主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵功能設(shè)計分析

薛 亮，楊 凌

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司句容市供電分公司，江蘇 句容 212400）

0 引 言

未來，配電站將會按照以下流程管理能源：首先，高壓區(qū)通過輸電系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電；其次，中壓區(qū)利用配電系統(tǒng)傳輸電能；最后，低壓區(qū)和電網(wǎng)用戶區(qū)使用電能。配電網(wǎng)的目標(biāo)是增加可再生能源與熱電廠的聯(lián)合容量，逐漸推廣利用可再生能源，但同時會導(dǎo)致出現(xiàn)可再生能源的波動性不斷增強的情況，因此需要利用儲能設(shè)備建立一種能夠?qū)崮芎碗娔苋谌肽芰肯到y(tǒng)中的業(yè)務(wù)模型，從而提高能量利用效率。該業(yè)務(wù)模型涵蓋從能源市場到電網(wǎng)客戶的全產(chǎn)業(yè)鏈，一方面要便于電力用戶使用電能，另一方面要降低能量傳輸過程中的損耗。可以采取在用戶所在地附近設(shè)立分布式發(fā)電設(shè)施或者鼓勵用戶購買本地產(chǎn)生的熱能和電力的措施來降低運輸損失。因此，未來的能量管理將會包含虛擬和局部平衡域的分布式電源管理。運行成本方面，保障用戶與配電網(wǎng)穩(wěn)定供電、提升電網(wǎng)運行效率以及優(yōu)化分布式發(fā)電單元調(diào)度等具有重要意義。目前，如何實現(xiàn)既能讓用戶享受分布式電源帶來的好處，又不增加配電網(wǎng)企業(yè)的成本壓力，是運營商亟待解決的問題。若在配電網(wǎng)中引入分布式發(fā)電裝置，則必然會引起配電網(wǎng)的電力流動變化[1]。

1 主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)概述

常規(guī)的配電網(wǎng)是一種有源的電力系統(tǒng)，配售電生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。引入分布式發(fā)電技術(shù)后（分布式發(fā)電構(gòu)成的配電網(wǎng)絡(luò)可以被視為微網(wǎng)絡(luò)），含分布式電源的配電網(wǎng)在本質(zhì)上出現(xiàn)顯著變化。由于配電網(wǎng)中特殊的電抗比例，母線電壓對有功功率的變化會更加靈敏。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的電壓的變化由有載調(diào)壓變壓器（On Load Tap Changer，OLTC）、配電網(wǎng)中設(shè)定的穩(wěn)壓器、靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）以及人工控制的固定開關(guān)電容等來檢測。然而，目前已有的配電網(wǎng)設(shè)備并沒有考慮分布式能源（Distributed Energy Resource，DER）特性的變化，同時由于配電網(wǎng)所需的工作頻率較高，使得一些部件（開關(guān)和抽頭等）的工作時間較長，最終縮短了配電網(wǎng)設(shè)備的使用壽命[2]。

圖1 配售電生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源配網(wǎng)調(diào)度側(cè)重于“源、網(wǎng)、荷、儲”的綜合協(xié)調(diào)，采用分布式電源技術(shù)，能夠有效控制接入配電網(wǎng)的各種電氣裝置，并采用太陽能電池（Photovoltaic，PV）作為電源；有效調(diào)控配電網(wǎng)中的電能，實現(xiàn)無功功率補償，提高配網(wǎng)的運行效率；有效調(diào)控配電網(wǎng)各節(jié)點的高電壓和低電壓，從而達(dá)到提高配網(wǎng)運行效率的目標(biāo)。該技術(shù)能夠使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的被動式用電網(wǎng)變成主動式配電網(wǎng)。

主動式配電系統(tǒng)中，假設(shè)在主變電站設(shè)置控制中心，并在配電網(wǎng)中實時監(jiān)測負(fù)荷，通過實時調(diào)節(jié)變流器分接頭與無功功率，可以提高配電網(wǎng)的智能性，減小電網(wǎng)的電壓波動與功率損耗，同時可以節(jié)約電網(wǎng)運行成本。該配電網(wǎng)絡(luò)叫做活動網(wǎng)絡(luò)，為在其中記錄并匯總負(fù)荷信息，需要在負(fù)荷點設(shè)置一個自讀器。電表抄送裝置將電能消耗的資料傳送給監(jiān)控中心[3,4]。其他的一些信息，如單位時間的能耗、預(yù)測的能耗以及市場的能耗等，由控制中心接收。

2 主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵功能設(shè)計的目標(biāo)和需求

主動式配電網(wǎng)能夠增強對分布式電源的消納能力，并有效地減少電網(wǎng)的能量損失，從而更好地滿足用戶對供電質(zhì)量的要求。主動式配電網(wǎng)能夠讓終端電能消費者積極地參與電網(wǎng)的最優(yōu)調(diào)度，并有效提升電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率，進(jìn)而提升電能利用率。主動式配電網(wǎng)多源協(xié)作優(yōu)化調(diào)度是一種基于新一代可再生能源并網(wǎng)架構(gòu)，利用電力電子學(xué)技術(shù)分散調(diào)控多層次能量資源的有效方法。主動式配電網(wǎng)中的多源協(xié)作優(yōu)化調(diào)度能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)中的分布式能源，從而實現(xiàn)可控負(fù)載的最優(yōu)控制。多層次的能源智能協(xié)同優(yōu)化控制，是運用新一代電力系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)能源可再生，并以智能的方法開發(fā)電力系統(tǒng)。主動式配電網(wǎng)利用多個時間尺度上的整體最優(yōu)控制模型，實現(xiàn)協(xié)同控制主動式配電網(wǎng)中的能源。文章以“分層處理、框架控制、目標(biāo)優(yōu)化”為核心思想，以“多層次供電協(xié)同最優(yōu)控制”為主線，開展面向電力需求的多層次協(xié)同控制與結(jié)構(gòu)控制。

3 主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)關(guān)鍵功能設(shè)計

3.1 主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)算法

配電網(wǎng)絡(luò)具有不平衡性，且智能電網(wǎng)不斷增加發(fā)電機和控制變量的數(shù)量，因此延長了計算操作的時間，同時增加了信息處理量，需要選擇合適的方法提高調(diào)度消納的合理性，如分散方法。傳輸線的有功功率和無功功率的變化影響著配電網(wǎng)中電壓的變化，因此需要嚴(yán)格控制有功功率和無功功率，始終將電壓控制在允許范圍內(nèi)。另外，需要通過不可調(diào)度單元智能控制無功功率，根據(jù)預(yù)定義的功率曲線確定有功功率。發(fā)電微控制器和測量單元以及負(fù)載微控制器和測量單元屬于內(nèi)部控制器，以設(shè)定點為基礎(chǔ)，合理調(diào)節(jié)分布式發(fā)電過程中的負(fù)載消耗。同時，該單元可以測量電壓，傳輸各項重要數(shù)據(jù)參數(shù)。針對風(fēng)力渦輪機等不可調(diào)度單元，可以根據(jù)功率曲線，在規(guī)范區(qū)域內(nèi)跟蹤最大功率點。每日峰值負(fù)載與負(fù)載的功率消耗情況有直接關(guān)系[5]。主動式配電網(wǎng)混合仿真調(diào)度平臺架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主動式配電網(wǎng)混合仿真調(diào)度平臺架構(gòu)

主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中，通過優(yōu)化分布式過程獲取設(shè)置點。系統(tǒng)優(yōu)化過程中，利用分布次梯度法優(yōu)化調(diào)度對象，包括分布式電源、微電網(wǎng)以及儲能裝置等，有效調(diào)度配電網(wǎng)的各種資源。具體的調(diào)度時間包括年度、季度、月度、周度以及小時等。優(yōu)化過程中，配電網(wǎng)的有功功率和無功功率在各個時間段內(nèi)會發(fā)生變化，以功率曲線為依據(jù)，跟蹤規(guī)范區(qū)域內(nèi)的最大功率點。利用通用方法，對有功功率和無功功率的管理工作進(jìn)行建模，并根據(jù)主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)制定相應(yīng)的管理系統(tǒng)，順利實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。

與其他算法相比，文章提出的方法無須控制中心動作，可以直接向主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送指令，即使控制中心發(fā)生故障，也不影響電源管理工作。文章提出利用新型控制器使配電網(wǎng)損耗達(dá)到最小。主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)分布式計算所需時間較短，可以結(jié)合氣候和溫度等因素，保障預(yù)測結(jié)果的精細(xì)化，同時可以自動統(tǒng)計預(yù)測誤差，人工設(shè)置氣象數(shù)據(jù)和控制參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用功能分析

配電網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中，通過優(yōu)化調(diào)度策略落實多元協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，并在時空尺度上均衡調(diào)控能源。主動式配電網(wǎng)中，通過實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的各類信息，并將這些信息與網(wǎng)絡(luò)中的非結(jié)構(gòu)化信息相結(jié)合，從而獲得完整的網(wǎng)絡(luò)信息。利用實時狀態(tài)感知技術(shù)感知配電網(wǎng)的運行狀況，從而積極地管理配電網(wǎng)，提升配電網(wǎng)承受風(fēng)險的能力。主動式配電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 主動式配電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

3.3 實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)

信息時代，信息和通信技術(shù)的影響力逐漸提升，個人和社會的發(fā)展對大規(guī)模計算能力提出較高的要求。云計算以虛擬化信息技術(shù)（Information Technology，IT）部署模型為基礎(chǔ)，通過虛擬化處理，利用互聯(lián)網(wǎng)部署多項分布式服務(wù)，同時根據(jù)實際需求擴展該服務(wù)。云計算的響應(yīng)速度非常快，且維護(hù)成本低，可以減少IT 人員配置數(shù)量，降低整體工作成本。主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)可以綜合利用物聯(lián)網(wǎng)和傳感器完成檢測工作，有效控制每個工作環(huán)節(jié)的能耗，同時節(jié)省硬件消耗量。例如，主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)可以利用智慧電力云平臺完成檢測工作。此外，在國內(nèi)外各種主流軟件和硬件平臺中，該系統(tǒng)都可以運行，并支持大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用，方便各種瀏覽器和移動終端的運行。

實際部署工作中，主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)利用混合式部署方式，可以節(jié)省公共云的成本，且具有可拓展性，可以保障數(shù)據(jù)資源控制效果。與傳統(tǒng)部署方式相比，利用該方法可以顯著降低成本。此外，與樸素分區(qū)相比，該方法可以顯著縮短響應(yīng)時間。執(zhí)行平臺在部署主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)功能的過程中，分布式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上需設(shè)置任務(wù)重調(diào)度功能分區(qū)和任務(wù)消息，有利于在電力監(jiān)控過程中貫徹執(zhí)行安全防護(hù)規(guī)定，同時可以接入上級能源管理系統(tǒng)，保障部署機制的靈活性和快速性，并且可以提高訪問模式的便捷性，有利于推動智慧能源的可持續(xù)發(fā)展。

最后，在滿足數(shù)據(jù)一致性和標(biāo)識一致性的前提下，主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)了基于《配電管理的系統(tǒng)接口》（IEC 61968）和《能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（EMS-API）》（IEC 61970）的信息交互。從終端到輸電系統(tǒng)的無縫、安全的信息交流，以及新能源接入比例的提高，將為未來的電網(wǎng)建設(shè)提供有力的支撐。電力系統(tǒng)中，電力企業(yè)的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都會受電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)的影響。隨著通信、數(shù)據(jù)管理以及信息安全等國際標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁?。面向服?wù)架構(gòu)的新能源管理系統(tǒng)，以國際電工委員會（International Electrical Commission，IEC）的公共信息模型（Common Information Model，CIM）規(guī)范為基礎(chǔ)，通過Web 服務(wù)總線解決方案，實現(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)化，利用各項創(chuàng)新技術(shù)和通信技術(shù)，進(jìn)一步完善主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

文章分析了主動式配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵功能設(shè)計，有利于搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化配電網(wǎng)系統(tǒng)功能，可以保證配電網(wǎng)高效傳輸電能，實現(xiàn)節(jié)能發(fā)展的目標(biāo)。通過落實多電源系統(tǒng)，可以提高地區(qū)輸配電能力，保障整個電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。