徐?弢，王成山，王笑雪，郭凌旭，翟曉磊，韓柳，彭竹弈

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計及運行成本的主動配電網電壓潮流聯(lián)合控制

徐?弢1，王成山1，王笑雪1，郭凌旭2，翟曉磊2，韓柳3，彭竹弈3

(1. 智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072；2. 國網天津市電力公司，天津300010；3. 國網北京經濟技術研究院，北京102209)

針對分布式電源大量并網所產生的節(jié)點電壓以及線路潮流越限問題，設計開發(fā)了計及運行成本的主動配電網電壓潮流聯(lián)合控制系統(tǒng)，研究了節(jié)點電壓與線路潮流控制策略以及控制策略之間的相互影響．通過對真實配電系統(tǒng)仿真發(fā)現(xiàn)，應用案例推理以及約束滿足方法對節(jié)點電壓以及線路潮流進行聯(lián)合控制，可有效約束節(jié)點電壓與線路潮流，在提高分布式電源接入率的同時，降低運行成本，優(yōu)化了整體配電網運行．

主動配電網；電壓控制；潮流管理；分布式電源；運行成本

近年來隨著各種新能源發(fā)電技術的發(fā)展，電動汽車等新型負荷的推廣，分布式電源(distributed generation，DG)及新型柔性負荷在配電網的滲透率不斷提高．分布式能源的隨機性及不可預測性，為配電網的運行與控制提出新的挑戰(zhàn)，其中，電壓波動、雙向潮流問題尤為突出[1]．

配電網運營商廣泛采用的“fit-and-forget”策略較為被動，需要對配電系統(tǒng)進行昂貴的升級改造，以適應分布式電源在各種工況下的運行需求．因此，配電網運營商急于尋求一種主動的管理策略，能夠在現(xiàn)有的設備和網絡容量基礎上，提高DG滲透率，同時有效控制網絡電壓及潮流．在此背景下，國際大電網會議(CIGRE)于2008年首次提出主動配電網(active distribution network，ADN)的概念．ADN既可以實現(xiàn)對DG、柔性負載和儲能等分布式可控資源的主動控制，又可以利用靈活的網絡拓撲結構實現(xiàn)潮流的有效管理，并在合理的監(jiān)管和接入準則基礎上，使DG對配電系統(tǒng)提供一定的支撐作用[2]．

研究表明，相比傳統(tǒng)配電網，ADN可在現(xiàn)有設備基礎上，將DG的滲透率提高2倍以上[3]．位于蘇格蘭北部的Orkney島自然資源豐富，與蘇格蘭電網以2條容量為40,MW的海底電纜相連，由于海底電纜升級改造費用較高，限制了清潔能源滲透率及利用率的提高．2013年該示范工程成功應用ADN實現(xiàn)77,MW清潔能源并網與輸送，并實現(xiàn)DG監(jiān)測及主動參與線路潮流約束管理[4]．2014年，Collins等[5]提出了應用多代理系統(tǒng)(multiple agent system，MAS)實現(xiàn)配電網主動分布式電壓控制，利用網絡上下游節(jié)點電壓與潮流的關系，實現(xiàn)分布式決策．

目前，關于主動配電網的研究多集中于電壓控制、潮流管理(power flow management，PFM)以及自愈控制等單一領域[6-8]．然而，從配電系統(tǒng)整體出發(fā)，在正常運行條件下，線路潮流約束和節(jié)點電壓約束相互耦合，且控制策略相互影響．同時，在控制策略的優(yōu)化方面，多采用以損耗最小或分布式電源接入率最高為目標函數(shù)，忽略了配電網運營商對運行成本的考慮．因此，本文提出一種計及運行成本的主動配電網電壓潮流聯(lián)合控制方法，應用案例推理(case base reasoning，CBR)及約束滿足(constrained satisfaction，CS)2種智能控制策略實現(xiàn)節(jié)點電壓約束及線路潮流約束．依據(jù)配電網運行工況以及相應控制策略的不同，筆者分別提出了電壓成本及分布式電源出力調整成本，并在測試算例上分析驗證了所提出的主動配電網電壓潮流聯(lián)合控制方法．

1?電壓控制

相比于輸電網絡，配電系統(tǒng)通常/比值較高，對于阻抗較大且距離較長的饋線，來自DG的注入功率可能導致電壓產生較大偏移．在正常運行條件下，電壓偏移通常產生在以下工況：

(1)負荷較小情況下DG出力較大；

(2)負荷較大情況下DG出力較小或從網絡斷開.

如圖1所示的簡單配電網饋線中，電壓偏移可表示為

???(1)

???(2)

???(3)

圖1?含DG的簡單饋線示意

隨著分布式可控資源的不斷接入，影響電壓波動的因素將更為多元，傳統(tǒng)的在線優(yōu)化算法將存在不收斂的風險．因此本文提出一種離線-在線相結合的CBR控制策略，以解決含大量分布式能源的主動配電網電壓波動問題．

CBR是一種類比推理方法，它仿照人類思維模式建立專家系統(tǒng)求解問題，這與人類對自然問題的認知方式相一致．它強調在解決問題時依靠以往的經驗積累，其核心是對過去類似情況處理經驗適當修改來解決新的問題[9]．基于CBR的電壓控制策略不僅適用于量測信息冗余度較高的系統(tǒng)，對于存在數(shù)據(jù)缺失的配電系統(tǒng)也有較好的容錯能力．如圖2所示，本文提出的CBR電壓控制系統(tǒng)包含兩部分：離線案例庫創(chuàng)建以及在線案例推理及自學習．

圖2?基于CBR的電壓控制系統(tǒng)軟件設計示意

1.1?離線案例庫創(chuàng)建

構建一個完備的案例庫是CBR系統(tǒng)的核心部分，就電壓控制系統(tǒng)而言，案例庫應適用于任何電壓等級和拓撲結構的電網，同時遵循IEC61850的數(shù)據(jù)結構，可直接與變電站自動化設備和智能電子裝置(intelligent electronic device，IED)進行通訊和信息交互．基于CBR的電壓控制系統(tǒng)將每個電壓偏離案例存入關系型數(shù)據(jù)庫，并利用離線最優(yōu)潮流(optimal power flow，OPF)算法以分布式電源接入量最大為優(yōu)化目標，計算出相應的電壓優(yōu)化控制方法．

1.2?在線案例推理及自學習

當電壓控制系統(tǒng)辨識到電壓越限后，會收集相關的網絡數(shù)據(jù)，并形成一個當前電壓超限的案例．CBR開始從案例庫中對當前案例進行自動檢索，并將查詢出的控制方法根據(jù)計算出的相似度因子從高到低排列．

本文提出的基于CBR的電壓控制策略采用最近鄰法(nearest neighbour，NN)對案例庫進行檢索，每個參數(shù)的相似度因子計算式為

???(4)

而案例的整體相似度因子則可表示為各個參數(shù)相似度因子的總和，即

???(5)

相似度最高的個控制方法將用于在線驗證模塊．在線驗證模塊根據(jù)所測得的實時數(shù)據(jù)對當前網絡情況進行仿真，并進行潮流計算．然后將CBR查詢到的個控制方法依次驗證，如電壓控制方法可將網絡上所有節(jié)點都控制在電壓限值之內，且不影響電網其他指標的情況下，該算法將通過在線驗證模塊的考察，并將報送到聯(lián)合控制中心作為備選控制方案．反之，不能通過在線驗證的電壓控制方法，將從推薦的控制方法列表中清除．最后，CBR系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)合控制中心最終控制策略的選擇，更新案例庫，將成功應用的最終控制策略連同網絡各項參數(shù)形成新的案例，加入案例庫中．

2?潮流管理

線路潮流約束是限制分布式電源滲透率的主要因素之一，也是配電網運營商亟待解決的問題．主動PFM旨在主動管理網絡可控資源的同時保證潮流約束在限制范圍內，確保線路和設備的安全運行．基于主動PFM存在多重約束的特質，本文提出一種基于CS的主動管控策略，目標是在滿足多重約束的條件下使每一個變量都得到一個值域范圍內的賦值．CS是多約束問題求解的常用方法，通常由一個變量集合，對應于各個變量的值域以及一組約束條件組成，即

???(6)

式中：CSP為CS方法的多約束集合；為有限變量集合，包括可控DG及負荷的定值，且有

???(7)

為各個變量的值域范圍，即

???(8)

為約束條件集合，即

???(9)

圖3?PFM尋解過程

圖4?基于CS的PFM系統(tǒng)軟件設計示意

3?運行成本

在含大量DG的配電網實際運行中，運營商不僅需要約束節(jié)點電壓與線路潮流，同時需要考慮網絡的運行優(yōu)化及收益．基于此，本文提出電壓成本及功率成本以滿足在提高分布式電源利用率的同時優(yōu)化運行的目的．

3.1?電壓成本

基于CBR的電壓控制策略可提供種相似度最高的電壓控制方案(為系統(tǒng)預定義的整數(shù))，每個控制方案需要通過在線驗證(利用控制方案中的網絡參數(shù)進行潮流計算)以確保所提出的控制方案能夠成功解決電壓問題．電壓成本根據(jù)在線驗證結果對電壓進行進一步約束，當電壓標幺值越接近1，電壓成本幾乎為零；反之，電壓成本將相應出現(xiàn)激增，這樣有效地以成本的形式對電壓進行了約束控制．根據(jù)浴盆曲線模型(見圖5)，電壓成本的計算公式為

???(10)

圖5?電壓成本

3.2?功率成本

本文提出的聯(lián)合控制系統(tǒng)以分布式電源功率最大化為目標，對DG功率的削減將在一定程度上影響網絡的運行優(yōu)化及DG運營商收益．因此，本文將以線性方式對DG功率調整進行成本核算(見圖6)．

圖6?DG功率調整成本

???(11)

圖6展示了2個DG功率調節(jié)成本，根據(jù)配電網運營商廣泛應用的last-in-first-off(LIFO)方式，根據(jù)入網時間規(guī)定單位功率調整成本，從而約束了DG的功率調整順序．

???(12)

將CBR相似度系數(shù)與系統(tǒng)運行成本進行核算，每個檢索出的電壓控制策略綜合評分可以表示為

???(13)

4?聯(lián)合控制

主動配電網控制系統(tǒng)框架包括集中式和分布式兩大類．其中集中式控制需要對配電網中各個節(jié)點的參數(shù)進行量測，通過大量的優(yōu)化計算，對系統(tǒng)中的可控資源進行調整，以達到約束系統(tǒng)中電壓及潮流的目的．集中式控制方法以系統(tǒng)全局優(yōu)化為目標，統(tǒng)一調配可控資源．而分布式控制通常將整個系統(tǒng)分成若干個子區(qū)域，通過應用MAS技術對子區(qū)域的控制和各個子區(qū)域之間的協(xié)作，實現(xiàn)對整個網絡的電壓潮流控制．分布式控制系統(tǒng)的難點在于解決各個Agent之間的決策沖突問題．

本文提出的電壓潮流聯(lián)合控制系統(tǒng)應用CBR和CS兩種智能控制方法，控制策略相互影響，因此，采用改進的集中式控制框架，引入仲裁機制，解決可能產生的控制沖突問題．

如圖7所示，聯(lián)合控制系統(tǒng)流程步驟如下所述．

步驟1 系統(tǒng)監(jiān)測網絡中的節(jié)點電壓以及線路潮流以識別系統(tǒng)電壓、潮流越限問題．

步驟2 當線路潮流越限時，CS立即啟動以計算解決潮流問題的控制策略；當電壓越限發(fā)生時，CBR將網絡當時的參數(shù)包裝成案例，檢索出相似度最高的個電壓控制策略．

步驟3 所有檢索或求解出的控制策略將通過在線驗證以確定能夠解決當前的電壓或潮流越限問題，并同時不會觸發(fā)其他節(jié)點或線路越限．

步驟4 成功通過在線驗證的電壓控制策略將會被驗證是否滿足潮流約束，反之，潮流管理策略將會被驗證是否滿足電壓限制．電壓與潮流約束都滿足的情況下，系統(tǒng)將根據(jù)式(10)～式(13)重新計算策略的綜合評分，并按照綜合評分進行排序，最高分的控制策略將確定用于解決該電壓、潮流的越限問題．

步驟5未能滿足潮流約束的電壓控制策略以及未能滿足電壓約束的潮流管理策略，將分別啟動CS和CBR系統(tǒng)以保證控制策略可同時滿足兩項約束的限制，同時發(fā)送仲裁請求給控制中心．為避免系統(tǒng)出現(xiàn)死循環(huán)，當仲裁請求達到預先設定的限值時，系統(tǒng)將停止工作，并將最終仲裁權交給控制中心．

圖7?聯(lián)合控制系統(tǒng)流程

5?算例分析

為驗證上文所述的基于CBR的電壓控制策略，基于CS的潮流管理策略以及聯(lián)合控制系統(tǒng)，本文將開展3組算例驗證：獨立電壓控制、獨立潮流管理以及聯(lián)合控制．下文將對算例網絡、運行環(huán)境以及算例驗證結果分別進行闡述．

5.1?算例網絡

本文針對真實的英國11,kV配電網絡進行算例分析，該算例包含2條饋線、2個分布式電源以及3組OLTC．算例網絡拓撲結構如圖8所示，各項參數(shù)如表1所述．為驗證主動控制策略可提高分布式電源滲透率，本案例分析將分布式電源有功出力增加至2倍．

圖8?算例網絡

表1?算例網絡數(shù)據(jù)

Tab.1?Data of the case study network

5.2?運行環(huán)境

本文所設計系統(tǒng)利用潮流計算軟件[10]IPSA＋模擬電力系統(tǒng)的量測數(shù)據(jù)，對網絡中各節(jié)點電壓進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互：將IPSA＋中的潮流參數(shù)傳輸給CBR以及CS，并根據(jù)下達的控制命令修改IPSA＋模型中的設備參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)控制．系統(tǒng)運行環(huán)境如圖9所示．

圖9?運行環(huán)境示意

5.3?算例分析

5.3.1?獨立電壓控制

為更全面深入地發(fā)現(xiàn)網絡電壓問題，廣泛驗證主動電壓控制策略，電壓約束被縮小到±3%,的范圍內．將預先設定的負荷以及分布式發(fā)電出力數(shù)據(jù)導入網絡模型并進行潮流計算以模擬網絡實時運行，并對各母線電壓線路潮流進行監(jiān)測．當系統(tǒng)運行至第17秒時，發(fā)現(xiàn)母線BB2出現(xiàn)電壓越限問題，系統(tǒng)持續(xù)觀察5,s后，發(fā)現(xiàn)電壓越限問題持續(xù)存在，即啟動CBR系統(tǒng)，并檢索出5種相似度最高的電壓控制策略．具體電壓控制策略以及相應的相似度系數(shù)、電壓成本、功率成本、在線驗證指標以及最終綜合評分如表2所示，其中控制策略3被選擇為最終閉環(huán)控制策略．電壓幅值變化如圖10所示，具體控制步驟如圖11和圖12所示，包括DG1及DG2有功功率定值控制以及OLTC分接頭控制．經過控制策略3的一系列控制手段，母線BB2電壓被有效控制在電壓限值內．

表2?CBR檢索出的電壓控制策略及其相應成本核算

Tab.2 Voltage control solutions with corresponding op-erating costs retrieved from the CBR system

圖10?母線BB2電壓幅值變化曲線(包含電壓越限)

圖11?DG1及DG2有功功率定值控制及其有功功率輸出

圖12?變壓器分接頭定值控制及其實際位置(獨立控制)

5.3.2?獨立潮流控制

文中分布式電源出力以及可控負荷作為CS的變量，其值域范圍為{0，0.2，0.5，0.8，1.0}，各個分布式電源以及可控負荷調節(jié)裕度以及LIFO原則作為CS的約束條件．本測試中，網絡監(jiān)測系統(tǒng)在系統(tǒng)運行到40,s時識別到線路1潮流越限問題，系統(tǒng)持續(xù)觀察5,s，潮流越限問題仍然存在，CS系統(tǒng)隨即根據(jù)網絡參數(shù)進行計算，并遵循LIFO原則，DG1出力削減80%,，而DG2出力削減20%,，經過在線驗證，該策略能有效地約束線路潮流并不會引發(fā)電壓越限的問題．DG有功定值控制信號以及線路控制前、后潮流如圖13所示．

圖13?線路1有無控制潮流曲線

5.3.3?電壓潮流聯(lián)合控制

在正常運行條件下，饋線2中母線BB3于27,s時出現(xiàn)電壓低于電壓限值情況，由于饋線2中不包分布式電源，因此CBR所檢索出的電壓控制策略為下調分接頭位置以提高節(jié)點電壓．系統(tǒng)運行至56,s時，OLTC完成下調分接頭控制后，監(jiān)測系統(tǒng)識別線路2出現(xiàn)潮流越限，系統(tǒng)隨即向控制中心發(fā)送仲裁請求1次．CS系統(tǒng)根據(jù)網絡參數(shù)進行計算，并于61,s時給出控制方案，即調低分布式電源DG1和DG2出力至40%,和80%,．當分布式電源出力削減后，母線BB3電壓于67,s時再次出現(xiàn)低于限值的情況，系統(tǒng)隨即再次向控制中心發(fā)送仲裁請求1次．系統(tǒng)持續(xù)觀測母線BB3處電壓10,s，此時電壓持續(xù)上升并返回正常值，因此CBR并未被啟動．圖14～圖16展示了整個控制過程，圖14為仿真過程中電壓幅值變化，圖15為變壓器分接頭定值控制及其實際位置，圖16為線路2有無控制潮流曲線．

圖14?包含2次電壓越限現(xiàn)象的母線BB3電壓幅值

圖15?變壓器分接頭定值控制及其實際位置(聯(lián)合控制)

圖16?線路2有無控制潮流曲線

6?結?語

配電網正常運行情況下，電壓以及潮流變化受分布式電源出力以及負荷波動影響較大，采用主動控制策略，利用網絡可控資源對電壓以及潮流進行有效管理，可提高分布式電源滲透率，避免不必要的設備升級改造．本文針對電壓和潮流在未來主動配電網環(huán)境下的波動問題，提出案例推理以及約束滿足方法，對節(jié)點電壓以及線路潮流進行聯(lián)合控制．其中案例推理方法采用在線與離線相結合的思路，有效控制電壓的同時不斷訓練案例庫，使之更適應于該網絡的實際運行情況．約束滿足方法在滿足主動潮流管理中多重約束的條件下，采用在線搜索的方式為可控資源分配值域范圍內的賦值．基于以上兩種控制方法，聯(lián)合控制策略在有效約束節(jié)點電壓與線路潮流的同時，考慮運行成本優(yōu)化，為實現(xiàn)配電網全局優(yōu)化提供解決方案．

［1］ 王成山，聶?聳，徐瑞林，等，分布式電源接入對配電網絡重構影響分析[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術版，2014，47(3)：189-194.

Wang Chengshan，Nie Song，Xu Ruilin，et al. Analysis on the impact of DG on distribution network reconfiguration[J].：，2014，47(3)：189-194(in Chinese).

［2］ 范明天，張祖平，蘇傲雪，等. 主動配電系統(tǒng)可行技術的研究[J]. 中國電機工程學報，2013，36(22)：12-18.

Fan Mingtian，Zhang Zuping，Su Aoxue，et al. Enabling technologies for active distribution systems[J].，2013，36(22)：12-18(in Chinese).

［3］ Nguyen P，Kling W. Distributed state estimation for multi-agent based active distribution networks[C]// 2010USA，2010：1-7.

［4］ Scottish and Southern Energy. The Orkney Smart Grid [EB/OL]. http://www.ssepd.co.uk/OrkneySmartGrid/ Knowledge-Sharing/Events/OrkneyEventMaterial/，2015-02-25.

［5］ Collins M，Silversides R，Green T. Control and coordination of a distribution network via decentralised decision making[C]//. USA，2013：1-7.

［6］ Taylor P，Xu T，Wade N，et al. Distributed voltage control in AuRA-NMS [C]//. USA，2010：1-7.

［7］ Jupe S，Taylor P C. Distributed generation output control for network power flow management[J].，2009，3(4)：371-386.

［8］ Vovos P N，Kirprakis A E，Wallace A R，et al. Centralised and distributed voltage control：Impact on distributed generation penetration[J].，2007，22(1)：476-482.

［9］ Xu T，Wade N S，Davidson E M，et al，Case-based reasoning for coordinated voltage control on distribution networks[J].，2011，81(12)：2088-2098.

［10］ IPSA+Power[EB/OL]. http：//www. ipsa-power. com，2015-02-25.

(責任編輯：孫立華)

Voltage and Power Flow Collaborative Control of Active Distribution Networks Considering the Operating Costs

Xu Tao1，Wang Chengshan1，Wang Xiaoxue1，Guo Lingxu2，Zhai Xiaolei2，Han Liu3，Peng Zhuyi3

(1．Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China；2．State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；3．State Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China)

An integrated voltage and power flow management scheme considering the cost of operation was designed in this paper to solve the voltage and thermal variations caused by the integration of distributed generation(DG)．The voltage and thermal control strategies and interactions are also investigated．Case studies were carried out to verify the effectiveness and suitability of the proposed case-based reasoning and constrained satisfaction integrated approach．The simulation results show that the integrated approach can control the voltage and thermal effectively while maximizing the access of DG and minimizing the cost of operation，hence optimizing the performance of the system as a whole.

active distribution network；voltage control；power flow management；distributed generation；cost of operation

10.11784/tdxbz201504086

TM714.2

A

0493-2137(2016)11-1167-08

2015-05-01；

2015-11-19.

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAA01B03)；國家自然科學基金資助項目(51307118)．

徐?弢（1979—??），女，博士，講師.

徐?弢，taoxu2011@tju.edu.cn.

2016-01-22.

http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20160122.1029.002.html.