深度｜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|ΔP_W||ΔP_W|是否大于指标体系中的阀值β_Wβ_W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。