摘要

微網是未來高密度分布式電源接入的主要載體,其規模化發展的態勢必然使得未來智能配電系統的主要運控對象包括大量不同型式的微網系統,亟需探究新的運控機制,以適應新能源微網技術快速發展的需要。在比較微網與智能配電系統特征并分析多微網發展態勢給傳統配電系統帶來挑戰和機遇的基礎上,提出了智能配電系統與多微網之間逐步培育和構建開放、友好型協同自律式運控關系的構想;闡述了協同自律運控模式的內涵,設計了具有規范性屬性的協同策略和具有引導性屬性的彈性自律空間的決策流程;最后對協同自律運控模式的若干關鍵科學技術問題進行了梳理,并展望了可能的解決方法。協同自律運控模式,既可以在降低配電網調控難度的基礎上更好地發揮其承接大電網與微網關系的作用,還可以在提升微網自身能量管理靈活性的基礎上更為充分高效地接納分布式新能源,從而促進配電網主動性和智能性的良性發展。

關鍵詞 : 智能配電系統; 多微電網; 協同自律; 分布式能源;

0 引言

傳統能源的日益枯竭和生態環境的日趨惡化,迫切要求在現代電力系統中大力發展風、光等可再生清潔能源。可再生清潔能源通常以2種方式并入電網：一種是規模化接入,集中送出;另一種則是分散接入,就地消納。可再生能源采用小容量、高密度、分布式接入配電網,在短期內形成高速發展的態勢,并將逐漸形成具有較高滲透率的新能源配電網。

微電網技術為可再生能源的分布式并網發電及消納利用提供了靈活有效的技術途徑,也為主動配電網的運行和控制提供友好接口[1-5]。隨著微電網技術的發展,可再生能源以微電網作為載體,以一個雙向可調度的智能節點的形式接入配電系統,使得配電網不必直接面對不同種類、不同歸屬、數量龐大、位置分散的各類分布式電源。配電網將逐漸演變為由大量隸屬者不同的微電網群和部分可控型分散電源組成的主動配電網。文獻[6]把智能配網和微電網技術列為影響未來電網發展的10項關鍵技術之一;文獻[7]對未來配電系統的發展形態進行研究,提出未來配電網將形成與包括微電網群等各類用戶之間的雙向、互動的供需關系;文獻[8]和文獻[9]對包含微電網的主動配電網架構進行分析,指出微電網群是解決高滲透率的分布式電源接入的有效途徑,未來在配電網中將大量存在,并整合微網內資源與配網進行互動。微電網的迅速發展,需要對配網與微電網之間的協調運行進行進一步研究,成為亟待解決的問題。

在配電網協調運行方面,學者們已經做了較多研究工作,主要集中在“源-網-荷”互動運行機制[10-11]、高滲透率分布式電源的配網協同優化技術[12-13]、基于多智能體的配網協同控制技術[14]、配電網多元主體的競價機制和博弈方法等方面[15],但對微電網與配電網的協調運行問題的研究還相對較少。文獻[16]建立了多微電網接入主動配電網的分解協調優化模型,提出具有耦合特性的分解協調算法;文獻[17]考慮微網電源與負荷的雙重外特性,建立了微網與配電網聯合調度的隨機優化模型,用于二者之間的協同運行;文獻[18]預估微電網最大、最小輸出功率,做為與配電網交互功率的約束條件,在此基礎上建立配電網的經濟調度模型;文獻[19]提出微電網群動態合作博弈和微電網定價的研究思路;文獻[20]用互動備用博弈矩陣來描述微網之間的合作關系以及微網層對配網層產生的支持作用,從而實現微電網與配電網的協同調度。上述研究均針對某些特定方法來研究配電網與微電網的協同調度,沒有系統地分析和研究多微電網群與配電網之間的運控模式。

微電網做為配電網或主動配電網中的智能子系統,具有高度自治和友好互動的特性,微電網的運行行為應該受到約束和限制,以協同配電網的安全、經濟運行為目標;同時微電網在允許的運行范圍內,也要實現自身的效益最大化。換言之,配電網與微電網之間是一種協同自律的關系[21-23]。基于上述分析,本文提出一種智能配電系統與多微網之間逐步培育和構建開放、友好型協同自律式運控關系的構想,闡述了協同自律運控模式的內涵,初步設計了具有規范性屬性的協同策略和具有引導性屬性的彈性自律空間的決策流程[24-25]。最后對協同自律運控模式的若干關鍵科學技術問題及其可能的解決方法進行了梳理和展望[26-28]。

1 多微網高滲透運行對配電網的影響

單個微網或少數微網并入配電網時,如果其分布式電源(distributed generation,DG)容量小于本地負荷,或僅在很小的配電范圍內存在少量功率倒送,則可以認為對配電網的正常結構和運控模式無甚大礙。然而,當并網運行的微網數量和容量達到高滲透規模時,就會對配電網帶來明顯影響。其主要影響概括如下：

1)增加了配電管理與營銷體系的不適應性。

未來的微網,甚或配電網,更容易在其中引入混合所有制經濟模式,導致其所有權和經營權主體的多元化,使得配電網運營商、電力用戶或DG/DR零售商等均可參與相關營銷決策過程和具體營銷活動,從而徹底改變現有配電公司一家賣電、若干獨立用戶自主買電的壟斷格局。多元化營銷模式的產生與發展,在搞活電力商品公平競爭性經營活動的同時,必然要求傳統配電管理與營銷體系發生根本性的變革。此時,配電網更多地由管理者角色向服務者角色轉換,以適應新的營銷模式。

2)增加了配電網架結構的不適應性。

傳統開式輻射狀配電網架結構是為單一潮流方向而設計的,其運控操作比較簡單。當進入多微網高滲透時代后,盡管中高壓主干配電網絡結構型式可能變化不大,但對中低壓配電網絡,由于潮流方向和大小的多變性、微網并網點或并網斷面需求的多樣性,使得原有網架結構表現出愈來愈多的不適應性。此時,新的應用環境極有可能催生出交直流混聯的多環狀網架型式。新的拓撲結構型式的產生與發展,在增加配網潮流控制靈活性、提高微網電力吞吐能力的同時,必然要求傳統配電網絡“閉環設計、開環運行”的模式進行相應的變革。

3)增加了潮流運控的復雜性和難度。

因多微網高滲透帶來的最突出表象就是DG/ DR和微網的選址、定容和實時輸出等行為特性變得更為多變和不確定,加大了配網有功潮流堵塞和無功潮流分布不均衡的風險;正常和事故工況時投退行為的高度自治,加劇了這種不確定性和風險;DG/DR、微網和配電網三者運控目標或利益訴求存在的不一致性和相對獨立性,削弱了傳統配電網管控潮流的能力;多元化營銷模式和新型拓撲結構型式的出現,既給配電網潮流的不良自由竄動提供了機會,也給潮流的合理分配創造了條件。上述種種因素,會不同程度地增加配電網潮流運控的復雜性和難度,需要加強各方自律基礎上的協同,以提高潮流運控的主動性和靈活性。

4)削弱了配電網全局優化的能力。

傳統配電網管理的對象比較單一,主要為被動接受供電的各種負荷。為避免或延緩對饋線和變壓器等設備的升級改造以及提高配電網整體運行效

能,可以針對無功優化和網絡重構等問題進行全局性尋優。當多微網高滲透出現后,盡管無功優化和網絡重構等問題仍可存在,但由于多元化營銷模式的出現以及DG/DR、微網和配電網三者運控目標或利益訴求存在的不一致性和相對獨立性,無法再對其進行全局性尋優。此時,需要圍繞配電網主動化的核心點、結合新型運控模式,探尋更為合理化的新型尋優機制。

綜上,傳統配電網在應對多微網高滲透時,會顯露出多種不適應性,亟需研究新型運控模式以化解這些難題,并使其符合智能配電網主動化技術發展的趨勢。本文提出的逐步培育和構建智能配電系統與多微網之間開放、友好型協同自律式運控關系的構想及初步設計的有關框架,正是順應這一需求的一種探索。

2 協同自律運控模式

由第1節分析知：多微網高滲透在給配電網乃至更高等級系統的運控帶來風險和困難的同時,也

存在因前者具有自我能量管理能力而使后者獲益的可能。如何處理微網與配電網的關系,關乎二者是演變成相互利益的掣肘者還是支持者的問題。如果配電網更多地立足自身運行需要對各微網采取諸多限制性強勢管控措施(非主動配電管理方式),則必然嚴重束縛多微網吸納可再生清潔能源的潛能;如果各微網要求配電網全力配合其追求能量管理效益的最大化(完全主動配電服務方式),則必然顯著提高配電網投資、擴容、運控等綜合成本,并最終影響更多負荷用戶的用電成本。因此,無論采取非主動方式還是完全主動方式處理微網和配電網的關系,均不能算是最智慧之舉,需要在2種極端方式之間尋求新的利益平衡以構建微網和配網相處的新型關系。新型關系與2種極端方式時的主要特征對比如表1所示。

有鑒于此,本文提出多微網智能配電系統協同自律運控模式,促使微網和配網、微網和微網之間實現相互包容與自我約束環境下的利益共贏局面。

表1 協同自律運控模式的主要特征

多微網智能配電系統協同自律運控模式主要包括：

1)單個微網的自律運行。

單微網的自律運行是指參與配電網運控的各微電網,在配電管理系統所構建的靈活且適度自主調控空間內,單個微網能量管理系統對其所轄的各源-網-荷進行調控,其職能是滿足微網內負荷可靠供電、保證良好的電能質量以及追求微網自身效益的經濟運行控制能力等多種自主能量管理目標的過程中表現出的自我約束、自我管理的能力。對微

網功率變化|ΔPW||ΔPW|是否大于指標體系中的閥值βWβW進行判斷。若小于,則微網可以完全自律運行。

2)多個微網之間協同控制。

多個微網之間協同控制是指配電管理系統在保障含多微網的配電網可靠運行的前提下,為滿足多微網間能量互濟,以提升微網友好接納源-網-荷水平為主要目標,智能應用配網運行、微網典型特征、上級電網調控需求或指令、所轄內相鄰微網間和同級配電網間聯絡等信息,通過技術和市場等多種有效手段的合理使用,在為多微網構建更為靈活且適度自主調控空間的同時,使配網與微網間以及多微網間營造出更為互濟的運行關系,從而實現配網和微網的綜合高效運營。微網間協同控制示意圖見圖1。

圖1 微網間協同控制示意圖

不同微網間存在耦合關系,用Si,jSi,j表示第ii和jj個微網間期望的交換功率。對于微網I,其凈發電行為訴求為S1S1,期望的交換功率為S1,2S1,2,同樣適用于微網2。不難發現

3)智能配電系統對多微網協同運控。

協同自律運控模式是由配電管理者組織實施、微電網有序參與的運控模式。在該模式下,配電網和微電網的職能屬性發生了變化：配電管理者打破以往的強勢管控和對微網的嚴格限制,強化服務意識,其主要職能演變為制定協同策略和彈性自律空間、綜合利用技術和市場的手段協同配網與微網資源,為多微網和配網營造更為合理的互惠運行關系;微電網在配電管理系統所構建的自律空間內,獲得了相對寬松的運行環境和較為彈性的技術約束,能夠兼顧配網和其他微網的技術經濟需求實施有限靈活地自治運行。自律性空間側重規范微網和配網之間的電力交換行為,有別于以往的節點電壓、支路潮流、短路容量、變壓器帶載率等嚴格的物理約束條件,需要兼顧多微網利益訴求與配電網運行需求合理制定,具有彈性和引導性等特性.