輸電網新能源出力和負荷調節特性協調調度策略

張文軍，胡 浩，易善軍，韓玉輝，宋 昆，尹洪全，朱宏濤，呂 兵

（1.國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙 古呼和浩特 010000；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

隨著“碳達峰”，“碳中和”戰略目標的提出，大規模光伏、風電等新能源并網高效利用已經成為新型能源體系發展的趨勢。然而，新能源發電側與負荷側在一定的時間尺度難以協調，一方面，負荷響應速度高于機組的爬坡率[1]；另一方面，需求響應時要減輕用戶負擔，但需求側負荷調節特性與機組不能保持一致性[2]，[3]。解決優化調度中發電側與負荷側在時間尺度上的協調問題是新的挑戰。

隨著電網規模的不斷擴大，輸網配網的交互與聯系愈加緊密，在進行優化調度時須要充分考慮二者的協調關系。傳統優化調度中一般對輸電網或配電網給予獨立考慮，輸網調度時將配網等值為負荷，配網調度時將輸網等值為電源。在規模化可再生能源和分布式電源接入電網的情況下，需要將輸電網和配電網交互協同來提升新能源消納。因此，配網與輸網的協調至關重要，即盡可能地利用控制資源實現輸網、配網的交互協調，解決系統運行風險與經濟性的問題。

分布式電源大規模并網會導致電網運行風險問題。文獻[4]，[5]通過研究歷史數據來推測分布式電源出力超出不確定邊界的情況，但未對其運行風險進行量化。文獻[6]針對風電出力預測誤差，提出了基于條件風險價值的優化調度方案。文獻[7]針對分布式電源出力預測值與實際值在不同場景下的偏差，建立了一種考慮分布式電源出力預測可信度評估模型。文獻[8]考慮源、荷常規與極端場景下的系統潮流以及安全動態約束問題，提出了新能源電網兩階段魯棒優化調度方法。

通過基于需求側響應調整負荷的用能行為可以提升電網協調能力[9]，[10]。文獻[11]同時考慮激勵型和電價型需求側響應特性，建立了考慮源荷協調的優化調度模型。文獻[12]建立了一種基于合同簽訂機制的需求側響應方法，通過對負荷的調節來提升調節裕度。文獻[13]，[14]計及多能源系統中電、氣、熱能源轉換和存儲等設備，建立了考慮電、氣、熱需求側響應的隨機優化調度框架。文獻[15]考慮配網運營商交易特性，使其參與需求側調度中，僅針對配網進行了需求響應優化。目前，針對輸網和配網協調方面的研究不多，尚缺少從輸配協調的需求響應角度來考慮電網的優化調度問題。

本文針對輸配網調度難以實現全局最優的問題，提出輸電網新能源出力和負荷調節特性相協調的調度策略，通過輸網和配網的交互耦合特性研究，建立了輸配網需求響應模型。在實際運行時，由于分布式電源出力可能會超出不確定區域，或者需求側負荷可能不執行電網的指令，因此建立了分布式電源及需求側響應的不確定性模型。通過對輸電網絡進行的優化分析，建立了基于分布式電源與需求側響應協調的輸配網優化調度模型。算例結果驗證了本文所提出的模型能夠協調電網的運行風險與經濟性能。

1 輸配協調的需求響應模型

本文建立的需求響應調度框架由輸電網運營商（Transmission Network Operator，TNO）發起，配電網運營商（Distribution Network Operator，DNO）監測配電網狀態，聚合商可以協調配電網與用戶需求響應資源（圖1）。

圖1 輸配協調的需求響應調度框架Fig.1 Demand response dispatch framework

圖1中，TNO和DNO實時監測輸電網絡和配電網絡狀態，均可向聚合商發出響應信息。聚合商可同用戶進行信息交互。雖然TNO和DNO所屬部門不同，但應互相協調維持電網安全穩定。為實現輸配網的需求響應交互協調，本文基于文獻[16]方法，將需求響應參與方分為買家與賣家。買家即為TNO，DNO和聚合商，賣家為簽訂合同的用戶。

賣家成本函數：

式中：pj，n為買家j合同n的負荷響應量價格；yj，n為相應的用戶響應量；αj，n，βj，n為價格系數[17]；uij，n為用戶i是否屬于同一組j，n的判斷量，uij，n取1或0；q為合同分組總數；Bj為買家j的需求量。

2 分布式電源不確定性與需求側響應不確定性模型

（1）分布式電源不確定性模型

受多種環境因素影響，分布式風機、分布式光伏的實際出力與預測出力會有一定的偏差。建立分布式電源出力不確定性模型：

3 輸電網絡線路傳輸優化分析

3.1 輸電網絡線路傳輸特性分析

目前，對于電網經濟調度的研究主要集中于配電網的優化調度方面，而針對輸電側電力線路的能量傳輸優化研究較少。本文從以下角度對輸電網絡進行分析：①輸電網絡普遍為徑向和網狀，一旦發生阻塞，會導致節點間的輸電能力降低；②電能在輸電網絡傳輸時會有部分損耗；選擇最優路徑將源側電能輸送給不同距離的負荷，并盡量降低網絡損失；③輸電線路存在功率、電壓等安全邊界，在這些安全邊界基礎上進行路徑優化。

3.2 輸電網約束

式中：ol為線路l是否允許斷開的標志量；χl為是否在候選新建線路l處進行建設的變量，χl分別為0-1。

潮流等式約束：

式中：M為極大數值；xl為線路l的電抗；θi，t，s，θj，t1，s分別為場景s下t時段節點i和j的相角。

4 分布式電源與需求側響應協調的輸配網優化調度模型

4.1 目標函數

本文提出的分布式電源與需求側響應協調的輸配網優化調度模型，是在考慮輸電網新能源出力和負荷調節特性協調的基礎上，對輸網和配網進行交互優化。

式中：z1i，z2i，z3i為分布式電源以及常規機組i的成本因子；Pi為分布式電源和機組i的功率；co為運維成本系數；Pdr為需求側響應功率；cdr，cfx，cld為需求側響應補償系數、風險成本系數和網損成本系數；Um，Un，θmn分別為m，n的電壓和相角差。

4.2 約束條件

式中：PGm，PLm為m的有功輸入功率和負荷有功需求；QGm，QLm為m的無功輸入功率和負荷無功需求；Bmn為節點m，n之間的電納。

分布式電源與需求側響應約束：

5 模型求解方法

式中：Dγ，Dλ，Dν，Dπ為對偶輔助變量；b為不確定度系數。

圖2 算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart

6 仿真及結果分析

采用IEEE-RBTS-BUS20算例進行仿真。圖3為算例拓撲圖[18]。算例由6個發電機組，3條輸電線路（單條容量為600 MVA）和5條配電饋線（單條容量為400 MVA）構成。典型日分布式電源及負荷預測如圖4所示。

圖3 IEEE-RBTS-BUS20系統圖Fig.3 IEEE-RBTS-BUS20 system diagram

圖4 分布式電源及負荷預測出力Fig.4 Distributed power generation and load forecasting output

基于所提出的分布式電源與需求側響應協調的輸配網優化調度模型，系統經濟成本的仿真計算結果列于表1。

表1 分布式電源不確定度變化下的結果對比Table 1 Economic cost comparison under the uncertainty of distributed power generation

表1為分布式電源出力不確定度變化下的經濟成本對比。考慮了分布式出力高于最大上界和低于最低下界的情況，高于上界的棄風成本和低于下界時的失負荷成本都計算在風險成本中。由表1可以看出，隨著不確定度數值的加大，運行成本升高，運行風險成本降低。

本文針對需求側響應不確定性對系統的影響做了相關分析。圖5～7分別為是否考慮需求側響應的負荷曲線、電價曲線和分布式電源的出力邊界曲線。

圖5 負荷受需求響應變化曲線Fig.5 Load by demand response curve

圖6 考慮需求側響應后的電價變化Fig.6 Prices curve after considering demand response

由圖5，6可知，考慮需求側響應后負荷和電價更趨于平滑，有利于減小電網的峰谷差。由圖7可以看出，在棄電較高的1：00-4：00，8：00-11：00，考慮需求側響應后，由于負荷能夠提供一定的可調節能力，分布式電源的出力上界稍高，降低了系統發生棄風、棄光的概率。考慮需求側響應不確定性后，分布式電源出力下界有所降低，說明本文模型具有較強的魯棒性，可降低失負荷概率。

圖7 需求側響應前后的分布式電源邊界Fig.7 Distributed power boundary before and after the demand side response

表2為不同需求側響應不確定度的計算結果。需求側響應不確定度越大，系統總成本也越大，相應的魯棒性越好。對比表1和表2可知，在與分布式電源不確定度相同情況下進行對比，本文模型的運行成本較低。由此可見，考慮需求側響應后，雖然不確定性因素增加，但可以促進消納分布式電源，提高系統的經濟性。

表2 需求側響應不確定度變化下的計算結果Table 2 Calculation results under the change of demand side response uncertainty

表3為是否考慮分布式電源不確定度和需求側響應不確定度情況下的結果對比。可以看出，當源荷實際值偏離預測值的程度較低時，確定性調度一般會優于魯棒調度。源荷實際值偏離預測值的程度較高時，考慮不確定性系統運行風險成本大大降低，使得總成本也低于傳統模型。

表3 是否考慮不確定性的計算結果對比Table 3 Whether to consider the calculation result comparison of uncertainty

7 結論

本文參考某輸配電系統的實際數據，采用IEEE-RBTS-BUS20算例系統進行仿真，建立了基于分布式電源與需求側響應協調的輸配網優化調度模型。

實際場景下分布式電源出力在一定程度上可能超出不確定域，將系統風險計入分布式電源不確定性模型中。

考慮輸網和配網的關系，構建了輸網配網的需求側響應模型。考慮到實際場景中用戶響應意愿可能發生變化，建立了需求側響應不確定性模型。

本文建立了分布式電源與需求側響應協調的輸配網優化調度模型，并通過不同分布式電源不確定度與不同需求響應不確定度的對比，驗證了所提模型的優越性。