考慮價格需求響應的主動配電網動態經濟調度

張劉冬， 丁 昊, 袁曉冬曾 飛， 李 強， 袁宇波

(1. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103;2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

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考慮價格需求響應的主動配電網動態經濟調度

張劉冬1， 丁 昊2, 袁曉冬1曾 飛1， 李 強1， 袁宇波1

(1. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103;2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

隨著分布式發電的滲透率提高，配電網會出現饋線過載、電壓越限等問題，從而限制了分布式電源的接入。需求響應利用負荷側可調控資源參與主動配電網調度可以促進大規模分布式電源消納。本文將價格型需求響應引入現有主動配電網的多時段優化運行調度模型，構建了三相主動配電網有功-無功協調動態經濟調度模型，并提出了基于混合整數二階錐規劃的模型求解方法。該模型可通過需求響應負荷調節，并協調與分布式電源、儲能裝置、無功補償裝置的動態優化運行，達到節能降損、保證饋線負載、電壓不越限的目的，實現主動配電網全局能量管理優化。對擴展的IEEE 33節點測試系統進行仿真分析，驗證了所提出模型及算法的有效性和優越性。

主動配電網；分布式電源；價格需求響應；經濟調度；混合整數二階錐規劃

0 引言

隨著配電網中分布式電源(distributed generation，DG)、儲能系統(energy storage system，ESS)、無功補償裝置等設備的滲透率日益提高，傳統配電網正在逐步向具有眾多可調可控資源的主動配電網(active distribution networks，ADN)轉變[1,2]。大規模DG并網會引起電壓波動甚至過電壓越限，并導致饋線潮流雙向流動及過載，嚴重限制了AND對DG的消納[3]。從日前日內多時段優化運行的前瞻視角確定ADN各可調設備的運行操作策略，是解決該類問題的一種有效工具[4-8]。

針對ADN多時段優化策略的制定，文獻[5-7]通過調度ADN中的ESS和DG等可調資源，研究了ADN多時段優化問題。文獻[8]建立了一個混合整數非凸非線性規劃模型，將變壓器的有載調壓分接頭和靜止無功補償器的優化調度考慮在內，并提出了一種離散變量連續化處理再規整的兩階段求解方法。另外，建立配電網優化調度的三相模型已逐漸成為研究的主流[9-13]，并且如何在三相有功無功耦合的模型基礎上解決ADN的雙向潮流、線路損耗、棄風(光) 、過電壓、饋線過載等問題是配電網運行管理中面臨的挑戰[3]。

現有研究并未考慮將需求側資源參與配電網互動，構建從日前、日內到實時的多時間尺度滾動協調的需求響應(demand response，DR)優化調度模式，以有效提升DG消納水平，實現ADN全局能量管理優化。針對該問題，本文將價格型需求響應引入現有三相ADN的多時段優化運行調度模型[14]，建立了考慮DG、ESS、無功補償裝置以及需求響應負荷的連續、離散控制變量的三相ADN有功無功協調動態經濟調度模型，以達到調節電壓水平、提高能源資源利用率、節能降損的目的，保證配電網整體的安全高效運行。此外將該模型轉化為混合整數二階錐規劃問題，并采用CPLEX優化軟件對該問題進行求解，采用擴展的IEEE 33節點三相測試系統進行算例分析，驗證了本文方法的有效性和優越性。

1 價格型需求響應模型

價格型DR是通過價格信號(如分時電價、實時電價)引導用戶合理調節和改善用電結構和用電方式[15]。實時電價更新周期較分時電價更短，可以為1 h或更短，能夠有效傳達電價信號，引導用戶改變用電行為，響應系統運行狀態變化。因此，針對ADN，本文通過實時電價引導用戶調節負荷響應DG出力變化，有效提升DG消納水平，實現ADN全局能量管理優化。

用戶的響應行為描述是制定考慮DR調度策略的基礎，本文選用基于需求彈性的用戶響應模型。用戶在不同電價下的響應公式及響應約束如下：

(1)

(2)

圖1 價格型DR的負荷變化功率與電價關系Fig.1 Relationship between the DR load change and price

(3)

(4)

(5)

2 有功-無功協調的動態經濟調度模型

2.1 目標函數

ADN的動態優化運行一般以調度周期內的網絡損耗最小作為目標函數[14]。但本文引入價格型DR后， 需要從社會福利[17]角度考慮修改該目標函數。社會福利可通過售電收入減去配變關口購電成本獲得。因此，本文以最大化社會福利為目標函數，具體表示為:

(6)

2.2 約束條件

AND動態優化運行的約束條件一般包括三相潮流方程、系統運行安全約束、配變關口功率約束、儲能裝置運行約束以及無功補償裝置運行約束等，具體分析如下。

(1) DistFlow支路潮流形式的三相輻射狀配電網潮流約束[14]。對于電網中的節點j，有：

(7)

(8)

(9)

(10)

對于電網中支路ij，有：

(11)

標準二階錐形式：

(12)

(2) 系統運行安全約束。

(13)

(14)

(3) 配變關口功率約束。為了抑制ADN的功率波動對輸電網造成的影響，需要將配電網根節點的關口交換功率控制在某一范圍，即：

(15)

(16)

(4) 儲能裝置ESS 運行約束。本文提出的有功無功協調動態優化模型為提高DG的并網能力，充分利用配電網中的可再生能源，引入了儲能裝置ESS，其模型如下：

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(5) 離散無功補償裝置運行約束。受到生產制造技術和設備使用壽命的限制，在一個調度周期內CB的操作次數有嚴格限制，且每一次投切都是成組操作，即CB的運行應該滿足如下約束特性：

(22)

(23)

(24)

(25)

(6) 連續無功補償裝置運行約束。

(26)

(7) DG出力約束。

(27)

(28)

(8) 負荷無功功率約束。

(29)

2.3 模型求解

3 算例仿真與分析

3.1 擴展的IEEE 33節點三相測試系統

本文采用的IEEE 33節點三相輻射狀配電系統共有33個節點、37條支路、5個環，開環運行，根節點電壓12.66 kV，并將DG、SVC、CB、ESS加入其中，如圖2所示。基本配置參數為：節點18和31連接2個光伏PV，裝機容量300 kW，DG和負荷的功率因數設為0.95，三相獨立可調。設節點25連接SVC，無功補償區間為-300～300 kvar，三相獨立可調；節點5和22連接2個分組投切電容器組CB，每個調度周期內允許操作5次，每相有4組，每組的補償功率為25 kvar，即每相的補償功率為0～100 kvar共5種狀態；節點16和33連接2個儲能裝置ESS，總充放電功率上限為240 kW，每相設為80 kW，總電量上限為1200 kW·h，充放電效率均為93.5%。

圖2 擴展 IEEE 33節點測試系統Fig.2 Modified IEEE 33-bus test system

系統日內12時段的負荷曲線和光照強度曲線，利用美國國家可再生能源實驗室NREL的Homer 軟件，根據我國西北某市經緯度產生。考慮到配電系統涵蓋區域面積不大，且為結果分析簡便，所有的光伏PV均采用相同的光照曲線，負荷節點采用相同的負荷曲線。將文獻[14]中給出的負荷設定為系統負荷曲線的峰值負荷，將光伏PV的裝機容量對應為系統光照曲線的峰值光照點。

在MATLAB中調用CPLEX軟件包編制相關程序對測試系統的線性優化模型進行求解。當對偶間隙取0.01%時，在主頻2.4 GHz Intel CPU、8 GB內存的PC上計算所需時間約為3.6 s。

3.2 與傳統三相ADN有功無功協調動態經濟調度模型的比較分析

在傳統三相AND有功無功協調動態經濟調度模型中,考慮到 DG 出力的波動與負荷的變化不完全匹配，配電網中ESS、關口功率、節點電壓、支路電流等受限的情況下，將會采取棄風、棄光、切負荷策略以滿足硬性約束。

與傳統方法[14]相比，本文考慮價格型DR的方法可以通過價格型DR的調節作用，增大節點負荷功率，以提高系統消納大規模光伏PV發電的水平并增大社會福利。圖3為兩種方法的光伏PV1和PV2出力比較，從圖中可以看出：

(1) 在第1～2和11～12時段，配電系統的負荷水平較低，而光伏出力較大，由于配電網中ESS和配變關口不具備足夠的向下調節容量，傳統方法不得不通過棄光，以保證系統安全約束在允許光伏出力內得到滿足。而本文方法通過價格型DR增大該調度時段內的系統負荷，減小了棄光功率，并增大了光伏允許出力大小。

(2) 在第7～9時段，配電系統具備足夠的可調容量。但在該調度時段內，受限于系統網絡安全約束，傳統方法的光伏允許出力小于光伏預測出力。而本文方法基于DR的調節作用，通過增大節點18、31的負荷，以減小節點18和33、18和17、30和31、31和32之間的光伏送出饋線的負載，從而增大了光伏電站的光伏允許出力大小。

圖3 本文方法與傳統方法的光伏允許出力比較Fig.3 Comparison of allowable power output of PV between the proposed method and conventional method

可見，價格型DR可以作為ESS調節能力的有效補充，配合光伏出力變化，緩解光伏不確定性影響，提升系統消納大規模DG的水平。

表1列出了兩種方法得到的購電成本和社會福利。由表1可見，考慮價格型DR后，系統通過減少棄光功率減小了配變關口購電成本，并且系統負荷增大而增加了售電收入，最終提高了社會福利。

表1 本文方法與傳統方法的社會福利比較Table 1 Comparison of social welfare between the proposed method and conventional method $

4 結論

為了提高AND的DG消納水平，本文將價格型DR引入現有ADN的多時段優化運行調度模型，構建了三相ADN有功-無功協調動態經濟調度模型，并提出了基于混合整數二階錐規劃的模型求解方法。對擴展的IEEE 33節點測試系統進行仿真分析，驗證了所提出模型及算法的有效性和優越性。仿真分析表明該模型可通過DR負荷調節的日內多時段優化，達到配電網節能降損、保證饋線負載、電壓不越限、提高DG消納水平的目的，實現ADN全局能量管理優化。

本文建立的模型是集中式經濟調度模型，該模型仍存在處理信息海量、模型維護困難、求解問題規模龐大、單點故障失效等不足，因此未來需要進一步研究考慮價格DR的ADN分布式經濟調度，實現DG的即插即用。

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(編輯 劉曉燕)

Active and Reactive Power Coordinated Economic Dispatch of Active DistributionNetworks with Consideration of Price-based Demand Response

ZHANG Liudong1, DING Hao2, YUAN Xiaodong1,ZENG Fei1, LI Qiang1, YUAN Yubo1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 211103, China;2. State Grid Jangsu Electric Power Company Maitenance Branch, Nanjing 211106, China)

With increasing penetration of distributed generation (DG), the overload of feeder lines and out of voltage limits will happen in distribution networks, which may limit the penetration of DG. Demand response can promote large-scale DG accommodation by utilizing demand side resources to participate in active distribution networks (ADN) scheduling. Therefore, a price-based demand response model is introduced to the existing multi-period optimization model for ADN, an active and reactive power coordinated economic dispatch model of three-phase ADN is developed and its solution method based on mixed integer second-order cone programming is proposed in this paper. The proposed model can reduce loss and ensure that the overload of feeder lines and out of voltage limits will not appear via optimizing the operation of DG, energy storage system and VAR compensation as well as demand response load. Simulation studies on the modified IEEE 33-bus system are presented to verify the effectiveness and advantage of the proposed model.

active distribution networks; distributed generation; price-based demand response; economic dispatch; mixed integer second-order cone programming

2017-03-04；

2017-04-10

國家電網公司科技項目(5210EF17001C);國網江蘇省電力公司科技項目(J2016018, J2017038)

TM73

A

2096-3203(2017)04-0031-06

張劉冬

張劉冬(1987—)，男，江蘇如皋人，東南大學博士后，主要研究方向為電力系統經濟調度，主動配電網，電力系統自動化(E-mail：zldon_1987@126.com)；

丁 昊(1987—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統與保護、電網項目管理等工作(E-mail：dingh1@js.sgcc.com.cn);

袁曉冬(1979—)，男，江蘇宜興人，碩士，高級工程師,從事電能質量分析，新能源發電，主動配電網研究工作(E-mail：lannyyuan@hotmail.com)；

曾 飛(1984—)，男，江西贛州人，碩士，工程師，從事電力系統繼電保護，電力系統自動化研究工作(E-mail：15105168878@163.com)。