智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度在南京的應用

首次提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式理論，建立了多時間尺度遞進式調(diào)度策略，并構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度體系結(jié)構(gòu)。研究成果在南京智能電網(wǎng)示范區(qū)進行了成功應用，有效降低了區(qū)內(nèi)負荷峰谷差和電網(wǎng)損耗，保證了電網(wǎng)的高效運行，為智能配電網(wǎng)建設(shè)提供了理論和實踐依據(jù)。0

引言智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，它以靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，支持靈活自適應的故障處理和自愈，可滿足高滲透率的分布式電源和儲能元件接入的要求，滿足用戶提高電能質(zhì)量的要求。目前，配電網(wǎng)距離智能配電網(wǎng)的要求還有一定差距，主要體現(xiàn)在：1）配電網(wǎng)規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性，對資產(chǎn)利用率和經(jīng)濟性關(guān)注不足；2）智能配電技術(shù)處于起步階段，智能化水平較低，管理手段相對落后；3）配電自動化系統(tǒng)覆蓋范圍很低，遠遠低于先進國家水平；4）互動化應用缺乏信息化、自動化支撐。配電網(wǎng)調(diào)度作為配電網(wǎng)運行的指揮協(xié)調(diào)中心，長期以來未被重視，在一定程度上阻礙了智能配電網(wǎng)的建設(shè)進程。近年來隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，國內(nèi)外學者才開始將研究的關(guān)注點轉(zhuǎn)移到配電網(wǎng)調(diào)度。當前，由于配電網(wǎng)量測信息少、信息質(zhì)量不高，配電網(wǎng)調(diào)控和運行方式調(diào)整大多，仍需依靠調(diào)控員的經(jīng)驗開展，配電網(wǎng)調(diào)控基本處于“盲調(diào)”狀態(tài)，特別是面對規(guī)模龐大、設(shè)備眾多的復雜電網(wǎng)，難以兼顧電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。為了從根本上解決這一問題，國網(wǎng)南京供電公司牽頭承擔了國家863計劃項目“智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究”。該項目依托南京配電自動化一、二期試點工程，以包含分布式電源的智能配電網(wǎng)為研究對象，在構(gòu)建高效運行評估體系的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式理論，研制了優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵設(shè)備，極大提升了配電網(wǎng)調(diào)控的精細化管理水平和優(yōu)化資源配置的能力，全面實現(xiàn)了智能配電網(wǎng)高效運行，項目成果成功應用于南京智能電網(wǎng)示范區(qū)。1

智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架如圖1所示。運行評估是智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，通過設(shè)計安全性、可靠性、經(jīng)濟性、優(yōu)質(zhì)性和智能性等多項指標，構(gòu)建完整的智能配電網(wǎng)評估體系，全面反映電網(wǎng)狀況，評估結(jié)果將為電網(wǎng)調(diào)度決策提供重要依據(jù)。智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式是優(yōu)化調(diào)度的核心，在明確調(diào)度的范圍、調(diào)度目標、調(diào)度對象和調(diào)度機制的前提下，建立相應的調(diào)度原則和策略，同時實現(xiàn)不同時段配電網(wǎng)、分布式電源，以及負荷的統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化。關(guān)鍵設(shè)備是智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的支撐和實現(xiàn)手段，在豐富調(diào)控手段的同時，提高了控制的精準化和實時化水平，最大限度地避免了人工操作過程中出現(xiàn)失誤、危險等隱患。下面將重點針對智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)及調(diào)度模式開展論述。圖1智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架2

智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式研究智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的對象包括配電網(wǎng)絡、分布式電源/微電網(wǎng)、負荷。為了通過優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的高效運行，需要多個部門在不同時間采用多種調(diào)度控制方法，而各種調(diào)度方法所需獲取的配電網(wǎng)信息均有所差別，并且信息的來源也具有不確定性，因此配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度信息和方法具有時間相關(guān)性。圖2智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式層次結(jié)構(gòu)2.1

多時間尺度遞進式優(yōu)化調(diào)度策略5個調(diào)度階段的調(diào)度模式、相互之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3多時間尺度遞進式優(yōu)化調(diào)度模式2.1.1長期優(yōu)化調(diào)度策略長期優(yōu)化調(diào)度重點考慮規(guī)劃與調(diào)度的協(xié)調(diào)關(guān)系，利用網(wǎng)、源、荷三側(cè)資源的協(xié)調(diào)調(diào)度降低負荷峰谷差、減少尖峰負荷；以風險評估為基礎(chǔ)，采用非保守優(yōu)化規(guī)劃方法進行規(guī)劃與調(diào)度的協(xié)調(diào)；優(yōu)化饋線聯(lián)絡點的分布、分布式電源、電動汽車充放電設(shè)施、可中斷負荷等規(guī)劃，實現(xiàn)網(wǎng)、源、荷的協(xié)調(diào)發(fā)展。具體調(diào)度策略為：1）以夏季和冬季負荷側(cè)的最大用電需量和電源側(cè)的電力供應量及其可調(diào)度量為邊界條件進行優(yōu)化。2）優(yōu)化的首要目標是重要負荷的安全可靠供電和削減高峰負荷；對于供電能力十分充足的電網(wǎng)，降低峰谷差不作為主要任務；當不能保證所有負荷供電時，允許甩掉不重要的負荷。3）具有太陽能光伏發(fā)電的電網(wǎng)，夏季時需優(yōu)先利用太陽能光伏發(fā)電為高峰負荷供電。4）具有風力發(fā)電的電網(wǎng)，冬季時需充分利用風力發(fā)電為負荷供電。2.1.2中長期優(yōu)化調(diào)度策略中長期優(yōu)化調(diào)度重點針對工作日和節(jié)假日負荷用電差異較大、配電網(wǎng)中存在較多的臨時供電需求，以及進行計劃檢修的需求，制定智能配電網(wǎng)月度常態(tài)調(diào)度方案，獲得電源和負荷資源的可調(diào)度量，形成變常態(tài)的網(wǎng)絡運行方式。具體調(diào)度策略為：1）以月度負荷的最大用電需量和電源側(cè)的電力供應量及其可調(diào)度量為邊界條件進行優(yōu)化。2）優(yōu)化的首要目標是重要負荷的安全可靠供電和削減高峰負荷；當不能保證所有負荷供電時，允許甩掉不重要的負荷。3）充分利用不同性質(zhì)用戶負荷之間的差異性和互補性。4）當存在檢修計劃時，考慮停電需求制定常態(tài)運行方式；當存在臨時供電負荷時，考慮制定臨時供電需求常態(tài)運行方式。2.1.3短期優(yōu)化調(diào)度策略短期優(yōu)化調(diào)度主要針對太陽能光伏發(fā)電、電動汽車充放電、以及其他不同性質(zhì)的負荷用電特性具有明顯的規(guī)律，負荷用電具有錯時特性，以及臨時檢修和保電需求制定智能配電網(wǎng)次日的多時段調(diào)度方案，獲得電源和負荷資源的可調(diào)度量，形成多時段網(wǎng)絡運行方式。具體調(diào)度策略為：1）以次日負荷側(cè)的用電需量和電源側(cè)的電力供應量及其可調(diào)度量為邊界條件進行優(yōu)化。2）日前優(yōu)化調(diào)度方案主要考慮實現(xiàn)經(jīng)濟運行和提高電壓質(zhì)量，并且以滿足電壓質(zhì)量為基本條件，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。3）具有太陽能光伏發(fā)電的電網(wǎng)，利用太陽能光伏發(fā)電出力與負荷用電需求的一致性平衡能量。4）以避免設(shè)備頻繁動作為前提條件進行優(yōu)化。5）當存在臨時檢修時，需要考慮臨時停電需求制定日前優(yōu)化運行方式；當存在臨時保電時，需要考慮臨時保電需求制定日前優(yōu)化運行方式。2.1.4超短期/實時優(yōu)化調(diào)度策略超短期/實時優(yōu)化調(diào)度主要針對配電饋線中隨時會出現(xiàn)各種形式的功率波動，分布式電源出力間歇性變化，驗證次日多時段網(wǎng)絡運行方式，制定多時段調(diào)度計劃的調(diào)整方案，并形成可控電源和負荷的控制方案。同時當配電網(wǎng)中發(fā)生故障時，為健全區(qū)域恢復供電提供調(diào)度方案。具體調(diào)度策略為：1）利用可控分布式電源和儲能裝置進行配合實現(xiàn)能量的平衡。2）當不能保證所有負荷都獲得供電時，可以甩掉部分不重要的負荷以滿足能量平衡需求。3）優(yōu)先采用可控電源為失電負荷供電。4）為提高可靠性，可以轉(zhuǎn)移重要程度較低的負荷到其他饋線，以釋放饋線容量和保障重要負荷的供電可靠性。2.2智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度層次結(jié)構(gòu)模型為實現(xiàn)整個智能配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，本文制定了“局部平衡—分區(qū)協(xié)調(diào)—整體吸納”層級調(diào)度機制。局部平衡，以不改變或少改變配電網(wǎng)運行方式為原則，在局部配電網(wǎng)內(nèi)進行儲能、分布式電源、負荷間的統(tǒng)籌互濟，減少分布式電源出力對配電網(wǎng)的影響；分區(qū)協(xié)調(diào)，在局部無法平衡消納分布式電源情況下，通過分區(qū)負荷轉(zhuǎn)供消納，減少對上級電網(wǎng)的沖擊；整體吸納，針對性地優(yōu)化配電網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，制定各分區(qū)分布式電源發(fā)展規(guī)劃，實現(xiàn)網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)發(fā)展。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度層次結(jié)構(gòu)模型，包括微電網(wǎng)層、饋線分區(qū)層、配電網(wǎng)層，各層對象內(nèi)部協(xié)調(diào)進行能量平衡，如圖4所示。

圖4智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度層次結(jié)構(gòu)模型微電網(wǎng)層的主要任務是對本饋線的單相接地和設(shè)備絕緣下降等故障發(fā)展情況進行預測，實現(xiàn)相應的預防性控制，當故障發(fā)生時實現(xiàn)快速故障處理。將電壓、電流信號、單相接地信號、絕緣下降信號、保護控制裝置動作情況、動作前后開關(guān)的狀態(tài)等內(nèi)容傳送給饋線連通系層和變電站連通系層，同時接收并執(zhí)行控制命令。饋線分區(qū)層的主要任務是根據(jù)接收到的信號確定失電母線、故障區(qū)段和需要鎖定的開關(guān)，依據(jù)失電母線所對應的應急預案觸發(fā)相關(guān)繼電器，分合相應開關(guān)，執(zhí)行接收重構(gòu)操作命令。配電網(wǎng)層根據(jù)負荷和分布式電源出力的變化趨勢，確定優(yōu)化運行方式及無功補償方式，并將開關(guān)分合閘操作及順序傳送給饋線連通系層，獲得恢復供電負荷多和備用容量大的運行方式。2.3基于多時段運行方式的配電網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)度基于多時段運行方式的配電網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)度考慮日前的負荷分布，對日前網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)度進行時間、區(qū)間的劃分，根據(jù)每個時間斷面的配電網(wǎng)運行方式的不同，使配電網(wǎng)實時在最優(yōu)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)下運行。日前網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)度是指在滿足開關(guān)操作次數(shù)約束的前提下，考慮調(diào)度周期內(nèi)（24h）負荷的動態(tài)變化，對配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行動態(tài)的調(diào)整，使得配電網(wǎng)在一段時間內(nèi)達到最優(yōu)運行狀態(tài)。本文采用動態(tài)重構(gòu)方法對多時段的配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化調(diào)度目標進行求解。動態(tài)重構(gòu)方法的具體思路：分析負荷特性及其分布特性建立負荷分布變化度指標，利用負荷分布變化度指標，按時間、區(qū)間劃分得到優(yōu)化的時間區(qū)間數(shù)，同時采用多時段編碼方式解決了各時間區(qū)間開關(guān)狀態(tài)之間的協(xié)調(diào)，最后利用多目標粒子群算法進行動態(tài)重構(gòu)。該方法選取合理的時間區(qū)間數(shù)，使得整個時間周期內(nèi)總網(wǎng)絡損耗在滿足靜態(tài)約束和開關(guān)動作次數(shù)約束下最小。2.4基于儲能系統(tǒng)的分布式電源優(yōu)化調(diào)度分布式電源的優(yōu)化調(diào)度方案如圖5所示，具體執(zhí)行方案如下：1）將分散式分布式電源帶有波動性的輸出功率波形進行離散傅里葉展開。2）將展開后的輸出功率波形分為高頻段和中低頻段，其中，中低頻段代表希望輸出功率，高頻段為期望平抑的毛刺功率。3）對高頻段輸出功率波形進行復刻，控制儲能子系統(tǒng)按照與其相反的波形進行充放電，以平抑該部分毛刺功率。由于分布式發(fā)電通常配備儲能系統(tǒng)（EnergyStorageSystem，ESS）具有可充可放的運行特性，能夠有效克服和改善分布式發(fā)電輸出的間歇性與波動性。從而實現(xiàn)分散式分布式電源的友好接入，達到優(yōu)化調(diào)度的效果。

圖5基于儲能系統(tǒng)的分布式電源優(yōu)化調(diào)度方案3

智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)是優(yōu)化調(diào)度高級應用的實現(xiàn)。該系統(tǒng)按照IEC61970的標準進行配電網(wǎng)信息建模，遵從IEC61968的交互規(guī)范并實現(xiàn)與外部系統(tǒng)（上級調(diào)度系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)、配電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)等）的互聯(lián)，可以實時顯示并計算電網(wǎng)的運行狀態(tài)指標。智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、應用層和高級應用層組成三層軟件框架?；A(chǔ)支撐層完成配電網(wǎng)的建模及模型拼接、拓撲、潮流計算等功能；應用層由智能配電網(wǎng)新能源優(yōu)化調(diào)度模塊、網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)度模塊、多樣性負荷優(yōu)化調(diào)度模塊和電網(wǎng)運行狀態(tài)評估模塊組成；高級應用層完成配電網(wǎng)的分布式電源—配電網(wǎng)絡—負荷的協(xié)調(diào)調(diào)度功能。根據(jù)調(diào)度模式所確定的調(diào)度目標分解為新電源、網(wǎng)絡和負荷的子調(diào)度目標，下發(fā)給應用層的對應模塊。應用層的3個模塊根據(jù)調(diào)度目標給出具體的調(diào)度策略，下發(fā)調(diào)度執(zhí)行層完成對相應對象的調(diào)度，由評估模塊對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時評估，并對調(diào)度后配電網(wǎng)絡的改善水平給出量化評估。智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系如圖6所示。

圖6智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系4

示范應用課題組選擇南京智能電網(wǎng)示范區(qū)對研究成果進行示范應用。南京智能電網(wǎng)示范區(qū)南京金融、商務、商貿(mào)、會展、文體五大功能為主的新城市中心。示范區(qū)面積約11km2，區(qū)域內(nèi)最大負荷功率約為76萬kW，涵蓋220kV變電站2座，110kV變電站6座，饋線132條。2015年迎峰度夏期間，通過選取示范區(qū)內(nèi)典型饋線進行實際操作，證明由于負荷的分布具有時變性，在不同負荷分布情況下，對應的配電網(wǎng)優(yōu)化的運行方式具有差異，通過配電網(wǎng)絡的調(diào)度可改變每條饋線的負荷峰谷差，從而改變潮流分布，改變電能損耗，通過優(yōu)化可以提高供配電的效率。4.1基于運行方式優(yōu)化的網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)度實際應用以示范區(qū)內(nèi)的10kV香堤線與塞上線為例，2條線路聯(lián)絡處的電網(wǎng)簡化圖如圖7所示。開關(guān)動作情況：1）2015年7月24日18∶00合上賽上線5號環(huán)網(wǎng)柜102開關(guān)，斷開香堤線3號環(huán)網(wǎng)柜101開關(guān)，（從所街變香堤線轉(zhuǎn)移約3850kVA居民負荷至沙洲變?nèi)暇€）；2）2015年7月25日上午8∶00合上香堤線3號環(huán)網(wǎng)柜101開關(guān)，斷開賽上線5號環(huán)網(wǎng)柜102開關(guān)。香堤線、塞上線負荷轉(zhuǎn)移前后的潮流對比如圖8、9所示。由圖8可知，香堤線負荷轉(zhuǎn)移前后，峰谷差有了明顯的降低，約降低18.7%；由圖9可知，塞上線負荷轉(zhuǎn)移前后峰谷差基本保持不變。圖7線路聯(lián)絡處電網(wǎng)簡化圖圖8香堤線負荷轉(zhuǎn)移前后對比圖圖9塞上線負荷轉(zhuǎn)移前后對比圖注：圖8、圖9中紅色曲線為負荷轉(zhuǎn)移后曲線，藍色曲線為開關(guān)操作前的曲線，灰色曲線為開關(guān)操作后的曲線。4.2基于負荷需求彈性的負荷優(yōu)化調(diào)度實際應用對示范區(qū)內(nèi)的負荷進行可降負荷預估，根據(jù)變電站各類負荷所占比例及各類負荷所具有的調(diào)節(jié)特性進行分類計算，得到示范區(qū)內(nèi)各變電站可降負荷的預估值在9%～10%，可降比例為9.25%?？山档呢摵扇萘款A估為12.42MW。計算結(jié)果是在理想情況下進行得出的，在用戶完全參與的情況下，峰谷差可降低10%～20%左右。如果通過引導合理用電進行負荷調(diào)度，可大大降低負荷峰谷差，降低電力高峰負荷需求，延緩和減少電力設(shè)備投資。示范區(qū)內(nèi)2014年最大負荷753.21MW，如果按峰谷差占最高負荷比例平均降低10%來計算，則通過對負荷進行優(yōu)化調(diào)度可降低75.32MW的高峰負荷電力需求，按照南京供電公司“十二五”期間110kV及以下單位投資增供負荷0.0003kW/元進行測算，可降低示范區(qū)內(nèi)110kV及以下發(fā)輸電設(shè)備的電網(wǎng)建設(shè)投資2.51億元。5

結(jié)語本文在分析傳統(tǒng)配電網(wǎng)調(diào)度存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合承擔的國家863計劃項目，確立了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架，重點針對調(diào)度技術(shù)和模式進行闡述，首次提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式理論，構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度體系結(jié)構(gòu)，并將規(guī)劃到運行分為長期、