傳統(tǒng)電網(wǎng)中, 輸電網(wǎng)的能量管理(EMS)與配電網(wǎng)的能量管理(DMS)是分開運(yùn)行的, 并由不同的運(yùn)行人員獨(dú)立調(diào)控。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展, 輸、配電網(wǎng)的相互作用也變得越來越顯著, 傳統(tǒng)輸配割裂的能量管理模式也隨之受到挑戰(zhàn)。例如, 快速發(fā)展的分布式發(fā)電、負(fù)荷響應(yīng)、電動汽車、分布式儲能和配電自動化技術(shù)等, 增加了配電網(wǎng)的控制手段, 使得配電網(wǎng)運(yùn)行方式呈現(xiàn)出更加靈活多變的趨勢。這種多變的運(yùn)行方式也使得配電網(wǎng)對輸電網(wǎng)的影響變得更加顯著。例如, 在美國加州地區(qū), 2013年底光伏發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到1200萬千瓦。隨著光伏的大量接入, 美國加州的凈負(fù)荷曲線在日出和日落時刻爬坡速率驚人, 3小時內(nèi)負(fù)荷變化可達(dá)13000 MW之巨, 對輸電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度造成挑戰(zhàn)。而在2011年美國南加州大停電事故中, 事故時配電網(wǎng)恰好處于環(huán)網(wǎng)運(yùn)行, 但是輸電網(wǎng)安全分析程序中依然將之當(dāng)成默認(rèn)的輻射狀運(yùn)行狀態(tài), 從而導(dǎo)致了安全分析中的結(jié)果與輸電網(wǎng)實(shí)際的潮流分布不符, 造成了調(diào)度員的錯誤操作, 使得事故擴(kuò)大。由此可見, 如果缺乏對輸配電網(wǎng)影響的合理評估, 缺乏對輸配電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)同管理, 電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性就很難得到保證, 甚至可能出現(xiàn)十分嚴(yán)重的停電事故。
1.為什么要研究輸配全局潮流?
眾所周知, 一個實(shí)際電力系統(tǒng)的輸、配電部分在物理上是通過變壓器而緊密耦合的, 但為了方便管理, 目前的輸、配電網(wǎng)幾乎都是由不同的控制中心來進(jìn)行調(diào)控。對于輸電網(wǎng), 通常由EMS軟件進(jìn)行管理, 而對于配電網(wǎng), 通常由DMS軟件進(jìn)行管理。
潮流計算是EMS和DMS軟件中的重要組成, 也是調(diào)控電網(wǎng)運(yùn)行的必要工具。在上述管理模式下, 輸、配潮流計算自然也是彼此獨(dú)立的。具體來說, 計算輸電網(wǎng)潮流時, 忽略配電網(wǎng)潮流細(xì)節(jié), 僅將后者視為掛靠在輸網(wǎng)母線上的負(fù)荷注入; 而在計算配電網(wǎng)潮流時, 忽略輸電網(wǎng)潮流細(xì)節(jié), 僅將后者視為根節(jié)點(diǎn)上的理想電壓源。如圖1所示。
這一輸配割裂的潮流計算模式已延續(xù)多年。但是, 隨著未來智能電網(wǎng)的發(fā)展, 配電網(wǎng)分布式電源和自動化裝置的增多, 這一模式在潮流仿真時會出現(xiàn)問題, 尤其是在模擬分布式電源出力的間歇性變化, 模擬配電網(wǎng)重構(gòu)等方面:
大規(guī)模分布式電源入網(wǎng)后, 出力的間歇性將會造成輸電潮流和配電潮流在邊界處的計算結(jié)果不匹配, 有明顯的電壓/功率偏差, 使得系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)難以通過仿真準(zhǔn)確獲知;
隨著自動化裝置增多, 未來配電網(wǎng)重構(gòu)更加頻繁, 甚至出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài), 為獲得準(zhǔn)確的潮流解, 必須為多饋線配電網(wǎng)指定根節(jié)點(diǎn)的合理參考電壓, 但在輸配割裂的計算模式下, 幾乎無法實(shí)現(xiàn)這一目的;此外, 配電網(wǎng)中分布式電源的出力變化和有載變壓器的檔位調(diào)節(jié)勢必對輸電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成影響, 而傳統(tǒng)輸配割裂的計算模式顯然無法考慮這一點(diǎn)。而為了更好地協(xié)同輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的發(fā)電和控制資源, 也需要進(jìn)行輸配全局潮流分析。
因此, 為了提供可靠有效的智能電網(wǎng)分析管理工具, 為輸配協(xié)同能量管理技術(shù)打下牢固基礎(chǔ), 必須研究輸配全局潮流。
圖1 目前的輸、配電網(wǎng)的管理模式和潮流計算模式
2輸配全局潮流計算難在哪?
直觀上看, 輸配全局潮流計算并不難, 似乎只要將輸、配電網(wǎng)模型拼接在一塊直接計算即可。但是這樣的集中求解方案在實(shí)際上很難行得通。這是因?yàn)檩斉淙殖绷饔嬎憔哂腥缦碌碾y點(diǎn):
難點(diǎn)一: 輸配全局潮流的模型規(guī)模十分龐大;
難點(diǎn)二:輸配電網(wǎng)的模型參數(shù)相差巨大, 集中求解會出現(xiàn)數(shù)值穩(wěn)定性問題;
難點(diǎn)三: 輸配電網(wǎng)的模型分別維護(hù)在EMS和DMS軟件中, 并且輸電網(wǎng)是單相模型, 配電網(wǎng)是三相模型, 模型拼接也比較困難。因此, 基于直接模型拼接的全局潮流集中求解方案并不實(shí)用, 必須探求新的解決方案。
3如何計算輸配全局潮流?——分布式的主從分裂法
考慮到上述難題, 我們基于主從分裂法, 提出了分布式的輸配全局潮流求解方案。這一算法具有如下特點(diǎn):
針對難點(diǎn)一: 無需進(jìn)行輸配潮流模型拼接, 避免了計算模型規(guī)模過大問題;
針對難點(diǎn)二: 分布式計算輸、配潮流, 通過迭代交互邊界的電壓和功率值來消除邊界上的計算偏差;
針對難點(diǎn)三: 輸、配電網(wǎng)的模型仍然分別在EMS和DMS中進(jìn)行維護(hù), 通過接口實(shí)現(xiàn)邊界電壓和功率的單-三相轉(zhuǎn)換, 無需交互內(nèi)部的潮流模型。具體來說, 在這一方法中, 我們首先將輸配全局系統(tǒng)抽象為由主系統(tǒng)、邊界系統(tǒng)和從系統(tǒng)連接而成的高階代數(shù)系統(tǒng)。其中, 從系統(tǒng)對應(yīng)輸、配電網(wǎng)的邊界母線, 主系統(tǒng)為輸電網(wǎng)除從系統(tǒng)之外的部分, 從系統(tǒng)則和配電網(wǎng)的邊界重合。顯然, 主系統(tǒng)和邊界系統(tǒng), 從系統(tǒng)和邊界系統(tǒng)之間分別存在耦合, 主、從系統(tǒng)則彼此解耦。
為實(shí)現(xiàn)分布式求解, 在算法中引入中間變量代表配電網(wǎng)在邊界母線上的總功率注入, 進(jìn)而將輸配全局潮流問題分裂成輸電潮流和配電潮流子問題, 進(jìn)行迭代求解。每次迭代中, 輸、配之間交互邊界母線的電壓和功率值。如果發(fā)現(xiàn)某次迭代中邊界量的偏差足夠小, 算法停止, 得到全局潮流解。算法如圖3所示。
圖3 主從分裂算法示意圖
4主從分裂法有什么特點(diǎn)?
采用主從分裂法計算全局潮流有著一系列的優(yōu)點(diǎn)。除了上面提到無需模型拼接、模型可以異地維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)外, 它還有如下幾個優(yōu)點(diǎn):
(a) 收斂性有理論保證
在理論上, 可以借助不動點(diǎn)定理證明主從分裂算法具有局部一階收斂性。在實(shí)際計算中, 對于配網(wǎng)輻射狀的全局電網(wǎng), 主從分裂法幾乎總是收斂的。如果配電網(wǎng)為強(qiáng)環(huán)網(wǎng), 那么可先將配網(wǎng)的等值支路添加到輸電網(wǎng), 再進(jìn)行計算, 此時算法也幾乎總是收斂的。
(b) 支持分布式計算
顯然, 輸電網(wǎng)EMS和配電網(wǎng)DMS可以分布式地計算輸、配電潮流子問題。分布式架構(gòu)如圖4所示。
(c) 通信量有限
主從分裂算法通常在10次以內(nèi)便可以收斂, 而每次迭代只需要交互邊界上的電壓幅值、相角、有功、無功4個變量, 因而總的通信量很小。
(d) 對現(xiàn)有軟件的兼容性好
這是因?yàn)檩?、配潮流子問題的形式恰好和現(xiàn)有的潮流計算模型一致, 可以直接調(diào)用EMS和DMS中現(xiàn)有的潮流算法求解。
5如何驗(yàn)證方法的有效性?
我們一共構(gòu)建了5個不同規(guī)模的全局電網(wǎng)(從幾十節(jié)點(diǎn)到幾百節(jié)點(diǎn))驗(yàn)證主從分裂算法的效果。在所有的測試中, 主從分裂法計算均準(zhǔn)確快速, 迭代次數(shù)在7次以內(nèi)。
為突出進(jìn)行全局潮流計算的必要性, 我們選出如下兩例進(jìn)行說明。
例1:配電網(wǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)
考慮配電網(wǎng)從輻射狀切換到環(huán)狀運(yùn)行。比較全局潮流結(jié)果(GPF)和傳統(tǒng)模式下的輸電網(wǎng)潮流(ITPF)和配電網(wǎng)潮流(IDPF)結(jié)果。如表1所示。可見, 配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對輸電網(wǎng)側(cè)的潮流分布造成了影響, 進(jìn)而又影響到了配電網(wǎng)的潮流分布。由于忽略了輸配之間的相互作用, 傳統(tǒng)的計算模式造成了高達(dá)0.0107 p.u.的電壓計算偏差。此時, 必須采用全局潮流計算才能獲得準(zhǔn)確的潮流結(jié)果。
例2: 大規(guī)模間隙性分布式能源出力驟降
考慮在輸網(wǎng)5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分別接入一個3饋線(F1, F2, F3)的配電網(wǎng), 其中F3上接有滲透率為50%的分布式能源。由于間隙性, 某一時刻分布式能源處理驟降50%。從圖2可以看出, 不僅饋線F3中的節(jié)點(diǎn)電壓變化, 而且F2中的節(jié)點(diǎn)電壓也將發(fā)生變化。這是由于F2和F3通過輸電網(wǎng)耦合在一起。但是統(tǒng)輸配割裂的計算結(jié)果顯然無法反映出這種耦合影響。必須采用全局潮流計算才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
6結(jié)論和展望
作為未來輸配協(xié)同能量管理技術(shù)的基石, 本文提出了一種基于主從分裂法的分布式輸配全局潮流算法。研究表明, 為保證未來智能電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性, 必須進(jìn)行輸配全局潮流計算。所提出的分布式主從分裂算法具有準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn), 并且可以充分利用現(xiàn)有的EMS和DMS軟件, 符合現(xiàn)有的電網(wǎng)管理架構(gòu), 具有良好的工業(yè)前景。
