考慮運行風險的主動配電網多源優化調度系統

吳蓉，秦 璐，徐天誠，朱婷婷

（國網孟津縣供電公司，河南 洛陽 471100）

隨著可再生能源分布式供電建設的大力發展，不僅增加了配電網的質量和可靠性，降低了環境污染，也使配電網供電更加的方便靈活、安全穩定[1]。由于配電系統中存在大量間歇性能源，為了有效控制和管理這些資源，采取了主動配電網技術[2]。通過優化各種可控設備，對主動配電網進行調度管理，增加了企業的經濟效益[3]。使用的考慮綜合承載力的主動配電網優化調度系統[4]和含微電網群的主動配電網雙層聯合優化調度系統[5]，結合優化潮流算法，構建主動優化調度模型。然而，在主動配電網中，需要調度的設備較多，潮流計算速度較慢，無法體現出靈活調度的特點。為此提出考慮運行風險的主動配電網多源優化調度系統，將長期全局優化策略與短期區域自主控制策略相結合，實現配電網運行的優化。通過研究表明，分布式優化調度可以起到實時控制和管理配電網的運行，對分布式電源的預測精度要求較高，具有實時能量約束和靈活的負荷參與的特點，實現主動式配電網儲能系統的協調控制。

1 系統硬件結構設計

為實現安全可靠、優質經濟、高效運行的配電網，在系統硬件結構設計中，優化配電網電源、調度電荷，實現主動式配電網多源協同優化調度[6]。

采取主動式配電網絡多源優化調度技術，能夠有效控制和管理接入配電網的資源，通過調度員操作調控，使配電網的運行更加高效穩定[7]。圖1 為系統硬件結構。

圖1 系統硬件結構設計

從圖1 可以看出，分別由物理層、應用平臺層和決策層組成了系統硬件結構。在配電網網絡層的基礎上，物理層負責設備的優化調度，以確保電壓質量和經濟運行[8]。在需求側的基礎上，應用平臺層采用配電網控制終端，對主動式配電網各環節的關鍵設備進行監控[9]。決策層通過應用平臺層獲取各種信息，對主動式配電網絡進行預測[10]。

1.1 饋線終端單元

使用TI 公司生產的TMS320LF2407 型號數字信號控制器作為饋線終端單元的主要控制器，結合DSP數字信號處理技術，不僅降低了控制器的功耗，而且提高了控制管理效率[11-12]。圖2為饋線終端單元。

圖2 饋線終端單元

由圖2 可知，將硬件結構層次化，共分為上下兩層，其中上層負責數據采集，包括模擬量輸入模塊、A/D 轉換模塊、通信接口模塊、開關量輸入、光電隔離模塊以及外擴存儲器模塊等；下層負責數據整理，包括電源模塊、串口電平轉換器模塊以及開關量輸出模塊等[13]。采用這種層次清晰、模塊化的設計模式，方便系統調試與維護[14]。

1.2 配電終端單元

配電終端作為配電網的關鍵部分，主要應用于10 kV 架空線路上，負責對配電線路的運行檢測與監控，并對配電網開關、電路、電容器等一次裝置進行實時監控[15]。配電終端單元如圖3 所示。

圖3 配電終端單元

由圖3 可知，在有線通信或無線通信的基礎上，配電遠方終端系統進行實時的數據采集，檢測識別開關故障及運行狀態，上傳信息并接收控制指令，實現不間斷供電[16-20]。

1.3 遠程終端單元

遠程終端單元是一種采用模塊化結構的專用計算機測控裝置，能夠在惡劣工作環境中，監測與控制長距離通信。遠程終端單元如圖4 所示。

圖4 遠程終端單元

由圖4 可知，高可靠性的多任務操作系統，通過實時內核對資源進行封裝，并根據每個任務的優先級合理分配CPU 時間。有效的多任務支持一直是遠程終端設計的主題，它能統一遠程終端上的任務，優化CPU 時間和系統資源分配。

1.4 IEC61968信息交換總線

基于IEC61968 的信息交換總線與適配器連接，其架構如圖5 所示。

圖5 IEC61968信息交換總線

從圖5 可以看出，其工作原理主要分為兩部分：信息交換總線和適配器。在信息交換總線單元中，主動分析單元是該單元的中心，其主要任務是負責采集流通總線的全部數據，為適配器提供控制信息。

2 系統軟件部分設計

2.1 考慮運行風險的多源優化調度目標確定

對主動式配電網絡進行優化調度，是主動式配電網絡實現安全、可靠、經濟和高效運行的重要保證，也是主動式配電網絡實施分布式能源主動管理的核心目標。

由于主動式配電網中的柔性負荷具有較高的熱慣性，且靈活性較強。主動配電網多源設備包括熱水器、空調、電視、商場和單位的中央空調等設備。在此基礎上，從負荷的靈活性和可控性出發，引導用戶將彈性負荷從高價轉化為低價形式，使主動配電網實現削峰填谷，在最佳優惠價格下穩定運行。

主動配電網多源優化調度目標是用戶期望的電價，其計算公式為：

式（1）中，λ1、λ2均表示期望電價系數，PIf(t)表示用電量。對t時刻彈性負荷的需求越大，期望電價越低。反之，彈性更小的負荷需求將導致期望電價更高。因此，當電網價格高于彈性負荷的預期價格時，可以降低彈性負荷。當電網價格降至低于預期價格時，可以通過增加負荷彈性，使負荷調度達到削峰填谷效益。

充分考慮電價高而導致的后果，確定基于三維多源優化調度目標，如圖6 所示。

圖6 基于三維多源優化調度目標

由圖6 可知，根據主動配電網實際運行情況，依據上述確定的目標，構建調度模型。

2.2 主動配電網多源優化調度方案設計

采用配網自治和協調機制，建立三級配網、饋線和自治區聯動機制的策略方案，使各區域能夠互補，保持局部平衡。

按照配電網絡的運行特點，將空間配電饋線分為三層。信息上傳的基礎是基于目標的自動自治和自治區信息傳遞，在此基礎上，利用目標優化曲線的坐標，實現了三層配電饋線區域的協調優化，如圖7所示。

由圖7 可知，綜合分析了微網能源管理系統和電力需求側管理系統的調度能力和分布式電源的特點，提出了自治區電網的調度方案。根據各自治區的調度能力、配電網的特點、用戶負荷的特點以及饋線等級儲能的特點，對饋線等級、配電網的調度能力主要取決于供電系統的供電能力。將數據流與下游數據流分開，實現饋線一級區域協調，實現整個配電網區域的區域自治、交互協調和優化控制。

3 實驗

將JADE 平臺作為基礎平臺，構建多代理實驗環境。該平臺基于Java 語言開發，主要用于考慮運行風險的主動配電網多源優化調度系統實驗。基于IEEE33 節點中，存在較大的4 個節點，在這些節點下添加電源和儲能，主動配電網節點結構如圖8所示。

圖8 主動配電網節點結構

在上述主動配電網節點結構支持下，分析不同時間下節點向電網購電的數量，如圖9 所示。

圖9 不同時間下節點向電網購電的數量

由圖9 可知，在0：00-4：00 時，節點調度儲能充電，有效增加了節點向電網購電的數量；在4：00-8：00時，通過增加柔性負荷進行小電流放電，這時的節點向電網購電的數量與節點調度儲能充電數量一致；在8：00-12：00 時，節點處于調度儲能充電過程中，柔性負荷減少，此時節點向電網購電的需求減少，即購電數量較少；在12：00-16：00 時，由于節點調度儲能在上個階段釋放過多，需在該時間段充電，所以節點向電網購電的需求增加，即購電數量較多；在16：00-20：00 時，通過增加柔性負荷進行小電流放電，此時節點向電網購電的數量與調度儲能基本持平；在20：00-24：00 時，節點調度儲能放電較少，導致柔性負荷增多，即購電數量略微增加。

基于上述實際數據，分別采用文獻[4]系統、文獻[5]系統以及所研究的多源優化調度系統對比分析不同時間下節點向電網購電的數量，對比結果如圖10 所示。

圖10 不同時間下節點向電網的購電數量

由圖10 可知，使用文獻[4]系統的主動配電網優化調度模型在8：00-12：00 前節點向電網購電的數量趨勢與實際趨勢一致，但比實際負荷高2 MW，在4：00-8：00 后節點向電網購電的數量變化趨勢較大，最大相差5 MW；使用文獻[5]系統在0：00-4：00節點向電網購電的數量趨勢與實際趨勢一致，但比實際負荷低2 MW，在0：00-4：00 后節點向電網購電的數量變化趨勢較大，最大相差4 MW；使用考慮運行風險的主動配電網多源優化調度系統在0：00-4：00到20：00-24：00 時間段內，節點向電網購電的數量趨勢與實際趨勢一致，誤差為0。

4 結束語

主動配電網多源優化調度系統充分考慮了運行風險，是針對主動配電網中家用電器和其他設備用電行為的不可控性而設計的策略。多源優化調度策略從理論上解決了配電網絡復雜運行中存在的問題，不僅提高了新能源消納量，而且有效地降低了調度運行費用，滿足了當今智能生活生產的電力需求。在科學技術迅猛發展的今天，應進一步優化主動配電網的多場景建模模塊，以此確保系統能更安全、高效地運行。