考慮運行風險的主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

吳蓉，秦 璐，徐天誠，朱婷婷

（國網(wǎng)孟津縣供電公司，河南 洛陽 471100）

隨著可再生能源分布式供電建設的大力發(fā)展，不僅增加了配電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性，降低了環(huán)境污染，也使配電網(wǎng)供電更加的方便靈活、安全穩(wěn)定[1]。由于配電系統(tǒng)中存在大量間歇性能源，為了有效控制和管理這些資源，采取了主動配電網(wǎng)技術[2]。通過優(yōu)化各種可控設備，對主動配電網(wǎng)進行調(diào)度管理，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益[3]。使用的考慮綜合承載力的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)[4]和含微電網(wǎng)群的主動配電網(wǎng)雙層聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)[5]，結合優(yōu)化潮流算法，構建主動優(yōu)化調(diào)度模型。然而，在主動配電網(wǎng)中，需要調(diào)度的設備較多，潮流計算速度較慢，無法體現(xiàn)出靈活調(diào)度的特點。為此提出考慮運行風險的主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，將長期全局優(yōu)化策略與短期區(qū)域自主控制策略相結合，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行的優(yōu)化。通過研究表明，分布式優(yōu)化調(diào)度可以起到實時控制和管理配電網(wǎng)的運行，對分布式電源的預測精度要求較高，具有實時能量約束和靈活的負荷參與的特點，實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

為實現(xiàn)安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟、高效運行的配電網(wǎng)，在系統(tǒng)硬件結構設計中，優(yōu)化配電網(wǎng)電源、調(diào)度電荷，實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度[6]。

采取主動式配電網(wǎng)絡多源優(yōu)化調(diào)度技術，能夠有效控制和管理接入配電網(wǎng)的資源，通過調(diào)度員操作調(diào)控，使配電網(wǎng)的運行更加高效穩(wěn)定[7]。圖1 為系統(tǒng)硬件結構。

圖1 系統(tǒng)硬件結構設計

從圖1 可以看出，分別由物理層、應用平臺層和決策層組成了系統(tǒng)硬件結構。在配電網(wǎng)網(wǎng)絡層的基礎上，物理層負責設備的優(yōu)化調(diào)度，以確保電壓質(zhì)量和經(jīng)濟運行[8]。在需求側的基礎上，應用平臺層采用配電網(wǎng)控制終端，對主動式配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的關鍵設備進行監(jiān)控[9]。決策層通過應用平臺層獲取各種信息，對主動式配電網(wǎng)絡進行預測[10]。

1.1 饋線終端單元

使用TI 公司生產(chǎn)的TMS320LF2407 型號數(shù)字信號控制器作為饋線終端單元的主要控制器，結合DSP數(shù)字信號處理技術，不僅降低了控制器的功耗，而且提高了控制管理效率[11-12]。圖2為饋線終端單元。

圖2 饋線終端單元

由圖2 可知，將硬件結構層次化，共分為上下兩層，其中上層負責數(shù)據(jù)采集，包括模擬量輸入模塊、A/D 轉換模塊、通信接口模塊、開關量輸入、光電隔離模塊以及外擴存儲器模塊等；下層負責數(shù)據(jù)整理，包括電源模塊、串口電平轉換器模塊以及開關量輸出模塊等[13]。采用這種層次清晰、模塊化的設計模式，方便系統(tǒng)調(diào)試與維護[14]。

1.2 配電終端單元

配電終端作為配電網(wǎng)的關鍵部分，主要應用于10 kV 架空線路上，負責對配電線路的運行檢測與監(jiān)控，并對配電網(wǎng)開關、電路、電容器等一次裝置進行實時監(jiān)控[15]。配電終端單元如圖3 所示。

圖3 配電終端單元

由圖3 可知，在有線通信或無線通信的基礎上，配電遠方終端系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)采集，檢測識別開關故障及運行狀態(tài)，上傳信息并接收控制指令，實現(xiàn)不間斷供電[16-20]。

1.3 遠程終端單元

遠程終端單元是一種采用模塊化結構的專用計算機測控裝置，能夠在惡劣工作環(huán)境中，監(jiān)測與控制長距離通信。遠程終端單元如圖4 所示。

圖4 遠程終端單元

由圖4 可知，高可靠性的多任務操作系統(tǒng)，通過實時內(nèi)核對資源進行封裝，并根據(jù)每個任務的優(yōu)先級合理分配CPU 時間。有效的多任務支持一直是遠程終端設計的主題，它能統(tǒng)一遠程終端上的任務，優(yōu)化CPU 時間和系統(tǒng)資源分配。

1.4 IEC61968信息交換總線

基于IEC61968 的信息交換總線與適配器連接，其架構如圖5 所示。

圖5 IEC61968信息交換總線

從圖5 可以看出，其工作原理主要分為兩部分：信息交換總線和適配器。在信息交換總線單元中，主動分析單元是該單元的中心，其主要任務是負責采集流通總線的全部數(shù)據(jù)，為適配器提供控制信息。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

2.1 考慮運行風險的多源優(yōu)化調(diào)度目標確定

對主動式配電網(wǎng)絡進行優(yōu)化調(diào)度，是主動式配電網(wǎng)絡實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟和高效運行的重要保證，也是主動式配電網(wǎng)絡實施分布式能源主動管理的核心目標。

由于主動式配電網(wǎng)中的柔性負荷具有較高的熱慣性，且靈活性較強。主動配電網(wǎng)多源設備包括熱水器、空調(diào)、電視、商場和單位的中央空調(diào)等設備。在此基礎上，從負荷的靈活性和可控性出發(fā)，引導用戶將彈性負荷從高價轉化為低價形式，使主動配電網(wǎng)實現(xiàn)削峰填谷，在最佳優(yōu)惠價格下穩(wěn)定運行。

主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度目標是用戶期望的電價，其計算公式為：

式（1）中，λ1、λ2均表示期望電價系數(shù)，PIf(t)表示用電量。對t時刻彈性負荷的需求越大，期望電價越低。反之，彈性更小的負荷需求將導致期望電價更高。因此，當電網(wǎng)價格高于彈性負荷的預期價格時，可以降低彈性負荷。當電網(wǎng)價格降至低于預期價格時，可以通過增加負荷彈性，使負荷調(diào)度達到削峰填谷效益。

充分考慮電價高而導致的后果，確定基于三維多源優(yōu)化調(diào)度目標，如圖6 所示。

圖6 基于三維多源優(yōu)化調(diào)度目標

由圖6 可知，根據(jù)主動配電網(wǎng)實際運行情況，依據(jù)上述確定的目標，構建調(diào)度模型。

2.2 主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度方案設計

采用配網(wǎng)自治和協(xié)調(diào)機制，建立三級配網(wǎng)、饋線和自治區(qū)聯(lián)動機制的策略方案，使各區(qū)域能夠互補，保持局部平衡。

按照配電網(wǎng)絡的運行特點，將空間配電饋線分為三層。信息上傳的基礎是基于目標的自動自治和自治區(qū)信息傳遞，在此基礎上，利用目標優(yōu)化曲線的坐標，實現(xiàn)了三層配電饋線區(qū)域的協(xié)調(diào)優(yōu)化，如圖7所示。

由圖7 可知，綜合分析了微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)和電力需求側管理系統(tǒng)的調(diào)度能力和分布式電源的特點，提出了自治區(qū)電網(wǎng)的調(diào)度方案。根據(jù)各自治區(qū)的調(diào)度能力、配電網(wǎng)的特點、用戶負荷的特點以及饋線等級儲能的特點，對饋線等級、配電網(wǎng)的調(diào)度能力主要取決于供電系統(tǒng)的供電能力。將數(shù)據(jù)流與下游數(shù)據(jù)流分開，實現(xiàn)饋線一級區(qū)域協(xié)調(diào)，實現(xiàn)整個配電網(wǎng)區(qū)域的區(qū)域自治、交互協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制。

3 實驗

將JADE 平臺作為基礎平臺，構建多代理實驗環(huán)境。該平臺基于Java 語言開發(fā)，主要用于考慮運行風險的主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)實驗。基于IEEE33 節(jié)點中，存在較大的4 個節(jié)點，在這些節(jié)點下添加電源和儲能，主動配電網(wǎng)節(jié)點結構如圖8所示。

圖8 主動配電網(wǎng)節(jié)點結構

在上述主動配電網(wǎng)節(jié)點結構支持下，分析不同時間下節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量，如圖9 所示。

圖9 不同時間下節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量

由圖9 可知，在0：00-4：00 時，節(jié)點調(diào)度儲能充電，有效增加了節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量；在4：00-8：00時，通過增加柔性負荷進行小電流放電，這時的節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量與節(jié)點調(diào)度儲能充電數(shù)量一致；在8：00-12：00 時，節(jié)點處于調(diào)度儲能充電過程中，柔性負荷減少，此時節(jié)點向電網(wǎng)購電的需求減少，即購電數(shù)量較少；在12：00-16：00 時，由于節(jié)點調(diào)度儲能在上個階段釋放過多，需在該時間段充電，所以節(jié)點向電網(wǎng)購電的需求增加，即購電數(shù)量較多；在16：00-20：00 時，通過增加柔性負荷進行小電流放電，此時節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量與調(diào)度儲能基本持平；在20：00-24：00 時，節(jié)點調(diào)度儲能放電較少，導致柔性負荷增多，即購電數(shù)量略微增加。

基于上述實際數(shù)據(jù)，分別采用文獻[4]系統(tǒng)、文獻[5]系統(tǒng)以及所研究的多源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)對比分析不同時間下節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量，對比結果如圖10 所示。

圖10 不同時間下節(jié)點向電網(wǎng)的購電數(shù)量

由圖10 可知，使用文獻[4]系統(tǒng)的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型在8：00-12：00 前節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量趨勢與實際趨勢一致，但比實際負荷高2 MW，在4：00-8：00 后節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量變化趨勢較大，最大相差5 MW；使用文獻[5]系統(tǒng)在0：00-4：00節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量趨勢與實際趨勢一致，但比實際負荷低2 MW，在0：00-4：00 后節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量變化趨勢較大，最大相差4 MW；使用考慮運行風險的主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)在0：00-4：00到20：00-24：00 時間段內(nèi)，節(jié)點向電網(wǎng)購電的數(shù)量趨勢與實際趨勢一致，誤差為0。

4 結束語

主動配電網(wǎng)多源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)充分考慮了運行風險，是針對主動配電網(wǎng)中家用電器和其他設備用電行為的不可控性而設計的策略。多源優(yōu)化調(diào)度策略從理論上解決了配電網(wǎng)絡復雜運行中存在的問題，不僅提高了新能源消納量，而且有效地降低了調(diào)度運行費用，滿足了當今智能生活生產(chǎn)的電力需求。在科學技術迅猛發(fā)展的今天，應進一步優(yōu)化主動配電網(wǎng)的多場景建模模塊，以此確保系統(tǒng)能更安全、高效地運行。