含高比例分布式电源的自洽型配电单元构建方法研究

施天成 ，杨 欣 ，李志伟 ，种亚林 ，王 蕊 ，王 磊

（1. 国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230031; 2. 合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

在“双碳”目标的指引下，我国分布式电源装机得到了爆发式增长。然而，出力具有随机性和间歇性的分布式电源大量并网将给电网的安全稳定运行带来了系列问题[1-3]。虽然，现有文献对接入配电网中的分布式发电的选址定容等规划问题开展了深入研究，一定程度上解决了高比例分布式发电对配电网造成的不利影响[4-5]。但是，随着分布式发电并网比例的进一步提升以及需求响应激励政策的推广，含高比例分布式电源的配电网的运行特性将变得异常复杂。为此，需要在配电网的规划阶段，开展运行特性研究[6-7]。针对高比例分布式电源并网的配电网，可将配电网按照电压的不同采用分层规划方法，针对集中控制过程的复杂性，可采用集群控制方法[8-10]。

因此，本文在充分计及新型配电网中高比例可再生能源与负荷在时空上的互补耦合特性，通过集群方式解决可再生能源能源并网和消纳问题[11]。从分布式电源互补特性、多元化负荷互补特性和电源-负荷匹配特性3 个角度展开分析，以集群结构为切入点，提出自洽型配电单元的概念，然后对分布式可再生能源发电特性及需求响应机制下的负荷特性进行充分的分析，依据源、荷特性进行自洽型配电单元的构建，结合仿真分析进行佐证。

1 自洽型配电单元的概念

当前，为解决高比例分布式电源接入新型配电网所造成的一些列问题，电力系统中主要采用集群、微电网、虚拟电厂等新技术。微电网（micro-grid，MG）主要由一定空间范围内的分布式发电、储能装置和负荷等共同组成的小型发配电系统[12-13]。虚拟电厂（virtual power plant，VPP）是一套高度智能的能源管理系统[14-15]，可以很好的实现其内部的分布式资源的聚合和协调优化，使其可以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。分布式发电集群（distributed generation cluster，DGC）并没有一个明确的定义，但是一般多针相同类的单元设备所组成的一个集合体。可理解为地理空间或电气上相互接近或形成互补关系的若干分布式发电单元集合所构成，易于实现运行控制的垂直化、扁平化，其划分的依据更侧重于分布式电源之间的聚合[16-17]。

自洽型配电单元（self-consistent power distribution units，SCPDU）是本文在DGC 的基础上构建的一种新型的配电单元形式。所谓自洽，就是在空间和时间上便于源荷的平衡，减少因负荷过高而停电或冗余电源的一个概念。当负荷过高时，对电源、需求侧的负载进行平衡计算，多方达成共识，自动降低非重要负荷（如空调低降低温度），达成平衡，保障可靠性；当负荷过低时，加大生产或储能，减少电力损失。自洽是更敏感的，在负荷过高或不平衡时，能够协同供需侧多点达成用电“智能合约”，自我形成平衡。类似虚拟电厂关注点在储能、微电网关注点在自治电网，而SCPDU 关注点聚焦与分布式发电和用电终端的智能交互响应。

显然，SCPDU 仍然属于“集群”的范畴。相比传统集群仅考虑分布式发电特性的构建方法，SCPDU 的集群构建则不仅仅关注分布式发电的特性，还要更多的考虑负荷的特性，尤其在需求响应发展迅速的当下。某种意义上也可以将自洽型配电单元称为“源荷集群”或“集群”。另外，从某种程度上而言，也可将其视为大量接入分布式电源的智能电网。实现了物理空间和逻辑上大量分散资源接入和汇集的分布式智能电网。可见，SCPDU 更加强调“分布式 + 智能”：分布式能源靠近负荷，利于实现就地平衡和就近消纳；用户将从刚性电力消费者变为具有负荷调节能力和需求弹性的“产销者”；形成“源网荷储”灵活互动的一体化系统。其特征是：小型、分散、自平衡。所谓自平衡，指能源平衡范围是弹性的、可伸缩的，没有“微电网”的物理边界特征和“增量配网”的产权特征，资源调节的范围更广、程度更深、灵活性更强。从覆盖的对象看，无论是“增量配电网”试点还是各类“微网”或综合能源示范项目、需求侧响应试点项目，都是以大工业用户作为参与主体，调节对象数量有限。“自洽型配电单元”不仅仅强调大用户的调节能力，还要更加着力提高配网中的中小型用户负荷调节能力。从技术上而言，对配电网主动感知能力和调节能力提出了更高的要求，尤其是连接用户的低压配电网，促使“配电”和“用电”的联系更加紧密，提高配电网对分布式新能源的主动响应和服务能力。自洽型配电单元与其他相关技术比较方案如表1 所示，其构成示意图如图1 所示。

图1 自洽型配电单元构成示意图

表1 自洽型配电单元与相关技术解决方案比较

2 基于源荷特性匹配的自洽型配电单元构建

配电网中的多元化分布式电源和负荷之间存在一定的关联性，电源之间、负荷之间存在互补特性，电源-负荷之间存在匹配特性，关联程度的大小对供需双侧的运行和协同产生差异化的影响。同时，由于可再生能源的渗透不断增加，基于集群模式的自洽型配电单元可实现不同电压等级及不同区域内分布式电源和负荷的最佳匹配。通过聚类划分所得到的集群分成物理集群和虚拟集群2 种，因后者不存在实际集群管控装置的集群，具有灵活、适应性好的优点，将成为未来电力系统发展的方向。

2.1 源荷互补匹配理论

在电力系统中，不同类型的电源出力、负荷用电规律不同，其在时间尺度上的形态可以用典型日源荷曲线来描绘。不同特性的电源出力曲线、负荷曲线叠加之后，得到的新的曲线或许会比两者各自的曲线都要平滑，因为它们在出力、用电时间上具有一定的互补性。因此，为了定量的研究电源与电源、负荷与负荷之间的这种互补性，定义互补度为不同电源、用电设备的典型日出力曲线、负荷曲线之间的互补程度。不同源荷曲线的互补程度越低，互补度越小；互补程度越高，互补度越大；当源荷曲线能够峰和谷互补时，互补度最大。以负荷互补度的计算方法为例，电源互补度计算方法类似。电力源荷有功互补评估指标包含纵向互补度PV及横向互补度PH，纵向互补度是指各时刻不同源荷大小之和的平均值与和的最大值之比，反映的是不同源荷曲线叠加后，新源荷曲线整体的平滑程度。横向互补度是指各时刻不同源荷大小之和的最小值与和的最大值之比，反映的是不同源荷曲线叠加后新源荷曲线的峰谷差大小。互补度综合评估指标由纵向互补度PV及横向互补度PH2 个指标组成，从而更加准确全面的描述源荷有功功率曲线间的互补程度。其计算公式为：

式中：n为统计周期内的时刻数；m为各时刻参与匹配计算的源荷数目；Px,t为t时刻源荷设备x的有功功率；PΣ.max和PΣ.min分别为统计周期内源荷联合有功出力的最大值和最小值。

同理，类似源荷有功功率曲线互补度的定义，也可以定义源荷无功功率曲线互补度φQ，其计算公式为：

式中：Qx,t为t时刻源荷设备x的无功功率；QΣ.max和QΣ.min分别为统计周期内源荷联合无功出力的最大值和最小值。

2.2 自洽型配电单元的构建原则

自洽型配电单元的构建需遵循如下原则。

自洽型配电单元构建对象依照电气距离的大小进行集群构建，一个自洽型配电单元内的各构建对象必有电气联系，且各对象的电气距离相近，以便进行功率互补交换；可通过各构建对象之间的无功电压灵敏度体现各构建对象的距离远近程度。

自洽型配电单元内部的各元件的空间距离相近，利于进行线路扩展来增加元件间功率交流。

自洽型配电单元内部的各构建对象的净负荷特性尽量具有互补功能，对外特性相对较为平坦，实现自洽型配电单元内部有功供需平衡，从而增强各自洽型配电单元之间的功率协调能力。

自洽型配电单元内部各节点的无功供需应尽量维持平衡，避免出现过电压情况。

可采用基于源荷互补特性的模块度指标ρ0评价自洽型配电单元构建效果，该指标能够反映网络构建的最优分区数目及网络的结构强度，其具体定义如下：

式中：Aij为两个节点i和j之间边的权重；Ai、Aj分别为节点i、j的权重，表示与节点i、j相连的所有边的权重之和；为网络中所有节点的权重之和，Ak为任一节点k的权重； Φ 为网络中的节点集合； δ(i,j) 采用基于源荷互补特性的修正邻接矩阵表述，即：

3 自洽型配电单元的构建方法

为解决基于复杂网络理论中的自洽型配电单元构建，可采用近年来发展比较迅速的社团发现算法。该算法在人工智能、模式识别各领域都取得了广泛的应用和成果，并且已被逐渐引入到电力网络的复杂行为研究中。社团就是网络中部分顶点的集合，但该集合内部顶点之间具有紧密的耦合关系，对外则相对稀疏，即不同社团之间的为较为松散的耦合关系。基于上述分析，将电力系统构建为若干社团结构，如图2 所示。

图2 虚拟集群示意图

则基于Fast-Newman 算法的网络集群构建步骤如下所示：

步骤1，对具有n个节点的网络集群进行初始化构建，将每一节点当作一个集群，则初始集群有n个；

步骤2，依次将具有边连接关系的两个群进行合并，计算合并后的模块度增量Δρ；

根据贪婪算法的思想，每次应沿使着Δρ 最大的方向合并；

步骤3，更新操作，重复执行步骤2，直至网络成为一个群；

步骤4，选择对应ρ 最大的集群个数进行分解，得到的自洽型配电单元构建结构就是基于此方法的最优结构。

4 仿真分析

利用本文所提出的方法对某10 kV 线路进行自洽型配电单元构建仿真分析，选用社团构建算法Fastnewman 算法进行集群构建演示，通过模块度指标对集群构建的质量以及自洽型配电单元个数进行衡量，所得自洽型配电单元划分结果如图3 所示。

图3 基于源荷匹配的自洽型配电单元构建结果示意图

选择空间距离和基于电压无功耦合程度的电气距离为依据进行自洽型配电单元构建并与基于本文所述方法的自洽型配电单元构建结果进行对比，计划将空间距离与电气距离综合较近的节点划入同一集群。对两距离进行归一化处理后各取0.5 权重相加，所得集群结果如表2 所示。

表2 自洽型配电单元构建指标

从指标上可以看出，采用计及源荷匹配特性并考虑电气距离和空间距离耦合的自洽型配电单元模块度显著提高，说明集群在结构上更加合理，内部联系上更为紧密。综合构建结果与单一依据构建结果进行比较，将有变动的节点对展示如表3 所示（为便于比较，表中对电气距离进行了归一化处理）。

表3 变动节点间数据

从表3 可以看出，节点对68-69、81-82 的空间距离以及电气距离比节点对69-70、82-83 的要小，因而将68-69 节点对、81-82 节点对划入同一自洽型配电单元，将69-70、82-83 节点对划入不同自洽型配电单元；节点对74-112，虽然其空间距离较远，但是其电气距离很近，综合比较，将它们划入同一自洽型配电单元较为合理。

5 结束语

本文将自洽型配电单元定义为考虑源荷特性匹配的源荷集群，相比微电网、分布式发电集群及虚拟电厂等现有技术手段，其具有更高等级的自治能力，能够促使“配电”和“用电”的联系更加紧密，显著提升配电网对分布式新能源的主动响应和服务能力。在传统分布式发电集群的基础上，充分考虑到负荷之间的特性匹配、分布式电源之间的特性匹配以及分布式电源与负荷特性的匹配，本文提出了基于源荷特性匹配特性及综合评价指标的自洽型配电单元构建方法，通过算例分析，验证了本文所述方法的有效性，为智能配电网的规划建设典型理论基础。