摘要

微網(wǎng)是未來高密度分布式電源接入的主要載體,其規(guī)模化發(fā)展的態(tài)勢必然使得未來智能配電系統(tǒng)的主要運控對象包括大量不同型式的微網(wǎng)系統(tǒng),亟需探究新的運控機制,以適應(yīng)新能源微網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的需要。在比較微網(wǎng)與智能配電系統(tǒng)特征并分析多微網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢給傳統(tǒng)配電系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)和機遇的基礎(chǔ)上,提出了智能配電系統(tǒng)與多微網(wǎng)之間逐步培育和構(gòu)建開放、友好型協(xié)同自律式運控關(guān)系的構(gòu)想;闡述了協(xié)同自律運控模式的內(nèi)涵,設(shè)計了具有規(guī)范性屬性的協(xié)同策略和具有引導(dǎo)性屬性的彈性自律空間的決策流程;最后對協(xié)同自律運控模式的若干關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行了梳理,并展望了可能的解決方法。協(xié)同自律運控模式,既可以在降低配電網(wǎng)調(diào)控難度的基礎(chǔ)上更好地發(fā)揮其承接大電網(wǎng)與微網(wǎng)關(guān)系的作用,還可以在提升微網(wǎng)自身能量管理靈活性的基礎(chǔ)上更為充分高效地接納分布式新能源,從而促進(jìn)配電網(wǎng)主動性和智能性的良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞 : 智能配電系統(tǒng); 多微電網(wǎng); 協(xié)同自律; 分布式能源;

0 引言

傳統(tǒng)能源的日益枯竭和生態(tài)環(huán)境的日趨惡化,迫切要求在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中大力發(fā)展風(fēng)、光等可再生清潔能源。可再生清潔能源通常以2種方式并入電網(wǎng)：一種是規(guī)模化接入,集中送出;另一種則是分散接入,就地消納。可再生能源采用小容量、高密度、分布式接入配電網(wǎng),在短期內(nèi)形成高速發(fā)展的態(tài)勢,并將逐漸形成具有較高滲透率的新能源配電網(wǎng)。

微電網(wǎng)技術(shù)為可再生能源的分布式并網(wǎng)發(fā)電及消納利用提供了靈活有效的技術(shù)途徑,也為主動配電網(wǎng)的運行和控制提供友好接口[1-5]。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,可再生能源以微電網(wǎng)作為載體,以一個雙向可調(diào)度的智能節(jié)點的形式接入配電系統(tǒng),使得配電網(wǎng)不必直接面對不同種類、不同歸屬、數(shù)量龐大、位置分散的各類分布式電源。配電網(wǎng)將逐漸演變?yōu)橛纱罅侩`屬者不同的微電網(wǎng)群和部分可控型分散電源組成的主動配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[6]把智能配網(wǎng)和微電網(wǎng)技術(shù)列為影響未來電網(wǎng)發(fā)展的10項關(guān)鍵技術(shù)之一;文獻(xiàn)[7]對未來配電系統(tǒng)的發(fā)展形態(tài)進(jìn)行研究,提出未來配電網(wǎng)將形成與包括微電網(wǎng)群等各類用戶之間的雙向、互動的供需關(guān)系;文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]對包含微電網(wǎng)的主動配電網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行分析,指出微電網(wǎng)群是解決高滲透率的分布式電源接入的有效途徑,未來在配電網(wǎng)中將大量存在,并整合微網(wǎng)內(nèi)資源與配網(wǎng)進(jìn)行互動。微電網(wǎng)的迅速發(fā)展,需要對配網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運行進(jìn)行進(jìn)一步研究,成為亟待解決的問題。

在配電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方面,學(xué)者們已經(jīng)做了較多研究工作,主要集中在“源-網(wǎng)-荷”互動運行機制[10-11]、高滲透率分布式電源的配網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化技術(shù)[12-13]、基于多智能體的配網(wǎng)協(xié)同控制技術(shù)[14]、配電網(wǎng)多元主體的競價機制和博弈方法等方面[15],但對微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行問題的研究還相對較少。文獻(xiàn)[16]建立了多微電網(wǎng)接入主動配電網(wǎng)的分解協(xié)調(diào)優(yōu)化模型,提出具有耦合特性的分解協(xié)調(diào)算法;文獻(xiàn)[17]考慮微網(wǎng)電源與負(fù)荷的雙重外特性,建立了微網(wǎng)與配電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度的隨機優(yōu)化模型,用于二者之間的協(xié)同運行;文獻(xiàn)[18]預(yù)估微電網(wǎng)最大、最小輸出功率,做為與配電網(wǎng)交互功率的約束條件,在此基礎(chǔ)上建立配電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度模型;文獻(xiàn)[19]提出微電網(wǎng)群動態(tài)合作博弈和微電網(wǎng)定價的研究思路;文獻(xiàn)[20]用互動備用博弈矩陣來描述微網(wǎng)之間的合作關(guān)系以及微網(wǎng)層對配網(wǎng)層產(chǎn)生的支持作用,從而實現(xiàn)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度。上述研究均針對某些特定方法來研究配電網(wǎng)與微電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度,沒有系統(tǒng)地分析和研究多微電網(wǎng)群與配電網(wǎng)之間的運控模式。

微電網(wǎng)做為配電網(wǎng)或主動配電網(wǎng)中的智能子系統(tǒng),具有高度自治和友好互動的特性,微電網(wǎng)的運行行為應(yīng)該受到約束和限制,以協(xié)同配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行為目標(biāo);同時微電網(wǎng)在允許的運行范圍內(nèi),也要實現(xiàn)自身的效益最大化。換言之,配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間是一種協(xié)同自律的關(guān)系[21-23]。基于上述分析,本文提出一種智能配電系統(tǒng)與多微網(wǎng)之間逐步培育和構(gòu)建開放、友好型協(xié)同自律式運控關(guān)系的構(gòu)想,闡述了協(xié)同自律運控模式的內(nèi)涵,初步設(shè)計了具有規(guī)范性屬性的協(xié)同策略和具有引導(dǎo)性屬性的彈性自律空間的決策流程[24-25]。最后對協(xié)同自律運控模式的若干關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題及其可能的解決方法進(jìn)行了梳理和展望[26-28]。

1 多微網(wǎng)高滲透運行對配電網(wǎng)的影響

單個微網(wǎng)或少數(shù)微網(wǎng)并入配電網(wǎng)時,如果其分布式電源(distributed generation,DG)容量小于本地負(fù)荷,或僅在很小的配電范圍內(nèi)存在少量功率倒送,則可以認(rèn)為對配電網(wǎng)的正常結(jié)構(gòu)和運控模式無甚大礙。然而,當(dāng)并網(wǎng)運行的微網(wǎng)數(shù)量和容量達(dá)到高滲透規(guī)模時,就會對配電網(wǎng)帶來明顯影響。其主要影響概括如下：

1)增加了配電管理與營銷體系的不適應(yīng)性。

未來的微網(wǎng),甚或配電網(wǎng),更容易在其中引入混合所有制經(jīng)濟模式,導(dǎo)致其所有權(quán)和經(jīng)營權(quán)主體的多元化,使得配電網(wǎng)運營商、電力用戶或DG/DR零售商等均可參與相關(guān)營銷決策過程和具體營銷活動,從而徹底改變現(xiàn)有配電公司一家賣電、若干獨立用戶自主買電的壟斷格局。多元化營銷模式的產(chǎn)生與發(fā)展,在搞活電力商品公平競爭性經(jīng)營活動的同時,必然要求傳統(tǒng)配電管理與營銷體系發(fā)生根本性的變革。此時,配電網(wǎng)更多地由管理者角色向服務(wù)者角色轉(zhuǎn)換,以適應(yīng)新的營銷模式。

2)增加了配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不適應(yīng)性。

傳統(tǒng)開式輻射狀配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是為單一潮流方向而設(shè)計的,其運控操作比較簡單。當(dāng)進(jìn)入多微網(wǎng)高滲透時代后,盡管中高壓主干配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式可能變化不大,但對中低壓配電網(wǎng)絡(luò),由于潮流方向和大小的多變性、微網(wǎng)并網(wǎng)點或并網(wǎng)斷面需求的多樣性,使得原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出愈來愈多的不適應(yīng)性。此時,新的應(yīng)用環(huán)境極有可能催生出交直流混聯(lián)的多環(huán)狀網(wǎng)架型式。新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式的產(chǎn)生與發(fā)展,在增加配網(wǎng)潮流控制靈活性、提高微網(wǎng)電力吞吐能力的同時,必然要求傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”的模式進(jìn)行相應(yīng)的變革。

3)增加了潮流運控的復(fù)雜性和難度。

因多微網(wǎng)高滲透帶來的最突出表象就是DG/ DR和微網(wǎng)的選址、定容和實時輸出等行為特性變得更為多變和不確定,加大了配網(wǎng)有功潮流堵塞和無功潮流分布不均衡的風(fēng)險;正常和事故工況時投退行為的高度自治,加劇了這種不確定性和風(fēng)險;DG/DR、微網(wǎng)和配電網(wǎng)三者運控目標(biāo)或利益訴求存在的不一致性和相對獨立性,削弱了傳統(tǒng)配電網(wǎng)管控潮流的能力;多元化營銷模式和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式的出現(xiàn),既給配電網(wǎng)潮流的不良自由竄動提供了機會,也給潮流的合理分配創(chuàng)造了條件。上述種種因素,會不同程度地增加配電網(wǎng)潮流運控的復(fù)雜性和難度,需要加強各方自律基礎(chǔ)上的協(xié)同,以提高潮流運控的主動性和靈活性。

4)削弱了配電網(wǎng)全局優(yōu)化的能力。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)管理的對象比較單一,主要為被動接受供電的各種負(fù)荷。為避免或延緩對饋線和變壓器等設(shè)備的升級改造以及提高配電網(wǎng)整體運行效

能,可以針對無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等問題進(jìn)行全局性尋優(yōu)。當(dāng)多微網(wǎng)高滲透出現(xiàn)后,盡管無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等問題仍可存在,但由于多元化營銷模式的出現(xiàn)以及DG/DR、微網(wǎng)和配電網(wǎng)三者運控目標(biāo)或利益訴求存在的不一致性和相對獨立性,無法再對其進(jìn)行全局性尋優(yōu)。此時,需要圍繞配電網(wǎng)主動化的核心點、結(jié)合新型運控模式,探尋更為合理化的新型尋優(yōu)機制。

綜上,傳統(tǒng)配電網(wǎng)在應(yīng)對多微網(wǎng)高滲透時,會顯露出多種不適應(yīng)性,亟需研究新型運控模式以化解這些難題,并使其符合智能配電網(wǎng)主動化技術(shù)發(fā)展的趨勢。本文提出的逐步培育和構(gòu)建智能配電系統(tǒng)與多微網(wǎng)之間開放、友好型協(xié)同自律式運控關(guān)系的構(gòu)想及初步設(shè)計的有關(guān)框架,正是順應(yīng)這一需求的一種探索。

2 協(xié)同自律運控模式

由第1節(jié)分析知：多微網(wǎng)高滲透在給配電網(wǎng)乃至更高等級系統(tǒng)的運控帶來風(fēng)險和困難的同時,也

存在因前者具有自我能量管理能力而使后者獲益的可能。如何處理微網(wǎng)與配電網(wǎng)的關(guān)系,關(guān)乎二者是演變成相互利益的掣肘者還是支持者的問題。如果配電網(wǎng)更多地立足自身運行需要對各微網(wǎng)采取諸多限制性強勢管控措施(非主動配電管理方式),則必然嚴(yán)重束縛多微網(wǎng)吸納可再生清潔能源的潛能;如果各微網(wǎng)要求配電網(wǎng)全力配合其追求能量管理效益的最大化(完全主動配電服務(wù)方式),則必然顯著提高配電網(wǎng)投資、擴容、運控等綜合成本,并最終影響更多負(fù)荷用戶的用電成本。因此,無論采取非主動方式還是完全主動方式處理微網(wǎng)和配電網(wǎng)的關(guān)系,均不能算是最智慧之舉,需要在2種極端方式之間尋求新的利益平衡以構(gòu)建微網(wǎng)和配網(wǎng)相處的新型關(guān)系。新型關(guān)系與2種極端方式時的主要特征對比如表1所示。

有鑒于此,本文提出多微網(wǎng)智能配電系統(tǒng)協(xié)同自律運控模式,促使微網(wǎng)和配網(wǎng)、微網(wǎng)和微網(wǎng)之間實現(xiàn)相互包容與自我約束環(huán)境下的利益共贏局面。

表1 協(xié)同自律運控模式的主要特征

多微網(wǎng)智能配電系統(tǒng)協(xié)同自律運控模式主要包括：

1)單個微網(wǎng)的自律運行。

單微網(wǎng)的自律運行是指參與配電網(wǎng)運控的各微電網(wǎng),在配電管理系統(tǒng)所構(gòu)建的靈活且適度自主調(diào)控空間內(nèi),單個微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)對其所轄的各源-網(wǎng)-荷進(jìn)行調(diào)控,其職能是滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷可靠供電、保證良好的電能質(zhì)量以及追求微網(wǎng)自身效益的經(jīng)濟運行控制能力等多種自主能量管理目標(biāo)的過程中表現(xiàn)出的自我約束、自我管理的能力。對微

網(wǎng)功率變化|ΔPW||ΔPW|是否大于指標(biāo)體系中的閥值βWβW進(jìn)行判斷。若小于,則微網(wǎng)可以完全自律運行。

2)多個微網(wǎng)之間協(xié)同控制。

多個微網(wǎng)之間協(xié)同控制是指配電管理系統(tǒng)在保障含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)可靠運行的前提下,為滿足多微網(wǎng)間能量互濟,以提升微網(wǎng)友好接納源-網(wǎng)-荷水平為主要目標(biāo),智能應(yīng)用配網(wǎng)運行、微網(wǎng)典型特征、上級電網(wǎng)調(diào)控需求或指令、所轄內(nèi)相鄰微網(wǎng)間和同級配電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)等信息,通過技術(shù)和市場等多種有效手段的合理使用,在為多微網(wǎng)構(gòu)建更為靈活且適度自主調(diào)控空間的同時,使配網(wǎng)與微網(wǎng)間以及多微網(wǎng)間營造出更為互濟的運行關(guān)系,從而實現(xiàn)配網(wǎng)和微網(wǎng)的綜合高效運營。微網(wǎng)間協(xié)同控制示意圖見圖1。

圖1 微網(wǎng)間協(xié)同控制示意圖

不同微網(wǎng)間存在耦合關(guān)系,用Si,jSi,j表示第ii和jj個微網(wǎng)間期望的交換功率。對于微網(wǎng)I,其凈發(fā)電行為訴求為S1S1,期望的交換功率為S1,2S1,2,同樣適用于微網(wǎng)2。不難發(fā)現(xiàn)

3)智能配電系統(tǒng)對多微網(wǎng)協(xié)同運控。

協(xié)同自律運控模式是由配電管理者組織實施、微電網(wǎng)有序參與的運控模式。在該模式下,配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的職能屬性發(fā)生了變化：配電管理者打破以往的強勢管控和對微網(wǎng)的嚴(yán)格限制,強化服務(wù)意識,其主要職能演變?yōu)橹贫▍f(xié)同策略和彈性自律空間、綜合利用技術(shù)和市場的手段協(xié)同配網(wǎng)與微網(wǎng)資源,為多微網(wǎng)和配網(wǎng)營造更為合理的互惠運行關(guān)系;微電網(wǎng)在配電管理系統(tǒng)所構(gòu)建的自律空間內(nèi),獲得了相對寬松的運行環(huán)境和較為彈性的技術(shù)約束,能夠兼顧配網(wǎng)和其他微網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟需求實施有限靈活地自治運行。自律性空間側(cè)重規(guī)范微網(wǎng)和配網(wǎng)之間的電力交換行為,有別于以往的節(jié)點電壓、支路潮流、短路容量、變壓器帶載率等嚴(yán)格的物理約束條件,需要兼顧多微網(wǎng)利益訴求與配電網(wǎng)運行需求合理制定,具有彈性和引導(dǎo)性等特性.