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消纳高占比可再生能源的智能配电网规划关键技术  

2016-08-08 11:25:09|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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文章基于CIRED2015Session5中的相关文献,首先介绍了消纳高占比可再生能源的主要智能配电网规划技术;其次给出了智能配电网规划的投资策略案例;最后介绍了新型配电网规划和仿真工具及其研发的必要性,以期为中国智能配电网的规划与发展提供参考与借鉴。

  引言

  智能电网的特点是具有较高的自适应性、弹性和可靠性。与传统电网相比,用户的参与程度更高。为实现智能用电,可以通过在用户侧安装智能电表、利用通信和计量等技术跟踪用电量随时间的变化规律,有利于削减高峰时段的负荷,这一切都依赖于智能配电网规划的实施。

  传统规划的对象是常规、单向、无源的配电网。在此基础上,智能配电网规划充分评估了影响供电可靠性的各种风险和因素,利用各种智能化技术,一方面降低最大负荷,提高可再生能源的接入容量,最终实现对高占比可再生能源的消纳;另一方面更加有效地利用现有基础设施,延缓对一次网络容量的投资,使供电更加经济、安全、可靠。

  目前,配电网规划及其运行之间的界限越来越模糊,所以如何在规划中有效地考虑电网运行特性和要求也越来越成为国内外学者高度关注的一个研究领域。通过构建更加精确、随时间变化的电源与负荷模型将运行问题结合在规划中,不仅能够有效缓解电网投资压力,而且能够提高电网调整的灵活性;因此,考虑运行的智能配电网规划是发展智能电网的基本途径。

  CIRED成立于1971年,是国际供电领域技术和管理方面最有影响力的学术会议。近年来一直致力于6个方向的研究:网络元件、电能质量、运行控制和保护、分布式能源、配电系统规划和配电网运营商(DSO)监管。

  2015年会议的配电系统规划方向(CIRED2015-S5)主要讨论4个议题:风险评估和资产管理、网络发展、配电网规划、规划方法及工具。

  本专题系列共包含7篇文章,分别从不同侧面介绍了CIRED2015-S5中涉及配电网规划技术的最新进展,其目的是为消纳高占比非水可再生能源提供方法和思路。系列文章之一基于CIRED2015-S5议题1总结了各国配电系统采用的风险评估和资产管理策略,提出配电网消纳高占比可再生能源的风险管控方法;系列文章之二基于议题2着重探讨和研究了配电网的技术发展方向,以便能够更经济、安全和可靠地消纳高占比可再生能源。本文为系列文章之三,主要围绕议题3的第5部分智能配电网规划进行讨论。

  本文介绍了几种主要的智能配电网规划技术,包括动态调整分布式能源接入容量,动态削减DG发电出力,动态评估需求侧响应容量价值,基于高级量测系统(AMI)的智能配电网规划,以及配电网络与通信网络协同仿真。此外,还介绍了一些智能配电网规划的投资策略案例,最后对新型配电网规划与仿真工具的研发提出了新的需求。

  本文介绍的这些技术基于以下思想:通过在规划中考虑运行要求,实现高占比可再生能源的消纳以及在某些情况(如网络改造)下延缓电网一次设备的投资,这与国际大电网会议(CIGRE)中的主动配电系统规划(C6.19)所介绍的研究成果以及CIRED之前所提出的新型配电规划框架是一致的,其中的一些主要思路也已经在国际上的配电公司得到了实际应用。

  1.动态调整分布式电源(DG)接入容量的技术

  要提高DG发电量占比,就必须提高DG的接入容量。由于可再生能源发电的间歇性,其实际运行小时数只有1000~2000h,约为传统电源运行小时数的1/4左右,相应地,如果希望DG发电量占比达到20%,则DG接入容量占比就必须至少达到80%。

  传统配电网规划在确定大量接入配电网的分布式电源容量时,其基本要求是应尽量避免网络阻塞,所以网络结构是按负荷需求来设计的,而传统电网的最大容量约为最大负荷的2倍,并且必须满足N-1准则,可见如果按照传统规划和运行的方法处理大规模分布式电源的接入,就需要扩大网络容量规模,这样就会造成很多设备在大部分时间内是闲置的,极大地浪费了资源,并且当前配电网络的监测控制设备尚未具备应对随机发电及随机负荷的能力,所以也可能无法满足空间资源和可靠性的需求。

  如图1所示,利用智能化技术可以在保证可靠性的同时有效地降低峰值负荷,从而达到延缓对电网一次设备投资的目的。如果期望在尽可能不过多改造电网的情况下,保证大规模接入容量的DG能够以经济、安全和可靠的方式接入电网,那么在规划阶段就需要充分考虑运行时如何动态地调整DG的发电出力。


图1智能化技术延缓电网一次设备投资的效果

  文献[5]提出了一种新颖的设计方法和规划技术,在考虑控制系统性能的同时,通过调整DG的发电出力水平来增加网络的接纳能力,并且不需要为大规模的新基础设施进行投资;该方法和技术在法国配电公司(ERDF)得到了实际应用。如前所述,规划和运行之间的界限变得越来越不明显,而有效的规划方法必须考虑运行需求。该文献正是在此原则下独创地将规划中的时间序列方法运用到了概率计算中,但也正如作者指出,在很多国家(例如法国),概率性方法应用的可行性、合理性以及合法性仍然是悬而未决的问题,还仍然有很长的探索道路要走。

  2.动态削减DG发电出力的技术

  目前可再生能源的投运方式基本上有3种:①定时方式,即在特定的时间内削减发电;②软联动(电力电子开关)跳闸方式,即利用可移动设备释放可能过载的容量;③主动网络管理方式,即在满足当前配电网所有约束条件的基础上对容量进行全面优化。这3种新的投运方法均比传统的配电网改造费用低,但都取决于对量测技术和信息通信技术(ICT)的应用模式。

  文献[6]在结合文献[5]研究成果的基础上,描述了如何在规划之中考虑不同的动态削减发电出力方法。不同削减策略的比较如表1所示,文中利用测量功率和短期预测功率来削减DG发电出力,证明了在简单地削减DG发电出力的情形下,很容易保证电网运行的可靠性,即故障发生前就可以被修复。在分布式能源提供更多系统服务(如电压平衡、无功补偿等)的复杂主动配电系统区域内,则必须采用短期预测技术。

表1不同削减策略的比较

由于规划周期较长,考虑了未来峰荷发展和DG接入容量的变电站规划面临很大的不确定性和投资风险,所以必须进行风险评估。文献[7]在相同功率约束条件下,对投资变电站和削减配电侧DG发电出力两种技术方案进行了比较,给出了优化的折中方法。该文献以30MW变电站接入不同光伏容量(0、1、 9.5MW)的情形为例,对各种削减模式下延缓投资的效果进行了比较,结果如表2所示,与不削减DG容量相比,采用确定(定时)削减方式,投资年限可延缓 3.4年,投资费用可减少9.6万欧元;采用随机削减方式,投资年限则可延缓2.5年、投资费用可减少1.6万欧元。因为实际参数的随机特性会影响计算结果,所以真正的延缓投资效果主要取决于预测模型的精度。

表230MW变电站案例在不同削减模式下的延缓投资效果比较

  3.动态评估需求侧响应容量价值的技术

  需求侧管理(DSM)是智能配电网中的一项重要技术,集成分布式电源和需求侧响应的配电系统结构如图2所示。在延缓电网投资方面,DSM无需借用传统的扩充电网容量手段即可实现削峰填谷,有效地平衡本地电能的供需;并且采用DSM将使用户更加主动(activeusers),这也会降低对电网投资的需求;尤其是随着热泵和电动汽车的日益普及,负荷特性更加灵活,峰值负荷发生时间更加不确定,采用DSM技术来延缓电网投资的潜力更大。

图2为负荷群供电考虑需求响应的配电系统结构

  文献[8]在现有设计标准和配电规划方法的基础上,提出了一个评估需求侧响应(DSR)提高配网安全运行能力的新方法:首先随机选择DSR方案的运行域,其次用解析法计算与各方案对应的可靠性指标,在此基础上评估DSR的容量价值,最后在满足可靠性与经济性要求之间找到一个折中的解决方案。

4.基于高级量测系统的智能配电网规划

  在智能配电网中,所有客户服务点都会配置先进的数字仪表;这些仪表不仅可以进行双向通信,还可以进行远程连接和断开,记录波形、监控电压和电流等重要运行参数。高级量测系统(AMI)就是一个测量、收集、储存、分析用电信息的完整系统,它可以为配电网规划提供几乎所需要的一切数据,因此,利用AMI系统可以极大地提高配电网规划的科学性,从而使供电更加可靠,资产管理更加科学有效。

  由于智能仪表必须安装在用户家中或数据集总点(dataaggregatorpoints,DAPs),因此合理规划 DAP的位置就是采用AMI技术时的一项重要挑战。如果采用人工分析的方法,则计算成本高,实践难度大,尤其是针对高密度的居民区。文献[9]基于智能电表的信息处理数据和数据聚类技术,构建了一个DAP智能规划系统。该系统在给定电网节点和智能仪表的条件下,利用RF- Mesh(radiofrequencymeshtechnology)技术自动生成一个初始的优化规划问题,以通信路径最短(从而DAP数量最少)、信息覆盖面最广(从而量测数据最多)为目标,确定DAP的数量和位置,所有DAP和智能仪表均可实时操纵。通过对一个配置了29?000个电表和12? 000个电线杆的巴西电网进行实例分析,该系统的可行性得到了验证。

  5.配电网络与通信网络协同仿真的技术

  在智能配电网规划中,信息通信技术(ICT)的作用越来越重要;通信网络如果遭到破坏,会严重影响电力系统的可靠性和安全性。对现有配电网络和通信网络进行协同互动仿真,是研究智能配电网规划的合理途径。

  对 ICT的研究是个较为前沿的课题。文献[10]提出了一种应用于智能配电网规划的ICT模型,如图3所示。此模型主要分为两部分:基于场景的预选和基础设施规划。首先,不考虑网络和基础设施的具体情况进行预选,生成ICT技术方案通用集合和高层协议;其次,针对具体的能源网进行基础设施规划,确定若干 ICT技术方案;这两部分均依赖于由规划人员提供的外部数据,例如所定义的用例和对ICT的各种需求。最后,对两部分的输出进行成本效益分析,针对给定的外部数据确定合适的ICT技术方案。正如文献[10]所指出的,对ICT进行合理规划可以避免使用扩建电网的传统手段,延缓电网的一次投资。

图3配电网规划中的ICT模型

  6.智能配电网规划的投资策略案例

  在智能配电网的投资策略方面,CIRED2015-S5中展示了3个案例。其中文献[11]提出了一种策略投资模型(strategicinvestmentmodel,SIM),将其应用于英国电网的“灵活即插即用低碳网络(flexibleplugandplaylowcarbonnetworks,FPP)”项目中,确定配电网最优投资组合方案。研究案例是FPP试验区域中的33kV配电系统,涉及的智能技术包括动态线路定容、正交增压器、静态无功补偿器、新型保护系统、智能发电机控制、主动网络管理和智能商业模式等。 SIM将长期网络规划问题转化为一个混合非线性整数优化问题,其目标是在满足潮流平衡、线路热极限、电压极限、设备运行极限等约束条件下,使智能电网技术投资、传统网络设备投资以及在研究期内的运行成本总和最小。与传统方式不同,SIM考虑的运行条件比较全面,涉及各种DG输出和负荷组合,因此能够更准确地预测受网络约束影响的运行成本,从而能更准确地确定投资方案。算例分析结果表明SIM能够:①确定实现智能电网技术的最优投资组合方案和地点;②同时考虑采用智能技术和进行传统网络扩建,评估不同配网规划策略的长期成本效益;③给出最优运行策略和投资策略。

目前,法国配电公司(ERDF)正在研究如何利用发电侧和需求侧的灵活性来缓解电压、线路传输容量的限制,从而避免/延缓电网扩建的问题,文献[13]就此给出了一个通用框架(如图4所示),对常规的电网扩建方法和利用电网灵活性的方法进行技术、经济比较,选择成本效益最高的作为最终方案。发电、用电资源的灵活性是从容量、持续时间和频率等几方面来定义的,而这不仅需要负荷持续时间曲线,还需要随机时序负荷曲线,其预测方法也是ERDF目前正致力于研究的一个领域。在进行技术、经济比较时,主要是比较采用某方案所需要的成本和该方案能够减少电量不足期望值(ExpectedEnergyNotSupplied,EENS)所带来的收益,如果前者小于后者,则该方案是具有成本效益的。另外,文献[13]认为,虽然在有些情况下利用电网灵活性可能很难达到电网扩建后高可靠、高质量的供电,但是如果能够获得较好的成本效益,利用电网灵活性来推迟电网扩建也是合理的。

图4利用电网灵活性延缓投资的分件方法

  文献[14]介绍了俄罗斯Bashkortostan配电网的规划过程。在对现状电网进行充分调研、分析的基础上,定义了4个电压等级、拓扑结构、自动化水平、可靠性改善程度、网损减少程度各不相同的规划方案,并针对6种网络改造策略进行了技术、经济效率分析,这6种策略分别是利用GIS开关优化网络结构,网络电压升级,网络自动化,结构优化+网络自动化,网络电压升级+高端网络自动化,安装智能仪表,重构400V电网。分析结果表明,利用现有的6kV、 10kV设备,GIS技术,网络自动化来改造网络,可以在10年后完全回收投资。文献最终确定了最优规划方案,并且给出了智能电网渐进发展的详细路线图。

  7.新型配电网规划与仿真工具

  随着智能电网和主动配网理念的发展,越来越有必要开发新型电网仿真和规划工具,以便于同时评估传统电网建设方案和智能电网建设方案的优缺点,并为形成主动配网管理运行策略和在电网规划决策中考虑主动配网要素提供有价值的参考依据。然而,目前仍然缺乏工业级仿真、分析和优化工具,文献[15]提到的新型仿真平台DPG.sim(distributedprosumerandgridsimulation)则弥补了这方面的空白。DPG.sim的特点是对产消者有多种建模方式,从而能够体现出所有建模细节以及可控负荷、分布式电源、储能、智能仪表通信设施的运行约束。文中利用该平台为瑞士苏黎世EKZ的部分配网提供规划方案,从技术性能的角度对使用电网建设方案和智能电网建设方案(如削减负荷、储能、无功控制等)进行了仿真和评估。

  为了辅助智能电网规划人员确保系统运行的安全性,可靠性以及供电质量,需要开发综合全面的新工具。文献[16]通过对智能技术及其交互方式进行分类,设计了一个专为智能电网规划人员量身定做的工具箱架构(如图5所示)。规划人员在确定电网建设和馈线重构方案时,并非像传统做法那样只考虑峰荷,而是同时考虑分布式电源(DG)、移动式存储和需求侧管理(DSM),这样得到的方案更具成本效益。通过可再生能源和静态储能相互配合可以削峰填谷,增加网络容量;充电站的电动汽车耗电量受实时电价变化的影响,因此可作为DSM的一部分;各类储能设备可被用来提升电能质量,因此可被视为有功/无功功率源;一次能源市场运行人员在拥有发电和储能资源的输配电运行人员之间进行协调优化,得到实时电价,通过AMI提供给用户。此工具箱的理念和结构尚未成熟,还需在未来的研究工作中进一步完善。

图5规划人员的工具箱结构

在研究配网规划工具和优化方法时,必须适应智能电网带来的新挑战。文献[17]较为全面地研究了配网规划方法的最新发展,其目的是提供一个参考起点,便于那些希望在规划过程中结合新理念、新技术的人开发出一个能经得起未来检验的智能规划分析工具。首先,随着分布式可再生能源和智能技术的发展,对负荷需要从确定性建模转变为更精确、更随机地建模;其次,在智能电网扩建方面迄今为止只有为数不多的几个规模较小的案例可供参考,因此在分析成本效益时必须考虑很多不确定因素;最后,一个现代化的规划方法必须结合电力市场,实现所有利益相关者的收益最大化,然而性质各异、数量众多的利益相关者往往持有相互矛盾的目标,这些都是在智能电网环境下开发新规划工具和优化方法时必须解决的问题。

  文献[18]针对中、低压配网提出一种基于遗传算法(geneticalgorithm,GA)的规划方法,如图6所示。第一步,根据不同的供用电要求以及实际电网特征,生成特征各异的网络结构;第二步,利用GA方法针对每种网络结构得到最优的传统建设方案和智能建设方案;最后,对所得方案进行评估比较。运用GA算法时,每种符合运行约束要求的电网配置方案都作为一个个体,每次迭代时,以各种网络成本(适应度函数)最小为目标,先随机挑选两个个体进行交叉生成新个体,然后以减小成本为原则修改个体(变异),变异后计算潮流以验证网络约束是否越限,如果越限,则通过扩建线路等措施修改个体,或回退到变异之前的初始状态;此过程不断继续,直到满足收敛判据。另外,该方法还采用了所谓智能操作(smartoperator)来改善GA求解效率不高的缺陷,即利用一些有效措施(如中低压变压器分接头切换和线路扩建相结合)对当前结果进行智能化修正,加速找到最优解的过程。

图6应用于中低压配电网络规划的遗传算法

  8.结语

  本文介绍了各种能够延缓一次网络设备投资的智能配电网规划技术,包括动态调整分布式电源接入容量、动态削减DG发电出力、动态评估需求侧响应容量价值、基于高级量测(AMI)的规划技术以及配电网络与通信网络协同仿真的技术等;通过采用这些运行手段,可以在无需进行大规模电网投资的条件下增加网络对高占比可再生能源的消纳能力,同时保证网络的安全性。

  未来智能配电网规划的发展应侧重于以下几个方面:①构建合理的、具有足够精度的发电/用电模型,模型中必须考虑与规划相关的运行因素以及不确定因素;②确定实施智能电网规划方案的成本和收益;③在规划中结合电力市场,使得目标各异的参与方利益最大化。本文主要针对第②个方面给出了几个实际投资策略案例。

  由于不确定因素和风险的增加,在智能电网规划中采用传统的串行潮流计算已无法准确评估电网的临界条件,而必须采用基于AMI测量值的时间序列方法,这意味着研发新型配电网规划与仿真工具迫在眉睫,本文列举了CIRED2015-S5 中提到的一些仿真平台和思路,但具体的负荷与网络建模方法、规划方法、评估方法等将是本系列文章之四所重点讨论的问题。

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