考虑应急电源功能的住宅小区微电网运行策略

李先锋，胡晨刚，卜莉敏，苗文捷，黄文哲，马建军

（1. 杭州市电力设计院有限公司，杭州 310014；2. 杭州电子科技大学，杭州 310018）

0 引言

近年来，全国电力系统呈现高压交直流混联、风电和光电等新能源接入等特点，导致电网运行方式复杂多变。同时，全社会用电量攀升，导致电力供应紧张。因此，各地配电网停电事件时有发生。尤其在遭遇极端气候及自然灾害时，停电事件更易发生，如“2022年四川限电事件”“河南暴雨”［1-2］等。再者，电力中断的次生事件容易给社会造成重大经济损失。因此，中国亟待加强应急电源系统的建设。2018年7月，国家能源局印发《电力行业应急能力建设行动计划（2018-2020 年）》，提出全面提升电力应急基础设施利用率，强化应急资源保障能力，充分利用、整合电力行业现有资源，进一步增强电力应急支撑保障能力，实现应急资源共享和优势互补的要求［3］。由此体现国家对应急能源行业的关注，文件对应急能源行业发展具有指导意义。

传统应急电源系统主要由发电装置和储能装置组成，包含自备电厂、柴油（汽油、燃气）发动机驱动发电机组、静态储能装置等，但传统应急电源大部分时间处于闲置状态，经济性低且利用柴油发电存在污染、碳排放等问题［4-5］。

EV（电动汽车）作为需求侧中最灵活且兼具可控性和储能性的资源，能够为住宅小区微电网提供调峰、调频、备用电源［6-9］等功能。文献［10］提出一种基于V2G（电动汽车并网）技术的城市电网恢复策略，将EV储能作为辅助电源应用于城市电网失电负荷的供电恢复中［10］。文献［11］提出基于EV的孤岛应急供电策略，即调动孤岛周边充电的EV放电，帮助孤岛恢复供电。文献［12］提出一种基于V2G 的城市配电网弹性提升策略，针对EV反向输电参与灾后供电恢复提出新的恢复模型。文献［13］提出一种城市道路抢修辅助重要负荷恢复的EV能量时空分层调度策略，解决极端灾害过后的负荷恢复问题［13］。

将分布式光伏-储能系统作为系统应急电源功能的独立发电机组和储能装置，不仅可以为住宅小区微电网提供清洁、高质量的电能［14-15］，提高住宅小区微电网在供电需求方面的自主参与性，还可以及时有效地解决停电等突发状况，并根据实际需求选择吸收功率或释放功率，配合电网进行削峰填谷。文献［16］提出一种考虑应急电源功能的光储充放电站，充分利用光储充放电站和EV作为应急电源，在电力供应中断时提供医院所需电能［16］。文献［17］提出考虑间歇性电源出力不确定性的短时配电系统恢复优化模型，在含有分布式电源（光伏、储能等）的系统故障停电时为负荷提供电力［17］。目前，研究未考虑将分布式电源（如光伏、EV、储能等）与需求侧响应相结合且具有系统应急电源功能的模型。

针对上述问题，本文提出具有应急电源功能的住宅小区微电网运行策略，包括常规状态下基于风险评估的能量预管理策略和外部供电中断情况下住宅小区微电网应急能量管理策略。所提方法可实现利用微电网内可调资源提高住宅小区的供电可靠性，并且兼顾系统运行的经济性。本文所提方法的学术创新与技术贡献总结如下：

1）针对住宅小区主动支撑不停电需求，建立包含分布式光伏、储能及V2G 充电桩的住宅小区微电网系统。

2）在正常供电情况下，构建住宅小区供电风险评估模型，提出在不同风险下对微电网系统能量预留量进行调节的方法，所提方法可兼顾小区微电网可调资源在常规情况下的运行经济性。

3）在供电中断时，提出住宅小区微电网应急能量管理策略，以充分利用用户需求弹性及EV储能特性，实现在不同电力供应中断场景下最优的系统应急供应手段与调控策略。

1 具有应急电源功能的住宅小区微电网系统模型

具有应急电源功能的住宅小区微电网系统如图1 所示。系统包括配电网、分布式光伏、BESS（电池储能系统）、私有负荷和公共负荷等。系统有两种运行状态，分别为常规状态（配电网供电）和台区供电中断状态。

该系统的负载总功率Pload和可变负载总功率Pva分别为：

常规状态下，系统功率平衡表达式为：

式中：Ppv为分布式光伏输出功率；和分别为其上、下限；为BESS 充电额定功率；和分别为其上、下限；Ppg为配电网分配功率；SSOC为BESS 荷电状态；Cess为BESS 的电荷总容量；qess为BESS 当前的电荷容量。多余的分布式光伏电能采取本地消纳的方法进行处理。

台区供电中断状态下，系统功率平衡表达式为：

2 住宅小区微电网风险评估及能量预管理策略

系统在常规状态时运行策略的目标为最小化购电成本Cbuy，约束为SSOC不小于风险系数要求的电池电荷状态。

2.1 风险指数

系统在常规状态下进入台区供电中断状态受到多方面因素影响，因此为了更好地优化BESS预存能量，在考虑包括次日用户用电需求、天气及系统用户弹性指数等因素时，为量化次日系统进入台区供电中断状态的可能性，本文引入风险系数R，其具体计算公式为：

式中：Hwt为天气指数；Heq为线路故障指数；Hei为弹性指数；θ1、θ2、θ3为其对应指数的权重系数。

天气是影响区域配电网的稳定性因素之一，因此引入天气指数Hwt，通过对不同的天气情况进行相应的赋值来量化天气对电网的影响。天气指数随着天气恶劣程度逐渐增加：若天气晴朗，则天气指数低；若遇上雷暴、大风等天气，则天气指数较高；若遇到自然灾害，如台风、飓风等天气，则天气系数极高。

线路故障也是配电网稳定的影响因素，因此引入线路故障指数Heq量化线路故障对于系统进入台区供电中断状态的风险，计算公式如下：

式中：Prload为系统配电网节点故障进入离网状态的概率；n为配电网内的节点总数量；lk为节点k的实际功率；lmax为节点上限功率；C为节点越限运行的风险系数；Prea为设备损坏引发系统进入离网状态的概率；α和β分别为Prload和Prea的权重系数。

弹性指数Hei是反映系统可调节的需求总量，同样是影响因素之一。为量化需求侧各用户的可调节资源，本文引入弹性系数Hei，它反映了用户参与需求侧响应的意愿，具体计算公式如下：

式中：ΔP为变化的个体用户功率；P为原个体用户功率；ΔQ为变化的电价；Q为实际电价。

2.2 住宅小区微电网功率及分布式光伏发电预测

本文对次日分布式光伏发电的发电量Epv、需求侧次日的负载平均功率及系统次日进入台区供电中断状态的概率进行预测。其中，本文分布式光伏发电量Epv及系统次日的总负载平均功率预测以大量历史数据为基础进行计算求解，而进入台区供电中断状态的概率将通过风险系数体现。

2.3 能量预存

该系统存在两种运行状态，即常规状态和台区供电中断状态。为了实现台区供电中断状态下系统能正常运作的目标，同时为了应对分布式光伏发电及小区负荷的不确定性问题，系统在常规状态下需要提前预存电能。计算预存电能的公式如下：

式中：Epv为预测系统次日分布式光伏发电的发电量；为预测系统次日的总负载平均功率；EBESS为预存的储能能量；T为平均抢修时间；λ为应对不同风险系数的增加系数。

2.4 考虑能量预管理的常规运行策略

常规运行策略如图2所示，系统处于常规运行状态时，BESS获取的电池电荷状态为SSOC。

图2 常规状态运行策略逻辑图Fig.2 Logic diagram of the operation strategy in normal state

步骤1：针对日前预测数据与实际数据之间产生的误差，住宅小区微电网系统根据日内及次日风险系数，计算得出该风险系数下需要预存的电能EBESS，并实时调整BESS预存量。

步骤2：住宅小区微电网系统利用该时刻分布式光伏发电功率Ppv预测一天的分布式光伏发电量Epv。

步骤3：住宅小区微电网系统判断该时刻SSOC是否大于，若，则执行步骤4；若，则执行步骤5。

步骤4：若Epv≥EBESS，则分布式光伏将以一定的功率给BESS 充电，多余的功率补偿本地负载；若Epv

不同时刻的分布式光伏发电功率Ppv会实时变化，因此每15 min更新一次Ppv，系统将会重复步骤2—5。

3 供电中断情况下住宅小区微电网应急能量管理策略

3.1 整体运行策略

整体运行策略如图3所示，系统进入台区供电中断状态时，在保证必要负荷正常供电的前提下，以资源利用率最大和运行成本最小为目标进行运行调控。此时，系统的主要供电单元由配电网变为分布式光伏和BESS，同时电网侧给出估计抢修时间T。

图3 台区供电中断状态运行策略逻辑图Fig.3 Logic diagram of the operation strategy under power interruption in the distribution area

步骤1：应急能源系统利用分布式光伏和BESS恢复所有负载。

步骤2：计算全负载功率可维持时间T1，若T1>T，则仅利用分布式光伏和BESS为系统供给电能。

步骤3：若T1T，则利用分布式光伏和BESS为系统供给电能。

步骤4：若完全切除第二等级负载后T2

步骤5：若在切除充电桩负载后T3

步骤6：考虑不同的需求功率Pde和需求电量ΔE，选择不同的调节方式，实现以最小的恢复成本恢复最大负载的目标，若两者超出约束条件则执行步骤7（具体策略请见3.3.2节）。

步骤7：如果Pde和ΔE超出约束范围，则两种调节方式共同作用。

步骤8：如需执行步骤7，则系统分配两种方式调节电能需求量的属归，达到最小的恢复成本minCre。

系统总负载功率Pload每15 min 会更新一次，每次更新重复步骤4—8。

3.2 公共负荷切除策略

若T1

步骤1：计算全负载功率时可维持时间T1，若T1

步骤2：计算功率缺口Plack，若Plack不大于第二等级公共负载功率值之和，则执行步骤3；若大于第二等级公共负载功率值之和，则执行步骤4。

步骤3：本文对公共资源进行等级划分，其中对居民生命安全具有保障作用的作为必要资源处于第一等级，不可切除。第二等级公共资源对系统影响较小，则为可切除负荷，其中切除顺序同样也有划分。因此，引入负荷优先级系数δj，δj由公共负载j根据系统管理、用户利益、安全等因素的重要程度确定。切除系数O(x)表达式见式（13）。

步骤4：从小到大对可切除负荷的切除系数进行排列，并依次切除响应的公共负载，直至切除的第二等级各公共负载功率Ppu之和不小于功率缺口Plack。

步骤5：若切除所有第二等级公共负载后仍存在T1

3.3 私有负荷调控方法

3.3.1 激励政策

运行策略考虑了需求侧响应因素，分别为用户需求响应和EV需求响应，两种方案以不同的价格激励政策进行调节。

1）用户需求响应

通过分段价格补贴激励政策降低用户自身负荷需求，减轻分布式光伏和BESS 在供电中断时的供电压力。具体计算如下：

式中：Subs为区间s内单户补贴总价；PUs为区间s内补贴单价；E为需求侧响应电量；Δt为需求侧响应时间，且PU1

2）EV需求响应

EV调节使用高于正常电价的单价补贴及电池衰减补贴激励政策来调度EV。具体计算如下：

式中：SEV为EV总补贴；p每度电补贴单价；Uess为电池衰减补贴。

3.3.2 私有负荷随机优化调控

系统运行在台区供电中断状态时，私有负荷调控的目标是恢复成本最小，以降需求功率和EV补偿功率为变量。但二者响应方式为价格激励政策响应，该响应方式具有一定的不确定性，因此为保证调节的可靠性，需要为二者响应的指标（分别为Pde和ΔE）预留出足够的安全裕度。约束为需求侧响应功率要小于ε1倍的可调节需求功率，需求电量ΔE小于ε2倍的可调度EV储能ΔE′。

式中：x1为降需求功率；x2为EV补偿功率；Pde为需求功率；P′de为可调节的需求侧响应功率；ΔE′为可调度的EV 储能；ε1和ε2分别为需求侧响应和EV 储能调节的安全裕度（本文选取ε1和ε2的值分别为0.85和0.8）。

整体运行策略涉及不同的方式对系统总负载进行调整，分别为用户需求侧响应和调动EV 储能，两种方式选择的具体策略如下。

1）若在切除充电桩负载后，仍存在T3

2）统计需求侧内可调度的EV 储能ΔE′、系统在该阶段下的弹性负载Ei和可调节的需求侧响应功率P′de。

3）对比需求功率Pde与可调节的需求侧响应功率P′de、需求电量ΔE与可调度的EV 储能ΔE′，根据不同的结果选择不同的调节方式。具体如下：①若满足Pde>ε1P′de且ΔE≤ε2ΔE′，则选择调动EV 储能方式调节；②若满足Pde≤ε1P′de且ΔE>ε2ΔE′，则选择需求侧响应方式调节。

4）若满足Pde≤ε1P′de且ΔE≤ε2ΔE′或Pde>ε1P′de且ΔE>ε2ΔE′，则需要根据不同调节方式所需要的成本，获取响应的调节方式。具体如下：①若Pde≤ε1P′de且ΔE≤ε2ΔE′，则计算两者需求侧响应补贴总价为Sub及EV 总补贴SEV大小。若Subε1P′de且ΔE>ε2ΔE′，则通过算法计算成本最小时两种调节方式功率分配情况，根据分配功率使用两种方式共同进行调节。

4 算例分析

4.1 算例场景设置

为验证本文所设计系统的应急电源功能，本文以某小区为例，对系统及运行策略进行仿真验证，仿真场景设置如下。

1）住宅小区微电网系统内部总用户数为300 户，住宅小区微电网峰值负荷为942 kW，小区公共峰值负荷为108 kW，住宅小区微电网峰值总负荷为1 050 kW。

2）系统利用屋顶安装分布式光伏，小区内可用天台面积为4 250 m2，按照每十平方米1 kW 计算，分布式光伏总容量约为425 kW。

3）根据2020年上半年全国50个主要城市供电企业用户供电可靠性报告统计的中国用户平均停电时长［16］，BESS 总容量应为足够小区峰时用电3 h左右，因此BESS配置总容量约为3 000 kWh。

4）由于系统涉及对EV的资源利用，本文通过使用归一化、曲线拟合等方法对小区EV出行行为数据进行处理，最后得出的结论如下：该小区EV的最后一次行程结束时刻大多分布在16：00—19：00，在17：30 达到最高峰；首次出行时刻基本分布在06：00—09：00，且在08：00 达到最高峰；大多数EV 每日行驶公里数在0～60 km；大多数EV一般会在完成该天的行程后进入充电状态，此时停车时间也较长，基本分布在8～10 h。

5）假设EV用户结束行程后，即时与充电桩连接充电；EV 充电桩为V2G 充电桩，充电方式为慢充，充放电功率为7 kW；EV 电池平均容量为35 kWh。

6）对小区内公共资源等级划分具体见表1。

表1 公共资源等级划分Table 1 Classification of public resource levels

7）在不同的风险下，系统所要承担的运行压力是不同的，因此对于风险系数进行等级划分，分别为低风险、中风险、中高风险和高风险4种情况，不同的风险情况根据系统的总负载大小对应不同的BESS 预留能量，本文考虑小区实际情况，对应的风险系数见表2。

表2 风险情况与风险系数对照Table 2 Comparison of risk situations and risk coefficients

本文采用负载满足率、用电可靠率两个指标对所提出的住宅小区微电网运行策略进行分析［18］，计算公式如下：

式中：Lsat为负载满足率；Pwork为已满足负载功率；Lrel为用电可靠率；Pres为用户需求响应功率；Puers为用户侧所需要的总功率。

4.2 仿真结果对比分析

4.2.1 住宅小区微电网常规运行分析

在仿真时，考虑极端情况（即BESS 初始荷电状态为最低值10%），常规状态运行时住宅小区微电网在不同风险下运行一天的BESS 荷电状态均能达到或超过不同风险下的规定值。

在考虑完全满足BESS 预留的情况下，常规状态运行时，住宅小区微电网在不同风险情况下各供电单元出力情况如图4所示。图中展示了分布式光伏、配电网、BESS之间的能量交换情况，其中纵轴为正表示输出功率，反之则表示吸收功率，同时给出各时刻电力供应和功率平衡情况。

图4 住宅小区微电网常规运行状态出力Fig.4 Output power of residential microgrid under normal operation status

由图4可以看出，在低风险、中风险、中高风险情况下，分布式光伏能降低住宅小区微电网向配电网的购电量，同时减小住宅小区微电网的运行成本。低风险情况下，分布式光伏可以在峰时供给35%左右的功率；中风险情况下，供给20%左右的功率；中高风险情况下，供给15%左右的功率；高风险情况下，所需预留的储能较大，仅能供给2%左右的功率。

4.2.2 住宅小区微电网台区供电中断状态运行分析

本节将在两种不同场景下，对住宅小区微电网台区供电中断状态的运行进行分析。2020年上半年全国50 个主要城市供电企业用户供电可靠性报告指出，中国城市供电企业用户平均停电时间为2.02 h/户，其中城市用户平均停电时间为0.9 h/户，农村地区用户平均停电时间为2.72 h/户［19］。在住宅小区微电网系统中，由于极端天气、线路故障、用电设备故障、供电系统故障及控制失灵等原因会导致住宅小区的供电中断。因此，本文考虑了两种场景来验证住宅小区微电网系统应急电源功能的可靠性：场景1，模拟在正午时刻供电中断3 h（12：00—15：00）；场景2，模拟用电晚高峰供电中断2 h（18：00—20：00）。考虑极端情况下系统应急电源功能的供电能力，实验结果如图5 和图6 所示。图中展示了配电网、分布式光伏、BESS之间的能量交换情况，其中纵轴为正表示输出功率，反之表示吸收功率。

图5 场景1中系统应急电源功能供电情况Fig.5 Power supply of emergency power source functionality in scenarios 1

图6 场景2中系统应急电源功能供电情况Fig.6 Power supply of emergency power source functionality in scenarios 2

如图5所示，在场景1中，系统的应急电源功能在预测低风险时，可以实现同时运用分布式光伏、BESS 及少量用户需求响应（图中蓝色曲线与黑色曲线差值），实现超过80%的负载满足率和超过70%的用电可靠率。在预测中风险、中高风险和高风险3种情况下，系统的应急电源功能仅依靠分布式光伏、BESS就可以实现住宅小区微电网常规运行，每一时刻负载满足率和用电可靠率可以达到100%。

如图6所示，在场景2中，系统的应急电源功能在预测低风险及中风险情况下可以实现同时运用分布式光伏、BESS、EV 储能以及用户需求响应（蓝色曲线与黑色曲线差值），实现超过70%的负载满足率和超过70%的用电可靠率。在中高风险和高风险情况下，当没有分布式光伏辅助时，系统的应急电源功能仅依靠分布式光伏、BESS就可以实现住宅小区微电网常规运行，负载满足率和用电可靠率都可以达到100%。

5 结论

本文以住宅小区为例，建立考虑应急电源功能的住宅小区微电网模型，实现配电网供电中断时利用分布式光伏、BESS、EV为小区提供电能，利用用户需求侧响应实现增强系统应急电源功能的可持续性。得到结论如下：

1）在正常供电情况下，风险评估及能量预管理策略根据预测次日配电网供电中断风险，利用分布式光伏与配电网互动，不仅能实现储能预存，还能降低住宅小区微电网峰时负荷需求、系统运行成本并减轻配电网供电压力。

2）在台区供电中断情况下，住宅小区微电网应急能量管理策略利用分布式光伏、BESS、EV、用户需求弹性，不仅实现了在不同电力供应中断场景下住宅小区微电网的负荷的供给，同时还保证了高水平的负载满足率和用电可靠率。

3）在台区供电中断时充分考虑用户需求弹性。不仅延长了系统应急电源电源功能的供电可持续性，降低供电中断时住宅小区微电网系统的恢复成本和运行成本，同时增强了住宅小区微电网系统的韧性。

综上，基于城市电网、分布式光伏、BESS及EV的发展，本文提出了考虑应急功能的住宅小区微电网运行策略，为需要配备应急电源的电力用户医院、政府大楼、小区等提供可参考的配电网模型及运行策略。