高 松,趙靜波

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京 210024;2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 210000)

實(shí)現(xiàn)新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料發(fā)電應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、環(huán)境污染已成為電力行業(yè)主旨。最近,分布式可再生能源發(fā)電發(fā)展迅速,風(fēng)光等清潔能源分布式電源在配電網(wǎng)滲透率越來(lái)越高已成為必然趨勢(shì),分布式電源的隨機(jī)性、波動(dòng)性,以及配電網(wǎng)日漸復(fù)雜的多靈活性可控資源使得主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制變得極其復(fù)雜,為了降低主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制的控制維度和控制難度,將含大量分布式電源、柔性負(fù)荷、儲(chǔ)能等靈活性可控資源的配電網(wǎng)進(jìn)行虛擬網(wǎng)格劃分,形成網(wǎng)格內(nèi)本地控制,網(wǎng)格間協(xié)調(diào)交互控制的控制格局,從而把一個(gè)復(fù)雜度和維度較高的配電網(wǎng)運(yùn)行控制問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單且維度較低的網(wǎng)格分區(qū)小系統(tǒng)運(yùn)行控制問(wèn)題,同時(shí)可以促進(jìn)風(fēng)光等可再生能源就地消納,提高風(fēng)光利用率,而且配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),網(wǎng)格離網(wǎng)運(yùn)行且能保證必要的供電質(zhì)量這種網(wǎng)格內(nèi)自治-網(wǎng)格間協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)控制策略已成為當(dāng)下重要議題。

目前已有學(xué)者針對(duì)配電網(wǎng)分布式電源的虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分方法展開了研究,其中最傳統(tǒng)分區(qū)劃分只考慮了地理位置變量[1,2],而對(duì)于分區(qū)的電氣變量指標(biāo)考慮較少。對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)中風(fēng)電集群的分區(qū)劃分的國(guó)內(nèi)外研究也居多。文獻(xiàn)[7,8]提出了高比例風(fēng)機(jī)滲透率下的配電網(wǎng)的聚類下分算法,基于快速增量算法加快了風(fēng)機(jī)集群劃分的計(jì)算效率;文獻(xiàn)[9-11]將環(huán)境因素對(duì)風(fēng)力發(fā)電的影響作為風(fēng)電集群分區(qū)指標(biāo),基于改進(jìn)的模糊均值集群劃分算法對(duì)風(fēng)電集群配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū),其劃分方法只針對(duì)含風(fēng)電集群的配電網(wǎng)系統(tǒng),并未擴(kuò)展至多類型分布式電源,對(duì)現(xiàn)在的多靈活性資源配電網(wǎng)系統(tǒng)分析帶來(lái)局限性;文獻(xiàn)[12]提出了一種“集群自律-群間協(xié)調(diào)-輸配協(xié)同”的主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理與運(yùn)行調(diào)控的體系結(jié)構(gòu),給出了一種主動(dòng)配電網(wǎng)與DG集群之間的協(xié)調(diào)控制架構(gòu)。文獻(xiàn)[13-16]則考慮了含儲(chǔ)能、分布式電源等多靈活性資源的配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃、優(yōu)化資源配置方案,以及計(jì)及負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)等多類型可控柔性資源的配電網(wǎng)優(yōu)化分區(qū)策略。文獻(xiàn)[17]提出一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的聚類集群劃分方法,對(duì)大范圍分布式光伏集群進(jìn)行了分區(qū)劃分,但該方法只針對(duì)了太陽(yáng)能光伏一種分布式能源,未對(duì)多種分布式能源同時(shí)接入的分布式發(fā)電集群情況進(jìn)行分析。上述文獻(xiàn)研究的對(duì)象較為單一,均未能綜合考慮風(fēng)機(jī)、光伏電站、微型燃?xì)廨?、燃料電池等各種類型的分布式電源、儲(chǔ)能以及負(fù)荷需求響應(yīng)同時(shí)接入的電網(wǎng)的情況,因此當(dāng)下研究相應(yīng)的含分布式電源、儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷的多靈活性資源配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分理論和方法相對(duì)較少。

綜上所述,本文綜合考慮配電網(wǎng)中分布式電源節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷需求響應(yīng)節(jié)點(diǎn),計(jì)及虛擬網(wǎng)格綜合劃分成本,兼顧虛擬網(wǎng)格供電率、虛擬網(wǎng)格間功率交互以及虛擬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)控制維度,建立虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分目標(biāo)函數(shù)模型,提出虛擬網(wǎng)格劃分策略。虛擬化網(wǎng)格劃分方法可以降低控制維度和復(fù)雜度,有助于促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃及運(yùn)行。提升源網(wǎng)荷儲(chǔ)整體控制效率,同時(shí)提高虛擬網(wǎng)格化運(yùn)行的協(xié)同性及自治性,挖掘分布式能源就地消納潛能,提高新能源消納率。

1 虛擬網(wǎng)格內(nèi)多元靈活性資源

1.1 負(fù)荷需求響應(yīng)模型

在新能源大力發(fā)展的新電力系統(tǒng)中,為了節(jié)約負(fù)荷端用電量、配合平抑風(fēng)光等新能源發(fā)電出力間歇性、波動(dòng)性提高可再生能源利用率,通過(guò)政策、激勵(lì)性措施以及負(fù)荷聚合式集中管理對(duì)負(fù)荷側(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)和治理成為主動(dòng)配電網(wǎng)管理的一種重要手段。需求響應(yīng)是需求側(cè)管理的重要組成部分,其主要內(nèi)容為：電力部門通過(guò)制定動(dòng)態(tài)電價(jià)措施以及電價(jià)激勵(lì)機(jī)制引導(dǎo)改變用戶電力消費(fèi)習(xí)慣,達(dá)到負(fù)荷移峰填谷的目的,以減緩峰谷期源荷不匹配帶來(lái)配電網(wǎng)壓力以及棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)主要調(diào)節(jié)政策如圖1所示。負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部資源主要為電動(dòng)汽車、溫控負(fù)荷、可調(diào)節(jié)高載能負(fù)荷等,其控制架構(gòu)如圖2所示。

圖1 負(fù)荷需求響應(yīng)類型

圖2 負(fù)荷需求響應(yīng)控制架構(gòu)

負(fù)荷需求響應(yīng)模型采用電量-電價(jià)彈性系數(shù)進(jìn)行構(gòu)建。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,電價(jià)變化量與負(fù)荷變化量之間的關(guān)系由彈性系數(shù)εij表示為

(1)

實(shí)施價(jià)格型需求響應(yīng)后的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)變化量為

(2)

最終的價(jià)格型需求響應(yīng)數(shù)學(xué)模型可以表示為

(3)

式中：Pi為實(shí)施需求響應(yīng)后的i時(shí)刻的負(fù)荷。

電網(wǎng)面對(duì)需求響應(yīng)負(fù)荷的互動(dòng)成本與功率的關(guān)系為

(4)

1.2 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能電池對(duì)新能源分布式電源及負(fù)荷具有雙向響應(yīng)特性,對(duì)于功率平衡調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速,對(duì)新能源DG出力波動(dòng)平抑效果好,但其本身造價(jià)高昂且壽命不佳的缺點(diǎn)使其不能大規(guī)模應(yīng)用。儲(chǔ)能電池的功率平衡約束只需考慮充放電功率是否越限

-Pdis,i,max≤Pbat,i,t≤Pch,i,max

(5)

式中：Pch,i,max,Pdis,i,max,分別為節(jié)點(diǎn)i儲(chǔ)能電池的最大充放電功率,Pbat,i,t為t時(shí)刻的充放電功率。

儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)約束為

(6)

SOCi,t=Ei,t/Emax,i

(7)

SOCmin,i≤SOCt≤SOCmax,i

(8)

式中：Ei,t、E0、Emax分別為儲(chǔ)能電池的實(shí)時(shí)電量、初始電量、最大電量,ηch,i、ηdis,i分別為充放電效率,SOCi,t、SOCmax、SOCmin分別為實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)、荷電狀態(tài)最大、最小值。

1.3 虛擬網(wǎng)格架構(gòu)調(diào)整

分布式電源、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)增多以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模巨大,這導(dǎo)致配電網(wǎng)能量管理以及電壓控制決策變量增多,控制難度大大增加。因此,集中式配電網(wǎng)系統(tǒng)在當(dāng)下源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)調(diào)模式下會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題,需要對(duì)配電網(wǎng)依托各節(jié)點(diǎn)特性進(jìn)行分區(qū)劃分,以虛擬網(wǎng)格架構(gòu)形式實(shí)行區(qū)內(nèi)自治-區(qū)間協(xié)調(diào)的一種配電網(wǎng)控制策略。此外,隨著智能電網(wǎng)快速發(fā)展,運(yùn)行控制也越來(lái)越依賴于通信系統(tǒng)。合理的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于解決分布式發(fā)電集群的運(yùn)行效率控制難題。

綜上所述,本文充分依托負(fù)荷需求響應(yīng)節(jié)點(diǎn)、分布式電源節(jié)點(diǎn)以及儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)建立了一種配電網(wǎng)虛擬化網(wǎng)格分區(qū)劃分架構(gòu)如圖3所示。對(duì)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分的指標(biāo)主要體現(xiàn)為：(1)網(wǎng)格分區(qū)自治度,即網(wǎng)格供電率。這是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自治,提升風(fēng)光消納率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在;(2)網(wǎng)格分區(qū)劃分的成本,要保證虛擬網(wǎng)格劃分之后帶來(lái)的通信成本、負(fù)荷需求響應(yīng)成本、儲(chǔ)能成本較低;(3)網(wǎng)格間的功率互動(dòng),網(wǎng)格間交互的有功功率和無(wú)功功率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)影響網(wǎng)格的源荷匹配度與電壓波動(dòng);(4)控制維度,網(wǎng)格劃分可以將原來(lái)的高維度配電網(wǎng)控制轉(zhuǎn)化為多個(gè)低維度控制,減小控制難度。

圖3 虛擬化網(wǎng)格劃分架構(gòu)

虛擬網(wǎng)格架構(gòu)與虛擬網(wǎng)格的聯(lián)絡(luò)線有關(guān)。在電網(wǎng)中可以采取關(guān)聯(lián)矩陣描述電網(wǎng)中支路與各節(jié)點(diǎn)關(guān)系,為了體現(xiàn)虛擬網(wǎng)格聯(lián)絡(luò)線對(duì)虛擬網(wǎng)格劃分的影響,將虛擬網(wǎng)格聯(lián)絡(luò)線設(shè)為決策變量,不斷調(diào)整關(guān)聯(lián)矩陣獲取最終的虛擬網(wǎng)格。(1)首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)支路節(jié)點(diǎn)信息,記錄網(wǎng)絡(luò)連接情況,對(duì)于節(jié)點(diǎn)i,Aij=1,Aik=0,{?i∈E|j∈M,k∈N},其中E為網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點(diǎn)集合,M、N分別為與節(jié)點(diǎn)i的相鄰節(jié)點(diǎn)集合、不相鄰節(jié)點(diǎn)集合;(2)網(wǎng)絡(luò)虛擬網(wǎng)格劃分支路l分割,i、j為支路l的頭尾節(jié)點(diǎn),則Aij=0,記錄?l∈Q,Q為網(wǎng)格分區(qū)分割支路總集合;(3)對(duì)于不同網(wǎng)格劃分場(chǎng)景,形成特定的網(wǎng)格關(guān)聯(lián)矩陣。虛擬網(wǎng)格關(guān)聯(lián)矩陣行向量隨某一網(wǎng)格劃分方式而變更示例,如圖4所示。

圖4 關(guān)聯(lián)矩陣行向量變更示例

配電網(wǎng)虛擬化網(wǎng)格劃分架構(gòu)算法流程如圖5所示。(1)根據(jù)二階錐最優(yōu)潮流規(guī)劃獲得配電網(wǎng)潮流分布,初始化網(wǎng)格分區(qū)A0,獲取網(wǎng)格間聯(lián)絡(luò)線集合l={lpq|p,q∈H},H為網(wǎng)格分區(qū)集合;(2)由廣度優(yōu)先搜索算法,遍歷網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息,獲取網(wǎng)格劃分參數(shù){Pi,Qi,PDGi,QDGi,Vi,nodeq,mpq,Plpq,Qlpq,PBESSi,PDRi}等,其中nodeq,mpq分別為網(wǎng)格q通信決策節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及網(wǎng)格p、q間通信距離;(3)基于配電網(wǎng)潮流信息、通信交互、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)格劃分優(yōu)化模型構(gòu)建;(4)由YALMIP工具箱調(diào)用CPLEX對(duì)網(wǎng)格劃分優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解;(5)更新網(wǎng)格劃分場(chǎng)景At,如果At∈A,A為網(wǎng)格劃分場(chǎng)景集合,則跳轉(zhuǎn)至步驟2,否則輸出網(wǎng)格優(yōu)化分區(qū)結(jié)果。

圖5 虛擬化網(wǎng)格劃分程序流程圖

2 虛擬網(wǎng)格劃分模型

2.1 虛擬網(wǎng)格劃分目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 虛擬網(wǎng)格劃分成本

虛擬網(wǎng)格劃分的經(jīng)濟(jì)成本主要考慮網(wǎng)格間節(jié)點(diǎn)通信成本和需求響應(yīng)互動(dòng)成本。其中通信成本包括虛擬網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息傳輸線和配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制單元。

(9)

式中：O1為虛擬網(wǎng)格劃分經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)函數(shù);Pl為數(shù)據(jù)傳輸線的平均單價(jià),單位為元/公里;ncl為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格的總數(shù)量;dy為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格y的數(shù)據(jù)傳輸線路長(zhǎng)度;Pc為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制單元的平均單價(jià),單位為元/臺(tái),CDR為需求響應(yīng)負(fù)荷互動(dòng)成本。

2.1.2 虛擬網(wǎng)格供電率

配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格的供電率體現(xiàn)了網(wǎng)格內(nèi)有功電源網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)負(fù)荷支撐作用,是提高DG就地消納率的指標(biāo)之一。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)虛擬網(wǎng)格孤島運(yùn)行,可以保證配電網(wǎng)及虛擬網(wǎng)格安全穩(wěn)定運(yùn)行,在配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),網(wǎng)格內(nèi)DG對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的支撐作用可以促進(jìn)風(fēng)光就地消納,減少棄風(fēng)棄光,保證網(wǎng)格的供電質(zhì)量。因此在虛擬網(wǎng)格劃分時(shí)需要充分考慮網(wǎng)格的供電率。

建立配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格供電率函數(shù)g

(10)

網(wǎng)格供電率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致供電質(zhì)量下降,供電率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致資源分布不均,棄風(fēng)棄光資源浪費(fèi)等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此只有最接近參考設(shè)計(jì)值時(shí)電源分布最優(yōu),所以用絕對(duì)值約束,設(shè)置虛擬網(wǎng)格自制度指標(biāo)目標(biāo)函數(shù)O2

(11)

式中：pg為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格供電率參數(shù),將供電率指標(biāo)按網(wǎng)格劃分成本做標(biāo)準(zhǔn)化處理;ncl為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格的總數(shù)量;gy為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格q的供電率;gref為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格的供電率設(shè)計(jì)參考值。

2.1.3 配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格間功率交互

傳統(tǒng)配電網(wǎng)分區(qū)中一般只考慮到了有功功率,根據(jù)有功靈敏度構(gòu)造電氣距離作為分區(qū)劃分依據(jù)。無(wú)功功率對(duì)配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)有著重大影響,網(wǎng)格內(nèi)DG作為無(wú)功電源對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)起電壓支撐作用,以無(wú)功交互對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓支撐強(qiáng)度大小作為網(wǎng)格劃分優(yōu)化指標(biāo),同時(shí)根據(jù)網(wǎng)格劃分結(jié)果制定配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制方案,不僅能提高DG就地消納能力增大資源利用率,而且可以穩(wěn)定網(wǎng)格負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)率。潮流規(guī)劃以及計(jì)算,采用的模型為支路潮流方程模型,即對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)定節(jié)點(diǎn)編號(hào)、支路編號(hào)、支路正方向以及支路頭節(jié)點(diǎn)尾節(jié)點(diǎn),支路潮流可能為負(fù)值,影響優(yōu)化效果,所以用絕對(duì)值處理?；诖藰?gòu)建配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格間功率交互目標(biāo)函數(shù)O3

(12)

式中：PQ、PP分別為無(wú)功功率、有功功率互動(dòng)系數(shù),它們將有功、無(wú)功功率互動(dòng)指標(biāo)按照網(wǎng)格劃分成本做標(biāo)準(zhǔn)化處理;H為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格聯(lián)絡(luò)線集合;Plpq為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格間支路lpq的有功潮流;Qlpq為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格間支路lpq的無(wú)功潮流。

2.1.4 配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制維度

為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格的本地控制,將多節(jié)點(diǎn)、多控制變量的配電網(wǎng)分割成多個(gè)虛擬網(wǎng)格小系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格本地自治,基于此構(gòu)建配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制維度目標(biāo)函數(shù)O4

O4=pw*max(ny)y=1,2,…,Ny

(13)

式中：Pw為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制維度系數(shù),將配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格控制維度指標(biāo)按照網(wǎng)格劃分成本做標(biāo)準(zhǔn)化處理;ny為網(wǎng)格y的控制節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

基于上述虛擬網(wǎng)格劃分成本、網(wǎng)格供電率、網(wǎng)格間功率交互以及控制維度目標(biāo)函數(shù)的建立,最終的配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分目標(biāo)函數(shù)O為O1、O2、O3和O4的加權(quán)和為

minO=K1O1+K2O2+K3O3+K4O4

(14)

式中：K1為虛擬網(wǎng)格劃分成本指標(biāo)加權(quán)系數(shù);K2為虛擬網(wǎng)格供電率指標(biāo)加權(quán)系數(shù);K3為虛擬網(wǎng)格間功率交互指標(biāo)加權(quán)系數(shù);K4為控制維度指標(biāo)加權(quán)系數(shù)。

式(13)為虛擬網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)維數(shù)的最大值,其作為目標(biāo)函數(shù)處理過(guò)程如下。(1)首先獲取系統(tǒng)參數(shù)(節(jié)點(diǎn)支路編號(hào)、支路阻抗等),形成系統(tǒng)初始關(guān)聯(lián)矩陣A;(2)遍歷網(wǎng)格劃分結(jié)果,同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格支路切割Branch(1,：),以獲取網(wǎng)格劃分決策變量;(3)跟據(jù)網(wǎng)格劃分情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)矩陣變換;(4)網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)搜索,獲取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息等ren[1,：],n=1,2,…,n為網(wǎng)格編號(hào);(5)網(wǎng)格n控制維度決策變量保存hedn(1,：),n=1,2,3,4;(6)由YALMIP工具包創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)max(hed2(1,：));對(duì)于式(11)、(12)中的決策變量絕對(duì)值問(wèn)題則可通過(guò)YALMIP方便的調(diào)用abs()函數(shù)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù),并由CPLEX求解器求解。

2.2 配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分約束

配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分優(yōu)化規(guī)劃約束包括虛擬網(wǎng)格供電可靠性約束、電網(wǎng)潮流約束以及配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格運(yùn)行安全穩(wěn)定約束。

2.2.1 配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格供電可靠性約束

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作,配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格孤島運(yùn)行。為了保證虛擬網(wǎng)格關(guān)鍵負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電能供應(yīng)質(zhì)量,需要構(gòu)建配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格供電率下限約束

gy≥gmin

(15)

式中：gy為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格y的供電率;gmin為配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格供電率下限。

2.2.2 配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格電網(wǎng)潮流約束

配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格的潮流約束規(guī)劃由支路潮流方程描述

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2.3 配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格系統(tǒng)安全穩(wěn)定約束

vi,min≤vi≤vi,max?i∈N

(22)

Iij≤Iij,max?i,j∈R

(23)

式中：vi、vi,min、vi,max分別為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i電壓、電壓最小值、最大值,Iij,max為支路ij電流最大值。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

如圖6所示修改的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)作為算例分析,對(duì)所提配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分方法進(jìn)行驗(yàn)證,配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格資源安裝節(jié)點(diǎn)及其信息如表1～表4所示。

圖6 IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

表1 DG基本參數(shù)

表2 儲(chǔ)能基本參數(shù)

表3 價(jià)格型需求響應(yīng)負(fù)荷價(jià)格彈性系數(shù)

表4 分時(shí)電價(jià)

采用廣度優(yōu)先搜索算法遍歷虛擬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息,獲取虛擬網(wǎng)格劃分所需節(jié)點(diǎn)支路決策變量。依據(jù)虛擬網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)矩陣,設(shè)置虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分目標(biāo)函數(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 目標(biāo)函數(shù)參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

按照上述算例設(shè)置利用上述虛擬網(wǎng)格劃分方法對(duì)修改的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行虛擬網(wǎng)格劃分,各網(wǎng)格聯(lián)絡(luò)線支路編號(hào)為5、11、19、25。

各虛擬網(wǎng)格多元靈活資源整合情況如圖6所示。從圖6可看出,依據(jù)本文提出的虛擬網(wǎng)格劃分方法將修改的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)劃分為5個(gè)虛擬網(wǎng)格。從網(wǎng)格整合結(jié)果看出,5個(gè)虛擬網(wǎng)格都很好的把分布式電源、負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)、儲(chǔ)能進(jìn)行合理的整合劃分在一起,體現(xiàn)出虛擬網(wǎng)格更好的源荷匹配性,為配電網(wǎng)網(wǎng)格內(nèi)自治、網(wǎng)格間協(xié)調(diào)控制創(chuàng)造了更好的環(huán)境前提。

如圖7所示,虛擬網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量表示虛擬網(wǎng)格的控制維度,在網(wǎng)格劃分前,配電網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)數(shù)為33,如圖6所示經(jīng)過(guò)虛擬網(wǎng)格分區(qū)劃分后,5個(gè)虛擬網(wǎng)格的控制節(jié)點(diǎn)維度分別為9、3、6、7、8。經(jīng)過(guò)虛擬網(wǎng)格劃分,依據(jù)劃分結(jié)果實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)格本地控制,而不再是配電網(wǎng)33節(jié)點(diǎn)集中控制,如此5個(gè)低維度本地控制器對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理階數(shù)大大降低,計(jì)算速度大大提升,同時(shí)5個(gè)虛擬網(wǎng)格本地控制器協(xié)同交互,在減小控制難度的前提下實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)全面協(xié)同控制,有利于促進(jìn)配電網(wǎng)分布式電源風(fēng)光消納率,也有利于配電網(wǎng)潮流分布控制、電能質(zhì)量控制。

圖7 虛擬網(wǎng)格劃分結(jié)果

網(wǎng)格間的有功互動(dòng)如圖8(a)所示,可見各網(wǎng)格之間的功率交互較配電網(wǎng)總用電需求來(lái)說(shuō)占比較小,滿足網(wǎng)格內(nèi)電源對(duì)網(wǎng)格負(fù)荷的有功支撐作用。各網(wǎng)格間的無(wú)功互動(dòng)對(duì)各網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定有著較大的影響,圖8(b)為網(wǎng)格劃分后,網(wǎng)格間的無(wú)功交互以及典型中樞點(diǎn)電壓波動(dòng)情況,劃分后各網(wǎng)格內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定分布在額定電壓左右。滿足網(wǎng)格無(wú)功功率交互指標(biāo)要求以及網(wǎng)格無(wú)功電源對(duì)網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)的電壓支撐作用。

圖8 網(wǎng)格間的互動(dòng)

各虛擬網(wǎng)格供電率以及控制維度,如圖9(a)所示,各個(gè)虛擬網(wǎng)格供電率分別為100%、94.86%、80.64%、81.29%、91.75%,圖9(b)為不含負(fù)荷需求響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)格供電率,各網(wǎng)格供電率分別為100%、91.45%、79.48%、76.16%、74.46%,網(wǎng)格供電率明顯低于含負(fù)荷需求響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)網(wǎng)格,說(shuō)明通過(guò)在虛擬網(wǎng)格中需求響應(yīng)負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用以及儲(chǔ)能的支撐作用,使得虛擬網(wǎng)格的功率隨時(shí)都可保持平衡,減少了分布式資源的浪費(fèi),提高了分布式電源的消納,同時(shí)也使虛擬網(wǎng)格具有一定的抗干擾能力。

圖9 虛擬網(wǎng)格供電率

4 結(jié)論

首先基于需求側(cè)響應(yīng)構(gòu)建了負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率-電價(jià)模型、儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)模型,在多靈活性資源配電網(wǎng)背景下提出了一種配電網(wǎng)虛擬網(wǎng)格架構(gòu)調(diào)整方法。提出全面兼顧分布式電源消納、負(fù)荷需求響應(yīng)、儲(chǔ)能支撐及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘣獏f(xié)同的配電網(wǎng)虛擬化網(wǎng)格劃分方法。并充分考慮配電網(wǎng)虛擬化網(wǎng)格劃分綜合成本、網(wǎng)格供電率、網(wǎng)格間功率交互以及控制維度,建立配電網(wǎng)虛擬化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型。最后,以IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,該方法,將配電網(wǎng)的控制維度由33轉(zhuǎn)換為5個(gè)低維度虛擬網(wǎng)格,降低了控制難度。同時(shí),各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部供電率均能很好的滿足預(yù)期目標(biāo),可以較好地實(shí)現(xiàn)分布式電源“就地自治”,實(shí)現(xiàn)分布式能源與電網(wǎng)友好協(xié)調(diào)及高效消納,并兼顧了虛擬化網(wǎng)格劃分的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。