柔性互联配电网运行调度研究综述

2022-07-04袁旭峰邹晓松钟九牧徐玉韬谈竹奎

智慧电力 2022年6期

蔡欢，袁旭峰，熊炜，邹晓松，钟九牧，徐玉韬，谈竹奎

（1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025；2.贵州电网有限公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002）

0 引言

随着“双碳”目标的提出，我国能源结构转型的局面逐步扩大，这也意味着我国将加快以电力为主的能源消费替代过程[1-3]。当前，新型电力系统发展迅猛，多元源-荷-储设备的接入使得整个电力系统结构日趋复杂。配电网处在电力网络的末端，靠近用户侧，与人们的生产生活密切联系，是源网荷储互动的重要核心纽带。在新型电力系统发展的背景下，配电网面临的挑战也主要来自源网荷储互动的过程。传统的配电网“闭环设计，开环运行”，通过交流电网使得能量单向传递，其结构不灵活，调控手段有限。由于新能源发电技术的提升，更高比例的新能源广泛接入电网，潮流流向日益复杂，电能质量及设备安全运行状态有待改善，同时新能源出力的不确定性以及波动性极大影响了电网的运行调度。与此同时，电力电子设备的应用使得电网不再是原来的单一交流电网，未来电网将呈现出交直流紧密耦合、网架复杂、形态多样等显著特征[4-5]。此外，电力需求侧与电力生产、供应侧的协同交互更加频繁[6-7]，分布式储能、电动汽车的接入以及综合能源的转化供应增加了现有负荷的多样性和灵活性，现有的配电网拓扑及运行方式难以满足需求。这些变化都要求现有配电网能够在其拓扑结构以及运行优化技术上得到改善。

由于电力电子技术的不断发展，各类柔性智能装备逐步渗透于配电系统各层面，在电网运行上更具柔性，同时可实现配电网柔性互联，是上述问题的有效解决方法。文献[8]把这些能够进行配电网柔性互联的智能设备统一称为柔性互联装置（Flexible Interconnection Device，FID）。已有研究表明，基于FID 的柔性互联技术可以有效改善当前配电系统面临的各类问题，发展前景广阔。基于此，目前研究提出了柔性互联配电网这一概念。柔性互联配电网不仅有调度智能化的特点，还能充分利用互联装置优势，实现各区域能量互联互济，进一步提高了电网的灵活性与可靠性，在拓展性和成本上也处于优势地位。

配电网优化调度作为电网研究内容之一，现有文献多针对于交流配电网、微电网等对象，随着柔性互联配电网的提出，其优化调度研究需逐步深入，是未来配电网调度形式的重要组成部分，对配电网安全经济可靠运行具有重大意义。本文围绕柔性互联配电网展开阐述，介绍了几种典型的柔性互联装置及互联形式，对柔性互联配电网优化调度问题进行了分析归纳，最后做出总结与展望。

1 柔性互联配电网概念

在2017 年，天津大学肖峻教授将柔性互联配电网定义为能实现柔性闭环运行的配电网，其概念属于智能配电网的子集，旨在利用电力电子技术对电网一次系统进行升级，使部分关键节点或支路成为具有柔性闭环能力的柔性节点或柔性支路[9]。文献[2]则将柔性互联配电网概念进一步深化，是利用FID 将配电网中各条馈线、各个交/直流配电子网或微网（群）等进行连接，使得各配电子网或微电网能够在发挥自身优势的基础上实现各类“源荷储”设备的友好接入，并在各资源间实现智能调度，达到潮流控制、功率优化、能量互济、协同保护等功能。

目前，柔性互联配电网在分布式电源消纳[10-11]、电能质量改善[12]、馈线平衡[13-14]、网络降损[15-16]及故障快速隔离恢复[17-18]等方面对比传统配电网显得更具优势，且已有落地的工程实际项目，不再局限于理论研究。文献[8]对近年来各示范工程做出了总结，其实际应用极大改善了现实电网的运行状况。一个典型的柔性互联配电网结构如图1 所示。

图1 柔性互联配电网结构示意图Fig.1 Schematic diagram of flexible interconnected distribution network structure

2 柔性互联设备及组网形式

柔性互联配电网是基于柔性互联设备而提出的新型配电系统形态，其优点得益于FID 功能实现。目前针对柔性互联设备的研究广泛，本文选取几种典型的柔性互联设备作进一步分析，并展示其相关组网形式。

2.1 几种典型的柔性互联设备

2.1.1 智能软开关

智能软开关（Soft Open Point，SOP）是一种可替代配电网中开关设备的新型柔性一次设备，其没有常规开关设备动作次数的限制，能够对功率进行灵活调控，在馈线负载平衡、故障快速隔离及负荷及时转供等方面功能显著[19]。典型的SOP 结构是由双端背靠背电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）连接而成[20-21]，如下图2 所示。

图2 智能软开关基本结构图Fig.2 Basic structure diagram of soft open point

在现有研究中，许多专家学者提出了更多种类的SOP 结构以解决多馈线互联[22-24]、直流馈线互联[25]、空间时间能量转换调度[26-27]等场景下出现的问题。各种新型拓扑结构、调制方式以及材料的研究使用也在推进着装置朝着紧凑化、高功率密度化及低成本化应用与发展[28-32]。

2.1.2 电力电子变压器

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）[33]依靠功率器件、高频变压器以及控制技术来对不同的电能进行转换，是一种新型拓扑、控制灵活且智能的变压器[34]。除了具有常规工频交流变压器的功能，PET 体积更小、重量更轻，同时效率、热稳定性及绝缘特性增强[35-36]。典型的PET 结构如图3所示，输入、输出级一般为电压型换流器，中间的隔离级为双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）DC-DC变换器，可以满足维持输出直流母线电压以及实现功率双向流动的要求。

图3 典型PET结构示意Fig.3 Schematic of typical PET structure

现有研究表明，PET 在新能源并网、微电网接入、功率调控等方面具有良好性能。目前，随着拓扑研究的不断深入，其拓扑结构逐渐扩展，中间隔离级部分有了更多的设计应用，在柔性互联层面能够实现更多功能[37-39]。

2.1.3 能量路由器

能量路由器（Energy Router，ER）是一种新型变换器[40-42]，它也可以被视为一种特殊的多端口固态变压器，具有信息流和能量流高度集成的特点，还具有精确、连续、快速、灵活的控制方法[43]，是集成多元源荷储设备互联互动的开放式能量载体[44-46]。

在中低压配网中，级联型拓扑结构的能量路由器较为常用，其基本架构如图4 所示[47]。输入输出接口（Port）为各类电力电子变换器，提供交直流多电压等级接口以及功率流控制功能，同时级联拓扑下可预留接口进行结构扩展以及功能调整。内部直流环节作为各接口功率转移的交换结构。通信模块主要负责信息的交换处理，并监测各部分实时状态，控制中心则主要负责控制各可调设备的工作状态。

图4 级联型ER拓扑结构示意Fig.4 Schematic diagram of cascaded ER topology

2.1.4 智能功率/信息交换基站

文献[2]和文献[48]针对未来配电网“源网荷储”规范化配置式分布式微网群形态，提出了一种基于智能功率/信息交换基站（Smart Power/Information Exchange Station，SPIES）互联的蜂巢状有源配电网拓扑结构如图5 所示。相比于能量路由器，SPIES只在必要时进行功率调度，并且信息交互更广，还可进一步衍生出电力市场交易辅助平台功能，是一种面向未来配电网发展架构的新型互联设计。

图5 智能功率/信息交换基站结构示意图Fig.5 Schematic diagram of smart power/information exchange station

2.2 柔性互联组网形式

文献[49]总结了SOP 的几种应用场景，在高压配网变电站间应用，可解决常规交流联络线互联电磁环网问题，提升配电网供电能力；在中压馈线互联可取代开关设备功能，极大提升配电网控制灵活性与安全性；在低压末端形成互联或多端供给，可提升馈线电能质量并充分利用各线路输送容量裕度。值得注意的是，该柔性互联装置也可应用在不同供电区域互联。

相比于SOP 集中于网架内互联，PET 提供了交直流多电压等级的互联接口，在多电压等级配电网互联、各区域互联以及多元化负荷接入上极具优势，可作为网-荷-储互联交互的桥梁。

此外，ER 互联形式拥有更为全面而强大的能量与信息交互处理能力，可实现各类型及各电压等级源荷即插即用，能够在能源互联及综合能源系统能量转换中起到重要作用[50]，故其互联结构可成为源-网-荷-储友好互动的平台。以上各设备典型互联组网形式见图1，为研究较多的中压等级组网类型。

3 柔性互联配电网运行调度关键技术

3.1 传统配电网与柔性互联配电网对比

如表1 所示相比于传统配电网，柔性互联配电网兼具智能化，其优化调度增加了可实时灵活调控潮流的电力电子装置，其响应速度快、调节性能好、输出电能质量优，可综合改善配电网的电能质量、降低系统网损、提高供电可靠性[51]。此外，分布式电源可以被管理调控，部分负荷出现了可引导或可计划用电特征，各微网或直流电网也可通过柔性互联发挥其优势。总之，柔性互联配电网在调控资源和手段上多了更多选择，调度的对象和方式更加丰富，有利于系统自我调节以及源网荷储协同控制。

表1 传统配电网与柔性互联配电网对比分析Table 1 Comparative analysis of traditional distribution network and flexible interconnected distribution network

3.2 柔性互联配电网优化调度

现有研究表明，关于柔性互联配电网的能量优化调度方法主要借鉴传统交流配电网、微电网以及综合能源网络优化方法的研究成果。由于FID 可对功率进行实时调整，其响应时间可在秒级甚至毫秒级，故其调度时间尺度方面需进一步考虑，但“多时间级优化协调、逐时间级细化”的调度协调原则，同样也适用于柔性互联配电网调度工作。在各个时间尺度优化调度的配合方面，主要考虑日前优化、日内滚动优化以及实时优化之间的配合。同时，已有文献提出了柔性互联配电网时序优化模型[52-57]，可作为多时间尺度优化调度的基石。

在含SOP 及其相关拓扑结构的柔性互联配电网中，文献[58]中建立了含SOP 与电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的配电网多时间尺度优化调度模型，并通过蚁群算法和原对偶内点法证实了所提出的模型可有效降低系统损耗以及缓解电压越限问题。文献[59]立足于设备层级，提出了不同时间尺度的分层控制策略，可在实现系统最优能量调度的同时对各工作模态进行灵活切换。文献[60]提出一种基于改进模型预测控制的优化调度方法，能够降低源荷随机性对优化调度的影响并缓解电压越限。同样针对柔性互联配电网源荷不确定性问题，文献[61]利用多端SOP 与传统的调度调节设备，如有载调压器、电容器组相结合进行优化调度，所提方法能够在源荷不确定性情况下，解决柔性互联系统日前、日内两阶段的电压优化问题。文献[62]提出一种分区优化，同步并行求解的分布式优化调度方法，有利于大规模系统优化调度。文献[63]对高比例新能源接入问题进行研究，在日前日内调度层面分别提出相应模型及计算方法，证明了柔性互联在调度调控上具有的优势。文献[64]充分利用新结构的时空电能调节特性，实现了日前-日内-实时的多时间尺度电压优化调度以解决电压越限问题。

针对PET 参与的柔性互联系统，文献[65]利用PET 进行互联，考虑分布式能源出力的不确定性建立了基于机会约束规划的配电网日前优化模型，并采用蒙特卡洛和粒子群算法求解出日前优化调度方案，可为PET 参与调节的电网调度提供参考。文献[66]对PET 参与调节的配电网日前优化调度展开研究，验证了PET 在提高分布式能源消纳方面的优势。文献[67]将需求侧响应与PET 调控结合，提出一种日前优化调度方法，有利于“源-荷-储”协调运行。文献[68]提出一种基于矩不确定性的分布鲁棒优化方法，能够在PET 正常运行及维护检修时实现所属园区日前经济优化调度。

在能量路由器参与互联的配电网中，文献[69]提出了基于ER 的经济最优调度策略，可充分利用多元化负载的优势提高经济性。考虑“光-储-充”三种典型新型源荷，文献[46]提出了一种综合日前与日内时间尺度的用户侧能量路由器优化控制策略，搭建了仿真模型并进行算例验证，实现了各端口资源的合理规划调度。文献[47]构建了“源-网-储-荷”协同控制的混合微网拓扑，得到不同优化场景下可控资源的日前调度计划运行曲线，从而为能量路由器的智能调度决策提供解决方案。

考虑到未来柔性互联配电网发展形态，文献[70]对SPIES 互联构造的新型互联配电网蜂巢状有源配电网展开了优化调度研究，构造的模型及分布式优化方法可为未来微网群配电互联调度提供借鉴。

由上可见，柔性互联配电网的优化调度需要实现各柔性互联设备与其它多类型设备（如传统控制设备及源荷储新型调度设备）的多时间尺度协同调度。而这其中也需要考虑不确定性建模问题，虽然调度周期的精细化能够削减不确定性问题带来的部分影响，但考虑不确定性因素可进一步提高调度策略的鲁棒性。同时，在柔性互联配电网调度过程中需对多场景下优化目标进行选择，调度目标将不再局限于经济性，其调度会成为一种多目标的优化调度。

3.3 柔性互联配电网优化调度架构

在新型电力系统背景下，配电网的调度需实现“源网荷储”对象的协调。文献[71]阐述了“源-网-荷-储”优化协调调度技术在现阶段配电网新能源消纳、可靠及经济运行中起到的重要作用，并在技术层面进行了分析归纳和总结。

故针对于柔性互联配电网优化调度架构，“源网荷储”需作为主要对象，在区域规模及通信依赖上可划分为：集中式、分层式、分布式、就地式控制架构。就地控制式架构直接依据各可调资源控制器进行，功能易实现但缺少与其余设备的交互，对整体对象的调节能力受到极大限制。分布式架构各控制器只针对本地运行，仍然缺少与外部区域控制器的信息流通，控制区域受限。分层式架构可类比于集中-分散式控制形式，具有层级控制交互能力。集中式架构能够统一对应用场景对象进行协调统一控制，但其通信，处理能力等方面需求会大大增加。

基于柔性互联配电网优化调度架构形式，本文在文献[8]基础上进一步细化并区分层级，提出一种多层协同调度控制架构，可在调度自动化方面实现安全稳定运行，具体结构如图6 所示。系统能量综合优化调度层利用通信将各类数据收集整理，了解电力市场或电网运行状态及趋势等各方面情况，通过多时间尺度优化模型得到日前/日内/实时的最佳调度指并下发到各底层控制设备，由此实现全网的综合优化调度。得益于区域互联，各供电区域可根据实际运行情况建立多目标多时间尺度区域自治协调控制策略，实现本区域内的自治，同时在上层进行各分区协调交互控制。由于各层次间引入了一定的独立性以及存在信息及时交互，各区间可独立调度或功率互济调度，在全局功率协同控制及优化调度上更具优势。