主動負荷參與配電網分布式智能電壓控制

徐 弢，李天楚，郭凌旭，林 軍，張世宇，王笑雪（.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 0007；.海南省電力技術研究院，海口 5700；.國網天津市電力公司，天津 0000）

主動負荷參與配電網分布式智能電壓控制

徐 弢1，李天楚2，郭凌旭3，林 軍2，張世宇1，王笑雪1
（1.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072；2.海南省電力技術研究院，海口 570203；3.國網天津市電力公司，天津 300010）

靈活可拓展的電壓控制策略在含有多個分布式電源、且電源和負荷均不斷變化的配電網具有重要意義。著眼于智能配電網的發展需求，提出一種基于案例式推理技術的分布式智能電壓控制策略。通過自動感知網絡電壓波動，在保證系統安全和清潔能源輸出比例的情況下，即時提供電壓控制策略并建立完備的具有自學習能力的案例庫。以包含多個分布式電源的10 kV配電網為實例，對所提出的電壓控制策略進行實時數字仿真，結果證明該控制策略能有效解決網絡中的電壓波動問題。

智能電網；分布式智能；電壓控制；分布式發電；案例式推理

隨著經濟發展，負荷逐年增加以及全球節能減排戰略的不斷推進，分布式能源DER（distributed energy resource），特別是可再生/間歇式能源，微網MG（micro grid）以及分布式儲能系統ESS（energy storage system），不斷地滲透至配電網，使得配電網面臨越來越多的機遇與挑戰［1-4］，主要表現在：DER的并網運行使得配電網成為具有多源屬性的有源配電網絡，系統運行調控難度將增加。各種隨機因素和不確定因素在不同的時間和空間尺度上相互疊加，使得智能配電系統成為相互耦合的強非線性復雜系統。新技術的應用，使得配電網可控性，可觀測性和交互性有了顯著提升。

現階段，已有的配網控制管理系統無法完全適應上述變化，只能采取就地消納和局部控制相結合的方式被動地接納DER。如：若DER所發電力過剩，系統只能降低或切斷DER出力來平衡本地負載，DER無法參與配電網的最優潮流運行；當配電網出現故障時，DER將退出運行或采用孤島運行，無法與配電自動化實現協調控制；各個MG之間獨立運行，缺乏協調，對配電網經濟運行和安全性提升效果有限，使得MG自身優勢難以充分發揮；需求側響應以及智能量測體系AMI（advance metering infrastructure），由于缺乏有效的綜合控制決策系統而難以參與配電網的優化運行。一些配電網運營商不得不采用“last in first off”的手段，即根據DER并網時間的先后來硬性控制DER的運行狀態［5］。

上述問題在傳統的被動管控系統中普遍存在，不但影響了DER滲透率，造成可再生能源開發困難；同時由于相關設備的效能未充分發揮，大大增加了配電網投資和運行的成本，并在配電系統運行安全性、可靠性和經濟性方面產生不利影響，已束縛到智能配電系統的良性發展。毫無疑問，現有的集中式控制策略，被動的網絡管理模式和簡單的控制決策系統將不再適用于未來富含DER的配電網的運行與管理，亟待加以改善。

對日益復雜的配電系統進行主動控制和主動管理，使配電系統由單源被動運行方式變為多源主動運行方式，即形成主動配電系統ADN（active distribution network）被認為是解決上述難題的最佳途徑，而其中最為核心的技術，即是主動網絡管理ANM（active network management）技術。

ANM是國際大電網會議CIGRE（council on large electric systems）配電與分布式發電組C6針對未來配電網的需求于2007年首次提出的。ANM在本世紀初開始應用于計算機網絡管理領域，主要是采用分布式計算來為網絡協議、網絡服務的快速升級和部署提供平臺。基于網絡管理問題的相似性，ANM理念被逐漸引入配電網控制管理領域［6］。2010年CIGRE提出了將ANM作為未來配網發展的主要技術方向之一。ANM的定義是由CIGRE的C6.11工作組提出的［7］，包括：①能夠根據實時的量測信息，主動地控制配網中的DER（包括：分布式電源、負荷以及ESS等）的運行狀態；②配電網運營商DNO（distribution network operator）可以通過改變網絡拓撲結構來控制網內潮流；③能夠使DER融合到配電網中而不是簡單地連接到配電網絡，在適當的監管和協議下DER可以承擔系統支持/管理的責任。

1 電壓控制

隨著DER在配電網中滲透率的提高，配電網面臨著諸多挑戰，特別是在存在多個分布式電源DG（distributed generation），且DG的輸出、網絡負荷以及網絡拓撲結構等均不斷變化的配電網中，電壓控制系統的設計應著重于可靠性、靈活性和可擴展性。電壓控制策略是智能配電網控制系統的重要組成部分，其目的是在保障電能質量的前提下，有效提高DG在配電網中的滲透率水平［8］。

目前，由于DG在配電網中的控制尚屬探索階段，缺乏成熟的控制方式，因此在實際的調度運行中，當電壓出現超限時，調度中心會在第一時間從配網中切斷相關DG，這種簡單的控制策略不利于分布式能源的可靠、持續性運行。

實現配電系統電壓控制的手段有多種，例如：通過調節變壓器分頭來調節電壓OLTC（on load tap changer），通常與自動電壓控制AVC（automatic voltage control）和線路壓降補償器LDC（line drop compensation）共同完成對電壓的控制。AVC不間斷地監視輸出電壓，當電壓超過預先設定的限值時，變壓器依據AVC目標電壓調節分接頭位置，同時LDC用于對距離變壓器較遠的負荷進行壓降補償。OLTC、AVC以及LDC普遍應用于配電網的電壓控制中［9］。

近年來，國際上的科研工作者也將電壓控制策略作為智能配電網的研究重點之一。Vovos等［10］分別驗證了集中式電壓控制和分布式電壓控制下DG的滲透率。其中，集中式電壓控制根據量測系統對網絡進行狀態估計，然后應用最優潮流OPF （optimal power flow）對DG進行綜合調度。而分布式電壓控制應用自動電壓調整設備AVR（automatic voltage regulator）結合分布式電源功率因數調節來對電壓進行控制。在兩種控制策略下，DG的接入率都有明顯的提高。Hird等［11］提出了一種控制AVC繼電器的電壓控制方法。該方法已經成功的應用于英國的33/11 kV變電站。該控制方法包含一個狀態估計模塊和一個控制器。狀態估計模塊應用加權最小二乘法和牛頓-拉夫遜法計算網絡上每個節點的電壓期望值和標準偏差。控制器則將計算出的電壓值與限值進行比對，如果存在電壓超限現象，控制器則會通過調整AVC的目標電壓來控制OLTC的分頭位置。Bignucolo等［12］于2008年提出了一種配電管理系統協調控制器DMSCC（distribution management system coordinated controller）。這種控制策略是將OLTC控制與無功優化管理相協調。另外，DMSCC在控制電壓的同時盡量減少對DG有功輸出的削減。同樣，DMSCC也具備一個狀態估計模塊，用于加強控制器的效率和前瞻性。Zhou等［13］于2007年提出了一種電壓敏感因子的算法，用于存在多個DG的11 kV配電網的電壓控制中。這種算法通過削減一個或多個DG的有功輸出來實現電壓控制，而DG有功輸出削減的多少，以及哪個DG的有功將會削減，則是由敏感因子決定的。敏感因子是以DG輸出最大化和網絡損耗最小化為優化目標，并隨著網絡運行狀態的變化而實時變化。

本文側重于應用分布式電壓主動控制策略，采取主動負荷調節、OLTC、DG有功調節、DG功率因數調節，相結合的方式來進行電壓控制。在這種控制方式下，可以保障DG在不退出運行的情況下，通過就近設備調節的方式達到系統電壓穩定的目的。為在含有多個DG的配電網中實現分布式電壓控制，控制系統需要包含以下功能：

（1）自動檢測/預測電網中的電壓超限現象；

（2）在保證系統安全和最大程度保證清潔能源輸出的情況下，即時提供電壓控制策略；

（3）專家知識庫功能；

（4）控制策略在線仿真驗證。

為實現以上功能，本文采用離線與在線相結合的案例式推理CBR（case based reasoning）方法來實現分布式智能電壓控制。該方法具有以下優點：

（1）CBR可以應用于不同大小，不同拓撲結構的網絡中，且計算過程中不會出現不收斂的情況；

（2）CBR可以在網絡數據出現異常或者模型不精確的情況下完成電壓控制方法的推理；

（3）CBR案例庫中的控制策略主動地控制配網中的DER的運行狀態，主動改變網絡拓撲結構，DER較大程度承擔系統電壓控制的責任；

（4）CBR案例庫中的控制策略可因地制宜，視情況不同優化、組合控制網絡中可控資源；

（5）CBR可以提供更貼近調度運行實際情況的控制策略。

2 案例式推理方法

2.1 CBR系統設計

CBR是一種類比推理方法，它仿照人類思維模式建立專家系統求解問題，這與人類對自然問題的認知方式相一致［14］。它強調人類在解決問題時，通常依靠以往的經驗積累，其核心是對過去類似情況處理經驗適當修改來解決新的問題。過去的類似情況及其處理技術被稱之為案例（case）。利用過去的案例可評價新問題及求解方案，并且對可能的錯誤進行預防［15］。

圖1闡述了CBR電壓控制系統的基本算法，包含了從電壓越限監測，到案例推理，從而最終提出控制策略的全過程。CBR首先會根據配電網中的過電壓現象特征，在案例庫中進行相似度匹配，將檢索出的相似案例按照相似度從高到低排列。但是由于案例參數與實際配網參數存在差異，推理出的電壓控制方法未必能成功解決實際網絡中的過電壓問題。因此，CBR系統增加了在線仿真驗證模塊，將檢索出的電壓控制方法應用于當前的過電壓問題中，以驗證該方法的控制效果。

成功通過在線仿真驗證的電壓控制方法可以直接傳遞給配網調度控制中心，控制中心可根據經驗和實際情況直接應用或修改CBR所提供的電壓控制方法。實際應用的控制方法和當前過電壓現象的各項參數將會形成一個新的案例加入到案例庫中，這種反饋機制形成了CBR的自學習過程。

圖1 CBR系統設計Fig.1 CBR system design

2.2 CBR案例庫

一個完備的案例庫是CBR系統至關重要的核心部分。就電壓控制系統而言，案例庫應適用于任何電壓等級和拓撲結構的電網中。CBR案例庫遵循IEC 61850的數據結構，可以直接與變電站自動化設備和智能電子裝置IED（intelligent electronic device）進行通訊和信息交互。

本文的CBR案例庫是通過離線的系統仿真和在線反饋兩種方式建立的，離線的系統仿真是通過在OPF仿真模塊中建立不同的目標函數來計算出相應的電壓控制方法。而在線反饋則是將調度中心的實際控制方式加入到案例庫中，形成更貼近調度運行實際情況的控制策略案例庫。

2.3 CBR案例檢索

本文的CBR系統采用最近鄰法NN（nearest neighbour）對案例庫進行檢索，每個參數的相似度因子的計算公式為

而案例的整體相似度因子則可表示為各個參數相似度因子的總和，即

式中：SO為單個參數的相似度因子和案例整體的相似度因子；N為案例中參數的個數；ωi為根據經驗設定的加權因子。根據離線系統仿真和調度中心專家系統的經驗，DG的功率輸出，變壓器分頭位置以及靠近DG連接點母線的電壓值等都是CBR系統中的重要參數，因此系統給予較高的加權因子。

對于某些案例，CBR系統會檢索出多種控制方法，且他們的相似度接近。為此，CBR系統從調度運行實際出發，為每種控制方法設置了優先因子，優先因子最高的控制方法將作為首選項提供給調度運行中心。

圖2 CBR電壓控制系統設計流程Fig.2 Flow chart of CBR voltage control system

圖2為CBR電壓控制系統設計流程。變電站自動化設備對網絡中的母線電壓值進行實時監測，當電壓出現超限情況時，相應的時間、地點（母線位置以及周圍負荷情況）和電壓值都被詳細地記錄到電壓監測模塊中。當電壓超限情況連續并超過一定時間后（時間視不同類型的網絡而定），系統會認定網絡中出現了過電壓的現象，并啟動電壓控制系統。

系統會收集相關的網絡數據，并正式形成一個當前電壓超限的案例。CBR系統開始從案例庫中對當前案例進行自動查詢，并將查詢出的控制方法根據計算出的相似度因子從高到低排列。其中，相似度最高的N個控制方法將用于在線驗證模塊。

在線驗證模塊根據所測得的實時數據對當前網絡情況進行仿真，并進行潮流計算。然后將CBR查詢到的N個控制方法依次驗證，如電壓控制方法可將網絡上所有節點都控制在電壓限值之內，且不影響電網其他指標的情況下，該算法將通過在線驗證模塊的考察，并將報送到調度中心作為備選控制方案。反之，不能通過在線驗證的電壓控制方法，將從推薦的控制方法列表中清除。

3 主動負荷

電網中能夠通過對一種用電設備或設備組進行智能控制，改變用電時間和負荷大小以配合電力運營商的需求響應策略，從而獲得經濟效益的負荷，稱為主動負荷。主動負荷在配合適當的儲能設備后，能夠獨立運行甚至向電網反向送電。主動負荷通過響應電價與激勵政策與電網產生互動，具體體現在：①用戶改變自身用電行為，實現削峰填谷；②具備自給供電能力；③消納可再生能源。本文旨在研究①和②兩種情況，CBR系統將主動負荷可調用裕度，電價以及激勵政策納入案例庫中，并作為重要匹配指標，給以較高的權重。

4 實時仿真測試

4.1 實時仿真平臺

本文中的實時RT（real-time）電力系統仿真平臺是基于實際網絡重新構造的一個適用于驗證控制方法的配電網仿真系統。它既可應用實時測量數據，又可實現閉環測試仿真。網絡中的各項參數，例如：負荷量、DG發電量和變壓器分頭位置等，都來源于所測試配電網的實時/歷史數據或者測試者自定義的配置文件。當系統在這個準穩態測試網絡模型中檢測到參數變化時，系統將自動進行潮流計算分析。

本文中的RT電力系統仿真平臺的另外一個重要特點是可以與變電站自動化設備進行通訊，通過應用OPC container和IEC61850標準來實現的。這與實際控制系統與網關的通訊一致，使得該仿真測試更有實際應用價值。

圖3 實時仿真測試平臺Fig.3 Real-time test environment

4.2 測試網絡

圖4所示的測試網絡包含40條母線，2個DG 和3組變壓器的10 kV輻射狀配電網。網絡中各項參數詳見表1。

4.3 仿真結果

為充分鑒定CBR電壓控制系統能否有效的解決電網中的電壓超限問題，RT仿真平臺上進行了一系列測試。其中，OLTC、主動負荷調節、DG有功調節和DG功率因數調節作為主要的電壓控制策略。

4.3.1 過壓

圖410 kV測試網絡Fig.4 10 kV test network

表1 測試網絡設備參數Tab.1 Equipment parameters of test network

圖5（a）中顯示了當網絡中負荷下降且DG1和DG2在最大輸出狀態時，DG1（圖中實線）和DG2（圖中虛線）接入點處母線產生過壓現象（基于主動并提前感知電壓問題的思想，本仿真測試將電壓上下限設為±4%，從而為配電網運營商提供充分的時間與策略去解決電壓穩定問題）。CBR電壓控制策略執行了一系列控制手段以達到將電壓恢復到正常的目的，其中包括DG2有功和無功給定值控制以及主動負荷定值控制，以及OLTC調節。仿真波形如圖5所示。

圖5 仿真波形Fig.5 Simulation waveforms

4.3.2 過壓伴隨數據丟失

由于配電網數據量較大，且時常伴隨部分數據丟失的情況，因此以下針對數據丟失的現象進行容錯性測試，如圖6所示。由圖6（a）可見DG2連接點處母線產生了過電壓的現象，同時BUS12母線和DG2母線傳感器測量數據部分丟失。由圖6（b）可見CBR系統在部分數據丟失的情況下應用調節OLTC分頭位置的方式成功解決了網絡中的過電壓現象。

圖6 部分數據測試曲線Fig.6 Test curves with incomplete data

4.4 討論與分析

經實時仿真平臺的測試，CBR電壓控制策略能夠有效地檢測并給出一系列的電壓控制措施以達到消除電壓超限現象的目的。這些控制措施是在考慮多饋線、多種控制方式的基礎上，經過CBR系統推理得出的。案例庫中的控制措施多采取主動負荷定值控制，DG有功和無功調節的方式，而OLTC作為輔助控制方式，這就減少了饋線之間的相互干擾，從而能夠分布式解決電壓問題。顯然，這種方式較傳統的僅靠調節OLTC實現電壓控制的AVC控制模式更為靈活和有效。

同時，在傳輸數據不連續或者通訊不可靠的情況下，本文的CBR電壓控制系統仍可為系統提供電壓控制策略。實際上，相對輸電網，10 kV配電網絡量測信息冗余度低，采集穩定性差，顯然本文的CBR方法更具有工程實際意義。

從發現電壓超限現象到為調度通信中心提供多個電壓控制策略，CBR電壓控制系統可以在幾秒鐘內完成全過程。CBR系統運算過程不會產生不收斂的現象，且在線驗證模塊將對推理出的控制方法進行驗證，因此CBR總能為系統提供能夠解決電壓超限問題的控制方法。對于量測點冗余度較低的10 kV配電網，CBR只需要對部分重要節點進行數據采集，當然，CBR也可以從狀態估測系統中取得估測值用于案例檢索。

對含多個DG的10 kV配電網，仿真測試結果顯示，CBR提供的電壓控制方法可以有效地解決電壓超限的問題。根據調度中心的要求，以及以往調度運行的經驗，CBR可通過自學習的方式，不斷豐富案例庫，定制適合該網絡的貼近調度運行實際的電壓控制方法。同樣，在線驗證模塊大大提高了CBR所提供的電壓控制方法的可靠性。

5 結語

未來，主動配電網將成為實現大規模DER并網，積極消納可在生能源，優化網絡監測與控制方案，增強源-網-荷有序互動以及提高配電網可靠性的有效解決方案。因此，建立可拓展的、靈活的、可綜合利用網絡設備的、具有分布式智能的主動控制策略是發展中動配電網的核心。

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Distributed Intelligent Voltage Control Strategies and Testing Platform for Active Distribution Networks

XU Tao1，LI Tianchu2，GUO Lingxu3，LIN Jun2，ZHANG Shiyu1，WANG Xiaoxue1
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570203，China；3.State Grid Tianjin Electric Power Co.，Tianjin 300010，China）

The design of voltage control strategy for distribution networks with multiple distributed generation（DG）schemes should concentrate on reliability，flexibility and extensibility.A distributed voltage control strategy utilizing case based reasoning（CBR）is proposed in this paper.It has the potential to deliver the future active distribution vision，in a way that maintains power quality whilst also accommodating significant levels of DG penetration.This paper presents real time test arising from the application of the voltage control strategy on an existing 10 kV network.The testing results show that the CBR system has the capability to maintain voltages within statutory limits effectively.

active distribution networks；distributed intelligent；voltage control；distributed generation；case based reasoning

TM714.2

A

1003-8930（2016）01-0017-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.01.004

2014-06-11；

2015-02-09

由國家科技支撐計劃資助項目（2013BAA01B03）；國家自然科學基金資助項目（51307118）

徐 弢（1979—），女，博士，講師，研究方向為智能配電網、分布式發電系統分析與仿真、分布式人工智能及應用等。

Email：taoxu2011@tju.edu.cn

李天楚（1988—），女，本科，工程師，研究方向為可中斷負荷、有序用電。Email：171239751@qq.com

郭凌旭（1974—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力調度自動化、自動發電控制等。Email：lingxuguo@126.com