分布式電源調控系統設計

吳 爽，吳婧妤，王丙文，黃素娟，付 明

（國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106）

分布式電源調控系統設計

吳 爽，吳婧妤，王丙文，黃素娟，付 明

（國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106）

針對目前風力發電、光伏發電均受天氣影響具有間歇性、波動性的特點，以及分布式電源特別是風電、太陽能發電大量接入配電網后給電網帶來的系統調峰調頻、電網適應性、電壓控制、安全穩定性等問題，研制出了一種分布式電源調控系統。在集中式體系結構的基礎上，運用給定調度關口功率的分布式電源最優控制技術和分層分級分布式電源聯動協調控制技術，實現了分布式電源調控運行數據采集、負荷預測、發電功率預測以及協調優化控制等功能。文中具體介紹了分布式電源調控系統的設計思想、系統功能、關鍵技術以及典型工程應用。

分布式電源；調度關口功率；分層分級；發電功率

近年來，隨著全球能源緊缺、環境污染、氣候惡化等問題的日益嚴峻，加快開發利用可再生能源已成為國際社會的共識，大力發展可再生能源已成為我國的重要能源戰略措施。中國作為世界上能源消耗量和需求量都非常大的發展中國家，政府高度重視能源產業結構調整，大力發展可再生清潔能源。

規模化分布式電源接入對未來電網的安全可靠運行提出了挑戰，電網公司將面對大量井噴式、小容量、分散化的分布式電源接入，這將對局域電網的安全穩定經濟運行產生重大影響，具體表現為：分布式電源規模化接入后波動的有功出力影響到電網功率平衡特性，進而造成電網母線電壓大幅波動；分布式電源接入配電網后影響了傳統配電網負荷曲線，電力電量平衡在多電源網絡下變得尤其復雜；極端工況甚至會發生頻率急劇變化，頻率跌落速率及觸發低頻減載、高頻切機等安全穩定裝置、保護裝置動作的嚴重運行問題；分布式電源通過換流器并網，逆變器抗擾動和過負荷能力相對較差，并網點電壓不平衡、電壓/頻率波動、短時電壓越限均可引發逆變器脫網，電網運行指標的局部劣化可能引發全網安全運行風險[1]。

目前分布式電源的管理方式較為簡單，通常由電網調度對區域內所有分布式電源進行單獨直接控制的模式[2]，對配網調度系統和通訊的要求很高，經濟性較差[3]，并且我國配電網調度控制系統尚未形成成熟的且具備遠程調節、控制功能的控制體系，而且配網調度系統尚未形成專門針對分布式電源應用的專用控制功能。

2014年浙江供電公司對嘉興秀洲區開展了分布式電源發電關鍵技術的研究工作。研制出的分布式電源調控系統具有以下特點：

1）采用開放式體系結構，提供一體化支撐平臺。采用國際標準開發，支持多種硬件平臺，所有功能模塊之間的接口標準統一。

2）系統具有高度的安全保障特性，保證數據的安全并具備一定的保密措施。系統運行數據采用雙機熱備份，防止意外丟失。

3）系統的重要設備或設備的重要部件為冗余配置，保證整個系統功能的可靠性不受單個節點故障的影響。

4）系統構筑堅固有效的專用防火墻和物理隔離機制，最大限度阻止從外部對系統的非法侵入，有效地防止以非正常的方式對系統軟、硬件設備及各種數據進行訪問、更改等操作。

1 總體設計思想

分布式電源調控系統對內服務于電力調度、運檢、營銷等業務部門，包含電力部門對分布式電源的所有業務需求，對外服務于政府和社會，提供信息展示、信息定制和綜合評價等服務[4]。通過對分布式電源調控系統運行技術研究與驗證、強調信息的共享集成及綜合發布，以實現分布式電源的高效管理和經濟運行的目標；全面提升分布式電源的接入管理水平，更好的服務于分布式電源并網接入，降低分布式電源并網對電網運行的影響程度，提高分布式電源利用率。

1.1 體系結構

分布式電源調控系統采用滿足實時多任務等需求的UNIX操作系統作為支撐軟件，支持IEC61850、IEC61970、CIM/CIS（公用信息模型/組件接口規范），通過信息交換總線實現營銷、配電信息一體化，從而實現各業務系統間各類數據的交互，消除信息孤島，達成系統應用智能化的集成與共享。

圖1 分布式電源調控系統體系結構

1.2 物理結構

分布式電源調控系統由數據庫服務器、應用服務器、前置服務器、Web服務器、接口服務器、維護工作站、監控工作站等組成，如圖2所示。數據庫服務器完成參數數據和采集數據的存儲。應用服務器部署并運行各類管理應用。數據采集服務器通過數據采集網段與設備中控服務器、自助終端服務器通信，采集各類設備的運行數據。Web服務器負責網頁數據發布。接口服務器實現與調度系統、地理信息系統（GIS）、生產管理系統（PMS）等系統間的信息交互。為保證系統安全穩定運行，平臺采用了雙網冗余設計，并通過負載均衡進行網絡分流，滿足海量數據的快速處理。

圖2 分布式電源調控系統硬件結構圖

2 功能設計

分布式電源調控系統主要功能包含分布式電源調控運行數據綜合采集、負荷預測、發電功率預測和協調優化控制。

2.1 數據綜合采集

分布式電源調控系統具備多種數據采集接口，可采集轄區范圍內的所有光伏電站、風電場、水電站、儲能站的各類數據，如氣象環境、逆變器、匯流箱、匯流柜、組件、電能計量裝置、升壓變壓器、升壓變電站母線、并網點、保護信息等其他類型數據，且可將采集的數據轉換成標準的數據格式在網絡上傳輸。

圖3 數據綜合采集示意圖

2.2 負荷預測

負荷預測是電力系統經濟調度中的一項非常重要的工作，其預測準確度等級的高低直接影響到電力系統運行的安全性、經濟性以及供電質量，其特點可總結為：要預測的數據個數多、影響預測的因素復雜且具有隨機性以及預測精度要求高等[5]。

本系統采用基于聯想學習的LMBP[6-8]和經驗日局部校正算法相結合，尋求負荷與各種相關因素間的關系，對未來的負荷進行科學預測，可實現短期負荷預測（預測1-7天）和超短期負荷預測（預測兩小時）。

預測負荷曲線步驟如下：首先，確定輸入、輸出量，建立基于聯想學習的LMBP和經驗日局部校正算法模型；其次，尋找歷史參考日；再次，獲取歷史參考日的天氣數據、負荷歷史數據及它附近的負荷水平變化規律；最后，根據所建模型進行負荷預測，并得出預測負荷曲線。

具體的短期負荷預測模塊及實現如圖4所示。

圖4 負荷預測實現示意圖

2.3 發電功率預測

預先獲得分布式電源發電系統的輸出功率曲線，有助于電力系統調度部門統籌安排常規能源和分布式電源發電的協調配合，及時調整調度計劃，降低分布電源并網對電網的影響，提高電網運行的安全性和穩定性。

分布式電源調控系統采用傳統算法與新型智能算法相結合的方法，對光伏發電和風力發電進行建模，在預測方式上引入自學習因子，對預測結果進行實時修正，提高預測結果的準確率。可實現短期發電功率預測（預測1-7天）和超短期發電功率預測（預測兩小時）[9-11]。

預測發電功率曲線步驟如下：首先，獲取天氣歷史數據與發電功率歷史數據；其次，通過智能算法對歷史數據輸入進行訓練、學習或尋優，建立模型或確定關鍵指標數值；最后，輸入預測日/預測時間段天氣數據，用第二步建立的模型分析處理，得出風機/光伏發電功率預測曲線。

2.4 協調優化控制

大量分布式電源接入配電網，會帶來的電壓失穩、諧波、潮流波動等問題，影響電網的運行。協調控制功能是根據配電網的實時運行狀態、發電功率預測結果、負荷預測結果等信息，在滿足系統運行約束的條件下，對系統的運行給出實時的優化調度調整和控制策略，實現分布式電源的友好接入，保證系統運行的安全性和可靠性，同時可以降低配電網運行有功損耗，提高系統實時運行的經濟性[12]。

實時優化控制要求在很短的時間內根據預測結果和系統運行狀況的變化對系統的運行給出優化控制策略，智能優化算法雖然可以有效的解決隨機性問題，但其運行速度較慢，達不到實時優化控制對算法運行速度的要求，故針對實時優化控制系統采用基于CPLEX的傳統的數學規劃算法[13]，在滿足系統對優化結果準確性要求的同時，保證系統的運行速度。針對實時優化控制的功能和要求，將其技術路線分為控制策略制定和算法實現兩個步驟，具體如下：

1）控制策略

①優先使用PV（photovoltaic太陽能）發電單元的出力，采用最大功率跟蹤技術（MPPT），最大化的利用太陽能[14-15]；

②當PV的輸出功率大于系統電力負荷時，首先向蓄電池和電動汽車充電，多余的電能出售給大電網，增加系統收益；

③當PV的出力不能滿足系統電力負荷時，首先令蓄電池增加出力，并同時檢測蓄電池的荷電狀態（如蓄電池的剩余電量不能低于其最大容量的30%）；

④若所有的微電源在其出力范圍內配合外網都不能滿足電力平衡，則按照負荷的重要程度依次剔除，保證系統運行的穩定性。

2）算法實現

①將系統運行約束條件中的不等式約束線性化，結合系統運行的等式約束，建立約束條件矩陣；

②根據系統運行的目標函數，建立系統運行的混合整數數學規劃模型；

③根據系統優化控制策略，編寫基于CPLEX的實時優化控制算法模型；

④輸入超短期負荷預測數據及光伏發電預測數據，根據實時優化控制算法，輸出下一時段的系統運行管理調度策略。

3 關鍵技術

3.1 基于給定調度關口功率的分布式電源最優控制技術

分布式電源作為一種清潔能源，應用越來越受到重視，但是其具有間歇不易控特性，導致電網不能像火力發電那樣直接通過AGC實現機組的出力控制，目前電網企業對分布式電源的調度是給定其關口功率，讓其自己協調控制其內部的發電出力，實現分布式電源的總出力滿足給定關口功率范圍。

作為分布式電源，其發電組件數目比較多，每個發電組件的發電效率和發電成本可能都存在差異，考慮發電組件的運行狀況以及檢修計劃，以及輸送到電網的線路損耗，可以形成不同的調度控制策略。因此，需要從眾多的調度控制策略中尋找到最優控制，從而實現效益最大化。構造最優控制的目標函數，以單位發電成本最小為目標，輔以發電組件最少、網絡損耗最低以及無功補償等輔助裝置的投切數最少，借助生產管理系統的設備發電成本、檢修計劃等以及氣象系統的氣象預報，結合當前發電組件工況，利用潮流分析和無功優化等高級應用校核，得到目標函數的最優可行解。具體實現框圖如圖5所示。

圖5 基于給定調度關口功率實現分布電源最優控制框圖

3.2 分層分級分布式電源聯動協調控制技術

分布式電源調制功能是一項系統工程，被控制設備與其關聯設備之間通常存在某些聯系，需要實行聯動控制，才能達到控制目標，因此提出了分層分級分布式電源聯動協調控制技術。把分布式電源需要控制的量按照數據類型進行分層，建立同層之間和不同層之間控制量的聯動協調策略；同時，控制量隸屬于具體的分布式電源發電設備，建立設備之間的聯動協調策略；此外，不同種類的設備存在包含關系，如風電場集電線路下包含多臺發電風機和箱變，倘若控制上層設備，需要同時對該設備下的其它設備進行聯動控制。在控制策略生成過程中，需要優化控制流程，簡化控制過程，達到協調控制。具體實現框圖如圖6所示。

圖6 分層分級分布式電源聯動協調控制流程

4 工程應用

2014年，嘉興分布式電源調控系統作為國內首套區域分布式電源調控系統成功應用于浙江嘉興供電局啟動的微電網綜合示范工程建設中，系統接入嘉興市區、嘉善區、海寧區和平湖區共36座光伏電站，總計容量87.11MW，其中10 kV以上光伏電站29座，380V光伏電站7座。

系統接入光伏園區并已建成滿足接入要求的光伏電源信息，完成與縣級分布式電源監控系統的電源信息交互，實現分布式電源調控系統與調度自動化、配網自動化、區域分布式電源運營系統、氣象局氣象系統等系統間的數據交互，預留與政府相關電源管理系統、用電信息采集系統（居民家庭用戶數據）、海訊數據庫、PMS系統等接口。

圖7 嘉興分布式電源調控系統主界面

圖8 發電功率實際值與預測值曲線圖

整個系統具備了對分布式電源的數據采集、負荷預測、發電功率預測和協調優化控制功能，完成了綜合評價報告、運行狀態監視、協調控制及群控、數據挖掘及統計分析、出力調節及控制方式、負荷預測、發電功率預測等高級應用功能。光伏發電輸出功率的預測值與實際值兩條曲線達到近似一致，系統平臺的預測與監控效果得到了很好的驗證。通過該系統對所轄區域分布式電源的運行狀態、設備進行監控維護，保證了分布式電源的安全穩定運行。

5 結束語

該分布式電源調控系統采用具有高速數據采集卡的商用測試計算機為硬件平臺，軟件設計采用模塊化的設計思想，提高了系統的可靠性和維護性。該系統已用于嘉興地區進行現場測試，實際應用表明該調控系統具有運行準確、穩定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。

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Design of a distributed power regulation system

WU Shuang，WU Jing-yu，WANG Bing-wen，HUANG Su-juan，FU Ming
（NARI Technology Development Co.Ltd.，Nanjing 211106，China）

For the current wind power and solar power have the characteristics of intermittent and volatile，and the problems of peak shifting and frequency regulation，the adaptive grid，voltage control，safety and stability are brought after the distributed power especially wind power，solar power large number of access distribution network，a new distributed power regulation system is proposed and designed.The distributed power regulation system based on centralized architecture uses the distributed power optimal control technology of given dispatch gateway power and the hierarchical classification joint coordination control technology，implements the functions of data collection，load forecasting，power generation forecasting and coordinated optimal control.Finally，a typical engineering application case is introduced.

distributed power；dispatch gateway power；hierarchical classification；power generation

TN87

A

1674－6236（2016）23-0173-04

2015-11-24稿件編號：201511228

國電電網科技項目（524608150077）

吳 爽（1986—），女，安徽安慶人，碩士，工程師。研究方向：新能源與微電網。