李旭斌，朱永洁，喻琢舟，翁兴航，张诗建

（1.韶关市擎能设计有限责任公司，广东韶关 512026；2.广东电网公司韶关供电局，广东韶关 512028；3.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510640）

0 引言

在能源危机和环境污染问题日趋严峻的背景下，我国出台许多政策积极推动可再生能源、电动汽车等清洁资源的发展应用[1]，分布式电源、电动汽车、储能等清洁资源大量接入配电网已成为重要发展趋势[2]。主动配电网具有完备的能量管理系统和主动电压控制能力，可对多种能源接入下的配电网实行有效的能量管理，实现配电网的优化运行，主动配电网运行控制技术成为当前的研究热点[3-5]。

国内外对于分布式电源、电动汽车、储能等接入的主动配电网潮流优化控制做了大量研究[6-8]。文献[9]提出了一种计及不确定时滞的有源配电网无功电压鲁棒控制方法，该方法充分利用光伏的无功调节能力，解决含多种不确定性因素的配电网局部过电压问题；文献[10]构建了“集群自律-群间协调-输配协同”的主动配电网能量管理系统，分析了其中的关键技术。文献[11]提出一种主动配电网集中/就地自适应无功电压协调控制方法，根据配网控制条件将设备及光伏的控制模式划分为就地趋优控制和集中优化控制2个部分，就地控制建立协同功率因数和动态趋优因子指标，兼顾全局需求调节光伏与设备无功出力；集中控制则根据无功充裕程度选择电压越限风险或网损最小为目标，进行无功优化。文献[12]构建了综合考虑发电成本、配网峰谷差和网损的两阶段协同优化调度模型，实现电动汽车最优充电，但没有协调考虑储能装置。文献[13]提出了一种考虑分布式电源及储能配合的主动配电网规划-运行联合优化模型，但没有考虑分布式电源和储能的调度成本。现有研究多从配电网网损的角度出发，进行分布式电源、电动汽车等的优化调度，以实现节能降损，但未考虑储能、电动汽车等需求侧响应资源的调度费用，模型的准确性和优化结果的实用性有待提高。

本文设计了主动配电网源荷储协调控制架构，提出了一种考虑配电网综合运行效益的“源-荷-储”协调优化控制方法，考虑电动汽车和储能的调度费用，以配电网运行的综合效益最大为目标，以配电网潮流、分布式电源出力、电容器投切、储能出力、电动汽车出力为约束。采用IEEE33节点系统验证所提方法的有效性。

1 “源-荷-储”协调控制架构

主动配电网源荷储协调控制框架如图1所示，包括协调优化调度管理主站（包含数据库系统）、GIS系统（或DSCADA系统）接口模块、负荷预测模块、储能及电动汽车需求管理模块、协调调度决策模块等。

图1 协调优化控制系统框架

依托配电网GIS（或DSCADA系统）采集相关数据，在后台软件系统中对配电线路进行准确建模后实现优化计算，并将计算结果经由调度决策模块形成控制指令，经由通信系统下发至各设备，各设备经由自动化控制装置响应执行控制指令。

协调优化调度管理主站主要负责源荷储设备管理、维护与工况管理、事件与告警管理、控制调度决策的执行与管理、人机交互、数据管理、控制效果分析等工作。可在电力系统相关部门配置多台工作站，便于对现场各调控设备的远程维护。

GIS系统（或DSCADA系统）接口模块，主要负责与配电自动化系统中已有的地理信息系统（GIS）或配网SCADA系统交互数据，获取10 kV线路信息、变电站10 kV母线侧实时数据等信息，并在需要实时配电自动化系统提供相关数据。

负荷预测模块，根据来自线路各监测点实时的基础负荷数据信息，结合历史数据库，进行未来24 h的负荷预测，并将预测结果输送至协调调度决策模块。

储能及电动汽车管理模块，实时监测储能装置的功率输出、剩余功率状态，实时监测充电桩的充电功率，接收各充电桩的阶段性充电需求、当前充电模式以及参与调度的容量与时间限制。

协调调度决策模块主要根据来自负荷预测模块的24 h负荷预测信息，以及来自GIS系统的10 kV线路信息，来自储能及电动汽车管理模块的可调整资源信息，利用动态建模技术和优化计算方法，以1 h为优化计算间隔，自动生成优化结果及调度指令，将指令通过通信工具通过协调优化调度管理主站下发执行。

2 “源-荷-储”协调优化控制方法

主动配电网“源-荷-储”协调优化控制，是指利用通信手段在线实时收集全网或局部运行的数据，并结合历史数据进行日负荷预测，结合实时收集的电动汽车充电需求，通过主站的优化计算，对区域内补偿设备、充电桩、储能进行控制与调度，在保障电压合格的前提下，实现配电网运行的综合效益最大化。

在本策略中，对于储能和电动汽车充电2种灵活资源，若其接收电网统一调度控制，则根据其调度控制功率再给予相应的补偿。对于电动汽车，其接收调度前，已告知后台系统其可接受的充电时间及充电电量需求，以便后台系统的优化调度计划制定与实施。

2.1优化控制模型

源荷储协调优化控制以配电网运行的综合效益最大为目标，其数学函数进行如下介绍。

2.1.1 目标函数

式中： f为配电网的综合运行效益，即在阶梯电价下，用优化调度产生的网损降低效益与设备利用率提升效益之和，减去电动汽车、储能的调度费用；ΔCploss为因调度产生的网损经济效益；ΔCrc为因调度产生的电网设备利用率提升效益；ΔCv2g为因调度产生的电动汽车调度费用；ΔCess为因调度产生的储能调度费用。

调度产生的网损经济效益ΔCploss，指调度后比调度前优化的网损经济效益，即：

网损造成的经济损失Cploss可表示为：

式中：T为总运行时段数量；E为线路集合；(i,j)为线路lij；rij为线路lij的电阻；ℓt,ij为在时段t中线路lij的电流幅值的平方，ηt为综合售电电价。

因调度产生的电网设备利用效益ΔCrc，指调度控制后，配网设备利用效益有所提升，本文从2个角度进行这部分效益的衡量：其一从负载率角度，调度后比调度前负荷的峰值将会有所削减，这可以带来延缓配电网扩容升级改造的效益；其二从负荷率角度，调度后设备负荷曲线更加平滑，电网运行更加稳定，这部分效益将其作为提升因子纳入负载率提升效益中。具体可表示为：

式中：Lri为控制调度后负荷点i的负荷率变化值；为控制调度后负荷点i的峰值负荷大小差值；ci为变电站i的单位容量的投资费用；yi为负荷点i的变电站资金等年值系数；NTS为配电网中的变电站总数。

因调度产生的电动汽车调度费用ΔCv2g，指利用充电费用优惠进行电动汽车调度，可用调度后比调度前少收取的电动汽车充电费用进行计算，即：

电动汽车充电费用Cv2g可表示为：

因调度产生的储能调度费用ΔCess，指调度后比调度前多支付的储能放电费用与储能少收取的充电费用之和，可表示为：

储能充放电费用Cess可表示为：

2.1.2 约束条件

（1）功率平衡约束

式中：N为节点集合；对于任意(i,j)∈E，线路lij的阻抗为zij=rij+jxij，且有 yij=1 zij=gij-jbij；Iij为由节点i流向节点j的线路电流幅值；Vt,i为在时段t中节点i的电压幅值；vj,t为在时段t中节点j的电压幅值的平方；、和分别为发电机、负荷和光伏电源的注入有功功率；、和分别为发电机、负荷和光伏电源的注入无功功率；Sij,t=Pij,t+jQij,t表示在时段t中线路始端节点的复功率，且由节点i流向节点j。

（2）节点电压约束

式中：Vi,min和Vi,max分别为节点i的电压幅值下界和上界。

（3）分布式电源出力约束

式中：QDG,i为分布式电源i运行时发出的无功功率；φ为分布式电源运行时的功率因数角。

（4）电容器运行约束

式中：Qcb,i为分组投切电容器组运行时发出的无功功率；k为分组投切电容器组的组数，取值范围为0～Ki；为在单位标幺电压下，分组投切电容器组投运一组电容时发出的无功功率；ΩCB为含分组投切电容器组的节点集合。

（5）电动汽车充电限制约束

（6）储能充放电状态约束

在正常运行时，储能设备通常处于以下3种运行状态之一：充电状态、放电状态和不充放电状态。储能设备的充放电状态约束可表示为：

该控制模型的物理含义是，通过对配电网无功补偿、储能、电动汽车等设备资源进行优化调度，在配电网及设备运行的约束条件下，实现配电网运行的综合效益最优。

2.2 实现步骤流程

基于上述提出的协调优化控制模型，结合主动配电网源荷储协调控制架构，本文提出的“源-荷-储”协调优化控制流程如图2所示，具体步骤为：

（1）采集计算区域当前运行数据，结合历史数据形成未来24 h预测负荷曲线；

（2）按照10 kV配电线路单线图及当前的运行方式建立配电线路计算模型；

（3）结合当前储能剩余容量信息、功率信息及电动汽车充电需求信息、受调度响应信息，形成优化计算参数；

（4）构建协调优化控制模型，调用成熟工程软件包的分支定界方法进行求解；

（5）计算得到各个补偿点未来24 h、储能充放电功率及时间、充电桩充放电功率及时间，将第1个小时的计算结果形成为控制指令下发，1 h后重新执行步骤（1），进行循环优化。

图2 优化控制流程

3 算例分析

本文应用IEEE33节点模型，验证所提协调控制方法的有效性，线路模型如图3所示，参数设置如表1所示。

图3 IEEE33节点系统示意图

表1 “源-网-荷-储”仿真数据设置

选用负荷曲线、光伏出力曲线如图4所示。分别进行以下2种场景的仿真：（1）采用传统控制策略，电动汽车根据用户需求进行恒功率充电，储能作为应急电源，不参与日常电网调度，无功补偿装置控制补偿点补偿功率因数在0.90及以上；（2）采用本文提出的协调优化策略，调节储能充放电、电动汽车接入以及无功补偿装置。仿真结果如图5、6所示。

图4 负荷功率及光伏出力曲线

图5 两种控制模式下的馈线有功负荷

图6 两种控制模式下节点30的电压

由图5、6可以看出，采用协调优化策略，根据电网综合效益指标进行调控，电动汽车以及储能在保持经济效益的同时，可以最大限度地削峰填谷，负荷曲线趋于平稳，电容器进行协调无功补偿，减少了线路无功远距离传输，降低了节点电压的波动。而传统控制策略下，用户与电网仅满足自生或并网点的需求，使得负荷曲线有较大的波动。同时在中午时分，由于负荷与光伏出力时序上的不同，造成了有功功率的倒送，光伏并网点以及附近节点的电压偏高，而在晚间用电高峰出现了电压越下限的情况。

如表2所示，相比之下协调优化策略能更好地改善电气指标，具有较好的配电网控制效益，配电网效益提升约6%。

表2 两种策略下综合运行效益对比

4 结束语

本文在主动配电网分布式电源、储能、电动汽车大量接入背景下，设计了主动配电网源荷储协调控制系统架构，提出了一种考虑配电网综合运行效益的“源-荷-储”协调优化控制方法，构建源荷储协调控制模型。运用IEEE33节点模型进行本文方法与传统控制方法的仿真对比，结果表明，本文所提方法可以有效地削峰填谷、提升配电网电压质量、提升配电网综合运行效益，可为配电网源荷储运行控制提供重要的参考价值。