主動配電網(wǎng)文獻綜述.doc

主動配電網(wǎng)文獻綜述摘要：分布式電源( distributed generation, DG)和電動汽車的大量接入、智能家居的普及、需求側(cè)響應(yīng)的全面實施等顯著增強了配電系統(tǒng)規(guī)劃與運行的復(fù)雜性，同時，未來的配電網(wǎng)對規(guī)劃與運行的優(yōu)化策略提出了更高的要求。作為未來配電網(wǎng)的一種發(fā)展模式，主動配電網(wǎng)( active distribution network, ADN)開始受到人們的關(guān)注。本文主要探討總結(jié)了主動配電網(wǎng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，主動配網(wǎng)網(wǎng)工作原理，主動配電網(wǎng)的運行方式、標準、對應(yīng)的國內(nèi)外指標及計算方法以及主動配電網(wǎng)的算法研究。關(guān)鍵詞：主動配電網(wǎng)，分布式發(fā)電，潮流算法，粒子群算法，混合算法- 5 -0 引言近年來，全球范圍內(nèi)氣候變暖及極端天氣事件日益頻發(fā)，嚴重威脅著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。在諸多因素中，人類過度排放溫室氣體被認為是導(dǎo)致全球氣候變化的重要原因1, 2。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，英國政府于2003年首次提出了低碳經(jīng)濟的發(fā)展理念。發(fā)展低碳電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是要形成穩(wěn)定的低碳電能供應(yīng)機制，其關(guān)鍵在于對可再生能源的有效開發(fā)與利用。對此，一種解決思路是從配用電環(huán)節(jié)入手， 建立協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)分布式可再生能源發(fā)電、配電網(wǎng)絡(luò)與終端用電的集成供電系統(tǒng)，實現(xiàn)對可再生能源的就地消納與利用。分布式配用電系統(tǒng)優(yōu)點有建設(shè)周期短、投資成本低、運行靈活，且抗風(fēng)險能力更強 3, 4。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，電力潮流一般由上端變電站單一流向負荷節(jié)點，其運行方式和規(guī)劃準則相對簡單。然而，分布式能源的規(guī)?；尤肱c應(yīng)用將對系統(tǒng)潮流分布、電壓水平、短路容量等原有電氣特性造成顯著影響。而傳統(tǒng)配電網(wǎng)在設(shè)計階段并未考慮上述因素，因此難以滿足低碳經(jīng)濟背景下高滲透率可再生能源發(fā)電接入與高效利用的要求。與主要關(guān)注用戶側(cè)的微電網(wǎng)（Micro-Grid, MG）不同，ADN 主要面向由電力企業(yè)管理的公共配電網(wǎng)。它是一種兼容電網(wǎng)、分布式發(fā)電及需求側(cè)管理等多類型技術(shù)的全新開放式配電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。ADN 的技術(shù)理念將系統(tǒng)運行中的信息價值及電網(wǎng)-用戶之間的互動能力提升至一個新高度，強調(diào)在整個配電網(wǎng)層面內(nèi)借助主動網(wǎng)絡(luò)管理（Active Network Management, ANM）實現(xiàn)對各類可再生能源的主動消納及多級協(xié)調(diào)利用，最終促進電能低碳化轉(zhuǎn)變及電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率的全方位提高5。本文將介紹主動配電網(wǎng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，主動配網(wǎng)網(wǎng)工作原理，主動配電網(wǎng)的運行方式、標準、對應(yīng)的國內(nèi)外指標及計算方法以及主動配電網(wǎng)的算法研究。1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀主動配電網(wǎng)（AND）是近幾年來才提出的新名詞。最早美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（CERTS）提出了“微網(wǎng)”的概念，微網(wǎng)是由微電源和負荷共同組成的系統(tǒng)，可同時提供電能和熱量，其組成結(jié)構(gòu)較ADN簡單，也可以說是ADN的一種特殊形式。1.1國外技術(shù)現(xiàn)狀目前對ADN的研究處于領(lǐng)先地位的主要有北美、歐盟和日本等。美國CERTS己在美國電力公司W(wǎng)alnut的微網(wǎng)測試基地成功驗證了微網(wǎng)的初步理論；歐盟推出了“Microgrids”和“More Microgrids”個主要項目，德國太陽能研究所建成的微網(wǎng)實驗室規(guī)模最大，容量達到200kVA，該研究所還在其實驗平臺設(shè)計安裝了簡單的能量管理系統(tǒng)；日本常規(guī)能源較為匿乏，在可再生能源幵發(fā)和利用上投入較大，已在國內(nèi)建立了多個微網(wǎng)項目，其微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的開發(fā)亦處于世界領(lǐng)先水平。截至2013年，歐盟開展了ADINE、ADDERSS、GRID4EU等代表性的ADN示范項目：ADINE項目主要以配電網(wǎng)絡(luò)對高滲透率DG的開放兼容為目標，重點研究內(nèi)容包括：智能配電自動化、ICT和ANM控制技術(shù)等。ADDRESS項目于2008年開始實施，歷時4年，重點研究智能配電網(wǎng)理念下以“主動需求（AD）”為核心的用戶側(cè)需求響應(yīng)技術(shù)。GRID4EU項目主要涉及智能配電網(wǎng)的規(guī)劃、運行及控制關(guān)鍵技術(shù)、標準制定，以及成本效益分析等方面內(nèi)容。1.2國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀我國對ADN的研究較其他國家相對落后，研究熱點主要集中在DG本身的控制以及DG規(guī)劃和運行等方面，對DG的并網(wǎng)技術(shù)標準和并網(wǎng)規(guī)程方面尚有欠缺，這極大地限制了分布式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和推廣。目前國內(nèi)在密切跟蹤主動配電網(wǎng)技術(shù)前沿的同時也在積極進行試點示范工程建設(shè)，2012年開展了863項目“主動配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用”研究，并在廣東電網(wǎng)進行示范。2014年起，“多源協(xié)同的主動配電網(wǎng)運行關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”分別在北京、福建、貴州開展研究與示范建設(shè)。2主動配電網(wǎng)工作原理根據(jù)CIGRE C6.11 的定義，ADN基本構(gòu)成模式如圖1 所示。圖中，各類DG（如風(fēng)電、光伏等）和儲能單元通過電力電子元件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的交流或直流模式，再經(jīng)過升壓變壓器并入系統(tǒng)；通信、自動化及其他相關(guān)電氣設(shè)備以適當?shù)倪B接方式實現(xiàn)與電力網(wǎng)的緊密集成；此外，用戶側(cè)配以智能電表為代表的先進計量裝置，用于實現(xiàn)對用電信息的實時采集及電網(wǎng)-用戶之間的雙向互操作。圖1 主動配電網(wǎng)的典型構(gòu)成模式ADN 技術(shù)的“主動性”特征主要體現(xiàn)在系統(tǒng)運行控制方式上。傳統(tǒng)配電網(wǎng)用電活動屬于“被動”要素，運行者通常不會對穩(wěn)態(tài)運行的電氣設(shè)備進行主動控制。而在ADN 下，通過先進的ICT 及自動化技術(shù)，可以對區(qū)域內(nèi)供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)資源實施主動管理，以實現(xiàn)系統(tǒng)特定運行目標（如網(wǎng)損、資產(chǎn)利用效率等）的最優(yōu)。ADN與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的差異見表一6。表一 AND與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的主要差異傳統(tǒng)配電網(wǎng)AND技術(shù)標準單一的動態(tài)的管理模式集中式分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定的靈活的潮流特性單向的雙向的模擬技算平均的精確的傳統(tǒng)配電網(wǎng)不具備提供差異化供電服務(wù)的能力，因此相關(guān)技術(shù)標準單一；ICT 等高級智能技術(shù)的引入使得ADN的運行狀態(tài)靈活可變，能夠滿足定制電力要求，其對應(yīng)的技術(shù)標準是動態(tài)多元的。在管理模式上，基于智能通信平臺， ADN 可實現(xiàn)對需求側(cè)資源的整合及對系統(tǒng)資產(chǎn)的分散式管理。此外， ADN 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加靈活，具有有源、網(wǎng)狀、并網(wǎng)方式可選等新特點，并由此造成系統(tǒng)潮流特性由單向固定向著雙向不確定方向的巨大轉(zhuǎn)變。在模擬計算方面，傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般只需對典型系統(tǒng)斷面進行確定性模擬即可滿足規(guī)劃或運行任務(wù)的基本要求，而ADN則需采取分布并行式的建模方法，細致考慮時間窗口內(nèi)的各類不確定因素，實施精確化的運行模擬。3 主動配電網(wǎng)的運行方式、標準、對應(yīng)的國內(nèi)外指標及計算方法3.1 集中式圖2為集中式控制的示意圖，由各測量點測得的電壓、潮流和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)均上送到配電網(wǎng)中央控制器，中央控制器通過對各個DG分配有功和無功指令以及對其他設(shè)備發(fā)送命令來協(xié)調(diào)控制配電網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，并能夠?qū)⑴潆娋W(wǎng)的電壓和頻率保持在合理的范圍內(nèi)。圖中：PEDG表示逆變器接口的DG；PEC表示電力電子變換裝置；LC表示本地控制器；ESS表示儲能系統(tǒng)。文獻7提出了一種基于統(tǒng)計學(xué)原理的狀態(tài)估計算法，用來估算各節(jié)點的電壓，并據(jù)此設(shè)置系統(tǒng)中的繼電器和調(diào)整DG的出力來控制系統(tǒng)中電壓的分布。但是集中式控制方式也有其不足之處，文獻8對此進行了分析并總結(jié)以下結(jié)論：可靠性較差，若中央控制器出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)將會崩潰；送往中央控制器的數(shù)據(jù)量較大，可能在短時間內(nèi)大量增加，超出控制器處理能力；集中控制方式在通信和數(shù)據(jù)處理方面投資會較高；若要對控制算法進行調(diào)整，即使是微調(diào)也需要進行大量的測試工作；對中央控制器進行維護時，需要關(guān)停整個系統(tǒng)。圖2 集中式控制的示意圖3.2 分散式為了遵循DG及負荷本身的分散特性，一些研究者提出分散式控制方式，見圖3。該方式中配電網(wǎng)中的設(shè)備數(shù)量不受限制，本地控制器通過分析本地采集的數(shù)據(jù)與相鄰設(shè)備送來的信息發(fā)出控制指令9。文獻10利用負載抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)和線路電壓降補償器相互配合，控制安裝了DG的饋線電壓，且控制效果與饋線參數(shù)、結(jié)構(gòu)與連接點位置有關(guān)。文獻11提出了一種分散控制大型配電網(wǎng)的方法，即首先根據(jù)靈敏度矩陣分解法將配電網(wǎng)絡(luò)分割成許多規(guī)模較小的子網(wǎng)絡(luò)，然后在每個子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，各個設(shè)備相互協(xié)調(diào)來維持各節(jié)點電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。文獻12從配電網(wǎng)允許注入容量和損耗方面對集中控制方式和分散控制方式進行了比較，結(jié)論顯示在不引起過壓的前提下，兩種方式在提高DG滲透率方面能力不相上下，且兩種方式都會大幅增加線路上的有功損耗。圖3 分散式控制方式示意圖3.3 混合分層式相對于集中式和分散式來說，混合分層式管理是一種更為實用的配電網(wǎng)管理方式，如圖4所示。它采用多層式結(jié)構(gòu)，包含了集中式和分散式框架的特點，并包含數(shù)個管理控制層，其中最上層為能量優(yōu)化管理層，該層的控制器通過收集下層傳遞的信息以實現(xiàn)對配電網(wǎng)監(jiān)控、操作和管理；中間層的控制器則依據(jù)上層發(fā)布的命令，結(jié)合事先定義的函數(shù)，計算出最優(yōu)的參數(shù)并發(fā)布給底層控制器；最后，底層控制器利用此參數(shù)來控制網(wǎng)絡(luò)中的具體設(shè)備，從而完成對配電網(wǎng)的管理和控制13。文獻14提出了一種具有通用性的微網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)，從上到下依次為第3層、第2層、第1層和內(nèi)部層，這種針對微網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)可以推廣到包含有微網(wǎng)的ADN中。圖4 混合分層式管理示意圖4 主動配電網(wǎng)的算法研究4.1 通用潮流算法配電網(wǎng)的支路電抗和電阻參數(shù)相差不大，電纜線路還具有電阻大于電抗、充電電容較大的特點。與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)支路數(shù)和節(jié)點數(shù)龐大?；谂ｎD法的配電網(wǎng)潮流算法需要進行大量矩陣運算，運算效率低，且由于雅可比矩陣不能解耦、不易收斂，因此處理PV節(jié)點比較復(fù)雜；前推回代算法具有算法簡單、易實現(xiàn)的特點，但處理環(huán)網(wǎng)能力不足，基于疊加原理或回路電流法的改進前推回代法能處理弱環(huán)配電網(wǎng)，但需要計算回路阻抗或回路阻抗矩陣，當同時有含PV型DG時，迭代過程為兩層迭代，失去了運算速度的優(yōu)勢。本節(jié)提出基于Zbus法的主動配電網(wǎng)通用潮流算法，利用稀疏矩陣技術(shù)處理節(jié)點導(dǎo)納矩陣，加快了運算速度，能進行含各種DG、各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下配電網(wǎng)的潮流計算。潮流計算通用方法流程如下：（1）讀取原始數(shù)據(jù)，求取全網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣和PV節(jié)點靈敏度電抗矩陣；（2）計算饋線節(jié)點作用下節(jié)點電壓。設(shè)PV節(jié)點電壓目標值為U0；初始化PV節(jié)點無功出力QPV為（Qmax+Qmin）/2（Qmax和Qmin為PV型DG無功出力上限和下限）；（3）計算節(jié)點（PQ、PV和PI節(jié)點）注入電流作用下節(jié)點電壓；（4）由疊加原理得節(jié)點電壓： ；（5）由式（1）修正PV 節(jié)點無功出力QPVQPV+Q校驗QPV是否越限，重新計算PV節(jié)點靈敏度電抗矩陣； (1)（6）檢驗迭代收斂條件：所有節(jié)點，無功不越限PV節(jié)點，無功越限PV節(jié)點無功出力為Qmax或Qmin。如滿足收斂條件則進入步驟7，否則轉(zhuǎn)入步驟3；（7）計算結(jié)束，輸出結(jié)果。4.2 自適應(yīng)粒子群算法粒子群優(yōu)化算法（particle swarm optimization, PSO）是一種基于種群搜索的自適應(yīng)進化計算技術(shù)，該算法概念簡明!實現(xiàn)方便、參數(shù)設(shè)置少，適合解決連續(xù)優(yōu)化和多點搜索的問題。算法流程：（1）輸入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)：網(wǎng)絡(luò)的初始結(jié)構(gòu)，各支路阻抗，各節(jié)點負荷，各DERs 單元的參數(shù)等；（2）初始化粒子群：隨機形成初始粒子種群，并計算各粒子的適應(yīng)度值，置迭代次數(shù) G=1；（3）判斷適應(yīng)度值的變化，根據(jù)自適應(yīng)慣性權(quán)重計算公式更新粒子群的慣性因子；（4）根據(jù)速度位置更新公式更新粒子群的速度和位置，并計算各粒子的適應(yīng)度值；（5）進行終止條件判斷，若迭代代數(shù)G大于最大迭代代數(shù)，計算結(jié)束，輸出結(jié)果; 否則G=G+1轉(zhuǎn)至步驟（3）。4.3 KruskalF遺傳混合算法Kmskal算法于19世紀60年代提出，是一種用于尋找加權(quán)連通圖中最小生成樹的算法，其核心思想是貪婪準則的集中體現(xiàn),其時間復(fù)雜度只與邊的維數(shù)有關(guān)，通過對圖的邊進行訪問來尋找稀疏圖的最小生成樹。將改進后的Kmskal算法與破圏法相融合,經(jīng)過不斷迭代并實時修正線路綜合費用，進而實現(xiàn)網(wǎng)架規(guī)劃并同時完成線路選型的工作，具體步驟如下：（1）取定一種線路型號(如LGJ-150),以此為基準求取各可能架設(shè)線路的支路建設(shè)費用,作為各支路的初始權(quán)值；（2）采用Kruskal算法，求取最小初始造價的輻射性網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；（3）通過潮流計算得出各支路電流初始值，并通過可選線路的經(jīng)濟電流密度選擇各線路型號；（4）修訂線路參數(shù),重新計算配電網(wǎng)潮流,求取各支路功率損耗,并結(jié)合各線路的建設(shè)費用重新修訂各線路權(quán)值。即 (2)式中，Lossi為支路i的運行費用；Ii為支路i的電流；為電價，元/（kw/h）；為電阻率；Lit為規(guī)劃期限；i為導(dǎo)線截面積；（5）檢驗當前網(wǎng)架以外其他可行線路的初始權(quán)值集合中是否存在小于當前拓撲結(jié)構(gòu)中所有線路權(quán)值的支路。若不存在，結(jié)束規(guī)劃，當前拓撲即為最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；否則，將所有滿足條件的支路按權(quán)值大小存入堆棧line1中；（6）將堆棧linel首端支路添加到當前網(wǎng)架,檢驗當前網(wǎng)架環(huán)路中的支路權(quán)值，將該環(huán)路中其他支路按權(quán)值從大到小的順序加入到堆棧line2；（7）由line2首端取出一條支路并從拓撲中刪除,從而構(gòu)成新的拓撲結(jié)構(gòu)；（8）重新進行該網(wǎng)架下的潮流計算，調(diào)整各支路的建設(shè)費用和運行費用，計算各支路權(quán)值。判斷該網(wǎng)架下的總建設(shè)運行費用是否優(yōu)化，若是，則更新拓撲結(jié)構(gòu)，清空堆棧linel、line2，并返回（5）；否則判斷l(xiāng)ine2是否已空。若不是，則返回（7）；反之，判斷l(xiāng)inel是否已空。若是，結(jié)束規(guī)劃，輸出最優(yōu)網(wǎng)架；否則返回（6）。參考文獻1 DARA, Climate Vulnerability Monitor EB/OL. 2ndEdition /wp-ontent/uploads/2012/10/CVM2-Low.pdf, 2013,11,5.2 Secretary of State for Trade and Industry, Great Britain. 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