智能配電網(wǎng)中分布式儲能布局優(yōu)化配置分析

杜劍峰，朱明嫄，莊鎮(zhèn)宇

（1.國網(wǎng)睢寧縣供電公司，江蘇 睢寧 221200；2.國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

引言

隨著雙碳政策的逐步普及和有源配電網(wǎng)的深入推進，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)需求。為了進一步提升電網(wǎng)的信息化水平，確保供電質(zhì)量的穩(wěn)步提升，推動配電網(wǎng)經(jīng)濟的健康、可持續(xù)發(fā)展，需要重視分布式儲能的優(yōu)化布局。分布式架構的優(yōu)化與控制對電網(wǎng)的優(yōu)化和升級具有積極的促進作用，有利于企業(yè)實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。

1 智能配電網(wǎng)中分布式架構系統(tǒng)配置分析

1.1 分布式電源

分布式電源，亦被稱為分布式功能或發(fā)電，通常是指分散布置小型發(fā)電裝置的發(fā)電方式，其分布位置普遍為用戶住處或周邊，對緩解能源危機和補充電源發(fā)揮著重要的作用。因此，在配電網(wǎng)中的應用極為廣泛。其常見類型主要有太陽能發(fā)電和風力發(fā)電。目前，太陽能發(fā)電較為普及，可以通過光電效應，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并用蓄電池組存儲，在使用時利用逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)化為電能，屬于一種清潔無污染的發(fā)電方式，也是目前最具發(fā)展前景的發(fā)電方式。但上述兩種發(fā)電方式相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式，在穩(wěn)定性上存在問題，無論是太陽能發(fā)電還是風力發(fā)電，均會受天氣影響，存在隨機性和間歇性的特點。因此，在并網(wǎng)后容易影響配電系統(tǒng)的運行，為消除影響，需要對分布式儲能布局進行優(yōu)化，只有這樣，才能保證并網(wǎng)運行的可靠性。

1.2 物理系統(tǒng)構建

多智能系統(tǒng)是開展分布式控制優(yōu)化、決策的基礎，對于配電網(wǎng)工程來說，主要由本地控制器、通信接口智能裝置以及分布式通信網(wǎng)絡共同組成了分布式架構的智能配電網(wǎng)物理系統(tǒng)。在技術改造過程中，配電網(wǎng)的設備能夠發(fā)揮積極作用，為分布式架構物理系統(tǒng)的構建提供支持和助力。例如，分布式電源中的逆變器借助帶有通信接口的DSP實現(xiàn)控制器的作用，以網(wǎng)絡為基礎連接形式，獲得控制策略的相關數(shù)據(jù)信息，符合網(wǎng)絡連接控制策略的數(shù)據(jù)要求，實現(xiàn)分布式的優(yōu)化與控制。智能化柱上開關能夠?qū)⒕偷鼗Ｗo、計量以及通信融合在一起，為其他智能體提供相應的數(shù)據(jù)與拓撲信息數(shù)據(jù)。配電網(wǎng)中不同智能體的物理位置和控制邏輯更加獨立，利用通信與自身邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件與硬件的結合。需要注意的是，智能體需要包括以下幾方面的功能：一是通信功能。該功能能夠?qū)崿F(xiàn)接收不同節(jié)點發(fā)出的信息，同時實現(xiàn)自身信息的發(fā)送。二是感知功能。該功能能夠?qū)崿F(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)的處理，使得傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)信息合理轉(zhuǎn)換為本地計算、通信服務。三是計算功能。該功能能夠依據(jù)已設定完成的算法進行簡單計算。四是執(zhí)行功能。該功能依據(jù)所發(fā)出的操作指令進行作業(yè)。如對分布式電源出力進行合理調(diào)節(jié)和控制，對居民用戶的可中斷負荷進行靈活調(diào)整。

1.3 區(qū)域優(yōu)化與控制

智能配電網(wǎng)智能化體系的運行在分布式架構基礎上需要保證運行通信網(wǎng)絡的建設，以配電網(wǎng)拓撲信息和實際運行情況為核心，進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。通常情況下，分管區(qū)域的劃分應與該區(qū)域受控單元數(shù)量以及分布區(qū)域大小為基礎，使不同區(qū)域的空間距離與智能體的耦合連接更加順暢。分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要是以多智能體架構系統(tǒng)的穩(wěn)定性為依托，對單個智能體性能、智能體數(shù)量進行科學控制。當獨立、單一的智能體性能較高時，其控制對象的效果也更好，但此時整體系統(tǒng)的智能體數(shù)量卻不斷增加，造成整個控制與優(yōu)化成本的增加。在實際應用過程中，集中布置的分布式電源可以通過性能設置、主體智能體功能的完善實現(xiàn)控制任務的分解和調(diào)度，對于下游的控制設備來說，則采用低成本的控制智能體完成相關任務。而當單一智能體控制對象的數(shù)量增加時，則建設成本隨之降低，在此過程中，被控制對象的控制效率也不斷降低，進一步增強了被控制對象發(fā)生故障的可能性，當整體系統(tǒng)受到波動時，由于智能體數(shù)量的降低造成控制策略無法及時跟蹤到系統(tǒng)的變化和波動，對配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響[1]。

1.4 建設規(guī)劃

配電網(wǎng)信息系統(tǒng)在分布式架構的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)信息與通信的交換，同時對其自身的系統(tǒng)拓撲結構提出了新的需求，不僅需要系統(tǒng)自身運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，還需要重視配電網(wǎng)抵御風險的能力。即對于緊急狀態(tài)下的突發(fā)事件，電網(wǎng)可以實現(xiàn)獨立運行，依據(jù)自身的分布式電源和智能體系實現(xiàn)整體的調(diào)度和控制，進一步增強配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。為實現(xiàn)上述目標，需要對配電網(wǎng)進行合理的規(guī)劃和布置。對于智能體的管理區(qū)域劃分，需要對該區(qū)域的配電網(wǎng)獨立運行能力和智能體所在區(qū)域的依賴關系進行充分考量，對分布式儲能設施則需要重點考量。因此，對于分布式架構下的智能配電網(wǎng)，既需要做好通信網(wǎng)絡建設，更需要明確配電網(wǎng)的科學合理規(guī)劃。

1.4.1 通信網(wǎng)絡

通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性離不開圖像的連通性，為保證通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，需要在通信網(wǎng)絡設計前做好連通度閾值的預定工作。合理制定通信寬帶、通信信號以及通信能耗的設計，進一步提升通信的整體運行時間、反應時間[2]。

1.4.2 經(jīng)濟性規(guī)劃

為保證智能配電網(wǎng)經(jīng)濟性規(guī)劃滿足實際運行需求，需要對通信網(wǎng)絡建設成本、分布式能源消耗進行合理控制。在網(wǎng)絡建設方面，不僅整體通信網(wǎng)絡要達標，更要實現(xiàn)降低建設成本的目的。對于分布式能源的消耗，可再生能源消耗率的增加，能夠有效減少供電成本。此外，分布式能源的消耗對降低因遠距離輸送導致線路損耗具有積極的意義。通信網(wǎng)絡的建設成本主要與通信拓撲設計、智能體總體個數(shù)有關。因此，分布式能源消耗率、線路損耗的降低都需要配電網(wǎng)網(wǎng)架結構合理規(guī)劃和選址定容的合理配置。

在配網(wǎng)網(wǎng)架結構規(guī)劃中，由于分布式電源、分布式儲能系統(tǒng)以及網(wǎng)架規(guī)劃之間聯(lián)系緊密，當分布式能源滲透率逐步提高時，區(qū)域配電網(wǎng)自給率隨之升高，有效降低了規(guī)劃后的網(wǎng)架建設成本。智能配電網(wǎng)中分布式架構建立的相關指標與智能體管理區(qū)域劃分和分布式能源整體利用率緊密相關。當分布式能源占比較高時，極易造成區(qū)域內(nèi)調(diào)度難度逐漸增大，系統(tǒng)的電壓頻率隨之提升，帶來一定的供需不平衡問題。當分布式能源占比較低時，容易發(fā)生整體網(wǎng)架建設成本、電力網(wǎng)絡運行成本提高。因此，科學平衡分布式能源占比和網(wǎng)架建設成本對于智能配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃具有積極的意義[3]。

2 分布式儲能布局優(yōu)化與選址

2.1 選址定容規(guī)劃模型建立

分布式能源主要包括分布式電源和分布式儲能，其中分布式電源主要以清潔能源為主，其選擇多靠近用戶。而分布式儲能則能夠優(yōu)化和完善分布式電源整體特征，實現(xiàn)配電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)壓，提升配電網(wǎng)的可靠性，優(yōu)化分布式電源高滲透率。分布式儲能選址定容規(guī)劃需要從以下幾個方面入手：一是對配電網(wǎng)DG負荷分布情況進行全方位了解，明確已有分布式儲能容量與位置。二是整理和收集現(xiàn)有網(wǎng)架結構、數(shù)據(jù)信息，與規(guī)劃方案相結合，實現(xiàn)前期的預測。三是依據(jù)選取的信息，以模型的方式對規(guī)劃方案進行驗證。在實際的規(guī)劃中，需要結合多方面的原因，綜合經(jīng)濟效益，實現(xiàn)科學設置。將分布式儲能接入到配電網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)改善和調(diào)節(jié)作用，將發(fā)電運行成本、網(wǎng)損以及客戶終端成本指標進行合理分析。

模型的建設過程中，其限制約束條件主要體現(xiàn)在配電網(wǎng)中的潮流，在此基礎上，需要對以下幾個因素進行綜合考量：一是儲能設備以離散形式為主，因此，儲能設備廠家以標準功率儲能單元進行模塊定制。二是已接入的分布式儲能容量需要高于間歇性分布式電源出力負荷，確保分布式電源的消耗力。三是為進一步提升分布式儲能的經(jīng)濟效益，應根據(jù)配電網(wǎng)負荷的變化制定儲能放電策略。在模型的建立過程中，一方面應對規(guī)劃目標、約束條件予以充分考量，另一方面則需要與配電網(wǎng)各種影響因素相結合。在配電網(wǎng)負荷逐漸增加的背景下，實際的規(guī)劃應與應用前景相結合[4]。

2.2 選址定容規(guī)劃求解

分布式儲能選址定容對配電網(wǎng)優(yōu)化與運行具有積極的作用，可實現(xiàn)分布式電源的靈活調(diào)整。選址定容規(guī)劃求解方式主要分為傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化、混合策略以及元啟發(fā)式策略。其中，傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化策略的實現(xiàn)需要建立精確的數(shù)學模型，將多目標優(yōu)化問題變?yōu)閱文繕说男问剑谠摲N策略中最優(yōu)潮流是較為經(jīng)典的求解方式。對于輻射狀配電網(wǎng)規(guī)劃來說，以系統(tǒng)導納矩陣為依據(jù)進行分布式能源安裝位置的確認，更加快速、精確。當配電網(wǎng)較為復雜時，無法進行精確的數(shù)學解析、無法建立模型將相關數(shù)據(jù)以目標函數(shù)的方式展現(xiàn)出來，其優(yōu)化效果依然需要借助仿真實驗完成。混合策略方式無法在提升優(yōu)化精確性的同時，保證方法具有高度的普適性。因此，為了最大程度確保策略有更大的適用領域，進一步提升優(yōu)化的效率，需要對其策略進行行改進和融合，改善其存在的劣勢問題。元啟發(fā)式策略的應用較為廣泛，能夠有效改善對某一問題的依賴性，但是存在所求結果不精確的問題。其中的禁忌搜索策略在應用過程中能夠以最快的速度確定搜索范圍，實現(xiàn)分布式能源的選址定容。

2.3 主動管理

主動管理技術能夠?qū)崿F(xiàn)智能配電網(wǎng)資源的合理控制和協(xié)調(diào)，轉(zhuǎn)變原有電網(wǎng)建設方式，能夠?qū)崿F(xiàn)主動管理規(guī)劃。同時，主動管理模式的有效應用能夠保證分布式能源在接入方面的優(yōu)勢更加明顯和突出。主要體現(xiàn)為規(guī)劃管理系統(tǒng)借助該區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進行實時預測與分析，對分布式能源自身進行深入分析和考量，針對配電網(wǎng)存在的運行狀態(tài)不穩(wěn)定、負載大等問題進行合理配置，提升規(guī)劃的精確程度。同時，根據(jù)配電網(wǎng)的實際負荷增長情況，對其進行長遠規(guī)劃，將配電網(wǎng)運營情況和規(guī)劃內(nèi)容相結合，引入網(wǎng)絡重構的方式，將響應策略、自愈策略等自動管理技術相融合，推動智能配電網(wǎng)能夠穩(wěn)定、高效運行，進一步提升設備的利用效率。智能配電網(wǎng)的主動管理需要對各類智能化設備通信系統(tǒng)進行有效應用，根據(jù)分布式儲能的規(guī)劃要求進行科學管理。智能配電網(wǎng)規(guī)模的增大，分布式電源與分布式儲能滲透率的提升，分布式結構能夠改善集中化管理帶來的通信成本高、擴展性差等問題[5]。

3 結論

分布式通信網(wǎng)絡技術的成熟，對實現(xiàn)分布式優(yōu)化與控制技術具有積極的意義。隨著理論與研究技術的深入與進步，為分布式架構在智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的有效應用奠定了基礎。智能配電網(wǎng)智能化的完善與優(yōu)化，不僅能夠有效提升設備的利用效率，還有助于提升配電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性。