智能配电系统与多微网之间如何协同运控？
摘要
微网是未来高密度分布式电源接入的主要载体,其规模化发展的态势必然使得未来智能配电系统的主要运控对象包括大量不同型式的微网系统,亟需探究新的运控机制,以适应新能源微网技术快速发展的需要。在比较微网与智能配电系统特征并分析多微网发展态势给传统配电系统带来挑战和机遇的基础上,提出了智能配电系统与多微网之间逐步培育和构建开放、友好型协同自律式运控关系的构想;阐述了协同自律运控模式的内涵,设计了具有规范性属性的协同策略和具有引导性属性的弹性自律空间的决策流程;最后对协同自律运控模式的若干关键科学技术问题进行了梳理,并展望了可能的解决方法。协同自律运控模式,既可以在降低配电网调控难度的基础上更好地发挥其承接大电网与微网关系的作用,还可以在提升微网自身能量管理灵活性的基础上更为充分高效地接纳分布式新能源,从而促进配电网主动性和智能性的良性发展。
关键词 : 智能配电系统; 多微电网; 协同自律; 分布式能源;
0 引言
传统能源的日益枯竭和生态环境的日趋恶化,迫切要求在现代电力系统中大力发展风、光等可再生清洁能源。可再生清洁能源通常以2种方式并入电网：一种是规模化接入,集中送出;另一种则是分散接入,就地消纳。可再生能源采用小容量、高密度、分布式接入配电网,在短期内形成高速发展的态势,并将逐渐形成具有较高渗透率的新能源配电网。
微电网技术为可再生能源的分布式并网发电及消纳利用提供了灵活有效的技术途径,也为主动配电网的运行和控制提供友好接口[1-5]。随着微电网技术的发展,可再生能源以微电网作为载体,以一个双向可调度的智能节点的形式接入配电系统,使得配电网不必直接面对不同种类、不同归属、数量庞大、位置分散的各类分布式电源。配电网将逐渐演变为由大量隶属者不同的微电网群和部分可控型分散电源组成的主动配电网。文献[6]把智能配网和微电网技术列为影响未来电网发展的10项关键技术之一;文献[7]对未来配电系统的发展形态进行研究,提出未来配电网将形成与包括微电网群等各类用户之间的双向、互动的供需关系;文献[8]和文献[9]对包含微电网的主动配电网架构进行分析,指出微电网群是解决高渗透率的分布式电源接入的有效途径,未来在配电网中将大量存在,并整合微网内资源与配网进行互动。微电网的迅速发展,需要对配网与微电网之间的协调运行进行进一步研究,成为亟待解决的问题。
在配电网协调运行方面,学者们已经做了较多研究工作,主要集中在“源-网-荷”互动运行机制[10-11]、高渗透率分布式电源的配网协同优化技术[12-13]、基于多智能体的配网协同控制技术[14]、配电网多元主体的竞价机制和博弈方法等方面[15],但对微电网与配电网的协调运行问题的研究还相对较少。文献[16]建立了多微电网接入主动配电网的分解协调优化模型,提出具有耦合特性的分解协调算法;文献[17]考虑微网电源与负荷的双重外特性,建立了微网与配电网联合调度的随机优化模型,用于二者之间的协同运行;文献[18]预估微电网最大、最小输出功率,做为与配电网交互功率的约束条件,在此基础上建立配电网的经济调度模型;文献[19]提出微电网群动态合作博弈和微电网定价的研究思路;文献[20]用互动备用博弈矩阵来描述微网之间的合作关系以及微网层对配网层产生的支持作用,从而实现微电网与配电网的协同调度。上述研究均针对某些特定方法来研究配电网与微电网的协同调度,没有系统地分析和研究多微电网群与配电网之间的运控模式。
微电网做为配电网或主动配电网中的智能子系统,具有高度自治和友好互动的特性,微电网的运行行为应该受到约束和限制,以协同配电网的安全、经济运行为目标;同时微电网在允许的运行范围内,也要实现自身的效益最大化。换言之,配电网与微电网之间是一种协同自律的关系[21-23]。基于上述分析,本文提出一种智能配电系统与多微网之间逐步培育和构建开放、友好型协同自律式运控关系的构想,阐述了协同自律运控模式的内涵,初步设计了具有规范性属性的协同策略和具有引导性属性的弹性自律空间的决策流程[24-25]。最后对协同自律运控模式的若干关键科学技术问题及其可能的解决方法进行了梳理和展望[26-28]。
1 多微网高渗透运行对配电网的影响
单个微网或少数微网并入配电网时,如果其分布式电源(distributed generation,DG)容量小于本地负荷,或仅在很小的配电范围内存在少量功率倒送,则可以认为对配电网的正常结构和运控模式无甚大碍。然而,当并网运行的微网数量和容量达到高渗透规模时,就会对配电网带来明显影响。其主要影响概括如下：
1)增加了配电管理与营销体系的不适应性。
未来的微网,甚或配电网,更容易在其中引入混合所有制经济模式,导致其所有权和经营权主体的多元化,使得配电网运营商、电力用户或DG/DR零售商等均可参与相关营销决策过程和具体营销活动,从而彻底改变现有配电公司一家卖电、若干独立用户自主买电的垄断格局。多元化营销模式的产生与发展,在搞活电力商品公平竞争性经营活动的同时,必然要求传统配电管理与营销体系发生根本性的变革。此时,配电网更多地由管理者角色向服务者角色转换,以适应新的营销模式。
2)增加了配电网架结构的不适应性。
传统开式辐射状配电网架结构是为单一潮流方向而设计的,其运控操作比较简单。当进入多微网高渗透时代后,尽管中高压主干配电网络结构型式可能变化不大,但对中低压配电网络,由于潮流方向和大小的多变性、微网并网点或并网断面需求的多样性,使得原有网架结构表现出愈来愈多的不适应性。此时,新的应用环境极有可能催生出交直流混联的多环状网架型式。新的拓扑结构型式的产生与发展,在增加配网潮流控制灵活性、提高微网电力吞吐能力的同时,必然要求传统配电网络“闭环设计、开环运行”的模式进行相应的变革。
3)增加了潮流运控的复杂性和难度。
因多微网高渗透带来的最突出表象就是DG/ DR和微网的选址、定容和实时输出等行为特性变得更为多变和不确定,加大了配网有功潮流堵塞和无功潮流分布不均衡的风险;正常和事故工况时投退行为的高度自治,加剧了这种不确定性和风险;DG/DR、微网和配电网三者运控目标或利益诉求存在的不一致性和相对独立性,削弱了传统配电网管控潮流的能力;多元化营销模式和新型拓扑结构型式的出现,既给配电网潮流的不良自由窜动提供了机会,也给潮流的合理分配创造了条件。上述种种因素,会不同程度地增加配电网潮流运控的复杂性和难度,需要加强各方自律基础上的协同,以提高潮流运控的主动性和灵活性。
4)削弱了配电网全局优化的能力。
传统配电网管理的对象比较单一,主要为被动接受供电的各种负荷。为避免或延缓对馈线和变压器等设备的升级改造以及提高配电网整体运行效
能,可以针对无功优化和网络重构等问题进行全局性寻优。当多微网高渗透出现后,尽管无功优化和网络重构等问题仍可存在,但由于多元化营销模式的出现以及DG/DR、微网和配电网三者运控目标或利益诉求存在的不一致性和相对独立性,无法再对其进行全局性寻优。此时,需要围绕配电网主动化的核心点、结合新型运控模式,探寻更为合理化的新型寻优机制。
综上,传统配电网在应对多微网高渗透时,会显露出多种不适应性,亟需研究新型运控模式以化解这些难题,并使其符合智能配电网主动化技术发展的趋势。本文提出的逐步培育和构建智能配电系统与多微网之间开放、友好型协同自律式运控关系的构想及初步设计的有关框架,正是顺应这一需求的一种探索。
2 协同自律运控模式
由第1节分析知：多微网高渗透在给配电网乃至更高等级系统的运控带来风险和困难的同时,也
存在因前者具有自我能量管理能力而使后者获益的可能。如何处理微网与配电网的关系,关乎二者是演变成相互利益的掣肘者还是支持者的问题。如果配电网更多地立足自身运行需要对各微网采取诸多限制性强势管控措施(非主动配电管理方式),则必然严重束缚多微网吸纳可再生清洁能源的潜能;如果各微网要求配电网全力配合其追求能量管理效益的最大化(完全主动配电服务方式),则必然显著提高配电网投资、扩容、运控等综合成本,并最终影响更多负荷用户的用电成本。因此,无论采取非主动方式还是完全主动方式处理微网和配电网的关系,均不能算是最智慧之举,需要在2种极端方式之间寻求新的利益平衡以构建微网和配网相处的新型关系。新型关系与2种极端方式时的主要特征对比如表1所示。
有鉴于此,本文提出多微网智能配电系统协同自律运控模式,促使微网和配网、微网和微网之间实现相互包容与自我约束环境下的利益共赢局面。
表1 协同自律运控模式的主要特征
多微网智能配电系统协同自律运控模式主要包括：
1)单个微网的自律运行。
单微网的自律运行是指参与配电网运控的各微电网,在配电管理系统所构建的灵活且适度自主调控空间内,单个微网能量管理系统对其所辖的各源-网-荷进行调控,其职能是满足微网内负荷可靠供电、保证良好的电能质量以及追求微网自身效益的经济运行控制能力等多种自主能量管理目标的过程中表现出的自我约束、自我管理的能力。对微
网功率变化|ΔPW||ΔPW|是否大于指标体系中的阀值βWβW进行判断。若小于,则微网可以完全自律运行。
2)多个微网之间协同控制。
多个微网之间协同控制是指配电管理系统在保障含多微网的配电网可靠运行的前提下,为满足多微网间能量互济,以提升微网友好接纳源-网-荷水平为主要目标,智能应用配网运行、微网典型特征、上级电网调控需求或指令、所辖内相邻微网间和同级配电网间联络等信息,通过技术和市场等多种有效手段的合理使用,在为多微网构建更为灵活且适度自主调控空间的同时,使配网与微网间以及多微网间营造出更为互济的运行关系,从而实现配网和微网的综合高效运营。微网间协同控制示意图见图1。
图1 微网间协同控制示意图
不同微网间存在耦合关系,用Si,jSi,j表示第ii和jj个微网间期望的交换功率。对于微网I,其净发电行为诉求为S1S1,期望的交换功率为S1,2S1,2,同样适用于微网2。不难发现
3)智能配电系统对多微网协同运控。
协同自律运控模式是由配电管理者组织实施、微电网有序参与的运控模式。在该模式下,配电网和微电网的职能属性发生了变化：配电管理者打破以往的强势管控和对微网的严格限制,强化服务意识,其主要职能演变为制定协同策略和弹性自律空间、综合利用技术和市场的手段协同配网与微网资源,为多微网和配网营造更为合理的互惠运行关系;微电网在配电管理系统所构建的自律空间内,获得了相对宽松的运行环境和较为弹性的技术约束,能够兼顾配网和其他微网的技术经济需求实施有限灵活地自治运行。自律性空间侧重规范微网和配网之间的电力交换行为,有别于以往的节点电压、支路潮流、短路容量、变压器带载率等严格的物理约束条件,需要兼顾多微网利益诉求与配电网运行需求合理制定,具有弹性和引导性等特性。
自律性空间计划是配电管理者根据上级电网调峰、调频等指令,为满足微网发用电诉求,在考虑各微网运行特性和多微网相互关系的基础上,通过合理调度配网调控资源,而制定和发布的用以引导和规范微网行为的发用电计划,可以用具有不同约束程度的区间形式表示,如自由区、博弈区和限制区等,具体为。
①自治区。
③博弈区。
对运行在博弈区的微网,它们存在对配网资源
和利益争夺上的关联性。配网需要采取协同控制手段,针对不断变化的运行场景,在博弈区划定出各方利益共赢空间公正分配基础上的运行子区间。对实际运行点落在该子区间内的各微网,视为相互之间处于利益对等地位,即不存在利益上的多占行为;对实际运行点落在该子区间外的微网,存在利益多占和吃亏行为,可视具体情况,纳入微网行为奖惩机制处理。博弈区的上下限分别取限制区边界和自治区上限。
3 协同自律运控模式框架体系与决策流程
在协同自律运控模式下,配电网和微电网的职能属性发生了变化,需要依托现有配电自动化系统构建新型框架体系,以适应多种信息智能化处理基础上的协同策略和弹性自律空间的制定与具体实施的需要。初步设计的框架如图2所示。
图2 协同自律运控模式框架
配电管理系统在预估微网与配网电力交换特性的基础上,智能应用配网运行、微网典型特征、上级电网调控需求或指令、所辖内相邻微网间和同级配电网间联络等信息,对各微网出力的变化绝对值|ΔPW||ΔPW|将是否大于指标体系中的阀值βWβW进行判断。若大于,则形成配网运行调控事件EWEW,控制系统将EWEW制定成协同自律控制命令CWCW,包括自律运行指令CZCZ和协同控制指令CXCX。
CZ指令制定并下发规范和引导各微网运行行为的自律性空间计划,并形成与之配套的配电网有关操控计划。各微网和配电网按照上述计划安排运行方式。在运行方式执行过程中,配电管理系统根据配网及微网实际运行情况或在线预估信息,重点考虑微网超自律空间运行后的责任认定与奖惩情况,决策如何对微网自律性运行空间、配网操控策略进行校正。典型的校正流程如图3所示。
校正是指对配电管理系统所构建的自律性空间修订和对配网操控策略的调整,是协同自律框架体系的重要组成部分。自律性空间校正的频次、内容及范围,需从配网和微网实际运行信息或基于历史
图3 自律性空间校正流程
经验数据的在线预警信息等方面综合考虑。特别是需要认定微网超自律空间运行后的责任,即微网发生越界行为的客观因素,同时还需制定有效的基于技术和经济等条件的奖惩机制。
微电网在正常自治运行的情况下,其能量管理系统自接收到自律性空间计划后,对其内部所辖源荷储运行行为进行监视与辨识,判断其是否满足与配网或与相邻微网间的自律性空间约束条件。如果确实存在临界或越界情况,应提取典型的越界特征数据,采取调整DG/DR运行方式、切换储能设备充放电模式或智能管理充放电行为等措施,使微网的运行点尽快重新锁定在自律性空间内。微网自律性运行决策流程如图4所示。
图4 微网自律性运行流程
在所设计的协同自律运控模式框架中,配电管理系统通过配电网/微电网协同运控策略的制定和弹性自律空间的构建与校正,在配电管理系统和多微网能量管理系统之间,构建了一种新型协作关系,可以在为多微网高渗透营造更大运行空间的同时,降低配网运行的管控难度和运行成本。
4 关键技术问题及可能的解决方法
4.1 关键技术问题
在通过协同自律运控模式促进多微网配电系统向主动性和智能性的良性发展中,会随之出现许多新的科学和关键技术问题,有待进一步研究和解决,具体为：
1)多微网协同运控基础理论。
非主动和完全主动运控模式在一定程度上均存在限制多微网对DG/DR接纳能力、制约微网规模化发展以及增加配网运控难度和运行成本的可能,需要采用新型运控模式实现二者的优势互补。在配网与微网以及多微网之间,既可能存在物理层面的较强联系,又可能存在运行需求和利益诉求方面的差异性甚至矛盾性,同时还可能存在信息层面的高度不确定性,这导致系统运行过程难以再强求某目标或某些目标的全局优化,应更多地推崇在协同自律基础上对运控灵活性的追求和对共赢空间共享权利的合理分配。运控灵活性和共赢空间如何定量评估?其影响因素和影响方式有哪些?运控灵活性如何增强、共赢空间如何合理扩大?共享权利如何分配才算公平合理?不同的分配关系对各微网自趋优运行的影响如何?何种分配关系与全网全局优化解趋近?基于共赢空间共享权利优化分配的问题和基于目标全局优化的问题在数学建模和求解方法上有哪些不同?等等。
上述这些问题是新型运控模式必须面临和逐步需要研究的理论问题。其解决有助于初步形成多微网协同运控基础理论。
2)弹性自律空间构建与校正技术。
多微网高渗透使配网呈现出更多的电源特性。鉴于其发电量的随机不确定性和数量庞大的特点,配电管理系统难以仿照大电网调度模式安排各微网发电计划,而转为为各微网制定并适时校正弹性自律性运行空间。需要研究构建涵盖多方技术约束和利益诉求、如何体现共赢空间共享权利合理分配关系的微网弹性自律运行空间计划和配网操控计划;研究如何根据配网及微网实际运行情况或在线预估信息,重点考虑微网超自律空间运行后的责任认定与奖惩情况,对微网自律性运行空间和配网操控策略进行校正的方法;研究微网如何在分布式自治过程中引入弹性自律空间进行控制和追求自我利益或目标最优化的方法。
3)新型潮流管控技术。
多微网的高渗透虽然削弱了配电网管控潮流的能力,为潮流的不良自由窜动提供了机会,但也为潮流的合理分配创造了条件。目前针对含多微网的配网潮流研究多集中于潮流反向后的算法以及最优潮流、网络重构和无功优化等问题,即基于配网角度的优化问题。协同自律运控模式使配网潮流管控的技术目标转变为为多微网提供更高的运控灵活性、更合理的共赢空间共享权利分配关系。需要研究如何借助于无功和有功调整、网络重构等传统措施和储能、柔性直流等新型调控手段,实现不确定信息环境下配网潮流如何在物理约束范围的合理分配的方法;研究同时包含多种调控手段和考虑其他利益诉求形式的配网潮流计算方法;研究信息不确定条件下的、采用非直接计算或半直接计算方式的配网模糊潮流获取方法;研究伴随配网电气潮流分布的环境价值、经济价值等非电气潮流分布计算方法,以更好地服务于评估多微网在配电网中的综合价值。
4)网架结构规划技术。
随着微网并网数量的增加,现有网络将越来越显现出不适应性,研究现有配电网网架结构如何适应多微网的接入,是解决多微网并网的前提条件。主要包括：骨干网适应策略,分支网灵活调整方案设计,新的联络线规划方法等。随着直流负荷的逐渐增多,直流电网将不仅仅存在于微电网中,交直流混合的中高压配电网架结构可能出现,需要研究追加考虑运控灵活性和共赢空间共享权分配合理性的网架结构规划方法。
5)构建基于自律空间的微网行为奖惩机制。
多微网出现超自律空间运行行为后,配电管理系统应对该行为的责任进行认定,而后启动奖惩机制对微网越界行为采取技术性限制和经济性引导等措施对微网行为加以规范。需要研究奖惩机制的启动条件(如越界行为持续时间、导致的物理量变化程度以及对其他微网影响程度和范围等)和具体的措施(如电价奖励或惩罚和强制性管控等措施);研究奖惩措施和市场化竞争性营销模式的结合机制。
6)制定更加柔性的接入标准和准入协议。
微网接入标准的制定是不断完善和发展的过程,其制定的原则应当体现更大的柔性,即适应各种能源结构的微网,减少对选址和定容的限制。这种接入标准,区别于传统的电压、短路电流和功率限制,将体现出动态特性,即出现新的准入容量和选址计算方法。在微网接入标准体系结构中,内容涉及很多,主要包括：组成微网的装置设备规范;微网的规划设计标准;微网的准入协议;微网自律运行原则和微网的并网协同运行规范等。
4.2 可能的解决方法
上述关键技术是支撑协同自律运控模式实施的基础,可以促使配电系统从被动型向主动型和智能型发展。但受物理设备发展的阶段性和多维影响因素的制约,其可能应用到的解决方法也不甚相同,甚至可衍生出新的方法。具体为：
1)分层分布控制方法。
电网的分层结构、微电网及其配套测量和通信设备的分散布置、配网和微网之间利益或目标的多元化格局等决定了需要采用分层分布控制的方式,对其进行协同。
2)分布式行为辨识方法。
量测和通信体系配置的不健全或滞后性、微网布置的分散性和行为的多样化、异构数据的海量性,使得传统预测和状态辨识方法难以适应协同自律运控模式。需要追加应用分布式大数据挖掘技术,形成包含预测、估计、统计和学习等信息共同支撑条件下反映多微网运行状态和行为规律的分布式辨识方法。
3)博弈方法。
在制定微网弹性自律运行空间计划和配网操控计划时,需要客观体现共赢空间共享权利合理分配关系。博弈论是解决此问题的一种相对比较可行的方法,可以考虑加以应用,但需注意避免出现强势博弈方利用优势挤占其他博弈方合理利益空间的现象。
5 算例仿真
本文所建算例基于标准IEEE 33节点,在其中15、21和25三个节点添加了包含负荷、分布式电源和储能的微电网,如图5所示。表2给出了并网的各微网基本属性和额定最大有功出力。其中,PV代表光伏,WT代表风机,DES代表储能,L代表负荷。
图5 IEEE配网33节点改造模型
表2 各微网基本数据
按照前文所述的自律性运行空间制定方法,智能配电管理系统为各微网制定了如图6所示的自律性运行空间。在图6所示的仿真结果中,蓝色曲线表示在无约束情况下,各微网实测有功出力,绿色带表示自治运行区,黄色带表示博弈运行区,红色表示限制运行区。可以看出,微网I在12:00—16:00时间段的运行会影响其他微网的运行权限,甚至在13:00—14:00时段超出限制运行区时会对整个配网运行带来冲击。微网II在0:00—3:00时间段内也存在超出自治运行区的情况。微网III的能量管理系统较好的实现了源荷储的协调运行,因此可以完全自治运行。按照配电管理系统下发的自律性空间计划,各微网要进行积极响应,否则将直接影响自身的经济利益。图7给出了微网I和II根据自律性运行空间计划调整后的日有功出力曲线。
图6 配电管理系统为各微网指定的自律性运行空间
图7 微网日有功出力曲线
6 结语
智能配电系统是未来配电系统的发展方向,多微网的高渗透率是今后智能配电系统必须面对的客观场景。处理好配电管理者、用户和电力零售商之间的关系,是智能配电系统应具备的重要功能。
本文提出了一种协同自律运控模式,阐述了其内涵,设计了具有规范性属性的协同策略和具有引导性属性的弹性自律空间的决策流程,展望了在构建智能配电系统过程中需要研究的基础理论和关键技术问题。
协同自律运控模式的构建,赋予配电子站和微网能量管理系统更多的权限,为DG/DR的运行营造了良好的空间,一定程度上解放了配网管理者的管理负担。同时又对DG/DR完全自治属性加以引导和规范,降低配网运行的风险。该模式将更有助于加强多微电网与配电网之间的协同性,从而提高微电网吸纳可再生清洁DG/DR的积极性,以及配电网接纳微电网的主动性,顺应了配电网主动性技术的发展趋势。
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