主动配电网的分层能量管理与协调控制

王瑞

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摘要：主动配电网通过灵活的网络技术以及分布式能源协同控制技术实现分布式能源接入配电网后双向潮流的有效管理，实现分布式能源在合理的监管环境和接入准则下承担对系统的支撑作用。电网系统中主动配电网通过采用灵活的分布式控制技术和网络技术实现对配电网潮流双向有效管理。主动配电网通过预测技术与控制技术，并利用优化算法的方式，实现对电网分布式能源全面有效的控制与管理。

关键词：主动配电网；分层能量；能量管理；协调控制
前言：

目前国内主动配电网还缺乏统一的综合能量管理。在研究综合能量管理平台技术、区域能量综合预测技术和多级能源协调控制技术基础上，设计并开发了一种针对主动配电网的综合能量管理系统。系统综合考虑电源—电网—用户三个方面的需求，集成配电网已存在的信息和自动化系统，对配电网海量信息数据深度挖掘、高度整合和综合应用，最终实现能量合理分配、多元互补、综合利用，有效提高了可再生能源渗透率，降低了配电网能量损耗。

一、主动配电网的分层能量管理与协调控制体系

1、分层能量管理与协调控制框架。主动配电网的一系列管理控制相比于传统配电网的管理来说，是一种积极主动的控制和管理方式，因此现有的配电网管理系统在技术和管理方面都存在很多不足，主要体现在以下方面：缺乏统一的信息模型，存在信息孤岛；缺乏对配电网络的全面监控；不具备全局优化能量管理功能；对大量量测信息处理能力不足。主动配电网分层能量管理体系在控制区域划分的基础上，实现主站系统和终端的信息交互，利用全局优化和局部自治的协调控制，消纳间歇式能源，上层的主动配电网能量管理系统主要负责主动配电网的能量优化及运行方式优化，是用于实现全局集中控制的管理单元。而下层的主动配电网协调控制器则是对主动配电网自治区域进行分散自治控制的管理单元。基于分层能量管理可以有效解决通信过程中的信息瓶颈以及优化控制与自治控制的协调问题。一方面主动配电网能量管理系统在上层通过全局优化算法求解出主动配电网的优化调度控制策略，由于求解所需要的信息量较大，求解过程复杂，是在长时间尺度下的集中控制。另一方面，在2 次全局优化控制指令的间隙，主动配电网在下层处于局部自治控制模式。各个自治区域根据实际运行状态与最近1 次优化目标的偏差，通过协调控制器对自治区域进行闭环控制，实现各个自治区域在全局优化目标邻域内的运行。

2、主动配电网的控制区域划分。主动配电网所控制的区域为一组完整的拓扑区域，其所包含的最小区域为某一根馈线的分支线，其所包含的最大区域为几个通过联络开关实现连接的馈线群。主动配电网的控制区域为其能量管理构架中最优控制、负荷转移的最小实体区域。通常情况下，主动配电网的控制区域划分的原则如下：首先以10 kV母线作为配电网出口的总起点，遵照配电网的拓扑进行深度遍历。通过上述原则构建的10 kV主动配电网所形成的一个区域就是主动配电网的一个控制区域。自治区域的划分也是以主动配电网控制区域的划分为基础的，通过划分自治区域，其可作为全局进行自治优化控制的基本单元。主动配电网内协调控制区域的配置与自治区域的划分有着非常直接的关系。在进行主动配电网区域的划分能够较好的满足配电网多元化运行方式的特征，也就是将自治区域和控制区域均与联络开关的实际位置的变化而不进行随意的调整，提升了主动配电网的适应性和灵活性。

3、主动配电网分层能量管理的信息交互。在对配电网进行能量控制与管理的过程中，不论采用的为对配电网进行全局的控制还是对配电网进行的局部的控制，在具体的实施过程中，都应当采用标准的方式进行配电网的建模，从而更好的保证配电网中所含的信息能够得到最大限度的应用。在局部自治控制模式下，其内部的协调控制器及相关的测绘控制终端可实现局部信息的交互，达到主动配电网局部自治控制的目的，并将局部自治区域范围内运行状态的信号有效的传送给主动配电网能量管理系统。此外，配电网在全局控制优化中，应结合其他系统预测的信息，实现全局优化算法的完成，并给协调控制器下发对应的控制指令。

4、主动配电网全局优化。以间歇式发电预测数据和负荷预测数据为基础可以对主动配电网进行全局优化控制，并依据最优算法将主动配电网能够控制的分布资源求解出来，从而更好的响应由于昼夜变化、生产信息变化而带来的主动配电网周期负荷的变化。因此，在对主动配电网进行全局优化时，首先应当对预测的数据进行全面的分析处理，将预测数据中包含的短时间数据波动和长时间数据波动全面的识别出来。在进行长周期功率波动数据的分析时，应当以时间为尺度，将尺度设定在10～30 min之间，其对应的频率范围为0.0001～0.001Hz，因此，其对应的信号最高的频率应为上述赫兹的两倍，这样才能避免出现领域的混叠，所以其采样的频率应在0.002Hz以上，则采样的周期应为500 s。主动配电网全局优化控制的具体变量，不仅包含有具备有充电和放电能力的储能单元，还包含有可以控制的分布式发电单元，而将储能单元引入到主动配电网中，由于受到不同时间断面的控制耦合的策略不同，储能功率耦合控制不同，导致上一时刻的储能功率将会对剩余能量带来影响，所以，在进行主动配电网全局优化控制时不可以将某一个时间断面作为自身最优的目标。

二、算例展示

主动配电网间歇式能源消纳示范工程作为算例，包括2.85 MWp 的光伏发电系统以及由0.1 MW⋅h(5 C)锂电池和0.75 MW⋅h(0.2 C)铅酸电池组成的储能系统，可以在这个控制区域中得到自治区域，利用DIgSILENT 建立示范工程和各种控制器模型，分层能量管理系统以及各种控制模式之间切换的正确性。

区域自治到馈线协调控制模式切换，经优化得到的各控制初始化参数为：Pf*= 1.05，P1*= 0.577，P2*= −0.027，k1 = k2 = 0，j = 1。故其控制模式为区域自治控制模式。2 s 时，萧海1 负荷功率降低0.106 MW；3 s 时，萧海1 负荷被切除，区域1 的储能无法平抑功率波动，此时启动1 次全局优化，经优化得到的各控制参数为：Pf*= 0.471，P1*= −0.053 6，P2*= 0.024 1，k1 = 0.71，k2 = 0.29，j = 1，控制模式由区域自治控制切换到馈线协调控制。2 s 时萧海1 负荷下降，通过自治区域1 储能的调节，完全平抑负荷波动，实现区域自治控制；3s时切除萧海1 负荷，自治区域1储能输出功率快速下降到下限值 −0.5 MW，但仍不足以消纳该负荷波动，经过全局优化切换到馈线协调控制，3.5s 切换过程完成，自治区域2 的储能和平衡母线共同消纳这次负荷波动，且功率的分配与分配系数相符合。

在进行主动配电网分层能量管理与协调控制的过程中，为一个非常复杂的过程，因此，技术人员在信息交互和控制区的划分时，应当在进行上层优化的过程中将长周期扰动下预测信息使用到其中，并给出对应的调整策略，从而更好的增强系统的经济效益，提升主动配电网在扰动之下的全局优化运行状态，实现主动配电网控制模式的主动切换，更好的提升主动配电网运行的稳定性，以更为稳定的适应不同级别间歇式能源波动，最大程度上消纳间歇式能源。

参考文献：

[1] 许偲轩，陆于平，章桢．分布式发电配电网新型充分式保护原理及方案[J]．电网技术，2018(9)：27．

[2] 李凤婷，李智才．含异步机风电场的配电网故障特性及其保护分析[J]．电网技术，2019，37(4)：06．