本文首次提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度模式理論，建立了多時間尺度遞進式調度策略，并構建了優(yōu)化調度體系結構。研究成果在南京智能電網(wǎng)示范區(qū)進行了成功應用，有效降低了區(qū)內負荷峰谷差和電網(wǎng)損耗，保證了電網(wǎng)的高效運行，為智能配電網(wǎng)建設提供了理論和實踐依據(jù)。
1 引言
智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，它以靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)網(wǎng)架結構和高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡為基礎，支持靈活自適應的故障處理和自愈，可滿足高滲透率的分布式電源和儲能元件接入的要求，滿足用戶提高電能質量的要求。目前，配電網(wǎng)距離智能配電網(wǎng)的要求還有一定差距，主要體現(xiàn)在：
1）配電網(wǎng)規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性，對資產(chǎn)利用率和經(jīng)濟性關注不足；
2）智能配電技術處于起步階段，智能化水平較低，管理手段相對落后；
3）配電自動化系統(tǒng)覆蓋范圍很低，遠遠低于先進國家水平；
4）互動化應用缺乏信息化、自動化支撐。
配電網(wǎng)調度作為配電網(wǎng)運行的指揮協(xié)調中心，長期以來未被重視，在一定程度上阻礙了智能配電網(wǎng)的建設進程。近年來隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，國內外學者才開始將研究的關注點轉移到配電網(wǎng)調度。當前，由于配電網(wǎng)量測信息少、信息質量不高，配電網(wǎng)調控和運行方式調整大多，仍需依靠調控員的經(jīng)驗開展，配電網(wǎng)調控基本處于“盲調”狀態(tài)，特別是面對規(guī)模龐大、設備眾多的復雜電網(wǎng)，難以兼顧電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。
為了從根本上解決這一問題，國網(wǎng)南京供電公司牽頭承擔了國家863計劃項目“智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度關鍵技術研究”。該項目依托南京配電自動化一、二期試點工程，以包含分布式電源的智能配電網(wǎng)為研究對象，在構建高效運行評估體系的基礎上，系統(tǒng)地提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度模式理論，研制了優(yōu)化調度關鍵設備，極大提升了配電網(wǎng)調控的精細化管理水平和優(yōu)化資源配置的能力，全面實現(xiàn)了智能配電網(wǎng)高效運行，項目成果成功應用于南京智能電網(wǎng)示范區(qū)。
2 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度總體框架
智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度總體框架如圖1所示。運行評估是智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度的基礎，通過設計安全性、可靠性、經(jīng)濟性、優(yōu)質性和智能性等多項指標，構建完整的智能配電網(wǎng)評估體系，全面反映電網(wǎng)狀況，評估結果將為電網(wǎng)調度決策提供重要依據(jù)。
智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度模式是優(yōu)化調度的核心，在明確調度的范圍、調度目標、調度對象和調度機制的前提下，建立相應的調度原則和策略，同時實現(xiàn)不同時段配電網(wǎng)、分布式電源，以及負荷的統(tǒng)一協(xié)調優(yōu)化。關鍵設備是智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度的支撐和實現(xiàn)手段，在豐富調控手段的同時，提高了控制的精準化和實時化水平，最大限度地避免了人工操作過程中出現(xiàn)失誤、危險等隱患。
下面將重點針對智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度技術及調度模式開展論述。
圖1 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度總體框架
3 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度模式研究
智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度的對象包括配電網(wǎng)絡、分布式電源/微電網(wǎng)、負荷。為了通過優(yōu)化調度實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的高效運行，需要多個部門在不同時間采用多種調度控制方法，而各種調度方法所需獲取的配電網(wǎng)信息均有所差別，并且信息的來源也具有不確定性，因此配電網(wǎng)優(yōu)化調度信息和方法具有時間相關性。
根據(jù)上述分析，本文提出了在時間尺度上形成“長期—中長期—短期—超短期/實時”的多時間尺度遞進式優(yōu)化調度策略，并以“局部平衡—分區(qū)協(xié)調—整體吸納”為原則，協(xié)調分布式電源、微電網(wǎng)、儲能裝置、可控負荷等調度對象，從而達到提高配電網(wǎng)供電可靠性與經(jīng)濟性，實現(xiàn)智能配電系統(tǒng)高效運行的目標。優(yōu)化調度模式層次結構如圖2所示。
圖2 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度模式層次結構
3.1 多時間尺度遞進式優(yōu)化調度策略
5個調度階段的調度模式、相互之間的關系如圖3所示。
圖3 多時間尺度遞進式優(yōu)化調度模式
3.2 長期優(yōu)化調度策略
長期優(yōu)化調度重點考慮規(guī)劃與調度的協(xié)調關系，利用網(wǎng)、源、荷三側資源的協(xié)調調度降低負荷峰谷差、減少尖峰負荷；以風險評估為基礎，采用非保守優(yōu)化規(guī)劃方法進行規(guī)劃與調度的協(xié)調；優(yōu)化饋線聯(lián)絡點的分布、分布式電源、電動汽車充放電設施、可中斷負荷等規(guī)劃，實現(xiàn)網(wǎng)、源、荷的協(xié)調發(fā)展。具體調度策略為：
1）以夏季和冬季負荷側的最大用電需量和電源側的電力供應量及其可調度量為邊界條件進行優(yōu)化。
2）優(yōu)化的首要目標是重要負荷的安全可靠供電和削減高峰負荷；對于供電能力十分充足的電網(wǎng)，降低峰谷差不作為主要任務；當不能保證所有負荷供電時，允許甩掉不重要的負荷。
3）具有太陽能光伏發(fā)電的電網(wǎng)，夏季時需優(yōu)先利用太陽能光伏發(fā)電為高峰負荷供電。
4）具有風力發(fā)電的電網(wǎng)，冬季時需充分利用風力發(fā)電為負荷供電。
3.3 短期優(yōu)化調度策略
短期優(yōu)化調度主要針對太陽能光伏發(fā)電、電動汽車充放電、以及其他不同性質的負荷用電特性具有明顯的規(guī)律，負荷用電具有錯時特性，以及臨時檢修和保電需求制定智能配電網(wǎng)次日的多時段調度方案，獲得電源和負荷資源的可調度量，形成多時段網(wǎng)絡運行方式。具體調度策略為：
1）以次日負荷側的用電需量和電源側的電力供應量及其可調度量為邊界條件進行優(yōu)化。
2）日前優(yōu)化調度方案主要考慮實現(xiàn)經(jīng)濟運行和提高電壓質量，并且以滿足電壓質量為基本條件，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。
3）具有太陽能光伏發(fā)電的電網(wǎng)，利用太陽能光伏發(fā)電出力與負荷用電需求的一致性平衡能量。
4）以避免設備頻繁動作為前提條件進行優(yōu)化。
5）當存在臨時檢修時，需要考慮臨時停電需求制定日前優(yōu)化運行方式；當存在臨時保電時，需要考慮臨時保電需求制定日前優(yōu)化運行方式。
3.4 超短期/實時優(yōu)化調度策略
超短期/實時優(yōu)化調度主要針對配電饋線中隨時會出現(xiàn)各種形式的功率波動，分布式電源出力間歇性變化，驗證次日多時段網(wǎng)絡運行方式，制定多時段調度計劃的調整方案，并形成可控電源和負荷的控制方案。同時當配電網(wǎng)中發(fā)生故障時，為健全區(qū)域恢復供電提供調度方案。具體調度策略為：
1）利用可控分布式電源和儲能裝置進行配合實現(xiàn)能量的平衡。
2）當不能保證所有負荷都獲得供電時，可以甩掉部分不重要的負荷以滿足能量平衡需求。
3）優(yōu)先采用可控電源為失電負荷供電。
4）為提高可靠性，可以轉移重要程度較低的負荷到其他饋線，以釋放饋線容量和保障重要負荷的供電可靠性。
4 智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)
智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)由基礎支撐層、應用層和高級應用層組成三層軟件框架?；A支撐層完成配電網(wǎng)的建模及模型拼接、拓撲、潮流計算等功能；應用層由智能配電網(wǎng)新能源優(yōu)化調度模塊、網(wǎng)絡優(yōu)化調度模塊、多樣性負荷優(yōu)化調度模塊和電網(wǎng)運行狀態(tài)評估模塊組成；高級應用層完成配電網(wǎng)的分布式電源—配電網(wǎng)絡—負荷的協(xié)調調度功能。根據(jù)調度模式所確定的調度目標分解為新電源、網(wǎng)絡和負荷的子調度目標，下發(fā)給應用層的對應模塊。應用層的3個模塊根據(jù)調度目標給出具體的調度策略，下發(fā)調度執(zhí)行層完成對相應對象的調度，由評估模塊對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時評估，并對調度后配電網(wǎng)絡的改善水平給出量化評估。智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)軟件模塊關系如圖4所示。智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)是優(yōu)化調度高級應用的實現(xiàn)。該系統(tǒng)按照IEC61970的標準進行配電網(wǎng)信息建模，遵從IEC61968的交互規(guī)范并實現(xiàn)與外部系統(tǒng)（上級調度系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)、配電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)等）的互聯(lián)，可以實時顯示并計算電網(wǎng)的運行狀態(tài)指標。
圖4 智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)軟件模塊關系
5 示范應用
課題組選擇南京智能電網(wǎng)示范區(qū)對研究成果進行示范應用。南京智能電網(wǎng)示范區(qū)南京金融、商務、商貿、會展、文體五大功能為主的新城市中心。示范區(qū)面積約11km2，區(qū)域內最大負荷功率約為76萬kW，涵蓋220kV變電站2座，110kV變電站6座，饋線132條。
2015年迎峰度夏期間，通過選取示范區(qū)內典型饋線進行實際操作，證明由于負荷的分布具有時變性，在不同負荷分布情況下，對應的配電網(wǎng)優(yōu)化的運行方式具有差異，通過配電網(wǎng)絡的調度可改變每條饋線的負荷峰谷差，從而改變潮流分布，改變電能損耗，通過優(yōu)化可以提高供配電的效率。
5.1 基于運行方式優(yōu)化的網(wǎng)絡優(yōu)化調度實際應用
以示范區(qū)內的10kV香堤線與塞上線為例，2條線路聯(lián)絡處的電網(wǎng)簡化圖如圖5所示。
開關動作情況：
1）2015年7月24日18∶00合上賽上線5號環(huán)網(wǎng)柜102開關，斷開香堤線3號環(huán)網(wǎng)柜101開關，（從所街變香堤線轉移約3850kVA居民負荷至沙洲變塞上線）；
2）2015年7月25日上午8∶00合上香堤線3號環(huán)網(wǎng)柜101開關，斷開賽上線5號環(huán)網(wǎng)柜102開關。香堤線、塞上線負荷轉移前后的潮流對比如圖6、7所示。
由圖6可知，香堤線負荷轉移前后，峰谷差有了明顯的降低，約降低18.7%；由圖7可知，塞上線負荷轉移前后峰谷差基本保持不變。
圖5 線路聯(lián)絡處電網(wǎng)簡化圖
圖6 香堤線負荷轉移前后對比圖
圖7 塞上線負荷轉移前后對比圖
5.2 基于負荷需求彈性的負荷優(yōu)化調度實際應用
對示范區(qū)內的負荷進行可降負荷預估，根據(jù)變電站各類負荷所占比例及各類負荷所具有的調節(jié)特性進行分類計算，得到示范區(qū)內各變電站可降負荷的預估值在9%～10%，可降比例為9.25%。可降的負荷容量預估為12.42MW。
計算結果是在理想情況下進行得出的，在用戶完全參與的情況下，峰谷差可降低10%～20%左右。如果通過引導合理用電進行負荷調度，可大大降低負荷峰谷差，降低電力高峰負荷需求，延緩和減少電力設備投資。
示范區(qū)內2014年最大負荷753.21MW，如果按峰谷差占最高負荷比例平均降低10%來計算，則通過對負荷進行優(yōu)化調度可降低75.32MW的高峰負荷電力需求，按照南京供電公司“十二五”期間110kV及以下單位投資增供負荷0.0003kW/元進行測算，可降低示范區(qū)內110kV及以下發(fā)輸電設備的電網(wǎng)建設投資2.51億元。
6 結語
本文在分析傳統(tǒng)配電網(wǎng)調度存在問題的基礎上，結合承擔的國家863計劃項目，確立了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度總體框架，重點針對調度技術和模式進行闡述，首次提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調度模式理論，構建了優(yōu)化調度體系結構，并將規(guī)劃到運行分為長期、中長期、短期、超短期、實時五個階段，建立了多時間尺度遞進式調度策略。同時，研發(fā)了智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)作為優(yōu)化調度高級應用的實現(xiàn)，提高了配電網(wǎng)調控的精準化和快速化水平。
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