有源配電系統優化調度仿真教學工具設計

楊軍　王江　駱亞帥　王楠楠

摘? 要? 為適應分布式光伏滲透率不斷提高的有源配電系統運行調控教學培訓需求，開發一套仿真和實訓工具，從而為學員提供輔助教學工具。該工具需具備配電網圖形模型、分布式光伏模擬、發電功率預測、數據采集、故障處理模擬等功能，可實現基于案例的教學設計，能夠滿足學員針對分布式光伏高滲透率的有源配電系統調控技術的仿真培訓需求。通過仿真模擬、案例教學等多樣化手段，解決傳統教學方式受時間、設備等因素的限制，學員可隨時參與、深度交互，有效提升分布式光伏調度控制仿真教學效果。

關鍵詞? 分布式光伏；有源配電系統；仿真教學；案例教學

中圖分類號：G647.6? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0037-06

0? 引言

“雙碳”目標下，需要構建以新能源為主體的新型電力系統[1]，我國新能源開發遵循集中式與分布式并舉的原則，優先推動風能、太陽能就地就近開發利用[2]。隨著技術不斷成熟以及國家政策的不斷推動，分布式光伏裝機迎來快速發展。截至2022年6月底，國家電網公司經營范圍分布式新能源裝機容量1.16億千瓦，華北、華中、華東分布式光伏滲透率分別為17.81%、9.85%、9.92%，傳統配電網正加快向高滲透率分布式光伏的有源配電網演變[3]。

分布式光伏出力具有較強的間歇性、波動性和不確定性，其分散、高滲透接入配電網將導致嚴重的電壓波動、越限[4]等問題，影響電網經濟安全運行[5]。從設備成本、系統可靠性來看，對分布式光伏的逆變器加以控制[6]，實現無功電壓的可調可控的目標，是目前解決有源配電網無功電壓波動、越限問題的有效手段。有源配電網電壓控制可以采用多種方法，包括基于靈敏度的本地控制[7]、分層分區控制[8]、群調群控[9]、多時間尺度協調控制[10]、基于柔性互聯設備的電壓控制[11]、多產銷者互動調壓[12]等。針對配電網及分布式電源調控仿真模擬，研究者設計了基于改進引力搜索算法的無功優化仿真方法[13]、基于虛擬儀器的電壓無功綜合控制系統[14]、光伏發電并網虛擬仿真系統[15]等。隨著分布式光伏滲透率的不斷提高，傳統仿真方法未充分考慮分布式光伏參與電網調控的新形勢，不能滿足新型電力系統對學員專業知識和素質能力的學習需求。

為適應分布式電源滲透率不斷提高的有源配電系統運行調控教學培訓需求，亟須開發分布式電源優化調度仿真實訓工具，為學員提供輔助教學工具，解決傳統課件式培訓受時間、設備、師資等諸多因素限制，無法達到有效培訓目標的問題，使受訓人員可以隨時參與、深度交互，并實現豐富的案例教學，有效提升了分布式光伏調度控制的仿真教學效果，為新型電力系統下有源配電網優化調度技術人才培養提供支持。

1? 總體架構設計

1.1? 功能需求

開發一套有源配電系統優化調度仿真和實訓工具，通過仿真模擬與案例教學，提升學員的理論知識、技術能力以及專業素質。

1）在理論知識方面，能夠使學員掌握有源配電網圖形模型及網絡拓撲分析方法，掌握分布式光伏出力特點及預測方法，掌握分布式光伏有功及無功控制能力及特點，掌握分布式光伏對配電網電壓影響分析計算方法，掌握分布式光伏自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）、自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）、一

次調頻（Primary Frequency Regulation，PFR）等的機理和方法，理解分布式光伏群調群控的原理和生成方法。

2）在技術能力方面，能夠使學員提升有源配電網運行狀態分析與判讀能力，掌握分布式電源調控指令下發及操作能力，提升基于理論知識和現代工具分析和解決工程實際問題的能力。

3）在專業素養方面，能夠培養學員“雙碳”和生態文明意識；具備自主學習、適應發展和終身學習的意識和素養，具備工程倫理的理念。

1.2? 系統運行環境

系統運行環境如圖1所示，主要包括用于分布式光伏模擬的工作站1臺，用于模擬數據采集模塊的工作站（或實體通信管理機）1臺，交換機1臺，用于模擬調度主站的服務器1臺。將分布式電源調度培訓系統安裝在調度模擬服務器上，服務器通過IEC104規約[16]實時采集分布式光伏模擬工作站的數據，并通過客戶端/服務器模式與多個操作站進行數據交互。學員通過培訓操作站查看配電網運行狀態，通過調度主站模擬服務器下達指令，調整與優化分布式光伏運行狀態。

2? 仿真模擬教學設計

有源配電系統優化調度教學工具需要具備配電網圖形模型、分布式光伏仿真模擬等功能，使學員有效掌握有源配電網調控知識和技能。仿真模擬教學設計主要包括光伏運行模擬、發電預測、數據采集、調度模擬以及案例定義等主要功能模塊。

2.1? 配電網圖形模型

如圖2所示，基于電氣元件模型及連接關系構建有源配電網拓撲，實時顯示配電網穩態運行狀態，使學員掌握有源配電網圖形模型及拓撲結構；掌握分布式光伏接入對配電網電壓的影響分析與仿真方法；掌握有源配電網運行狀態分析與判斷能力。

2.2? 光伏配置

分布式光伏模擬模塊，包括曲線配置、光伏運行實時數據生成等功能，用于模擬分布式光伏運行。光伏出力特性與光照強度密切相關，具有間歇性、隨機性和波動性，學員可以對其出力曲線進行配置。從而掌握分布式光伏發電原理，掌握伏安特性曲線與最大功率點跟蹤原理，掌握光照、溫度對光伏出力的影響趨勢，以及光伏發電量分析計算方法。

光伏配置的典型曲線如圖3和圖4所示，在晴朗天氣，光伏出力類似于正弦半波。在多元天氣，由于光照強度波動較大，導致光伏出力發生較大波動，秒級最大降幅可達50%以上。

2.3? 功率預測

配電網運行調度需要建立在對電源出力的準確預測基礎之上[17]，通過功率預測模塊使學員理解分布式光伏功率預測對配電網調度控制的重要意義，理解光照、溫度對光伏出力影響的定量分析方法，理解常用的光伏功率預測方法，理解光伏預測絕對誤差、相對誤差、準確率的計算方法。

分布式光伏發電預測，用于預測分布式光伏發電曲線、最大理論可發等數據，包括短期預測與超短期預測。短期預測要求在調度機構規定的時間上報次日0時至24時功率曲線，時間分辨率為15分鐘；超短期預測要求滾動預測未來15分鐘至4小時的功率曲線，時間分辨率為15分鐘。

在分布式光伏模擬主機建立光伏預測的曲線顯示畫面，從Excel導入的光照強度、溫度、歷史發電量等數據，并模擬氣象信息的預測值。對每一個分布式光伏單獨設計一個畫面，每15分鐘更新預測曲線。將每日的數據保存在歷史數據庫，并與實際功率曲線進行對比，實時展示絕對誤差和相對誤差等。

2.4? 數據交互

數據交互模塊用于光伏模擬工作站與調度服務器的通信交互，包括IEC104服務端、IEC104客戶端、實時數據刷新、指定執行等功能，用于采集分布式光伏模擬模塊數據和執行調度模擬模塊下發指令。通過數據交互模塊，使學員理解IEC104通信規約的機理與數據交互過程；理解分布式光伏可觀可測可調可控，對數據采集范圍及控制等功能的需求，以及對通信實時性、可靠性等的需求；培養數據思維，理解多方式實時數據處理和展示的方法；具備工程倫理的理念。

采用IEC104規約實現配電主站與分布式電源終端的數據交互，包括IEC104服務端、IEC104客戶端、遙測遙信采集、遙控指令執行等功能。

2.5? 有源配電網調度模擬

有源配電網調度模擬模塊，主要功能包括AVC優化、AGC優化、群調群控等，用于模擬分布式光伏與配電網調度主站。

根據分布式光伏并網逆變器技術要求等相關標準規定[18]，接入用戶側的分布式光伏系統并網點功率因數應實現0.95（超前）～0.95（滯后）范圍內連續可調，并具備電壓/無功控制，恒定功率因數和恒定無功功率等控制模式。同時，分布式光伏逆變器宜具備有功功率連續平滑調節的能力，能接受功率控制系統指令調節有功功率輸出值。

因此，光伏逆變器需要參與配電系統的調度控制，為電壓和頻率提供支撐。通過對分布式光伏運行控制的仿真模擬，使學員掌握分布式光伏逆變器功率控制原理、控制能力及特點；掌握分布式光伏的AVC、AGC、PFR等的原理與方法；掌握調控指令設置、下發及效驗方法；培養靈活運用理論知識分析與解決復雜工程實際問題的能力。

1）AVC指令下發。學員可以為各個分布式光伏站點下達AVC指令，當并網點的電網電壓幅值越限時能夠按照可調整的Q-V下垂曲線去自動控制無功輸出。AVC功能如圖5所示，具體可設置參數包括無功功率值、死區范圍等。

2）AGC指令下發。分布式光伏的AGC指令下發可以與AVC系統兼容設計，共用底層控制器，增加上層有功功率控制功能即可。如圖6所示，學員可以下達AGC指令，包括有功功率設定值、調整范圍等。

3）PFR指令下發。隨著分布式光伏滲透率逐漸增大，PFR是提高電網頻率穩定性不可或缺的技術要求。學員可以根據并網點頻率信息，快速調節分布式電源有功出力，實現有功—頻率下垂響應的控制功能。PFR控制功能模擬如圖7所示，當電網頻率高于額定頻率時，分布式電源有功功率可最低向下調節額定出力的10%；當電網頻率低于額定頻率時，由于一般運行于最大功率跟蹤點，不具備增加有功功率的能力；當存在有功功率備用，或者額外的儲能裝置時，方可具備雙向有功—頻率調節能力。

4）群調群控功能。以電氣距離接近、集中管控為原則，分層分區實現分布式電源的集群化調節（多個分布式電源集中響應控制及調度指令），參與配電網調壓。學員可以選擇群控群調方式包括恒無功功率控制、恒功率因數控制、分群控制等。分群控制的模擬頁面如圖8所示，學員可選擇三種調壓手段以及選擇加入的節點群對配電網節點電壓大小進行改變。

3? 案例教學設計

案例定義模塊，用于裝載系統默認案例、提供運行案例自定義功能，實現培訓人員深度交互式培訓。根據配電網規模、光伏滲透率水平、光伏接入位置與容量、負荷特性等的區別，定義不同的案例進行模擬。使學員掌握有源配電網常見拓撲結構和接線方式、掌握分布式光伏并網方式、接入位置和容量配置策略。

以學員為中心，基于學習產出的教育模式（Outcomes-based Education， OBE）[19]，設計有源配電網電壓調節仿真模擬案例。通過案例教學，學員可以掌握分布式光伏運行特性、功率調節指令響應原理，掌握分布式光伏接入對配電網電壓的影響計算分析方法，掌握基于AVC、AGC調整節點電壓的原理與方法，掌握調控指令下發及操作流程，提升分析和解決工程實際問題的能力。

基于所開發的仿真培訓軟件開展案例演示，設置有源配電網圖形模型初始狀態，局部電壓越限狀態，通過AVC、AGC的指令下發操作，觀察電壓變化情況，電壓恢復正常則案例結束。

初始狀態下，在光伏電站2和3接入的節點及附近出現了節點電壓越限情況，且光伏接入點3附近的節點電壓越限程度最大。

電壓調節的總體思路如圖9所示，分布式光伏優先采用就地控制策略；若節點電壓仍越限，則采用無功功率調節的方式；當無功用盡電壓仍未恢復正常，則采用有功優化縮減的方法。

通過AVC控制指令設置光伏電站的無功出力，圖10為電壓恢復情況，可見通過AVC調節可以使配電網電壓恢復正常。

4? 結束語

本文設計和研發一種有源配電系統調控模擬仿真教學培訓軟件，具體包括：分布式光伏模擬、發電功率預測、數據采集、調度主站模擬、案例定義等功能模塊。軟件已完成部署與應用，運行狀態良好，滿足學員針對分布式光伏調控技術的仿真模擬與教學培訓需求。通過多樣化的教學手段，解決了傳統培訓方式受時間、設備條件、師資力量等因素的限制，有效提升了實踐教學的效果。

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*項目來源：北京市高等教育學會2022年立項面上課題（MS2022145）；北京市高等教育學會2022年立項重點課題（ZD202241）。

作者簡介：楊軍，博士，高級工程師。