主動配電系統協調控制與優化技術研究與應用

李海濤

(廣東電網有限責任公司, 廣東 廣州 510600)

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主動配電系統協調控制與優化技術研究與應用

李海濤

(廣東電網有限責任公司, 廣東 廣州 510600)

環保問題的日益嚴峻驅動著清潔能源的開發與利用，在不久的將來，分布式發電將高滲透并網，給配網的運行控制帶來一系列挑戰。本文將重點研究主動配電系統的源-網-荷協調控制架構和優化控制方法，實現分布式新能源在配電網的分層高效消納，并確保配網的安全經濟運行，解決配電網與分布式電源高滲透接入后的兼容性問題。最后通過主動配電系統協調控制技術的仿真計算驗證其可行性和有效性。

清潔能源; 分布式發電; 主動配電系統; 源-網-荷協調控制；優化控制

0 引言

隨著全球經濟對能源需求的不斷增長，傳統能源緊缺以及環境污染不斷惡化等問題驅動智能電網技術的持續發展與進步，未來智能電網需要設計成具有“兼容”、“自愈”、“集成”、“優化”等特征的綠色電網[1]。與此同時，電力電子技術和自動控制技術的同步發展促進了以風能、太陽能、生物質能為代表的清潔、可再生能源發電技術的快速發展，這些清潔的可再生能源大部分以分布式發電(Distributed Generation，DG)的形式連接到配電網，與大電網互為補充，是實現能源結構調整和環境保護的重要措施[2-4]。但目前配電網仍存在網架薄弱、自動化水平不高以及調度方式落后等問題，分布式能源大都還停留在用作緊急備用電源的被動運行模式，將分布式能源規模化接入配電網并實現調度控制和主動消納還有很多技術問題亟待解決[5，6]。

由于配電網與分布式能源缺乏有效互動，分布式能源大規模并網后的主要問題表現在如下三方面：(1) 分布式能源與配電網剛性連接，配電網運行異常時導致分布式電源停機停運，降低分布式能源的利用效率；(2) 分布式能源大規模并網時，出力的不確定性加劇配電網功率波動和電壓波動，導致配電網電能質量等運行問題；(3) 現有配電網缺乏對分布式能源的調節能力，導致配電網峰谷差加大，設備利用率進一步降低。

主動配電網是解決上述問題的有效方案,其允許分布式能源在一定準則基礎上自由接入，并將接入的分布式能源以及其他分布式資源包括無功電源、聯絡開關等統籌納入到調度管理系統中實現主動控制，分布式能源不再僅僅是物理上的簡單連接。基于主動配電網的協調控制,一是協調控制各分布式電源的有功輸出，確保網絡運行的經濟性；二是協調控制各分布式電源以及無功源的無功輸出，確保網絡的電壓質量。此外，在主動配電網協調控制過程中還要考慮負荷需求以及間歇式能源功率波動的頻繁擾動，確保網絡運行的魯棒性。目前對于主動配電網協調控制理論和方法的研究尚處于起步階段，亟需研究與建立系統完整的主動配電網源-網-荷協調控制架構及方法。

1 主動配電網分層協調控制架構

主動配電網通過靈活的網絡拓撲以及分布式電源的協同控制對分布式電源大規模并網后引起的雙向潮流進行有效管理，發揮分布式電源對配網運行的支撐作用，并確保綠色可再生能源的高效利用[7，8]。

目前主動配電網的控制模式主要傾向于集中式控制和分布式控制兩種模式[9，10]。集中式控制策略的求解復雜程度隨著電網規模的增大而增大，尤其是分布式電源接入數量的增大呈現非線性增長的趨勢。而分布式控制模式專注于局部區域目標的實現，難以完成全局最優運行，對可控資源的利用也不夠充分。針對上述問題，本文提出全局優化與局部自治相協調的主動配電網分層分布控制架構[11，12]，采用分層控制結構實現主站系統、控制器和終端設備之間的信息交互，通過多時間尺度下的全局能量管理與區域自治控制實現源-網-荷的協同控制，其框架結構如圖1所示。

圖1 主動配電網分層分布控制架構Fig.1 Hierarchical control framework of active distribution network

圖1中，位于最上層的主動配電網能量管理系統是整個主動配電網控制架構的中樞，配電網數據采集與監控(DSCADA)系統采集網絡運行數據以及各分布式電源的發電狀態信息，在對負荷需求以及間歇式能源發電功率進行預測的基礎上，通過智能優化算法計算出長時間尺度下各個可控單元的全局優化控制策略，與此同時求解得出各自治區域的局部目標值(包括饋線出口目標Pf1和各分段區域目標值Pa1,Pa1,Pa3)。分層分布控制器是中間層的控制單元，作為一個自治區域的管理者，通過區域自治控制策略實現在長時間尺度優化控制的間隔周期內各個分布式電源的實時協調控制，以修正實際運行工況與理想優化工況的偏差，使主動配電網整體運行在全局優化與區域自治相協調的狀態下。源網協調控制器是最底層的控制單元，管理同一配電節點(配電房/開閉所/環網柜等)下所有的可控分布式電源以及柔性負荷，它接收分層分布控制器的功率控制目標，并對其進行合理分配，以確保同一配電節點下的分布式電源得到最經濟利用。

分層分布控制技術結合了集中式控制和分布式控制模式的優勢，通過多時間尺度的協同控制實現系統一次側的多級消納，不僅緩解了控制系統的信息阻塞，而且解決了局部自治目標與全局最優目標的矛盾，使得整個系統運行在一個較優的狀態，并確保綠色可再生能源的優先利用。分層分布控制技術在長時間尺度的全局優化控制實現了網絡運行的經濟性，而短時間尺度的區域自治控制則提升系統運行的魯棒性。此外，當主站能量管理系統出現故障或者需要維護時，分層分布控制器仍然能夠對區域進行管理，提高了控制系統的可靠性。

2 主動配電網優化控制方法

2.1 全局能量優化方法

主動配電網全局優化控制策略用于長時間尺度的調度控制，計算周期較長(15 min)，能夠采用較為復雜的智能優化算法求解主動配電網全局能量優化控制目標。本文主要采取雙層規劃(bilevel programming problem,BLPP)的方法實現主動配電網全局能量優化控制，上層采取基于粒子群算法的有功優化[13]，下層采取基于攝動法的無功優化[14]，上下迭代，直至獲取最優解。

主動配電網雙層規劃模型，以有功全局優化作為上層決策，這是主動配電網追求的經濟、環境效益的綜合體現，是實現區域自治控制的基礎；而無功電壓優化作為下層決策，是在上層最優決策下對電網電壓質量的要求，而電壓優化的計算結果又影響上層決策的過程，上下層相互迭代，從而求出有功和無功的綜合最優解。

將有功協調優化與電壓協調帶入雙層優化模型，采用上下層決策相互迭代的方式進行求解，上層優化結果代入下層計算，下層優化后再將結果返回上層再次優化，直至兩層優化結果收斂。電力系統中有功與無功本身具有耦合關系，無法孤立地考慮，雙層優化迭代收斂的結果是有功與無功相配合的最優點，其結果使得主動配電網達到經濟收益與電壓特性的最優結合。雙層優化具體模型結構如圖2所示。

圖2 雙層優化模型Fig.2 Bi-level programming model for optimization

圖2中所示的優化結構是上下層迭代求解的過程，上層優化決策基于預測信息確定主動配電網分布式電源的有功出力計劃曲線，下層根據上層有功出力曲線以及預測信息確定主動配電網分布式電源的無功出力計劃曲線以及其他無功調節設備投切策略，反復迭代，直至上下層結果收斂或達到最大迭代次數。

2.2 局部自治優化方法

2.2.1 有功自治控制

全局優化考慮主動配電網中具有統計規律的長時間尺度預測信息，一個優化調度間隔(一般15 min)或出現消納能力不足時才進行一次計算，但由于主動配電網中間歇式能源與負荷實時波動，需要下層區域實時自治協調控制相配合，通過多個分布式電源/儲能的實時協調，修正實際運行狀態與全局優化狀態的偏差，使得系統運行狀態更加趨向于全局優化目標。

由于外電網與主動配電網的交換功率起到維持功率平衡的作用，可從整體上衡量實際運行狀態。基于該交換功率及全局優化中分布式發電、儲能的優化控制策略，提出饋線控制誤差(feeder control error，FCE)指標[15]，從整體上定量描述主動配電網實際運行狀態與全局優化運行狀態之間的偏差。基于FCE，提出考慮不同因素的有功功率實時協調控制模式[16，17]，及相應的控制方程與FCE計算模型。FCE協調控制架構如圖3所示。

圖3 FCE協調控制Fig.3 Coordination control based on feeder control error

基于FCE的自治區域協同控制模式不僅能有效甄別自治區域內和區域外的功率擾動，還能對這兩種功率擾動有針對性地實現不同的控制響應，其從本質上來說是將區域內部的可控分布式單元進行集約化一體化協調，主動配電網在短時間尺度遭遇外界擾動致使實際運行狀態偏離全局優化狀態的情況下，能協同調整區域內部可控分布式單元的功率輸出，將功率擾動在平衡機組和各自治區域之間合理分配，以修正實際運行狀態與理想優化運行狀態的偏差，最終使得系統運行更加趨于全局優化目標，從而提升系統優化運行的魯棒性。

2.2.2 無功自治控制

主動配電網的無功電壓全局優化是在主動配電網最優潮流的基礎上進一步優化整體區域的無功潮流，提高網絡的電壓質量，但作為主要無功源的電容器組動作時間過長，僅以全局優化集中控制作為主動配電網的電壓調節手段還不足以應付間歇式能源功率頻繁波動或者負荷快速擾動引起的電壓越限問題[18]。

主動配電網無功電壓的局部實時協調控制是以饋線為單位，每條饋線需安裝一個無功電壓協調控制器以確保饋線的實時電壓質量。由于饋線無功電壓協調控制器是用于對饋線上整體電壓水平的實時協調控制，因此其控制對象必需是響應速度快、動作時間短的無功及電壓調節設備，包括饋線上的靜態電壓調節器(static voltage regulator, SVR)、分布式電源以及動態無功補償設備。為了達到更加有效的控制效果，假設每條饋線都在出口處安裝SVR，這樣既可以調節饋線所有節點的電壓水平，又能確保每條饋線的電壓調節不影響其他饋線，使得以饋線為單位的主動配電網無功電壓實時協調控制更為獨立。

對饋線實施無功及電壓實時協調控制的前提條件就是要對饋線的電壓水平進行準確估計，根據饋線的電壓水平得出無功源設備或者SVR的控制策略。饋線電壓水平估計本質上就是估計饋線的最大電壓值和最小電壓值。由于饋線上不可能每個節點都安裝電壓測量單元，因此無法實時監測饋線的最大電壓值和最小電壓值。但是饋線上安裝在分段開關的饋線自動化終端(feeder ferminal unit, FTU)以及分布式能源(包括動態無功補償設備)接入點采集到的電壓及功率數據已足夠用來估計饋線的最大電壓值和最小電壓值。

通過上述饋線電壓最大值及電壓最小值[16]的估算，可以計算出饋線電壓的最大越限值ΔUf：

(1)

根據ΔUf值可以求解出各個分布式電源(包括動態無功補償設備)無功功率的修正量以及SVR分接頭檔位的調節量。主動配電網饋線無功電壓自治協調控制如圖4所示。

圖4 饋線電壓控制Fig.4 Voltage regulation of feeder

圖5 仿真測試算例Fig.5 Study case

圖4中饋線無功電壓協調控制器所需的狀態信息由FTU實時采集獲取，饋線上的電壓-無功靈敏度矩陣信息及各個分布式能源初始無功輸出量由主動配電網能量管理系統中的無功電壓全局優化控制計算得出，其更新周期與全局優化一致。

3 仿真驗證與分析

仿真算例如圖5所示。共配置11個光伏、8個儲能、1個風機、2個微型燃氣輪機、28個負荷點，其中包括4個工業負荷(T8、T12、T13、T21)和24個居民負荷、37個可控開關。PV12(1)、PV12(2)、PV13、PV21光伏額定容量為1 MW，PV8光伏額定容量為0.5 MW，其余光伏額定容量為0.25 MW。ESS19為復合儲能，其中包括2個50 kW·h、5 C放電的功率型儲能，1個500 kW·h、0.2 C放電的能量型儲能，其余儲能均為250 kW·h、1 C放電。

以24 h連續運行為場景進行仿真驗證。對區域5進行分析，其中，ESS11為功率密度型儲能系統，其最大充放電功率為80 kW，其能量容量較小，為30 kW·h。負荷、風機及光伏系統在24 h內每分鐘的預測功率及實際功率如圖6所示。

圖6 負荷、風機及光伏出力Fig.6 Output of load, wind trubine & PV

與預測功率相比，實際負荷功率具有波動性，而風機、光伏系統實際功率則由于受天氣變化而功率偏差較大。如光伏系統，在12:00至18:00，由于天氣的變化其輸出功率與預測值有明顯偏差。

根據負荷預測、光伏與風機功率預測，主站制定區域中并網的儲能系統、分布式電源的優化運行計劃。其中，ESS11為高功率密度、低能量密度型儲能系統，用于平抑光伏、風機的功率短時間波動；ESS27、DG15與DG28的運行計劃如圖7所示。

圖7 DG15,DG28與ESS27的運行計劃Fig.7 Operation schedule of DG15, DG28 & ESS27

依據優化運行方式，可實現峰谷差減小(由原始4334 kW降低至4201 kW)，網絡損耗降低3.7%，共計19個時段獲得優化，如圖8所示。

圖8 優化運行效益Fig.8 Effect of optimal schedule

但由于負荷、風機與光伏功率的預測值與實際值存在偏差，若嚴格按照運行計劃控制分布式電源與儲能系統功率，那么區域總功率(與外電網的交換功率)的計劃值與實際值亦存在偏差。且由于風機、光伏的功率波動，使交換功率亦具有波動性，并影響各節點電壓。

基于FCE的協調控制系統，其中ESS27與DG28采用偏差交換功率控制模式，DG15采用考慮DG發電量誤差的控制模式，以平衡交換功率誤差中的穩定分量。DG15在24 h內的合約發電量為1200 kW·h。 ESS11采用考慮SOC誤差的控制模式，以抑制光伏、風機及負荷短時間內的波動，其計劃功率為0，計劃SOC為0.5。

在基于FCE的協調控制系統下，區域總功率的實際值與計劃值如圖9(a)所示。從與圖9(b)的比較可以看出，若無協調控制系統，區域總功率實際值與計劃值差異較大，并且短時間波動量較多。在基于FCE的協調控制下，分別對區域總功率偏差的波動分量及穩定分量進行補償，使得協調控制下的總功率的實際值更接近其計劃值。

圖9 優化控制前后的饋線功率Fig.9 Feeder output power with & without optimal coordinate control

4 結論

本文主要圍繞主動配電網源-網-荷協調控制技術開展研究，建立了多時間尺度的主動配電網源-網-荷分層協調控制架構，提出了基于雙層優化算法的主動配電網全局優化調度和饋線自治控制方法，實現了主動配電網各分布式電源(含儲能)的功率優化調度和間歇式可再生能源的足額消納，重點解決了大規模間歇式能源無序并網后的配網優化運行問題。仿真算例的結果有效驗證了上述主動配電網源-網-荷協調優化控制技術的可行性和有效性，為日后含分布式能源的配網運行調度提供技術參考和有益借鑒。但本文重點研究的主動配電網協調優化控制技術主要是針對正常態下的源-網-荷功率控制和電壓調節，后續需要進一步開展故障態下的主動配電網自愈控制技術研究，從而為主動配電網的安全經濟運行提供整體解決方案。

[1] 劉振亞. 智能電網技術[M]. 北京：中國電力出版社，2010. LIU Zhenya. Smart grid technology[M]. Beijing：China Electric Press，2010.

[2] 王成山，李 鵬. 分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J]. 電力系統自動化，2010，34(2)：10-14. WANG Chengshan，LI Peng. Development and challenges of distributed generation, the micro-grid and smart distribution system[J]. Automation of Electric Power System，2010，34(2)：10-14.

[3] 謝 開，劉永奇，朱治中. 面向未來的智能電網[J]. 中國電力，2008，41(6)：19-22. XIE Kai，LIU Yongqi，ZHU Zhizhong. The vision of future smart grid[J]. Electric Power，2008，41(6)：19-22.

[4] 韋 鋼，吳偉力，胡丹云. 分布式電源及其并網時對電網的影響[J]. 高電壓技術，2007，41(1)：36-40. WEI Gang，WU Weili，HU Danyun. Distributed Generation and Effects of its Parallel Operation on Power System[J]. High Voltage Engineering，2007，41(1)：36-40.

[5] SAMUELSSON O，REPO S，JESSLER R，et al. Active distribution network-demonstration project ADINE[C]∥ Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe. Gothenburg, Sweden：IEEE，2010：1-8.

[6] MAH D N，WU YY，IP J C，et al. The role of the state in sustainable energy transitions: A case study of large smart grid demonstration projects in Japan[J]. Energy Policy，2013 (63)：726-737.

[7] 范明天，張祖平，蘇傲雪. 主動配電系統可行技術的研究[J]. 中國電機工程學報，2013，33(22)：12-18. FAN Mingtian，ZHANG Zuping，SU Aoxue. Enabling technologies for active distribution systems[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33(22)：12-18.

[8] 尤 毅，劉 東，于文鵬. 主動配電網技術及其進展[J]. 電力系統自動化，2012，36(18)：10-16. YOU Yi，LIU Dong，YU Wenpeng. Technology and its trends of active distribution network[J]. Automation of Electric Power System，2012，36(18)：10-16.

[9] MADUREIRA A，GOUVEIA C，MOREIRA C，et al. Coordinated management of distributed energy resources in electrical distribution systems[C]∥Innovative Smart Grid Technologies Latin America. Sao Paulo. Brazil：IEEE，2013：1-8.

[10] ZHAO J，WANG C，ZHAO B，et al. A review of active management for distribution networks：Current status and future development trends[J]. Electric Power Components and Systems，2014，42(3-4)：280-293.

[11] 劉 東，陳云輝，黃玉輝. 主動配電網的分層能量管理與協調控制[J]. 中國電機工程學報，2014，34(31)：5500-5506. LIU Dong，CHEN Yunhui，HUANG Yuhui. Hierarchical energy management and coordination control of active distribution network[J]. Proceedings of the CSEE，2014，34(31)：5500-5506.

[12] CALDERARO V，CONIO G，GALDI V. Active management of renewable energy sources for maximizing power production [J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2014(57)：64-72.

[13] GILL S，KOCKAR I，AULT G W. Dynamic optimal power flow for active distribution networks [J]. IEEE Transactions on Power Systems，2014，29(1)：121-131.

[14] DOLAN M J，DAVIDSON E M，KOCKAR I. Distribution power flow management utilizing an online optimal power flow technique [J]. IEEE Transactions on Power Systems，2012，27(2)：790-799.

[15] 于文鵬，劉 東，余南華. 饋線控制誤差及其在主動配電網協調控制中的應用[J]. 中國電機工程學報，2013，33(13)：108-115. YU Wenpeng，LIU Dong，YU Nanhua. Feeder control error and its application in coordinate control of active distribution network[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33(13)：108-115.

[16] YU Wenpeng，LIU Dong，HUANG Yuhui. Load transfer and islanding analysis of active distribution network [J]. International Transactions on Electrical Energy Systems，2015，(25)：1420-1435.

[17] 尤 毅，劉 東，鐘 清. 多時間尺度下基于主動配電網的分布式電源協調控制[J]. 電力系統自動化，2014，38(9)：192-198. YOU Yi，LIU Dong，ZHONG Qing. Technology and its trends of active distribution network[J]. Automation of Electric Power System，2012，36(18)：10-16.

[18] YOU Yi，CHENG Jiongcong，YU Nanhua，et al. Coordinate Voltage Control in Active Distribution Network[C]∥2014 International Conference on Power System Technology. Chengdu，China：IEEE，2014：2668-2673.

(編輯 徐林菊)

Research and Application of Coordinate control & OptimizationTechnology for Active Distribution System

LI Haitao

(Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510600, China)

The clean energy sources are utilized extensively due to environment protection. There will be series of challenges for distribution system operation and control with the high penetration of distributed generation (DG) in near future. This paper highlights the control framework and optimizaiton approach for the coordination of source-net-load in active distribution system, which can realize the effective accommodation distributed renewable resources and secure and economic operation. It can solve the compatibility between distribution systems with distributed generation. Simulation results validate the effectiveness of the coordinated control technology for active distrbution system.

clean energy sources; distributed generation; active distribution system; coordinated control of source-net-load;optimal control

2017-01-31；

2017-02-28

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2012AA050212)

TM73

A

2096-3203(2017)04-0014-07

李海濤

李海濤(1982—)，男，吉林白山人，博士，高級工程師，從事智能配電網、主動配電網研究工作(E-mail：478072603@qq.com)。