多元用電需求網格分析與“源網荷儲”分層分區平衡模型

杜佩仁，文福拴，劉艷茹，張林垚

（1. 浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027；2. 國網經濟技術研究院有限公司，北京102209；3. 國網福建省電力有限公司 經濟技術研究院，福州 350012）

0 引言

隨著分布式發電滲透率的不斷提高，電力系統綜合效率不高、源網荷儲等環節間協調不夠、各類電源互補互濟不足等問題逐步顯現，亟待統籌優化。按照“源網荷儲一體化”的建設思路，優化源、網、荷、儲的綜合配置方案，提高自我平衡能力［1］，避免配電系統中潮流倒送，已成為簡化保護定值及調度運行管理，保障配電系統運行安全，減少對大電網調峰和備用容量需求，降低系統投資，提高全社會整體效益的有效途徑。配電系統網格化規劃是近年來提出的有效方法，已在網格模型［2］、規劃體系［2］、規劃方法［3—5］等方面有研究報道。此外，在與配電系統規劃有關的負荷預測及電力平衡［6—12］等方面也已開展了很多研究工作，并得到廣泛應用。

在上述背景下，如何適當利用配電系統網格化規劃方法，按照差異化原則，通過區分不同類型負荷的差異化供電可靠性需求，并利用微電網運行及多元用電需求側管理等方法，對包括風光分布式電源、空調、充電樁、儲能等多元化負荷進行預測及協調控制，實現“源網荷儲”的分層分區平衡，有助于實現配電系統的安全與經濟運行，提升對間歇性可再生能源發電的消納。

本文首先定義了面向“源網荷儲”分層分區平衡管理的配電系統網格層級模型。然后，根據“并網型”微電網的市場化運行規則，提出了一個面向用電網格的多元化用電需求模型。最后，基于用電網格、供電單元、供電網格這3層網格定義，提出了基于網格的“源網荷儲”分層分區平衡模型，并給出了各層級網格的上網參數的計算方法及相關約束方程。

1 “源網荷儲”分層分區平衡

按照“統籌協調各類電源開發、提高清潔能源利用效率、適度配置儲能設施、充分發揮負荷側調節能力”［1］的建設思路，“源網荷儲一體化”分層分區平衡將成為引導分布式電源健康發展的基本途徑，這對配電系統的規劃設計及運行控制提出了新的要求甚至挑戰，主要包括下述3個方面。

1.1 計及分布式資源及其協調的智能配電系統規劃與設計

考慮“源網荷儲一體化”的智能配電系統可整合局部地區分布式資源，從而可使整個社群共享負荷控制、高效節能、分布式發電和儲能所帶來的效益。同時，配電系統是將電力從分布式發電和儲能裝置向輸電系統反送的路徑。因此，在對現代配電系統進行規劃設計時，應將配電系統、用戶側資源、分布式發電和儲能作為一個整體處理。

1.2 有效控制需要輸電系統供電的最大負荷水平

據統計，2019年全國各主要城市的空調負荷在常規總負荷（不含充電樁、儲能站）中的占比的總體水平在30%～55%之間，且呈增長態勢。因此，區分常規負荷及可控負荷對供電可靠性要求的差異，采取有效控制手段，降低系統最大負荷需求，改善系統負荷特性，對提高電網資產設備利用率及資產投資效益具有重要作用。

1.3 按網格實現配電系統的自治自愈管理

通過網格劃分可把復雜的實體模型分成若干簡單實體模型，而后者之間相互聯系、相互約束。網格化是配電系統分層分區管理的一種具體實現方法。深化配電系統網格化管理，提升網格的自治自愈能力，從而降低從配電系統規劃設計到調度運行的難度，可有效促進配電系統中“源網荷儲一體化”的規劃和實現。

2 面向分層分區平衡的配電系統網格模型

網格劃分是實現“源網荷儲”分層分區平衡規劃、設計乃至運行控制的基礎。參照文獻［2］定義的配電系統網格模型，提出面向“源網荷儲”分層分區平衡的配電系統網格層級模型，如圖1所示。

圖1 面向分層分區平衡的配電系統網格層級模型Fig.1 Power distribution system’s grid hierarchical modelfor hierarchical partition balance

由圖1 可知，配電系統網格模型包括“縣市區、統籌區、供電分區、供電網格、供電單元、用電網格”共6 個層級。其中，與“源網荷儲”分區平衡相關的則包括用電網格、供電單元、供電網格共3 個層級，下面依次介紹。

（1）用電網格:若干個相鄰的、供電電壓等級相同或接近的、對供電可靠性要求基本一致的地塊（或用戶）的組合。用電網格體現最終電力用戶對供電可靠性的差異化要求，是面向用電需求側管理并對微電網進行規劃、運行和控制的基本單位。

（2）供電單元:基于用戶用電需求、變電站分布、網架結構、線路負載率等因素劃分的邊界清晰、規模適度、面向中壓線路的實際供電區域，系實施中壓網架優化、進行配電系統工程建設的基本單位。

（3）供電網格:基于行政區劃、地理隔離、電網運行維護邊界進行劃分的、中壓網架相對獨立的、規模適度的供電區域，以此簡化從配電系統規劃、設計到調度、運行的管理難度，是變電站出線間隔管理的最小規劃單位。

3 面向用電網格的多元化用電需求模型

到2019 年末，全國風光發電裝機總容量達4.14億kW，占全部裝機容量的20.59%，并呈進一步增長趨勢。從發電特征看，2019年全國風力發電和光伏發電的平均滿出力發電小時數分別為2 082 h和1 285 h，占年總小時數的比例分別為23.7%和14.7%。間歇性發電機組出力的大幅度變化及超長的低出力持續時間，對配電系統中的儲能容量提出了新的要求，以完全容納風光發電出力的要求。所以，在間歇性發電機組的裝機容量不斷增長的背景下，電力系統運行需要應對2 個問題:一是風光發電的高出力會導致功率的大容量傳輸或要求更多的儲能容量；二是面對難于精確預測的氣候變化，風光發電出力的不確定性給電力系統的發電計劃安排、實時調度及安全運行帶來困難甚至挑戰，并導致電力系統安全保障難度和代價加大、系統運行效率低等問題。

針對上述問題，在局部電網，“源隨荷動”的傳統電力平衡模式將向以區域配電系統或微電網為核心的“荷隨源控”的分區就地平衡模式轉變。因此，參照“并網型”微電網［13］的市場化運行規則，在規劃階段就可以把微電網（或區域配電系統）與公共電網的網絡邊界通過“上網接口”來描述，如圖2所示。

圖2 面向用電網格的多元化用電需求模型Fig.2 Diversified power demand model for electricity usage grid

由圖2可知，“上網接口”包括上網最大功率、網供最大負荷、網購備用容量3 個參數。下面描述相關的參量。

（1）常規最大（小）負荷。電力總負荷包括常規負荷和可控負荷。其中，常規負荷也稱基礎負荷，是保障人類生活或企業生產正常開展的基本負荷分量，是不可中斷的；可控負荷則包括充電樁、電熱設備、變頻設備等可間斷或可調控的設備負荷，例如空調負荷，一般情況下僅影響環境舒適度。因評估對間歇性發電出力消納能力的需要，常規最大、最小負荷取春秋季節無空調負荷時節的白天最大、最小負荷值。

（2）可控最大限制負荷。可控最大限制負荷是在可控最大負荷預測值的基礎上，根據可實際采取的用電需求側響應措施而計算得到的可調控類負荷分量的最大值，一般需要考慮用戶參與用電需求側管理的響應比例及可調控最大負荷可降幅度等因素。最大限制負荷是微電網或區域配電系統進行內部運行控制的最基本控制參數。

（3）發電出力預測。分布式電源總體上可分為間歇性電源（風、光等）、可調控電源（燃氣、水等）及儲能系統3 種類型。風、光等間歇性電源的出力是不穩定的，最小出力為0；燃氣、水等可調控電源的出力是穩定且可控的，最大出力為其設計能力；儲能系統出力是基本穩定的，最大出力為設計能力，但受容量約束放電時間限制。因此，發電最大出力為間歇性電源、可調控電源、儲能系統3 者最大出力之和，而發電最小出力則為可調控電源的最大出力。

（4）上網最大功率。發電最大出力減去常規最小負荷的剩余值（可為負值），是余電上網的最大功率（負值為消納能力）。

（5）網供最大負荷。網供最大負荷=常規最大負荷+最大限制負荷-發電最小出力。網供最大負荷是正常情況下用戶對公共電網的最大負荷需求值，是公共電網的中壓網架規劃設計的主要依據，線路需達到規定的供電可靠性要求。

（6）網購備用容量。網購備用容量指在公共電網安全運行范圍內，在網供最大負荷之外，用戶可從公共電網獲得的額外供電能力，為用戶內部電源日常維護或故障停運而提供的臨時性供電服務。根據相關規定［14］，并入公共電網的微電網視為可中斷系統，不納入《電力安全事故應急處置和調查處理條例》對電網企業的考核范圍；微電網運營主體應根據微電網自平衡情況自主申報備用容量，統一繳納相應的備用容量費用。因此，網購備用容量的供電可靠性可低于網供最大負荷的供電可靠性，即當線路檢修或因故障停運時，用戶的網購備用容量可能無法完全滿足。

總之，“上網接口”中的上網最大出力指公共電網對微電網或區域配電系統提供的針對間歇性發電出力的最大消納能力；網供最大負荷及網購備用容量則為公共電網對微電網或區域配電系統提供的具備差異化供電可靠性的供電能力服務，可通過電力市場交易中的電價激勵機制對2者進行約束。

4 基于網格的“源網荷儲”分層分區平衡模型

根據分布式電源接入配電系統的相關技術規定、配電系統輻射型運行特點和保護配置原則，在規劃階段，把配電系統單向潮流（防倒送）的控制節點設定為變電站變壓器低壓側開關、變電站低壓母線進、出線開關及配變高壓側開關3個節點，在此基礎上，根據配電系統網格層級定義，可得到圖3所示的基于網格的“源網荷儲”分層分區平衡模型。

在圖3中，“源網荷儲”平衡包括用電網格、供電單元、供電網格3 個網格層級。其中，變電站主變10 kV側開關、10 kV饋線出線開關、配變10 kV側開關為系統潮流控制的3 個節點，需滿足線路最大供電能力及開關單向潮流（防倒送）這2個系統運行的安全約束。下面介紹這3級網格的分區邊界上網接口參數計算方法及相關的潮流約束方程。

圖3 基于網格的“源網荷儲”分層分區平衡模型Fig.3 Block?based“source?network?load?storage”hierarchical partition balance model

4.1 用電網格

用電網格是多元化用電需求預測的管理單元。

（1）上網邊界接口

（2）節點約束方程（配電室400 V母線）

在低壓配電系統規劃時，所確定的分布式電源接入方案應能確保對間歇性可再生能源發電的本地消納，且配變10 kV開關側潮流不倒送。當大于0時，應采用10 kV接入方式。

（3）網絡優化設計內容

針對400 V母線分段上的常規負荷、可控負荷、分布式電源及儲能進行平衡和優化，以滿足間歇性可再生能源發電的本地消納和配變潮流不倒送要求。

當400 V母線不能實現對間歇性可再生能源發電的本地消納時，應提高分布式電源的接入電壓等級。

4.2 供電單元

供電單元是中壓網架結構優化的管理單元。

（1）上網邊界接口

式中:nj為供電單元j包含的用電網格數量；、分別為供電單元j中用電網格i的網供最大負荷、網購備用容量、上網最大出力需求的邊界接口值。

由式（4）—式（6）可知，供電單元的邊界接口值等于其包含的用電網格對應值之和。當大于0時，當前供電單元不能實現對間歇性可再生能源發電的本地消納，應通過10 kV 電源專線接入變電站10 kV母線。

（2）節點約束方程（10 kV進出線）

出線（饋電線路）

進線（電源線路）

式中:nl為10 kV線路l包含的用電網格數量；、分別為饋電線路l中用電網格i的網供最大負荷、網購備用容量、上網最大出力需求的邊界接口值；為10 kV線路l的最大供電能力限制值。

由式（7）—式（8）可知，饋電線路l的最大負荷等于其包含的用電網格的網供最大負荷及網購備用容量之和，應小于該線路的最大供電能力；上網最大出力應小于或等于0，滿足饋線單向潮流約束。由式（9）可知，電源線路l的上網最大出力需求等于其包含的用電網格的上網最大出力之和，應小于該線路的最大傳輸能力，取值應小于或等于0。

（3）網絡優化設計內容

優化確定在10 kV電壓等級上的分布式電源接入方式，包括通過電源專線（含支線）和一般負荷線路（僅支線）2種。

優化確定在10 kV電壓等級上的分布式電源接入負荷線路的分段位置，以實現電源和負荷的分段平衡。

4.3 供電網格

供電網格是線路接入變電站母線的管理單元。

（1）上網邊界接口

式中:mk為供電網格k包含的供電單元數量；、分別為供電網格k中供電單元j的網供最大負荷、網購備用容量、上網最大出力需求的邊界接口值。

由式（10）—式（12）可知，供電網格的邊界接口值等于其包含的供電單元對應值之和。當PkG大于0 時，當前供電網格不能實現對間歇性可再生能源發電的本地消納，應通過35 kV 及以上電源專線接入變電站高壓側母線。

（2）節點約束方程（變電站10 kV母線）

設計的分布式電源接入方案要確保間歇性可再生能源發電能本地消納以及主變10 kV側開關潮流不倒送。當大于0 且周邊供電網格也無法消納間歇性可再生能源發電時，應采用35 kV 及以上的高壓接入方式。

（3）網絡優化設計內容

優化確定10 kV饋電線路接入變電站母線分段的位置；優化確定10 kV分布式電源專線接入母線分段的位置，以實現母線分段上電源與負荷的平衡與優化；當10 kV母線無法實現對間歇性可再生能源發電的本地消納時，應提高分布式電源的接入電壓等級。

5 算例與結果

以長三角某開發區為例來說明所提方法的可行性和有效性。該開發區包括2個供電網格、6個供電單元、93個用電網格，含居住、商業、科研、醫院、文體等多類型負荷，其中的可調控負荷主要為空調負荷。各類網格的空調負荷占常規總負荷的30%～50%，不同類型用戶的空調負荷參與調控的響應度為30%～80%，預期通過提高空調設定溫度可削減的空調負荷峰值幅度為10%～15%。在確定網供電力需求時，需要系統能提供滿足開發區最大負荷需求的供電能力，區內不采用除提高空調設定溫度以外的額外負荷控制措施，這樣網購備用容量取最大負荷需求與網供最大負荷的差值，可控最大限制負荷取可控最大負荷與峰值可削減負荷的差值。在此基礎上，可得到表1列出的該開發區各級網格的多元化負荷預測結果。

從表1中列出的預測數據可以看出，開發區各級網格的上網最大出力均為負值，分布式發電的穿透力低，能完全實現對間歇性可再生能源發電的本地消納，且尚具有91.9 MW的剩余消納能力。在采用提高空調設定溫度進行削峰這個單一措施時，空調負荷峰值可削減總量可達14.76 MW，網供削峰效果為3.87%。通過提高用戶的參與響應度，可以改善削峰效果。

6 結束語

在配電系統網格化規劃的框架下，按照“源網荷儲一體化”分層分區就地平衡及差異化供電可靠性規劃設計原則，建立了面向用電網格的多元化用電需求及“源網荷儲”分層分區平衡模型，并提出了可開展的配電系統網架優化設計內容。

配電系統規劃實踐表明，本文所提分區平衡及網架優化方法可有效降低用戶對系統的最大負荷需求、改善系統負荷特性、提高線路負載率、降低電網投資規模，實現源網荷儲各環節協調發展，提升系統運行安全和經濟性。

表1 基于網格的多元化用電需求預測Table 1 Diversified power demand forecast based on blocks