DQZHAN技術(shù)訊：面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題研究綜述與展望
摘要：處于能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng),受交通系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)等多系統(tǒng)交互影響,是能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程的核心環(huán)節(jié)。結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵與特征,分析了能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)特征,提出從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)γ嫦蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論進(jìn)行研究的思路。綜述了配電系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研究成果,深入探討了目前規(guī)劃方法中需解決的規(guī)劃模型、求解算法、不確定因素處理等關(guān)鍵理論問(wèn)題,并針對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了展望。
作者：王瑋 李睿 姜久春
0 引言
21世紀(jì)以來(lái),世界能源發(fā)展格局已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化,人類對(duì)能源的依賴程度不斷加深,能源利用規(guī)模持續(xù)增大,以可再生能源為主的新能源技術(shù)快速發(fā)展,能源結(jié)構(gòu)多元化趨勢(shì)愈加明顯,能源消納與利用方式更加靈活。一場(chǎng)以發(fā)展清潔能源、保障能源、應(yīng)對(duì)氣候變化和可持續(xù)發(fā)展為顯著特征的能源正在孕育和發(fā)展[1]。
與此同時(shí),通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、信息物理系統(tǒng)等信息通信技術(shù)與能源體系的高度融合,構(gòu)建結(jié)構(gòu)多元化、開(kāi)發(fā)清潔化、消費(fèi)電氣化、系統(tǒng)智能化綜合能源互聯(lián)利用體系,成為擺脫依賴化石能源的工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的重要途徑。在此背景下,能源互聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)想和愿景被提出[2],并被認(rèn)為是第3次工業(yè)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和核心推動(dòng)力。
考慮到互聯(lián)網(wǎng)在能源中的重要地位,能源互聯(lián)網(wǎng)自提出以來(lái)便受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。在美國(guó),國(guó)家能源可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)研發(fā)完成了用于大規(guī)模能源系統(tǒng)時(shí)序數(shù)據(jù)管理的開(kāi)源數(shù)據(jù)系統(tǒng),并成立了專注于規(guī)模清潔能源并網(wǎng)研究的研發(fā)中心(ESIF),致力于為美國(guó)提供清潔、經(jīng)濟(jì)的混合能源供應(yīng)[3]。隨著歐盟“20-20-20”和2050電力生產(chǎn)無(wú)碳化發(fā)展目標(biāo)的確立,歐盟發(fā)布了歐盟電網(wǎng)計(jì)劃(EEGI)新版路線圖,努力將各國(guó)能源系統(tǒng)融合構(gòu)建成跨歐洲的統(tǒng)一能源生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能源的清潔、高效利用[3-4]。荷蘭Power Matching City示范工程力圖在包含天然氣發(fā)電、混合熱泵、熱電聯(lián)產(chǎn)的智能能量協(xié)調(diào)管理方面取得突破[3]。
目前,學(xué)者對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的研究已有了一些進(jìn)展。文獻(xiàn)[5]基于互聯(lián)網(wǎng)理念,通過(guò)分析分布式電源的即插即用、能源路由器與開(kāi)放規(guī)范的分布式智能管理系統(tǒng)3個(gè)重要特征,給出了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu);其強(qiáng)調(diào)的開(kāi)放、互動(dòng)理念受到其他學(xué)者的廣泛認(rèn)可。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為能源互聯(lián)網(wǎng)是以智能電網(wǎng)為主要載體的廣域、分布式、多能源互補(bǔ)的能源生態(tài)系統(tǒng),其主要強(qiáng)調(diào)多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)運(yùn)行。文獻(xiàn)[7]摒棄傳統(tǒng)單獨(dú)依靠電力系統(tǒng)完成可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行的模式,提出了一種融合電網(wǎng)、管網(wǎng)系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)及交通系統(tǒng)的智能能源網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)可再生能源供應(yīng)。
綜合上述研究不難發(fā)現(xiàn),電力能源所具有的瞬發(fā)、瞬供特點(diǎn),決定了電能在能源互聯(lián)網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)中的主體地位,成為能源互聯(lián)網(wǎng)中冷、熱、氣、電等多類型分布式能源配給與消納的主要能源形式。而隨著分布式能源技術(shù)的快速發(fā)展,大量、多類型分布式可再生能源發(fā)電在配電系統(tǒng)廣泛接入,使得配電系統(tǒng)從傳統(tǒng)無(wú)源配電網(wǎng)絡(luò)向有源配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。同時(shí),分布式冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)、電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(P2G)、電動(dòng)汽車并網(wǎng)技術(shù)(V2G)等多種分布式能源技術(shù)使得配電系統(tǒng)成為了電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、熱能系統(tǒng)的關(guān)鍵交互領(lǐng)域[8-9],造成配電系統(tǒng)中多種能源供能與消納過(guò)程的隨機(jī)波動(dòng)、電能雙向潮流等新特征。這勢(shì)必對(duì)配電系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行、控制與保護(hù)等方面帶來(lái)新的要求與
挑戰(zhàn)。
本文針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)愿景的5大支柱,歸納了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與內(nèi)涵,結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)特征,以能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃相關(guān)問(wèn)題與研究趨勢(shì)為研究對(duì)象,提出以主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃為核心,從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)γ嫦蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論展開(kāi)研究的思路。對(duì)4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域研究成果進(jìn)行綜述,并對(duì)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域研究過(guò)程中遇到的關(guān)鍵理論問(wèn)題進(jìn)行探討與分析,理清發(fā)展脈絡(luò)并給出相應(yīng)研究重點(diǎn)及展望。
1 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)技術(shù)特征
1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本概念
能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)主要需滿足以下5個(gè)方面[2]：（1）實(shí)現(xiàn)石油、煤炭為主的化石能源向風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能等綠色可再生能源的轉(zhuǎn)變;（2）采用建筑載能等多種方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多形式的分布式電源的廣泛接入;（3）利用氫儲(chǔ)能等多種儲(chǔ)能方式保證電能持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng);（4）利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源廣域互動(dòng)共享;（5）利用電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)互聯(lián)。
可以看出,能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)是以電力系統(tǒng)為核心與紐帶,以風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源與天然氣為主要一次能源,以大規(guī)模、多形式分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛接入為特點(diǎn),以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息通信技術(shù)(ICT)為能源利用和管理手段的電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)在內(nèi)的多系統(tǒng)高度融合的能源綜合管控系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)、源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng),實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源系統(tǒng)的“清潔替代”與“電能替代”。
1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)特征
與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比,作為未來(lái)智能能源體系重要組成部分,能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)具有以下新特征：
（1）多種能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)
面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)廣泛增加了風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等多種分布式可再生能源發(fā)電方式,使得配電網(wǎng)由無(wú)源網(wǎng)絡(luò)向有源配電系統(tǒng)發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。同時(shí),通過(guò)能源結(jié)構(gòu)科學(xué)配比,并利用多種能源在時(shí)空分布與動(dòng)態(tài)特性的互補(bǔ)特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)能源清潔化的同時(shí)保證能源供應(yīng)的安穩(wěn)定[10]。
（2）源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)
利用能源路由器與智能能源管理系統(tǒng),通過(guò)對(duì)分布式電源和能源需求側(cè)中柔性可控的多種能源負(fù)荷主動(dòng)管理,輔以多種類、多形式儲(chǔ)能方式相配合,實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)條件下的配電系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng),實(shí)現(xiàn)能源需求與生產(chǎn)供給協(xié)調(diào)優(yōu)化及資源優(yōu)化配置。
（3）多種系統(tǒng)高度融合
電力系統(tǒng)作為以能源互聯(lián)網(wǎng)核心與樞紐,通過(guò)電動(dòng)汽車并網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)融合;通過(guò)天然氣發(fā)電與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)等實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)融合;通過(guò)冷、熱、電三聯(lián)供技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)與熱(冷)能系統(tǒng)融合。上述系統(tǒng)所涉及的多種大量分布式物理設(shè)備則是利用能源路由器結(jié)合信息通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能量流與信息流融合。
（4）海量分布式設(shè)備廣域互聯(lián)
能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)通過(guò)將廣域、海量分布式能源、儲(chǔ)能與柔性負(fù)荷等分布式設(shè)備深度互聯(lián),實(shí)現(xiàn)端對(duì)端多元化能源共享和能源開(kāi)放市場(chǎng),提高需求側(cè)資源管理精細(xì)化程度以及綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。
2 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題
能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特征使得其在規(guī)劃過(guò)程中面臨多個(gè)方面的挑戰(zhàn),如多種具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)利用、多種能源存儲(chǔ)與消納模式(電、熱和冷)的相互協(xié)調(diào)、多種系統(tǒng)(配電系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng))的協(xié)同運(yùn)行,以及開(kāi)放能源市場(chǎng)環(huán)境下,不同利益主體的協(xié)同共贏問(wèn)題。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),應(yīng)針對(duì)分布式能源接入、分布式設(shè)備的主動(dòng)管理與控制、多系統(tǒng)交互影響等方面對(duì)面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法的深刻影響展開(kāi)研究,探尋解決對(duì)策。為此,本文按照從點(diǎn)到面的分析思路,提出了應(yīng)從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)γ嫦蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論展開(kāi)研究。對(duì)規(guī)劃過(guò)程中規(guī)劃模型中的目標(biāo)函數(shù)與約束條件、求解過(guò)程中的規(guī)劃方案尋優(yōu)空間與求解算法以及不確定因素處理等關(guān)鍵理論問(wèn)題進(jìn)行深入探討。
2.1 微電網(wǎng)規(guī)劃
作為能源互聯(lián)網(wǎng)中小的能源網(wǎng)絡(luò)單元,微電網(wǎng)能夠?qū)⒎稚⒌碾娫础?chǔ)能、負(fù)荷等多種分布式設(shè)備結(jié)合,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部自我控制、管理。
微電網(wǎng)概念被提出以來(lái),已有很多學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃展開(kāi)廣泛研究,而多分布式電源優(yōu)化配置、選址、定容則成為微電網(wǎng)規(guī)劃的首要內(nèi)容[11-14]。文獻(xiàn)[11]綜合考慮了初期投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、環(huán)境收益等因素,以投資凈收益化為優(yōu)化目標(biāo),給出了含風(fēng)、光、儲(chǔ)及熱電聯(lián)供的微電網(wǎng)電源容量配比方法。文獻(xiàn)[13]基于柴、儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略與系統(tǒng)備用容量的分析,給出了一種以全壽命周期內(nèi)的總成本現(xiàn)值、負(fù)荷容量缺失率和污染物排放水平為目標(biāo)的含風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)獨(dú)立微電網(wǎng)的多目標(biāo)規(guī)劃方法。
微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面,考慮到直流系統(tǒng)在輸送容量、可控性以及供電質(zhì)量等方面優(yōu)勢(shì),同時(shí)不存在交流系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性問(wèn)題[15],直流微電網(wǎng)與交直流混合微電網(wǎng)開(kāi)始逐漸受到學(xué)者的重視,但相關(guān)研究比較有限。文獻(xiàn)[16]分別從交流子微網(wǎng)與直流子微網(wǎng)電壓等級(jí)、母線結(jié)構(gòu)、接地方式和交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?個(gè)方面對(duì)交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[17]對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的接入容量、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,給出了各類微電網(wǎng)供電模式的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。
2.2 主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃
與微電網(wǎng)不同,主動(dòng)配電系統(tǒng)更突出利用靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),和對(duì)分布式電源、需求側(cè)資源的主動(dòng)管理,以實(shí)現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)高效運(yùn)行。其規(guī)劃模型應(yīng)該是綜合考慮變電站選址定容、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多種分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化配置、選址定容等規(guī)劃內(nèi)容,以追求經(jīng)濟(jì)效益好、能源損耗小、供電可靠率高以及可再生能源利用率高等眾多目標(biāo),并涉及多種間歇式可再生能源發(fā)電、負(fù)荷需求增長(zhǎng)以及未來(lái)能源市場(chǎng)等多種不確定因素的組合優(yōu)化復(fù)雜問(wèn)題[18]。
目前針對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)的研究主要圍繞以下3個(gè)方面進(jìn)行：（1）主動(dòng)配電系統(tǒng)發(fā)電預(yù)測(cè)與電源規(guī)劃方法,重點(diǎn)關(guān)注主動(dòng)管理模式下間歇性可再生能源發(fā)電出力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方法、置信容量評(píng)估方法及基于置信容量分布式電源與儲(chǔ)能設(shè)備的容量?jī)?yōu)化及合理選址[19-23];（2）主動(dòng)配電系統(tǒng)中新型負(fù)荷預(yù)測(cè)方法,研究重點(diǎn)主要是需求側(cè)管理模式下各種負(fù)荷分類識(shí)別方法,不同類型用戶對(duì)不同引導(dǎo)機(jī)制的響應(yīng)機(jī)理及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型研究,以及基于需求側(cè)響應(yīng)的新型負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[24-27];（3）主動(dòng)配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃,關(guān)注的重點(diǎn)主要集中在分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及變電站選址定容、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的綜合性規(guī)劃[28-32]。
上述研究成果為微電網(wǎng)與主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃奠定了重要基礎(chǔ),但普遍存在以下幾方面的問(wèn)題：
（1）主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃相對(duì)于微電網(wǎng)規(guī)劃更加注重對(duì)分布式電源與需求側(cè)資源的主動(dòng)管理考慮,但多數(shù)研究卻存在源-網(wǎng)-荷規(guī)劃過(guò)程中的獨(dú)立優(yōu)化決策缺陷,雖然文獻(xiàn)[30-31]分別通過(guò)雙層規(guī)劃模型、多目標(biāo)規(guī)劃模型在一定程度上實(shí)現(xiàn)了分布式電源與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)規(guī)劃,但優(yōu)化過(guò)程中建立負(fù)荷模型時(shí)忽略了需求側(cè)響應(yīng)的重要作用,這就從本質(zhì)上忽略了源-網(wǎng)-荷3者的內(nèi)在聯(lián)系和可能存在的交互影響,可能導(dǎo)致無(wú)法得到全局規(guī)劃方案。
（2）對(duì)于分布式電源規(guī)劃過(guò)程中的容量配比和互補(bǔ)利用方面,往往是從微電網(wǎng)、配電網(wǎng)角度出發(fā),著重實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與主動(dòng)配電系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡與局部?jī)?yōu)化,并將上級(jí)電網(wǎng)看作是無(wú)窮大電源[6]。
但隨著能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式電源數(shù)量的不斷增加,互聯(lián)程度不斷提高,海量的具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)的分布式電源對(duì)整個(gè)電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)的影響巨大,局部協(xié)調(diào)互補(bǔ)將無(wú)法滿足能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。有學(xué)者[32-35]通過(guò)借鑒“分布式優(yōu)化”理念,提出以多微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入的主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方法,利用微電網(wǎng)為局部?jī)?yōu)化,通過(guò)微電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)海量分布式電源廣域協(xié)調(diào)優(yōu)化[36],但目前的研究還十分有限,且沒(méi)有避免上述第1個(gè)問(wèn)題。
（3）海量間歇式可再生能源與負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)給規(guī)劃過(guò)程帶來(lái)許多隨機(jī)、模糊、灰色等不確定性因素,除了利用云理論規(guī)劃模型[37]與盲數(shù)規(guī)劃模型[38]以外,目前絕大部分研究均忽略或采用單一的概率模型、模糊模型或灰色模型對(duì)這些不確定因素進(jìn)行處理。但規(guī)劃過(guò)程中的不確定信息往往具有交叉混合性,這將使規(guī)劃結(jié)果一定程度上失去意義。
2.3 配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃
能源互聯(lián)網(wǎng)一次能源中,除了風(fēng)、光等可再生能源以外,具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的便是天然氣能源。環(huán)境效益方面,天然氣發(fā)電幾乎不排放二氧化硫及煙塵,而以天然氣為燃料的CCHP系統(tǒng)的二氧化碳排放量?jī)H為燃煤發(fā)電的1/4。經(jīng)濟(jì)效益方面,天然氣發(fā)電廠具有建設(shè)成本低,發(fā)電效率高等優(yōu)勢(shì)。此外,天然氣發(fā)電具有靈活的調(diào)節(jié)能力和調(diào)峰性能,可以在能源互聯(lián)網(wǎng)起到調(diào)峰電源的作用?？梢灶A(yù)見(jiàn),天然氣將超過(guò)煤炭和石油,與可再生能源一同成為主要的一次能源。因此,配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃具有重要的研究?jī)r(jià)值。
由于CCHP能夠?qū)崿F(xiàn)能源的梯級(jí)利用,具有能效高、污染少等特點(diǎn),研究學(xué)者對(duì)天然氣機(jī)組在該領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)了廣泛研究。對(duì)于CCHP系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方面,學(xué)者主要基于經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性,結(jié)合運(yùn)行特性、冷-熱-電負(fù)荷需求、分時(shí)能源價(jià)格及氣候條件等因素,以年運(yùn)行費(fèi)用小、能耗低、污染物排放量小、各主要設(shè)備配置數(shù)量
少等目標(biāo)中的單個(gè)[39-40]或多個(gè)[41-42]為優(yōu)化目標(biāo),根據(jù)“以熱定電”或“以電定熱”等運(yùn)行策略,建立聯(lián)供系統(tǒng)配置和運(yùn)行策略的優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)CCHP系統(tǒng)的設(shè)備容量?jī)?yōu)化配置。文獻(xiàn)[42]在天然氣為驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能、冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng),并給出了設(shè)備容量和運(yùn)行策略的優(yōu)化分析模型。文獻(xiàn)[40,43]將儲(chǔ)能裝置引入到分布式聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置模型體系中,實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備與儲(chǔ)能裝置的同時(shí)優(yōu)化配置。
近年,除了CCHP外,P2G技術(shù)也開(kāi)始受到德國(guó)與丹麥等歐洲學(xué)者的關(guān)注[44-45]。作為新的電能存儲(chǔ)與消納方式,P2G技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到60%以上,同時(shí)還具有提高天然氣系統(tǒng)設(shè)備資產(chǎn)利用率等優(yōu)點(diǎn)。在分布式能源領(lǐng)域,P2G技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)天然氣系統(tǒng)與配電系統(tǒng)融合,成為規(guī)劃過(guò)程中的重要考慮因素。
對(duì)于P2G技術(shù)的研究目前比較有限,文獻(xiàn)[45]通過(guò)對(duì)比電轉(zhuǎn)氫技術(shù)(P2H),得出了P2G技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、能源存儲(chǔ)能力強(qiáng)、設(shè)施投入低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)性(安裝與運(yùn)行費(fèi)用小)、節(jié)能性(電能與天然氣損失小)的目標(biāo),考慮可再生能源發(fā)電安裝位置、天然氣與氫氣網(wǎng)絡(luò)、二氧化碳可用源及初期與運(yùn)行成本5個(gè)方面,給出了P2G技術(shù)定址方案。
可見(jiàn),CCHP技術(shù)與P2G技術(shù)的發(fā)展使得能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)交互影響更加深刻,對(duì)2系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃研究具有重要意義。配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃目前的研究主要是通過(guò)對(duì)天然氣系統(tǒng)供應(yīng)、存儲(chǔ),尤其是消納過(guò)程的數(shù)學(xué)模型與配電系統(tǒng)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型相結(jié)合,綜合考慮2系統(tǒng)約束條件,以2系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行成本之和小為優(yōu)化目標(biāo)給出多階段混合整數(shù)非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型[46-48]。
作為2系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換樞紐,天然氣分布式發(fā)電機(jī)在配電系統(tǒng)模型中是電源,而在天然氣系統(tǒng)中則是能源負(fù)荷。大部分文獻(xiàn)則忽略了不同的天然氣發(fā)電形式由于能量轉(zhuǎn)換效率的不同而對(duì)協(xié)同規(guī)劃的產(chǎn)生的影響。同時(shí),除文獻(xiàn)[48]利用幾何布朗運(yùn)動(dòng)和平均恢復(fù)過(guò)程處理能源價(jià)格與負(fù)荷需求帶來(lái)的不確定性,并結(jié)合序貫蒙特卡洛抽樣仿真方法給出多階段柔性協(xié)同規(guī)劃模型外,大部分優(yōu)化模型采用了確定性優(yōu)化模型,因此無(wú)法處理能源互聯(lián)網(wǎng)中間歇式可再生能源發(fā)電、開(kāi)放能源市場(chǎng)與需求側(cè)響應(yīng)等方面帶來(lái)的不確定因素影響,使得得出的2系統(tǒng)多階段擴(kuò)展規(guī)劃方案的可行性遭到質(zhì)疑。此外,除文獻(xiàn)[49]利用能源供應(yīng)不足成本對(duì)穩(wěn)定性加以考量外,在多數(shù)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)中,忽略了對(duì)系統(tǒng)節(jié)能性、環(huán)保性、穩(wěn)定性的考量,僅簡(jiǎn)單以2系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行成本之和作為優(yōu)化目標(biāo)使得優(yōu)化結(jié)果不夠,無(wú)法對(duì)2系統(tǒng)低碳與環(huán)保效益進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。
2.4 配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃
作為21世紀(jì)世界汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向,電動(dòng)汽車的發(fā)展反映了能源消費(fèi)方式的深刻變革。近日,國(guó)家住建部發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)城市電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)工作的通知》,要求及時(shí)將電動(dòng)汽車充電設(shè)施作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施納入到城市規(guī)劃,建設(shè)布局合理、適度超前、車樁相隨、智能高效的充電設(shè)施體系?？梢?jiàn),以電動(dòng)汽車充電樁、充電站及換電站等充電設(shè)施為紐帶,配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的交互影響將會(huì)不斷加深。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車充電站相關(guān)規(guī)劃問(wèn)題已經(jīng)做了很多工作,研究的重點(diǎn)主要集中在以下2個(gè)方面：
（1）電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃研究[50-52],其主要是根據(jù)電動(dòng)汽車充電需求與充電站建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用等,在已有配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和變電站位置的基礎(chǔ)上,對(duì)充電站選址定容規(guī)劃。文獻(xiàn)[50]利用交通配流模型表征充電站充電服務(wù)能力,并在此基礎(chǔ)上綜合考慮充電類型(充/換)、充電負(fù)荷在配電系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)位置的不確定性和車流在交通系統(tǒng)中分布不確定性,運(yùn)用多場(chǎng)景技術(shù)建立了基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的充電站選址定容的2階段多目標(biāo)優(yōu)化模型,以期實(shí)現(xiàn)充電服務(wù)能力大化、電壓偏差與網(wǎng)損小。文獻(xiàn)[51]基于B2G技術(shù),將電動(dòng)汽車與電池解耦,將燃油汽車的出行規(guī)律用于電動(dòng)汽車分析中,給出了電動(dòng)汽車換電需求預(yù)測(cè)模型,并在此基礎(chǔ)上提出了以電網(wǎng)的等效負(fù)荷方差和小作為下層規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù),以集中型充電站、線路的建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用和網(wǎng)損費(fèi)用小作為上層規(guī)劃模型目標(biāo)的集中型充電站雙層規(guī)劃模型。
（2）含電動(dòng)汽車充電站的電網(wǎng)規(guī)劃研究[53-55],其主要是在充分考慮充電站優(yōu)化選址、定容的基礎(chǔ)上,以建設(shè)成本小、充放電便利性好為目標(biāo),包含變電站、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃等內(nèi)容的配電系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃。文獻(xiàn)[54]結(jié)合層次分析法與利差大化方法,給出了充電站年投資成本系數(shù),并在此基礎(chǔ)上充分考慮電價(jià)機(jī)制與相應(yīng)充放電策略,給出變電站、饋線及考慮年投資成本系數(shù)的充電站平均年建設(shè)、維護(hù)、運(yùn)行及貸款等額年金成本之和小為優(yōu)化目標(biāo)的規(guī)劃模型。在文獻(xiàn)[50]的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[55]針對(duì)分散式充電樁,提出了基于節(jié)點(diǎn)充電需求的規(guī)劃策略,給出了配電系統(tǒng)與電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化模型,以實(shí)現(xiàn)投資成本與網(wǎng)損之和小、快速充電站截獲交通流量大的目標(biāo)。
目前,對(duì)電動(dòng)汽車充電站與含充電站的配電網(wǎng)規(guī)劃方面已經(jīng)取得了一定的研究成果,但從給出的規(guī)劃數(shù)學(xué)模中可以看出,目前的研究多基于給定的交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和道路交通流量,局限于從配電系統(tǒng)單方面考慮。雖然文獻(xiàn)[50,52]在模型中引入交通配流模型與交通流量密度等概念以量化交通系統(tǒng)對(duì)充電站與配電系統(tǒng)的影響,但沒(méi)有就充電站、變電站建設(shè)位置對(duì)交通系統(tǒng)中車流分布、擁塞程度、道路擴(kuò)建等問(wèn)題展開(kāi)研究。規(guī)劃過(guò)程中,交通系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的互聯(lián)分析并不夠,無(wú)法滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中2系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的需求。
3 未來(lái)研究重點(diǎn)及展望
能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃戰(zhàn)略的制定應(yīng)充分體現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下“多源協(xié)調(diào)互動(dòng)”、“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)”、“多源高度融合”和“海量分布式設(shè)備廣域互聯(lián)”的技術(shù)特點(diǎn),并按照分層優(yōu)化的原則,優(yōu)先滿足電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)相關(guān)行業(yè)宏觀協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上,解決上文所述4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題。具體來(lái)講,建議未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)對(duì)以下幾方面內(nèi)容開(kāi)展研究：
（1）微電網(wǎng)規(guī)劃方面,為了實(shí)現(xiàn)各類型電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等分布式設(shè)備的即插即用,重點(diǎn)研究不同電壓等級(jí)及不同容量的交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃、設(shè)計(jì)方法和“即插即用”接口設(shè)計(jì),提高分布式設(shè)備靈活接入能力。
此外,應(yīng)著重對(duì)智能能源建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)展開(kāi)研究,利用其作為微電網(wǎng)與其他類型分布式能源網(wǎng)絡(luò)(微熱網(wǎng)、微氣網(wǎng)等)的連接紐帶,優(yōu)化分布式能源網(wǎng)絡(luò)中的冷、熱、電3方面的能源、儲(chǔ)能及負(fù)荷的合理配置。
（2）主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方面,為了實(shí)現(xiàn)橫向多源互補(bǔ),縱向源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào),應(yīng)更加重視多種儲(chǔ)能設(shè)備容量配置方法與需求側(cè)響應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載能力的利用價(jià)值研究。
對(duì)微電網(wǎng)功率外特性進(jìn)行深入研究并建立數(shù)學(xué)模型,借鑒“分布式優(yōu)化”理念,研究微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入的主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方法,增強(qiáng)主動(dòng)配電系統(tǒng)中多微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)與集成能力,利用微電網(wǎng)內(nèi)部局部?jī)?yōu)化及微電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào),使配電系統(tǒng)中海量分布式能源廣域協(xié)調(diào)優(yōu)化配置,以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)協(xié)調(diào)、區(qū)域自治。
同時(shí),為了保證運(yùn)行的同時(shí),充分實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性優(yōu),應(yīng)摒棄傳統(tǒng)規(guī)劃方法僅以嚴(yán)重工況作為運(yùn)行條件的確定性規(guī)劃思路。建立分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)荷的多時(shí)間尺度仿真模型,并結(jié)合運(yùn)行過(guò)程中的控制策略,實(shí)現(xiàn)規(guī)劃過(guò)程中對(duì)運(yùn)行狀況的精細(xì)化仿真。充分挖掘源、荷兩側(cè)可調(diào)度資源及并合理利用之間的交互影響(如季節(jié)性或晝夜性的多種能源出力互補(bǔ)性,分布式能源出力與負(fù)荷需求相關(guān)性,需求側(cè)響應(yīng)對(duì)負(fù)荷曲線的移峰填谷作用等),以此優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu),改善投資與運(yùn)行成本,提高資產(chǎn)利用率。
為了考慮實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中來(lái)自源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等多方面的多重不確定因素,應(yīng)利用蒙特卡羅模擬、拉丁超立方采樣、場(chǎng)景分析法及機(jī)會(huì)約束規(guī)劃等方法實(shí)現(xiàn)計(jì)及多種不確定性因素的配電系統(tǒng)柔性規(guī)劃,以提高規(guī)劃方案在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的適用性和有效性。
（3）配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方面,為提高2系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃的協(xié)同水平,以P2G與CCHP為紐帶,充分考慮其在配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)中的不同作用,建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型,量化2系統(tǒng)的交互影響,并針對(duì)間歇式可再生能源發(fā)電、開(kāi)放能源市場(chǎng)與需求側(cè)響應(yīng)等方面帶來(lái)的不確定因素,研究配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同不確定多目標(biāo)規(guī)劃模型。
（4）配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方面,以電動(dòng)汽車充電設(shè)施為紐帶,進(jìn)一步研究配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的交互影響;研究配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型,約束條件中應(yīng)對(duì)交通系統(tǒng)中的路段負(fù)荷約束、節(jié)點(diǎn)流量守恒約束、建設(shè)預(yù)算約束等約束條件加以考慮。目標(biāo)函數(shù)中,也應(yīng)將交通系統(tǒng)中的系統(tǒng)總走行時(shí)間、交通網(wǎng)絡(luò)可靠性、交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及改造成本等作為重要考量因素。
（5）面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)規(guī)劃方面,面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)中,大量分布式設(shè)備及上述多分布式能源系統(tǒng)間的能量實(shí)時(shí)優(yōu)化需求對(duì)信息通信系統(tǒng)提出了極高的要求。這使得面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃成為極其重要的研究方向之一。
為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中大量分布式設(shè)備的態(tài)勢(shì)感知和自治決策需求,信息通信系統(tǒng)規(guī)劃必須與配電系統(tǒng)分層、分區(qū)運(yùn)行控制管理策略與物理結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào),以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中,利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)完成高速采集、雙向傳輸、多元融合及實(shí)時(shí)處理。
進(jìn)一步對(duì)協(xié)同規(guī)劃過(guò)程中配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)的協(xié)同仿真方法進(jìn)行研究。在優(yōu)化目標(biāo)方面,必須將信息通信系統(tǒng)投資與運(yùn)行綜合費(fèi)用納入優(yōu)化目標(biāo),以評(píng)估配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),在約束條件方面,可靠性分析過(guò)程中也應(yīng)利用配電系統(tǒng)與通信系統(tǒng)聯(lián)合仿真,準(zhǔn)確定量評(píng)估信息通信系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能遇到的延時(shí)、誤碼、中斷等故障對(duì)配電系統(tǒng)可靠性的影響。
4 結(jié)論
1）能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,電力系統(tǒng)的主干作用及多系統(tǒng)交互影響對(duì)配電系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行、保護(hù)等方面帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。本著規(guī)劃先行的原則,利用科學(xué)規(guī)劃方法,就能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)與發(fā)展模式進(jìn)行研究,具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
2）面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)研究,應(yīng)突出多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)互補(bǔ)、源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)、多種系統(tǒng)高度融合與海量分布式設(shè)備廣域互聯(lián)的特點(diǎn),按照從點(diǎn)到面的分析思路,以主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃為核心,從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃及配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)δ茉椿ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論深入進(jìn)行研究。
3）規(guī)劃過(guò)程中要注重主動(dòng)配電系統(tǒng)的主動(dòng)控制、主動(dòng)調(diào)節(jié)能力,在規(guī)劃過(guò)程中對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行精細(xì)化仿真,將運(yùn)行過(guò)程與規(guī)劃過(guò)程集成,以提高主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性。
