智慧能源管理平臺(tái)：破解高比例新能源配電網(wǎng)運(yùn)行難題

隨著新能源在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，源荷跟蹤的穩(wěn)定性問題日益突出。本文針對(duì)高比例新能源接入下配電網(wǎng)源荷自動(dòng)跟蹤問題展開研究，提出了一種基于配電調(diào)度參數(shù)優(yōu)化和源荷基波提取的自動(dòng)跟蹤方法。通過建立高比例電量輸入比計(jì)算模型和配電網(wǎng)源荷陣列數(shù)學(xué)表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)源荷信號(hào)的跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效控制源荷信號(hào)的幅值突變，將傳輸幅值控制在150V以內(nèi)（低于165V的額定突變值），顯著提升了配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，本文結(jié)合安科瑞EMS3.0能源管理系統(tǒng)方案，探討了其在新能源接入配電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為智能配電網(wǎng)建設(shè)提供了新的技術(shù)思路。

0 引言

隨著"雙碳"目標(biāo)的推進(jìn)，新能源在電力系統(tǒng)中的占比持續(xù)攀升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年我國新能源發(fā)電量占比已超過35%，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到40%以上。然而，高比例新能源接入給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是源荷信號(hào)的幅值突變問題日益突出，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法在應(yīng)對(duì)源荷不確定性和隨機(jī)性方面表現(xiàn)不佳，亟需開發(fā)新的自動(dòng)跟蹤技術(shù)。

1 建設(shè)背景

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，以太陽能、風(fēng)能、等為代表的新能源在電力系統(tǒng)中的占比逐年提升。高比例新能源接入已成為現(xiàn)代配電網(wǎng)的重要特征之一，其在提高能源利用效率和減少碳排放方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，新能源的間歇性和波動(dòng)性也給配電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在源荷（電源與負(fù)荷）信號(hào)的動(dòng)態(tài)匹配方面。

在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，源荷信號(hào)的幅值突變是一種常見現(xiàn)象。當(dāng)突變幅值超過可控范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)主機(jī)無法跟蹤源荷信號(hào)，進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法，如考慮源荷兩側(cè)不確定性及其相互影響的規(guī)劃方法或基于隨機(jī)性的電網(wǎng)規(guī)劃方法，雖然在部分場(chǎng)景下能夠緩解這一問題，但在高比例新能源接入的復(fù)雜環(huán)境下，其跟蹤能力和適應(yīng)性仍顯不足。因此，如何在高比例新能源接入條件下實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)源荷信號(hào)的跟蹤，成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究的重要課題之一。

2 考慮高比例新能源接入的源荷狀態(tài)識(shí)別

高比例電量輸入比是指新能源電量在配電網(wǎng)輸入電量中所占的比例，比例越高，表示配電網(wǎng)環(huán)境中由新能源供應(yīng)所產(chǎn)生的電力信號(hào)總量越多。對(duì)于局域性配電網(wǎng)組織而言，通過以新能源代替常規(guī)能源，既能提高電量信號(hào)的利用效率，也可以保證負(fù)荷電量的傳輸質(zhì)量。

設(shè)δ表示電力電量信號(hào)標(biāo)記系數(shù)，aδ表示基于參數(shù)δ的新能源電量消耗向量，ΔD表示新能源電量信號(hào)的單位累積量，S表示新能源電量信號(hào)的實(shí)時(shí)接入特征。聯(lián)立上述物理量，可將高比例電量輸入比計(jì)算式表示為：

配電調(diào)度是根據(jù)高比例電量輸入的條件，調(diào)節(jié)配電網(wǎng)組織中電量傳輸信號(hào)的配比關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，配電網(wǎng)源荷跟蹤的主要目的是解決電量幅值突變的問題。在進(jìn)行配電調(diào)度后，新能源電量的占比越高，電量幅值突變的發(fā)生幾率就越小。因此，完成配電調(diào)度就是利用相關(guān)源荷向量來確定調(diào)度參數(shù)的取值結(jié)果。

規(guī)定d表示標(biāo)準(zhǔn)配電系數(shù)，其計(jì)算式如下：

式中，χ表示電量傳輸信號(hào)的傳輸系數(shù)，g表示新能源電量信號(hào)的配比參數(shù)。

求解配電調(diào)度參數(shù)的過程中，d≠0,A ≠0的不等式取值條件恒成立。聯(lián)立式（1）、式（2），可將配電調(diào)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，α表示新能源電量的傳輸配比參數(shù)，f表示配電網(wǎng)源荷電量的負(fù)荷參數(shù)，hˉ表示新能源電量傳輸信號(hào)的傳輸均值，β表示電量傳輸信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)度參數(shù)。

配電網(wǎng)源荷狀態(tài)識(shí)別函數(shù)是在高比例新能源接入條件下，電網(wǎng)主機(jī)規(guī)劃源荷信號(hào)所遵循的處理原則。對(duì)于配電網(wǎng)源荷狀態(tài)識(shí)別的求解涉及電量傳輸信號(hào)的高比例接入量γ、配電網(wǎng)中的電量傳輸信號(hào)消耗量φ，源荷狀態(tài)識(shí)別函數(shù)具體計(jì)算式如式所示：

式中，L表示高比例新能源接入源荷信號(hào)潮流量。在電量傳輸信號(hào)的單位傳輸周期內(nèi)，高比例新能源接入電量傳輸信號(hào)潮流量越大，配電網(wǎng)組織所承擔(dān)的電力運(yùn)行壓力就越大。因此為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)組織的規(guī)劃，應(yīng)使高比例新能源的輸入保持穩(wěn)定且為持續(xù)的狀態(tài)。

3 配電網(wǎng)源荷的自動(dòng)跟蹤

源荷陣列數(shù)學(xué)表達(dá)式能夠描述高比例新能源接入電量信號(hào)在配電網(wǎng)環(huán)境中的傳輸能力。陣列可以理解為電量數(shù)據(jù)的矩陣序列，其中電量信號(hào)的排列形式?jīng)Q定了配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)電力負(fù)荷參量的跟蹤處理順序。

設(shè)O?表示高比例新能源接入源荷信號(hào)的排列特征，ε表示配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)于電力負(fù)荷參量，?表示源荷信號(hào)序列，pmin表示源荷電力信號(hào)的帶電量，pmax表示源荷電力信號(hào)的帶電量。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），推導(dǎo)配電網(wǎng)源荷陣列的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，?ε表示源荷信號(hào)序列。源荷基波反映了高比例新能源接入下配電網(wǎng)源荷信號(hào)的波動(dòng)特性。在配電網(wǎng)環(huán)境中，源荷基波會(huì)保持波動(dòng)變化的狀態(tài)，其大值不會(huì)超過源荷信號(hào)功率參數(shù)的大值，小值也不會(huì)低于源荷信號(hào)功率參數(shù)的小值。假設(shè)i表示高比例新能源接入下配電網(wǎng)電量信號(hào)的基頻功率參數(shù)，其計(jì)算式如下：

式中，η表示源荷信號(hào)在配電網(wǎng)環(huán)境中的傳輸效率，U表示源荷信號(hào)的額定電壓數(shù)值，I表示源荷信號(hào)的額定電流數(shù)值，R表示配電網(wǎng)組織的內(nèi)阻數(shù)值。

聯(lián)立式（5）、式（6），可將高比例新能源接下配電網(wǎng)源荷基波提取條件表示為：

式中，λ表示基波頻率定義項(xiàng)，Pj表示高比例新能源接入下第j個(gè)配電網(wǎng)源荷信號(hào)的額定輸出功率，E表示源荷信號(hào)的帶電量參數(shù)，且P0≠0、E≠0的不等式取值條件同時(shí)成立。

跟蹤向量影響配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)高比例新能源接入下源荷信號(hào)的跟蹤與處理能力。其取值屬于(-∞,0)時(shí)，表示源荷信號(hào)的傳輸方向?yàn)樨?fù)；其取值屬于(0,+∞)時(shí)，表示源荷信號(hào)的傳輸方向?yàn)?/span>正[15-16]。對(duì)于跟蹤向量的求解參考如下表達(dá)式：

式中，ΔQ表示高比例新能源接入下源荷信號(hào)的單位帶電強(qiáng)度，μ表示配電網(wǎng)環(huán)境中的源荷信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤參數(shù)，ν表示源荷信號(hào)的傳輸向量，C表示配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)高比例新能源接入下源荷信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤特征。

當(dāng)源荷信號(hào)傳輸方向與高比例新能源信號(hào)傳輸方向相同時(shí)，配電網(wǎng)環(huán)境中點(diǎn)電荷的單位累積量也相對(duì)較多。在執(zhí)行跟蹤指令時(shí)，配電網(wǎng)主機(jī)所需識(shí)別的基波參量也會(huì)就隨之增多。

4 實(shí)例分析

文中實(shí)驗(yàn)通過研究源荷信號(hào)在單位傳輸周期內(nèi)的幅值突變次數(shù)，來分析配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)源荷信號(hào)的跟蹤能力。選擇高比例新能源接入下的配電網(wǎng)源荷自動(dòng)跟蹤方法、考慮源荷兩側(cè)不確定性及其相互影響的配電網(wǎng)規(guī)劃方法和計(jì)及源荷隨機(jī)性的電網(wǎng)規(guī)劃方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

源荷信號(hào)是一種常見的帶電信號(hào)，其傳輸行為受到電量幅值的直接影響。一般情況下，在配電網(wǎng)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的情況下，電量幅值越大，源荷信號(hào)的帶電能力越強(qiáng)。

幅值突變是一種難以避免的源荷信號(hào)傳輸現(xiàn)象。針對(duì)所選定的信號(hào)對(duì)象，其在某一位置處的幅值水平若具有突變特征，但并未超過額定突變值，則表示該類型突變屬于源荷信號(hào)的可控性幅值突變行為，不影響配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)源荷信號(hào)的跟蹤能力；若信號(hào)幅值具有突變特征且超過額定突變值，則表示該類型突變屬于源荷信號(hào)的不可控幅值突變行為，影響配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)源荷信號(hào)的跟蹤能力。

5安科瑞智慧能源管理平臺(tái)概述

AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)是針對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺(tái)，對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動(dòng)、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動(dòng)態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲(chǔ)充資源之間的靈活互動(dòng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應(yīng)，是虛擬電廠平臺(tái)的企業(yè)級(jí)子系統(tǒng)。

圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)主界面

平臺(tái)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-充"各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關(guān)采集測(cè)控裝置、光伏、儲(chǔ)能、充電樁、

常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化控制，促進(jìn)新能源消納的同時(shí)降低對(duì)電網(wǎng)的至大需量，使之運(yùn)行安全。

圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)功能

1.能源數(shù)字化展示

通過展示大屏實(shí)時(shí)顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)行情況。

2.優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲(chǔ)能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲(chǔ)能和可控負(fù)載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對(duì)比等。

3.智能預(yù)測(cè)

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對(duì)光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際功率進(jìn)行對(duì)比分析，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。

4.能耗分析

采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對(duì)標(biāo)，并折算標(biāo)煤或碳排放等。

5.有序充電

系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。

6.運(yùn)維巡檢

系統(tǒng)支持任務(wù)管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。

設(shè)備選型

除了智慧能源管理平臺(tái)外，還具備現(xiàn)場(chǎng)傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，組成了完整的“云-邊-端"能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護(hù)和監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級(jí)的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務(wù)能力。

安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運(yùn)維云平臺(tái)、能源綜合計(jì)費(fèi)管理平臺(tái)、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)、充電樁運(yùn)營管理云平臺(tái)、智慧消防云平臺(tái)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，打造準(zhǔn)確感知、邊緣智能、智慧運(yùn)行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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