大數(shù)據(jù)聯(lián)盟下一種分布式光伏資源共享算法設(shè)計(jì)

劉洋　劉吉成

摘要：為了提升分布式光伏資源利用率，提高時(shí)均用電效率，提出大數(shù)據(jù)聯(lián)盟下分布式光伏資源共享算法。依據(jù)光伏發(fā)電-電-用電價(jià)值鏈建立資源共享目標(biāo)，并在約束條件下利用線性電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型建立主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇矩陣，劃分資源共享集群。針對(duì)集成的分布式光伏資源，依據(jù)大數(shù)據(jù)聯(lián)盟理論，將資源共享分為兩種資源共享模式，建立資源共享動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)資源共享。結(jié)果表明，所提方法的資源共享效果較好，能夠有效提升資源利用率，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分布式光伏資源；資源共享；價(jià)值鏈；資源利用率；時(shí)均用電效率

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-1646（2024）01-0109-06

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于能源的需求不斷增長(zhǎng)，引發(fā)了越來(lái)越多的環(huán)境問(wèn)題。以非可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)保需求，因此，人們將目光轉(zhuǎn)移向風(fēng)力、光伏、水電等清潔能源，尤其是光伏資源具有分布范圍廣、開(kāi)發(fā)潛力大等特點(diǎn)，成為最受到關(guān)注的能源。考慮到光伏能源的分散性，分布式光伏資源的集中共享成為亟待解決的問(wèn)題之一。

相關(guān)學(xué)者提出了自己的看法：羅首權(quán)等根據(jù)可調(diào)度資源的歸屬主體，明確區(qū)域可調(diào)度資源種類(lèi)，在保證主體利益平衡的基礎(chǔ)上，建立以用電滿(mǎn)意度最高為目標(biāo)的雙層優(yōu)化共享模型。通過(guò)目標(biāo)級(jí)聯(lián)分析法不斷調(diào)整調(diào)度資源量，實(shí)現(xiàn)分布式資源的集中分配。但是，該算法需要調(diào)度大量聯(lián)動(dòng)的硬件資源，運(yùn)行成本較高，時(shí)均用電效率較低。付文杰等為了解決分布式資源集中共享問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種雙層規(guī)劃模型，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)分布式資源容量?jī)?yōu)化。雖然方法按照強(qiáng)對(duì)偶理論將規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)公式進(jìn)行求解，但是方法以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，要求執(zhí)行過(guò)程不能中斷，導(dǎo)致其抗干擾能力較差。陳瑞捷等從光伏出力不確定性人手，設(shè)計(jì)一種以模糊集理論為核心的兩階段調(diào)度模型。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)資源調(diào)度的約束條件后，優(yōu)化調(diào)度模型，得到合理的資源共享方案。但是，該方法分階段調(diào)度過(guò)程中相互之間缺少協(xié)調(diào)機(jī)制，應(yīng)用后資源利用率依舊較低。以解決上述共享算法的不足為目標(biāo)，本文基于大數(shù)據(jù)聯(lián)盟理論，設(shè)計(jì)了一種分布式光伏資源集成共享算法，力圖解決當(dāng)前存在的問(wèn)題。

1 算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1 建立光伏資源共享目標(biāo)約束條件

在資源集成共享算法設(shè)計(jì)中，首先需要建立共享目標(biāo)約束條件，在此基礎(chǔ)上完成后續(xù)計(jì)算。針對(duì)分布式光伏資源的運(yùn)行模式，可以得出光伏發(fā)電一儲(chǔ)能一用電價(jià)值鏈。資源共享目標(biāo)約束條件的建立需要從價(jià)值鏈節(jié)點(diǎn)活動(dòng)人手。光伏發(fā)電-儲(chǔ)能-用電價(jià)值鏈節(jié)點(diǎn)之間的互動(dòng)關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，在價(jià)值鏈中通過(guò)光伏節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電，為儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)、用電節(jié)點(diǎn)提供能源支持。而儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)的主要職能是保存日常供電后剩余的光伏資源，也是資源共享的主體。以此為基礎(chǔ)建立目標(biāo)約束條件，具體包括兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，分別是能源交易總利潤(rùn)和用電效率。

實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，選取固定時(shí)間段，根據(jù)資源共享收益和光伏資源產(chǎn)生成本得到資源共享總利潤(rùn)，計(jì)算表達(dá)式為

式中：λ為光伏資源共享總利潤(rùn)；M為配電網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)數(shù)量；i為某用戶(hù)；T為集中共享時(shí)間段；t為時(shí)刻；，為用戶(hù)在選定時(shí)刻通過(guò)共享向外輸出的資源量；B為用戶(hù)在選定時(shí)刻通過(guò)共享向內(nèi)輸入的資源量。

用電效率是所有用戶(hù)總用電量與光伏資源總發(fā)電量之比，需要注意的是總用電量的計(jì)算需要用總用電量減去外部買(mǎi)入電量，即

式中：θ為用電效率；F為光伏電網(wǎng)用電量；J為光伏資源發(fā)電量；D為從外部電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電量。在上述兩個(gè)共享目標(biāo)的約束下進(jìn)行光伏資源集中共享研究。

1.2 分布式光伏資源共享集群劃分

考慮到分布式光伏資源會(huì)受到外界因素干擾，存在不確定性，為了達(dá)到更好的資源共享效果，針對(duì)分布式光伏集群進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，實(shí)現(xiàn)光伏資源集成處理。文中設(shè)計(jì)的光伏集群劃分方法主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇；二是集群劃分。基于光伏資源共享區(qū)域的電壓偏差調(diào)節(jié)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功電源出力，選取區(qū)域內(nèi)二次指標(biāo)最小的節(jié)點(diǎn)為主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算過(guò)程中，利用線性電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型建立主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇矩陣，結(jié)合靈敏度矩陣進(jìn)行線性處理，便于集群劃分計(jì)算，規(guī)模化分布式光伏配電網(wǎng)線性化矩陣可表示為

式中：S1、S2、S3、S4為節(jié)點(diǎn)靈敏度矩陣；AX為擾動(dòng)增量；△Y為控制增量；△C為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓增值；△V為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率的變化量。考慮到光伏資源共享區(qū)域內(nèi)往往包含多個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，為了準(zhǔn)確選取主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)η的目標(biāo)約束條件G為

η（G）=min（φ△C△V） （4）

式中，φ為對(duì)稱(chēng)權(quán)值。主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)束后，需要根據(jù)分布式光伏的調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度等特點(diǎn)進(jìn)行集群劃分，分布式光伏場(chǎng)站的可調(diào)容量是集群成員選取的依據(jù)。將光伏并網(wǎng)逆變器感性無(wú)功功率約束區(qū)間表示為

2 共享效果驗(yàn)證與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)背景與場(chǎng)景設(shè)置

在分布式光伏規(guī)模化發(fā)展、多點(diǎn)接人配電網(wǎng)的發(fā)展背景下可知，分布式光伏資源共享的關(guān)鍵問(wèn)題在于共享集群劃分，因此，要充分考慮資源共享區(qū)域內(nèi)電壓偏差問(wèn)題，搭建“高光伏出力、低系統(tǒng)負(fù)荷”場(chǎng)景驗(yàn)證所提方法的有效性與可行性。采用MATLAB仿真軟件搭建分布式光伏的典型配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，運(yùn)用MATLAB軟件搭建的仿真模型中共包含38個(gè)可觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，9個(gè)光伏電源以及1個(gè)變電站。參考分布式光伏的接入電壓規(guī)模，可以將其劃分為35kV、10kV、380V以及220V四個(gè)等級(jí)。按照集群劃分結(jié)果，對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)分布式光伏資源進(jìn)行集成共享處理。配電網(wǎng)內(nèi)分布式光伏電源的接入信息如表1所示。

根據(jù)表1可知，本次實(shí)驗(yàn)從裝機(jī)容量、通信方式兩方面描述光伏接入狀態(tài)。其中，觀測(cè)節(jié)點(diǎn)16、27、29、35所接入的光伏電源采用無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行通信，其余光伏電源的通信方式則是光纖通信。結(jié)合國(guó)家制定的供電標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，設(shè)置每個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓標(biāo)值在[0.93，1.07]之間。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源

以國(guó)電電網(wǎng)電子商務(wù)公司的光伏運(yùn)維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)1.1節(jié)中建立的光伏資源共享目標(biāo)約束條件，從中抽取能源交易總利潤(rùn)和用電效率相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 時(shí)均用電效率分析

在上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置場(chǎng)景下，展開(kāi)資源共享效果測(cè)試。結(jié)合式（2）得出資源共享后仿真系統(tǒng)的時(shí)均用電效率，并以此來(lái)反映文中設(shè)計(jì)算法的有效性。選用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在仿真環(huán)境中進(jìn)行光伏資源共享處理，同樣計(jì)算優(yōu)化后24h系統(tǒng)時(shí)均用電效率，得到圖3所示的用電效率對(duì)比圖。

根據(jù)圖3可知，相比其他兩種共享方法的優(yōu)化結(jié)果，所提方法的時(shí)均用電效率得到了明顯提升。所提方法在資源共享處理之前劃分了分布式光伏資源共享集群，準(zhǔn)確選取主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，有效提升了時(shí)均用電效率。

2.3.2 光伏資源利用率分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法分布式光伏資源集成共享效果，將資源利用率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以表1中分布式光伏節(jié)點(diǎn)16、20、23、29和35為目標(biāo)，驗(yàn)證3種方法對(duì)上述節(jié)點(diǎn)的資源利用效果，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，所提方法的資源利用率高于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，通過(guò)該方法處理后，光伏資源的利用率始終高于92%，說(shuō)明其能夠有效提升光伏資源的利用效果，有利于緩解資源浪費(fèi)問(wèn)題。所提方法結(jié)合分布式光伏的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)能力等特點(diǎn)對(duì)光伏集群進(jìn)行了劃分，然后再進(jìn)行集成處理，提升了光伏資源利用率。

2.3.3 資源共享抗干擾效果分析

由于分布式光伏資源會(huì)受到外界因素干擾，存在不確定性，因此，從抗干擾效果出發(fā)驗(yàn)證不同方法的資源共享效果。通過(guò)電壓偏差反映抗干擾效果，其計(jì)算表達(dá)式為

式中：U為實(shí)際電壓；UN為電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓。根據(jù)式（15）計(jì)算得出不同方法的電壓偏差，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段3種方法的電壓偏差變化趨勢(shì)明顯，其中，文獻(xiàn)[3]方法呈現(xiàn)出快速下降的特點(diǎn)；文獻(xiàn)[4]方法呈現(xiàn)出快速上升的特點(diǎn)；而所提方法的電壓偏差則保持在相對(duì)穩(wěn)定的變化區(qū)間。通過(guò)對(duì)比可知，所提方法的電壓偏差較為穩(wěn)定，說(shuō)明在分布式光伏資源共享中，所提方法不易受到干擾因素的影響，抗干擾效果較好。本文針對(duì)分布式光伏集群進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，并結(jié)合靈敏度矩陣進(jìn)行線性處理，避免了傳統(tǒng)方法以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，要求執(zhí)行過(guò)程不能中斷的問(wèn)題，使方法的抗干擾性能得到了提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)分布式光伏資源的集成共享問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種新的共享算法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所提方法有效提升了配電網(wǎng)的時(shí)均用電效率，達(dá)到了提升光伏資源利用率的目的，同時(shí)提升了資源共享的抗干擾效果，說(shuō)明所提方法的資源共享效果較好，能夠有效提升資源利用效果。下一步研究重點(diǎn)是將用戶(hù)不確定性因素融入到共享算法中，實(shí)現(xiàn)日前市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的資源協(xié)調(diào)調(diào)度。

（責(zé)任編輯：景勇 英文審校：尹淑英）