故障場景下含多微網的配電網主動協同控制策略

楊劍峰，張 長，董 杰，張旭陽，任核權，張建浩

（國網紹興供電公司經濟技術研究所，紹興 312000）

近年來，隨著化石燃料的日益枯竭和環境污染的日益嚴重，大力發展可再生能源、實現能源可持續發展已經成為世界各國政府和各國際組織的共識[1]。分布式發電DG（distributed generation）是一種主要的可再生能源利用技術，具有投資小、建設周期短、調控靈活等優勢，得到了越來越多的重視和推廣應用。然而，風、光等分布式發電主要的一次能源具有較強的隨機波動性，其大量接入將大大增強電網運行的不確定性和調控的復雜性。因此，為減小DG給電網帶來的不利影響，微網應運而生[2]。

微網通過聯絡線與配電網進行功率交互，一方面會對配電網的運行產生一定影響，如售電功率變化、電能質量影響等[3]；另一方面，微網靈活柔性的響應能力可以在不同運行場景下輔助配電網的運行優化，如優化系統運行特性[4-5]以及故障態下的快速自組網[6-7]等。隨著微網在配電網中的數量不斷增加，深入研究區域多微網接入對配電網的交互影響，實現區域配電網與多微網間的協同優化，具有重要的現實意義。

目前，含多微網的配電網控制策略主要包含對各可控單元進行直接控制的微源級控制策略，以及通過各獨立微網對可控單元進行控制的兩級控制策略[8]。文獻[9]提出了一種含多微網配電網雙層控制策略，上層控制中心從配電網層面對各微網的運行狀況進行監測，防止其危及配電網的安全性。當配電網內部發生故障時，上級控制中心將控制各微網從配電網退出，以孤島模式實現微網內部負荷的供電；下層控制中心接收上層控制指令調度微網內各可控設備出力，以實現整個配電網的優化運行。文獻[10]提出了一種含多微網的配電網多時間尺度控制策略，在小時級尺度上綜合考慮光伏、儲能和負荷特性，通過組合方案決策實現全局資源配置最優；在分鐘級尺度上通過各微網協調互濟，最大程度保證光伏消納和負荷穩定；在秒級尺度上保證各微網內部源荷儲平衡穩定運行。文獻[11]考慮各微網控制目標不同提出了一種分層控制策略，微網控制層負責微網內部經濟調度和故障處置，協調控制層僅負責協調各子微網出力，并在故障時保證微網運行模式過渡平穩。文獻[12]提出了含多微網配電網兩層嵌套模型，內層以配電網功率和電壓波動最小為目標，致力于保障系統安全可靠運行；外層在內層調度結果的約束下，以微網成本和環境懲罰費用最小為目標，實現經濟和環保效益優化。

目前針對含多微網的配電網優化調度的相關研究，大多是面向正常運行方式的。本文面向配電網故障場景，提出了一種含多微網的配電網分層分布式主動協同運行優化策略。該策略針對故障上游區段和下游區段，分別建立了以經濟效益最大和削減負荷量最小為目標的配電網運行優化模型。同時，針對獨立微網，建立了以經濟效益最大為目標的微網運行優化模型。通過兩者間的主動協同來實現故障后不同區段的有序供電。

1 含多微網的配電網優化運行策略

目前的含多微網的配電網系統控制策略主要有兩種，一種是基于集中式思想的含多微網的配電網分層集中式協同運行控制策略，另一種是基于分布式思想的含多微網的配電網分層分布式協同運行控制策略。

1.1 含多微網的配電網分層集中式協同運行

含多微網的配電網分層集中式協同運行控制策略[13]，即微源級控制策略，其控制體系如圖1所示。

圖1 含多微網的配電網分層集中式協同運行控制體系Fig.1 Hierarchical centralized collaborative operation and control system of distribution network with multi-microgrid

含多微網的配電網分層集中式協同控制策略，可以分為上層配電網能量管理系統DEMS（distribu?tion energy management system）與下層可控單元兩部分。

（1）上層DEMS收集配電網的所有相關信息，包括所有可再生能源發電預測值和負荷預測值以及負荷參與需求響應的計劃，在此基礎上對配電網內部所有可控設備進行優化調度，并將調度指令下發給相應的微網，以實現整體的經濟運行。

（2）下層微網能量管理系統MEMS（microgrid energy management system）接收上層DEMS下達的內部各可控設備調度指令，并依據上級指令調整其所轄可控設備的輸出功率，來保證微網與配電網間的交換功率符合的交換功率計劃。

集中式控制策略能夠使DEMS全面獲取配電網運行信息以實現全局優化控制，且優化控制相對簡單。但在含多微網的配電網系統中，各微網與配電網可能歸屬于不同的利益主體，集中式全局優化難以有效保護各微網的隱私以及保障各微網的利益。

1.2 含多微網的配電網分層分布式協同運行

含多微網的配電網分層分布式協同運行控制體系[14]如圖2所示。

圖2 含多微網的配電網分層分布式協同運行控制體系Fig.2 Hierarchical distributed collaborative operation and control system of distribution network with multi-microgrid

含多微網的配電網分層分布式協同控制策略，可以分為上層配電網與下層可控單元之間的交互，以及可控單元內部的協調兩部分。

（1）各MEMS根據自身負荷需求，參考配電網提供的購售電電價等信息，制定自身的優化運行策略，并將生成的電力交易計劃發送給DEMS；DEMS結合配網內其他發電和負荷預測信息，形成自身的調度計劃，并將與各微網的購售電計劃下發至各MEMS。

（2）各MEMS根據內部各分布式電源出力的上下限約束、發電成本、出力預測數據及負荷需求等數據，對內部的可控單元進行實時控制以完成與配電網的購售電計劃。

在含多微網的配電網分層分布式協同運行控制策略中，上層DEMS無需獲取各微網內部設備和用戶的產能、用能狀況，只對各MEMS下達調度指令。這樣既能保護各微網的隱私，也能保證微網所有者的利益。

2 故障場景下含多微網的配電網主動協同控制策略

含多微網的配電網主動協同控制策略是指當配電網發生故障時，DEMS主動調整包括各微網在內的可控單元，以保證配電網的安全運行和用戶的可靠供電。

實現配電網-多微網協同運行的機制有很多，本文將只探討通過電價激勵機制來實現配電網和微網間的協同運行。

2.1 故障場景下主動協同控制策略

故障場景下含多微網的配電網主動協同控制策略如下：

（1）當配電網內部發生故障時，DEMS首先判斷故障上游區段會不會出現運行安全問題。若有問題，則調整故障上游區段內的調度計劃，并將新的調度指令和激勵電價傳達給故障上游區段內的各MEMS（記為上游MEMS）。在生成新的調度指令時，除上游MEMS外，DEMS還可以調整與上級電網的購售電計劃。

（2）若某上游MEMS不能執行新下達的調度指令，則將自己可接收的電力交易計劃值上傳給DEMS。DEMS收到各MEMS反饋信息后，若未滿足運行安全要求，則對還有調整能力和意愿的MEMS下達新一輪的調度指令和激勵電價，直至運行安全問題得到解決。

（3）當故障上游區段安全性問題得到解決后，DEMS判斷故障下游區段是否存在微網。若故障下游區段內存在微網，DEMS向故障下游區段內微網的MEMS（記為下游MEMS）傳達新的調度指令和激勵電價。

（4）若故障下游區段微網不能承擔故障區域所有負荷的供電，需要對故障下游區段的負荷進行部分切除。故障下游區段負荷切除順序為：故障下游區段非重要負荷→微網內部非重要負荷→故障下游區段重要負荷→微網內部重要負荷→故障下游區段特別重要負荷。

具體的協同控制策略流程如圖3所示。

圖3 配電網故障場景下主動協同控制流程Fig.3 Flow chart of active collaborative control of distribution network in fault scenario

2.2 故障場景下配電網主動協同優化運行模型

1）優化變量

配電網主動協同運行優化模型的優化變量ZDis為配電網與上級電網和各微網的電力交易計劃值。

式中：PGrid為配電網與上級電網電力交易功率，為正表示從上級電網購電，為負表示向上級電網售電；為配電網與故障上游區段微網i的電力交易功率，為正表示從微網i購電，為負表示向微網i售電；為配電網與故障下游區段微網i的電力交易功率，為正表示從微網i購電，為負表示向微網i售電。

2）目標函數

針對故障上游區段和下游區段，配電網主動協同優化運行模型各有一個優化目標函數。

對于故障上游區段，假設上級電網的電力供應始終充足，因此其優化目標為故障上游區段供電的經濟效益最大。具體表達式如下：

2.3 故障場景下微網主動協同優化運行模型

1）優化變量

微網主動協同運行優化模型的優化變量ZMG為內部各種可控發電和儲能設備的有功出力，即

式中，PES,i為微網內部第i個儲能裝置的充放電功率；PMT,i為微網內第i個微型燃氣輪機的放電功率。

2）目標函數

與配電網主動協同優化運行模型類似，微網主動協同優化運行模型的目標函數也分為故障上游區段和下游區段。

對于故障上游區段的微網，其優化目標為微網自身的收益最大。具體表達式為

3 算例分析

為驗證所提策略的有效性，本文在IEEE 33節點配電系統上添加3個微網，來構建算例系統。修改后的IEEE 33節點配電系統如圖4所示。其中，空心節點為重要負荷，實心節點為非重要負荷，微網I、II、III重要負荷占比分別為55%、50%、60%，無特別重要負荷，3個微網的設備參數如表1所示。

圖4 改造后的IEEE 33節點配電系統模型Fig.4 Model of modified IEEE 33-node distribution network

表1 微網設備參數Tab.1 Equipment parameters of microgrids

3個微網與上級配電網在日前階段制定的調度計劃分別如圖5～圖7所示。

圖5 微網1日前調度計劃Fig.5 Day-ahead dispatching plan for Microgrid 1

圖6 微網2日前調度計劃Fig.6 Day-ahead dispatching plan for Microgrid 2

圖7 微網3日前調度計劃Fig.7 Day-ahead dispatching plan for Microgrid 3

假設在t=16時刻，線路9-10和6-7分別因故障退出運行。由于故障上游區段微網的日前調度計劃并未對配電網故障上游區段的安全性構成威脅，因此，上層DEMS不對故障上游MEMS下達新的控制指令。

故障下游區段內存在微網3，DEMS向微網3的MEMS下達新的調度指令，以故障下游區段失電負荷量最小為目標，從微網3購電為故障下游區段的負荷進行供電。

3.1 線路9-10因故障退出運行

當線路9-10因故障退出運行時，根據本文所提的優化調度策略，DEMS要求微網3調整其內部設備的出力計劃。新的調度結果如表2所示。

表2 線路9-10故障后的微網3調度結果Tab.2 Dispatching result of Microgrid 3 under branch 9-10 contingency

可以看出，由于在日前經濟調度階段追求經濟利益最大，微網3的微燃機已經處于滿發的狀態（如圖7所示）。所以當線路9-10因故障退出運行時，微網3無法承擔故障下游區段全部535.935 kW負荷。此時，需要配電網和微網3根據預先設定的順序依次切掉配網的非重要負荷和微網3內部的部分非重要負荷。

最終，配電網總共切除了303.75 kW的非重要負荷，全部115.714 kW重要負荷均保持供電。微網3切除了12.239 kW的非重要負荷，總共有104.232 kW的重要及非重要負荷保持供電。故障下游區段各節點的負荷切除情況如圖8所示。

圖8 線路9-10故障下游區段各節點負荷切除情況Fig.8 Load shedding at nodes in the downstream section under branch 9-10 contingency

3.2 線路6-7因故障退出運行

當線路6-7因故障退出運行時，微網3的新調度結果如表3所示。

表3 線路6-7故障后的微網3調度結果Tab.3 Dispatching result of Microgrid 3 under branch 6-7 contingency

可以看出，當線路9-10因故障退出運行時，故障下游區段負荷有顯著增加，達到了844.506 kW。此時，為了保證對故障下游區段的供電，微網III切掉了自己全部的46.588 kW·h非重要負荷。配電網切掉577.972 kW·h的負荷，其中非重要負荷為419.464 kW·h，重要負荷為158.508 kW·h，僅有150.064 kW的重要負荷保持供電。故障下游區段各節點的負荷切除情況如圖9所示。

圖9 線路6-7故障下游區段各節點負荷切除情況Fig.9 Load shedding at nodes in the downstream section under branch 6-7 contingency

4 結語

本文面向未來多微網接入配電網的情景，提出了一種故障場景下的含多微網的配電網分層分布式主動協同運行優化策略。針對故障上游區段和下游區段的供電要求，分別建立了以經濟效益最大和削減負荷量最小為目標的配電網運行優化模型，并通過與追求經濟效益最大的微網間的主動協同，來實現故障后不同區段的有序供電。

通過算例分析可以發現，當配電網內部發生故障時，若故障下游區段存在微網，該策略能夠在切除微網內部非重要負荷的前提下，盡可能為下游區段重要負荷的供電，對于實現故障后不同區段的有序供電具有一定的促進作用。