基于多元源网荷储的配电网规划方法研究

于冰涛，刘文娟

1.天津天智华研电力技术集团股份有限公司，天津 300001

2.北京中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京 100001

0 引言

环境的变化使得电力企业监管体系的创新势在必行。基于多元源网荷储的配电网规划需要建立在源网荷友好交互系统之上[1]，这对当下的我国还是一种陌生事物，缺乏相应的管理制度及运转模式，从而极大地影响了其在电力企业的应用效果[2]。电力企业在源网荷储模式的协同优化方面面临的问题非常复杂和多元化，源网荷储需要的超高压材料对电网的安全水平和事故预防能力提出了更高的要求，再加上当下新能源及可再生资源的发展，给电网的安全控制及平稳运行带来了极大的挑战。

因此，电力企业需要改进管理制度，做好基于多元源网荷储的配电网规划设计。

1 多元源网荷储的基本功能

1.1 源源互补

随着分布式电源的广泛并网，未来电网中的一次能源将呈现出多样性，其空间和时间将具有一定的互补性。同时，随着大规模储能技术和设备的发展与应用，未来配电网中的能源将具有更强的相关性和动态广域互补性。通过主动配电网的源源互补和互动运行，利用主网电能、储能设备、多类型分布式等能源的广域互补性、相关性效应，可以弥补单一分布式可再生能源的随机性、间歇性、波动性等缺点，进而提高配电网供电的可靠性、可再生能源的利用率以及系统的自我调节能力，减少电网备用容量[3]。

1.2 源网协调

随着FACTS技术和设备的应用，未来的电网必将是柔性电网，而且大型风电、光伏等可再生能源与分布式能源将大规模接入电网。未来的源网协调主要表现在两个方面：

一方面，将大规模接入的间歇性新能源与传统水电、火电甚至核电进行分工协作，联合打捆外送；

另一方面，组合应用主动配电网内部丰富的分布式能源，提高配电网的灵活性、经济性，提高配电网的运行效率[4]。

源网协调技术将极大地提高间歇性可再生能源地可调度性、可控制性，提高电网对新能源的消纳能力，提高新能源的友好性。

1.3 源网荷储

随着新能源的发展，多元源网荷储可以在峰值储存电能，在电力谷值释放储能，有利于配电网用电量的供给，提高新能源的利用效率。

2 基于多元源网荷储的配电网规划设计

2.1 基于线性规划建立优化目标函数

在基于多元源网荷储的配电网规划过程中，应将源网按照运算符划分节点，并将每个节点作为一个线性调度内容进行处理，处理过程如下[5]：

式中：g(x)为源网标准化控制模式；ki(i=1,2,…,n)xi(i=1,2,…,n)为项目处理系数；为线性同步处理项目；n为处理次数。

为了降低源网荷储成本，提高控制效率，使配电网规划更为合理，可选择在线性约束条件下建立优化控制目标函数，计算源网荷储约束的极值，得到的目标函数如下：

式中：Pen,i为线性规划中第i条线路的源网荷载；PDG,L为线路总能耗下的网络能源成本控制的源网荷载；PB,H为源网代理功率下的优化控制目标；Ck为项目处理下的线性规划；C1为项目处理下的线性规划源网荷储约束规划；DG为网络线路中可再生能源的成本；e为源网荷载；n为线性规划下的约束条件；B为源网代理功率；L为线路总能耗；H为优化控制目标。

根据式（2），可以选择源网控制最小目标。在选定线性控制目标的基础上，划分在线性约束下的源网荷载能源分布层次。源网荷载能源分布最顶层为协调控制的起始端，应将优化控制的目标直接与荷储控制建立联系，并将其完全置于与内置ARM的源网线性关系中。为此，选择一个源网控制节点作为自变量，建立多元线性回归方程检索源网顶层的优化控制目标[6]，函数表达式为

式中：ni为源网储存能源在某一节点的使用量；mi为使用量的平均值；α和β分别为荷载控制与荷载优化系数；εi为在线性回归方程中无法直接控制的荷储能源量。

根据式（3），将控制目标近似看作一个整体，可以达成选择源网荷储优化控制目标的目的。

2.2 多空间源网荷储约束

结合基于线性规划的源网荷储优化控制方法，根据源网的不同层荷储量划分源网优化控制空间。考虑到不同空间内源网的正消耗量，需要计算负载状态下的源网荷储在传输功率过程的能源消耗，计算公式如下：

在能源传输过程中，损耗的能源量通常在5%～9%[7]。为此，在明确回归方程控制变量的情况下，将控制变量设置为优化目标，根据源网荷储空间的使用量历史数据统计相关资料，并以此为依据，明确源网在不同状态下的源网荷储优化控制条件。多元源网荷储约束条件如表1所示。

表1 多元源网荷储约束条件

为了获得源网的等边优化约束条件，采用控制约束边界成本的方式引入自适应扩散算法，对迭代产生的节点数据进行二次更新[8]，并估算全局的约束成本，进而在实现主动源网荷储间协调运行的基础上，对扩散边界源网实施有效约束[9]。

2.3 目标函数求解

在源网荷储运行中，求解目标函数，得到：

式中：qi为源网荷储优化控制边界；λi为控制上限元素集合；δi为控制下限元素集合。

采用控制协调面板的方式控制源网荷储面板中的能源输送功率，根据控制功率的大小进行优化增量值的计算，计算公式如下[10]：

式中：ΔP为功率增量；PT0为能源稳定存储目标的计划控制功率；PT为实际输出功率。

根据式（6），可分析荷储优化控制偏差值。结合线性约束条件选择控制路径，建立路径与目标的映射联系，及时矫正在优化控制中出现偏差的路径，依照环境对优化控制提出的要求，提升优化控制过程的稳定性，实现基于多元源网荷储的配电网规划设计。

3 设计方法有效性的验证实验

3.1 实验方法

为了验证基于多元源网荷储的配电网规划设计方法的有效性，将其与传统的规划方法的源网荷储的调速耗能情况进行比较，设计了如下对比实验。

选择某新能源变电站和某条出线配电线路为实验对象，并按照实验需求布设风力电厂和大型消耗燃气的电动轮机，将实验需求设备接入源网控制节点。选择源网交换电站为此次实验的充换电必须场所，并接入源网馈线节点。

在控制源网荷储的过程中，源网运行需满足下述要求。

3.1.1 负荷要求

源网运行可承受的最高负荷值为108 MW，其中，10 kV以下的供应设备可承受的最高负荷值为98 MW。

3.1.2 峰谷时段划分

最高峰时间段为5：00～21：00，此时控制成本为0.455元/（kW·h）；低谷时间段为21：00～次日5：00，此时控制成本为0.205元/（kW·h）。

3.1.3 各级单元能源补偿与供应量

为了确保此次实验结果的准确性，可选择8块太阳能源网能源供应板。实验所需源网供应板的相关参数设置如表2所示。

表2 实验所需源网供应板的参数设置

3.2 实验结果

根据表2选择设备参数，完成实验流程，采用基于多元源网荷储的配电网规划方法，选择控制的配电网线路与控制目标对源网荷储进行控制，计算控制目标的日消耗功率，并以此作为评估方法有效性的主要依据。之后，应用传统方法进行相同步骤的操作，获取两种优化控制方法的日消耗功率数据，并整理实验数据将其绘制成曲线图，如图1所示。由图1可知，文章设计的基于多元源网荷储优化后的控制方法在实际应用中消耗的功率明显低于传统方法与实时优化控制所消耗的功率，无论是实时优化控制方法还是传统优化控制方法，均无法实现基于多元源网荷储的配电网规划优化控制方法的低耗能量。

图1 优化控制效率功率对比

4 结论

综上所述，基于多元源网荷储的配电网规划方法在应用中耗能更低，具有更高的实用性，更能满足低能耗的市场需求。在基于多元源网荷储的配电网规划中采用合理的设计方法，可以有效节约降耗。