源网荷储多元协同调控及多向互动的方法和策略研究

南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司、国电南瑞科技股份有限公司 岳 鹏

1 引言

目前。对于新型能源的研究和使用过于单一，尤其是在配电网中的能源使用，新能源的进入导致供电系统难以维持平衡[1-2]。而源网荷储的应用或将成为解决问题的关键。源网荷储是电源、电网、负荷、储能的一种运营方案和模式，能够实现用电负荷与储能资源的精确化控制与管理，大大加强了电网运作的安全性，并且改善清洁能源消纳期间对于电网稳定性带来的影响，让电网的运作更具效率性、经济性、安全性等，实现资源利用率最大化以及经济效益最大化的目标。传统源网荷储调度机制不能够适应越来越快的经济发展[3-4]。因此，本文在原有的机制基础上提出了源网荷储多元协同调控及多向互动的方法和策略研究，设计出更高效节能的源网荷储机制，保障电力系统运行的安全性与经济性，并且加快清洁能源的消纳效率，提高整体互动效率。

2 源网荷储多元协同调控设计

2.1 源网荷储边缘计算节点配置

在电力系统中变电站分布特性和分布式电源的位置安排基础上，对源网荷储边缘计算节点进行配置，同时配合物联网设备的终端特点对节点进行刷新。

在用户使用端的分布式电源和物联网终端分别设置节点控制设备。用户的使用信息通过节点控制设备进行采集和传输，与电力系统终端计算机相连接，实现用户数据的实时监控[5]。上传后的数据根据算法进行处理，再将计算机处理后的数据传输到电力系统的各个部门，同时对数据进行储存。这样有助于在电力系统终端计算机故障停机时，整个系统依旧可以维持运作。

2.2 源网荷储的主动配电网分析

电力系统的配电中心的各部分组成和联系如下：电力源就是分布式电源，在电力系统中承担着供电的责任，一般包含发电装置、新能源装置。能量流是代表电力系统中的电能在源网荷储之间的传输流动。通过边缘计算节点的配置，使得用户的行为数据不再单一，逐渐多元化，并且可以云共享，在信息流中可以表现为一条高速运转的通道。配电节点中采集了所有的分布式电源和分布式装置中的数据进行储存，在今后的使用过程中，根据用户和配电网各个部门的需求进行查询，这样保证了源网荷储能够顺利进行协同调控。

本文所设计的源网荷储多元协同调控方法就是在分布式装置系统联合电力运作系统的基础上进行运转的。通过对边缘节点的设计可以时刻获取用户的行为数据，并且对电网终端的数据也做了协同调整，使得电力系统能够适应新能源的加入，维持电力系统的稳定运转，实现削峰填谷以及降低电力资源的非必要消耗的效果。

2.3 架构多元协同调控模型

图1为本文设计的多元协同调控模型配电网架构图。

图1 配电网架构图

第一步，明确源网荷储多元协同调控的目的，是减少电力系统在进行电力调度的时候产生的非必要能源消耗以及削峰填谷，这两个目标是相辅相成的。当电力系统中的配电网出现细微波动时，电网形成的峰谷差较小，相应的非必要能源消耗就会大幅度减少，这时候的资源消耗就是电力系统中的配电网在进行电力传输时，有效功率的作用效果和传输线路中的电阻消耗。

第二步，再对电路中的输电线路的有效功率进行计算，寻求平衡，减少传输过程中的消耗。设置分布式储能就是为了减少这一部分的能源消耗。同时，在终端设置分布式电源是为了跟踪新能源的使用数据便于及时调整策略。

第三步，在配电网架构中分别设置可控负荷和常规负荷，根据不同时期的用电消耗对负荷及时调整。

第四步，安装柔性负荷，对电路系统的功率的极限值进行设计，使电网在运行过程中始终维持较为稳定的输出功率，减少额外消耗的产生。

3 源网荷储多向互动设计

3.1 源网荷储协同互动调控平台

源网荷储协同互动调控平台可以接入自备电厂和电源侧储能等数据，并在这一基础上按照可调节资源的接入方法和相应特点，根据源网荷储协同互动调控平台的业务需求，对可调节负荷参与调度控制的要求，设计可调节负荷资源的模型数据结构，从而达到电网对于可调节负荷接入以及控制的要求。可调节负荷资源建设范围包含自备电厂与工业大用户、电源侧储能、充电桩等，具体包括以下几点内容：一是直调火电厂。反馈直调电厂的整体信息，例如电厂的数量、容量、出力、可调容量等；二是自备地方电厂。反馈地方自备电厂信息，其内容同上；三是储能电站。反馈储能电站的运行情况，包含储能类型与分布、充放电功率、趋势曲线等；四是综合能源。反馈综合能源情况，包含电气化示范县、采油注水等可调节对象的功率与可调容量等信息。

针对上述可调节负荷资源实施单体建模与聚合建模。其中，单体建模可有对某一个可调节负荷资源结合接入信息与自身属性建模。聚合建模在单体建模的前提下，在空间和时间等维度建立单体调节资源自动聚合的分类模型，建立聚合后的控制资源，用于后续的监视与控制、分析等。在空间方面一般包含地区、分区、全网等，时间方面通常有1min级、15min级、30min级以及1h、2h级等，资源类型包含电源侧储能、负荷聚合商、就地响应负荷和群控负荷的采集量与预测值等，同时还包含了各时间节点的可调节量与响应效率、控制结果等，可以为越限消除和备用控制以及电力平衡等业务提供必要支持。

3.2 构建源网荷储多向互动模型

源网荷储与以往的资源调峰模式存在明显差异，采用多向互动调峰模式，综合不同资源互补互利的原则，实现相互之间的高效联动与多种光伏渗透率匹配，寻求最佳的解决方案，从而维持系统峰谷差的稳定性。调峰资源耦合可能会受各种内外因素影响，所以在建模方法和方向的选择上需要考虑到系统的峰谷差。本文将一个多因素影响的能源系统抽象成如图2所示的二端口网络。

图2 源网荷储多向互动枢纽

图2中f1～fn为该枢纽的输入，包括调峰需求、各侧调峰资源技术特性、用户满意度等；S1～S4为调峰资源类型，可以灵活组合从而建立多样化的调峰方案。

3.3 模型的转化求解

步骤1：整合好历史数据资源，通过样条插值法来完善残缺的数据，之后通过FCM聚类法将光伏出力的随机性进行模型化处理。

步骤2：设置光照序列、渗透率序列、调峰裕度集合。

步骤3：分析系统有无调峰需求，若有则进入下一环节。

步骤4：利用功率分布转移因子法转化为线性约束条件。

步骤5：综合分析源网荷储各侧资源的调峰经济特点，通过源网荷储多向互动匹配模型获得调峰策略集合。

步骤6：对系统调峰进行经济性分析，制定光伏渗透率下的最优调峰方案，并调整光伏渗透率、系统调峰裕度。

步骤7：输出不同调峰裕度与不同光伏渗透率下各资源出力及调峰成本。

4 模拟试验及结果分析

以1天内源、网、荷、储各部分的有功功率情况为监测对象，每15min为一个间隔周期，分为96个调度和运行周期，按照当天的常规负荷预测值，分布式电源发电的预测出力计划同时对分布式储能、柔性负荷设备作出了相应的功率设定，进行多元协同调控和多向互动的效果分析。

4.1 多元协同调控效果分析

用总负荷整体趋势来衡量调度机制的效果。1天之内的总体负荷的变化程度可以看出该电力系统的削峰填谷的效果。通过图3可以看出，使用本文所设计的源网荷储多元协同调控方法得到的曲线相对光滑，表明数据相对平稳，总负荷随着时间的推移先达到峰值，再换面的下降，呈现一定的函数规律。而使用传统的SGLS方法得出的曲线，呈现不规则的走势，数据不是平稳上升下降的，中间波动较多。通过对比可以看出，利用本文所设计的方法能够限制峰谷的差距走势，使得用户数据相对稳定，能够实现削峰填谷的作用，这样也能控制减少电力系统在进行电力调度的时候产生的非必要能源消耗。

图3 总负荷变化情况图

从负荷的整体变化来看，单纯的协同调度总量不会产生明显变化，其原因在于储能设备处于试验设计的电能状态和调度，从试验开始到完成都处于稳定的环境之下，能量整体上依然守恒。若选择全面协同调度模式就能够直观了解到1天中总负荷有着一定降低，这是因为模拟试验期间，SGLS的设计具有一定的变化性和不合理性，降低了原本的有功消耗，但整体上依然符合负荷能量不变的规律。

综上所述，利用本文所设计的方法能够降低能源的消耗。

4.2 多向互动效果分析

从图4（a）、（b）的比对能够了解到，这两种调峰模式下机组开停机不会出现明显差异，但机组损耗却具有明显差别。其原因在于火电机组的开停机成本较高，在渗透率较大的情况下需要尽可能降低机组开停机的频率。并且调风资源容量的提高，使得渗透率不同的情况下选择源网荷储多向性互动模式更具经济性。

图4 不同光伏渗透率下调峰机组损耗成本

5 结语

本文利用对源网荷储边缘计算节点进行配置和主动配电网分析构建出多元协同调控模型，又对源网荷储多向互动模型，并对模型转化求解，最终设计出源网荷储多元协同调控及多向互动的方法。通过模拟试验对所构建的协同调控及多向互动模型试验结果，得出该方法一定程度降低了额外损耗，减少了能源的消耗。但因为时间的限制，本文没有进行多次试验，还需要在今后的研究中进一步完善。