新電改形勢下智能配電網調度互動研究應用

周冬旭， 張　明， 朱　紅, 余　昆

(1. 國網南京供電公司，江蘇 南京210019；2. 河海大學能源與電氣學院,江蘇 南京210098)

0　引言

隨著分布式發電技術、電動汽車技術的發展和推廣應用，配電網的運行特性發生了根本性改變，運行狀態變化頻繁，供電可靠性和電能質量下降，甚至引發電壓不穩定的現象[1-5]。同時，電力體制改革不斷深入推進，特別是2015年《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》等一系列文件的頒布與實施，使得電力市場環境和機制日趨成熟，并呈現出多元化的態勢。這就需要電力市場的參與者，包括發電側、電網側和需求側，能夠通過建立合理有效的交易機制，實現各方利益的共贏。

為了應對這一系列變化，重點解決能源雙向互動控制、資源最優化運行模式，以及用戶彈性控制等問題，源網荷互動運行控制概念應運而生[6]，即通過電源、電網、負荷三者之間進行協調互動以提高電網功率動態平衡能力，適應未來智能電網的發展需求。2016年江蘇省電力公司提出并構建了大規模源網荷友好互動系統，旨在解決特高壓等外部電源通道發生故障后，電網功率、頻率的穩定問題[7-8]。同時，以激勵用戶互動為目標的需求側響應互動的研究也已逐步展開和深入，并取得良好的效果[9-15]。

綜上，雖然目前對于源網荷互動理論及技術的研究成果較多，但缺乏針對互動體系全局性的思考和把握，特別是欠缺對相關成果應用與實踐的報道。文中考慮電力體制改革的大背景，以含分布式電源、電動汽車充換電站、微電網及智能小區等元素的智能配電網為研究對象，建立了智能配電網調度互動體系結構，提出了互動機制、互動策略及實現方法，采用新型軟件平臺圖模一體化方案開發了智能配電網調度互動決策支持系統，并進行示范應用。研究成果實現了源網荷的統一協調互動，增強了智能配電網的運行彈性水平和互動響應能力，降低了電網建設投資成本，提高了新能源消納水平，有力保障了智能配電網的靈活、高效運行。

1　調度互動框架構建

1.1　網源荷互動條件下的電力流框架

隨著各種新型電力元素的出現，配電網中的電能關系隨之發生變化，形成的物理對象及其電力流關系如圖1所示。

圖1　電力流示意Fig.1　Schematic diagram of power flow

電能經過變壓器、輸電網、配電網，最終達到用戶端。而配電網在接受上級電源的同時，也消納著分布式電源、微電網等新能源。配電網作為與廣大電力用戶密切相關的重要環節，為各類用戶提供優質可靠電能，利用儲能技術將多余的電能進行儲存和再利用。

1.2　網源荷互動條件下的業務流和信息流框架

隨著電力體制改革的進一步推進，除了電能轉換、輸送和分配相關的物理對象發生了變化，其管理部門也發生了較大的變化，出現了能源服務公司、電動汽車運營商、售電公司等新興行業。這些新的要素大多與配電網相關，鑒于此可建立與電力流相對應的智能配電網互動主體與業務關系，如圖2所示。分布式光伏與微電網為配電網提供電能，并受能源服務公司的管理，同時能源服務公司參與配電網的調度互動響應。配電網運行管理的部門主要分為調度、營銷、運檢、發策等部門，不同部門承擔著配電網不同的業務，如保電業務、檢修業務、業擴業務、運行優化等。負荷側分為政府定價用戶、中小型用戶以及電動汽車用戶，其中政府定價用戶、中小型用戶購入電能，并參與配網側的需求響應。電動汽車則通過充換電站運營商與配電網互動，一方面消耗配電網電能，一方面在配電網用電緊張時向配電網輸送電能。

圖2　業務流示意Fig.2　Schematic diagram of operation flow

信息流主要是指為實現上述的電力流、業務流而建立的網源荷三側相關互動主體間的信息流動。

1.3　調度互動體系結構

在建立電力流、業務流、信息流的基礎上，文中提出了智能配電網調度互動體系結構，如圖3所示。考慮不同互動場景和互動條件，對源網荷各側互動主體，特別是能源服務公司、負荷聚合商等新興元素的互動特性進行分析，以電網峰谷差、負荷均衡、供電可靠率為互動目標，構建智能配電網調度互動框架。在此基礎上，設計相應的互動機制，并與各類互動場景實現方法相適應，以實現智能配電網的可靠、靈活、經濟、高效運行。

圖3　調度互動體系結構Fig.3　Structure of dispatching interaction

2　調度互動機制設計

智能配電網的可調度互動資源包括負荷資源、分布式電源資源，以及儲能資源。其中負荷資源包括工業負荷、商業辦公負荷、居民負荷；分布式電源資源包括可控和不可控類型；儲能資源包括電動汽車及充換電站。在歸納并分析上述可調度資源特性的基礎上[16-19]，文中將工業負荷、商業辦公負荷劃分為可中斷調度資源，將居民負荷、分布式電源、電動汽車及充換電站劃分為可平移調度資源。可中斷調度資源和可平移調度資源在不同互動場景下，所包含的資源類型也會發生相應調整。

2.1　考慮價格偏好因素的可中斷資源互動模型

考慮價格偏好因素的可中斷資源互動模型的目標為在既定的購電價格下，供電公司將原本用于購電的費用補償用戶可中斷負荷，若兩者差值大于0，則相當于負荷削減帶來了成本的節約，再考慮輸配電成本和運行費用，使供電公司成本節約函數最大。

約束條件包括:(1) 個人理性條件。即要鼓勵用戶參與，滿足用戶參與能獲得更多利潤。(2) 激勵相容條件。即用戶參與可中斷負荷合同后，披露真實信息的利潤大于機會成本，從而保證用戶上報真實的用戶類型。

2.2　基于貝葉斯納什均衡的可平移資源互動機制

供電公司的電價策略可以影響用戶的用電行為，但不能控制用戶的用電行為，則這個問題可以用Stackelberg博弈模型來描述。供電公司和用戶視為一對博弈參與者，有N個Stackelberg博弈模型，就有N對供電公司與用戶博弈參與者。

供電公司在某個時間段發布可平移資源的基準電價信息并傳遞給用戶，用戶設計自身可平移負荷用電初步計劃，再報給供電公司。供電公司結合此項用電計劃，計算此時節點潮流分布并獲得各時刻節點靈敏度，根據靈敏度重新擬定電價再次發布用電價格信息。用戶根據新的電價擬定最終用電計劃。在整個博弈過程中，用戶根據用電價格不斷調整用電計劃，達到用電成本最低的目標。

3　調度互動實現技術

在前文建立調度互動框架和互動機制的條件下，文中考慮年度負荷、月度負荷，以及日負荷等多負荷水平下的源網荷調度互動，并分別制定相應的實現技術。

3.1　長期(年度)調度互動技術

通過長期時間尺度下的互動，利用源網荷三側資源的協調降低負荷峰谷差、減少尖峰負荷；優化饋線聯絡點的分布，合理規劃分布式電源、電動汽車充放電設施、可中斷負荷，實現網源荷的協調發展。

考慮到配電網源、荷資源的規劃不在調度部門完成，而電價等政策也不是由調度部門掌控，因此對于配網調度來說，長期調度互動分為兩個階段：配電網薄弱環節辨識階段和常態運行方式優化決策階段。

(1) 配電網薄弱環節辨識階段。針對配電網的歷史運行數據，如配電網的電壓功率數據，設備的負載率，故障信息，保電申請等，評估配電網的薄弱環節。

(2) 常態運行方式優化決策階段。主要考慮的是季節性運行方式的優化。由于天氣、溫度、濕度、生產生活規律的變化，在不同的季節，負荷的特點存在較大的不同，而電價也存在差異，比如江蘇省在夏季實行尖峰電價。在不同的季節里，分時電價的費率不同，使得負荷的響應也不同。

3.2　中長期(月度)調度互動技術

綜合考慮社會生產和生活規律、檢修方式、負荷平衡和保電方式對用電負荷的影響，同時計及分布式發電和電動汽車充放電等因素，對電網運行方式進行優化調整，形成智能配電網的中長期調度互動方案。中長期調度互動方案重點解決以下問題：

(1) 用能管理。供電公司與大用戶或者負荷聚合商協商互動，針對某段時間可能出現的檢修計劃、高峰負荷等，建議用戶改變用電的時間。

(2) 保電業務與檢修業務的互動。如某條線路有保電的需求，則應不安排檢修計劃；而如果必須進行檢修，則保電的時間應與用戶進行溝通協商，并縮短檢修工作時間。

3.3　短期(日前)調度互動技術

短期調度互動是在中長期調度互動實施基礎上，對一天內的能量平衡進行優化，并計及臨時檢修和臨時保電因素，優化調整運行方式以彌補常態運行方式的不足。短期調度互動主要考慮日前的多時段優化，內容包括：

(1) 檢修計劃、保電計劃等。這兩項業務在中長期已經確定了日期、時段以及相關的設備，作為不可控變量。

(2) 各類負荷對于電價響應的潛力，微電網的調控潛力，充換電站和電動汽車的調峰潛力等。

(3) 各時段尖峰電價、分時電價。

各階段調度互動策略如表1所示。

表1　各階段調度互動策略Tab.1　Interactive scheduling strategy

4　實踐探索及示范應用

為了促進技術成果轉化和落地應用，課題組開發了基于OPEN3200系統的智能配電網調度互動決策支持系統。該系統具備分時(尖峰)電價仿真、長期調度互動方案、中長期調度互動方案，以及短期調度互動方案等功能，并通過數據接口實現電網實時數據的導入與計算。系統界面如圖4所示。

圖4　系統界面Fig.4　System interface

課題組選取南京青奧智能電網示范區作為試點應用對象，以驗證研究成果的有效性和系統運行的可靠性。建立了相應的電網模型，包括220 kV變電站2座，110 kV變電站7座，10 kV饋線154條，以及1家分布式光伏電源和1座公共汽車充換電站。

4.1　薄弱性分析計算

選取2016年示范區內全年電網運行數據進行配電網薄弱度評估和薄弱環節辨識，以此形成長期優化調度方案。部分計算結果如表2所示。

表2　計算結果Tab.2　Calculation results

從表2可以看出，怡康線整體薄弱度最高(計算結果越高，代表線路越薄弱)。同時，通過實地調查、運行數據分析得出，怡康線主干線電纜截面較小，并且由于所供負荷容量逐年增長，線路在負荷高峰期經常出現重載情況。特別是怡康線與其他線路聯絡較少，一旦出現故障跳閘、臨時消缺等異常情況，大部分負荷無法在短時間內轉供，造成負荷失電，影響供電可靠性。實際結論與系統計算結果相一致。解決這一“卡脖子”現象是通過上報技改，合理規劃供電路徑及更換大截面導線，同時加強對重點用戶、重點區域設備的巡視和檢查，及時發現并解決設備缺陷和異常。

4.2　可中斷資源及可平移資源互動響應

(1) 可中斷資源互動響應。

2016年8月20日，根據上級調度要求，香堤線需要在8：00—17:00削減負荷200 kW，經智能配電網調度互動決策支持系統計算后，得出了可中斷負荷執行方案，并通過運行方式的調整，完成了預期目標。結果如圖5所示。

圖5　香堤線互動結果Fig.5　Interactive results of Xiangdi

(2) 可平移資源互動響應。

2016年8月25日14:00—17:00，紫創線需要臨時消缺，停電范圍包括橡膠某廠、充換電站2家用戶。通過系統給出的轉供方案，以上2家用戶作為可平移資源，由黃山路線轉供。結果如圖6所示。

圖6　紫創線和黃山路線互動結果Fig.6　Interactive results of Zichuang and Huangshan

2016年迎峰度夏期間，該系統安排可中斷負荷執行計劃13項、調整運行方式257次、微電網交換功率調控5次，平均每天削減高峰負荷5.2 MW，平均負荷峰谷差率降低5.7%，電壓合格率100%，實施效果顯著，精準實現了源網荷的統一協調互動，有效保障了南京電網安全穩定運行。

5　結語

文中在考慮電力體制改革大背景下，提出了智能配電網調度互動體系框架，包括源網荷各側互動主體，特別是能源服務公司、負荷聚合商等新興元素。在此基礎上，設計了考慮價格偏好因素的可中斷資源和基于貝葉斯納什均衡的可平移資源的互動機制，結合年度負荷、月度負荷、日負荷等多負荷水平提出了長期、中長期、短期的調度互動實現技術。最后，將研究成果進行提煉總結，研發了智能配電網調度互動決策支持系統，并進行示范應用。工程實踐結果驗證了所提理論和方法的有效性和合理性，有效增強了智能配電網的運行彈性水平和互動響應能力。

參考文獻：

[1] 陳星鶯，陳楷，劉健，等． 配電網智能調度模式及關鍵技術[J]． 電力系統自動化，2012，36(18)：22-26．

CHEN Xingying, CHEN Kai，LIU Jian，et al. A distribution network intelligent dispatching mode and its key techniques[J]． Automation of Electric Power Systems，2012，36(18)：22-26．

[2] 李威，丁杰，姚建國． 智能電網發展形態探討[J]． 電力系統自動化，2010，34(2)：24-28．

LI Wei，DING Jie，YAO Jianguo． Views on smart grid evolution[J]． Automation of Electric Power Systems，2010，34(2)：24-28．

[3] 胡澤春，宋永華，徐智威，等． 電動汽車接入電網的影響與利用[J]． 中國電機工程學報，2012，32(4)：1-10．

HU Zechun，SONG Yonghua，XU Zhiwei，et al． Impacts and utilization of electric vehicles integration into power systems[J]． Proceedings of the CSEE，2012，32(4)：1-10．

[4] 姚建國，賴業寧． 智能電網的本質動因和技術需求[J]． 電力系統自動化，2010，34(2)：1-4．

YAO Jianguo，LAI Yening． The essential cause and technical requirements of the smart grid[J]． Automation of Electric Power Systems，2010，34(2)：1-4．

[5] 汪隆君，許海林，王鋼． 計及分布式電源功率特性的微電網經濟調度模型[J]． 電力系統自動化，2016，40(11)：31-38．

WANG Longjun，XU Hailin，WANG Gang． Economic dispatch model of microgrid considering power characteristics of distributed generators[J]． Automation of Electric Power Systems，2016，40(11)：31-38．

[6] 姚建國，楊勝春，王珂，等． 智能電網“源-網-荷”互動運行控制概念及研究框架[J]． 電力系統自動化，2012，36(21):1-6．

YAO Jianguo，YANG Shengchun，WANG Ke，et al． Concept and research framework of smart grid “source-grid-load” interactive operation and control[J]． Automation of Electric Power Systems，2012，36(21):1-6．

[7] 尹積軍． 支持特高壓互聯電網安全運行的供需友好互動技術研究[J]． 中國電機工程學報，2016， 36(21)：5715-5723．

YIN Jijun． Research on load friendly interactive technology for safe operation of uhv interconnected power grid [J]． Proceedings of the CSEE，2016， 36(21)：5715-5723．

[8] 夏飛， 鮑麗山， 王紀軍，等． 源網荷友好互動系統通信組網方案介紹[J]． 江蘇電機工程，2016，35(6)：65-69．

XIA Fei，BAO Lishan，WANG Jijun，et al． Introduction of communication network scheme for source-grid-load friendly interaction system [J]． Jiangsu Electrical Engineering，2016，35(6)：65-69．

[9] 王珂，劉建濤，姚建國，等． 基于多代理技術的需求響應互動調度模型[J]． 電力系統自動化，2014，38(13)：121-127．

WANG Ke，LIU Jiantao，YAO Jianguo，et al． A multi-agent based interactive scheduling model considering demand response[J]． Automation of Electric Power Systems，2014，38(13)：121-127．

[10] 李強，宋寧希，王劍曉，等． 基于用戶互動能力的優化用電模式與方法[J]． 電網技術，2016，40(6):1818-1824．

LI Qiang，SONG Ningxi，WANG Jianxiao，et al． A pattern and method of optimized power utilization based on consumers’ interaction capability[J]． Power System Technology，2016，40(6):1818-1824．

[11] 李作鋒， 黃奇峰， 楊世海，等． 適應新型電力供需的多元化友好互動體系研究[J]． 江蘇電機工程，2016，35(5)：1-5．

LI Zuofeng，HUANG Qifeng，YANG Shihai，et al． Research on a pluralistic and friendly interaction system adapted for new power supply and demand[J]． Jiangsu Electrical Engineering，2016，35(5)：1-5．

[12] 王錫凡，肖云鵬，王秀麗． 新形勢下電力系統供需互動問題研究及分析[J]． 中國電機工程學報，2014，34(29)：5018-5028．

WANG Xifan, XIAO Yunpeng, WANG Xiuli． Study and analysis on supply-demand interaction of power systems under [J]． Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：5018-5028．

[13] 龐鵬. 電力市場化改革背景下電力需求響應機制與支撐技術[J]. 廣東電力，2016，29(1)：70-78.

PANG Peng. Electric power demand response mechanism and support technology under electric power market reform[J]. Guangdong Electric Power，2016，29(1)：70-78.

[14] 楊威，曾智健，陳皓勇，等. 廣東電力市場需求側響應交易機制研究[J]. 廣東電力，2017，30(5)：25-34，68.

YANG Wei,ZENG Zhijian,CHEN Haoyong,et al. Research on demand response trading mechanism in Guangdong electricity market[J]. Guangdong Electric Power，2017，30(5)：25-34，68.

[15] 孫國強，李逸馳，衛志農，等． 智能用電互動體系構架探討[J]． 電力系統自動化，2015，39(17)： 68-74．

SUN Guoqiang，LI Yichi，WEI Zhinong，et al． Discussion on interactive architecture of smart power utilization[J]． A￣u￣t￣o￣m￣a￣tion of Electric Power Systems，2015，39(17)：68-74．

[16] 顏慶國，薛溟楓，范潔，等． 有序用電用戶負荷特性分析方法研究[J]． 江蘇電機工程，2014，33(6)：48-54．

YAN Qingguo，XUE Mingfeng，FAN Jie，et al． Load property analysis method for demanders participating orderly power utilization[J]． Jiangsu Electrical Engineering，2014，33(6)：48-54．

[17] 王珂，姚建國，姚良忠，等． 電力柔性負荷調度研究綜述[J]． 電力系統自動化，2014，38(20)：127-135．

WANG Ke，YAO Jianguo，YAO Liangzhong，et al． Survey of research on flexible loads scheduling technologies[J]． Automation of Electric Power Systems，2014，38(20)：127-135．

[18] 徐智威，胡澤春，宋永華，等． 基于動態分時電價的電動汽車充電站有序充電策略[J]． 中國電機工程學報，2014，34(22)：3638—3644．

XU Zhiwei，HU Zechun，SONG Yonghua，et al． Coordinated charging strategy for pev charging stations based on dynamic time-of-use tariffs [J]． Proceedings of the CSEE，2014，34(22)：3638-3644．

[19] 王昌照，汪隆君，王鋼，等． 分布式電源出力與負荷相關性對配電網可靠性的影響分析[J]． 電力自動化設備，2015，35(6):99-105．

WANG Changzhao，WANG Longjun，WANG Gang，et al． Impact of distributed generation output and load correlation on distribution network reliability [J]． Electric Power Automation Equipment，2015，35(6):99-105．