本文首次提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式理論，建立了多時間尺度遞進式調(diào)度策略，并構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度體系結(jié)構(gòu)。研究成果在南京智能電網(wǎng)示范區(qū)進行了成功應(yīng)用，有效降低了區(qū)內(nèi)負(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)和高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，支持靈活自適應(yīng)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(zhì)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(guān)注不足；
2）智能配電技術(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于先進國家水平；
4）互動化應(yīng)用缺乏信息化、自動化支撐。
配電網(wǎng)調(diào)度作為配電網(wǎng)運行的指揮協(xié)調(diào)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(shè)進程。近年來隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者才開始將研究的關(guān)注點轉(zhuǎn)移到配電網(wǎng)調(diào)度。當(dāng)前，由于配電網(wǎng)量測信息少、信息質(zhì)量不高，配電網(wǎng)調(diào)控和運行方式調(diào)整大多，仍需依靠調(diào)控員的經(jīng)驗開展，配電網(wǎng)調(diào)控基本處于“盲調(diào)”狀態(tài)，特別是面對規(guī)模龐大、設(shè)備眾多的復(fù)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(dān)了國家863計劃項目“智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)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(gòu)建高效運行評估體系的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式理論，研制了優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵設(shè)備，極大提升了配電網(wǎng)調(diào)控的精細(xì)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(yīng)用于南京智能電網(wǎng)示范區(qū)。
2 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架
智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)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(diào)度的基礎(chǔ)，通過設(shè)計安全性、可靠性、經(jīng)濟性、優(yōu)質(zhì)性和智能性等多項指標(biāo)，構(gòu)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(jié)果將為電網(wǎng)調(diào)度決策提供重要依據(jù)。
智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式是優(yōu)化調(diào)度的核心，在明確調(diào)度的范圍、調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度對象和調(diào)度機制的前提下，建立相應(yīng)的調(diào)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(fù)荷的統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化。關(guān)鍵設(shè)備是智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的支撐和實現(xiàn)手段，在豐富調(diào)控手段的同時，提高了控制的精準(zhǔn)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(diào)度技術(shù)及調(diào)度模式開展論述。
圖1 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架
3 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式研究
智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的對象包括配電網(wǎng)絡(luò)、分布式電源/微電網(wǎng)、負(fù)荷。為了通過優(yōu)化調(diào)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(diào)度控制方法，而各種調(diào)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(diào)度信息和方法具有時間相關(guān)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(diào)度策略，并以“局部平衡—分區(qū)協(xié)調(diào)—整體吸納”為原則，協(xié)調(diào)分布式電源、微電網(wǎng)、儲能裝置、可控負(fù)荷等調(diào)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(biāo)。優(yōu)化調(diào)度模式層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式層次結(jié)構(gòu)
3.1 多時間尺度遞進式優(yōu)化調(diào)度策略
5個調(diào)度階段的調(diào)度模式、相互之間的關(guān)系如圖3所示。
圖3 多時間尺度遞進式優(yōu)化調(diào)度模式
3.2 長期優(yōu)化調(diào)度策略
長期優(yōu)化調(diào)度重點考慮規(guī)劃與調(diào)度的協(xié)調(diào)關(guān)系，利用網(wǎng)、源、荷三側(cè)資源的協(xié)調(diào)調(diào)度降低負(fù)荷峰谷差、減少尖峰負(fù)荷；以風(fēng)險評估為基礎(chǔ)，采用非保守優(yōu)化規(guī)劃方法進行規(guī)劃與調(diào)度的協(xié)調(diào)；優(yōu)化饋線聯(lián)絡(luò)點的分布、分布式電源、電動汽車充放電設(shè)施、可中斷負(fù)荷等規(guī)劃，實現(xiàn)網(wǎng)、源、荷的協(xié)調(diào)發(fā)展。具體調(diào)度策略為：
1）以夏季和冬季負(fù)荷側(cè)的最大用電需量和電源側(cè)的電力供應(yīng)量及其可調(diào)度量為邊界條件進行優(yōu)化。
2）優(yōu)化的首要目標(biāo)是重要負(fù)荷的安全可靠供電和削減高峰負(fù)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(wù)；當(dāng)不能保證所有負(fù)荷供電時，允許甩掉不重要的負(fù)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(fù)荷供電。
4）具有風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)，冬季時需充分利用風(fēng)力發(fā)電為負(fù)荷供電。
3.3 短期優(yōu)化調(diào)度策略
短期優(yōu)化調(diào)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(zhì)的負(fù)荷用電特性具有明顯的規(guī)律，負(fù)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(diào)度方案，獲得電源和負(fù)荷資源的可調(diào)度量，形成多時段網(wǎng)絡(luò)運行方式。具體調(diào)度策略為：
1）以次日負(fù)荷側(cè)的用電需量和電源側(cè)的電力供應(yīng)量及其可調(diào)度量為邊界條件進行優(yōu)化。
2）日前優(yōu)化調(diào)度方案主要考慮實現(xiàn)經(jīng)濟運行和提高電壓質(zhì)量，并且以滿足電壓質(zhì)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(fù)荷用電需求的一致性平衡能量。
4）以避免設(shè)備頻繁動作為前提條件進行優(yōu)化。
5）當(dāng)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(dāng)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(diào)度策略
超短期/實時優(yōu)化調(diào)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(luò)運行方式，制定多時段調(diào)度計劃的調(diào)整方案，并形成可控電源和負(fù)荷的控制方案。同時當(dāng)配電網(wǎng)中發(fā)生故障時，為健全區(qū)域恢復(fù)供電提供調(diào)度方案。具體調(diào)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(dāng)不能保證所有負(fù)荷都獲得供電時，可以甩掉部分不重要的負(fù)荷以滿足能量平衡需求。
3）優(yōu)先采用可控電源為失電負(fù)荷供電。
4）為提高可靠性，可以轉(zhuǎn)移重要程度較低的負(fù)荷到其他饋線，以釋放饋線容量和保障重要負(fù)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(chǔ)支撐層、應(yīng)用層和高級應(yīng)用層組成三層軟件框架。基礎(chǔ)支撐層完成配電網(wǎng)的建模及模型拼接、拓?fù)?、潮流計算等功能；?yīng)用層由智能配電網(wǎng)新能源優(yōu)化調(diào)度模塊、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)度模塊、多樣性負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模塊和電網(wǎng)運行狀態(tài)評估模塊組成；高級應(yīng)用層完成配電網(wǎng)的分布式電源—配電網(wǎng)絡(luò)—負(fù)荷的協(xié)調(diào)調(diào)度功能。根據(jù)調(diào)度模式所確定的調(diào)度目標(biāo)分解為新電源、網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷的子調(diào)度目標(biāo)，下發(fā)給應(yīng)用層的對應(yīng)模塊。應(yīng)用層的3個模塊根據(jù)調(diào)度目標(biāo)給出具體的調(diào)度策略，下發(fā)調(diào)度執(zhí)行層完成對相應(yīng)對象的調(diào)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(diào)度后配電網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(diào)度高級應(yīng)用的實現(xiàn)。該系統(tǒng)按照IEC61970的標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(biāo)。
圖4 智能配電網(wǎng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系
5 示范應(yīng)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(yīng)用。南京智能電網(wǎng)示范區(qū)南京金融、商務(wù)、商貿(mào)、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(nèi)最大負(fù)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(nèi)典型饋線進行實際操作，證明由于負(fù)荷的分布具有時變性，在不同負(fù)荷分布情況下，對應(yīng)的配電網(wǎng)優(yōu)化的運行方式具有差異，通過配電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度可改變每條饋線的負(fù)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(luò)優(yōu)化調(diào)度實際應(yīng)用
以示范區(qū)內(nèi)的10kV香堤線與塞上線為例，2條線路聯(lián)絡(luò)處的電網(wǎng)簡化圖如圖5所示。
開關(guān)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(guān)，斷開香堤線3號環(huán)網(wǎng)柜101開關(guān)，（從所街變香堤線轉(zhuǎn)移約3850kVA居民負(fù)荷至沙洲變?nèi)暇€）；
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(guān)，斷開賽上線5號環(huán)網(wǎng)柜102開關(guān)。香堤線、塞上線負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后的潮流對比如圖6、7所示。
由圖6可知，香堤線負(fù)荷轉(zhuǎn)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(fù)荷轉(zhuǎn)移前后峰谷差基本保持不變。
圖5 線路聯(lián)絡(luò)處電網(wǎng)簡化圖
圖6 香堤線負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后對比圖
圖7 塞上線負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后對比圖
5.2 基于負(fù)荷需求彈性的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度實際應(yīng)用
對示范區(qū)內(nèi)的負(fù)荷進行可降負(fù)荷預(yù)估，根據(jù)變電站各類負(fù)荷所占比例及各類負(fù)荷所具有的調(diào)節(jié)特性進行分類計算，得到示范區(qū)內(nèi)各變電站可降負(fù)荷的預(yù)估值在9%～10%，可降比例為9.25%?？山档呢?fù)荷容量預(yù)估為12.42MW。
計算結(jié)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(dǎo)合理用電進行負(fù)荷調(diào)度，可大大降低負(fù)荷峰谷差，降低電力高峰負(fù)荷需求，延緩和減少電力設(shè)備投資。
示范區(qū)內(nèi)2014年最大負(fù)荷753.21MW，如果按峰谷差占最高負(fù)荷比例平均降低10%來計算，則通過對負(fù)荷進行優(yōu)化調(diào)度可降低75.32MW的高峰負(fù)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(fù)荷0.0003kW/元進行測算，可降低示范區(qū)內(nèi)110kV及以下發(fā)輸電設(shè)備的電網(wǎng)建設(shè)投資2.51億元。
6 結(jié)語
本文在分析傳統(tǒng)配電網(wǎng)調(diào)度存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合承擔(dān)的國家863計劃項目，確立了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度總體框架，重點針對調(diào)度技術(shù)和模式進行闡述，首次提出了智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模式理論，構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度體系結(jié)構(gòu)，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(diào)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(diào)度高級應(yīng)用的實現(xiàn)，提高了配電網(wǎng)調(diào)控的精準(zhǔn)化和快速化水平。
