智能配电网优化调度在南京的应用
首次提出了智能配电网优化调度模式理论，建立了多时间尺度递进式调度策略，并构建了优化调度体系结构。研究成果在南京智能电网示范区进行了成功应用，有效降低了区内负荷峰谷差和电网损耗，保证了电网的高效运行，为智能配电网建设提供了理论和实践依据。
0 引言
智能配电网是智能电网的重要组成部分，它以灵活、可靠、高效的配电网网架结构和高可靠性、高安全性的通信网络为基础，支持灵活自适应的故障处理和自愈，可满足高渗透率的分布式电源和储能元件接入的要求，满足用户提高电能质量的要求。目前，配电网距离智能配电网的要求还有一定差距，主要体现在：
1）配电网规划缺乏系统性，对资产利用率和经济性关注不足；
2）智能配电技术处于起步阶段，智能化水平较低，管理手段相对落后；
3）配电自动化系统覆盖范围很低，远远低于先进国家水平；
4）互动化应用缺乏信息化、自动化支撑。
配电网调度作为配电网运行的指挥协调中心，长期以来未被重视，在一定程度上阻碍了智能配电网的建设进程。近年来随着智能电网的发展，国内外学者才开始将研究的关注点转移到配电网调度。当前，由于配电网量测信息少、信息质量不高，配电网调控和运行方式调整大多，仍需依靠调控员的经验开展，配电网调控基本处于“盲调”状态，特别是面对规模庞大、设备众多的复杂电网，难以兼顾电网运行的安全性和经济性。
为了从根本上解决这一问题，国网南京供电公司牵头承担了国家863计划项目“智能配电网优化调度关键技术研究”。该项目依托南京配电自动化一、二期试点工程，以包含分布式电源的智能配电网为研究对象，在构建高效运行评估体系的基础上，系统地提出了智能配电网优化调度模式理论，研制了优化调度关键设备，极大提升了配电网调控的精细化管理水平和优化资源配置的能力，全面实现了智能配电网高效运行，项目成果成功应用于南京智能电网示范区。
1 智能配电网优化调度总体框架
智能配电网优化调度总体框架如图1所示。运行评估是智能配电网优化调度的基础，通过设计安全性、可靠性、经济性、优质性和智能性等多项指标，构建完整的智能配电网评估体系，全面反映电网状况，评估结果将为电网调度决策提供重要依据。
智能配电网优化调度模式是优化调度的核心，在明确调度的范围、调度目标、调度对象和调度机制的前提下，建立相应的调度原则和策略，同时实现不同时段配电网、分布式电源，以及负荷的统一协调优化。关键设备是智能配电网优化调度的支撑和实现手段，在丰富调控手段的同时，提高了控制的精准化和实时化水平，******限度地避免了人工操作过程中出现失误、危险等隐患。
下面将重点针对智能配电网优化调度技术及调度模式开展论述。
图1 智能配电网优化调度总体框架
2 智能配电网优化调度模式研究
智能配电网优化调度的对象包括配电网络、分布式电源/微电网、负荷。为了通过优化调度实现智能配电网的高效运行，需要多个部门在不同时间采用多种调度控制方法，而各种调度方法所需获取的配电网信息均有所差别，并且信息的来源也具有不确定性，因此配电网优化调度信息和方法具有时间相关性。
根据上述分析，本文提出了在时间尺度上形成“长期—中长期—短期—超短期/实时”的多时间尺度递进式优化调度策略，并以“局部平衡—分区协调—整体吸纳”为原则，协调分布式电源、微电网、储能装置、可控负荷等调度对象，从而达到提高配电网供电可靠性与经济性，实现智能配电系统高效运行的目标。优化调度模式层次结构如图2所示。
图2 智能配电网优化调度模式层次结构
2.1 多时间尺度递进式优化调度策略
5个调度阶段的调度模式、相互之间的关系如图3所示。
图3 多时间尺度递进式优化调度模式
2.1.1 长期优化调度策略
长期优化调度重点考虑规划与调度的协调关系，利用网、源、荷三侧资源的协调调度降低负荷峰谷差、减少尖峰负荷；以风险评估为基础，采用非保守优化规划方法进行规划与调度的协调；优化馈线联络点的分布、分布式电源、电动汽车充放电设施、可中断负荷等规划，实现网、源、荷的协调发展。具体调度策略为：
1）以夏季和冬季负荷侧的******用电需量和电源侧的电力供应量及其可调度量为边界条件进行优化。
2）优化的首要目标是重要负荷的安全可靠供电和削减高峰负荷；对于供电能力十分充足的电网，降低峰谷差不作为主要任务；当不能保证所有负荷供电时，允许甩掉不重要的负荷。
3）具有太阳能光伏发电的电网，夏季时需优先利用太阳能光伏发电为高峰负荷供电。
4）具有风力发电的电网，冬季时需充分利用风力发电为负荷供电。
2.1.2 中长期优化调度策略
中长期优化调度重点针对工作日和节假日负荷用电差异较大、配电网中存在较多的临时供电需求，以及进行计划检修的需求，制定智能配电网月度常态调度方案，获得电源和负荷资源的可调度量，形成变常态的网络运行方式。具体调度策略为：
1）以月度负荷的******用电需量和电源侧的电力供应量及其可调度量为边界条件进行优化。
2）优化的首要目标是重要负荷的安全可靠供电和削减高峰负荷；当不能保证所有负荷供电时，允许甩掉不重要的负荷。
3）充分利用不同性质用户负荷之间的差异性和互补性。
4）当存在检修计划时，考虑停电需求制定常态运行方式；当存在临时供电负荷时，考虑制定临时供电需求常态运行方式。
2.1.3 短期优化调度策略
短期优化调度主要针对太阳能光伏发电、电动汽车充放电、以及其他不同性质的负荷用电特性具有明显的规律，负荷用电具有错时特性，以及临时检修和保电需求制定智能配电网次日的多时段调度方案，获得电源和负荷资源的可调度量，形成多时段网络运行方式。具体调度策略为：
1）以次日负荷侧的用电需量和电源侧的电力供应量及其可调度量为边界条件进行优化。
2）日前优化调度方案主要考虑实现经济运行和提高电压质量，并且以满足电压质量为基本条件，实现智能配电网的经济运行。
3）具有太阳能光伏发电的电网，利用太阳能光伏发电出力与负荷用电需求的一致性平衡能量。
4）以避免设备频繁动作为前提条件进行优化。
5）当存在临时检修时，需要考虑临时停电需求制定日前优化运行方式；当存在临时保电时，需要考虑临时保电需求制定日前优化运行方式。
2.1.4 超短期/实时优化调度策略
超短期/实时优化调度主要针对配电馈线中随时会出现各种形式的功率波动，分布式电源出力间歇性变化，验证次日多时段网络运行方式，制定多时段调度计划的调整方案，并形成可控电源和负荷的控制方案。同时当配电网中发生故障时，为健全区域恢复供电提供调度方案。具体调度策略为：
1）利用可控分布式电源和储能装置进行配合实现能量的平衡。
2）当不能保证所有负荷都获得供电时，可以甩掉部分不重要的负荷以满足能量平衡需求。
3）优先采用可控电源为失电负荷供电。
4）为提高可靠性，可以转移重要程度较低的负荷到其他馈线，以释放馈线容量和保障重要负荷的供电可靠性。
2.2 智能配电网优化调度层次结构模型
为实现整个智能配电网的优化调度，本文制定了“局部平衡—分区协调—整体吸纳”层级调度机制。局部平衡，以不改变或少改变配电网运行方式为原则，在局部配电网内进行储能、分布式电源、负荷间的统筹互济，减少分布式电源出力对配电网的影响；分区协调，在局部无法平衡消纳分布式电源情况下，通过分区负荷转供消纳，减少对上级电网的冲击；整体吸纳，针对性地优化配电网网络结构，制定各分区分布式电源发展规划，实现网源荷协调发展。
在此基础上构建了配电网优化调度层次结构模型，包括微电网层、馈线分区层、配电网层，各层对象内部协调进行能量平衡，如图4所示。
图4 智能配电网优化调度层次结构模型
微电网层的主要任务是对本馈线的单相接地和设备绝缘下降等故障发展情况进行预测，实现相应的预防性控制，当故障发生时实现快速故障处理。将电压、电流信号、单相接地信号、绝缘下降信号、保护控制装置动作情况、动作前后开关的状态等内容传送给馈线连通系层和变电站连通系层，同时接收并执行控制命令。
馈线分区层的主要任务是根据接收到的信号确定失电母线、故障区段和需要锁定的开关，依据失电母线所对应的应急预案触发相关继电器，分合相应开关，执行接收重构操作命令。
配电网层根据负荷和分布式电源出力的变化趋势，确定优化运行方式及无功补偿方式，并将开关分合闸操作及顺序传送给馈线连通系层，获得恢复供电负荷多和备用容量大的运行方式。
2.3 基于多时段运行方式的配电网络优化调度
基于多时段运行方式的配电网络优化调度考虑日前的负荷分布，对日前网络优化调度进行时间、区间的划分，根据每个时间断面的配电网运行方式的不同，使配电网实时在最优网络拓扑结构下运行。
日前网络优化调度是指在满足开关操作次数约束的前提下，考虑调度周期内（24h）负荷的动态变化，对配电网的拓扑结构进行动态的调整，使得配电网在一段时间内达到最优运行状态。
本文采用动态重构方法对多时段的配电网运行方式优化调度目标进行求解。动态重构方法的具体思路：分析负荷特性及其分布特性建立负荷分布变化度指标，利用负荷分布变化度指标，按时间、区间划分得到优化的时间区间数，同时采用多时段编码方式解决了各时间区间开关状态之间的协调，最后利用多目标粒子群算法进行动态重构。该方法选取合理的时间区间数，使得整个时间周期内总网络损耗在满足静态约束和开关动作次数约束下最小。
2.4 基于储能系统的分布式电源优化调度
分布式电源的优化调度方案如图5所示，具体执行方案如下：
1）将分散式分布式电源带有波动性的输出功率波形进行离散傅里叶展开。
2）将展开后的输出功率波形分为高频段和中低频段，其中，中低频段代表希望输出功率，高频段为期望平抑的毛刺功率。
3）对高频段输出功率波形进行复刻，控制储能子系统按照与其相反的波形进行充放电，以平抑该部分毛刺功率。 由于分布式发电通常配备储能系统（Energy Storage System，ESS）具有可充可放的运行特性，能够有效克服和改善分布式发电输出的间歇性与波动性。从而实现分散式分布式电源的友好接入，达到优化调度的效果。
图5 基于储能系统的分布式电源优化调度方案
3 智能配电网综合优化系统
智能配电网综合优化系统是优化调度高级应用的实现。该系统按照IEC61970 的标准进行配电网信息建模，遵从IEC61968 的交互规范并实现与外部系统（上级调度系统、营销管理系统、配电网生产管理系统等）的互联，可以实时显示并计算电网的运行状态指标。
智能配电网综合优化系统由基础支撑层、应用层和高级应用层组成三层软件框架。基础支撑层完成配电网的建模及模型拼接、拓扑、潮流计算等功能；应用层由智能配电网新能源优化调度模块、网络优化调度模块、多样性负荷优化调度模块和电网运行状态评估模块组成；高级应用层完成配电网的分布式电源—配电网络—负荷的协调调度功能。根据调度模式所确定的调度目标分解为新电源、网络和负荷的子调度目标，下发给应用层的对应模块。应用层的3个模块根据调度目标给出具体的调度策略，下发调度执行层完成对相应对象的调度，由评估模块对电网的运行状态进行实时评估，并对调度后配电网络的改善水平给出量化评估。智能配电网综合优化系统软件模块关系如图6所示。
图6 智能配电网综合优化系统软件模块关系
4 示范应用
课题组选择南京智能电网示范区对研究成果进行示范应用。南京智能电网示范区南京金融、商务、商贸、会展、文体五大功能为主的新城市中心。示范区面积约11km2，区域内******负荷功率约为76万kW，涵盖220kV变电站2座，110kV变电站6座，馈线132条。
2015年迎峰度夏期间，通过选取示范区内典型馈线进行实际操作，证明由于负荷的分布具有时变性，在不同负荷分布情况下，对应的配电网优化的运行方式具有差异，通过配电网络的调度可改变每条馈线的负荷峰谷差，从而改变潮流分布，改变电能损耗，通过优化可以提高供配电的效率。
4.1 基于运行方式优化的网络优化调度实际应用
以示范区内的10kV香堤线与塞上线为例，2条线路联络处的电网简化图如图7所示。
开关动作情况：
1）2015年7月24日18∶00合上赛上线5号环网柜102开关，断开香堤线3号环网柜101开关，（从所街变香堤线转移约3850kVA居民负荷至沙洲变塞上线）；
2）2015年7月25日上午8∶00合上香堤线3号环网柜101开关，断开赛上线5号环网柜102开关。香堤线、塞上线负荷转移前后的潮流对比如图8、9所示。
由图8可知，香堤线负荷转移前后，峰谷差有了明显的降低，约降低18.7%；由图9可知，塞上线负荷转移前后峰谷差基本保持不变。
图7 线路联络处电网简化图
图8 香堤线负荷转移前后对比图
图9 塞上线负荷转移前后对比图
注：图8、图9中红色曲线为负荷转移后曲线，蓝色曲线为开关操作前的曲线，灰色曲线为开关操作后的曲线。
4.2 基于负荷需求弹性的负荷优化调度实际应用
对示范区内的负荷进行可降负荷预估，根据变电站各类负荷所占比例及各类负荷所具有的调节特性进行分类计算，得到示范区内各变电站可降负荷的预估值在9%～10%，可降比例为9.25%。可降的负荷容量预估为12.42MW。
计算结果是在理想情况下进行得出的，在用户完全参与的情况下，峰谷差可降低10%～20%左右。如果通过引导合理用电进行负荷调度，可大大降低负荷峰谷差，降低电力高峰负荷需求，延缓和减少电力设备投资。
示范区内2014年******负荷753.21MW，如果按峰谷差占最高负荷比例平均降低10%来计算，则通过对负荷进行优化调度可降低75.32MW的高峰负荷电力需求，按照南京供电公司“十二五”期间110kV及以下单位投资增供负荷0.0003kW/元进行测算，可降低示范区内110kV及以下发输电设备的电网建设投资2.51亿元。
5 结语
本文在分析传统配电网调度存在问题的基础上，结合承担的国家863计划项目，确立了智能配电网优化调度总体框架，重点针对调度技术和模式进行阐述，首次提出了智能配电网优化调度模式理论，构建了优化调度体系结构，并将规划到运行分为长期、中长期、短期、超短期、实时五个阶段，建立了多时间尺度递进式调度策略。同时，研发了智能配电网综合优化系统作为优化调度高级应用的实现，提高了配电网调控的精准化和快速化水平。
本文所提理论填补了该领域的技术空白，推动配电网运营模式向用户参与、潮流双向流动、高度自动化的方向转变，全面实现智能配电网的高效运行，促进整个新能源行业及下游产业链的发展，并有力引领智能配电网建设进程。研究成果获得2015年国网公司科技进步三等奖，并在南京智能电网示范区进行了成功应用，有效降低了负荷峰谷差和电网损耗，保证了电网的安全、可靠、优质、经济运行，可视为理论研究与实际应用良性互动的典范。
作者简介： 周冬旭，博士，工程师，主要研究方向为配电网调控运行。
嵇文路，博士，高级工程师，主要从事配电自动化方面的工作。
朱红，硕士，教授级高工，主要从事电网调度通信工作。
张明，硕士，高级工程师，主要从事调度自动化，配电自动化工作。
罗兴，硕士，工程师，主要从事配电网调控运行工作。
以上文档转于供用电杂志。
