主动配电系统协调控制与优化技术研究与应用

原文发表在《电力工程技术》第36卷第4期，欢迎品读

李海涛. 主动配电系统协调控制与优化技术研究与应用[J]. 电力工程技术, 2017, 36(4): 145-151.

LI Haitao. Research and Application of Coordinate Control & Optimization Technology for Active Distribution System[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(4): 145-151.

主动配电系统协调控制与优化技术研究与应用

李海涛

由于配电网与分布式能源缺乏有效互动，分布式能源大规模并网后的主要问题表现在如下三方面：(1)分布式能源与配电网刚性连接，配电网运行异常时导致分布式电源停机停运，降低分布式能源的利用效率；(2)分布式能源大规模并网时，出力的不确定性加剧配电网功率波动和电压波动，导致配电网电能质量等运行问题；(3)现有配电网缺乏对分布式能源的调节能力，导致配电网峰谷差加大，设备利用率进一步降低。基于主动配电网的协调控制，一是协调控制各分布式电源的有功输出，确保网络运行的经济性；二是协调控制各分布式电源以及无功源的无功输出，确保网络的电压质量。此外，在主动配电网协调控制过程中还要考虑负荷需求以及间歇式能源功率波动的频繁扰动，确保网络运行的鲁棒性。目前对于主动配电网协调控制理论和方法的研究尚处于起步阶段，亟需研究与建立系统完整的主动配电网源-网-荷协调控制架构及方法。

2. 主动配电网分层协调控制架构

目前业界对于主动配电网的控制模式主要倾向于集中式控制和分布式控制两种模式。但集中式控制策略的求解复杂程度随着电网规模的增大而增大，尤其是分布式电源接入数量的增大呈现非线性增长的趋势。而分布式控制模式专注于局部区域目标的实现，难以完成全局最优运行，对可控资源的利用也不够充分。针对上述问题，本文提出全局优化与局部自治相协调的主动配电网分层分布控制架构，采用分层控制结构实现主站系统、控制器和终端设备之间的信息交互，通过多时间尺度下的全局能量管理与区域自治控制实现源-网-荷的协同控制，其框架结构如图1所示。

图1 主动配电网分层分布控制架构

图1中，位于最上层的主动配电网能量管理系统是整个主动配电网控制架构的中枢，配电网数据采集与监控（DSCADA）系统采集网络运行数据以及各分布式电源的发电状态信息，在对负荷需求以及间歇式能源发电功率进行预测的基础上，通过智能优化算法计算出长时间尺度下各个可控单元的全局优化控制策略，与此同时求解得出各自治区域的局部目标值。分层分布控制器是中间层的控制单元，作为一个自治区域的管理者，通过区域自治控制策略实现在长时间尺度优化控制的间隔周期内各个分布式电源的实时协调控制，以修正实际运行工况与理想优化工况的偏差，使主动配电网整体运行在全局优化与区域自治相协调的状态下。源网协调控制器是最底层的控制单元，管理同一配电节点（配电房／开闭所／环网柜等）下所有的可控分布式电源以及柔性负荷，它接收分层分布控制器的功率控制目标，并对其进行合理分配，以确保同一配电节点下的分布式电源得到最经济利用。

3. 主动配电网优化控制方法

3.1全局能量优化方法

主动配电网双层规划模型，以有功全局优化作为上层决策，这是主动配电网追求的经济、环境效益的综合体现，是实现区域自治控制的基础；而无功电压优化作为下层决策，是在上层最优决策下对电网电压质量的要求，而电压优化的计算结果又影响上层决策的过程，上下层相互迭代，从而求出有功和无功的综合最优解。将有功协调优化与电压协调带入双层优化模型，采用上下层决策相互迭代的方式进行求解，上层优化结果代入下层计算，下层优化后再将结果返回上层再次优化，直至两层优化结果收敛。电力系统中有功与无功本身具有耦合关系，无法孤立地考虑，双层优化迭代收敛的结果是有功与无功相配合的最优点，其结果使得主动配电网达到经济收益与电压特性的最优结合。 双层优化具体模型结构如图2所示。

图2 双层优化模型

图2中所示的优化结构是上下层迭代求解的过程，上层优化决策基于预测信息确定主动配电网分布式电源的有功出力计划曲线，下层根据上层有功出力曲线以及预测信息确定主动配电网分布式电 源的无功出力计划曲线以及其他无功调节设备投切策略，反复迭代，直至上下层结果收敛或达到最大迭代次数。

3.2局部自治优化方法

全局优化考虑主动配电网中具有统计规律的长时间尺度预测信息，一个优化调度间隔或出现消纳能力不足时才进行一次计算，但由于主动配电网中间歇式能源与负荷实时波动，需要 下层区域实时自治协调控制相配合，通过多个分布式电源／储能的实时协调，修正实际运行状态与全局优化状态的偏差，使得系统运行状态更加趋向于全局优化目标。由于外电网与主动配电网的交换功率起到维持功率平衡的作用，可从整体上衡量实际运行状态。基于该交换功率及全局优化中分布式发电、储能的优化 控 制策略， 提出馈线控制误差（feeder control error，FCE）指标，从整体上定量描述主动配电网实际运行状态与全局优化运行状态之间的偏差。基于FCE提出考虑不同因素的有功功率实时协调控制模式，及相应的控制方程与FCE计算模型，如图3所示。

图3 FCE协调控制

基于FCE的自治区域协同控制模式不仅能有效甄别自治区域内和区域外的功率扰动，还能对这两种功率扰动有针对性地实现不同的控制响应，其从本质上来说是将区域内部的可控分布式单元进 行集约化一体化协调，主动配电网在短时间尺度遭遇外界扰动致使实际运行状态偏离全局优化状态的情况下，能协同调整区域内部可控分布式单元的功率输出，将功率扰动在平衡机组和各自治区域之间合理分配，以修正实际运行状态与理想优化运行状态的偏差，最终使得系统运行更加趋于全局优化目标，从而提升系统优化运行的鲁棒性。

图4 仿真测试算例

仿真算例如图4所示。共配置11个光伏、8个储能、1个风机、2个微型燃气轮机、28个负荷点，其中包括4个工业负荷和24个居民负 荷、37个可控开关。以24h连续运行为场景进行仿真验证。对区域5进行分析，其中，ESS11为功率密度型储能系统，其最大充放电功率为80kW，其能量容量较小，为30kW·ｈ。负荷、风机及光伏系统在24h内每分钟的预测功率及实际功率如图5所示。

图5 负荷、风机及光伏出力

在基于FCE的协调控制系统下，区域总功率的实际值与计划值如图 6(a)所示。从与图6(b)的比较可以看出，若无协调控制系统，区域总功率实际值与计划值差异较大，并且短时间波动量较多。在基于FCE的协调控制下，分别对区域总功率偏差的波动分量及稳定分量进行补偿，使得协调控制下的总功率的实际值更接近其计划值。

图6 优化控制前后的馈线功率

4. 结束语

本文主要围绕主动配电网源-网-荷协调控制技术开展研究，建立了多时间尺度的主动配电网源-网-荷分层协调控制架构，提出了基于双层优化算法的主动配电网全局优化调度和馈线自治控制方法，实现了主动配电网各分布式电源（含储能）的功率优化调度和间歇式可再生能源的足额消纳，重点解决了大规模间歇式能源无序并网后的配网优化运行问题。仿真算例的结果有效验证了上述主动配电网源-网-荷协调优化控制技术的可行性和有效性，为日后含分布式能源的配网运行调度提供技术参考和有益借鉴。