含移動式儲能的配電網分層優化控制技術分析

胡志勇，王 蒨，周 磊

（國網河南省電力公司南陽供電公司，河南 南陽 473000）

0 引 言

移動式儲能具有削峰填谷的作用，以平滑系統的負荷曲線，降低配電系統的負荷峰谷差的同時改善配電系統的電能質量，降低系統的網損，在配電網中具有較大的應用價值。但是，移動式儲能接入配電網后，會使得配電網中的潮流呈現雙向流動的狀態，給配電網的運行控制增加困難。目前，對含移動式儲能的配電網運行控制技術已經有一定的研究。王育飛等人利用移動式儲能來對配電網進行削峰填谷，并且構建相應的優化調度模型，采取增強煙花算法進行求解[1]。姜心怡等人分析如何進行配電網移動式儲能優化配置，確定移動式儲能的配置容量，但是儲能如何進行充放電尚未論述[2]。為精細化調度及控制配電網移動式儲能裝置，文章研究配電網移動式儲能的分層優化調度控制技術。

1 配電網移動式儲能運行優化控制的必要性

移動式儲能的全壽命使用周期與儲能裝置的充放電次數的關系比較直接，如果儲能裝置頻繁進行充放電，則會直接降低移動式儲能的使用壽命。雖然在短時間內進行充放電可能會使得配電網取得一定的經濟效益，但縮短了設備的使用壽命，從全壽命周期的角度而言并不經濟。因此，移動式儲能在明確配置容量后，還需要優化充放電策略，如哪些時段運行在充電狀態，哪些狀態運行在放電狀態，實現移動式儲能的優化運行。

合理優化調度控制移動式儲能，能夠降低配電系統的網損。當配電網處于用電負荷高峰時，如果要實現遠距離的輸送功率，則會帶來較高的系統網損。如果用電負荷功率能夠就地實現平衡，則可以降低有功功率在配電線路傳輸過程中所產生的網損，提高配電系統運行的經濟性[3]。而借助移動式儲能，就能夠在配電系統處于用電高峰時，通過放電為負荷供電，合理控制好移動式儲能，能夠取得較高的降低配電系統網損效益。

2 配電網移動式儲能的分層控制技術

移動式儲能的優化控制需要和配電網的優化運行相互結合，可以采取分層控制的理念，以下進行具體的分析和介紹。

2.1 配電網移動式儲能的分層控制技術邏輯原理

配電網移動式儲能的分層控制技術邏輯原理具體如下。首先，通過上層優化調度，配網調度中心將所收集的配電網負荷及參數等信息輸入上層優化調度模型；其次，經過上層優化計算，將移動式儲能裝置的總充放電出力大小數據反饋給配電網調度控制中心；最后，將所得出的移動式儲能裝置的總充放電出力數據傳輸至下層優化調度模型中，借助下層優化調度模型的計算，得出配電網中每一臺移動式儲能裝置的出力大小及調度策略，完成配電網移動式儲能的分層控制[4]。

在上層優化調度控制模型中，所需要輸入的原始數據信息包括日前配電網的負荷預測信息，配電網當中的分布式電源出力預測數據等。基于功率平衡的基本原理，完成儲能總出力的計算。在下層優化調度控制模型中，所需要輸入的原始數據信息包括上層模型中的所有數據，還有儲能的總出力大小，從而細化移動式儲能調度策略。

2.2 配電網移動式儲能的分層控制優化模型

明確配電網移動式儲能的分層控制邏輯原理之后，就可以構建出配電網移動式儲能的分層控制優化模型，從而得出配電網移動式儲能的分層控制調度策略，實現配電網移動式儲能的優化控制。

2.2.1 上層控制優化模型

配電網移動式儲能的上層控制優化模型的目標函數可以取為配電網負荷峰谷差最小。通過移動式儲能靈活的充放電性能，調節配電網中的負荷，避免出現配電系統負荷過重或者過輕的問題，從而保證配電網的電壓質量不會出現忽高忽低的問題，也能夠保證配電系統的電壓質量穩定，計算公式為

式中：Pt,i為配電節點i在時段t的有功功率；N為所研究的配電系統總節點數。

對于配電網移動式儲能上層控制優化模型中的約束條件，主要包括配電系統的功率平衡約束、移動式儲能充放電約束、配電系統中分布式電源出力上下限約束以及移動式儲能荷電狀態上下限約束等。

2.2.2 下層控制優化模型

配電網移動式儲能的下層控制優化模型的目標函數可以取配電系統的網損最小、可移動式儲能設備運輸成本最小，然后從配電系統運行經濟性最佳的角度，優化每一臺移動式儲能設備出力大小。函數公式為

式中：δloss為網損電價；Gj為配電系統支路j的電導；Pj,t為配電系統支路j在時段t的有功功率；Qj,t為配電系統支路j在時段t的有功功率；Uj,t為配電系統支路j在時段t的電壓；M為時段的總數；S為配電系統支路總數。

可移動式儲能設備運輸成本函數f3計算為

式中：qt為時段t所需運輸的儲能容量；pc為單位容量儲能的運輸成本；Lc為單位距離儲能的運輸成本。

配電網移動式儲能下層控制優化模型中的約束條件包括配電系統的功率平衡約束、配電系統中各個節點電壓約束、配電系統中每一條線路的潮流上下限約束等[5]。通過潮流計算，得出系統中各個節點電壓、支路潮流和系統的網損情況等，實現下層模型的優化計算。

3 案例分析

對于文章設計的含移動式儲能的配電網分層優化控制技術，以某地區10 kV 配電系統為例進行分析計算，配電系統結構如圖1 所示，系統典型負荷數據信息如表1 所示[6]。

表1 系統典型日負荷值

圖1 配電系統結構

3.1 配電網移動式儲能的分層控制優化模型的求解算法

對于文章設計的的配電網移動式儲能的分層控制優化模型，采取改進粒子群搜索優化算法進行求解。其原因是傳統的粒子群搜索優化算法求解效率相對不高，且最優解可能會根據迭代計算次數的不同而有所差異。改進粒子群搜索優化算法求解流程如圖2所示。

圖2 改進粒子群搜索優化算法求解流程

從圖2 中可以看出，在輸入優化模型求解所需要的原始數據，并處理目標函數后，就可以對粒子群中的初始種群賦予初始的位置和速度，即初始化移動式儲能的容量和充放電功率[7-8]。之后，通過算法更新粒子群中種群的速度和位置，同時更新目標函數中的罰因子，直到滿足算法的收斂條件后，輸出最優解，完成程序的迭代計算。

3.2 配電網移動式儲能的分層控制優化模型的求解結果

移動式儲能交通路網數據如圖3 所示，單位容量儲能的運輸成本為4.5 元/（kW·h）[6]。

圖3 移動式儲能交通路網

根據改進粒子群優化算法，求解移動式儲能的分層控制優化模型，算法的迭代收斂曲線如圖4 所示。

圖4 算法的收斂曲線

從圖4 中可以看出，經過181 次迭代計算之后，算法收斂。當算法在迭代計算96 次時，基本滿足收斂條件，但是算法所設置的收斂精度較高，又繼續進入迭代過程，從而滿足所輸出的最優解。同時，所得到的移動式儲能在24 h 時間尺度下的充放電結果如圖5 所示。

圖5 移動式儲能充放電優化控制結果

從圖5 可以看出，移動式儲能在00:00—05:00和23:00—24:00（23:00 到次日05:00 間）范圍內，出力狀態都為1，表示移動式儲能處于充電狀態。此時的負荷水平較低，移動式儲能可以運行在充電狀態，以吸收系統中的有功功率，避免配電系統出現夜間電壓過高的問題。05:00—23:00 期間，移動式儲能在大部分時間段的狀態都為-1，只有少數時間為0。狀態為-1，表示移動式儲能運行在放電階段。由于白天的負荷水平較高，需要通過移動式儲能放電，保證配電系統不會出現電壓過低的情況，同時起到平滑配電系統負荷需求的作用。同時，從圖5 中可以看出，移動式儲能在1 d 的時間尺度下共進行1 次充電以及2次放電，一共3 次的充放電，次數較低，在降低充放電次數以滿足使用壽命的前提下，能夠提高儲能裝置的運行經濟性。對于該配電系統的運行網損情況，在沒有配置移動式儲能的情況下，該配電系統的網損成本為1 076 元，配置移動式儲能后，系統的網損成本為642 元，較為明顯地減低網損成本的效益。

4 結 論

含移動式儲能的配電網可以進行優化控制的空間較大，合理優化配電網的運行狀態，可以增強含移動式儲能配電網的運行穩定性，同時提高系統運行的經濟性。文章系統介紹含移動式儲能的配電網優化控制技術，并且分析控制結果，從而更好地保證配電網的運行安全。未來，隨著配電網中分布式光伏和風電的接入，配電網逐漸呈現出主動性的特征，優化控制配電網的運行狀態將是配電系統調度中重要的工作內容。