源網荷儲多元協同調控及多向互動的方法和策略研究

南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司、國電南瑞科技股份有限公司 岳 鵬

1 引言

目前。對于新型能源的研究和使用過于單一，尤其是在配電網中的能源使用，新能源的進入導致供電系統難以維持平衡[1-2]。而源網荷儲的應用或將成為解決問題的關鍵。源網荷儲是電源、電網、負荷、儲能的一種運營方案和模式，能夠實現用電負荷與儲能資源的精確化控制與管理，大大加強了電網運作的安全性，并且改善清潔能源消納期間對于電網穩定性帶來的影響，讓電網的運作更具效率性、經濟性、安全性等，實現資源利用率最大化以及經濟效益最大化的目標。傳統源網荷儲調度機制不能夠適應越來越快的經濟發展[3-4]。因此，本文在原有的機制基礎上提出了源網荷儲多元協同調控及多向互動的方法和策略研究，設計出更高效節能的源網荷儲機制，保障電力系統運行的安全性與經濟性，并且加快清潔能源的消納效率，提高整體互動效率。

2 源網荷儲多元協同調控設計

2.1 源網荷儲邊緣計算節點配置

在電力系統中變電站分布特性和分布式電源的位置安排基礎上，對源網荷儲邊緣計算節點進行配置，同時配合物聯網設備的終端特點對節點進行刷新。

在用戶使用端的分布式電源和物聯網終端分別設置節點控制設備。用戶的使用信息通過節點控制設備進行采集和傳輸，與電力系統終端計算機相連接，實現用戶數據的實時監控[5]。上傳后的數據根據算法進行處理，再將計算機處理后的數據傳輸到電力系統的各個部門，同時對數據進行儲存。這樣有助于在電力系統終端計算機故障停機時，整個系統依舊可以維持運作。

2.2 源網荷儲的主動配電網分析

電力系統的配電中心的各部分組成和聯系如下：電力源就是分布式電源，在電力系統中承擔著供電的責任，一般包含發電裝置、新能源裝置。能量流是代表電力系統中的電能在源網荷儲之間的傳輸流動。通過邊緣計算節點的配置，使得用戶的行為數據不再單一，逐漸多元化，并且可以云共享，在信息流中可以表現為一條高速運轉的通道。配電節點中采集了所有的分布式電源和分布式裝置中的數據進行儲存，在今后的使用過程中，根據用戶和配電網各個部門的需求進行查詢，這樣保證了源網荷儲能夠順利進行協同調控。

本文所設計的源網荷儲多元協同調控方法就是在分布式裝置系統聯合電力運作系統的基礎上進行運轉的。通過對邊緣節點的設計可以時刻獲取用戶的行為數據，并且對電網終端的數據也做了協同調整，使得電力系統能夠適應新能源的加入，維持電力系統的穩定運轉，實現削峰填谷以及降低電力資源的非必要消耗的效果。

2.3 架構多元協同調控模型

圖1為本文設計的多元協同調控模型配電網架構圖。

圖1 配電網架構圖

第一步，明確源網荷儲多元協同調控的目的，是減少電力系統在進行電力調度的時候產生的非必要能源消耗以及削峰填谷，這兩個目標是相輔相成的。當電力系統中的配電網出現細微波動時，電網形成的峰谷差較小，相應的非必要能源消耗就會大幅度減少，這時候的資源消耗就是電力系統中的配電網在進行電力傳輸時，有效功率的作用效果和傳輸線路中的電阻消耗。

第二步，再對電路中的輸電線路的有效功率進行計算，尋求平衡，減少傳輸過程中的消耗。設置分布式儲能就是為了減少這一部分的能源消耗。同時，在終端設置分布式電源是為了跟蹤新能源的使用數據便于及時調整策略。

第三步，在配電網架構中分別設置可控負荷和常規負荷，根據不同時期的用電消耗對負荷及時調整。

第四步，安裝柔性負荷，對電路系統的功率的極限值進行設計，使電網在運行過程中始終維持較為穩定的輸出功率，減少額外消耗的產生。

3 源網荷儲多向互動設計

3.1 源網荷儲協同互動調控平臺

源網荷儲協同互動調控平臺可以接入自備電廠和電源側儲能等數據，并在這一基礎上按照可調節資源的接入方法和相應特點，根據源網荷儲協同互動調控平臺的業務需求，對可調節負荷參與調度控制的要求，設計可調節負荷資源的模型數據結構，從而達到電網對于可調節負荷接入以及控制的要求。可調節負荷資源建設范圍包含自備電廠與工業大用戶、電源側儲能、充電樁等，具體包括以下幾點內容：一是直調火電廠。反饋直調電廠的整體信息，例如電廠的數量、容量、出力、可調容量等；二是自備地方電廠。反饋地方自備電廠信息，其內容同上；三是儲能電站。反饋儲能電站的運行情況，包含儲能類型與分布、充放電功率、趨勢曲線等；四是綜合能源。反饋綜合能源情況，包含電氣化示范縣、采油注水等可調節對象的功率與可調容量等信息。

針對上述可調節負荷資源實施單體建模與聚合建模。其中，單體建模可有對某一個可調節負荷資源結合接入信息與自身屬性建模。聚合建模在單體建模的前提下，在空間和時間等維度建立單體調節資源自動聚合的分類模型，建立聚合后的控制資源，用于后續的監視與控制、分析等。在空間方面一般包含地區、分區、全網等，時間方面通常有1min級、15min級、30min級以及1h、2h級等，資源類型包含電源側儲能、負荷聚合商、就地響應負荷和群控負荷的采集量與預測值等，同時還包含了各時間節點的可調節量與響應效率、控制結果等，可以為越限消除和備用控制以及電力平衡等業務提供必要支持。

3.2 構建源網荷儲多向互動模型

源網荷儲與以往的資源調峰模式存在明顯差異，采用多向互動調峰模式，綜合不同資源互補互利的原則，實現相互之間的高效聯動與多種光伏滲透率匹配，尋求最佳的解決方案，從而維持系統峰谷差的穩定性。調峰資源耦合可能會受各種內外因素影響，所以在建模方法和方向的選擇上需要考慮到系統的峰谷差。本文將一個多因素影響的能源系統抽象成如圖2所示的二端口網絡。

圖2 源網荷儲多向互動樞紐

圖2中f1～fn為該樞紐的輸入，包括調峰需求、各側調峰資源技術特性、用戶滿意度等；S1～S4為調峰資源類型，可以靈活組合從而建立多樣化的調峰方案。

3.3 模型的轉化求解

步驟1：整合好歷史數據資源，通過樣條插值法來完善殘缺的數據，之后通過FCM聚類法將光伏出力的隨機性進行模型化處理。

步驟2：設置光照序列、滲透率序列、調峰裕度集合。

步驟3：分析系統有無調峰需求，若有則進入下一環節。

步驟4：利用功率分布轉移因子法轉化為線性約束條件。

步驟5：綜合分析源網荷儲各側資源的調峰經濟特點，通過源網荷儲多向互動匹配模型獲得調峰策略集合。

步驟6：對系統調峰進行經濟性分析，制定光伏滲透率下的最優調峰方案，并調整光伏滲透率、系統調峰裕度。

步驟7：輸出不同調峰裕度與不同光伏滲透率下各資源出力及調峰成本。

4 模擬試驗及結果分析

以1天內源、網、荷、儲各部分的有功功率情況為監測對象，每15min為一個間隔周期，分為96個調度和運行周期，按照當天的常規負荷預測值，分布式電源發電的預測出力計劃同時對分布式儲能、柔性負荷設備作出了相應的功率設定，進行多元協同調控和多向互動的效果分析。

4.1 多元協同調控效果分析

用總負荷整體趨勢來衡量調度機制的效果。1天之內的總體負荷的變化程度可以看出該電力系統的削峰填谷的效果。通過圖3可以看出，使用本文所設計的源網荷儲多元協同調控方法得到的曲線相對光滑，表明數據相對平穩，總負荷隨著時間的推移先達到峰值，再換面的下降，呈現一定的函數規律。而使用傳統的SGLS方法得出的曲線，呈現不規則的走勢，數據不是平穩上升下降的，中間波動較多。通過對比可以看出，利用本文所設計的方法能夠限制峰谷的差距走勢，使得用戶數據相對穩定，能夠實現削峰填谷的作用，這樣也能控制減少電力系統在進行電力調度的時候產生的非必要能源消耗。

圖3 總負荷變化情況圖

從負荷的整體變化來看，單純的協同調度總量不會產生明顯變化，其原因在于儲能設備處于試驗設計的電能狀態和調度，從試驗開始到完成都處于穩定的環境之下，能量整體上依然守恒。若選擇全面協同調度模式就能夠直觀了解到1天中總負荷有著一定降低，這是因為模擬試驗期間，SGLS的設計具有一定的變化性和不合理性，降低了原本的有功消耗，但整體上依然符合負荷能量不變的規律。

綜上所述，利用本文所設計的方法能夠降低能源的消耗。

4.2 多向互動效果分析

從圖4（a）、（b）的比對能夠了解到，這兩種調峰模式下機組開停機不會出現明顯差異，但機組損耗卻具有明顯差別。其原因在于火電機組的開停機成本較高，在滲透率較大的情況下需要盡可能降低機組開停機的頻率。并且調風資源容量的提高，使得滲透率不同的情況下選擇源網荷儲多向性互動模式更具經濟性。

圖4 不同光伏滲透率下調峰機組損耗成本

5 結語

本文利用對源網荷儲邊緣計算節點進行配置和主動配電網分析構建出多元協同調控模型，又對源網荷儲多向互動模型，并對模型轉化求解，最終設計出源網荷儲多元協同調控及多向互動的方法。通過模擬試驗對所構建的協同調控及多向互動模型試驗結果，得出該方法一定程度降低了額外損耗，減少了能源的消耗。但因為時間的限制，本文沒有進行多次試驗，還需要在今后的研究中進一步完善。