基于多元源網荷儲的配電網規劃方法研究

于冰濤，劉文娟

1.天津天智華研電力技術集團股份有限公司，天津 300001

2.北京中恒博瑞數字電力科技有限公司，北京 100001

0 引言

環境的變化使得電力企業監管體系的創新勢在必行。基于多元源網荷儲的配電網規劃需要建立在源網荷友好交互系統之上[1]，這對當下的我國還是一種陌生事物，缺乏相應的管理制度及運轉模式，從而極大地影響了其在電力企業的應用效果[2]。電力企業在源網荷儲模式的協同優化方面面臨的問題非常復雜和多元化，源網荷儲需要的超高壓材料對電網的安全水平和事故預防能力提出了更高的要求，再加上當下新能源及可再生資源的發展，給電網的安全控制及平穩運行帶來了極大的挑戰。

因此，電力企業需要改進管理制度，做好基于多元源網荷儲的配電網規劃設計。

1 多元源網荷儲的基本功能

1.1 源源互補

隨著分布式電源的廣泛并網，未來電網中的一次能源將呈現出多樣性，其空間和時間將具有一定的互補性。同時，隨著大規模儲能技術和設備的發展與應用，未來配電網中的能源將具有更強的相關性和動態廣域互補性。通過主動配電網的源源互補和互動運行，利用主網電能、儲能設備、多類型分布式等能源的廣域互補性、相關性效應，可以彌補單一分布式可再生能源的隨機性、間歇性、波動性等缺點，進而提高配電網供電的可靠性、可再生能源的利用率以及系統的自我調節能力，減少電網備用容量[3]。

1.2 源網協調

隨著FACTS技術和設備的應用，未來的電網必將是柔性電網，而且大型風電、光伏等可再生能源與分布式能源將大規模接入電網。未來的源網協調主要表現在兩個方面：

一方面，將大規模接入的間歇性新能源與傳統水電、火電甚至核電進行分工協作，聯合打捆外送；

另一方面，組合應用主動配電網內部豐富的分布式能源，提高配電網的靈活性、經濟性，提高配電網的運行效率[4]。

源網協調技術將極大地提高間歇性可再生能源地可調度性、可控制性，提高電網對新能源的消納能力，提高新能源的友好性。

1.3 源網荷儲

隨著新能源的發展，多元源網荷儲可以在峰值儲存電能，在電力谷值釋放儲能，有利于配電網用電量的供給，提高新能源的利用效率。

2 基于多元源網荷儲的配電網規劃設計

2.1 基于線性規劃建立優化目標函數

在基于多元源網荷儲的配電網規劃過程中，應將源網按照運算符劃分節點，并將每個節點作為一個線性調度內容進行處理，處理過程如下[5]：

式中：g(x)為源網標準化控制模式；ki(i=1,2,…,n)xi(i=1,2,…,n)為項目處理系數；為線性同步處理項目；n為處理次數。

為了降低源網荷儲成本，提高控制效率，使配電網規劃更為合理，可選擇在線性約束條件下建立優化控制目標函數，計算源網荷儲約束的極值，得到的目標函數如下：

式中：Pen,i為線性規劃中第i條線路的源網荷載；PDG,L為線路總能耗下的網絡能源成本控制的源網荷載；PB,H為源網代理功率下的優化控制目標；Ck為項目處理下的線性規劃；C1為項目處理下的線性規劃源網荷儲約束規劃；DG為網絡線路中可再生能源的成本；e為源網荷載；n為線性規劃下的約束條件；B為源網代理功率；L為線路總能耗；H為優化控制目標。

根據式（2），可以選擇源網控制最小目標。在選定線性控制目標的基礎上，劃分在線性約束下的源網荷載能源分布層次。源網荷載能源分布最頂層為協調控制的起始端，應將優化控制的目標直接與荷儲控制建立聯系，并將其完全置于與內置ARM的源網線性關系中。為此，選擇一個源網控制節點作為自變量，建立多元線性回歸方程檢索源網頂層的優化控制目標[6]，函數表達式為

式中：ni為源網儲存能源在某一節點的使用量；mi為使用量的平均值；α和β分別為荷載控制與荷載優化系數；εi為在線性回歸方程中無法直接控制的荷儲能源量。

根據式（3），將控制目標近似看作一個整體，可以達成選擇源網荷儲優化控制目標的目的。

2.2 多空間源網荷儲約束

結合基于線性規劃的源網荷儲優化控制方法，根據源網的不同層荷儲量劃分源網優化控制空間。考慮到不同空間內源網的正消耗量，需要計算負載狀態下的源網荷儲在傳輸功率過程的能源消耗，計算公式如下：

在能源傳輸過程中，損耗的能源量通常在5%～9%[7]。為此，在明確回歸方程控制變量的情況下，將控制變量設置為優化目標，根據源網荷儲空間的使用量歷史數據統計相關資料，并以此為依據，明確源網在不同狀態下的源網荷儲優化控制條件。多元源網荷儲約束條件如表1所示。

表1 多元源網荷儲約束條件

為了獲得源網的等邊優化約束條件，采用控制約束邊界成本的方式引入自適應擴散算法，對迭代產生的節點數據進行二次更新[8]，并估算全局的約束成本，進而在實現主動源網荷儲間協調運行的基礎上，對擴散邊界源網實施有效約束[9]。

2.3 目標函數求解

在源網荷儲運行中，求解目標函數，得到：

式中：qi為源網荷儲優化控制邊界；λi為控制上限元素集合；δi為控制下限元素集合。

采用控制協調面板的方式控制源網荷儲面板中的能源輸送功率，根據控制功率的大小進行優化增量值的計算，計算公式如下[10]：

式中：ΔP為功率增量；PT0為能源穩定存儲目標的計劃控制功率；PT為實際輸出功率。

根據式（6），可分析荷儲優化控制偏差值。結合線性約束條件選擇控制路徑，建立路徑與目標的映射聯系，及時矯正在優化控制中出現偏差的路徑，依照環境對優化控制提出的要求，提升優化控制過程的穩定性，實現基于多元源網荷儲的配電網規劃設計。

3 設計方法有效性的驗證實驗

3.1 實驗方法

為了驗證基于多元源網荷儲的配電網規劃設計方法的有效性，將其與傳統的規劃方法的源網荷儲的調速耗能情況進行比較，設計了如下對比實驗。

選擇某新能源變電站和某條出線配電線路為實驗對象，并按照實驗需求布設風力電廠和大型消耗燃氣的電動輪機，將實驗需求設備接入源網控制節點。選擇源網交換電站為此次實驗的充換電必須場所，并接入源網饋線節點。

在控制源網荷儲的過程中，源網運行需滿足下述要求。

3.1.1 負荷要求

源網運行可承受的最高負荷值為108 MW，其中，10 kV以下的供應設備可承受的最高負荷值為98 MW。

3.1.2 峰谷時段劃分

最高峰時間段為5：00～21：00，此時控制成本為0.455元/（kW·h）；低谷時間段為21：00～次日5：00，此時控制成本為0.205元/（kW·h）。

3.1.3 各級單元能源補償與供應量

為了確保此次實驗結果的準確性，可選擇8塊太陽能源網能源供應板。實驗所需源網供應板的相關參數設置如表2所示。

表2 實驗所需源網供應板的參數設置

3.2 實驗結果

根據表2選擇設備參數，完成實驗流程，采用基于多元源網荷儲的配電網規劃方法，選擇控制的配電網線路與控制目標對源網荷儲進行控制，計算控制目標的日消耗功率，并以此作為評估方法有效性的主要依據。之后，應用傳統方法進行相同步驟的操作，獲取兩種優化控制方法的日消耗功率數據，并整理實驗數據將其繪制成曲線圖，如圖1所示。由圖1可知，文章設計的基于多元源網荷儲優化后的控制方法在實際應用中消耗的功率明顯低于傳統方法與實時優化控制所消耗的功率，無論是實時優化控制方法還是傳統優化控制方法，均無法實現基于多元源網荷儲的配電網規劃優化控制方法的低耗能量。

圖1 優化控制效率功率對比

4 結論

綜上所述，基于多元源網荷儲的配電網規劃方法在應用中耗能更低，具有更高的實用性，更能滿足低能耗的市場需求。在基于多元源網荷儲的配電網規劃中采用合理的設計方法，可以有效節約降耗。