源網荷儲互動的主配一體調度控制系統研究

黃天意，李晨昕，劉玥伶，劉登偉，李健華，劉治凡，胡 悅

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司, 四川 成都 610021)

0 引 言

由“源隨荷動”的調度模式，向源網荷儲協同控制模式轉變，是構建新型電力系統的理論基礎。隨著高比例分布式電源、柔性負荷、儲能系統的接入，傳統無源配電網逐漸過渡到有源配電網，其功率優(yōu)化特性發(fā)生了變化。主網的功率優(yōu)化計算需要計及配電網的有功、無功功率支撐，配電網的功率優(yōu)化也需要主網提供支持，因此傳統的主配網相對獨立的調度控制模式不再適用。為充分體現主配網的相互作用，亟需開展主配一體調度控制系統，支撐主配網廣域范圍內的源網荷儲友好互動，從而實現新能源的大規(guī)模消納，助力“雙碳”目標的實現。

目前，國內外學者對主配一體調度控制系統的架構進行了大量的研究，文獻[1]對傳統地區(qū)調度控制系統的架構及功能進行分析。文獻[2-4]對分布式電源接入的源網荷儲優(yōu)化控制方法及調度體系進行概述。文獻[5]對集中式、分布式和離散式等不同的主配一體調控系統進行了介紹，并說明不同模式的優(yōu)劣勢。文獻[6]研究了一種平臺和模型統一的主配一體調控系統，其應用功能采用分布式和一體式結合的方式，但未對應用功能的適用場景進行分析。文獻[7]研究了統一支撐平臺的強耦合主配一體調度控制系統，對于功能在云端與就地部署的模式未進行詳細分析。文獻[8]提到了云端部署的主配協同調度控制系統，但缺乏對于源網荷儲互動及場景的研究。

下面提出了考慮源網荷儲友好互動的主配一體調度控制系統建設方案。首先，介紹了兩種常見的主配一體調度控制系統建設模式，并說明其對源網荷儲接入的適用性；在此基礎上，提出一種云端與就地部署結合的主配一體調控系統技術架構，說明調度生產系統相關應用的部署形態(tài)(云端或就地)；最后提出主配一體化系統的實施路徑，分析主配一體系統在源網荷儲應用場景下的技術支撐作用。

1 主配一體運行模式

1.1 松耦合模式

松耦合模式是主配一體系統最常見的運行模式，主網和配電網采用相互獨立的兩套調度控制系統，服務器、存儲等資源獨立配置，基于各自的支撐平臺完成主網和配電網的運行監(jiān)視和狀態(tài)管控。配電網系統采用CIM/E/CIM/G數據格式向主網系統轉發(fā)圖模信息，再由主網系統實現主配一體的全網模型拼接。主網系統通過前置服務器采集主網變電站、發(fā)電廠的量測及狀態(tài)信息，配電網中壓側饋線及站房數據由配電網系統轉發(fā)，配電網低壓側配電變壓器及點表數據由用電采集主站轉發(fā)。主網系統向配電網系統轉發(fā)主網的端口阻抗、潮流等計算結果，對配電網解合環(huán)計算等分析應用提供支撐?；谥骶W系統轉發(fā)出口電壓、用戶負荷功率等數據，準確計算配電網開關站、環(huán)網柜母線節(jié)點電壓以及配電分支線路電流、功率分布，從而實現主配一體調控。

這種模式下，主配網系統之間存在圖模、遙信、遙測以及分析計算結果等大量數據的轉發(fā)。在分布式電源、可調負荷、電動汽車等源網荷儲資源大規(guī)模接入系統的情況下，基于主配網數據實現的分析校核類應用存在較大的延時，難以支撐運行監(jiān)視和自動控制等實時性業(yè)務的需求。除此之外，系統間的模型維護工作較復雜，為調度運行人員的日常操作帶來不便。

1.2 緊耦合模式

緊耦合模式下，主網和配電網應用功能建設在同一個主站系統，硬件資源統一部署，主網和配電網量測及狀態(tài)數據均采用前置直采方式；主網與配電網的模型數據、運行數據、分析計算數據均可在本地數據庫實現共享，調度運行人員基于同一個操作界面完成日常調度任務。

緊耦合模式有分離式和集中式兩種部署形態(tài)。集中式主配網的實時監(jiān)視、自動控制和分析校核采用同一個全網模型，并作為同一個功能模塊來實現，主配一體調度達到了高度統一，主網和配電網的業(yè)務完全融合。分離式模式下主配網實時監(jiān)視、自動控制和分析校核相對獨立，主配網數據獨立采集，一方面通過模型拼接技術完成電網全模型的監(jiān)理；另一方面通過功能模塊的分析計算數據交互，實現主配一體化調度。

集中式應用模式適用于規(guī)模較小、量測及運行數據較少、分析計算難度小的電力系統。在大規(guī)模的源網荷儲資源納入調控范圍后，遙測、遙信呈現數量級的增長趨勢，集中式模式調控系統的實時數據處理能力面臨極大的挑戰(zhàn)，分析計算工作大幅度增加。分離式應用模式很好地解決了集中式主配一體調度控制系統實時性能低、吞吐能力不足、可擴展性差的問題，對于分布式電源、可控負荷等源網荷儲資源規(guī)模龐大、數據海量、自動化程度高的系統具有很好的適應性。因此，所提到的緊耦合模式均采用分離式應用部署的方式。

目前，主配一體均在地區(qū)范圍內實現，同級調度之間的聯系較薄弱，上下級調度機構也缺乏協同調度手段，不利于廣域范圍內源網荷儲友好互動，難以實現全省范圍內的新能源大規(guī)模消納。

2 云端與就地結合的主配一體系統建設方案

下面提出云端與就地結合的主配一體系統建設方案，在地調采用緊耦合運行模式，就地部署實時監(jiān)控、自動控制、網絡分析等實時性要求高的主配一體化應用，省調云端部署檢修計劃、運行評估、調度管理等實時性要求較低的省地配一體化應用。

省調搭建電網全景模型，準確地計及省級電網和地級電網的源網荷儲資源的相互影響，可有效提高分析決策的準確性，有利于在廣域范圍內實現源網荷儲友好互動。

2.1 技術架構

云端與就地結合的主配一體化系統架構如圖1所示。地調本地基于統一支撐平臺，在確保主配電網模型、圖形、數據一體化的基礎上降低主配應用之間的耦合度，保證主配網整體模型完整、不重復、邊界不泄露。結合云端功能建設，實現省、地、配電網之間的信息安全交互橋梁，實現信息融合與共享，解決主配網監(jiān)控信息孤立、模型數據冗余、業(yè)務無法協同等問題。

圖1 主配一體調控系統架構

本地的主網采集實現對主網范圍內的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)數據以及非電量數據、保護數據和煙氣、氣象等數據的采集與處理。主網監(jiān)控實現對主電網一、二次設備全面監(jiān)視，融合各類分析計算結果，向全系統自動推送系統級故障告警及處置策略，協同全網多級調度聯合開展故障處置。主網分析主要包括模型驗證、狀態(tài)估計、潮流計算、靈敏度分析、可用輸電能力分析、安全約束調度、無功電壓優(yōu)化、靜態(tài)安全分析、短路電流計算、短路比分析、負荷聚合及可調節(jié)能力評估等功能。主網自動控制通過全局優(yōu)化分析結果閉環(huán)控制，實現對電網頻率、電壓和潮流的優(yōu)化自動控制。

本地的配電網采集實現對配電網范圍內的饋線段、母線、斷路器的一、二次設備等數據的采集與處理。配電網監(jiān)控實現對配電網的狀態(tài)監(jiān)視、遠方控制防誤閉鎖、拓撲著色、操作票等功能。配電網分析實現配電網狀態(tài)估計、潮流計算、解合環(huán)分析、負荷轉供分析、供電風險分析、網絡重構及保供電分析。配電網故障處置實現饋線自動化、單相接地故障分析、配電網故障智能告警及配電網仿真測試。

在省調云端部署檢修計劃和培訓仿真主配一體化應用功能，檢修計劃可實現主配一體的檢修計劃校核、方式安排以及檢修時間窗調整等功能。培訓仿真可實現多級電網調控運行人員開展電網協同監(jiān)視、跨區(qū)故障協同處置、多級調度故障預案聯合執(zhí)行、源網荷優(yōu)化協調、省地負荷協同控制、新能源跨區(qū)消納等仿真模擬。

2.2 主配一體化系統的實施路徑

在地調本地，主網應用和配電網應用基于同一的數據庫和支撐平臺進行快速和大量的主配網數據交互，并結合省調云端部署的檢修計劃數據，實現主配一體化監(jiān)視、一體化分析以及一體化控制。

如圖2所示，主網監(jiān)視模塊向配電網監(jiān)視應用發(fā)送主網量測及事故信號，配電網監(jiān)視依據主配一體的電網拓撲分析和主配一體方式計劃運行數據，實現主配一體的供電范圍、供電路徑以及線路合環(huán)著色。配電網分析依據實時運行數據，進行主配一體轉供路徑分析，對存在負荷失電風險的母線及相關路線發(fā)出警告，同時提供一體化調控策略和分析結果，并將命令傳輸至故障處置應用執(zhí)行。配電網故障處置應用利用主配一體的潮流計算和負荷轉供功能，自動分析設備故障后的故障診斷分析結果，并提供停電恢復方案，實現輸配協同的故障預案在線編制、預演校核、事件匹配推送和斷路器操作序列的一鍵控制。

圖2 主配一體調控系統數據流

主網分析依據配電網量測、轉供策略、事故信息以及云端檢修計劃的相關數據，實現主配一體的潮流計算、靈敏度分析、可用輸電能力分析、安全約束調度，為充分考慮配電網源網荷儲對主網調度運行決策的影響。主網自動控制基于饋線控制、分布式電源控制等數據，并獲取實時斷面限額、靈敏度、優(yōu)化信息和越線調整信息計算常規(guī)機組發(fā)電和電壓控制目標，并優(yōu)化新能源有功功率自動控制目標和網源荷儲有功功率協同控目標。

省調云端部署的檢修計劃應用，通過主網檢修數據以及自動發(fā)電控制系統(automatic generation control，AGC)控制目標等計算配電網設備停電及供電電源電變化的分析校核結果，并依據配電網檢修計劃結果計算主網設備過載的分析校核結果。基于主配網一體化負荷轉供，自動生成檢修設備的轉供方案，并考慮制定時間段的主配網多個檢修計劃的互斥、重復停電等影響，結合主配一體的網絡分析，優(yōu)化主配網檢修時間安排。實現與調度管理、供電服務指揮等業(yè)務貫通，向營銷等專業(yè)推送計劃停電、運行風險和實時停電等信息。

省調云端部署的培訓仿真應用基于主配一體的潮流計算、仿真過程控制和教案制作，實現主網設備故障情況下主配網告警信號、失電范圍、負荷轉移和配電網自動化的協同仿真，支撐主配人員的培訓演練，實現省、地、配一體化的多級、多用戶聯合仿真，滿足多點、多場景聯合仿真的需求。

3 源網荷儲互動的應用場景研究

所提出的主配一體系統架構可基于省調云端部署的大數據和聚類分析等高級應用，全面感知分布式電源、儲能、電動汽車等可調節(jié)負荷的時空特性、響應特性，對重要用戶完整供電路徑進行識別，分析各電壓等級電源點冗余程度，評估供電可靠性及風險，從而構建源網荷儲協同互動的支撐功能，其應用場景如圖3所示。

圖3 源網荷儲互動應用場景

利用省調云端部署的源網荷儲有功協同控制應用，獲取省調現貨市場系統中電力市場、電網調峰、內部斷面過載等控制需求，通過全網內風光水、儲能和可調節(jié)負荷等新型調節(jié)資源的有功功率控制，實現電網頻率和內部斷面的安全穩(wěn)定運行以及市場出清結果的順利執(zhí)行。再基于主配一體AGC控制目標和主配網檢修數據計算源網荷儲的調節(jié)策略和調節(jié)計劃，并將這些優(yōu)化控制目標下發(fā)至各個地調控制系統。根據系統運行需求、電力市場交易品種及通信資源，制定不同時間尺度上的控制目標，可涵蓋超短期(未來5 min至多個小時，5 min顆粒度)、短期(未來1～8天，15 min顆粒度)和中長期(未來1月至1年，1 h顆粒度)。

地調主網應用根據云端數據進行負荷輔助決策分析并由負荷控制實現地方電廠、電源側儲能、工業(yè)大用戶等可調容量調節(jié)策略的下發(fā)，與配電網應用模塊交互可調資源控制策略等信息。結合配電網應用提供的源網荷儲各類聚合資源，根據電網當前及未來運行狀態(tài)，對電網運行方式進行優(yōu)化，并將計算出來的策略下發(fā)給配電網應用，由配電網應用進行控制。

地調配電網應用，建設負荷側資源聚合建模、監(jiān)視、控制等功能，實現分布式電源、充電樁、可控負荷等設備的監(jiān)視、分析和控制功能。配電網應用對不同類型、不同區(qū)域的可調節(jié)負荷資源進行匯集和優(yōu)化控制，解決可調節(jié)負荷資源數量多、種類多、部分單體容量偏小的問題。最后，基于云端和本地的主配網一體優(yōu)化控制目標和策略，完成源網荷儲協同優(yōu)化、柔性控制，從而實現了廣域區(qū)域主配一體化控制。

4 結 論

前面立足于“雙碳”戰(zhàn)略和建設新型電力系統的背景，針對源網荷儲協調優(yōu)化問題，提出一種主配一體調度控制系統建設方案，以云端部署和本地部署相結合的形式，在廣域范圍內實現源網荷儲協同優(yōu)化互動，有效提升源網荷儲間的協調能力和清潔能源的消納水平。