含高渗透率分布式能源的配电网阻塞管理综述王晓力

王晓力

摘要：随着配电网中分布式能源渗透率的逐渐提高，其组成成分较与传统配电网发生了巨大的改变，调度手段也呈现出多样化，不合理的调度策略和无约束或无引导的用电行为会引起配电网的阻塞，所以配电网阻塞管理势在必行。本文在总结国内外阻塞管理方式的基础上，将阻塞管理机制分为直接控制和市场机制两类：直接控制包括：网络重构、无功功率控制以及有功功率控制；市场机制包括：日前动态电价、配电网容量市场、日内影子价格以及灵活服务市场。

关键词：阻塞管理；直接控制；分布式能源；配电网；市场机制

ReviewofCongestionManagementMethodsforDistributionNetworkswithHighPenetrationofDistributedEnergyResources

WANGXiaoli1

（1.CENTRALSOUTHERNCHINAELECTRICPOWERDESIGNINSTITUTECO.，LTD.OFChinaPowerEngineeringCONSULTINGGROUP，

Wuhan，430071，China）

Abstract：Withtheincreasingofdistributedenergypermeabilityindistributionnetwork，itscompositionischangedgreatlywiththetraditionaldistributionnetwork，andthedispatchingmeansarepersified，andtheunreasonabledispatchingstrategyandtheunconstrainedorno-guidingelectricpowerbehaviorwillcausethecongestionofthedistributionnetwork，sothedistributionnetworkcongestionmanagementisimperative.Onthebasisofsummarizingthemethodsofblockingmanagementathomeandabroad，theblockingmanagementmechanismispidedintotwotypes：directcontrolincluding：Networkreconfiguration，reactivepowercontrol，andactivepowercontrol.Marketmechanismincludes：recentlyblockedelectricityprice，distributioncapacitymarket，intradayshadowpriceandflexibleservicemarket.

Keywords：congestionmanagement；directcontrolmethods；distributedenergyresources；distributionnetworks；marketmethods

0引言

随着能源安全、环境污染和全球气候变暖的趋势日渐严重，风力发电和光伏发电等分布式电源（distributedgeneration，DG）的发展越来越受到人们的关注[1]。近年来，作为需求侧的新起之秀，电动汽车（electricvehicle，EV）[2]在很多国家尤其是发达国家得到了快速发展。未来的配电网势必要实现对分布式可再生能源的兼容，随着配电网中分布式能源（distributedenergyresources，DER）渗透率的逐渐提高[3]，DER作为配电网源-荷协调的重要组成部分越来越受到人们的重视[4，5]。

DER主要包括以风力发电和光伏发电为代表的分布式发电（distributedgeneration，DG）、以EV和响应负荷（responsiveload，RL）为主的可控负荷（controllableload，CL）以及分布式储能（electricalenergystorage，EES）等[6]。在理想情况下，传统配电网（traditionaldistributionnetwork，TDN）由于受到电力系统调度机构垂直管制[6]和自身结构特点的影响，网络容量是足够承担配电网的用电需求而不会有阻塞现象发生的[7]，但这种假设在DER高渗透率的配电网中是不合理的。虽然其中的DG、储能装置、主动负荷和可控负荷等的双向互动，可以在可调度范围内充分响应市场价格和调度需求，降低各自的成本或改善效益并提高配电系统整体运行效率。然而，无约束或无引导的用电行为和不合理的调度策略，则可能导致配电网出现负荷尖峰和阻塞等问题，影响配电网的安全与经济运行[8]。

本文在结合国内电力市场实际情形的基础上，总结国内外配电网阻塞管理机制：网络重构[9]、无功功率控制[10]、有功功率控制[11]、日前动态电价[12]、配电网容量市场[13]、日内影子价格[14]以及灵活服务市场[15]。并根据调度主体、时间尺度以及目标函数等方面对阻塞管理机制的应用进行分类论述。

1配电网运行及阻塞现象

配电网是将电能输送给用户的重要媒介，如图1所示，高可靠性、有效性地将有功功率Pd输送给用户是配电网的重要目标。

图1配电网运行图

Fig.1Illustrationofasimpledistributiongrid.

配电网中的电力用户不仅需要消耗有功功率，而且部分电力用能设备会吸收无功功率（例如感应电机等）。线路中阻抗的存在使得通过线路给用户提供有功和无功功率时将导致节点电压下降。并且，随着DER渗透率的逐渐提高，当DG的输出功率大于节点有功消耗时，Pd会出现功率倒送的情形，导致节点过电压。无论时前述何种情形，当网络中潮流超过电力设备的传输极限，配电网就会出现过载阻塞现象。

作为配电网运行和管理的主要负责方，配电系统调度机构（distributedsystemoperator，DSO）[16]为了解决（或减轻）欠电压、过电压以及过载问题，主要采取：通过改善配电网的网架结构（采用具有较大输送能力的线路等）；在图1中节点2安装DG（燃气轮机等）和FACTS（静止无功补偿器SVC等）；直接对负荷的有功、无功进行管制；通过市场机制激励用户调整用电计划。

2阻塞管理的市场机制

阻塞管理的市场机制是指利用价格信号或用电需求合同，激励用户灵活调整用电行为的市场方法（由于间歇性可再生DG生产电能时几乎没有成本，通常不响应价格信号，即不参与调整）。

文中“集群”的概念用于表示配电网中的电动汽车群（EVs）或热储能装置（HPs）。每个EVs或HPs管理者将下辖的EV或HP集合到一个集群，在配电网中可能存在多个类似的集群，DSO可以通过市场竞争为管理者提供多样化的用电模式。

2.1日前动态电价（Day-aheadDynamicTariff）

此模式利用可控负荷对价格的敏感度，DSO将线路容量作为约束通过节点边际电价（locationalmarginalprice，LMP）求取最低的日前电价达到既节省用户费用又解决系统阻塞的目的。

其对应的双层优化模型如下：

2.2配电网容量市场

该方法将配电网的容量分配给具有最优价格的集群，其市场调节过程如下：

step1：DSO将初始电价（几乎为零）提供给各集群；

step2：各集群根据DSO提供的电价优化用电安排，并将用电计划反馈给DSO；

step3：DSO根据各集群的用电计划，计算潮流是否满足线路容量约束，若出现越限的情形，则提高对应越限时段的电价，并重新提供给各集群，至step2；若未越限，则至下一步；

step4：整理发布优化得到的用电计划和各时段电价。

对应的数学模型：

2.4灵活服务市场

各负荷集群不需要直接购买配电网容量，只需制定自己的需求计划（不需要考虑系统约束），但是DSO需要购买解决阻塞问题的灵活容量，例如购买某一节点某一时刻的需求减少量。负荷集群可以售卖自己的需求量，由DSO来决定是否购买这部分容量。不仅如此，灵活服务市场可以实现与传统电力市场（如现货市场、日内和实时电力市场）并行工作。然而，如何对灵活服务实现优化，如何在服务激活后满足客户的需求（如在预定时间之前仍需要充电电池）等问题仍需要进一步解决。

3阻塞管理的直接控制模式

3.1网络重构

通过改变常开或常闭开关的状态达到改变配电网网络结构的目的，从而更好地将电能输送到用户侧。

典型网络重构的优化模型：

在满足式（8）中的等式、不等式约束的情况下，为解决系统的阻塞问题，目标函数可以有多种形式。通过网络重构解决阻塞问题，对于用户而言无需调整用电计划，不会产生额外的用电成本。但对于DSO而言，在保证解决阻塞问题的同时应尽量减少线损等功率损耗。

3.2无功功率控制

借助于灵活交流输电装置，可控负荷以及分布式能源等来解决欠电压或过电压问题，特别是对于配电线路较长电压问题较线路容限问题更为严重的系统，无功控制显得尤为重要。

典型无功功率控制的优化模型：

又可以调节欠电压。

无功功率的调节需要配电网中无功设备的调整，文献[17]利用OLTC结合系统的无功控制实现解决阻塞的目标。

3.3有功功率控制

有功功率控制主要是针对用户侧而言，将用户侧的可控负荷当做调节手段[18-20]，以调整费用为目标，模型如下：

4阻塞管理机制应用与论述

根据与常规电力市场时间尺度关系，表1总结了上述阻塞管理机制的响应机构和目标函数。

表1阻塞管理机制总结

Table1Summeryofthecongestionmanagementmethods

对于DSO，上述阻塞管理机制的优先级，目前没有固定的模式，依据综合成本最小化的原则本文制订了阻塞管理实施计划如下：

首先，应采用无成本（或几乎无成本）机制，如网络重构、无功功率控制，DSO应尽可能使用这两种方法来解决阻塞问题。此外，还需要考虑配电系统中的变压器和稳压器等重要的调节设备。

如果上述方法不能完全解决阻塞问题，应采用市场机制，DSO和负荷集群管理者通过参与市场调节来最大化自己的利益。

最后，如果上述机制皆不能有效解决阻塞问题，应将有功功率控制作为最后的解决手段。

5结论

本文在未来DER高渗透率的配电网基础上，总结了配电网的阻塞管理机制，并根据各自的特点将其分为直接控制和市场机制两种模式。

直接控制：网络重构机制通过调整配电网中配置的分段开关和联络开关来解决阻塞问题；无功功率控制的方式是基于调节灵活的FACTS等无功补偿装置，适用于解决电压越限的阻塞情形；有功功率控制是最为直接的阻塞管理措施，此种方式通过减少需求侧的功率来达到解决阻塞的目的；

市场机制：四种机制都将DSO与DER作为市场的参与者，日前动态电价利用可控负荷CL对价格的敏感度，将线路容量作为约束通过节点边际电价求取最低的动态电价达到既节省用户费用又解决系统阻塞的目的；配电网容量市场和日内影子价格是由DSO发布电价，用户侧制定用电计划，DSO校最验用电计划修正电价的反复过程，其中日内影子价格属于日内调度的范畴；灵活服务市场情形下，用户在不考虑系统容量的前提下制定用电计划，DSO需要购买用户侧的灵活可调整部分来达到消除阻塞的目的。

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作者简介：

王晓力（1986-），男，工程师，硕士研究生，研究方向为电力系统优化调度；E-mail：[e-mail]