吳 爽,吳婧妤,王丙文,黃素娟,付 明
(國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106)
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
吳 爽,吳婧妤,王丙文,黃素娟,付 明
(國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106)
針對目前風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電均受天氣影響具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn),以及分布式電源特別是風(fēng)電、太陽能發(fā)電大量接入配電網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來的系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)適應(yīng)性、電壓控制、安全穩(wěn)定性等問題,研制出了一種分布式電源調(diào)控系統(tǒng)。在集中式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用給定調(diào)度關(guān)口功率的分布式電源最優(yōu)控制技術(shù)和分層分級分布式電源聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了分布式電源調(diào)控運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測以及協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等功能。文中具體介紹了分布式電源調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)功能、關(guān)鍵技術(shù)以及典型工程應(yīng)用。
分布式電源;調(diào)度關(guān)口功率;分層分級;發(fā)電功率
近年來,隨著全球能源緊缺、環(huán)境污染、氣候惡化等問題的日益嚴(yán)峻,加快開發(fā)利用可再生能源已成為國際社會(huì)的共識,大力發(fā)展可再生能源已成為我國的重要能源戰(zhàn)略措施。中國作為世界上能源消耗量和需求量都非常大的發(fā)展中國家,政府高度重視能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,大力發(fā)展可再生清潔能源。
規(guī)模化分布式電源接入對未來電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提出了挑戰(zhàn),電網(wǎng)公司將面對大量井噴式、小容量、分散化的分布式電源接入,這將對局域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響,具體表現(xiàn)為:分布式電源規(guī)模化接入后波動(dòng)的有功出力影響到電網(wǎng)功率平衡特性,進(jìn)而造成電網(wǎng)母線電壓大幅波動(dòng);分布式電源接入配電網(wǎng)后影響了傳統(tǒng)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線,電力電量平衡在多電源網(wǎng)絡(luò)下變得尤其復(fù)雜;極端工況甚至?xí)l(fā)生頻率急劇變化,頻率跌落速率及觸發(fā)低頻減載、高頻切機(jī)等安全穩(wěn)定裝置、保護(hù)裝置動(dòng)作的嚴(yán)重運(yùn)行問題;分布式電源通過換流器并網(wǎng),逆變器抗擾動(dòng)和過負(fù)荷能力相對較差,并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡、電壓/頻率波動(dòng)、短時(shí)電壓越限均可引發(fā)逆變器脫網(wǎng),電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)的局部劣化可能引發(fā)全網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1]。
目前分布式電源的管理方式較為簡單,通常由電網(wǎng)調(diào)度對區(qū)域內(nèi)所有分布式電源進(jìn)行單獨(dú)直接控制的模式[2],對配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和通訊的要求很高,經(jīng)濟(jì)性較差[3],并且我國配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)尚未形成成熟的且具備遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、控制功能的控制體系,而且配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)尚未形成專門針對分布式電源應(yīng)用的專用控制功能。
2014年浙江供電公司對嘉興秀洲區(qū)開展了分布式電源發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。研制出的分布式電源調(diào)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
1)采用開放式體系結(jié)構(gòu),提供一體化支撐平臺(tái)。采用國際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),支持多種硬件平臺(tái),所有功能模塊之間的接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。
2)系統(tǒng)具有高度的安全保障特性,保證數(shù)據(jù)的安全并具備一定的保密措施。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采用雙機(jī)熱備份,防止意外丟失。
3)系統(tǒng)的重要設(shè)備或設(shè)備的重要部件為冗余配置,保證整個(gè)系統(tǒng)功能的可靠性不受單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障的影響。
4)系統(tǒng)構(gòu)筑堅(jiān)固有效的專用防火墻和物理隔離機(jī)制,最大限度阻止從外部對系統(tǒng)的非法侵入,有效地防止以非正常的方式對系統(tǒng)軟、硬件設(shè)備及各種數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問、更改等操作。
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)對內(nèi)服務(wù)于電力調(diào)度、運(yùn)檢、營銷等業(yè)務(wù)部門,包含電力部門對分布式電源的所有業(yè)務(wù)需求,對外服務(wù)于政府和社會(huì),提供信息展示、信息定制和綜合評價(jià)等服務(wù)[4]。通過對分布式電源調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)研究與驗(yàn)證、強(qiáng)調(diào)信息的共享集成及綜合發(fā)布,以實(shí)現(xiàn)分布式電源的高效管理和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo);全面提升分布式電源的接入管理水平,更好的服務(wù)于分布式電源并網(wǎng)接入,降低分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行的影響程度,提高分布式電源利用率。
1.1 體系結(jié)構(gòu)
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)采用滿足實(shí)時(shí)多任務(wù)等需求的UNIX操作系統(tǒng)作為支撐軟件,支持IEC61850、IEC61970、CIM/CIS(公用信息模型/組件接口規(guī)范),通過信息交換總線實(shí)現(xiàn)營銷、配電信息一體化,從而實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間各類數(shù)據(jù)的交互,消除信息孤島,達(dá)成系統(tǒng)應(yīng)用智能化的集成與共享。

圖1 分布式電源調(diào)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
1.2 物理結(jié)構(gòu)
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、前置服務(wù)器、Web服務(wù)器、接口服務(wù)器、維護(hù)工作站、監(jiān)控工作站等組成,如圖2所示。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成參數(shù)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。應(yīng)用服務(wù)器部署并運(yùn)行各類管理應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)段與設(shè)備中控服務(wù)器、自助終端服務(wù)器通信,采集各類設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)發(fā)布。接口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)等系統(tǒng)間的信息交互。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,平臺(tái)采用了雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì),并通過負(fù)載均衡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分流,滿足海量數(shù)據(jù)的快速處理。

圖2 分布式電源調(diào)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)主要功能包含分布式電源調(diào)控運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合采集、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測和協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。
2.1 數(shù)據(jù)綜合采集
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)采集接口,可采集轄區(qū)范圍內(nèi)的所有光伏電站、風(fēng)電場、水電站、儲(chǔ)能站的各類數(shù)據(jù),如氣象環(huán)境、逆變器、匯流箱、匯流柜、組件、電能計(jì)量裝置、升壓變壓器、升壓變電站母線、并網(wǎng)點(diǎn)、保護(hù)信息等其他類型數(shù)據(jù),且可將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

圖3 數(shù)據(jù)綜合采集示意圖
2.2 負(fù)荷預(yù)測
負(fù)荷預(yù)測是電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的一項(xiàng)非常重要的工作,其預(yù)測準(zhǔn)確度等級的高低直接影響到電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及供電質(zhì)量,其特點(diǎn)可總結(jié)為:要預(yù)測的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)多、影響預(yù)測的因素復(fù)雜且具有隨機(jī)性以及預(yù)測精度要求高等[5]。
本系統(tǒng)采用基于聯(lián)想學(xué)習(xí)的LMBP[6-8]和經(jīng)驗(yàn)日局部校正算法相結(jié)合,尋求負(fù)荷與各種相關(guān)因素間的關(guān)系,對未來的負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)預(yù)測,可實(shí)現(xiàn)短期負(fù)荷預(yù)測(預(yù)測1-7天)和超短期負(fù)荷預(yù)測(預(yù)測兩小時(shí))。
預(yù)測負(fù)荷曲線步驟如下:首先,確定輸入、輸出量,建立基于聯(lián)想學(xué)習(xí)的LMBP和經(jīng)驗(yàn)日局部校正算法模型;其次,尋找歷史參考日;再次,獲取歷史參考日的天氣數(shù)據(jù)、負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)及它附近的負(fù)荷水平變化規(guī)律;最后,根據(jù)所建模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測,并得出預(yù)測負(fù)荷曲線。
具體的短期負(fù)荷預(yù)測模塊及實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 負(fù)荷預(yù)測實(shí)現(xiàn)示意圖
2.3 發(fā)電功率預(yù)測
預(yù)先獲得分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線,有助于電力系統(tǒng)調(diào)度部門統(tǒng)籌安排常規(guī)能源和分布式電源發(fā)電的協(xié)調(diào)配合,及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃,降低分布電源并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響,提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。
分布式電源調(diào)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)算法與新型智能算法相結(jié)合的方法,對光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行建模,在預(yù)測方式上引入自學(xué)習(xí)因子,對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確率。可實(shí)現(xiàn)短期發(fā)電功率預(yù)測(預(yù)測1-7天)和超短期發(fā)電功率預(yù)測(預(yù)測兩小時(shí))[9-11]。
預(yù)測發(fā)電功率曲線步驟如下:首先,獲取天氣歷史數(shù)據(jù)與發(fā)電功率歷史數(shù)據(jù);其次,通過智能算法對歷史數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行訓(xùn)練、學(xué)習(xí)或?qū)?yōu),建立模型或確定關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)值;最后,輸入預(yù)測日/預(yù)測時(shí)間段天氣數(shù)據(jù),用第二步建立的模型分析處理,得出風(fēng)機(jī)/光伏發(fā)電功率預(yù)測曲線。
2.4 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制
大量分布式電源接入配電網(wǎng),會(huì)帶來的電壓失穩(wěn)、諧波、潮流波動(dòng)等問題,影響電網(wǎng)的運(yùn)行。協(xié)調(diào)控制功能是根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電功率預(yù)測結(jié)果、負(fù)荷預(yù)測結(jié)果等信息,在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束的條件下,對系統(tǒng)的運(yùn)行給出實(shí)時(shí)的優(yōu)化調(diào)度調(diào)整和控制策略,實(shí)現(xiàn)分布式電源的友好接入,保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性,同時(shí)可以降低配電網(wǎng)運(yùn)行有功損耗,提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[12]。
實(shí)時(shí)優(yōu)化控制要求在很短的時(shí)間內(nèi)根據(jù)預(yù)測結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行狀況的變化對系統(tǒng)的運(yùn)行給出優(yōu)化控制策略,智能優(yōu)化算法雖然可以有效的解決隨機(jī)性問題,但其運(yùn)行速度較慢,達(dá)不到實(shí)時(shí)優(yōu)化控制對算法運(yùn)行速度的要求,故針對實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)采用基于CPLEX的傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃算法[13],在滿足系統(tǒng)對優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確性要求的同時(shí),保證系統(tǒng)的運(yùn)行速度。針對實(shí)時(shí)優(yōu)化控制的功能和要求,將其技術(shù)路線分為控制策略制定和算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)步驟,具體如下:
1)控制策略
①優(yōu)先使用PV(photovoltaic太陽能)發(fā)電單元的出力,采用最大功率跟蹤技術(shù)(MPPT),最大化的利用太陽能[14-15];
②當(dāng)PV的輸出功率大于系統(tǒng)電力負(fù)荷時(shí),首先向蓄電池和電動(dòng)汽車充電,多余的電能出售給大電網(wǎng),增加系統(tǒng)收益;
③當(dāng)PV的出力不能滿足系統(tǒng)電力負(fù)荷時(shí),首先令蓄電池增加出力,并同時(shí)檢測蓄電池的荷電狀態(tài)(如蓄電池的剩余電量不能低于其最大容量的30%);
④若所有的微電源在其出力范圍內(nèi)配合外網(wǎng)都不能滿足電力平衡,則按照負(fù)荷的重要程度依次剔除,保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2)算法實(shí)現(xiàn)
①將系統(tǒng)運(yùn)行約束條件中的不等式約束線性化,結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的等式約束,建立約束條件矩陣;
②根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù),建立系統(tǒng)運(yùn)行的混合整數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型;
③根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略,編寫基于CPLEX的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制算法模型;
④輸入超短期負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)及光伏發(fā)電預(yù)測數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制算法,輸出下一時(shí)段的系統(tǒng)運(yùn)行管理調(diào)度策略。
3.1 基于給定調(diào)度關(guān)口功率的分布式電源最優(yōu)控制技術(shù)
分布式電源作為一種清潔能源,應(yīng)用越來越受到重視,但是其具有間歇不易控特性,導(dǎo)致電網(wǎng)不能像火力發(fā)電那樣直接通過AGC實(shí)現(xiàn)機(jī)組的出力控制,目前電網(wǎng)企業(yè)對分布式電源的調(diào)度是給定其關(guān)口功率,讓其自己協(xié)調(diào)控制其內(nèi)部的發(fā)電出力,實(shí)現(xiàn)分布式電源的總出力滿足給定關(guān)口功率范圍。
作為分布式電源,其發(fā)電組件數(shù)目比較多,每個(gè)發(fā)電組件的發(fā)電效率和發(fā)電成本可能都存在差異,考慮發(fā)電組件的運(yùn)行狀況以及檢修計(jì)劃,以及輸送到電網(wǎng)的線路損耗,可以形成不同的調(diào)度控制策略。因此,需要從眾多的調(diào)度控制策略中尋找到最優(yōu)控制,從而實(shí)現(xiàn)效益最大化。構(gòu)造最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù),以單位發(fā)電成本最小為目標(biāo),輔以發(fā)電組件最少、網(wǎng)絡(luò)損耗最低以及無功補(bǔ)償?shù)容o助裝置的投切數(shù)最少,借助生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)備發(fā)電成本、檢修計(jì)劃等以及氣象系統(tǒng)的氣象預(yù)報(bào),結(jié)合當(dāng)前發(fā)電組件工況,利用潮流分析和無功優(yōu)化等高級應(yīng)用校核,得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)可行解。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 基于給定調(diào)度關(guān)口功率實(shí)現(xiàn)分布電源最優(yōu)控制框圖
3.2 分層分級分布式電源聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)
分布式電源調(diào)制功能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,被控制設(shè)備與其關(guān)聯(lián)設(shè)備之間通常存在某些聯(lián)系,需要實(shí)行聯(lián)動(dòng)控制,才能達(dá)到控制目標(biāo),因此提出了分層分級分布式電源聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。把分布式電源需要控制的量按照數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分層,建立同層之間和不同層之間控制量的聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)策略;同時(shí),控制量隸屬于具體的分布式電源發(fā)電設(shè)備,建立設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)策略;此外,不同種類的設(shè)備存在包含關(guān)系,如風(fēng)電場集電線路下包含多臺(tái)發(fā)電風(fēng)機(jī)和箱變,倘若控制上層設(shè)備,需要同時(shí)對該設(shè)備下的其它設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。在控制策略生成過程中,需要優(yōu)化控制流程,簡化控制過程,達(dá)到協(xié)調(diào)控制。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 分層分級分布式電源聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)控制流程
2014年,嘉興分布式電源調(diào)控系統(tǒng)作為國內(nèi)首套區(qū)域分布式電源調(diào)控系統(tǒng)成功應(yīng)用于浙江嘉興供電局啟動(dòng)的微電網(wǎng)綜合示范工程建設(shè)中,系統(tǒng)接入嘉興市區(qū)、嘉善區(qū)、海寧區(qū)和平湖區(qū)共36座光伏電站,總計(jì)容量87.11MW,其中10 kV以上光伏電站29座,380V光伏電站7座。
系統(tǒng)接入光伏園區(qū)并已建成滿足接入要求的光伏電源信息,完成與縣級分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的電源信息交互,實(shí)現(xiàn)分布式電源調(diào)控系統(tǒng)與調(diào)度自動(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化、區(qū)域分布式電源運(yùn)營系統(tǒng)、氣象局氣象系統(tǒng)等系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互,預(yù)留與政府相關(guān)電源管理系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)(居民家庭用戶數(shù)據(jù))、海訊數(shù)據(jù)庫、PMS系統(tǒng)等接口。

圖7 嘉興分布式電源調(diào)控系統(tǒng)主界面

圖8 發(fā)電功率實(shí)際值與預(yù)測值曲線圖
整個(gè)系統(tǒng)具備了對分布式電源的數(shù)據(jù)采集、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測和協(xié)調(diào)優(yōu)化控制功能,完成了綜合評價(jià)報(bào)告、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制及群控、數(shù)據(jù)挖掘及統(tǒng)計(jì)分析、出力調(diào)節(jié)及控制方式、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電功率預(yù)測等高級應(yīng)用功能。光伏發(fā)電輸出功率的預(yù)測值與實(shí)際值兩條曲線達(dá)到近似一致,系統(tǒng)平臺(tái)的預(yù)測與監(jiān)控效果得到了很好的驗(yàn)證。通過該系統(tǒng)對所轄區(qū)域分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控維護(hù),保證了分布式電源的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
該分布式電源調(diào)控系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的商用測試計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái),軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該系統(tǒng)已用于嘉興地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場測試,實(shí)際應(yīng)用表明該調(diào)控系統(tǒng)具有運(yùn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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Design of a distributed power regulation system
WU Shuang,WU Jing-yu,WANG Bing-wen,HUANG Su-juan,F(xiàn)U Ming
(NARI Technology Development Co.Ltd.,Nanjing 211106,China)
For the current wind power and solar power have the characteristics of intermittent and volatile,and the problems of peak shifting and frequency regulation,the adaptive grid,voltage control,safety and stability are brought after the distributed power especially wind power,solar power large number of access distribution network,a new distributed power regulation system is proposed and designed.The distributed power regulation system based on centralized architecture uses the distributed power optimal control technology of given dispatch gateway power and the hierarchical classification joint coordination control technology,implements the functions of data collection,load forecasting,power generation forecasting and coordinated optimal control.Finally,a typical engineering application case is introduced.
distributed power;dispatch gateway power;hierarchical classification;power generation
TN87
A
1674-6236(2016)23-0173-04
2015-11-24稿件編號:201511228
國電電網(wǎng)科技項(xiàng)目(524608150077)
吳 爽(1986—),女,安徽安慶人,碩士,工程師。研究方向:新能源與微電網(wǎng)。