dòng)較多。通過(guò)對(duì)比可以看出，利用本文所設(shè)計(jì)的方法能夠限制峰谷的差距走勢(shì)，使得用戶數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)削峰填谷的作用，這樣也能控制減少電力系統(tǒng)在進(jìn)行電力調(diào)度的時(shí)候產(chǎn)生的非必要能源消耗。

圖3 總負(fù)荷變化情況圖

從負(fù)荷的整體變化來(lái)看，單純的協(xié)同調(diào)度總量不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，其原因在于儲(chǔ)能設(shè)備處于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的電能狀態(tài)和調(diào)度，從試驗(yàn)開始到完成都處于穩(wěn)定的環(huán)境之下，能量整體上依然守恒。若選擇全面協(xié)同調(diào)度模式就能夠直觀了解到1天中總負(fù)荷有著一定降低，這是因?yàn)槟M試驗(yàn)期間，SGLS的設(shè)計(jì)具有一定的變化性和不合理性，降低了原本的有功消耗，但整體上依然符合負(fù)荷能量不變的規(guī)律。

綜上所述，利用本文所設(shè)計(jì)的方法能夠降低能源的消耗。

4.2 多向互動(dòng)效果分析

從圖4（a）、（b）的比對(duì)能夠了解到，這兩種調(diào)峰模式下機(jī)組開停機(jī)不會(huì)出現(xiàn)明顯差異，但機(jī)組損耗卻具有明顯差別。其原因在于火電機(jī)組的開停機(jī)成本較高，在滲透率較大的情況下需要盡可能降低機(jī)組開停機(jī)的頻率。并且調(diào)風(fēng)資源容量的提高，使得滲透率不同的情況下選擇源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向性互動(dòng)模式更具經(jīng)濟(jì)性。

圖4 不同光伏滲透率下調(diào)峰機(jī)組損耗成本

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和主動(dòng)配電網(wǎng)分析構(gòu)建出多元協(xié)同調(diào)控模型，又對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)模型，并對(duì)模型轉(zhuǎn)化求解，最終設(shè)計(jì)出源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)同調(diào)控及多向互動(dòng)的方法。通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)所構(gòu)建的協(xié)同調(diào)控及多向互動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果，得出該方法一定程度降低了額外損耗，減少了能源的消耗。但因?yàn)闀r(shí)間的限制，本文沒(méi)有進(jìn)行多次試驗(yàn)，還需要在今后的研究中進(jìn)一步完善。