基于負載均衡的主動配電網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度方法

張明

（海南電網(wǎng)公司）

0 引言

化石能源的枯竭促使新能源快速發(fā)展，傳統(tǒng)的煤炭、石油等能源雖然仍然占據(jù)著主要地位，但是新能源也已經(jīng)開始逐漸提高其在配網(wǎng)發(fā)電中的比重。我國由此開始發(fā)展以可再生能源為主的配電網(wǎng)，快速調(diào)整能源結構，進一步促進電網(wǎng)的綠色發(fā)展。在我國，分布最為廣泛的就是風能和太陽能，因此光伏發(fā)電與風能發(fā)電也成了應用最多的新能源。但是由于這兩種能源出力不均勻的特點，經(jīng)常會出現(xiàn)系統(tǒng)電能質(zhì)量變差、局部電壓過高等問題，并對有新能源存在的配電網(wǎng)造成一定程度壓力。在文獻[1]中，使用多種能源并入配電網(wǎng)，并結合這些能源結構，建立了一個混合配電網(wǎng)的調(diào)度模型，在可再生出力下，實現(xiàn)了負荷的平穩(wěn)供給，并結合區(qū)域調(diào)度和交直流獨立優(yōu)化，得到了混合配電網(wǎng)的一致性目標函數(shù)以及約束條件。文獻[2]結合需求響應以及邊緣計算的方法，建立了一個具備集中式優(yōu)化特性的分布式配網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，并獲得了配網(wǎng)優(yōu)化和DG 優(yōu)化的目標函數(shù)與約束條件，經(jīng)過模型的轉(zhuǎn)化，得到了該方法下的優(yōu)化調(diào)度方法。本文結合負載均衡算法，設計了一種主動配電網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度方法。

1 建立主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 目標函數(shù)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)在將電能從發(fā)電側(cè)傳送到用電側(cè)的過程中，是處于被動狀態(tài)的，整體傳輸過程不可控。但是在將風能發(fā)電與光伏發(fā)電接入配網(wǎng)之后，可再生能源的出力不均勻會對整個配電網(wǎng)造成一定程度的沖擊。為減少這種壓力，建立主動配電網(wǎng)，并在主動管理控制可調(diào)度單元的前提下，設計一種優(yōu)化調(diào)度方法。為保證風力發(fā)電與光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電力可以被更大程度地利用，將其與儲能一同連接進配電網(wǎng)，以此抑制可再生能源出力的波動性，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行成本的最低化處理。為保證風力發(fā)電與光伏發(fā)電的消納能力，兩種可再生能源的動力機制使用最大功率，并在一定程度上忽略了其調(diào)度成本，此時分布式配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)可以表示為：

式中，Ymin表示該配網(wǎng)分布式調(diào)度運行成本的最小值；Yh表示電網(wǎng)在上一層級的最低成本；Yfd表示火力發(fā)電機組在單位發(fā)電單元中的發(fā)電成本；Ypk表示儲能結構儲存單位電力單元的運行成本[3]。在此過程中，可以得到以上三種成本的計算公式：

式中，Tn(t)表示在t時刻內(nèi)購買單位電力單元的成本；Tg(t)為t時刻內(nèi)火力發(fā)電組發(fā)出單位電力單元的發(fā)電成本；Top(t)則表示一個儲能設備在t時刻內(nèi)全力儲存電能所需要的運行成本；Pm(t)表示t時刻內(nèi)配電網(wǎng)與上層電網(wǎng)交互生成的功率；Pc(t)和Pde(t)則分別表示t時刻內(nèi)火力發(fā)電的功率以及儲能結構儲存電力的功率。通過以上公式，可以得到主動配電網(wǎng)調(diào)度的目標函數(shù)。

1.2 約束條件

在主動配電網(wǎng)的分布式優(yōu)化調(diào)度方法中，共存在幾種簡單的約束，分別是網(wǎng)絡運行約束、火力發(fā)電運行約束以及儲能運行約束，分別對應式（2）中的三個簡單公式。在網(wǎng)絡運行約束中，結合系統(tǒng)的平衡電壓，可以獲得電網(wǎng)的無功變量常量，進而得到節(jié)點電壓與支路電流的約束條件：

式中，Uk表示節(jié)點k處的總電壓，Id則表示第d個支路的電流；Uk-min和Uk-max分別表示節(jié)點k處電壓的上端峰值與下端峰值；Id-max表示d支路電流的最大值[4]。火力發(fā)電運行約束則是一種基于可控出力的約束，其可以表示為：

式中，Pi表示t時刻火力發(fā)電的功率；Pi,min和Pi,max分別表示出力的最小值與最大值。在儲能運行約束中，則需要著重于對儲能有功出力約束以及儲能時序運行約束的調(diào)度，在一個周期內(nèi)，盡量減少儲能裝置過度充電與過度放電，盡量保持儲能裝置荷電狀態(tài)處于正常值。此時儲能狀態(tài)的連續(xù)性約束可以表示為：

式中，SOCt1和SOCt2分別表示初始時刻以及結束時刻時該儲能裝置的荷電狀態(tài)。這個公式表示在儲能裝置開始運行以及結束運行的時段內(nèi)，其荷電狀態(tài)不會發(fā)生改變，也不會因為配電網(wǎng)的調(diào)度而產(chǎn)生其他影響。

2 基于負載均衡設計配網(wǎng)調(diào)度算法

配電網(wǎng)在引入可再生能源以后，經(jīng)常出現(xiàn)地調(diào)告警窗掛住的情況。為減少這種沖擊，主動對配電網(wǎng)進行分布式優(yōu)化。為保證在處理大量訪問數(shù)據(jù)的同時，主動配電網(wǎng)還能夠保持高負載的運行狀態(tài)，使用負載平衡方法，解決配網(wǎng)運行的問題。風力發(fā)電與光伏發(fā)電之所以會造成主動配電網(wǎng)負載過重，主要是因為太陽能輻射以及自然界的風力每時每刻都會發(fā)生變化，其他與之類似的可再生能源也有相同的問題。因此太陽能這種只有白天才能夠使用的發(fā)電裝置經(jīng)常會出現(xiàn)一些功率重過載的問題，在白天陽光照度最強的時刻，太陽能發(fā)電裝置重過載，而到了夜晚沒有陽光照射的時刻，太陽能發(fā)電裝置則不能繼續(xù)發(fā)電。為保證此類可再生能源可以持續(xù)、穩(wěn)定地生成電能，需要將其與蓄電池等儲能裝置共同使用。結合削峰填谷等方式，將陽光照度最強時刻的電能存儲在蓄電裝置中，在夜晚釋放出來，實現(xiàn)供電穩(wěn)定，這就是主動配電網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度中負載均衡的基本原理。

在配電網(wǎng)連接的用電端，有一個用戶集合，該集合可以和時隙集合相結合，形成一個供電單位的成本函數(shù)。該成本函數(shù)會隨著供電成本的增加而同步增加，且跟隨電能需求遞增。在分布式發(fā)電模型中，用戶的需求會存在一定的限制條件：

式中，Hij表示代表用戶需求的約束矩陣，dij表示用戶供電的需求集合，kij則表示分布式發(fā)電模塊的成本矩陣[5]。加入設定發(fā)電儲能的效率為ηp，則可以獲得約束條件：

該約束條件可以確定發(fā)電板的最大發(fā)電量。在考慮到儲能設備不能無限制放電的前提下，需要在儲能裝置中設定充放電的上限與下限：

式中，IN t,p(t) 和OUTt,p(t) 分別表示t時刻該儲能裝置充電與放電的功率；INt,max和OUTt,max則分別表示該儲能裝置充、放電的最大值。通過負載均衡技術，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的調(diào)度，在算法平臺上，需要有一種可以對當前時刻的儲能功率進行實時監(jiān)測的裝置，在該監(jiān)測裝置下，完成虛擬服務器集群的演算，同時以負載均衡器為核心，驗證預先制定的調(diào)度算法在資源狀態(tài)充足條件下的調(diào)度效率。結合上述負載均衡的理論，就可以得到主動配電網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度的算法。

3 算例分析

3.1 節(jié)點系統(tǒng)

對本文設計的主動配電網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度方法進行仿真測試，建立標準節(jié)點配網(wǎng)結構，如圖1 所示。

在圖1 所示的節(jié)點系統(tǒng)中，共存在節(jié)點0 到節(jié)點25 的26 個節(jié)點。其中，節(jié)點3 連接風電場，節(jié)點7連接光伏電廠，節(jié)點10 和節(jié)點19 均連接電儲能系統(tǒng)。在該模型的基礎上，收集并整理相關的配網(wǎng)數(shù)據(jù)，將某一個典型日的數(shù)據(jù)作為預測場景，在Matlab 軟件上建立仿真模型。在該系統(tǒng)內(nèi)，設置節(jié)點網(wǎng)絡參數(shù)，可以得到表1。

圖1 標準配電網(wǎng)絡結構

表1 節(jié)點網(wǎng)絡參數(shù)

在不同的節(jié)點部位，可以調(diào)整節(jié)點功率的偏差值，此時不同機組的成本變化隨不同節(jié)點有功出力的變化而變化。

3.2 預設調(diào)度場景

為測試不同環(huán)境下主動配網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度方法的有效性，在本實驗中設置以下四種場景，并分別對其進行研究。

場景1：不考慮風電、光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)；

場景2：不考慮風電、光伏發(fā)電，但是考慮儲能系統(tǒng)；

場景3：不考慮儲能系統(tǒng)，但是考慮風電、光伏發(fā)電；

場景4：綜合考慮風電、光伏發(fā)電以及儲能系統(tǒng)。

以上四種場景下的電力調(diào)度結果如圖2 所示。

圖2 不同預設調(diào)度場景下電力仿真

經(jīng)過如圖2 所示的仿真調(diào)度，可以得到四個場景的配網(wǎng)功率，在此情況下，四個場景發(fā)電的總成本如表2 所示。

表2 四個場景電力成本/元

分別列舉風電發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能電力以及設備運行所需要的成本，并計算其總成本。由表2 可知，場景1 所需要的總成本最高，場景3 次之，場景4 所需要的總成本最小。由此可見，使用風電與光伏發(fā)電以及儲能設備，均可以改善配網(wǎng)成本，而儲能設備的費用相對而言高于光伏和風力兩種發(fā)電設備。

3.3 調(diào)度優(yōu)化效果

為測試本文調(diào)度方法是否可以實現(xiàn)優(yōu)化，將該方法與基于一致性耦合關聯(lián)的調(diào)度方法以及考慮需求響應和邊緣計算的調(diào)度方法進行對比，得到調(diào)度優(yōu)化結果如表3 所示。

表3 不同調(diào)度方法優(yōu)化結果/元

如表3 所示，本文設計的負載均衡方法在四類場景下的成本均小于另外兩種調(diào)度方法。可見本文設計的調(diào)度方法確實更具優(yōu)越性。

4 結束語

隨著新能源的蓬勃發(fā)展，在化石能源發(fā)電的配電網(wǎng)中添加新能源發(fā)電裝置，可以有效降低發(fā)電成本，同時還可以起到環(huán)保、節(jié)能的作用。但是由于可再生能源發(fā)電的不確定性，本文基于負載均衡理論，設計了一種主動配電網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度方法。該方法在實驗中充分驗證了有效性，同時結合其他兩種配網(wǎng)分布式調(diào)度方法，對比得出了該方法的優(yōu)越性，在四類場景下均可以得到更小的運行成本，具備更好的實用價值。在后續(xù)的研究中，可以進一步完善儲能協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化，可以分別利用新型的儲能裝置，將其接入配電網(wǎng)，分析最好的儲能效果，同時研究多種儲能裝置協(xié)調(diào)應用下的主動配網(wǎng)調(diào)度效果。