有源配电系统优化调度仿真教学工具设计

杨军　王江　骆亚帅　王楠楠

摘  要  为适应分布式光伏渗透率不断提高的有源配电系统运行调控教学培训需求，开发一套仿真和实训工具，从而为学员提供辅助教学工具。该工具需具备配电网图形模型、分布式光伏模拟、发电功率预测、数据采集、故障处理模拟等功能，可实现基于案例的教学设计，能够满足学员针对分布式光伏高渗透率的有源配电系统调控技术的仿真培训需求。通过仿真模拟、案例教学等多样化手段，解决传统教学方式受时间、设备等因素的限制，学员可随时参与、深度交互，有效提升分布式光伏调度控制仿真教学效果。

关键词  分布式光伏；有源配电系统；仿真教学；案例教学

中图分类号：G647.6    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）08-0037-06

0  引言

“双碳”目标下，需要构建以新能源为主体的新型电力系统[1]，我国新能源开发遵循集中式与分布式并举的原则，优先推动风能、太阳能就地就近开发利用[2]。随着技术不断成熟以及国家政策的不断推动，分布式光伏装机迎来快速发展。截至2022年6月底，国家电网公司经营范围分布式新能源装机容量1.16亿千瓦，华北、华中、华东分布式光伏渗透率分别为17.81%、9.85%、9.92%，传统配电网正加快向高渗透率分布式光伏的有源配电网演变[3]。

分布式光伏出力具有较强的间歇性、波动性和不确定性，其分散、高渗透接入配电网将导致严重的电压波动、越限[4]等问题，影响电網经济安全运行[5]。从设备成本、系统可靠性来看，对分布式光伏的逆变器加以控制[6]，实现无功电压的可调可控的目标，是目前解决有源配电网无功电压波动、越限问题的有效手段。有源配电网电压控制可以采用多种方法，包括基于灵敏度的本地控制[7]、分层分区控制[8]、群调群控[9]、多时间尺度协调控制[10]、基于柔性互联设备的电压控制[11]、多产销者互动调压[12]等。针对配电网及分布式电源调控仿真模拟，研究者设计了基于改进引力搜索算法的无功优化仿真方法[13]、基于虚拟仪器的电压无功综合控制系统[14]、光伏发电并网虚拟仿真系统[15]等。随着分布式光伏渗透率的不断提高，传统仿真方法未充分考虑分布式光伏参与电网调控的新形势，不能满足新型电力系统对学员专业知识和素质能力的学习需求。

为适应分布式电源渗透率不断提高的有源配电系统运行调控教学培训需求，亟须开发分布式电源优化调度仿真实训工具，为学员提供辅助教学工具，解决传统课件式培训受时间、设备、师资等诸多因素限制，无法达到有效培训目标的问题，使受训人员可以随时参与、深度交互，并实现丰富的案例教学，有效提升了分布式光伏调度控制的仿真教学效果，为新型电力系统下有源配电网优化调度技术人才培养提供支持。

1  总体架构设计

1.1  功能需求

开发一套有源配电系统优化调度仿真和实训工具，通过仿真模拟与案例教学，提升学员的理论知识、技术能力以及专业素质。

1）在理论知识方面，能够使学员掌握有源配电网图形模型及网络拓扑分析方法，掌握分布式光伏出力特点及预测方法，掌握分布式光伏有功及无功控制能力及特点，掌握分布式光伏对配电网电压影响分析计算方法，掌握分布式光伏自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）、自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）、一

次调频（Primary Frequency Regulation，PFR）等的机理和方法，理解分布式光伏群调群控的原理和生成方法。

2）在技术能力方面，能够使学员提升有源配电网运行状态分析与判读能力，掌握分布式电源调控指令下发及操作能力，提升基于理论知识和现代工具分析和解决工程实际问题的能力。

3）在专业素养方面，能够培养学员“双碳”和生态文明意识；具备自主学习、适应发展和终身学习的意识和素养，具备工程伦理的理念。

1.2  系统运行环境

系统运行环境如图1所示，主要包括用于分布式光伏模拟的工作站1台，用于模拟数据采集模块的工作站（或实体通信管理机）1台，交换机1台，用于模拟调度主站的服务器1台。将分布式电源调度培训系统安装在调度模拟服务器上，服务器通过IEC104规约[16]实时采集分布式光伏模拟工作站的数据，并通过客户端/服务器模式与多个操作站进行数据交互。学员通过培训操作站查看配电网运行状态，通过调度主站模拟服务器下达指令，调整与优化分布式光伏运行状态。

2  仿真模拟教学设计

有源配电系统优化调度教学工具需要具备配电网图形模型、分布式光伏仿真模拟等功能，使学员有效掌握有源配电网调控知识和技能。仿真模拟教学设计主要包括光伏运行模拟、发电预测、数据采集、调度模拟以及案例定义等主要功能模块。

2.1  配电网图形模型

如图2所示，基于电气元件模型及连接关系构建有源配电网拓扑，实时显示配电网稳态运行状态，使学员掌握有源配电网图形模型及拓扑结构；掌握分布式光伏接入对配电网电压的影响分析与仿真方法；掌握有源配电网运行状态分析与判断能力。

2.2  光伏配置

分布式光伏模拟模块，包括曲线配置、光伏运行实时数据生成等功能，用于模拟分布式光伏运行。光伏出力特性与光照强度密切相关，具有间歇性、随机性和波动性，学员可以对其出力曲线进行配置。从而掌握分布式光伏发电原理，掌握伏安特性曲线与最大功率点跟踪原理，掌握光照、温度对光伏出力的影响趋势，以及光伏发电量分析计算方法。

光伏配置的典型曲线如图3和图4所示，在晴朗天气，光伏出力类似于正弦半波。在多元天气，由于光照强度波动较大，导致光伏出力发生较大波动，秒级最大降幅可达50%以上。

2.3  功率预测

配电网运行调度需要建立在对电源出力的准确预测基础之上[17]，通过功率预测模块使学员理解分布式光伏功率预测对配电网调度控制的重要意义，理解光照、温度对光伏出力影响的定量分析方法，理解常用的光伏功率预测方法，理解光伏预测绝对误差、相对误差、准确率的计算方法。

分布式光伏发电预测，用于预测分布式光伏发电曲线、最大理论可发等数据，包括短期预测与超短期预测。短期预测要求在调度机构规定的时间上报次日0时至24时功率曲线，时间分辨率为15分钟；超短期预测要求滚动预测未来15分钟至4小时的功率曲线，时间分辨率为15分钟。

在分布式光伏模拟主机建立光伏预测的曲线显示画面，从Excel导入的光照强度、温度、历史发电量等数据，并模拟气象信息的预测值。对每一个分布式光伏单独设计一个画面，每15分钟更新预测曲线。将每日的数据保存在历史数据库，并与实际功率曲线进行对比，实时展示绝对误差和相对误差等。

2.4  数据交互

数据交互模块用于光伏模拟工作站与调度服务器的通信交互，包括IEC104服务端、IEC104客户端、实时数据刷新、指定执行等功能，用于采集分布式光伏模拟模块数据和执行调度模拟模块下发指令。通过数据交互模块，使学员理解IEC104通信规约的机理与数据交互过程；理解分布式光伏可观可测可调可控，对数据采集范围及控制等功能的需求，以及对通信实时性、可靠性等的需求；培养数据思维，理解多方式实时数据处理和展示的方法；具备工程伦理的理念。

采用IEC104规约实现配电主站與分布式电源终端的数据交互，包括IEC104服务端、IEC104客户端、遥测遥信采集、遥控指令执行等功能。

2.5  有源配电网调度模拟

有源配电网调度模拟模块，主要功能包括AVC优化、AGC优化、群调群控等，用于模拟分布式光伏与配电网调度主站。

根据分布式光伏并网逆变器技术要求等相关标准规定[18]，接入用户侧的分布式光伏系统并网点功率因数应实现0.95（超前）～0.95（滞后）范围内连续可调，并具备电压/无功控制，恒定功率因数和恒定无功功率等控制模式。同时，分布式光伏逆变器宜具备有功功率连续平滑调节的能力，能接受功率控制系统指令调节有功功率输出值。

因此，光伏逆变器需要参与配电系统的调度控制，为电压和频率提供支撑。通过对分布式光伏运行控制的仿真模拟，使学员掌握分布式光伏逆变器功率控制原理、控制能力及特点；掌握分布式光伏的AVC、AGC、PFR等的原理与方法；掌握调控指令设置、下发及效验方法；培养灵活运用理论知识分析与解决复杂工程实际问题的能力。

1）AVC指令下发。学员可以为各个分布式光伏站点下达AVC指令，当并网点的电网电压幅值越限时能够按照可调整的Q-V下垂曲线去自动控制无功输出。AVC功能如图5所示，具体可设置参数包括无功功率值、死区范围等。

2）AGC指令下发。分布式光伏的AGC指令下发可以与AVC系统兼容设计，共用底层控制器，增加上层有功功率控制功能即可。如图6所示，学员可以下达AGC指令，包括有功功率设定值、调整范围等。

3）PFR指令下发。随着分布式光伏渗透率逐渐增大，PFR是提高电网频率稳定性不可或缺的技术要求。学员可以根据并网点频率信息，快速调节分布式电源有功出力，实现有功—频率下垂响应的控制功能。PFR控制功能模拟如图7所示，当电网频率高于额定频率时，分布式电源有功功率可最低向下调节额定出力的10%；当电网频率低于额定频率时，由于一般运行于最大功率跟踪点，不具备增加有功功率的能力；当存在有功功率备用，或者额外的储能装置时，方可具备双向有功—频率调节能力。

4）群调群控功能。以电气距离接近、集中管控为原则，分层分区实现分布式电源的集群化调节（多个分布式电源集中响应控制及调度指令），参与配电网调压。学员可以选择群控群调方式包括恒无功功率控制、恒功率因数控制、分群控制等。分群控制的模拟页面如图8所示，学员可选择三种调压手段以及选择加入的节点群对配电网节点电压大小进行改变。

3  案例教学设计

案例定义模块，用于装载系统默认案例、提供运行案例自定义功能，实现培训人员深度交互式培训。根据配电网规模、光伏渗透率水平、光伏接入位置与容量、负荷特性等的区别，定义不同的案例进行模拟。使学员掌握有源配电网常见拓扑结构和接线方式、掌握分布式光伏并网方式、接入位置和容量配置策略。

以学员为中心，基于学习产出的教育模式（Outcomes-based Education， OBE）[19]，设计有源配电网电压调节仿真模拟案例。通过案例教学，学员可以掌握分布式光伏运行特性、功率调节指令响应原理，掌握分布式光伏接入对配电网电压的影响计算分析方法，掌握基于AVC、AGC调整节点电压的原理与方法，掌握调控指令下发及操作流程，提升分析和解决工程实际问题的能力。

基于所开发的仿真培训软件开展案例演示，设置有源配电网图形模型初始状态，局部电压越限状态，通过AVC、AGC的指令下发操作，观察电压变化情况，电压恢复正常则案例结束。

初始状态下，在光伏电站2和3接入的节点及附近出现了节点电压越限情况，且光伏接入点3附近的节点电压越限程度最大。

电压调节的总体思路如图9所示，分布式光伏优先采用就地控制策略；若节点电压仍越限，则采用无功功率调节的方式；当无功用尽电压仍未恢复正常，则采用有功优化缩减的方法。

通过AVC控制指令设置光伏电站的无功出力，图10为电压恢复情况，可见通过AVC调节可以使配电网电压恢复正常。

4  结束语

本文设计和研发一种有源配电系统调控模拟仿真教学培训软件，具体包括：分布式光伏模拟、发电功率预测、数据采集、调度主站模拟、案例定义等功能模块。软件已完成部署与应用，运行状态良好，满足学员针对分布式光伏调控技术的仿真模拟与教学培训需求。通过多样化的教学手段，解决了传统培训方式受时间、设备条件、师资力量等因素的限制，有效提升了实践教学的效果。

5  参考文献

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*项目来源：北京市高等教育学会2022年立项面上课题（MS2022145）；北京市高等教育学会2022年立项重点课题（ZD202241）。

作者简介：杨军，博士，高级工程师。